Тривимірна комп’ютерна графіка і анімація. Ключові концепції 3D Studio MAX

3D-графіка призначена для імітації фотографування або відео зйомки тривимірних образів об’єктів, які попередньо створюються в пам’яті комп’ютера в такій послідовності: попередня підготовка, створення геометричної моделі сцени, настроювання освітлення і знімальних камер, підготовка і призначення матеріалів, візуалізація сцени. Таким чином створюється уявний світ, який часто називають віртуальним.
Попередня підготовка передбачає продумування складу сцени, розміщення об’єктів і їх деталей, які будуть видимими з передбачуваних напрямів спостереження.
На етапі створення геометричної моделі сцени за допомогою різноманітних інструментальних засобів будуються тривимірні геометричні моделі об’єктів сцени, після чого сцену можна розглядати і “фотографувати” з будь-якого потрібного ракурсу.
Правильний вибір джерел світла дозволяє виконувати імітацію фотографування сцени в будь-яких умовах освітленості, причому освітленість всіх об’єктів, тіні від них і бліки світла розраховуються автоматично. Моделі знімальних камер дають можливість розглядати тривимірну сцену і виконувати її знімання під будь-яким вибраним кутом зору.
На етапі підготовки і призначення матеріалів забезпечується надання сцені візуальної правдоподібності, що наближує якість зображення до реальної фотографії. Працюючи з матеріалами, можна настроювати такі їх якості, як сила блиску, прозорість, самосвічення, дзеркальність, рельєфність та інші. Реальні фотографії можна включати в склад матеріалів або використовувати для імітації фону.
Візуалізація сцени або рендерінг (rendering) полягає в проведенні програмою розрахунків і нанесення на зображення всіх тіней, бліків, взаємних відблисків об’єктів і т. п. і може тривати досить довго, що залежить від складності сцени і швидкодії комп’ютера.
Типовими галузями застосування тривимірної графіки і анімації є:
· комп’ютерне проектування – архітектурне, конструювання інтер’єрів, віртуальних виставок, створення тривимірних образів деталей і конструкцій і т. п.;
· комп’ютерні ігри;
· комбінована зйомка – використовується там, де виконання реальної фотозйомки неможливо, важко реалізується або вимагає значних матеріальних витрат, а також для синтезу зображень подій, які не зустрічаються в повсякденному житті (книжкова і журнальна графіка, реклама, художня творчість, популяризація науки);
· комп’ютерна мультиплікація – спрощується робота над мультиплікаційними відеофрагментами за рахунок використання методів анімації тривимірних сцен (телевізійна реклама, кінозйомка з включенням анімаційних ефектів, створення науково-популярних або фантастичних сюжетів, відеотренажерів і т. п.).
До недоліків тривимірної графіки слід віднести:
· підвищені вимоги до апаратної частини і пам’яті комп’ютера;
· необхідність проведення великої підготовчої роботи по створенню моделей всіх об’єктів сцени і призначення їм матеріалів;
· меншу, ніж в двовимірній графіці, свободу в формуванні зображень;
· необхідність контролю за взаємним положенням об’єктів в складі сцени;
· неправдоподібну ідеальність результатів візуалізації.
В тривимірній графіці оболонки об’єктів, незалежно від їх форми, складаються з трикутникових граней, що утворюють сітку. Кожна грань має три вершини і три ребра. Суміжні грані, що лежать в одній площині, утворюють багатокутник, або полігон, тому сітку часто називають полігональною. Ребра між гранями, які не лежать в одній площині, зображують на сітці суцільними лініями, а між гранями, які лежать в одній площині – пунктиром. Нормаль (перпендикуляр до поверхні грані) дозволяє визначити, чи буде дана грань видимою. Видимими вважаються тільки ті грані, нормалі яких направлені в бік спостерігача. Кожна грань задається координатами своїх вершин (Х,Y,Z).
Кожний об’єкт розміщується в так званому габаритному контейнері, який являє собою прямокутний паралелепіпед, описаний навкруги об’єкту. В момент створення об’єкту сторони габаритного контейнера орієнтуються паралельно координатним плоскостям глобальної системи координат, а при повертаннях об’єкту разом з ним повертається і його габаритний контейнер. Габаритні контейнери дозволяють програмі швидко визначати, чи закривають об’єкти один одного при спостеріганні сцени з певного напряму. Вони використовуються при підгонці розміру об’єкту під розмір вікна, визначають геометричний центр об’єктів складної форми (центр габаритного контейнера), дозволяють відобразити об’єкти в вигляді габаритного контейнера.
