fNTjD2JXvR

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.Ю. КОРОЛЕВА

ОСНОВЫ ГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ТРЕХМЕРНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СРЕДАХ

(3 DS MAX)

Учебно-методическое пособие

МУРМАНСК

2009

2

УДК 004.4’275 (075.8)

ББК 32.973.26-018.2я73 К68

Печатается по решению редакционно-издательского совета Мурманского государственного педагогического университета

Рецензенты: О.И. Ляш, ст.преподаватель кафедры информатики и ОТД, (МГПУ);

Т.Н. Ашутова, ст. преподаватель кафедры ИС и ПМ (МГТУ).

Королева Н.Ю.

Основы графического моделирования в трехмерных компьютерных средах (3 DS MAX): Учебно-методическое пособие. – Мурманск МГПУ, 2009. –

112с.

Впоследнее время сильно возрос интерес к трехмерной компьютерной графике, что связано с широким применением этого вида моделирования, как в средствах массовой информации, так и с распространением современных программных 3D-продуктов (рекламных роликов, клипов, игр).

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальности «Информатика» и всех желающих освоить азы современного графического моделирования.

Пособие содержит теоретический материал и лабораторные работы в среде

3DS MAX (ранее 3D STUDIO MAX) и может быть использован при освоении студентами факультатива или курса по выбору «Графическое моделирование в трехмерных компьютерных средах».

Печатается в авторской редакции

3

СОДЕРЖАНИЕ

4

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Отрасль компьютерной графики, занимающаяся моделированием реальных предметов и явлений, возникла в 70-х годах. В 80-х она уже моделировала природные и созданные человеком объекты, а с конца 80-х начала показывать человеку не только его нынешние достижения, но и то, что еще не создано.

Все успешнее становятся попытки создания высоко реалистичных компьютерных изображений: создание фантастических существ, спецэффектов и парадоксальных объектов. Массивный гаечный ключ, который вопреки всем своим свойствам сворачивается словно резиновый. Наш разум отказывается принять такое, но, в тоже время, мы видим, что ключ объемен, отбрасывает тень и даже поблескивает своей металлической поверхностью в скрученном состоянии, не давая усомниться в своей достоверности. Такой объект можно назвать модным словом «виртуальный», но с вымышленными свойствами, фантастичность которых ограничивается воображением создателя.

3 DS MAX (3D Studio MAX) – наиболее распространенный программный комплекс, предназначенный для трехмерной компьютерной графики и анимации.

Программно-аппаратные требования программы. Версия пакета

(начиная с версии 7.0) достаточно требовательна к системным ресурсам. Минимальной конфигурацией ПК является:

процессор с частотой не менее 500 Мгц; 512 Мб оперативной памяти и 500 Мб свободного пространства на жестком диске для временных файлов;

графическая карта (1024х768, 16-бит цвет);

Требования к программному обеспечению: ОС Windows XP; браузер

Internet Explorer.

Основными областями применения программы являются:

архитектурное моделирование и конструирование интерьеров; подготовка рекламных и научно-популярных роликов для телевидения; компьютерная мультипликация и съемка игровых фильмов с фантастическими сюжетами; разработка компьютерных игр; подготовка иллюстраций; художественная компьютерная графика; досуг и развитие пространственного воображения; судебная экспертиза; проектирование различных сложных в техническом отношении объектов; моделирование объектов, процессов.

Возможности программы

-моделирование трехмерных объектов произвольной геометрической формы, включая объекты природного происхождения (тела животных, деревья, поверхность взволнованной воды);

6

-имитация физических свойств материалов объектов (шероховатость, блеск, прозрачность, свечение), явлений многократного зеркального отражения и преломления световых лучей, атмосферных явлений (дым, туман, снег, пламя);

-визуализация моделируемых объектов на реальном фотографическом фоне с тенями, отбрасываемыми на этот фон;

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

-реализация различных способов управления перемещением объектов в процессе анимации, обеспечивающие возможность достоверной имитации самых разных типов движений;

-создание связанных иерархических цепочек и их анимации, когда движение одного объекта вызывает согласованные перемещения всех остальных объектов цепочки;

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

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

-применение различных фильтров к синтезированным изображениям, включая имитацию свойств объективов (глубина резкости, блики линз).

