ГЛАВА 1. Общие понятия, обзор программ, анализ 3D моделирования оружия.
1.1 Общие понятия.
3D моделирование - это процесс создания трехмерной модели объекта.
Задача 3D моделирования: разработать визуальное объемное изображение желаемого объекта. В этом случае изображение может быть, как копией готового объекта, так и разработанным с нуля.
Для создания трехмерной графики необходимо знать местоположение объекта, которое определяется системой координат. Основная из них - декартова система координат.
В трехмерной системе координат 3D-трехмерные оси обозначаются как X, Y, Z, причем ось Z перпендикулярна плоскости XY. Ориентация оси Z может отличаться в разных программах.
Расположение объектов, выраженное относительно системы координат XYZ, называется мировой системой координат.
Существует несколько подходов к созданию объемного изображения:
1. От плоскости к объёму (когда рисуют плоский объект и для создания трёхмерного образа рассматривают объект с различных сторон также на плоскости, пример — чертежи).
2. От объёма к плоскости (в нём изначально создаётся трёхмерный образ и для получения серии плоских картинок делают снимки этого трёхмерного объекта с различных ракурсов, положений и т. д. Принцип реализуется в 3Ds Max, Cinema).
Самый распространенный способ создания 3D-объектов - рисовать фигуры из сетки полигонов. Полигон характеризуется вершинами, ребрами, гранями. Объект, состоящий из множества полигонов, представляет собой полигональную сетку, отображение которой может быть полным или неполным.
Полигональные сетки могут быть построены из треугольников или прямоугольников. Поверхность сетки определяется с помощью дополнительных атрибутов. Атрибуты поверхности могут быть простыми (сплошной цвет) или сложными (глянцевый цвет). Поверхность также может быть представлена с помощью одного или нескольких растровых изображений, которые называются текстурными картами (текстурами).
В совокупности свойства поверхности называются материалами. Наличие одного или нескольких источников света позволяет представить объект более естественным образом. Пространства с предметом и источниками света называются световыми сценами.
Поскольку полигональные сетки строятся на основе координат их вершин, преобразование объектов осуществляется без отдельного рисования каждой из его вершин с помощью матриц, позволяющих изменять размер объектов, их поворот и перемещение без фактического изменения значений на его вершине.
Каждая сцена для рисования обладает точкой просмотра, которая визуализируется с помощью камер.
Шейдер — это программа, выполняемая на графическом процессоре в процессе обработки кадра. Используется для определения окончательных параметров объекта или изображения. Он может включать описание поглощения или рассеяния света, наложение текстуры, смещения поверхности и т.д. Например, шейдеры можно использовать для рисования поверхности кирпичной кладки на полностью плоской поверхности.
3D-модель обладает следующими свойствами:
• фотографическая точность (3D-модели позволяют воссоздать объект моделирования с фотографической точностью и при необходимости внести определенные коррективы в созданную 3D-модель);
• постоянство и неизменность качеств модели во времени;
• эргономичность (возможность просмотра 3D-модели возможна под любым углом, что не всегда доступно в музеях);
• вариативность (существует довольно много различных инструментов, позволяющих проектировать и создавать 3D-модели как утерянных, так и существующих экспонатов. Причем их количество растет с развитием информационных и коммуникационных технологий);
• многоуровневая сложность создания (разнообразное программное обеспечение, позволяющее моделировать объекты виртуальной реальности, позволяющее работать с 3D графикой специалистам любого уровня подготовки);
• дублирование (3D модели не зависят от конкретного места хранения, одна модель может использоваться много раз одновременно);
• материальное воплощение (развитие технологий 3D-печати позволяет многократно печатать объемные модели).
1.2 Обзор программ
На данный момент наиболее известными программными продуктами для проектирования и создания 3D-моделей являются:
1. Autodesk Maya - эта программа отлично подходит для создания анимации и моделирования 3D-персонажей. Долгое время она была одним из основных конкурентов на рынке 3D-моделирования.
Maya непросто освоить, но чрезвычайно проста в использовании. Чтобы понять ее, вам нужно будет потратить огромное количество времени на изучение.
Платформа заинтересована в исполнении качественной трехмерной графики. В ней допускаются все этапы прохождения 3D начиная моделированием, заканчивая текстурированием. Ее возможности четко анимировать физику твердых и мягких тел позволяют передавать неподдельную детализацию объекта. Например, настройка прически персонажей, анимация волос, расчет поведения тканей и т.д.
В представлении качественных трехмерных объектов с помощью виртуальной кисти незаменимую роль играет модуль Paint Effects. Именно он предоставляет возможность сделать объемные узоры, виртуальную растительность, природу, цветы и т.д.
Преимущество в ее широком спектре возможностей. За счет достойного качества программу используют для фотореалистичных пейзажей, производство анимированных персонажей. Системные требования высоки, это следует учитывать при установке и использовании.
Плюсы Maya 3D:
• Наиболее важным является доступность программы для студентов. Имеется бесплатная версия, а также обучения в работе. Помимо них, любой желающий может попробовать свои силы в освоении.
• Отельный пакет для создания VFX-эффектов, достойных блокбастеров.
• Учитывая разновидность операционных систем, разрешенная программа имеет доступ на платформах Windows, macOS, Linux.
• Большой выбор визуальных спецэффектов.
• Передача динамики твердых и мягких тел.
• Возможность высококачественной прорисовки мельчайших деталей.
Минусы Maya 3D:
• Отсутствие русскоязычной версии.
• Пробная версия длится всего 30 дней. После придется приобретать лицензию.
• Системные требования достаточно велики.
• Нет возможности поддержания работы с 32-разрядными системами.
2. 3ds Max - Это одна из самых первых программ данного назначения, и она же самая популярная. Выпускается компанией Autodesk с 1996 года, и за десятилетия достигла больших высот. На сегодняшний день это, пожалуй, лучшая программа для 3D моделирования, с очень богатым функционалом. Всё, что только захочется, в ней можно сделать – объёмные модели, в том числе людей, волосы, траву, ткань, есть встроенная физика и кинематика, система частиц, легко построить анимацию и получить видеоролик. Для 3D Max уже создали много плагинов, разработали готовые 3D - модели, отсняли миллионы обучающих видео. Программа универсальна, и предназначена для работы в различных областях, начиная от дизайна и архитектуры, заканчивая мультипликацией. В программе есть возможность настроить освещение трехмерной сцены, и также благодаря наличию фотореалистичного визуализатора можно достигнуть высокой правдоподобности (реалистичности).
Интерфейс 3D Max выглядит сложным, но прост в его понимании. Ведь за годы существования программы создано множество учебников, видеоуроков, есть целые сообщества, посвящённые ей. Кроме того, разработано множество расширений, библиотек и готовых моделей, которые можно запросто скачать и использовать.
Плюсы 3D max:
• Великолепная совместимость с V-ray. Он является лидером в области архитектурной визуализации.
• Имеется огромная база готовых 3D-моделей.
• Поддержка всех существующих плагинов.
• Имеются бонусы: облачное хранилище и открытый исходный код API.
• Многоканальный трекинг.
• Технологии Skinning.
• Физическая камера.
• Рабочий процесс, интерфейс и конвейер настраиваемые.
• Библиотека активов.
• Прямая ссылка с игровым движком Stingray.
• Поддержка дисплея с высоким разрешением.
Минусы 3D max:
• Слабый рендер.
• Бесплатная программа может решить лишь обычные проблемы на бытовом уровне, не больше. Для профессионального использования приходится платить. Цена достаточно высокая.
• Платформа не обладает возможностью вытягивать чертежи.
• Отсутствие русскоязычной версии.
• Высокие требования: компьютер должен обладать мощностью.
• Навыки и знания необходимы для качественного усвоения, так как программа действительно сложная.
3. Blender - это довольно легкая и простая платформа для создания 3D-моделирования и анимации. Бесплатный профессиональный редактор поможет вам сэкономить бюджет на лицензию. Несмотря на это, программа предоставляет достаточный набор инструментов для реализации возможностей. Разобраться в ней не составит труда как новичкам, так и независимым разработчикам. Она активно развивается и занимает лидирующие позиции на рынке. Любой желающий имеет возможность присоединиться к работе.
Размер редактора составляет несколько сотен мегабайт, что кажется невозможным при полноценной работе всех инструментов. Пакет действительно работает с отличной производительностью. Подходит для ПК с очень слабыми конфигурациями, даже для нетбуков. Он доступен на различных операционных системах без привязки к разрядности. Пользователи, таких ОС как Windows, macOS и Linux, могут позволить себе использовать платформу.
Blender предоставляет возможность редактировать NURBS-поверхности, настраивать оснастку персонажей, в режиме реального времени просчитывать физические задачи, такие как поведение мягких тел. Также предусмотрен функционал для формирования мета сфер и управления формой при помощи булевых операций.
Имеется возможность накладывать сразу несколько текстур на один и тот же объект. Масса инструментов для текстурирования. Один из них UV-маппинг и функция частичного настраивания. Облегчает работу.
Есть встроенные средства для создания наброска кистями в окне программы. Ее используют для двухмерной анимации. В программе предусмотрен редактор видеороликов с неплохим инструментальным набором. Оснащен собственным игровым движком для создания приложения с интерактивными функциями.
Данная платформа позволяет развивать пространственное мышление, особенно это важно для школьников. Возможность создания открыток или полноценной 3D модели. Может внести вклад в определение будущей профессии.
Для более опытных программу могут использовать в качестве хобби или источник заработка. Платформа подходит для успешного создания дизайна сайтов, рекламных видеороликов, логотипов, баннеров.
В сети немало различных учебников и цифровых пособий, видео уроков от опытных пользователей, которые помогут познакомиться и освоить базу приложения.
Разработчики регулярно дорабатывают систему. Это дает программе развитие, но в то же время обновления происходят настолько часто, что приходится тратить время на изучение. Что крайне неудобно.
Blender взял для себя понемногу от других разных программ и уступает конкурентам в отдельных аспектах, несмотря на свою многофункциональность.
Плюсы Blender 3D:
• Маленький размер.
• Развитое комьюнити авторов и художников.
• Работает с 3D печатью.
• Доступность.
• Запуск программы гораздо быстрее запуска конкурентов. Моментальное реагирование на команды.
• Функциональность платформы без установления каких-либо дополнительных плагинов.
• Движок EEVEE, который позволяет в режиме реального времени просматривать структуры и наложение эффекта.
• Удобный, приятный и интуитивно понятный интерфейс.
Минусы Blender 3D:
• Не все достаточно мощные инструменты.
• Частое обновление. В результате есть необходимость привыкать заново к системе.
4. Vectary – это бесплатный онлайн-редактор 3D-объектов родом из Словакии. Это простой и доступный инструмент для художников, дизайнеров и моддеров, который содержит огромную библиотеку сцен, материалов и моделей. Вы можете создавать как свои модели, так и собирать их из пресетов – интерфейс простой. Поддерживает редактор как 3D, так и 2D, а встроенный рендер Photon позволит сделать практически фотореалистичные модели.
Программа нацелена на команды криейторов, художников и дизайнеров – моделями можно делится через Figma или ссылки. Будет полезна и новичкам для первых шагов в 3D-графике.
Что умеет Vectary:
• Создавать и редактировать полигональные модели.
• Использовать в сценах объекты из внутренней библиотеки.
• Делиться через ссылки объектами с коллегами.
• Визуализировать через мгновенный рендер или фотореалистичный Photon.
Плюсы Vectary:
• Доступность через браузер.
• Простота освоения.
Минусы Vectary:
• Не стандарт в индустрии.
• Ограниченный функционал.
5. Cinema 4D – универсальная программа для 3D моделирования, редактирования объектов и создания эффектов. Также выполняет рендеринг объектов по методу Гуро (Метод закраски, который основан на интерполяции интенсивности и известен как метод Гуро (по имени его разработчика), позволяет устранить дискретность изменения интенсивности).
Рендеры могут быть как “родные”, так и встраиваемыми непосредственно в саму программу с помощью плагинов и коннекторов.
Программа Cinema 4D впервые увидела свет в 1993 году, выпущена была на платформе Amiga сначала для MacOs, а в 1996 году для Windows.
С момента выпуска программа обновляется каждый год. Стабильность и быстрота обусловлены тесной связью с производителями оборудования, такими как Intel и Apple. Это же и гарантирует оптимизацию продукта без особых трудностей.
Основные возможности и функции программы:
Совмещение различных типов моделирования (полигональное, сплайны, модификаторы).
Быстрое переключение между вершинами, ребрами, поверхностями и объектами. Это облегчает работу со всеми типами редактирования.
Имеются дополнительные модули со специализированными инструментами. Можно подобрать версию программы с нужным пользователю инструментарием.
Можно ставить сторонние визуализаторы на основную версию программы.
Большой выбор сложных шейдеров и файлов изображений, анимации уже созданных как шаблоны.
Клонирование объектов позволит создавать сложные анимации на несколько объектов в пару кликов
С помощью MoDynamics можно создать фотореалистичные имитации различных физических эффектов, например, трение, столкновение или сила тяжести.
Глубокое освещение помогает создавать правдоподобный свет, блики и тому подобное для придания объектам реалистичности.
Интеграция Substance Engine – это параметрические материалы, совместимые с большинством трёхмерных приложений и игровых движков. Скачайте подготовленные материалы Substance и используйте их для настройки поверхности объектов в Cinema 4D. Эта полностью встроенная система предоставляет первоклассный гибкий рабочий процесс и опции для кеширования материалов Substance на жёсткий диск для улучшения производительности.
Основные достоинства программы:
• