Моделирование трехмерных объектов для интерактивных систем

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области

"Международный университет природы, общества и человека "Дубна"

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Тема Моделирование трехмерных объектов для интерактивных систем на примере симулятора пожарной ситуации в университете МУПОЧ "Дубна"

ФИО студента Пиняжин Даниил Юрьевич

Группа 4011 Направление "Информатика и вычислительная техника"

Содержание

Введение

1. Трехмерная графика

1.1 Основные понятия и определения

1.2 Методы создания 3D объектов

2. Обзор и сравнение приложений трехмерной графики

2.1 Выбор приложения для реализации

3. Реализация

3.1 Autodesk 3ds Max

3.2 Valve Hammer Editor

Заключение

Список литературы

Введение

В последнее десятилетие стремительный рост технологий привел к столь же быстрому развитию компьютерной техники и программного обеспечения. Компьютерная графика тоже не стоит на месте. Десять лет назад незначительный по современным меркам эпизод фильма, созданный при помощи спецэффектов, вызывал удивление и восторг, а морально устаревшие на сегодняшний день, с точки зрения графики, игры поражали воображение и притягивали миллионы игроков по всему миру. Сегодня компьютерной графике никого не удивишь, она используется повсеместно в кино, играх, рекламе, а ее качество достигло такого уровня, что очень часто, люди даже не догадываются, что перед ними не реальные съемки, а результат работы специалистов в области 3D моделирования. Развитие компьютерных технологий и программного обеспечения привело к тому, что 3D объекты и сцены из игр и фильмов прошлого, на создание которых ранее требовалось огромное количество ресурсов, теперь можно достаточно просто создать в домашних условиях.

Индустрия компьютерных игр тесно связана с 3D моделированием. В большинстве современных компьютерных игр объекты, персонажи, все визуальное окружение создано при помощи 3D моделирования. Качество выполнения визуальной составляющей очень важно для создания игровой атмосферы, в которой игроку будет интересно находиться длительное время. Игрок должен получать удовольствие от происходящего и испытывать интерес к игровым событиям.

Игры бывают разных жанров и направлений и если в одних играх игрока нужно удивлять нереальными невероятными сценами, то в других, реалистичность превыше всего. При создании симулятора событий, возможных в реальной жизни, например пожар в МУПОЧ "Дубна", важно добиться правдоподобности окружения. Модели должны быть выполнены похожими на реальные объекты. Необходимо соблюсти пропорции объектов, а так же правильно расположить модели на местности. Но стоит не забывать о том, что чем больше 3D моделей и чем реалистичней они выполнены, тем больше мощностей и ресурсов требуется от компьютера на котором предполагается запуск симулятора. Современные компьютеры по производительности в десятки раз превосходят компьютеры десятилетней давности и легко справляются с отображением сложных 3D сцен, но все же стоит не забывать о необходимости бережно использовать ресурсы компьютера пользователя для обеспечения плавности игрового процесса. Соблюдение баланса между реалистичностью объектов и относительно небольшими требованиями к ресурсам является важной проблемой при создании моделей для компьютерных игр и симуляторов.

Постановка задачи

Цель

Моделирование 3D объектов для симулятора пожара в МУПОЧ "Дубна";

Исходные данные

Исходными данными являются:

·чертежи первого корпуса университета;

·минимальные системные требования игрового движка "Sourse 2007";

·фотографии объектов и их размеры;

·вспомогательная литература по "Autodesk 3ds Max".

Модель

3D модель университета, 3D модели находящихся в нем объектов.

Пожелания к моделям

Пожелания к моделям расплывчатые и неформализованные. 3D модели должны удовлетворять следующим условиям:

·Соблюдение пропорций реальных объектов университета;

·Соблюдение ограничений накладываемых на 3D модели графическим визуализатором "Sourse SDK 2007";

Результат

Результатом является готовые 3D модели университета и его объектов, предназначенные и оптимизированные для размещения в 3D симуляторе.

Критерии оценки результата

Критериями оценки результата являются:

·успешная интеграция в систему;

·FPS не ниже 60 на компьютере, удовлетворяющем минимальным системным требованиям симулятора;

·отзывы пользователей.

1. Трехмерная графика

.1 Основные понятия и определения

Компьютерная графика ? наука, изучающая методы и способы создания, формирования, хранения и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов.

Трехмерная графика (3D графика) ? раздел компьютерной графики, совокупность программных и аппаратных приемов и инструментов, предназначенных для пространственного изображения объектов в трехмерной системе координат.

Модель ? объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

Трехмерное моделирование ? исследование объекта, явления или процесса путем построения и изучения его модели.

Редакторы трехмерной графики ? программы и программные пакеты, предназначенные для трехмерного моделирования.

Полигональная сетка ? совокупность вершин, ребер, граней, определяющих форму многогранного объекта в трехмерной графике.

Полигон ? мельчайший элемент полигональной сетки, может быть треугольником, четырехугольником или другим простым выпуклым многоугольником.

Сплайн ? двумерный геометрический объект, который может служить основой для построения трехмерных объектов.

Графический движок ("визуализатор"; иногда "рендер") ? подпрограммное обеспечение, основной задачей которого является визуализация (рендеринг) двухмерной или трехмерной компьютерной графики.

1.2 Методы создания 3D объектов

По своей форме, объекты реального мира делятся на простые и сложные. Примером простого объекта может служить кирпич, а сложного ? автомобиль. Для любого объекта реального мира, независимо от его сложности и природы, можно создать трехмерную модель. Существует различные методы трехмерного моделирования:

·моделирование на основе примитивов;

·сплайновое моделирование;

·использование модификаторов;

·моделирование при помощи редактируемых поверхностей: Editable Mesh (Редактируемая поверхность), Editable Poly (Редактируемая полигональная поверхность), Editable Patch (Редактируемая патч-поверхность);

·создание объектов при помощи булевых операций;

·создание трехмерных сцен с использованием частиц;

·NURBS-моделирование (моделирование на основе неоднородных нерациональных B-сплайнов).[1]

Создавая объект на сцене, необходимо учитывать особенности его геометрии. Как правило, один и тот же объект можно смоделировать несколькими способами, но всегда существует способ, который наиболее удобен и расходует меньше времени.

В данной дипломной работе объекты создаются для интерактивной системы, что накладывает на них некоторые ограничения по сложности. Нельзя создавать фотореалистичные объекты (высокополигональные объекты), так как они требуют много ресурсов компьютера, на котором будет производиться запуск финальной программы, а так же, чем больше объектов на сцене, тем больше нагрузки на графический движок. При работе над трехмерными объектами для интерактивных систем нужно учитывать данные ограничения и необходимо создавать объекты максимально оптимизированными, но не в ущерб качеству внешнего вида. Баланс между качеством и оптимальной сложностью, одна из главных проблем при создании объектов для интерактивных систем.

Моделирование на основе примитивов

Данный метод применяется в тех случаях, когда можно мысленно разбить объект на несколько простых примитивов, соединенных между собой. Необходимо иметь хорошее пространственное мышление, постоянно представлять объект, все его основные детали и их расположение относительно друг друга. Используя примитивы, можно изобразить практически любой объект, но при моделировании сложных объектов, после некоторого большого количества примитивов, использование данного метода нецелесообразно.

Рис. 1. Примитивные объекты

Процесс создания объектов на основе примитивов можно разбить на этапы:

·мысленное разбиение исходного объекта на примитивы;

·создание примитивов;

·расположение примитивов относительно друг друга по форме создаваемого объекта;

·корректировка размеров примитивов;

·текстурирование, то есть наложение материала.[2]

Примитивами лучше всего пользоваться при изображении относительно простых объектов. Применение их для отображения сложных объектов нежелательно.

Сплайновое моделирование

Один из эффективных способов создания трехмерных моделей. Создание модели при помощи сплайнов сводится к построению сплайнового каркаса, на основе которого создается трехмерная геометрическая поверхность.

В большинстве редакторов трехмерной графики присутствует возможность сплайного моделирования, а инструментарий данных программ включает в себя следующие фигуры:

Рис. 2. Сплайновые фигуры

·Line (Линия);

·Circle (Окружность);

·Arc (Дуга);

·Ngon (Многоугольник);

·Text (Текс);

·Section (Сечение);

·Rectangle (Прямоугольник);

·Ellipse (Эллипс);

·Donut (Кольцо);

·Star (Многоугольник в виде звезды);

·Helix (Спираль)

·Egg (Яйцо).

По умолчанию сплайновые примитивы не отображаются на этапе визуализации и используются как вспомогательные объекты, но при необходимости их можно сделать визуализируемыми.

На основе сплайновых фигур можно создавать сложные геометрические трехмерные объекты. Данный метод наиболее часто используется при моделировании симметричных объектов, вращением сплайнового профиля вокруг некоторой оси, а так же несимметричных объектов, приданием объема сечению выбранной сплайновой фигуры.

Использование модификаторов

Модификатором называются специальные операции, которые можно применить объекту, в результате чего свойства объекта изменяются. Во всех редакторах трехмерной графики имеется большое количество модификаторов, которые по-разному воздействуют на объект, к примеру, изгибая, вытягивая, сглаживая или скручивая его. Модификаторы также могут служить для управления положением текстуры на объекте или изменять его физические свойства.[3]

Рис. 3. Результат действий некоторых модификаторов на объект

В профессиональных полнофункциональных продуктах для 3D моделирования, например "Autodesk 3ds Max" есть возможность быстро перейти к настройкам объекта и примененным к нему модификаторам, отключить или включить действия модификаторов, а так же поменять очередность их воздействия на объект.

Моделирование при помощи редактируемых поверхностей

Распространенный способ создания 3D моделей. Большинство современных редакторов трехмерной графики позволяют работать со следующими типами редактируемых поверхностей:

·Editable Mesh (Редактируемая поверхность);

·Editable Poly (Редактируемая полигональная поверхность);

·Editable Patch (Редактируемая патч-поверхность);

Все перечисленные методы построения поверхностей схожи между собой, а различия заключаются в настройках моделирования на уровне подобъектов. В объектах типа Editable Poly модель состоит из многоугольников, в Editable Mesh ? из треугольных граней, а в Editable Patch ? из лоскутков треугольной или четырехугольной формы, которые создаются сплайнами Безье.

Рис. 4. Полигональный объект

В качестве примера программного пакета, имеющего возможности моделирования при помощи редактируемых поверхностей может выступать "Autodesk 3ds Max". При работе с объектами типа Editable Poly, пользователю доступна возможность редактировать вершины (Vertex), ребра (Edge), границы (Border), полигоны (Polygon) и элементы (Element) редактируемого объекта. Возможности редактирования Editable Mesh объектов отличаются возможностью изменять грани (Face) и отсутствием режима редактирования границ. Для работы с Editable Patch можно использовать режимы редактирования вершин, ребер, патчей (Patch), элементов и векторов (Handle).[4]

Рис. 5. Возможности редактирования поверхности Editable Poly на примере "Autodesk 3ds Max"

Стоит отметить, что "Editable Poly" ? самый распространенный метод моделирования, используется для создания, как сложных моделей, так и низкополигональных моделей для интерактивных систем.

Создание объектов при помощи булевых операций

Одним из наиболее удобных и быстрых способов моделирования является создание 3D объектов при помощи булевых операций. Суть данного метода заключается в том, что при пересечении двух объектов, можно получить третий, который будет являться результатом сложения (Union), вычитания (Subtraction) или пересечения (Intersection) исходных объектов.

Рис. 6. Применение булевской операции Substraction

Данный метод хорошо подходит для работы с архитектурными и техническими элементами, но не желателен в работе с органическими объектами, такими как люди, животные и растения.

Несмотря на распространенность булевских операций, они имеют недостатки, приводящие к ошибкам построения результирующей модели (искажение пропорций и формы исходных объектов).[5] По этой причине многие пользователи используют дополнительные модули, позволяющие избежать ошибки в геометрии финальных объектов.

Создание трехмерных сцен с использованием частиц

Система частиц ? способ представления 3D объектов, не имеющих четких геометрических границ. Используется для создания природных явлений, таких как облака, туман, дождь, снег. Доступные в мощных программных продуктах средства анимации свойств систем частиц позволяют существенно упростить создание разнообразных атмосферных явлений, спецэффектов, добиться которых непроцедурными методами было бы непрактично и неэффективно. Система частиц состоит из фиксированного или произвольного количества частиц. Каждая частица представляется как материальная точка с атрибутами, такими как, скорость, цвет, ориентация в пространстве, угловая скорость, и другими. В ходе работы программы моделирующей частицы, каждая частица изменяет своё состояние по определенному, общему для всех частиц системы, закону. Стоит отметить, что частица может подвергаться воздействию гравитации, менять размер, цвет, скорость. После проведения необходимых расчётов, частица визуализируется. Частица может быть визуализирована точкой, треугольником, спрайтом, или даже полноценной трехмерной моделью. Часто у частиц задана максимальная продолжительность жизни, по истечении которого частица исчезает.[6]

Рис. 7. Система частиц. Предфинальный этап создания

Моделирование систем частиц требует высокую производительность компьютера. В 3D приложениях, обычно считается, что частицы не отбрасывают тени друг на друга и на окружающую геометрию, и что они не поглощают, а излучают свет, иначе системы частиц будут требовать больше ресурсов из-за большого количества дополнительных вычислений: в случае с поглощением света потребуется сортировать частицы по удалённости от камеры, а в случае с тенями каждую частицу придётся рисовать несколько раз.

NURBS-моделирование

NURBS (Non-uniform ration B-spline) ? математическая форма, применяемая в компьютерной графике для генерации и представления кривых и поверхностей. NURBS-кривые всегда имеют гладкую форму.[7] Чаще всего данный способ используется для моделирования органических объектов, анимации лица персонажей. Является самым сложным методом в освоении, но в тоже время самым настраиваемым. Присутствует в профессиональных пакетах 3D моделирования, чаще всего это реализуется включением в эти приложения NURB-графического движка, разработанного специализированной компанией.

Рис. 8. NURB-кривая

2. Обзор и сравнение приложений трехмерной графики

Рынок программных пакетов, позволяющих создать трехмерную графику обширен. Есть явные лидеры и сильные конкуренты. Каждый продукт имеет свои преимущества и свои недостатки. Выбор определенного программного продукта зависит от того, что именно необходимо создать. Для некоторых целей используются связки из нескольких программ.

Последние годы устойчивыми лидерами в области 3D моделирования являются коммерческие продукты, такие как: "Autodesk 3ds Max", "Autodesk Maya", "Autodesk Softimage", "Cinema 4D", "LightWave 3D".

"Autodesk 3ds Max"

"Autodesk 3ds Max" - полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией "Autodesk".

Занимает доминирующее положение в области трехмерной графики, использует повсеместно, как начинающими пользователями, так и крупными студиями. Содержит современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа и располагает обширным набором инструментов, техник и механизмов для создания трехмерных моделей, включающие: полигональное моделирование, моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) (практически не используется пользователями данного пакета из-за неконкурентоспособной реализации), моделирование на основе поверхностей Безье (Editable patch). Имеет удобный механизм анимации персонажей, который позволяет построить логически связанные последовательности костей и составных частей механизмов.[7]

В ранних версиях включал механизм расчета физики "Reactor", позволявший моделировать поведения твердых и мягких тел, тканей с учетом силы тяжести и других воздействий. В последних версиях заменен модулем "MassFX".

Имеет большое количество встроенных модулей визуализации и средств, облегчающих моделирование сложных спецэффектов. Помимо стандартного пакета, существуют сторонне разработанные решения, с помощью которых можно расширить функционал программы, для достижения более реалистичной визуализации.

Данный программный пакет имеет бесплатную ? студенческую версию, который предоставляет полную версию программы, но ее нельзя использовать в коммерческих целях.[8]

"Autodesk Maya"

"Autodesk Maya" ? редактор 3D графики, принадлежащий "Autodesk". В настоящее время стала стандартом трехмерной графики на телевидении и в кинематографе. С помощью "Autodesk Maya", были созданы популярные мультфильмы ("Южный парк", "Последняя фантазия: Духи внутри" и другие), спецэффекты для популярных блокбастеров("Человек паук", "Властелин колец", "Матрица" и другие), реализованы персонажи кино и мультфильмов (Халк, Стюар Литтл, Дейви Джонс ("Пираты Карибского моря") и другие).

Одна из наиболее важных особенностей программы ? открытость для сторонних разработчиков и возможность преобразовывать ее в специальную версию, удовлетворяющую требованиям профессиональных студий, которые адаптируют код программы для своих специфических потребностей.[9]

Среди средств моделирования присутствуют средства редактирования NURBS, а так же различные сложные механизмы наложения текстур и настройки их координат. Встроенная технология рисования "Paint technology" дает возможность создавать текстуры объектов без использования сторонних продуктов.

Имеет четыре встроенных модуля визуализации: "Maya Software", "Maya Hardware", "Maya Vector Render", "metal ray", а также существует ряд сторонних разработок.

Данный программный пакет имеет бесплатную студенческую версию, который предоставляет версию программы при регистрации на сайте.[8]

"Autodesk Softimage"

"Autodesk Softimage" - полнофункциональный редактор трехмерной графики, принадлежащий "Autodesk", включает возможности моделирования 3D объектов, анимации и создания визуальных эффектов. Применяется в индустрии компьютерных игр ("Crysis", "Hitman", "Resident Evil 5", "Star Wars: Battlefront" и другие), рекламе (Coca-Cola, M&Ms и другие) и кинематографе ("300 cпартанцев", "Аватар", "Трансформеры" и другие).

Предоставляет пользователю широкий спектр возможностей полигонального моделирования и процедурного в среде ICE (платформа визуального программирования, позволяющая расширить возможности "Softimage"). Реализованы решения для симуляции физических эффектов высокого качества без написания кода.[9] Важными особенностями данного программного продукта являются возможность внесения изменений на любом этапе работы, что упрощает работу крупных студий, а также ICE платформа, предоставляющая пользователю открытый доступ к любой части кода программы. Использование ICE привело к ненадобности использования плагинов, так как пользователь может быстро создавать и обмениваться инструментами, редактируя и совершенствуя их для решения своих задач. Еще одна интересная особенность программы ? "Crown Simulation" (симуляция толпы), позволяющая легко создать тысячи бегущих человек.

Из средств визуализации стоит отметить фотореалистичный "metal ray" и "Hardware" рендер. Хорошо взаимодействует с конкурирующими продуктами. Имеет бесплатную студенческую версию.

"Cinema 4D"

"Cinema 4D" - универсальный пакет для создания трехмерной графики и анимации, разработан компанией "MAXON". Применяется при создании 3D-анимации в кинематографе и мультипликации, хорошо зарекомендовал себя на телеканалах "BBC", "NBC", "Fox". Значительно реже применяется в игровой сфере из-за функционального уклона в анимационную сферу. Программа предоставляет три основных типа моделирования: полигональное, сплайновое и HyperNurbs.

Поддерживает высококачественный рендеринг. Имеет множество стандартных и дополнительных модулей анимации, позволяющих имитировать поведение объектов в соответствии с физическими законами.[9]

Имеет относительной простой интерфейс и встроенную поддержку русскоязычности.

"LightWave"

"LightWave" - полнофункциональный профессиональный редактор трехмерной графики, разработанный компанией "NewTek". Применяется на телевидении и в киноиндустрии ("Титаник", "Геракл", "Зена ? Королева воинов", "Аватар"). Содержит мощную функциональную систему полигонального моделирования. Не поддерживает NURBS-моделирование.

Приложение включает развитую систему анимации, поддерживает высококачественный рендеринг. В поздних версиях программы присутствует средство "Spreadsheet Editor", облегчающее работу со сложными сценами, позволяет увидеть сцену в схематичном упрощенном виде.[9]

Основные преимущества пакета заключаются в инструментах визуализации. Встроенный механизм "Hyper Voxes" позволяет легко генерировать дым, огонь, природные явления и жидкости. Различные дополнительные средства позволяют создать реалистичный ландшафт, шерсть и волосяной покров. Сложная система расчета столкновений позволяет имитировать физические явления. Интерфейс программы отличается от конкурирующих решений разделением процесса моделирования, анимации и рендеринга на отдельно запущенные приложения, что удобно при использовании двух мониторов, а так же отсутствием пиктограмм кнопок управления (только текстовые надписи), что существенно экономит место на рабочей области.

2.1 Выбор приложения для реализации

Все перечисленные программные продукты имеют много общего и хорошо подойдут для трехмерного моделирования низкополигональных моделей, но у каждой из них есть свои достоинства и недостатки в той или иной области. Сравним выбранные программы по следующим критериям, наиболее важным для реализации данного проекта:

.Область применения и ориентированность:

·"Autodesk 3ds Max". Располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трехмерных моделей. Хорошо подходит для создания объектов для интерактивных систем. Наиболее часто применяется в игровой индустрии из-за удобства работы с полигональными моделями.

·"Autodesk Maya". Как и "Autodesk 3ds Max" имеет мощный функционал для 3D моделирования, но наибольшее распространение получил в кинематографе за счет мощных инструментов анимации и визуальных эффектов.

·"Autodesk Softimage". Имеет богатый функционал, подходящий для создания трехмерной графики практически любой сложности. Программа востребована в киноиндустрии, индустрии видеоигр, а так же в рекламе.

