Особенности моделирования высокополигонального персонажа в среде Zbrush

Размещено на http://www.allbest.ru

20

Размещено на http://www.allbest.ru

Особенности моделирования высокополигонального персонажа

в среде Zbrush

Содержание

Введение

Глава I. Теоретические основы моделирования высокополигонального персонажа в среде Zbrush

1.1 Основные понятия трехмерной графики

1.2 Моделирование

1.3 Рендеринг

1.4 Связь с физическим представлением физических обьектов

1.5 Основные сведения о программе для трехмерного моделирования Zbrush

Глава II. Практическая часть: моделирование высокополигонального персонажа в среде Zbrush

2.1 Процесс создания заготовки модели в программе Zbrush

2.2 Скульптинг основной формы модели на низком уровне

детализации

2.3 Добавление деталей к созданной модели

2.4 Завершающий этап моделирования добавления мелких деталей

2.5 Наложение материалов на трехмерную модель. Процесс рендеринга изображения

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время трехмерная графика получила широкое распространение визуализации интерьеров и экстерьеров, игровой индустрии, и, наверное, самое важное киноиндустрии.

Цель работы - создать высокополигональную 3d модель в среде Zbrush.

Реализация поставленной цели требует решения следующих задач:

1) освоение основных понятий трехмерной графики,

2) изучение интерфейса программы Zbrush

Объект исследования - 3d Моделирование

Предмет исследование - Моделирование высокополигональных объектов в среде Zbrush

Цифровая скульптура (высокополигональное скульптурное моделирование или 3d скульптинг) -- вид изобразительного искусства, произведения которого имеют объёмную форму и выполняются с помощью специального программного обеспечения, посредством инструментов которого возможно производить различного рода манипуляции над 3d моделями, как если бы скульптор работал над обычной глиной или камнем. 3D скульптура это ещё молодая, набирающая обороты технология моделирования, но несмотря на это, за сравнительно короткое время, она завоевала большую популярность во всём мире. Особенность цифровой скульптуры заключается в том, что она позволяет создавать модели с высоким уровнем детализации (десятки и сотни миллионов полигонов), что пока ещё недостижимо традиционными методами 3d моделирования. Это делает её наиболее предпочтительным методом для получения фотореалистичных сцен и моделей. В основном цифровая скульптура используется для моделирования высокополигональных, органичных 3d моделей, которые состоят из искривлённых поверхностей с большим числом крупных и мелких деталей.

В настоящее время, программы для цифровой скульптуры часто используют для улучшения и усложнения внешнего вида низкополигональных моделей, используемых в компьютерных и видеоиграх, за счёт создания различного рода карт неровностей. Сочетая грубые 3d модели с текстурными картами, картами нормалей и замещения, можно значительно улучшить внешний вид игровых уровней и персонажей, достигая высокой степени реализма компьютерной игры и экономя ресурсы компьютера. Некоторые скульпторы, работающие в таких программах как Zbrush и Mudbox зачастую сочетают процессы моделирования с традиционными 3d программами с целью более качественной визуализации и придания дополнительных эффектов для модели (например, волос и шерсти). Такие программы как 3ds Max, Maya и Modo включают в себя некоторые элементы и приёмы работы с моделью, похожие на инструменты в программах для цифровой скуьптуры, но значительно уступают последним.

Высокополигональные скульптуры нашли широкое применение в художественных и фантастических фильмах, в искусстве, в промышленном дизайне. Они так же используются в создании прототипов, фотореалистичных иллюстраций и для создания реальных скульптур в 3d печати [2].

высокополигональный персонаж трехмерная графика

Глава I. Теоретические основы моделирования высокополигонального персонажа в среде Zbrush

1.1 Основные понятия трехмерной графики

Трёхмерная графика (3D, 3 Dimensions, русс. 3 измерения) -- раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

- моделирование -- создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.

- рендеринг (визуализация) -- построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

- вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

1.2 Моделирование

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

- геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание)

- материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон)

- источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения)

- виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции)

- силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, - применяется в основном в анимации)

- дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Рис. 1. Схема проецирования сцены

Задача трёхмерного моделирования -- описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

1.3 Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок -- кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга -- это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).

Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

- Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);

- сканлайн (scanline) -- он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) -- расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

- трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) -- то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;

- глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) -- расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing -- к прямой.

Наиболее популярными системами рендеринга являются: PhotoRealistic RenderMan (PRMan), Mental ray, V-Ray, FinalRender, Brazil R/S, BusyRay, Turtle, Maxwell Render, Fryrender, Indigo Renderer, LuxRender, YafaRay, POV-Ray.

Вследствие большого объема однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, тк уже сегодня их эффективность для таких вычеслений много выше. К таким системам относятся:

Refractive Software Octane Render

AAA studio FurryBall

RandomControl ARION (гибридная)

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.

1.4 Связь с физическим представлением физических обьектов

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Шаг вправо, шаг влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях. Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D-дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошел еще дальше. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. А команда исследователей Токийского Университета создали систему позволяющую почувствовать изображение. Излучатель фокусируется на точке где находится палец человека и в зависимости от его положения меняет силу акустического давления. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметами.Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.

Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).

1.5 Основные сведения о программе для трехмерного моделирование Zbrush

ZBrush -- программа для трёхмерного моделирования, созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» 3d-скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого 3d-объекта. Каждая точка (называемая пиксоль) содержит информацию не только о своих координатах XY и значениях цвета, но также и глубине Z, ориентации и материале. Это значит, что вы не только можете «лепить» трёхмерный объект, но и «раскрасить» его, рисуя штрихами с глубиной. То есть вам не придётся рисовать тени и блики, чтобы они выглядели натурально -- ZBrush это сделает автоматически. Также быстро работает со стандартными 3d объектами, используя кисти для модификации геометрии материалов и текстур. Позволяет добиться интерактивности при немыслимом количестве полигонов. Используя специальные методы, можно поднять детализацию до десятков (а то и сотен) миллионов полигонов. Также имеется множество подключаемых модулей (работа с текстурами, геометрией, множество новых кистей, быстрая интеграция с профессиональными пакетами 2d графики и многое другое). \В августе 2009 года был анонсирован выпуск версии 4.0, но разработчики выпустили промежуточную версию продукта -- ZBrush 3.5. Версия 4.0 вышла ровно через год -- 9 августа 2010 года.20 сентября 2011 года вышла новая версия ZBrush 4r2 в которую разработчики добавили новых, очень интересных плюшек - таких как LihtCap или DynaMash,но и эта версия оказалась не безгрешной. Как и у любой свежей версии постепенно обнаружились некоторые баги, которые разработчики пообещали исправить в следующей версии, дата выхода которой назначена на декабрь 2011 года. Помимо этого вышла облегченная аналогичная программа того же пакета - Sculptris Alpha 5.

Все функции ZBrush находятся внутри палитр. Каждая палитра содержит группу связанных функций. В пределах палитры эти функции далее разделены на группы, чтобы облегчить доступ к определённым настройкам, в которых Вы нуждаетесь(рис. 2).

Рис 2. Палитры Zbrush

Кнопки (Buttons) показаны как светлосерые выпуклые объекты. Нажатие кнопки выполняет какую-либо операцию (рис. 3).



Рис 3. Кнопки в программе Zbrush

Переключатели (Switches) -- элементы интерфейса, которые могут находиться в положении on/off (вкл./выкл.) Когда переключатель отключен, то он отображён тёмно-серым. Если же включен, то оранжевым.

Рис 4. Переключатели в программе Zbrush

Слайдеры (Sliders) позволяют устанавливать требуемое значение того или иного параметра. Текущее значение отображается в виде цифр рядом с названием слайдера, а маленький индикатор снизу -- где это значение находится в пределах диапазона его изменения. Минимальное значение -- влево, максимальное -- вправо.

Рис 5. Слайдеры в программе Zbrush

Палитра Tool содержит уникальный набор инструментов, с помощью которых вы можете рисовать или менять пиксоли на холсте. Инструменты из этой палитры делятся на три категории: Pixol-adding brushes -- Это художественные кисти, которые добавляют пиксоли к холсту, когда Вы ими рисуете. Pixol-changing Brushes -- Это тоже кисти, но они применяются к пиксолям, уже имеющимся на холсте. Например, Snake Hook может вытянуть пиксоли в завиток, а Shading Enhancer (усилитель тени) может подчеркнуть яркие или тёмные части вашей сцены. Objects Здесь находятся готовые 3d-объекты. Они могут быть нарисованы на холсте, а потом изменены на уровне полигонов. Для их перемещения используется гироскоп.

Рис 6. Палитра Tool

Глава II. Практическая часть моделирования высокополигонального персонажа в среде Zbrush

2.1 Процесс создания заготовки модели в программе Zbrush

Процесс создания трехмерной модели в Zbrush начинается с разработки заготовки из которой позже будет создана модель.(рис. 7)

Рис 7. Сфера в Zbrush(Заготовка модели)

Но обычная сфера в большинстве случаев не походит для сложных моделей, для их моделирования используют так называемые Zspher (рис.8)

Рис 8. Заготовка составленная из Zshper(Заготовка модели)

Следующим шагом преобразуем созданную заготовку ч помощью алгоритма сглаживания Adaptive Skin(рис. 9)



Рис 9. Заготовка после применения алгоритма Adaptive Skin

После применения алгоритма сглаживания у нас получилась фигура, созданная из прямоугольных полигонов и узлов (vertex), которую мы можем начать преобразовывать в задуманную модель.

2.2 Скульптинг основной формы модели на низком уровне детализации

В Zbrush есть специальные инструменты деформации, благодаря которым в этой программе и удобно моделировать высокополигональные объекты (рис. 10)

Рис 10. Заготовка после применения алгоритма Adaptive Skin

Выбираем инструмент деформации и создаем форму нашего персонажа, пытаясь как можно точнее передать ее на низком уровне детализации. Затем добавляем детали у нашему персонажу.

Рис 11. Форма созданного персонажа

Рис 12. Форма созданного персонажа

2.3 Добавление деталей к созданной модели

С помощью инструментов деформации добавляем большую детализацию к персонажу (рис. 13)

Рис 13. Форма созданного персонажа

Рис 14. форма созданного персонажа

2.4 Завершающий этап моделирования. Добавления мелких деталей

Окончательно формируем форму модели, добавляем мелкие детали, подготавливаем модель к экспорту в программу 3ds max (рис.15).

Рис 15. Окончательная модель персонажа.

2.5 Наложение материалов на трехмерную модель. Процесс рендеринга изображения

В программе 3 ds max накладываем материалы и рендерим изображение (рис. 16)

Рис 16. Окончательная отренеренная модель персонаж

Заключение

Высококачественные фотореалистичные 3D модели - противоположность игровым 3D моделям. Высокополигональные модели практически не отличаются от фотографий и при этом имеют ряд преимуществ. При создании изображений hi-poly (сокр. от англ. high polygonal) используют большое количество полигонов -- двухмерных многоугольников, из которых и составляется каркас поверхности трехмерного объекта. Современную игровую индустрию и киноиндустрию невозможно представить без трехмерных моделей высокого качества, которые зачастую сложно отличить от фотографии.

Поэтому я считаю, что изучение трехмерных технологий необходимо, что продуктивно и качественно создавать медиаконтент.

Список литературы

1. Ларкинс М. Самоучитель по программе Maya / Ларкинс М. - Эксмо : 2005 - 565 с.

2. Интернет портал по компьютерному искусству: [Электронный ресурс] / Уроки // Уроки Zbrush : сетевой журн. 2011. URL : http://www.render.ru/ (19.12.2011).

3. Интернет портал уроков по компьютерному искусству [Электронный ресурс] /Уроки Zbrush: сетевой журн. 2011. URL: http://videotuts.ru/zbrush/ (19.12.2011).

4. Интернет портал компьютерного дизайна: [Электронный ресурс] /Уроки и видеоуроки: сетевой журн. 2011. URL : http://allday.ru/ (19.12.2011).

5. Интернет энциклопедия: [Электронный ресурс] /Статьи: Справочник. 2011. URL : http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница (19.12.2011).

Размещено на Allbest.ru