Використовуючи контролери анімації, програми тривимірної графіки здатні автоматично створювати анімаційні послідовності кадрів з врахуванням взаємного затінення, зміни освітленості, відбиття і перевідбиття світла, рівномірного або прискореного руху і т. п.
В 3D-графіці використовується два види проекцій: паралельні (аксонометричні) і центральні (перспективні). При побудові аксонометричної проекції тривимірного об’єкту його окремі точки зносяться на площину проекції паралельним пучком променів, а при побудові центральної проекції – пучком променів, що виходять з одної точки, яка відповідає положенню ока спостерігача. Окремим випадком аксонометричних проекцій є ортографічні проекції, коли площина проекції вирівнюється паралельно одній з координатних площин тривимірного простору (вид зверху, знизу, спереду, ззаду, справа і зліва).
Всі об’єкти сцени розміщуються в глобальній системі координат (Х,Y,Z) з початком в точці (0,0,0). Умовно вважають, що в віртуальному тривимірному просторі цієї системи вісь Z відповідає поняттю висоти, вісь Х - ширини, а вісь Y – довжини або глибини сцени. Площинами, на які зображуються проекції об’єктів сцени, по замовчуванню є три площини, що проходять через осі глобальної системи координат: ZX (вид спереду, вид ззаду), XY (вид зверху, вид знизу), ZY (вид зліва, вид справа).
Локальна система координат призначається кожному об’єкту і визначає поняття “верх”, “ліво”, “право” для цього об’єкту. Початок її розміщується в опорній точці об’єкту, яка для деяких об’єктів міститься в геометричних центрах їх габаритних контейнерів, а для інших - в центрі основи. Осі локальних координат об’єкту вирівнюються паралельно бокам його габаритного контейнера. При повертанні або переміщенні об’єкту його локальна система координат повертається і переміщується разом з ним, причому, наприклад, напрямом “вверх” для нього завжди залишається напрям осі Z локальної системи координат.
Для визначення яскравості і кольору кожної точки поверхні об’єктів в тривимірній графіці використовуються різноманітні типи алгоритмів тонованого зафарбовування сітчастих оболонок (постійне, за Фонгом, за Блінном, металічне та інші). При постійному зафарбовуванні кожна грань оболонки об’єкту зображується як плоска площадка, яскравість якої залежить від орієнтації нормалі грані по відношенню до напряму променів світла і напряму погляду спостерігача. Так як оболонки тривимірних об’єктів розбиті на трикутникові грані штучно, необхідно вживати заходів щодо забезпечування згладжуваності ребер між гранями. Наприклад, при зафарбовуванні за Фонгом згладжуваність досягається за рахунок того, що орієнтація нормалі в кожній точці плоскої грані вважається змінною і розраховується як проміжна між початковими орієнтаціями нормалі даної грані і трьох сусідніх.
Ключові концепції 3D Studio MAX
3D Studio MAX є радикально новим підходом до тривимірного моделювання і візуалізації. Основні поняття і методи, відповідно до яких 3DS МАХ 4 керує об’єктами і даними на сцені, істотно відрізняються від попередніх версій 3DS і інших програм тривимірного моделювання і візуалізації. Ці поняття варто усвідомити, щоб робота з 3DS МАХ була більш продуктивною.
Термін “об’єкт” використовується скрізь у програмі 3DS МАХ, яка є об’єктно-орієнтованою програмою. Якщо подивитися на 3DS МАХ у термінах програмування, усе, що створюється, є об’єктами. Геометрія, камери і джерела світла на сцені є об’єктами. Модифікатори також є об’єктами, як і контролери, растрові зображення і визначення матеріалів. Багато об’єктів, такі як каркаси, сплайни і модифікатори, допускають маніпулювання на рівні підоб’єктів. Термін “об’єкт” відноситься до всього, що можна вибрати і маніпулювати ним у 3DS МАХ.
Більшість об’єктів у 3DS МАХ є формою параметричного об’єкту. Параметричний об’єкт визначається сукупністю характеристик чи параметрів, а не явним описом його форми. Наприклад, розглянемо два методи визначення сфери: один непараметричний, а інший – параметричний. Непараметрична сфера одержує радіус і кількість сегментів і використовує цю інформацію для створення явної поверхні, що складається з вершин і граней. Визначення сфери існує тільки як сукупність граней. Інформація про радіус і сегменти не зберігається. Якщо необхідно змінити радіус або кількість сегментів, потрібно видалити сферу і створити нову. Параметрична сфера зберігає параметри радіуса і кількості сегментів і відображає представлення сфери на основі поточного значення параметрів. Параметричне визначення сфери зберігається як радіус і кількість сегментів. Ці параметри можна змінювати і навіть виконувати їхню анімацію в будь-який час.
