Информационные технологии (анимация в 3ds Max). Учебно-методическое пособие

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

П. В. Хохлов, В. Н. Хохлова

Информационные технологии (анимация в 3ds Max)

Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2023

УДК 004.928(075.8)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент к.т.н., доцент кафедры РТУиТБ СибГУТИ И.И. Павлов

Хохлов, П. В. Информационные технологии (анимация в 3ds Max) : учеб- но-методическое пособие / П. В. Хохлов, В. Н. Хохлова ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра систем автоматизированного проектирования. – Новосибирск, 2023. – 23 с.

В данном учебно-методическом пособии представлены лабораторные работы для практического освоения навыков создания 3D-анимации в программе 3ds Max. Задания основаны на очных и видео-лекциях, представленных преподавателями.

Учебное пособие предназначено для бакалавров и магистров направления 09.03.02 Информационные системы и технологии», профиль – Информационные технологии в медиаиндустрии, для дисциплин «Информационные технологии» и «Технологии трёхмерной анимации».

©Хохлов П.В., Хохлова В.Н., 2023

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2023

2

3

Лабораторная работа №1 «Вспомогательные объекты управления моделями. Иерархические связи. Роль опорной точки»

Лабораторная работа №2 «Обратная и прямая кинематика. Создание виртуального скелета. Блокировка перемещения и вращения объектов при создании анимированного персонажа»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научиться оптимизировать модели под элементы управления. Изучить правила создания иерархических связей. Освоить работу с групповым переименованием. Научиться использовать вспомогательные объекты как элементы управления геометрией модели. Изучить принципы работы прямой и обратной кинематики. Изучить принципы создания виртуального скелета.

ЗАДАНИЕ НА ЛР

Задание для лабораторной работы №1:

1.Оптимизировать модели под элементы управления.

2.Уменьшить количество полигонов до оптимального и подготовить модель под сглаживание.

3.Распределить объекты модели по слоям с уникальными именами.

4.Назначить всем объектам модели уникальные имена.

Задание для лабораторной работы №2:

1.Создать виртуальный скелет для квадрокоптера.

2.Используя вспомогательные элементы, задать иерархические связи между объектами модели (управление вращением винта, поворот камеры, наклон камеры и т.д.). В работе добавить вспомогательный элемент для управления любой частью коптера.

3.Используя прямую кинематику, распределить взаимное действие вспомогательных объектов для коптера.

4.Ограничить перемещение и вращение объектам модели.

5.В отчёте письменно ответить на вопросы ниже.

Дополнительные баллы (0-2):

1.Используя прямую и инверсную кинематику, распределить взаимное действие вспомогательных объектов и костей для роборуки.

2.Ограничить вращение костей в определенных направлениях.

3.Решить задачу отделения кисти от руки.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1)Назначение иерархических связей?

2)По каким признакам лучше всего делить модель на слои?

3)Может ли модель состоять из одного объекта?

4)Какие объекты модели можно объединить в один объект, а какие нельзя?

5)Для каких целей нужны вспомогательные объекты при создании модели для анимации?

6)Какие особенности есть при работе с системами координатных осей при создании анимированной модели?

7)Какую предварительную подготовку важно сделать с полигональной моделью до начала навешивания скелета?

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Определения

Трехмерная (3D-) анимация – это автоматизация перемещения и трансформаций трехмерной модели в пространстве с течением времени.

4

Трехмерная модель – трехмерный объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса. Трехмерная модель состоит из объектов.

Иерархия – порядок подчинения одних объектов другим. Где младшие (дочерние) подчиняются старшим (родительским).

Прямая кинематика (FK – Forward Kinematics) представляет собой движение дочерних объектов относительно родительских. Прямая кинематика – установленная зависимость между элементами, где влияние распространяется строго от старших (родительских) к младшим (дочерним). Таким образом, дочерние не могут влиять на родительские.

Инверсная кинематика – установленная зависимость между элементами, где влияние распространяется не только от старших (родительских) к младшим (дочерним), но и от младших к старшим. При этом дочерние не в полной мере могут влиять на родительские. Влияние можно выразить в процентной (доля влияния) мере.

Вспомогательные элементы – элементы сцены (точка, пустышка, формы), не отображаемые при визуализации, но играющие важную роль при создании анимированного объекта.

Виртуальный скелет (скелет) представляет собой как правило древообразную структуру костей, в которой каждая последующая кость «привязана» к предыдущей, то есть повторяет за ней движения и повороты с учётом иерархии в скелете. Роль костей могут выполнять и вспомогательные объекты.