·"Cinema 4D". Данная программа хорошо подходит для работы с трехмерной графикой, но изначально создавалась преимущественно для создания персонажей и анимации.

·"LightWave 3D". Продукт обладает хорошей системой полигонального моделирования. Ориентирован на теле, видео и киноиндустрии, хотя можно использовать и для моделирования объектов интерактивных систем.

.Требовательность к ресурсам: все программы трехмерной графики в той или иной степени требовательны к ресурсам компьютера и требования возрастают вместе с задачами, поставленными перед программой. Для рендеринга высокополигональных сцен с множеством объектов и эффектов необходимы высокопроизводительные процессоры с современнейшими видеокартами и большим количеством оперативной памяти, иначе обработка отдельных кадров может занять несколько часов, а короткая анимация до нескольких дней. Для данной работы рекомендованные системные требования можно считать показателем, так как работа ведется с низкополигональными моделями и ресурсов они требуют значительно меньше. Тем не менее, плавность работы программы и интерфейса очень важна для удобной и быстрой работы. Системные требования указаны для общей анимации и воспроизведения отдельных деталей и изделий малой и средней сложности (не более 1000 деталей или 100000 полигонов. Рассматривались последние 32-х битные версии программ:

·"Autodesk 3ds Max".

·Процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,4ГГц или аналогичный AMD с поддержкой SSE2;

·2ГБ оперативной памяти (рекомендуется 4ГБ);

·2ГБ в файле подкачки (рекомендуется 4ГБ);

·3ГБ свободного места на жестком диске;

·Не менее 512МБ памяти на видеокарте (рекомендуется 1ГБ и выше).[8]

·"Autodesk Maya".

·Процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,4ГГц или аналогичный AMD с поддержкой SSE3;

·2ГБ оперативной памяти (рекомендуется 4ГБ);

·10ГБ свободного места на жестком диске;

·Не менее 512МБ памяти на видеокарте (рекомендуется 1ГБ и выше).[8]

·"Autodesk Softimage"

·Процессор Intel Pentium D рабочая станция (или выше);

·Аппаратная поддержка OpenGL 1,5 (или выше);

·2ГБ оперативной памяти (рекомендуется 4ГБ);

·2ГБ в файле подкачки (рекомендуется 4ГБ);

·1,5ГБ свободного места на жестком диске;

·Профессиональная видеокарта с последними драйверами от производителя.[8]

·"Cinema 4D"

·Процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,4ГГц или аналогичный AMD с поддержкой SSE2;

·Аппаратная поддержка OpenGL 2,1 (или выше);

·1ГБ оперативной памяти (рекомендуется 2ГБ);

·7ГБ свободного места на жестком диске;

·Профессиональная видеокарта с последними драйверами от производителя.[10]

·"LightWave 3D"

·Двухъядерный процессор Intel Core 2Duo или AMD Athlon II (или выше);

·2ГБ оперативной памяти (рекомендуется 4ГБ);

·750МБ свободного места на жестком диске;

·Не менее 512МБ памяти на видеокарте (рекомендуется 1ГБ и выше).[11]

3.Документация:

·"Autodesk 3ds Max, "Autodesk Maya". Существует множество обучающих материалов, литературы, методических пособий, видеоуроков. Стоит отметить, что "Autodesk" поддерживает пользователей своих продуктов и предоставляет большое количество бесплатных обучающих материалов.

·"Autodesk Softimage". Имеет значительно меньше обучающей информации из-за меньшей популярности и распространенности. "Autodesk" предоставляет большое количество бесплатной обучающей литературы, но этого не всегда достаточно.

·"Cinema 4D". Существует множество обучающих материалов, видеоуроков, созданных пользователями программы, но имеет меньше литературы, предоставленной производителем.

·"LightWave 3D". "NewTek" предоставляет меньшую поддержку обучающим материалом, чем "Autodesk", а найти подходящий видеоурок или литературу сложнее, чем у конкурирующих решений из-за меньшей популярности.

4.Легкость освоения и удобство интерфейса:

·"Autodesk 3ds Max". Большая функциональность данной программы требует длительного времени изучения, но интерфейс логично понятен, практически нет подводных камней и изучение не вызывает серьезных трудностей.

·"Autodesk Maya". Имеет мощный функционал. На всестороннее освоение пакета и его инструментов могут уйти годы, а профессионалы в работе с данной программой могут ежедневно открывать новые функции и различные вариации реализации тех или иных задач. Имеет большие возможности по настройке интерфейса под конкретного пользователя.

·"Autodesk Softimage". Превосходит своих конкурентов удобством работы визуальной среды ICE, но в освоении ряда других функций могут возникнуть трудности. Интерфейс не всегда понятен и архаичен.

·"Cinema 4D". Один из самых простых в изучении многофункциональных 3D-пакетов вследствие простоты и понятности. Интерфейс так же интуитивно логичен и доступен для понимания в кротчайшие сроки.

·"LightWave 3D". Выделяется на фоне конкурентов разделенным интерфейсом на два отдельно запущенных приложения, что удобно при использовании рабочей станции с двумя дисплеями. Отсутствие пиктограмм экономит место на экране. Отсутствует стек модификаторов, что для людей, ранее работающих в других программах трехмерного моделирования, может вызвать некоторые трудности в освоении.

5.Доступность:

·"Autodesk 3ds Max". Цена данного продукта варьируется от 100 до 130 тысяч рублей, в зависимости от версии. Существует бесплатная студенческая версия, включающая все функции и возможности платной версии, кроме коммерческого использования.

·"Autodesk Maya". Цена данного продукта варьируется от 100 до 130 тысяч рублей, в зависимости от версии. Существует бесплатная студенческая версия, включающая все функции и возможности платной версии, кроме коммерческого использования.

·"Autodesk Softimage" Цена данного продукта варьируется 90 до 110 рублей. Существует бесплатная студенческая версия, включающая все функции и возможности платной версии, кроме коммерческого использования.

·"Cinema 4D" Цена данного продукта варьируется от 100 до 110 тысяч рублей, в зависимости от версии. Бесплатного пакета нет.

·"LightWave 3D" Цена данного продукта варьируется от 50 до 55 тысяч рублей, что значительно ниже предложений конкурентов, но бесплатной версии нет.

Проанализировав особенности, недостатки и преимущества наиболее популярных программ трехмерного моделирования, для реализации данного проекта была выбрана "Autodesk 3D Max", как наиболее оптимальное решение, сочетающее в себе большие возможности полигонального моделирования, относительную легкость изучения, доступность обучающих материалов, удобство интерфейса. Так же важно, что "Autodesk 3D Max", предоставляет все свои возможности бесплатно.

3. Реализация

3.1 Autodesk 3ds Max

Установка "Autodesk 3ds Max"

В данной работе используется "Autodesk 3ds Max" версия 2013 года, т.к. является актуальной и стабильной.

Для получения бесплатной студенческой версии, необходимо являться участником "Студенческого Сообщества Autodesk" (специальный ресурс, предназначенный для студентов и вузовских работников). Для того чтобы стать участником сообщества, необходимо зарегистрироваться на официальном сайте #"justify">После регистрации в сообществе и получения бесплатной версии программы, была произведена ее установка на персональный компьютер.

Моделирование 3D объектов

Процесс моделирования различных трехмерных объектов отличается в зависимости от сложности и формы оригинальных объектов.

Моделирование стола

В запущенном "Autodesk 3ds Max" необходимо создать новую сцену, нажав пункт меню File->New или комбинацией клавиш Ctrl+N.

Рис. 9. Интерфейс "Autodesk 3ds Max" и процесс создания новой сцены

В выпадающем списке нужно выбрать "Standard Primitives".

Рис. 10. Расположение "Standard Primitives"

Ниже появился список объектов, которые возможно создать. Процесс создания стола можно начать с его верхней крышки, используя инструмент "Box". Крышка стола представляет собой параллелепипед; инструмент "Box" позволяет создать параллелепипед произвольного размера.

Рис. 11. Расположение инструмента "Box"

Рабочая область "Autodesk 3ds Max" по умолчанию имеет 3 различных вида на объект (сверху, спереди, слева) и один вид перспективы. Выбрав одну из рабочих областей, нажав левую кнопку мыши нужно произвольно переместить курсор, после чего появится грань параллелепипеда. Размер грани будет изменяться вместе с курсором, пока нажата кнопка мыши. На данном этапе не обязательно пытаться создать параллелепипед точного размера, изменить размер можно будет позже.

Рис. 12. Процесс создания объекта инструментом "Box"

Отпустив левую кнопку мыши верхняя грань примет фиксированный размер и начинается редактирование объема фигуры.

Рис. 13. Процесс создания объекта инструментом "Box"

Объем тоже можно выбрать произвольный. Щелкнув левой кнопкой мыши объект примет фиксированный размер. Продолжить редактирование данного объекта нужно во вкладке "Modify".

Рис. 14. Расположение "Modify"

Необходимо изменить размеры будущей столешницы в соответствии с реальными (предварительно вручную были измерены габариты стола). В выпадающем списке "Parameters" указываем "Length" (длину), "Width" (ширину), "Height" (толщину) и меняем значения количества сегментов, на которые будет разбит объект (Length Segs, Width Segs, Height Segs) на "1". Большее количество сегментов будет избыточно.

Рис. 15. Выпадающий список "Parameters"

Для завершения работы с деталью необходимо вернуться в режим создания объектов "Create" и нажать курсором мыши на пустую часть рабочей области.

Рис. 16. Расположение "Create"

Редактирование данной детали завершено.

Далее создаются стенки стола. Для этого так же, как и при создании столешницы используется инструмент "Box". Для удобства создания рекомендуется перейти в вид "Front" и нарисовать желаемый параллелепипед.

Рис. 17. Создание ножки стола; вид "Front"

Как и в предыдущем случае редактируются размеры детали. После редактирования, для удобства последующей работы, желательно сопоставить крышку стола и стенку так, как они располагаются относительно друг друга в реальной жизни. Далее, с помощью инструмента "Select and Move" нужно создать копию стенки стола.

Рис. 18. Расположение "Select and Move"

Данный инструмент предназначен для перемещения объектов, но он так же подходит и для дублирования. В отличии от операции перемещения, выполняемой нажатием на одну из координатных осей и смещением мыши в необходимую сторону, данная операция производится с удерживаемой клавишей Shift.

Рис. 19. Создание второй ножки стола с помощью инструмента "Select and Move"

После того, как клавиша Shift будет отпущена, появится всплывающее окно, которое предлагает выбрать параметры клонирования объекта. Нужно выбрать "Copy".

Рис. 20. Параметры клонирование объекта

Оставшиеся детали стола создаются так же, как и крышка стола.

Правильно разместив детали стола относительно друг друга получаем готовую модель без текстур.

Рис. 21. Вид готовой модели без использования текстур

Модель готова, но для визуального представления будущего объекта, можно применить текстуры, похожие на настоящие. Необходимо открыть "Material Editor", нажатием клавиши M и выбрать одну из пустых ячеек.

Рис. 22. Редактор материалов "Material Editor"

Далее, после нажатия кнопки справа от образца цвета "Diffuce" открывается всплывающее окно "Material/Map Browser".

Рис. 23. "Material/ Map Browser"

Необходимо нажать "Bitmap" для последующего указания директории, в которой храниться необходимый материал.

После указания пути к файлу в "Material Editor" выбранная ячейка примет указанный материал.

Рис. 24. Отображение списка материалов

Применение материала осуществляется нажатием кнопки "Assign Material to Selection", предварительно выделив детали, к которым требуется применить материал.

Рис. 25. Вид готовой модели стола с применением текстур

Работа над объектом завершена.

Данный объект не имеет изгибов и имеет простую форму, вследствие чего реализация его в трехмерной графике не вызывает трудностей и заключается лишь в использовании стандартных примитивов.

Моделирование офисного стула

Как и при создании описанного выше стола, объект необходимо мысленно разбить на части. Процесс моделирования лучше начать с сиденья и спинки, а в последнюю очередь смоделировать металлический каркас.

Для создания сиденья стула используется стандартный примитив "Box", размеры которого должны соответствовать размеру реального сиденья. Так же, желательно указать в списке параметров "Parameters" количество сегментов в ширину и длину, на которые будет разбит объект. Чтобы не сильно усложнить объект, лучше всего указать по 4 сегмента как в длину, так и в ширину.

Рис. 26. Создание "Box" с 4 сегментами в длину и ширину

Объект необходимо конвертировать в "Editable Poly" для последующих манипуляций с формой.

Рис. 27. Конвертирование объекта в "Editable Poly"

Когда объект стал полигональным, нужно применить модификатор "FFD 4X4X4", который находится в списке "Modify".

Рис. 28. Часть списка модификаторов "Autodesk 3ds Max"

С помощью модификатора "FFD 4X4X4" можно деформировать объект. Раскрыв выплывающий список модификатора и перейдя к "Control Points" можно выбрать точки, которые нужно переместить. Различие "Select and Move" от "FFD 4X4X4" заключается в том, что "Select and Move" позволяет просто переместить точки, что приведет к изменению формы объекта, но изменение затронет лишь выделенную область. "FFD 4X4X4" позволяет деформировать объект так, что перемещая точки выделенной области изменения коснуться и соседних точек и чем дальше расположены точки, тем меньше влияния окажет модификатор.

Рис. 29. Пример деформирования объекта с помощью "Select and Move" (слева), с помощью "FFD 4X4X4" (справа)

Выделяя необходимые точки, с помощью "Select and Uniform" можно придать объекту желаемую деформацию.

Рис. 30. Изменение формы объекта с помощью "FFD 4X4X4"

Далее можно перейти на уровень редактирования полигонов и добавить фаску с помощью инструмента "Chamfer".

Рис. 31. Часть списка модификаторов "Autodesk 3ds Max"

Выделив нужные ребра и задав параметры фаски "Edge Chamfer Amount" и "Connect Edge Segments" можно управлять областью применения инструмента, глубиной фаски и количеством ребер, которые будут формировать фаску.

Рис. 32. Формирование фаски боковых ребер

Рис. 33. Формирование фаски верхних ребер

После выполнения вышеописанных операций работа над сиденьем стула завершена.

Редактирование спинки стула состоит из тех же операций, отличие заключается лишь в форме деформации и степени формирования фаски.

Рис. 34. Спинка и сиденье модели стула

Создание каркаса начинается с стандартного примитива цилиндр "Cylinder".

По умолчанию цилиндр будет иметь большое количество сегментов, формирующих форму, что придает объекту высокое качество и сглаженность. Радиус цилиндра небольшой и визуальную разницу в качестве объекта будет практически невозможно заметить если уменьшить количество сегментов, что очень важно для низкополигонального объекта.

Рис. 35. Цилиндр с 18-ю ребрами(сверху), с 8-ю ребрами(снизу)

Для последующего редактирования цилиндр нужно конвертировать в "Editable Poly".

Выделив верхний полигон и удалив его, появляется возможность управлять ободком цилиндра "Border".

Рис. 36. "Border" цилиндра

Дальнейшее редактирование объекта заключается в придании желаемой формы ножке стула путем создания новых изгибов. Используя инструмент "Select and Uniform" создается новый ободок и с помощью "Select and Rotate" корректируется расположение нового ободка. Создание новых ободков имеет смысл лишь в случае, когда необходимо изменение формы, иначе желательно не создавать их, так как это влечет за собой появление лишних полигонов.

Рис. 37. Редактирование ножки стула

Сформировав ножку желаемой форы, нужно скопировать ее и разместить обе ножки в правильном положении относительно спинки и сиденья.

Работа над моделью завершена, после текстурирования объект примет окончательный вид, пригодный для внедрения в систему.

Рис. 38. Законченная модель стула с применением тектур

Стул, как и многие другие объекты, созданные в "Autodesk 3ds Max" успешно были внедрены в интерактивную систему.

Рис. 39. Один из кабинетов интерактивной системы с различными трехмерными объектами

Рис. 40. Столовая университета, реализованная в 3D

3.2 Valve Hammer Editor

Помимо "Autodesk 3ds Max" в дипломном проекте работа велась и в редакторе "Valve Hammer editor". Данный редактор предназначен для создания карт и уровней для движка "Sourse".

