3D графіка та анімація на прикладі прикладного пакета 3D Studio MAX2
(використання можливостей цього програмного продукту в навчальному процесі).
Основи 3D графіки та анімації.
У наш час CGI-образи (від слів Computer Graphics Imagery - зображення створене на комп'ютері) оточують нас повсюдно: на телебаченні, в кіно і навіть на сторінках журналів. Комп'ютерна графіка перетворилася з вузькоспеціальної області інтересів вчених-компьюторщіков у справу, до якого прагне присвятити себе безліч людей. Серед програмних комплексів тривимірної графіки, призначених для роботи на комп'ютерах типу PC, лідируюче місце займає 3D Studio MAX2.
Загальне уявлення про 3D.
У самій назві даної області - "тривимірна графіка" - закладено вказівка на те, що нам доведеться мати справу з трьома просторовими вимірами: шириною, висотою і глибиною. Якщо поглянути навколо: все, що нас оточує, володіє трьома вимірами - стіл, стілець, житлові будинки, промислові корпуси і навіть тіла людей. Однак термін "тривимірна графіка" все ж це спотворення істини. На ділі тривимірна комп'ютерна графіка має справу лише з двовимірними проекціями об'єктів уявного тривимірного світу.
Щоб проілюструвати сказане, можна уявити оператора з відеокамерою, за допомогою якої він знімає об'єкти, розташовані в кімнаті. Коли під час зйомок він переміщається по кімнаті, то в об'єктив потрапляють різні тривимірні об'єкти, але при відтворенні знятої відеозапису на екрані телевізора буде видно лише плоскі двовимірні зображення, що представляють собою відображені образи знятих кілька хвилин тому тривимірних об'єктів. Сцена на екрані виглядає цілком реально завдяки наявності джерел світла, природного забарвлення всіх об'єктів і присутності тіней, що додають зображенню глибину і що роблять його візуально правдоподібними, хоча воно і залишається всього лише двовимірним чином.
У комп'ютерній графіці об'єкти існують лише в пам'яті комп'ютера. Вони не мають фізичної форми - це не більше ніж сукупність математичних рівнянь і рух електронів в мікросхемах. Оскільки об'єкти, про які йде мова, не можуть існувати поза комп'ютера, єдиним способом побачити їх є додавання нових математичних рівнянь, що описують джерела світла і знімальні камери. Програмний комплекс 3D Studio MAX2 дозволяє виконувати всі перераховані вище операції.
Використання програми, подібної 3D Studio MAX2, багато в чому схоже зі зйомкою за допомогою відеокамери кімнати, повної сконструйованих об'єктів. Програмний комплекс 3D Studio MAX2 дозволяє змоделювати кімнату і в неї є, з використанням різноманітних базових об'єктів, таких як куби, сфери, циліндри і конуси, а також з використанням інструментів, необхідних для реалізації різноманітних методів створення більш складних об'єктів.
Після того як моделі всіх об'єктів створені та належним чином розміщені у складі сцени, можна вибрати з бібліотеки будь-які готові матеріали, такі як пластик, дерево, камінь і т.д. і застосувати ці матеріали до об'єктів сцени. Можна створити і власні матеріали, користуючись засобами редактора матеріалів (Material Editor) 3D Studio MAX2, за допомогою яких можна керувати кольором, глянсуватій, прозорістю і навіть застосовувати скановані фотографії або намальовані зображення, щоб поверхня об'єкта виглядала так, як це було задумано.
Застосувавши до об'єктів матеріали, необхідно створити уявні знімальні камери, через об'єктиви яких буде спостерігатися віртуальний тривимірний світ, і вироблятися зйомка наповнюють його об'єктів. За рахунок установки параметрів віртуальних камер можна отримати ширококутну панораму сцени або укрупнити план зйомки, щоб зосередити свою увагу на окремих дрібних деталях. Пакет 3D Studio MAX2 підтримує моделі камер з набором параметрів властивих справжнім фото-або відеокамер, за допомогою яких можна спостерігати сцену саме в тому вигляді, який потрібно за задумом сценарію.
Щоб зробити сцену ще більш реалістичною, можна додати до її складу джерела світла. MAX дозволяє включати до сцену джерела світла різних типів, а також налаштовувати параметри цих джерел.
Реалізація геометричних принципів в 3D Studio MAX2
Тривимірне простір
Працюючи з 3D Studio MAX2 користувач має справу з уявним тривимірним простором. Тривимірне простір - це куб в кібернетичному просторі, що створюється в пам'яті комп'ютера. Кібернетичному простір відрізняється від реального фізичного світу тим, що створюється і існує тільки в пам'яті комп'ютера завдяки дії спеціального програмного забезпечення.
Однак подібно реальному простору, тривимірний простір також необмежено велике. Завдання пошуку об'єктів та орієнтації легко вирішується завдяки використанню координат.
Найменшою областю простору, яка може бути зайнята якимось об'єктом, є точка (point). Положення кожної точки визначається трійкою чисел, які називаються координатами (coordinates). Прикладом може служити трійка координат (0; 0; 0), що визначає центральну точку тривимірного простору, яка також називається початком координат (origin point). Іншими прикладами координат можуть бути трійки (200; 674; 96) або (23; 67; 12).
Кожна точка тривимірного простору має три координати, з яких один визначає висоту, інша - ширину, третє - глибину положення точки. Таким чином, через кожну точку можна провести три координатних осі кіберпростору.
Координатна вісь (axis) - це уявна лінія кіберпростору, що визначає напрямок зміни координати. У MAX є три стандартні осі, що називаються осями X, Y і Z. Можна умовно вважати, що вісь X представляє координату ширини, вісь Y - висоти, а вісь Z - глибини.
3D об'єкти
Якщо з'єднати дві точки в кіберпросторі, то буде створена лінія (line). Наприклад, з'єднуючи точки (0; 0; 0) і (5; 5; 0) виходить лінія. Якщо продовжити цю лінію, з'єднавши її кінець з точкою (9; 3; 0) то вийти полілінію (poliline), то є лінія, що складається з декількох сегментів. (В 3D Studio MAX2 терміни лінія і полілінію взаємозамінні.) Якщо з'єднати останню крапку з першим, то вийти замкнута форма (closed shape), то є форма, у якої є внутрішня і зовнішня області. Намальована форма являє собою простий тристоронній багатокутник (polygon), називаний також гранью (face), і складає основу об'єктів, що створюються у віртуальному тривимірному просторі. У багатогранника є наступні базові елементи: вершина, ребро, грань.
Вершина (vertex) - це точка в якій з'єднується будь-яку кількість ліній. Грань (face) - це фрагмент простору, обмежений ребрами багатокутника. Ребро (edge) - це лінія, яка формує кордон грані.
У 3D Studio MAX2 об'єкти складаються з багатокутників, шматків Безьє або поверхні типу NURBS, причому найчастіше використовуються багатокутники, розташовані таким чином, щоб утворити оболонку потрібної форми. У ряді випадків для формування об'єкта потрібно всього кілька багатокутників. Однак у більшості випадків формування об'єктів вимагає використання сотень і тисяч багатокутників, що утворюють величезний масив даних. Так, наприклад, у процесі роботи з кубом комп'ютер має відстежувати положення восьми вершин, шести граней і дванадцяти видимих ребер. Для більш складних об'єктів число елементів складаються з багатокутників може досягати десятків і сотень тисяч.
Проекції 3D об'єктів
Точка спостереження (viewpoint) - це позиція в тривимірному просторі, яка визначає положення спостерігача. Точки спостереження є основою формування в MAX вікон проекцій (viewports), кожне з яких демонструє результат проекції об'єктів тривимірної сцени на площину, перпендикулярну напрямку спостереження з певної точки.
Воображаемая площину, що проходить через точку спостереження перпендикулярно лінії погляду, називається площиною відображення, яка визначає межі області видимої спостерігачеві. Площина відображення інколи називають площиною відсічення.
Щоб побачити об'єкти, розташовані позаду площині відображення, необхідно змінити положення точки спостереження. Або "відсувати" площину відсічення, поки що цікавлять нас об'єкти не виявляться попереду площині.
У MAX вікнах, що дозволяють заглянути у віртуальний тривимірний світ, називаються вікнами проекцій (viewports). Екран монітора сам по собі є площиною відображення, оскільки користувач може бачити лише те, що розташовується в кіберпросторі "за площиною" екрану монітора. Бічні межі ділянки показується у вікні проекції, визначаються межами вікна. Три з чотирьох демонструються за замовчуванням вікон проекцій в 3D Studio MAX2 є вікнами ортографіческіх проекцій. При побудові зображень у цих вікнах вважається, що точка спостереження віддалена від сцени на нескінченну відстань, а всі промені, які виходять з точки спостереження до об'єктів, паралельні відповідної осі координат. Четверте вікно проекції MAX з числа прийнятих за умовчанням, Perspective (Перспектива), є вікном не ортографіческой, а центральної проекції і демонструє більш реалістичне на вигляд зображення тривимірної сцени, при побудові якого промені вважаються такими, що виходять розбіжним пучком з точки спостереження, як це відбувається в реальному життя.
Примітиви
Тривимірні примітиви становлять основу багатьох програмних пакетів комп'ютерної графіки і забезпечують можливість створення різноманітних об'єктів простої форми. У багатьох випадках для формування потрібної моделі тривимірні примітиви доводиться об'єднувати або модифікувати. МАХ 2.0 надає вам два набори примітивів: стандартні (Standard Primitives) і поліпшені (Extended Primitives). До числа стандартних примітивів належать паралелепіпед, сфера, Геосфера, конус, циліндр, труба, кільце, піраміда, чайник, призма. Поліпшеними називаються примітиви багатогранник, тороїдальний вузол, паралелепіпед з фаскою, цистерна, капсула, веретено, тіло L-екструзії, узагальнений багатокутник. Працюючи з примітивами майже завжди необхідно вдаватися до їх перетворення або модифікації для створення потрібних об'єктів. Наприклад, можна змоделювати стіни будівлі набором довгих і високих паралелепіпедів малої товщини. Створюючи додаткові прямокутні блоки меншого розміру і віднімаючи їх з блоків стін, можна створити отвори для вікон і дверей. Самі по собі примітиви використовуються досить рідко.
Складові об'єкти - це тіла, складені з двох або більше простих об'єктів (як правило об'єктів примітивів). Створення складених об'єктів являє собою продуктивний метод моделювання багатьох реальних об'єктів, таких як морська міна, стіни з прорізами для дверей та вікон, а також фантастичних тіл, перетікають з однієї форми в іншу як рідина. 3D Studio MAX2 надає можливість використовувати шість типів складових об'єктів.
Морфінговие. Об'єкти даного типу дозволяють виконувати анімацію плавного перетворення одного тіла в інше.
Булевського. Об'єкти цього типу дозволяють об'єднувати дві або кілька тривимірних тіл для отримання одного нового. Застосовуються для створення отворів або прорізів в об'ємних тілах або для з'єднання декількох об'єктів в один. Цей тип ідеально підходить для архітектурного моделювання або будь-яких інших завдань, в яких необхідно відняти (виключити) об'єм, зайнятий одним тілом, з іншого.
Розподілені. Об'єкти цього типу являють собою результат розподілу дублікатів одного тривимірного тіла по поверхні іншого. Можуть використовуватися для імітації стебел трави, ямочок на поверхні м'яча для гольфу або дерев на моделі ландшафту.
Відповідні. Даний тип об'єктів дозволяє змусити одне тривимірне тіло прийняти форму іншого. Це чудово підходить для створення таких ефектів, як плавлення, танення або розтікання.
з'єднуються. Цей тип об'єктів дозволяє з'єднати між собою отвори в двох вихідних тілах своєрідним тунелем.
злиті з формою. Об'єкти цього типу дозволяють з'єднувати сплайнових форму з поверхнею тривимірного тіла. Фактично, це дозволяє малювати на поверхнях тривимірних тел.