Компьютерный мультфильм – конечный продукт работы, которому предшествует работа с программой, напоминающая работу на съемочной площадке, где помимо актеров, освещения, камер и декораций, присутствуют мастерские для изготовления всего того, что может потребоваться.

Универсальная съемочная площадка в МАХ называется трехмерной сценой (3D-сценой). Она включает в себя видимые через камеру трехмерные объекты из каких-либо материалов, свет, фон и всевозможные эффекты, которые варьируются в зависимости от поставленной задачи.

Последовательность создания компьютерного фильма (клипа)

1.Предварительная подготовка, когда продумывается состав сцены, предусматриваются все объекты и их детали, которые будут видны с предполагаемых направлений наблюдения.

2.Создание геометрической модели сцены. На этом этапе строятся трехмерные геометрические модели объектов сцены. Для всех объектов, создаваемых в программе, моделируется пространство с тремя координатами: X, Y, Z. МАХ предоставляет пользователю достаточно обширный ряд методов для моделирования трехмерных объектов:

- моделирование на основе сплайнов.

- моделирование на основе сеток с многоугольными ячейками (или многоугольников).

7

-параметрическое моделирование.

-моделирование на основе кусков поверхностей Безье.

-моделирование на основе неоднородных рациональных В-сплайнов

(NURBS).

3. На этапе Настройки освещения и съемочных камер

устанавливаются и настаиваются модели источников света и съемочных камер. После создания различных объектов сцены надо установить источники света и «взглянуть» на нее с более конкретной точки с помощью виртуальной камеры. Правильный подбор источников света позволяет выполнять имитацию фотографирования сцены в любых условиях освещенности, при этом освещенность всех объектов, отбрасываемые тени и блики света рассчитываются программой автоматически. Модели съемочных камер дают возможность осматривать и выполнять съемку сцены под любым выбранным углом зрения.

МАХ автоматически создает два принятых по умолчанию источника света, чтобы освещать сцену, до тех пор, пока пользователем не будет установлено и настроено собственное освещение.

Камеры в МАХ – не визуализируемые объекты, которые можно разместить где угодно в составе сцены. Они действуют подобно реальным фотоили видеокамерам, обеспечивая регистрацию изображения сцены с выбранной точки с возможностью корректировки или анимации отдельных параметров. Для наблюдения сцены «через объектив» достаточно установить камеру в нужном месте и переключить одно из окон проекций на окно камеры. Как и реальные съемочные камеры, камеры в МАХ снабжены средствами настройки различных параметров (фокусное расстояние, поле зрения и др.).

Анимация неподвижной сцены состоит в том, чтобы, рассчитав время и, перемещаясь по шкале кадров, изменить положение или свойства объектов в соответствии с задуманным движением. МАХ, имея начальное

иконечное положение или состояние объекта и время, отведенное для процесса, рассчитает все промежуточные положения или состояния объекта. Каждое изменение называется «ключом». Анимировать можно все, МАХ позволяет применять анимацию практически ко всему: перемещение и изменение объектов, их частей; источникам света, камерам

идаже материалам, присвоенных объектам.

Вспециальном программном модуле Просмотр треков (Track View) отображаются все изменения объектов и их характер. «Трек-лист»

автоматически составляется для каждого объекта и обновляется в соответствии с действиями пользователя.

4. Подготовка и назначение материалов объектам сцены. В это время производится работа, обеспечивающая сцене визуального правдоподобие, приближающего качество изображения к реальной

8

фотографии. Возможности программы огромны как по использованию готовых материалов из библиотек, так и по созданию своих материалов. Работая с материалами, можно настраивать такие их свойства, как сила блеска, прозрачность, самосвечение, зеркальность, рельефность, возможно использование фотографий реальных объектов.