При создании трехмерных моделей в любом стороннем редакторе трехмерной графики, полученную модель необходимо экспортировать в данный редактор, а впоследствии интегрировать в движок. Использование данного редактора значительно упрощает работу над основной геометрией (этажи, полы, стены), так как он изначально предназначен для движка "Sourse".

Моделирование первого учебного корпуса велось в "Valve Hammer editor", в соответствии с чертежами университета. Стоит отметить, что использовать данный редактор для моделирования объектов, наполняющих университет нецелесообразно из-за функциональной ограниченности и ориентированности на моделировании стен и полов.

В данной дипломной работе была смоделирована часть первого корпуса, а именно 3-й и 4-й этажи.

Процесс моделирования стен и полов

Запустив "Valve hammer editor" необходимо создать новую карту, нажав пункт меню File->New.

Рис. 41. Создание новой карты в "Valve Hammer Editor"

В появившейся рабочей области можно приступать к редактированию стен и полов университета.

В левой части интерфейса программы расположены инструменты, предназначенные для создания и редактирования блоков, масштабирования и изменения вида рабочей области и нанесения текстур.

Для создания кабинета необходимо выбрать пункт меню "Block Tool". "Block Tool" предназначен для создания параллелепипедов ? аналог стандартного примитива "Box" в "Autodesk 3ds Max".

Рис. 42. Расположение инструмента "Block Tool"

Нажав и удерживая левую кнопку мыши на рабочей области, нужно переместить курсор в любую сторону для начала формирования объекта. Отпустив левую кнопку мыши, блок примет определенный фиксированный размер.

Рабочая область программы имеет 4 вида: вид камеры (пользователь сам выбирает угол обзора) и три вида проекции.

Рис. 43. Вид объекта на рабочей области

Изменять размер блока можно управляя манипуляторами, расположенными в вершинах параллелепипеда. Объект практически готов, для его создания необходимо нажать правую кнопку мыши и выбрать "Create Object". Впоследствии можно изменять форму полученного блока.

Рис. 44. Создание блока

Процесс создания всех стен, полов и потолков университета проходит аналогичным образом ? созданием блоков необходимого размера и правильным расположением относительно остальных блоков.

Рис. 45. Пример возможного расположения стен и пола на рабочей области

Стоит отметить, что нельзя допускать пересечение блоков, так как это может привести к проблемам при визуализации, когда видно наслоение одного объекта на другой.

Для создания дверей и окон, так же используется "Block Tool". Новый блок создается необходимого размера, соответствующему размеру окна или двери и располагается так, чтобы, пересекая стену в необходимом месте, проходить сквозь нее.

Рис. 46. Пример расположения блоков при создании проема

Не снимая выделения с объекта, в главном меню выберем инструмент "Carve" (Tool->Carve) и нажмем на стену, с которой пересекается выделенный объект. После выполнения данной операции, можно удалить вспомогательный блок. Отверстие в стене создано.

Рис. 47. Пример отверстия, созданного с помощью "Carve"

Данная операция аналогична булевским операциям в "Autodesk 3ds Max", когда объект получается в результате исключения одного из другого.

Заключение

трехмерный графика компьютерный примитив

В ходе выполнения данной дипломной работы были изучены основные методы создания трехмерных моделей. После изучения рынка программных продуктов трехмерного моделирования, для реализации дипломного проекта была выбрана бесплатная студенческая версия "Autodesk 3ds Max", которая подходит для выполнения данного проекта наилучшим образом. Трехмерные модели объектов, наполняющие университет были смоделированы в "Autodesk 3ds Max", 3-й и 4-й этажи учебного корпуса были реализованы в "Valve Hammer Editor", разработанном специально для выбранного игрового движка. Трехмерные модели объектов университета МУПОЧ "Дубна" и его 3-й и 4-й этажи, были выполнены в соответствии с поставленными перед ними требованиями.

Список литературы

1.Иллюстрированный самоучитель по "Autodesk 3ds Max". Глава 3: Создание сложных объектов в 3ds Max .[Электронный ресурс]. ? 2010.

URL: #"justify">2.Общие принципы создания 3D объектов. [Электронный ресурс]. ? 2011.

URL: #"justify">3.3D урок 3ds Max: Назначение и настройка модификаторов. [Электронный ресурс]. ? 2009.

URL: #"justify">4.Иллюстрированный самоучитель по "Autodesk 3ds Max". Глава 3: Моделирование при помощи редактируемых поверхностей. [Электронный ресурс]. ? 2010.

URL: #"justify">5.Иллюстрированный самоучитель по "Autodesk 3ds Max". Глава 3: Булевы операции. [Электронный ресурс]. ? 2010.

URL: #"justify">6.3ds Max: Введение в систему частиц. [Электронный ресурс]. ? 2008.

URL: #"justify">7.Мир 3D. 3ds Max: причины популярности. [Электронный ресурс]. ? 2009.

URL: #"justify">8.Официальный сайт компании "Autodesk". [Электронный ресурс]. ? 2013.

URL: #"justify">9.Мир абсолютного 3D. Сравнение лучших программ трехмерной графики. [Электронный ресурс]. ? 2008.

URL: #"justify">10.Официальный сайт компании "Maxon". [Электронный ресурс]. ? 2013.

URL: #"justify">11.Официальный сайт "LightWave". [Электронный ресурс]. ? 2013.

URL: http://www.lightwave3d.com/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области "Международный университет природы, общества и челов

Больше работ по теме: