D-анимация

3D-анимация − это анимация, основанная на 3D-графике. Трёхмерная графика в отличие от двухмерной даёт более реалистичное представление образов, как, например, это показано на рис. 4.14. Давайте для начала рассмотрим этапы создания трёхмерной графики [5].

Рис. 4.14. Двухмерная и трёхмерная сферы

Создание трёхмерной графики

В настоящее время, благодаря новейшим средствам, заложенным в микропроцессор, трёхмерные объекты строятся на основе математического моделирования, а затем посредством специальных аппаратных и программных средств трёхмерной графики происходит визуализация объектов на монитор компьютера.

Процесс создания трёхмерных объектов на трёхмерной сцене будем называть конвейером. На рис. 4.15 приведён пример конвейера, разделённого на две стадии: геометрические преобразования и рендеринг. До начала работы геометрических преобразований приложение должно описать трёхмерную сцену, изображение которой необходимо синтезировать. Если использовать такие распространённые интерфейсы, как DirectX компании Microsoft или OpenGL компании Silicon Graphics, сцена будет описана как последовательность обращений (вызовов функций) к интерфейсу API. Многие производители оборудования для трёхмерной графики разрабатывают собственные конвейеры и соответствующие интерфейсы приложений API. Оригинальные программные разработки позволяют достичь наибольшей производительности их оборудования. Соответственно, оригинальные интерфейсы приложений API требуют описывать сцены с использованием вызовов, соответствующих используемой аппаратуре.

Рис. 4.15. Типичный 3D-конвейер

1. Геометрические преобразования. Традиционно трёхмерные объекты конструируются из треугольников или многоугольников, образуя базовую проволочную модель объекта (рис. 4.16). Изначально множество треугольников описывается на языке высокого уровня, а затем преобразуется во множество вершин. Стадия геометрических преобразований состоит из четырёх этапов.

1.1. Конструирование треугольников. На данном этапе каждый объект описывается группой треугольников. Треугольники формируются на основе множества вершин, заданных приложением.

1.2. Модельные преобразования. Этап включает в себя такие преобразования, как перенос, вращение и изменение масштаба. Преобразования позволяют перемещать объекты в сцене.

1.3. Выбор модели освещения и вычисление освещённости объектов. Модель освещения описывает тип используемых источников света и затем, когда определены свойства освещаемого объекта, формируется эффект освещения. Общепринятые модели освещения включают рассеянный, направленный и точечный свет. Отражающие свойства материала в сочетании с моделью освещения задают цвет объекта.

1.4. Установка. На этапе установки изменяются размеры треугольников в зависимости от положения точки наблюдения сцены.

Рис. 4.16. Проволочная модель сферы

2. Рендеринг. Рендеринг − это процесс преобразования объекта или сцены, созданных в приложении трёхмерной графики, для вывода на дисплей, который представляет собой двухмерную плоскость. На стадии рендеринга по описанию треугольников генерируются пиксели изображения. Стадия рендеринга также состоит из четырёх этапов.

2.1. Сортировка данных по Z-буферу. Трёхмерная сцена составлена из множества объектов со взаимным расположением по глубине в зависимости от точки визирования. Объекты и сцены можно вращать и наблюдать с разных позиций, в том числе спереди, сбоку, сзади, сверху и снизу. Z-буфер предназначен для хранения информации, необходимой для правильного отражения по глубине видимых объектов в зависимости от положения и направленности наблюдателя в сцене.

2.2. Наложение текстуры на объект. Текстура представляет собой плоскую картину, которая оборачивается вокруг трёхмерного объекта, как это показано на рис. 4.17. Текстура прикладывается к проволочной модели объекта для обеспечения реалистичной поверхности или покрытия объекта.