Блокинг (в анимации) – совокупность наиболее важных поз, которая создается для дальнейшего анимирования объекта.

Слой – это набор объектов, объединенных для их совместного управления их свойствами (видимость, выделение, заморозка и т.д.).

Перевод на русский язык основных инструментов и параметров

Окно просмотра схем связей (Schematic Viewer), групповое переименование (SelectionSet), модификатор форматирования параметров (масштаб и поворот) объекта

(XForm).

Утилита форматирования параметров (масштаб и поворот) объекта (ResetXform), опорная точка (PivotPoint), обратная кинематика (HISolver), кость (Bone), вспомогательный объект точка (Point).

Пример оформления рисунка с элементами управления и элементами виртуального скелета

Все объекты модели, вспомогательные объекты, кости, должны быть подписаны, вид и назначение – как показано на рисунке 1.

5

а) б)

Рисунок 1 – Модель летающего робота: а) в режиме отображения геометрии модели с полигональной сеткой, с виртуальным скелетом и с элементами управления; б) в режиме отображения скелета

Ниже указаны шаблоны имён файлов:

Пример файла сцены: ХХ-РИ-00-ИТ-ЛР(1,2)-Фамилия Имя.max. Пример версии файла: ХХ-РИ-00-ИТ-ЛР(1,2)-Фамилия Имя (v02).max.

Пример файла отчета: ХХ-РИ-00-ИТ-ЛР(1,2)-Фамилия Имя (отчет 01).docx,

где ХХ – порядковый номер варианта (для чисел меньше 10 с нулём перед числом), 00 – порядковый номер версии файла.

6

Лабораторная работа №3 «Основные контроллеры и ограничители» Лабораторная работа №4 «Создание связей через параметры объекта»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научиться создавать и настраивать основные контроллеры и ограничители. Изучить правила создания связей через параметры объектов. Вспомнить основные математические функции.

ЗАДАНИЕ НА ЛР

Задание для лабораторной работы №3:

1.Используя контроллеры, вспомогательные элементы и формы, создать элементы риггинга для управления поворотом и наклоном камеры.

2.Настроить покачивание коптера с помощью контроллеров.

3.Создать элемент управления наклоном коптера по трем степеням свободы.

Задание для лабораторной работы №4:

1.Используя связи параметров, подключить элемент управления поворотом камеры.

2.Используя модификатор буфера атрибутов (Attribute Holder), настроить параметры управления и наклона камеры, управление скоростью вентиляторов, управление наклоном и поворотом коптера.

3.Настроить управление покачиванием коптера (коптер должен иметь возможность полностью останавливаться, управление должно быть как по амплитуде отклонения, так и по частоте).

4.Выставить все иерархические связи, распределить все дополнительные объекты по слоям

и назначить всем объектам уникальные имена.

Пример описания связей через параметры объекта: Для управления скоростью вращения винтов нужно связать позицию по Х для VINT_RIGG с осью вращения по Y через инструмент скрепления параметров (Wire Parameters) с корректирующим выражением – Y_Rotation*2 для VINT1. Выражение необходимо для увеличения скорости вращения вентилятора в два раза и для вращения его против часовой стрелки.

Дополнительные баллы (0-2):

Используя полученные знания, создать дополнительный инструмент управления коптером.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1)По каким признакам можно понять, что модель не подходит в качестве анимированной?

2)Для чего необходимо применять элементы управления виртуальным скелетом?

3)Можно ли задавать несколько функций для программируемого контроллера на основе математических выражений (Float Expression)?

4)Можно ли использовать несколько контроллеров для одного параметра объекта?

5)Можно ли использовать выражения при создании связей через параметры объектов?

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Пример оформления рисунка и шаблоны имён файлов приведены в методических указаниях к ЛР1-2.

Определения

Трехмерная (3D-) анимация – это автоматизация перемещения и трансформаций трехмерной модели в пространстве с течением времени.

Контроллер анимации – инструмент ограничения параметров объекта.

7

Риггинг (rigging, animation setup, анимационный сетап). В трехмерной анимации – это процесс подготовки персонажа к анимации, включающий создание и размещение внутри трёхмерной модели рига (от англ. Rig – оснастка), виртуального "скелета" – набора "костей" или "суставов" (bones, joints), установления иерархической зависимости между ними и значений возможных трансформаций для каждой из этих костей. Создание элементов управления виртуальным скелетом.

