Трехмерная графика

Рис. 1.3. С помощью 3ds max 5 можно имитировать любую освещенность сцены: от яркого солнечного дня (а) до лунной ночи с пятнами электрического света (б)

Рис. 1.4. Единственный осветитель, имитирующий рассеянный свет небосвода, позволяет воссоздать атмосферу серенького пасмурного дня

Рис. 1.5. Модели съемочных камер позволяют  взглянуть на сцену под любым  углом зрения - хоть глазами ребенка (а), хоть с высоты птичьего полета (б)

Рис. 1.6. Съемочная камера дает возможность  заглянуть внутрь домика и осмотреть  его интерьер

Подготовка и назначение материалов 
На этом этапе производится работа, обеспечивающая придание сцене визуального правдоподобия, приближающего качество изображения к реальной фотографии. 3ds max 5 предоставляет поистине огромные возможности по созданию новых материалов или выбору готовых из библиотек, распространяемых на компакт-дисках или по сети Интернет. Работая с материалами, можно настраивать такие их свойства, как сила блеска, прозрачность, самосвечение, зеркальность, рельефность и многие другие. В состав материалов можно включать фотографии реальных объектов окружающего мира, наподобие кирпичной кладки, свежеструганной доски или листвы кустарника живой изгороди. Кроме того, реальные фотографии можно использовать для имитации фона, на котором располагается моделируемая сцена.

Визуализация сцены 
После того как материалы подобраны и назначены объектам сцены, выполняется формирование ее изображения. Этот процесс в 3ds max 5 называется визуализацией (rendering) и может иногда занимать довольно продолжительное время, зависящее от сложности сцены и быстродействия компьютера. Именно на этапе визуализации программа рассчитывает и наносит на изображение все тени, блики, взаимные отражения объектов и т. п. Для повышения достоверности изображения и создания необходимого эмоционального настроя в ходе визуализации можно выполнить имитацию некоторых природных явлений, таких как дымка, туман или пламя огня. И вот, наконец, готово! На рис. 1.7 показаны примеры визуализации рассматриваемой нами сцены с деревенским домиком на фоне фотографии настоящей лесной опушки. Обратите внимание на тень от коровы, которая падает не только на фундамент и стену домика, но и на траву, запечатленную на фоновой фотографии. Такого эффекта позволяет добиться специальный тип материала, примененный к плоскости основания сцены. 
Съемочные камеры, размещенные внутри домика, дают возможность сформировать изображения его интерьера, подобные показанным на рис. 1.8. Цветные копии этих изображений вы можете найти на сопровождающем книгу компакт-диске в папке Images\Glava_01.

Рис. 1.7. Результат визуализации сцены  с домиком со стороны фасада, освещенного  солнцем (а), и с тыльной теневой  стороны (б)

Итак, мы рассмотрели основные этапы  работы над трехмерной сценой, позволяющие получить близкое по качеству к фотографическому изображение воображаемого мира, создаваемого в памяти компьютера. Такой воображаемый мир часто называют виртуальным, то есть потенциально возможным. Очевидно, что трудоемкость работ на этапах, предшествующих визуализации изображения виртуальной трехмерной сцены, вряд ли была бы оправдана, если бы речь шла о простом воспроизведении реальной действительности. Не проще ли взять фотоаппарат или видеокамеру и заснять реальный сюжет, подобный рассмотренному выше примеру? Имеются, однако, ситуации, в которых использование 3D-графики может существенно упростить и удешевить задачу создания нужного изображения и даже оказаться едва ли не единственным средством решения такой задачи.

Рис. 1.8. Результат визуализации общего (а) и укрупненного (б) планов обстановки внутри домика

Области применения трехмерной графики 
Рассмотрим несколько типовых областей применения трехмерной графики. Разумеется, приводимый перечень нельзя считать исчерпывающим, и никто не может помешать вам найти программе 3ds max 5 новое применение, которое вы посчитаете наиболее интересным.

Компьютерное проектирование 
Вы хотите представить, как будут смотреться на стенах вашей комнаты те или иные обои при дневном свете и вечером, когда включена люстра или стоящий в углу комнаты торшер? А может быть, вы хотите заранее представить, как будет выглядеть ваша квартира или офис после расстановки в них новой мебели? 3D-графика поможет вам сравнительно быстро и без особых затрат решить такие задачи, относящиеся к области проектирования интерьеров. 
3D-графика поможет в случаях, когда требуется встроить воображаемую сцену в изображение реального мира. Такая ситуация типична для задач архитектурного проектирования. Одно дело - разглядывать чертеж будущего здания на листе ватмана (это задача для специалистов), и совсем другое дело - видеть зримый трехмерный образ этого здания на фоне реальной застройки с учетом естественного или электрического освещения и теней. В данном случае 3D-графика устраняет необходимость создания макета и обеспечивает гибкие возможности синтеза изображения сцены для любых погодных условий и под любым углом зрения.

Можно представить и иную ситуацию: не воображаемый объект встраивается в реальный фон, а наоборот, изображение  реального объекта встраивается в трехмерную сцену как ее составная часть. Такой способ использования 3D-графики применяют, например, для создания виртуальных выставочных залов или галерей, по стенам которых развешаны изображения реальных картин. "Бродя" по таким залам, вы можете приблизиться к каждой картине и рассмотреть ее во всех подробностях. 
К области автоматизированного проектирования с помощью компьютера (Computer Aided Design - CAD) относятся также применения 3D-графики в целях синтеза внешнего вида сложных отливок, деталей, изготовляемых методами штамповки, токарных и фрезерных операций, визуального облика проектируемых автомобилей, катеров, самолетов и т. п. Создание трехмерных образов деталей и конструкций - хотя и непростая в целом, но все же менее трудоемкая задача, чем изготовление масштабных или полноразмерных макетов таких объектов.

Компьютерные игры 
Разумеется, компьютерные игры - одна из наиболее широких и испытанных областей применения 3D-графики. Уж если вы потратили массу сил на создание виртуального мира, то почему бы не населить его виртуальными трехмерными персонажами и не заставить их действовать в соответствии с лихим детективным сценарием? По мере совершенствования программных средств моделирования трехмерной графики, роста производительности и увеличения ресурсов памяти компьютеров виртуальные трехмерные миры, в которых действуют персонажи компьютерных игр, становятся все более сложными и похожими на реальную действительность. С точки зрения трехмерной графики игра Doom является еще далеко не лучшим, хотя и ярким образцом. Лично меня восхищают фантазия и высочайший профессионализм разработчиков из компании Presto Studios, авторов игры Myst, в частности ее версии Myst III Exile, созданной, кстати, средствами 3ds max. Потрясающее качество проработки используемых в этой игре трехмерных сцен и материалов, впечатляющие эффекты освещения и анимации в совокупности позволили создать невообразимо красивые загадочные миры, выглядящие совершенно реально.

Комбинированная съемка 
Трехмерная графика помогает и там, где выполнение реальной фотосъемки невозможно, затруднительно или требует значительных материальных затрат, а также позволяет синтезировать изображения событий, которые не встречаются в обыденной жизни. Например, с помощью 3D-графики можно "заглянуть" внутрь работающего автомобильного двигателя, воссоздать научно-фантастический сюжет из далекого прошлого Земли, вроде прогулки с динозаврами, или из ее туманного будущего, а то и воплотить родившийся в воображении образ неведомых миров, где нам с вами (ну, по крайней мере, мне-то уж точно) дано побывать только мысленно. 
Виртуальные объекты не имеют таких физических характеристик, как вес или жесткость, поэтому средствами 3D-графики легко заставить слона "парить" в воздухе, помахивая ушами, или позволить крокодилу "высунуть" голову из экрана телевизора, как в известных образцах рекламы.

Практическими областями использования 3D-графики для комбинированной  съемки и создания научно-фантастических сюжетов являются киносъемка с включением анимационных эффектов (примерами могут  служить фильмы "Звездный десант" и "Звездные войны", "Парк юрского периода", "Джуманджи", "Мумия" или "Стюарт младший"), создание видеотренажеров для обучения пилотов или автоводителей, книжная и журнальная графика, популяризация науки, реклама и художественное творчество.

Компьютерная мультипликация 
Главные аргументы в пользу 3D-графики появляются тогда, когда речь заходит не о синтезе отдельного фотореалистичного изображения трехмерной сцены, а о создании компьютерной мультипликации. 
Те, кто хотя бы немного знаком с технологией создания мультипликационного, или, как его еще называют, анимационного кино, знают, каких трудов стоит заставить персонаж фильма совершить простейшее движение на экране. Каждое элементарное движение разбивается на целый ряд промежуточных стадий, изображаемых в виде отдельных кадров. Затем эти кадры снимаются на кино- или видеопленку и воспроизводятся на экране один за другим, создавая иллюзию движения. При типичной скорости воспроизведения 30 кадров в секунду для мультика продолжительностью всего 10 секунд требуется нарисовать 300 кадров! 
3ds max 5 позволяет существенно упростить работу над подобными мультипликационными видеофрагментами за счет использования методов анимации трехмерных сцен, введением в которые служит следующий раздел главы. 
Областями использования 3D-графики для создания компьютерной мультипликации являются киноиндустрия (вы наверняка видели хотя бы один из таких фильмов, целиком снятых средствами трехмерной компьютерной графики, как "Final Fantasy", "Приключения Флика" ("Bug's Life"), "Корпорация монстров" ("Monster Corporation"), "Шрек" ("Shrek") или "Ледниковый период" ("Ice Age")), телевизионная реклама (вспомните хотя бы заставки на канале НТВ), подготовка видеороликов на научно-популярные или фантастические сюжеты, съемка клипов-прологов к компьютерным играм, разработка анимированных логотипов компаний и т. п.

Недостатки трехмерной графики 
Выше мы рассмотрели особенности трехмерной графики, которые можно отнести к ее достоинствам по сравнению с обычной двумерной графикой. Но, как известно, не бывает достоинств без недостатков. Недостатками трехмерной графики, которые следует учитывать при выборе средств для разработки ваших будущих графических проектов, можно условно считать: 
*    повышенные требования к аппаратной части компьютера, в частности к объему оперативной памяти, наличию свободного места на жестком диске и быстродействию процессора (на этом мы остановимся подробнее в следующей главе); 
*    необходимость большой подготовительной работы по созданию моделей всех объектов сцены, которые могут попасть в поле зрения камеры, и по присвоению им материалов. Впрочем, эта работа обычно окупается полученным результатом; 
*    меньшую, чем при использовании двумерной графики, свободу в формировании изображения. Имеется в виду, что, рисуя картину карандашом на бумаге или средствами двумерной графики на экране компьютера, вы имеете возможность совершенно свободно искажать любые пропорции объектов, нарушать правила перспективы и т. п., если это необходимо для воплощения художественного замысла. В 3ds max 5 это также возможно, но требует дополнительных усилий; 
*    необходимость контроля за взаимным положением объектов в составе сцены, особенно при выполнении анимации. В связи с тем, что объекты трехмерной графики "бестелесны", легко допустить ошибочное проникновение одного объекта в другой или ошибочное отсутствие нужного контакта между объектами. Это означает, что, например, модель персонажа анимации вместо того, чтобы плотно стоять на "земле", может зависнуть в "воздухе" или провалиться по колено. По этой же причине необходимо принимать специальные меры для деформации объектов при их столкновении или разрушении. Если этого не сделать, то, например, сталкивающиеся модели автомобилей просто проедут друг сквозь друга, а меч одного героя анимации пройдет сквозь тело другого, не причинив ему никакого вреда; 
*    необходимость принятия дополнительных мер, обычно применяемых на этапе вторичной обработки синтезированных изображений, чтобы "испортить" картинку, придав ей более правдоподобный вид. Не секрет, что результаты визуализации сцен средствами трехмерной графики выглядят чересчур "прилизанными", идеально правильными, а потому недостаточно жизненными. В связи с этим в состав программ трехмерной графики входит целый ряд фильтров, позволяющих имитировать такие эффекты, как конечная глубина резкости изображений, зернистость воображаемой фотопленки или смаз, вызванный движением объектов в момент съемки.

Что представляют собой  трехмерные объекты 
Для нашего глаза трехмерные объекты выглядят на экране дисплея "как настоящие", а что они представляют собой с точки зрения компьютера? Что бы ни изображали собой трехмерные объекты, будь то скалистые горы, вода в реке, доисторический ящер, рыцарь в доспехах или трава на лужайке, - все это лишь пустотелые, не имеющие физической толщины оболочки. Эти оболочки становятся видимыми только благодаря тому, что программа 3ds max 5 умеет рассчитывать, как от каждой их точки отражаются в направлении глаза наблюдателя воображаемые световые лучи, испускаемые заданными в составе сцены источниками света. Рассмотрим устройство оболочек объектов более подробно.

Оболочки: вершины, ребра, грани… 
В программе 3ds max 5 оболочки всех объектов, независимо от их формы, состоят в конечном счете из треугольных граней ( faces), образующих сетку (mesh) с треугольными ячейками, как показано на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Оболочки объектов любой формы  представлены сетками с треугольными ячейками

Каждая грань имеет три вершины (vertices) и три ребра (edges), соединяющих эти вершины. Смежные грани, лежащие в одной плоскости, образуют многоугольник или полигон (polygon). Начиная с четвертой версии в программе 3ds max появился новый тип объектов, в оболочках которых минимальным редактируемым плоским фрагментом является именно полигон, а не треугольная грань. Сетку, образованную из полигонов, называют редактируемой полисеткой (editable poly). В чем состоит удобство использования полисеток по сравнению с традиционными сетками, вам, надеюсь, станет понятно в ходе прочтения последующих глав книги. Несмотря на то что полигон как минимальную ячейку полисетки можно выделить только целиком, он все равно разбивается программой на треугольные грани, недоступные для редактирования. 
Ребра между гранями, не лежащими в одной плоскости, изображаются на сетке сплошными линиями, а между гранями, лежащими в одной плоскости, - пунктиром, как показано на рис. 1.10, демонстрирующем увеличенный фрагмент сферической оболочки. На этом рисунке изображен еще один важный элемент грани - ее нормаль (normal), то есть перпендикуляр к поверхности грани. Нормаль позволяет определить, будет данная грань видимой или нет. Видимыми считаются только те грани, нормали которых направлены в сторону наблюдателя. Если нормаль грани перпендикулярна линии взгляда или направлена от наблюдателя, то грань перестает быть видимой. Например, если бы вы заглянули внутрь объекта-сферы (а это легко сделать в 3ds max 5 с помощью модели съемочной камеры), то были бы разочарованы, не увидев ничего. Все грани сферы видны только снаружи.

ЗАМЕЧАНИЕ

При просмотре сцены в окнах  проекций и при ее визуализации можно  включать режим, делающий видимыми обе  стороны граней. Об этом вы узнаете  в главе 3, "Осваиваем настройку max 5 и работу с файлами". Кроме того, материалам 3ds max 5 можно назначать свойство двусторонней видимости.