Рис. 4.17. Текстурированная сфера

2.3. Закраска треугольников. Для выполнения этой задачи используются три модели: плоское закрашивание и закрашивание по Гуро и по Фонгу. Модель с плоским закрашиванием заключается в равномерном однородном закрашивании каждого треугольника одним цветом. В процедурах закрашивания по Гуро и по Фонгу цвет интерполируется относительно границ треугольника, что приводит к более реалистичной и непрерывной закраске объекта (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Сфера с плоским закрашиванием. Сфера с закрашиванием по Фонгу

2.4. Алгоритм сглаживания. Применяется для устранения эффекта дискретизации, ступенчатости изображения на границе объектов. Поскольку пиксели выровнены по сетке (что характерно для обычных дисплеев), точное представление объекта, имеющего наклонные линии, представляется непростой задачей. Дискретизация приводит к появлению на прямых линиях эффекта ступенчатости или зазубренности. Алгоритм сглаживания снижает остроту проявления подобного эффекта.

4.3.5. Создание трёхмерной анимации

Трёхмерную анимацию легко описать, но сложно сделать [10]. Как было написано выше, свойства трёхмерных моделей (положение объекта в пространстве, его ориентация, характеристики поверхности, форма), интенсивность и направление источников света, положение и ориентация камеры определяются численными величинами. Таким образом, чтобы анимировать трёхмерную сцену, нужно всего лишь задать исходную сцену, а затем визуализировать её как первый кадр анимации, изменяя параметры, визуализируя следующий кадр и т. д. Поскольку трёхмерные модели нужно визуализировать как двухмерные изображения, что подразумевает наличие точки наблюдения или камеры, а также движущихся объектов на сцене, мы можем перемещать камеру, заставляя её "летать" над ландшафтом или перемещаться вокруг определённых объектов (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Движение камеры вокруг объекта на трёхмерной сцене

Существует множество программ для создания трёхмерной анимации: 3D Studio Max, CINEMA 4D, Animation 5-3D и др.

Рассмотрим подробнее возможности программы 3D Max (рис. 4.20) [7].

3D Max − это полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трёхмерной графикой, разработанная компанией Autodesk Media & Entertainment. Программа предназначена для художников, дизайнеров, архитекторов, работающих на телевидении и в кино, разрабатывающих компьютерные игры, дизайн интерьера, технический дизайн, рекламу для трёхмерного моделирования, занимающихся анимацией и визуализацией. Формируемые под задачи пользователя основное и контекстное меню, система вкладок и стеков, предварительный просмотр выбранной области делают интерфейс интуитивно понятным и наиболее удобным.

В программе реализована система реалистичного моделирования волос, меха, одежды, двуногих персонажей, тел с учётом внешнего воздействия. Программа располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей объектов окружающего мира с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие:

• полигональное моделирование,

• моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS),

• моделирование на основе порций поверхностей Безье,

• моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.

3D Max имеет средства, позволяющие максимально точно передать освещённость сцены. Они включают симуляцию таких источников света, как стандартный (направленное, точечное, рассеянное и т. п. освещение), параметрический (симуляция работы реальных источников света, имеющих свои числовые параметры и использующихся в промышленности и быту), самосвечение, свет от солнца и неба. В дополнение к этому интегрированная подсистема просчёта теней, отражения / преломления света добавит реалистичности при визуализации сцены.

Программа создала для пользователя возможности для производства анимации сложных реалистичных объектов по кадрам-ключам и нелинейно, размещение сцен анимации в разные слои анимации. Поддержка анимации костей, шеи, пальцев конечностей намного облегчает работу с этими фрагментами сцены.

В 3D Max реализована возможность создания нескольких основных источников частиц. Начиная с 8 версии, имеется 6 основных источников частиц, демонстрирующих различное поведение. Традиционными источниками частиц в 3D Max являются Spray (Брызги), Snow (Снег), Blizzard (Метель), PArray (Массив частиц), PCloud (Облако частиц) и Super Spray (Супербрызги).

Программа также включает механизм расчёта физики Reactor, изначально разработанный Havok. Reactor позволяет моделировать поведение твердых тел, мягких тел, ткани с учётом силы тяжести и других воздействий. Как и в других программах имитации динамики, в Reactor используются упрощённые выпуклые оболочки объектов, которые могут быть настроены на использование всех вершин объекта ценою времени обработки.

Рис. 4.20. Скриншот программы 3D Max

Дата добавления: 2015-07-21