Скелетная анимация – анимация, реализованная посредством вспомогательных управляющих элементов костей. Управляющие элементы напоминают скелет, или строение, марионетки.

Ключевые кадры (Frame, F) – кадры, показывающие текущее состояние или изменение свойств объекта.

Кадр (или фаза движения) – статичное состояние (размер, положение, поворот и т.п.) и свойства (яркость, цвет, отражение и т.п.) анимированного объекта.

Параметры объекта – это совокупность свойств геометрического объекта, влияющих на положение модели, масштаб, поворот, свойства материала и т.п.

Перевод на русский язык основных инструментов и параметров

Программируемый контроллер на основе математических выражений

(Float Expression), контроллер случайного шума (Noise Float).

Инструмент создания связей через параметры объектов (Wire Parameters) или скрепления параметров (Wire Parameters).

Модификатор буфера атрибутов (Attribute Holder), контроллер (как ограничитель движения только по пути) перемещения объекта вдоль пути (Path Constraint), ограничитель вращения (Orientation Constraint), контроллер списка контроллеров (Function List), назначить контроллер (Assign Controller)

8

Лабораторная работа №5 «Морфинг. Симуляция ткани»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить основные принципы работы и правила использования модификатора морфинг (Morpher) в программной среде Autodesk 3D Studio Max. Изучить симуляцию ткани (Cloth) и особенности взаимодействия ткани с другими объектами.

ЗАДАНИЕ

1.Рассмотреть основные параметры и принципы работы модификатора морфинг (Morpher) на примере произвольного объекта, содержащего в списке каналов как минимум два других объекта для преобразования.

2.На примере изогнутого цилиндра с помощью модификатора морфинг (Morpher) добавить в список каналов копии этого объекта с различным значением уровня сгиба.

3.Создать плоскую полигональную модель цифры 1, затем посредством модификатора морфинг (Morpher) преобразовать её в цифру, которая является последней цифрой вашего варианта. Для тех, у кого последней цифрой варианта является единица, нужно плоскую полигональную модель восклицательного знака преобразовать в вопросительный. Добавить модификаторы для преобразования плоского полигонального объекта в объёмный. В результате морфинга не должно быть вывернутых и пересекающих друг друга полигонов.

4.Изучить основные параметры и принципы работы модификатора для симуляции тка-

ни (Cloth).

5.Рассмотреть поведение ткани, симулированной на основе плоскости (Plane), при взаимодействии с примитивами (сфера, параллелепипед, параллелепипед с фаской).

6.Создать полигональный объект (по примеру в видеолекции) для преобразования в объект подушки с применением модификатора симуляции ткани (Cloth) с настраиваемым параметром внутреннего давления (Pressure).

7.Использовать мягкое выделение для реалистичной деформации формы подушки.

8.Настроить морфинг с помощью модификатора преобразования заготовки под симуляцию ткани на основе двух клонов: 1) подушки с деформациями, созданными мягким выделением и 2) подушки, полученной из примитива путем симуляции ткани.

9.Рисунки, изображающие процесс симуляции, оформить и подписать, образец ниже.

10.Можно заработать дополнительный балл, если выполнить задание из видеолекции.

ПРИМЕР ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССА СИМУЛЯЦИИ В ВИДЕ РИСУНКА

В тексте нужно привести лаконичное словесное описание симуляции и ссылку на рисунок, изображающий процесс симуляции ткани.

а) б) в)

Рисунок 2 – Создание модели подушки путем симуляции с помощью модификатора ткани (Cloth) с применением объектов столкновения, ограничивающих её снизу и сверху: а) геометрия объ-

екта до симуляции; б) геометрия объекта после симуляции; в) результат симуляции без объектов столкновения

9

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1)Можно ли с помощью симулятора ткани (Cloth) симулировать другие материалы. Если да, то какие?

2)Как топология влияет на симулятор ткани (Cloth)?

3)В каких случаях число полигонов при симуляции ткани играет важную роль и в чем это выражается?

4)Могут ли две ткани взаимодействовать друг с другом?

5)Влияет ли топология на морфинг? Если да, то каким образом?

6)Может ли клон для морфинга быть объектом, сделанным как результат действия нескольких модификаторов? Например, цилиндром, изогнутым двумя модификаторами изгиба (Bend)? Если да, то какие требования к этому клону должны быть применены?

7)Как плотность полигонов может влиять на конечный результат симуляции ткани?

10