Факультет Компьютерных Наук и Технологий | Кафедра: Автоматизированные Системы Управления | Специальность: Информационные управляющие системы
НЕМНОГО О 3D
Когда у меня появляется свободная минутка, я стараюсь немного отвлечь себя от учебы и проблем, связанных с ней, и выделяю это время на занятие 3D моделированием. К сожалению, мой опыт в этой области невелик, но я работаю над своими способностями!
Некоторые люди начали с хобби и превратили его в довольно успешный бизнес, занимаясь любимым делом. Я надеюсь, что в будущем моя работа будет связана с 3D моделированием и просто увлечение займет почетное место в моем профессиональном развитии! Вот почему тема индивидуального задания — это ознакомление с 3D. Я думаю, что многим, кто хоть раз задумывался над идеей освоить 3D моделирование, будет полезным этот раздел.
Общее описание
На английском 3D это 3 Demension, что переводится как 3 измерения. Проще говоря, 3д — это объём. К примеру, работа в фотошопе — это 2D, так как используются две координатные оси. Трёхмерная графика представляет собой раздел компьютерной графики. В трёхмерную графику входит ряд программ, которые позволяют получать пространственно-временную последовательность изображений, передающих нам объём. Это обширно применяется в компьютерных играх, в моделировании различных зданий, в кинематографе, очень популярные на сегодняшний день 3Dшные мультики… Применение 3D очень велико в дизайне различного рода. 3д графика позволяет смоделировать процессы, которые мы не можем смоделировать в реальной жизни, рассчитать физические показатели взаимодействий тел разных состояний друг с другом, позволяет увидеть результаты влияние на объекты ветра, притяжения, ударов и много другого! Думаю, вы уже поняли, что такое 3D объект. Это объект (модель), физические данные которого описаны математически, параметры заданны точками в объёме. Для работы с 3д объектами существуем большое количество 3д редакторов, самые удачные, на мой взгляд — это Autodesk 3ds Max и Maya, сравнительно новыми и уже пользующимися большой популярностью среди 3D редакторов являются такие программы: Rhinoceros 3D, Cinema 4D, ZBrush, Blender. Этапы работы с 3D объектами можно разделить на моделирование, текстурирование и рендеринг [1].
Моделирование — это процесс создания основы объекта, так называемой «сетки», на которую в дальнейшем при текстурировании будет наложена текстура. Рендеринг - это процесс, который превращает нашу пространственную модель в плоскую картинку, при этом просчитывается очень много показателей, таких как блики, отражения, свет… Всё зависит от того, как вы настроили сцену для рендеринга и каким рендером вы пользуетесь. Рендеры (визуализаторы), условно можно разделить на внутренние — те что встроены в используемую программу по умолчанию; и внешние — которые устанавливаются поверх программы-3дредактора. Среди внешних рендеров хочется отметить самый популярный рендер для 3D Max — V-ray.
3ds Max (3D Studio MAX) — полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трёхмерной графикой, разработанная компанией Autodesk.
Моделирование
3ds Max располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей реальных или фантастических объектов окружающего мира с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие:
- • полигональное моделирование в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) — это самый распространённый метод моделирования, используется для создания сложных моделей и моделей для игр;
- • моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS);
- • моделирование на основе порций поверхностей Безье (Editable patch) — подходит для моделирования тел вращения;
- • моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.
Методы моделирования могут сочетаться друг с другом. Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.
Как же работает 3D моделирование. На самом деле 3D модель — это не более, чем кучка математических формул (иногда очень большая кучка — десятки и сотни тысяч формул). В любом из 3D редакторов они тем или иным образом визуализируются, чтобы с моделью можно было работать. Обычно это делается с помощью сетки — набора линий и поверхностей. 3D моделлер на самом деле домысливает, как же будет выглядеть 3D модель на самом деле. И вот когда процесс работы с трехмерной моделью завершен, расставлены источники света и установлена камера (место, откуда мы смотрим на сцену) наступает этап рендера (от английского rendering — визуализация) — вычисления освещенности и цветности в каждой точке.
