Основи 3D графіки і 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 в справу, якій прагнути 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 розглянутій області - "тривимірна графіка" - закладено вказівку на те, що нам доведеться мати справу з трьома просторовими вимірами: шириною, висотою і глибиною. Якщо поглянути навколо: все, що нас оточує, має трьома вимірами - стіл, стілець, житлові будинки, промислові корпуси та навіть тіла людей. Проте термін "тривимірна графіка" все ж таки є спотворенням 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 двомірні 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, які надають зображенню глибину і які 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 її вміст з використанням різноманітних базових об'єктів, таких як куби, сфери, циліндри та конуси, а також з використанням інструментів, необхідних для реалізації різноманітних методів створення більш складних об'єктів.
Після того як моделі всіх об'єктів створено і 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, Глянець, 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 налаштування параметрів віртуальних камер можна отримати ширококутну панораму сцени чи 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 потрібний за задумом сценарію.
Щоб зробити сцену ще більш реалістичною, можна додати до її складу джерела світла. MAX дозволяє включати в сцену джерела світла різних типів, а також налаштовувати параметри цих джерел.
Реалізація геометричних принципів у 3D Studio MAX2
Тривимірний простір
Працюючи з 3D Studio MAX2 користувач має справу з уявним тривимірним простором. Тривимірний простір - це куб в кібернетичному просторі, що створюється в пам'яті комп'ютера. Кібернетичне простір відрізняється від реального фізичного світу тим, що створюється і існує тільки в пам'яті комп'ютера завдяки дії спеціального програмного забезпечення.
Однак подібно реального 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). Становище кожної точки визначається трійкою чисел, які називаються координатами (coordinates). Прикладом координат може служити трійка (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 одна визначає висоту, інша - ширину, третя - глибину положення точки. Таким чином, через кожну точку можна провести три координатних осі кіберпростору.
Координатна вісь (axis) - це уявна лінія кіберпростору, що визначає напрям зміни координати. У MAX є три стандартні осі, звані 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 створено лінію (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 полілінія (poliline), тобто лінія, яка складається з декількох сегментів. (У 3D Studio MAX2 терміни лінія і полілінія взаємозамінні.) Якщо з'єднати останню крапку з першою, то вийти замкнута форма (closed shape), тобто форма, у якої є внутрішня і зовнішня області. Намальована форма являє собою простий тристоронній багатокутник (polygon), званий також гранню (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, що формує кордон грані.
У 3D Studio MAX2 об'єкти складаються з багатокутників, шматків Безье 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 повинен відслідковувати 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.
Уявна площина, що проходить через точку спостереження перпендикулярно лінії погляду, називається площиною відображення, яка визначає межі області видимої спостерігачеві. Площина відображення іноді називають площиною відсічення.
Щоб побачити об'єкти, розташовані позаду площині відображення, необхідно змінити положення точки спостереження. Або "відсувати" плоскість 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 тільки те, що розташовується в кіберпросторі "за площиною" екрану монітора. Бічні межі ділянки показується у вікні проекції, визначаються межами вікна. Три з чотирьох демонстрованих за замовчуванням вікон проекцій в 3D Studio MAX2 є вікнами ортографической проекцій. При побудові зображень у цих вікнах вважається, що точка спостереження віддалена від сцени на нескінченне 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 ортографической, а центральною проекції і демонструє більш реалістичну 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 покращені (Extended Primitives). До числа стандартних примітивів відносяться 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 прорізи для вікон і дверей. Самі по собі примітиви використовуються досить рідко.
Складні об'єкти - це тіла, складені з двох або більше простих об'єктів (як правило об'єктів примітивів). Створення складених об'єктів є продуктивний метод моделювання багатьох реальних об'єктів, таких як морська міна, стіни з прорізами для дверей і вікон, а також фантастичних тіл, перетікають з однієї форми в іншу як рідина. 3D Studio MAX2 надає можливість використовувати шість типів складових об'єктів.
Морфінгом. Об'єкти даного типу дозволяють виконувати анімацію плавного перетворення одного тіла в інше.
Булевського. Об'єкти цього типу дозволяють об'єднувати два 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) обсяг, займаний одним тілом, з іншого.
Розподілені. Об'єкти цього типу представляють 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 відмінно підходить для створення таких ефектів, як плавлення, танення чи 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 тіл.