Параметричний об’єкт забезпечує важливі опції моделювання й анімації. У загальному випадку необхідно як можна довше зберігати параметричне визначення. Деякі операції 3DS МАХ перетворюють параметричні об’єкти в непараметричні, які іноді називають явними об’єктами. Багато операцій не відкидають параметричні властивості об’єкту. Прикладами операцій, що відкидають параметри, є з’єднання об’єктів один з одним за допомогою модифікаторів Edit (відредагувати), руйнування Modifier Stack (стеку модифікаторів) та експортування об’єктів в інший файловий формат. У останньому випадку тільки об’єкти в експортованому файлі втрачають свої параметричні властивості, а на первісні об’єкти в сцені 3DS МАХ це не впливає. Ці операції слід виконувати тільки в тому випадку, коли є достатня впевненість у тім, що більше не прийдеться регулювати параметри об’єктів.
Складений об’єкт є типом параметричного об’єкту, у параметри якого входять поєднувані об’єкти й опис способів їхнього об’єднання. 3DS МАХ поставляється з трьома стандартними складеними об’єктами: бульовими, об’єктами, що отримані в результаті морфінгу, та об’єктами, що отримані в результаті лофтингу.
Термін підоб’єкт відноситься всього, що можна вибрати і маніпулювати ним. Загальновідомим прикладом підоб’єкту є одна з граней, що утворюють каркас.
При побудові об’єкту сцени створюється процес, що визначає, як параметри основного об’єкту модифікуються, трансформуються, спотворюються в просторі, як привласнюються йому властивості і як він остаточно буде відображатися на сцені. Цей процес називається потоковою схемою і розуміння його критичне для розуміння поводження 3DS МАХ.
Майстер-об’єкт – це термін, що відноситься до параметрів первісного об’єкту, який створюється за допомогою функцій панелі Create (Содать). Майстер-об’єкт можна вважати як абстрактне визначення об’єкту, що не існує на сцені. Об’єкт не існує доти, поки не зроблена оцінка всієї потокової схеми. Майстер-об’єкт – це просто перший крок. Він забезпечує таку інформацію про об’єкт: тип об’єкту, його параметри, початок координат і орієнтація локальної системи координат.
Після створення майстра-об’єкту можна застосувати будь-яку кількість Object Modifier (модифікаторів об’єкту), подібних до Bend (зігнути) і Stretch (розтягнути). Модифікатори маніпулюють підоб’єктами, наприклад, вершинами, стосовно локальної системи координат об’єкту і початку координат (змінюють структуру об’єкту в просторі об’єкту). Вплив модифікатора на об’єкт є постійним незалежно від розташування об’єкту.
Об’єкти розміщуються й орієнтуються за допомогою трансформацій. При трансформації об’єкту змінюється його положення, орієнтація і розмір стосовно сцени. Система координат, що описує всю сцену, називається світовим простором. Система координат світового простору визначає глобальний початок координат сцени і встановлює глобальні осі координат, що ніколи не змінюються. Object Transforms (трансформації об’єкту) включають:
· позиціонування – визначає відстань локального початку координат об’єкту від початку координат світового простору;
· обертання – визначає орієнтацію між локальними осями координат об’єкту і світових координатних осей;
· масштаб – визначає відносний розмір між локальними осями об’єкту і світовими осями.
Комбінація позиціонування, обертання і масштабу називається матри­цею трансформації об’єкту. Трансформації об’єкту визначають розташування об’єктів і їхню орієнтацію на сцені, впливають на весь об’єкт і обчислюються після обчислення всіх модифікаторів. Цей останній момент відіграє важливу роль. Не має значення, чи спочатку застосувати модифікатори і потім трансформувати об’єкт, чи спочатку трансформувати об’єкт, а потім застосувати модифікатори. Обчислення трансформацій завжди виконується після обчислення модифікаторів.
Спотворювач простору є об’єктом, що може вплинути на інші об’єкти на основі їхнього розташування у світовому просторі. Спотворення простору можна вважати комбінацією впливів модифікаторів і трансформацій. Подібно модифікаторам, спотворювачі простору можуть змінити внутрішню структуру об’єкту, але вплив спотворення простору залежить від того, як трансформується розглянутий об’єкт на сцені.
Модифікатори використовуються, якщо необхідно застосувати вплив, що є локальним для об’єкту і залежить від інших модифікаторів у потоковій схемі, а спотворювач простору – для впливу, що повинний бути глобальним для багатьох об’єктів і залежати від розташування об’єктів на сцені та для моделювання зовнішніх впливів і зовнішніх сил.