5. Визуализация сцены. После того, как материалы подобраны и назначены объектам, выполняется формирование ее изображения.

Визуализация (Rendering) – процесс интерпретации (расчета положения) всех объектов сцены в контексте падающего на них освещения, атмосферы, материалов поверхностей и направления наблюдения для получения итогового изображения.

Результат визуализации может представлять собой отдельный снимок сцены или кадр анимационной последовательности, последовательность статических изображений или видеопоследовательность (клип), которые затем можно вывести на носитель цифровой записи. Данный процесс, в зависимости от сложности сцены и используемых эффектов (например, туман, горение, освещение и др.), а так же быстродействия компьютера может быть достаточно продолжительным. МАХ для сокращения времени процесса использует различные уровни качества визуализации.

Например, формат .avi – предназначен для записи цифровых видеосигналов, которые можно воспроизвести с помощью универсального проигрывателя Media Player ОС Windows.

Если анимация визуализирована в отдельные файлы точечной графики и нужно «смонтировать» фильм в файл итогового формата и/или добавить разнообразные внешние (атмосферные) эффекты в изображение сцены, то можно воспользоваться модулем Video Post (VP, Видеомонтаж), посредством которого можно осуществлять фильтрацию изображений сцены или объединять кадры в графические композиции. Программный модуль VP предназначен для применения специальных визуальных графических эффектов к различным частям трехмерной сцены (размывание, блики, сияние, светящиеся ореолы), когда изображение сцены уже сформировано.

Для желающих освоить азы современной компьютерной графики в трехмерных средах и предназначено данное пособие. В него включены некоторые теоретические сведения, как общего характера, так и дополнительные частные, прилагаемые к каждой лабораторной работе.

Каждая лабораторная работа направлена на освоение определенного способа моделирования трехмерных объектов (сцены) или эффекта, и, как правило, основывается на опыте предыдущих работ.

9

Данное пособие может быть полезно не только студентам – будущим учителям информатики, но и всем, кто интересуется такой областью современных информационных технологий, как трехмерная графика.

10

ИНТЕРФЕЙС СРЕДЫ 3D STUDIO MAX

Интерфейс программы – стандартный для Windows, достаточно гибкий и обеспечивает производительную работу.

Окно среды содержит строку заголовка, основное меню, панели инструментов: сверху – стандартная, сбоку – командные (рабочие) и область свитков, вид которых зависит от решаемой задачи.

льшую часть окна занимает рабочая область, представленная по умолчанию 4 окнами проекций: Top (Вид сверху), Front (Вид спереди), Left

(Вид слева), Perspective (Перспектива).

Нестандартные элементы управления объектами

Подвижная панель – ее длина превышает длину Главного окна MAX. Ее можно передвинуть мышью перетаскиванием за свободное от кнопок место, когда курсор принимает форму руки (режим перемещения панели).

Список кнопок (альтернативные кнопки) – при нажатии на кнопку со списком (правый нижний уголок затемнен) можно выбрать нужное значение. Рисунок на кнопке и ее метка изменяются в соответствии с выбранным режимом.

Модальные кнопки – для их выключения надо щелкнуть не на ней, а на другой кнопке (например, кнопка управления выделением объектов).

ГЛАВНОЕ МЕНЮ Пункт Меню File (Файл)

Данный пункт меню предлагает следующий набор функций.

New (Новый) создает новый файл-сцену. Причем программа запросит, хотите ли вы оставить старые объекты (Keep objects) или создать все новое (New all).

Reset (Сброс) сбросит все текущие настройки, закрыв текущую сцену. Перед этим программа запросит подтверждение.

Open (Открыть), Save (Сохранить) и Save As...(Сохранить как)

откроют существующую и сохранят текущую сцену.

Open Recent (Открыть последнюю) выдает список сцен, над которыми проводилась работа в последнее время.

Save Copy as (Сохранить копию как) сохраняет копию сцены на данном этапе под другим именем.

Xref Objects / Scenes – совмещение объектов / сцен из разных файлов с помощью ссылок.