Лабораторная работа №5

Тема: Материалы, Свет в кадре

1.Основные понятия.

2.Практическое задание.

Программа МАХ 7.0 относится к семейству программ трехмерной компьютерной графики или, как ее еще называют, З D-графики (3 Dimensional — трехмерная) и предназначена для синтеза отдельных изображений, имитирующих сцены из жизни реальных или вымышленных миров с фотографической детальностью и качеством, а также последовательностей кадров таких изображений, воспроизводящих движения объектов и называемых анимациями.

Вот лишь некоторые возможности, обеспечиваемые программой МАХ 7.0 при создании отдельных изображений и анимаций:

- моделирование геометрической формы любых трехмерных объектов — от простейших, наподобие сферы, цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, до таких сложных по форме объектов природного происхождения, как тела животных, деревья или поверхность взволнованной воды;

- имитация физических свойств материалов объектов, таких как шероховатость, блеск, прозрачность, свечение и т. п., явлений многократного зеркального отражения и преломления световых лучей, атмосферных явлений, таких как дымка или туман, природных явлений, таких как снег, пламя или дым;

- имитация освещения трехмерной сцены практически для любых условий, от глубокого космоса до яркого солнечного дня, и визуализация моделируемых объектов на реальном фотографическом фоне с тенями, отбрасываемыми на этот фон;

анимация практически всех параметров объектов: их формы, размеров, пространственного положения, цвета и характеристик материалов и т. п.;

- реализация различных способов управления перемещением или изменением свойств объектов в процессе анимации, обеспечивающих возможность достоверной имитации самых разных типов движений;

- создание связанных иерархических цепочек объектов и их анимация по методам прямой или обратной кинематики, когда движение одного объекта вызывает согласованные перемещения остальных объектов цепочки;

- моделирование постепенных превращений одних объектов в другие, отличающиеся по форме и внешнему виду (морфинг);

- моделирование динамических свойств движущихся объектов с учетом их соударений, сил тяжести, ветра или упругости;

Я применение различных фильтров к синтезированным изображениям, включая имитацию таких свойств объективов фото- или видеокамер, как глубина резкости или блики линз.

Основными областями использования МАХ 7.0 являются:

- архитектурное проектирование и конструирование интерьеров;

- подготовка рекламных и научно-популярных роликов для телевидения;

и компьютерная мультипликация и съемка игровых фильмов с фантастическими сюжетами;

- разработка компьютерных игр;

- подготовка иллюстраций для книг и журналов;

- художественная компьютерная графика, Web-дизайн;

- досуг и развитие пространственного воображения;

- судебно-медицинская экспертиза.

Термин объект (object) в МАХ 7.0 относится к любым элементам виртуального трехмерного мира, которые могут включаться в состав сцен и к которым могут применяться преобразования и модификаторы. Объекты МАХ 7.0 делятся на категории, разновидности и типы. Всего имеется семь категорий объектов: Geometry (Геометрия), Shapes (Формы), Lights (Источники света), Cameras (Камеры), Helpers (Вспомогательные объекты), Space Warps (Объемные деформации) и Systems (Системы), а также три отдельных типа объектов, не относящихся к данным категориям — Editable Spline (Редактируемый сплайн), Editable Patch (Редактируемый кусок) и Editab le Mesh (Редактируемая сетка). За исключением объектов этих трех типов, все остальные объекты МАХ 7.0 являются параметрическими, то есть при создании приобретают определенный набор характеристических параметров, таких как координаты положения объекта, его размеры по длине, ширине и высоте, число сегментов или сторон и т. п. Эти параметры в дальнейшем можно легко изменять, поэтому в процессе создания объектов необязательно стремиться к обеспечению высокой точности.

Ниже приводится классификация основных объектов МАХ 7.0. Число типов используемых объектов может увеличиваться за счет применения дополнительных модулей.

В данную категорию входят объекты, предназначенные для построения геометрической модели трехмерной сцены и подразделяемые на следующие разновидности:

- Standard Primitives (Стандартные примитивы) — это трехмерные тела правильной геометрической формы, такие как параллелепипед, сфера или тор. В число стандартных примитивов исторически входит также объект, представляющий собой чайник с носиком, ручкой и крышкой (рис. 1);

- Extended Primitives (Улучшенные примитивы) — это также трехмерные тела, но обладающие несколько более сложной формой и характеризуемые большим числом параметров, чем стандартные примитивы. К их числу относятся такие объекты, как параллелепипед, цилиндр с фаской, многогранник и тороидальный узел;

- Compound Objects (Составные объекты) — это трехмерные тела, составленные из нескольких простых объектов, как правило, объектов-примитивов (рис. 2). В данную разновидность входят также объекты типа Loft (Лофтинговые) — трехмерные тела, которые строятся методом лофтинга, то есть путем формирования оболочки по опорным сечениям, расставляемым вдоль заданной траектории (рис.3);

Рисунок 1. Стандартные примитивы

Рисунок 2. Составные объекты

- Particle Systems (Системы частиц) — это источники множества мелких двумерных или трехмерных частиц, призванных имитировать такие природные объекты, как пыль, дым, снег, брызги воды, воздушные пузырьки или искры огня;

- Patch Grids (Сетки кусков) — это поверхности, состоящие из кусков Безье и создаваемые изначально как фрагменты плоскости прямоугольной формы. В дальнейшем форма и кривизна таких поверхностей может регулироваться за счет манипулирования управляющими точками. С помощью сеток кусков Безье удобно моделировать поверхности с плавно меняющейся кривизной;

Рисунок 3. Объекты, построенные методом лофтинга

Рисунок 4. Динамические объекты

- NURBS Surfaces (NURBS-поверхчости) - это поверхности, форма которых описывается неоднородными рациональными В-сплайнами (Non-Uniform Rational B-Splines - NURBS). В зависимости от типа NURBS-поверхностей они или проходят через все точки, заданные в пространстве сцены, или плавно огибают их. Такие поверхности наилучшим образом подходят для моделирования объектов сложной формы, свойственных живой и неживой природе;

- Dynamics Objects (Динамические объекты) — это специфическая разновидность стандартных объектов, позволяющая с легкостью моделировать два типа механических устройств: пружины и амортизаторы (рис. 4). Эти объекты не просто похожи на свои реальные прототипы по виду, при анимации они физически правдоподобно реагируют на действующие на них воображаемые силы;

- Doors (Двери) и Windows (Окна) — разновидности стандартных объектов, позволяющие с легкостью моделировать такие довольно сложные архитектурные элементы, как двери и окна различных типов, которые к тому же могут открываться и закрываться в процессе анимации.

Объекты категории Shapes

К данной категории относятся различные типы линяй, образующих разомкнутые или замкнутые двумерные фигуры. Некоторые типы линий (например, спираль) могут размещаться не на плоскости, а в трехмерном пространстве. Формы используются в качестве заготовок, которые могут различными способами преобразовываться в трехмерные тела, и подразделяются на следующие разновидности:

- Splines (Сплайны) - это стандартные двумерные геометрические фигуры, такие как прямоугольник, эллипс или звезда, а также линии произвольной кривизны и контуры текстовых символов (рис. 5);

- NURBS Curves (NURBS-кривые) - это разновидность линий, позволяющих строить плавные, не имеющие изломов кривые. NURBS-кривые или проходят через точки, обозначенные в пространстве сцены, или плавно огибают их.

Объекты категорий Lights и Cameras

В данные категории входят объекты, предназначенные для имитации различных источников освещения сцены и для наблюдения сцены через объективы воображаемых съемочных камер. На показано, как выглядят подобные объекты на экране МАХ 7.0.

Источники света и камеры могут быть нацеленными и свободными. Нацеленные источники света и камеры характеризуются наличием мишени (target) - точечного объекта, на который нацелена ось пучка световых лучей или линия визирования камеры. Свободные источники света и камеры не имеют мишеней.

Объекты категории Helpers

В данную категорию входят объекты, которые не включаются в итоговое изображение сцены и предназначены для упрощения ее моделирования или анимации. Вспомогательные объекты делятся на следующие разновидности:

и Standard (Стандартные) — это объекты, используемые как вспомогательные при разработке и анимации геометрических моделей;

- Atmospheric Apparatus (Атмосферная оснастка) — объекты, предназначенные для локализации областей проявления эффектов окружающей среды;

- CameraMatch (Горизонт камеры) — это набор объектов, облегчающих согласование линии горизонта воображаемой съемочной камеры с линией горизонта фона сцены при визуализации моделей на фоне фотографии или кадров видеоклипа;

- VRML 1.0/VRBL и VRML 97 — объекты, используемые при моделировании трехмерных сцен, предназначенных для экспорта в форматах языков описания виртуальной реальности.

Объекты категории Space Warps

В данную категорию входят объекты, предназначенные для имитации действия различных сил на геометрические модели или частицы, попадающие под влияние «силового поля». Это позволяет имитировать действие сил тяжести или ветра на системы частиц или, скажем, деформировать поверхность плоского объекта, изображающего воду, для моделирования ветровых волн или кругов от брошенного камня. Источники объемных деформаций изображаются в окнах

проекций в виде условных значков, но не включаются в итоговое изображение сцены. В МАХ 7.0 имеется пять разновидностей объемных деформаций:

- Geometric/Deformable (Деформируемая геометрия) и Modifier-Based (На базе модификаторов) — различным образом деформируют геометрические модели объектов:

- Particles & Dynamics (Частицы и динамика) и Particles Only (Только частицы) — оказывают силовые воздействия на отдельные частицы в системах частиц, а также используются для имитации действия на объекты сил тяжести или ветра;

- Dynamics Interface (Динамическое окружение) — служат для оказания воздействий на динамические системы (так называются в МАХ 7.0 наборы объектов, для которых программ:) может, например, достоверно воспроизводить результаты столкновений с учетом сил упругости).

Объекты категории Systems

Каждый тип систем представляет собой совокупность связанных между собой объектов, снабженных набором параметров, обеспечивающих анимацию системы. Данная категория изначально предназначена для включения в нее объектов, создаваемых дополнительными программными модулями. В комплект поставки МАХ 7.0 входят три типа систем:

- Bones (Кости) — позволяет создавать иерархически связанные цепочки рычагов, напоминающих кости скелета и используемых при анимации моделей живых существ или механических устройств. Эти объекты не могут визуализироваться и видны только в окнах проекций;

- Ring Array (Хоровод) — позволяет создавать набор из заданного числа объектов, упорядочение расположенных по окружности указанного радиуса, и выполнять анимацию движений этих объектов (рис. 6);

Рисунок 6. «Хоровод» из 20 объектов

- Sunlight (Солнечный свет) — позволяет создать источник параллельных световых лучей, имитирующий солнечное освещение, а также воспроизводящий движение солнца с учетом географического положения, времени года и суток моделируемой сцены.

Объекты типа Editable Spline

К объектам типа Editable Spline (Редактируемый сплайн) относятся сплайновые кривые, не имеющие характеристических параметров, допускающих модификацию. В редактируемые сплайны могут быть преобразованы параметрические сплайновые формы, такие как Circle (Окружность), Ellips (Эллипс) или Rectangle (Прямоугольник). После такого преобразования параметрические объекты утрачивают свои характеристические параметры и могут модифицироваться только как сплайновые кривые на уровне вершин или сегментов. Кроме того, тип Editab le Spline (Редактируемый сплайн) автоматически приобретают импортируемые сплайновые объекты, такие как формы DOS-версии программы 3D Studio, сохраняемые в файлах типа shp.

Объекты типа Editable Mesh

К объектам типа Editable Mesh (Редактируемая сетка) относятся геометрические модели трехмерных тел, представленных оболочками в виде сеток с треугольными или четырехугольными ячейками и не имеющих характеристических параметров, допускающих модификацию. Модификация формы таких объектов возможна только путем редактирования самой сетки на уровне вершин, ребер или граней. Любой параметрический трехмерный объект МАХ 7.0 из категории Geometry (Геометрия), кроме объектов разновидности Particle Systems (Системы частиц), может быть преобразован в объект типа Editable Mesh,(Редактируемая сетка). При этом такой объект перестает быть параметрическим и в дальнейшем должен модифицироваться как сетка. Кроме того, при импорте любых геометрических моделей трехмерных объектов, имеющих формат, отличный от формата МАХ 7.0, эти модели также преобразуются к типу Editable Mesh (Редактируемая сетка).

Объекты типа Editable Patch

Объекты типа Editable Patch (Редактируемый кусок) могут создаваться на базе любых параметрических объектов категории Geometry (Геометрия), кроме объектов разновидностей Particle Systems (Системы частиц) и NURBS Surfaces (NURBS-поверх ности). Кроме того, к типу Editable Patch (Редактируемый кусок) можно преобразовать объекты типа Editable Mesh (Редактируемая сетка). После преобразования в редактируемый кусок Безье любого параметрического объекта, например одного из стандартных или улучшенных примитивов, этот объект перестает быть параметрическим и должен модифицироваться как совокупность кусков Безье на уровнях соответствующих подобъектов — вершин, ребер или отдельных кусков.

Практическое задание

Задание для практического выполнения: нарисовать настольные электронные часы.

Рисунок 1.

Для начала нам нужно создать основу как здесь видно основа для часов это небольшая круглая платформа. Её мы создадим при помощи обычных линий называемых Сплайнами рис. 2.

Рисунок 2.

Начнем чертить линию но не простую, а такую как мы бы видели эти часы с левого бока рис 3.

Рисунок 3.

Не разочаровывайтесь если у вас полу получается нечто несуразное вроде этого рисунка все всегда можно поправить. Выбираем вкладку Модификация-линия и выбрав один из вариантов изменения приступаем. Рис 4.

Рисунок 4.

Теперь когда у нас есть более или менее приличный многоугольник, мы приступим к самому интересному: будем его модифицировать. Прям на этой же вкладке кликаем Список модификаторов и в нем выбираем модификатор «выдавить». Рис 5.

Рисунок 5.

Теперь давайте же наконец сделаем подставку. Её тоже сделаем из линии и с помощью модификатора «вращение» сделаем из него круг. Рис 6,7.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Ну вот у нас уже есть круглая подставка и каркас часов. Давайте их совместим. Но какие же часы без циферблата? Его вы сделаем из простого прямоугольника. Рис.8

Рисунок 8.

Выберем для него белый цвет.

Рисунок 9.

И теперь рисуем цифры. Это проще сделать с помощью всех тех же сплайнов, но уже выбрав сплайн TEXT рис 10.

Рисунок 10.

Не пугайтесь если у вас на экране появилась огромная надпись: что-то вроде «ТЕХТ» или Times New Roman это бывает. Для того чтобы её изменить нужно в параметрах модификатора изменить эту надпись. Рис 11.

Рисунок 11.

Кстати здесь вы можете поменять все необходимые параметры текста: размер, шрифт, выбрать его атрибуты и многое другое

Ну вот, осталось приладить пару кнопок их мы так же берем из стандартных примитивов. Обычные боксы. Вернее мы создадим один, зачем парится прорисовывая несколько, мы их просто скопируем. Надеюсь Control C, Control V знают все. Рисунок 12.

Рисунок 12.

Наступило время собрать все вместе. Рисунок 13. У вас должно получиться примерно следующее.

Рисунок 13.

Но это конечно еще не финал. Давайте создадим простенький столик для наших часов. Его так же сделаем из бокса. Но только не будем оставлять его монотонным, а сделаем …. Зеркальным.

Для этого мы рисуем прямоугольник и нажимаем букву «М» попадаем в редактор материалов. Рисунок 14.

Рисунок 14.

Нажимаем кнопку Стандарт и выбираем пункт Архитектура. В выпадающем списке жмем на «зеркало» и далее применить. Ну раз уж начали применять эффекты к столику давайте так же изменим внешний вид наших часов. Применим к нем вид рельефа «Дым» все в том же редакторе материалов. Тока не забудьте сначала закрыть его и выделить часы.

Как изменить фон вашего рисунка? Да очень просто. Просто «перетягиваете» интересующий вас рисунок прям на 3 D перспективу и все.

А шарики которые висят в воздухе делаются так. Из стандартных примитивов выбираются пункт Геосфера и помещается на изображение. Рисунок 15.

Рисунок 15.

Теперь давайте также изменим его поверхность сделаем что-то похожее на землю. По экспериментируем с цветами и так просто по кнопкам потыкаем может чего и получится…. Рисунок 16.

Рисунок 16.

Осталось приладить кружку.

Пришла пора познакомиться с одной из наиболее распространенных техник создания трехмерных моделей - лофтингом (lofting) и его вариациями. Ее принцип заключается в образовании объемной поверхности при движении формы (shape) - как правило двумерной, хотя это и не ограничение, и выполняющей функции поперечного сечения - вдоль некоего пути (path). Возможно также использование нескольких сечений, размещенных в ключевых точках пути, сечения объекта на участках между этими точками интерполируются. С помощью этого метода можно эффективно получать разнообразнейшие по конфигурации и сложности объекты, причем усилия, затраченные на изготовление элементарного конуса и изысканного чиппендейловского стула - при достаточной ловкости обращения со сплайнами, конечно - не будут слишком уж различаться в качественном плане.

В кружку поставим ложечку (не high end, конечно, но уже очень неплохое упражнение). И, чтобы не выпускть из внимания работу с материалами и светом, сделаем кружку стеклянной (чай наливать, пожалуй, не будем).

Приступая к моделированию, стоит повертеть желанный объект в руках (мысленно, если не позволяют доступность или размеры) и выявить его части, в отдельности своей поддающиеся изготовлению знакомыми нам способами. С кружкой, казалось бы, все довольно просто: она состоит из "собственно кружки" - временно обзовем ее "стаканом" - и ручки.

Поставим стакан на стол и рассмотрим 2 его сечения:

 поперечное, т.е. горизонтальное;

 вдоль продольной (вертикальной) оси.

Получаем: в первом случае - 2 концентрические окружности, во втором - U-образную форму. Ответ напрашивается сам - стакан можно сделать, вращая "U" вдоль оси симметрии. Собственно, достаточно и половинки "U" - раз уж она симметрична. Итак, кандидаты на роли базового сечения и пути утверждены. Рисунок 16.

Рисунок 16.

Приступим к реализации, начиная с половинки вертикального сечения. Ради разнообразия воспользуемся еще пока незнакомым типом сплайна - NURBS-Curve (NURBS: Non-Uniform Rational B-Splines).
Возможности при этом две: кривая "по точкам" (point curve) и "по контрольным узлам" (control vertices curve или CV-curve). Разница при этом лишь в том, проходит ли сплайн через указанные точки, или они служат лишь "объектами притяжения". В нашем примере, как заметно, был выбран второй вариант.

Напомним, что перемещать контрольные точки можно, выбрав их в качестве редактируемого элемента.Для пущей эффективности 3DStudio Max выделяет несколько частных случаев лофтинга в виде самостоятельных инструментов. Один из них - поверхность вращения или lathe - идеально подходит для нашей текущей задачи.

Рисунок 17

При этом нам не потребуется создавать путь, достаточно лишь указать направление и расположение оси вращения относительно формы.

Lathe является модификатором сплайнов. Непосредственно после его применения возникает поверхность, которую нам предстоит превратить в желанный "стакан" перемещением оси вращения в требуемом направлении (в нашем примере вправо).

Рисунок 18

Вполне возможно, что поверхность объекта после создания будет выглядеть несколько странно. Подобное нередко случается из за неправильного направления нормалей поверхности, т.е. ее "вывернутости наизнанку". Проблема эта решается достаточно просто: применением модификатора normals с опцией flip normals.

Нам наверняка захочется взглянуть на промежуточный результат наших праведных трудов. Что ж, в таком случае позаботимся об окружении и материалах. За подставку под стакан сойдет любой объект с хотя бы одной плоской стороной. Возьмем любой "нейтральный" базовый материал и в качестве diffuse-текстуры выберем... нет, не готовую картинку (bitmap), а нечто простое и процедуральное вроде клеточек (checker).

Рисунок 19

Увеличим плотность "шахматки", подняв tiling - к примеру до 6. Теперь осталось только присвоить материал нашей подставке.

Для изготовления стекла воспользуемся способом, который хотя и задаст работы процессору при рендеринге, но потребует минимальных затрат на подгонку параметров.

Рисунок19

Для рефракции выберем Raytrace, дающий достаточно реалистичный эффект, а вот для отражения воспользуемся Reflect/Refract, обладающим несколько меньшей точностью, но относительно высокой скоростью (использование Raytrace на обоих может иметь летальный исход рендеринга в качестве последствия).