Рендер — математически жутко сложный и требующий гигантских вычислительных ресурсов процесс, который во многом и определяет, насколько же наша трехмерная сцена будет выглядеть реалистичной. Т.к. 3D модель — это просто набор формул, то рендерить (обсчитывать) ее можно, вообще говоря, разными способами. Обычно за это отвечает специальная программа, которая уже либо входит в графический пакет, либо поставляется независимыми разработчиками. Так вот V-Ray (произносится Вирэй) и есть такая программа, разрабатываемая независимой от Autodesk компанией Chaos Group, как ни странно, из дружественной нам Болгарии. Математический аппарат V-Ray крайне продвинут, базируется на методе Монте-Карло и других зубодробительных теориях, для нас же важно, что V-Ray, пожалуй, наиболее фотореалистичная система рендера и признается в архитектурной визуализации стандартом де факто. V-Ray разрабатывается независимым производителем и, теоретически, совместим с большим числом программ трехмерного моделирования, включая Maya и Softimage XSI, но, на практике, хорошо и стабильно он работает именно с 3ds Max. Это и есть третья причина выбора 3D Max для визуализации архитектуры и интерьеров.
История 3D-MAX
Надо отметить, что история создания 3ds max загадочна и сама по себе заслуживает отдельной статьи. По официальной версии, все начиналось в 1986, когда компания Autodesk занялась разработкой пакета компьютерной анимации. Основными разработчиками были Джейми Клей (Jamie Clay) и основатель Autodesk Джон Уолкер (John Walker). Программа получила название AutoFix. В 1988 году Гари Йост (Gary Yost) покинул группу Antic по разработке программного обеспечения для компьютеров Atari и создал Yost Group, Inc., куда пригласил Тома Хадсона (Tom Hudson) и Джека Пауэла (Jack Powell). При этом Йост покинул Atari отнюдь не по велению сердца, а после переговоров с Эриком Лайонсем (Eric Lyons), в то время директора по новым проектам Autodesk. Yost Group приступает к работе над Autodesk 3D Studio. В 1990 году группа анонсирует первый релиз программы (под DOS), попутно перед этим умудрившись выпустить в свет пакет Autodesk Animator – пакет построения изображений и 2D анимации. Далее начинаются какие-то странности. Известно, что пакет 3ds max (3D Studio) никогда не выходил ни под чьим именем, кроме Autodesk. В тоже время Хадсон утверждает, что права на 3ds Max были проданы Autodesk только в 2001 году. В тоже время при упоминании Autodesk Animator, всплывает имя Джима Кента (Jim Kent), создателя Cyber Paint — программы 2D графики и анимации — для Atari ST, который якобы и создал исходный код Animator. Но Кент в то время работал непосредственно на Autodesk и к Yost Group не имел прямого отношения. Короче, история загадочная. Дальше уже проще. В апреле 1996-го выходит анонсированная на SIGGRAPH'95 версия 3D Studio под Windows. Теперь она носит название 3D Studio MAX. Кстати, у Autodesk c фантазией все в порядке, и впоследствии неоднократно переименовывая программу, официальные названия будут 3dsmax, 3ds Max, вплоть до нынешнего наименования Autodesk 3ds Max. В сентябре 1997-го поступает в продажу 3D Studio MAX 2.0, ну а дальше автодесковцы взяли хорошую для своей бухгалтерии и крайне бесящую пользователей привычку выпускать новую версию программы не реже раза год — всего 16 основных релизов, включая последний Autodesk 3ds Max 2010. Кстати, интересно отметить, что в Северной Америке стоимость любого нового релиза начиная с 1996 года составляет всегда 3,495 долларов (в России на сегодня — 138 800.00 руб., что, заметим, существенно дороже, чем в Америке). Обратите внимание, что 3Д Макс, вообще говоря, существует в двух видах: 3ds Max и 3ds Max Design. Во второй добавлена технология расчета освещения Exposure и отсутствует набор средств для разработки — SDK (Software Development Kit). 3ds Max предназначен для специалистов в области разработки графики и анимации, 3ds Max Design — для архитекторов, инженеров и дизайнеров.
Тут придется отметить оборотную сторону медали кажущейся простоты Макса. Очень часто его берут на вооружение небольшие рекламные агентства и дизайн-студии, чтобы показать заказчику, как будет выглядеть новая вывеска над его продуктовым магазином или поразить воображение его родным горячо любимым логотипом в трехмере. Понятно, что платить серьезным специалистам соответствующие суммы денег у таких агентств нет, делает 3D графику не понятно кто, на результат без слез не взглянешь. А в результате крайним оказывается 3D Max. Обидно. Ведь 3ds Max — это высокопрофессиональный программный пакет. Один список фильмов, созданных с его применением, чего стоит: «Гарри Поттер и узник Азкабана», «Лара Крофт: расхитительница гробниц», «Человек-паук», «Люди X», «История игрушек». «Трансформеры 2» и сотни, и сотни других. Про рекламные ролики и клипы даже не говорим — их сотни тысяч. Здесь, правда, стоит сразу предупредить юных адептов пакета 3D Max, что создать только с его помощью полнометражный фильм вряд ли удастся. Современное кинопроизводство — это огромный коллективный труд сотен людей и десятка разнообразных специализированных программных пакетов. Но 3ds Max занимает в нем свое достойное место.
Есть, однако, одна область, в которой 3D Max принадлежит абсолютное первое место. Причем принадлежит так, что конкурентов и рядом не стояло. Это архитектура и дизайн интерьеров. Архитектура и дизайн интерьеров на протяжении веков страдали этаким раздвоением личности. С одной стороны, в них практически все определяется визуальным рядом, с другой — пока не построено, показать-то и нечего. Чертежи архитекторов? — Так для непосвященного человека в них разобраться и понять, как все-таки будет выглядеть новый дом, можно с весьма большой натяжкой. Рисунки дизайнеров по интерьеру? — Пока качественно отрисуешь десяток возможных вариантов планировки, уже новые коллекции мебели выйдут. Поэтому появление в середине 80-х годов прошлого века программ 3D моделирования стало для архитекторов и дизайнеров манной небесной.
Популярность же именно 3ds Max у архитектурных бюро и дизайн-студий держится на трех китах. Первое. Это уже упоминаемая относительная простота пакета и удобство моделирования в 3D Max различных неорганических объектов. Второе. Огромное количество библиотек с уже готовыми текстурами, материалами, предметами мебели, элементами интерьеров. Третье — V-Ray. Тут мы вынужденны отойти немного в сторонку и обсудить, как же работает 3D моделирование. На самом деле 3D модель — это не более, чем кучка математических формул (иногда очень большая кучка — десятки и сотни тысяч формул). В любом из 3D редакторов они тем или иным образом визуализируются, чтобы с моделью можно было работать. Обычно это делается с помощью сетки — набора линий и поверхностей. 3D моделлер на самом деле домысливает, как же будет выглядеть 3D модель на самом деле. И вот когда процесс работы с трехмерной моделью завершен, расставлены источники света и установлена камера (место, откуда мы смотрим на сцену) наступает этап рендера (от английского rendering — визуализация) — вычисления освещенности и цветности в каждой точке.
Области использования трехмерной графики
Трехмерная графика настолько прочно вошла в нашу жизнь, что мы, сталкиваясь с ней, порой даже не замечаем ее. Разглядывая интерьер комнаты на огромном рекламном щите, янтарный блеск льющегося пива в рекламном ролике, наблюдая, как взрывается самолет в остросюжетном боевике, многие не догадываются, что перед ними не реальные съемки, а результат работы мастера трехмерной графики. Область применения трехмерной графики необычайно широка: от рекламы и киноиндустрии до дизайна интерьера и производства компьютерных игр. При создании рекламы трехмерная графика помогает представить продвигаемый товар в наиболее выгодном свете, например, с ее помощью можно создать иллюзию идеально белых рубашек, кристально чистой минеральной воды, аппетитно разломленного шоколадного батончика, хорошо пенящегося моющего средства и т. д. В реальной жизни рекламируемый объект может иметь какие-нибудь недостатки, которые легко скрыть, используя в рекламе трехмерных «двойников». Вы наверняка замечали, что после применения моющего средства посуда блестит гораздо более тускло, чем в рекламе, а волосы после использования шампуня не выглядят так красиво, как на экране телевизора. Причина этого проста: слишком чистая посуда — всего лишь просчитанное компьютером изображение, такие тарелки в реальности не существуют. Использование компьютерных технологий при проектировании и разработке дизайна интерьера помогает увидеть конечный вариант задолго до того, как обстановка будет воссоздана. Трехмерная графика позволяет создавать трехмерные макеты различных объектов (кресел, диванов, стульев и т. д.), повторяя их геометрическую форму и имитируя материал, из которого они созданы. Чтобы получить полное представление об определенном объекте, необходимо осмотреть его со всех сторон, с разных точек, при различном освещении. Трехмерная графика позволяет создать демонстрационный ролик, в котором будет запечатлена виртуальная прогулка по этажам будущего коттеджа, который только начинает строиться. Что же касается киноиндустрии, то в этой отрасли компьютерная графика сегодня незаменима. Трудно поверить в то, что для одного из первых фильмов серии «Звездные войны» сцену падающего водопада создавали при помощи обыкновенной соли. Специально ехать, чтобы снимать настоящий водопад, было слишком дорого, трехмерной графики тогда еще не было, поэтому создатели картины решили «обмануть» зрителя и изобразить водопад самостоятельно. Вместо воды они сыпали соль на черном фоне, а затем при помощи видеомонтажа совмещали отснятое видео реальных гор с «водопадом» из падающей соли. Сегодня для создания подобных сцен не обязательно заказывать килограммы соли. При помощи редактора трехмерной графики можно без труда смоделировать любой водопад, который зритель не отличит от настоящего [3].
Популярные визуализаторы
Позволю себе написать про популярные визуализаторы:
Mental Ray. MR — самостоятельный (независимый) программный продукт, который используется для визуализации (рендеринга) трехмерных сцен. Его можно подключить к Max'у, как плагин, используя т.н. "3D Studio MAXR Connection to mental rayR" от Discreet. При этом, в Preference Settings, в разделе Rendering/Current Renderer появляется новый рендер — mental ray. С этого момента можно рендерить из Макса напрямую в MR, либо создать с помощью транслятора mi2-файл, содержащий описание сцены для последующего просчета. Mental ray предназначен для моделирования реальных источников света, а также для динамического просчета прохождения светового потока (фотонов) через различные природные среды и распределения освещенности с учетом физических свойств поверхностей. MR использует такие методы рендеринга, как алгоритм "растровой строки" (scanline) для первичного визуального определения поверхностей и алгоритм "разделения двойного пространства" (BSP / binary space partitioning) для определения вторичного светового потока. MR поддерживает разделение вторичного светового потока и "тенеобразующего" потока, для ускорения расчета теней. MR воспроизводит "блики" (сaustics) и симуляцию "глобального освещения" (global illumination), используя для их реализации так называемый "метод фотонного текстурирования" (Photon Mapmethod).
VRay. Среди современных рендер-программ для 3ds max VRay пользуется наибольшей популярностью. Нисколько не преувеличивая можно сказать, что VRay популярен настолько, насколько все остальные рендеры — mental ray, finalRender и brasil r/s вместе взятые. Этот факт тем более удивителен и замечателен, что алгоритм и ядро программы разрабатывались всего несколькими людьми. Популярность этой программы имеет самые веские причины. Во-первых, VRay использует в расчетах передовые вычислительные методы - он построен исключительно и полностью на основе метода Монте-Карло. В этом отношении, пожалуй, VRay можно использовать в качестве демонстрационной программы для метода Монте-Карло. Но кроме этого, VRay обладает целым рядом интересных инновационных технологических решений, обеспечивающих ему дополнительное преимущество в качестве и скорости расчетов.
Brazil. Среди современных программ рендеринга brazil занимает свое собственное достойное место. Brazil обладает достаточно гибкими и современными возможностями расчета освещения, хотя и не является самой быстрой программой расчета. Brazil имеет собственный механизм шейдеров материалов с универсальным интерфейсом. Этот механизм не так изощрен, как, например, у Renderman или mental ray, опирающихся не столько на библиотеку готовых шейдеров, сколько на программирование необходимых свойств. Однако свойств, заложенных в основные типы шейдеров brazil, достаточно для качественного воспроизведения свойств материалов самого широкого спектра. В масштабах промышленного производства это делает brazil выбором №1 для небольших и средних студий, обладающих возможностями сетевого рендеринга и не имеющих возможности/желания программировать собственные шейдеры. Впрочем, brazil имеет немало своих искренних приверженцев и среди энтузиастов-индивидуалов.
Maxwell render. Главная отличительная особенность данного инструмента рендеринга от аналогичных состоит в том, что, по словам разработчиков, программа использует в расчете освещенности корректные физические уравнения light transport (распространения света) и позволяет быстро получать их решения с приемлемым качеством. Maxwell способен производить очень реалистичные результаты освещения без необходимости прибегать к дополнительным световым эффектам, потому что работает на основе точных физических расчётов. Научиться работать с Maxwell очень просто. Пользователю лишь нужно указать количество времени, которое должен занять процесс рендеринга и Maxwell автоматически оптимизирует все вычисления для достижения наилучшего результата по времени рендеринга. Технологический процесс Maxwell достаточно прост. Импортируете геометрию, настраиваете сцену, назначаете материалы и запускаете рендер. Движок Maxwell Render 1.0 является объективным инструментом рендеринга. Объективным, потому что он основан на физике реального света. Алгоритмы и уравнения воспроизводят реалистичное поведение света. Источники света, шейдеры материалов, камеры полностью основаны на точных физических моделях. Maxwell включает такие возможности, как редактор материалов (material editor), редактор света (light editor) или tone-mapping, Global Illumination, 3D motion blur, caustics, симуляция свойств реальных камер, Network Manager и другое. RC версия Maxwell была выпущена под Windows 32. Версия включает плагины-линки к 3dsMax, Viz, Maya, Lightwave, Rhino, Solidworks, ArchiCAD, Cinema 4D, formZ и Sketchup. Дополнительно будут поддерживаться другие форматы файлов, такие как: .obj, .lwo, .nff, .3ds, .xms, и .stl. Версия для платформ Linux и Mac OS X будет в скором времени также доступна [4].
Мои работы
С помощью 3D-MAX можно провизуализировать любое внешнее окружение. Это закат в моем родном городе, к сожалению озера в моем городе нет. Благодаря 3D моделированию я могу создавать любые природные условия, к сожалению, только на картинках.
Используя 3D моделирование можно создавать открытки подобные этой. Для более реальной визуализации необходимо использовать один из качественных визуализаторов. Очень часто можно встретить применение 3D графики при создании логотипов фирм, предприятий, организаций, спортивных марок и т.д.
Любой интересующий вас объект может быть создан и провизуализирован с помощью 3D графики. Можно легко проверить как будет смотреться та или иная вещь или предмет интерьера у вас в комнате.
Литература
1. DizMir.com О трёхмерном
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.dizmir.com/?page_id=864
2. Mir 3D.ru. Первый информационно-развлекательный портал о новостях индустрии компьютерной графики, визуальных эффектов и 3D анимации. 3ds Max: причины популярности.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.mir3d.ru/articles/915/
3. Свобоодная энциклопедия Векипедия. 3ds Max.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/3ds_Max
4. Сиваков И., Популярные визуализаторы, Саратовский Игровой Портал Karamba.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.forum.comchatka.ru/showthread.php?t=20201