Всі об’єкти мають унікальні властивості, які не є базовими параметрами об’єкту або результатом впливу модифікаторів чи трансформацій – це ім’я об’єкту, колір дротового каркасу, привласнений матеріал і здатність відкидати тінь. Більшість властивостей об’єкту можна відобразити й установити через діалогове вікно Object Properties (властивості об’єкту). Для його відображення потрібно вибрати об’єкт і два рази клацнути на ньому правою кнопкою миші.
Клон є терміном загального призначення, що використовується для опису операції створення копії, екземпляру або посилання. Більшість об’єктів, таких як геометрія, модифікатори і контролери, можна скопіювати і створити їхні екземпляри. Можна зробити посилання об’єктів сцени, подібних до камер, джерел світла і геометрії. При копіюванні чого-небудь первісний об’єкт і копія є незалежними.
Екземпляри описують метод використання визначення одного об’єкту в декількох місцях.
Посилання доступні тільки для об’єктів сцени. Посилання переглядають параметри майстра-об’єкту й обрану кількість модифікаторів перед тим, як потокова схема розщеплюється, утворюючи два об’єкти, кожний з який містить свій власний набір унікальних модифікаторів. Посилання можна застосовувати для побудови сімейства аналогічних об’єктів, що спільно використовують однакове основне визначення, але кожний з них має власні унікальні характеристики.
Практично все в 3DS МАХ організовано в ієрархію. Більш високі рівні в ієрархії являють собою загальну інформацію і є рівнями найбільшого впливу. Більш низькі рівні являють собою докладну інформацію і є рівнями меншого впливу. Track View (перегляд треків) відображає ієрархію всієї сцени. Верхнім рівнем є World (світ). Рівень, що безпосередньо випливає за World, зберігає п’ять категорій, які організують всі об’єкти на сцені. Цими категоріями є: Sound (звук), Enviroment (оточення), Material Editor (редактор матеріалів), Scene Materials (матеріали сцени) і Objects (об’єкти). Рівні, які знаходяться нижче п’яти категорій, зберігають деталі всього, що є на сцені.
Використовуючи інструменти для зв’язку об’єктів, можна створити ієрархію, у якій трансформації, застосовані до одного об’єкту, успадковуються об’єктами, зв’язаними з ним і розташованими нижче нього. Верхній рівень ієрархії називається коренем. Об’єкт, зв’язаний з об’єктами, розташованими нижче нього, називається об’єктом предка. Всі об’єкти нижче предка є нащадками. Об’єкт, зв’язаний з об’єктом, розташованим вище нього, називається дочірнім об’єктом. Всі об’єкти, які можна простежити від дочірнього об’єкту назад до кореня, називаються батьками.
Система виміру часу в 3DS МАХ заснована на інтервалах часу. Кожен інтервал триває 1/4800 секунди. Все те, над чим виконується анімація, у 3DS МАХ зберігається в реальному часі з точністю 1/4800 секунди. Метод відображення часу і частота кадрів візуалізації визначається в діалоговому вікні Time Configuration (конфігурація часу).
Окрім методу ключових кадрів в 3DS МАХ широко використовується параметрична анімація. При цьому вказується час початку і припинення ефекту й встановлюються його параметри. Як анімація на основі ключів, так і параметрична анімація керуються контролерами анімації.
Для задовільної роботи 3DS МАХ 4 на комп’ютері має бути встановлена операційна система Windows NT 4.0, Windows 2000 або Windows 98, процесор не нижче Pentium-300, обсяг оперативної пам’яті 128 (32-64) Мбайт і вільне місце на диску близько 300 Мбайт, роздільна здатність монітору не нижче 800х600 пікселів.


Список використаної літератури:
Інформатика: Комп’ютерна техніка. Комп’ютерні технології. Посібник/ За ред. О.І.Пушкаря – К.: Видавничий центр "Академія", 2001.– 696 с.
Білан С.М., Коваль Д.М. Засоби машинної графіки. Навчальний посібник. – Вінниця, ВДТУ, 2000 р.
Информатика. Базовый курс/ Симонович С.В. и др.– СПб: Питер, 2001.– 640 с.
Д. Мюррей, У. ван Райпер. Энциклопедия форматов графических файлов: пер. с англ.. – К.: Издательская группа BHV, 1997. – 672 с.
Кузнецов И. Анимация для интернета: краткий курс. СПб: Питер, 2001.– 288 с.
Мук К. ActionScript. Подробное руководство.– Пер. с англ. – СПб: Символ–Плюс, 2002.– 792 с.
Маров.М. Эффективная работа: 3ds max 4.– СПб: Питер, 2001.– 864 с.
Петерсон М. Эффективная работа с 3D Studio MAX 3.– СПб: Издательство “Питер”, 2000. – 656 с.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать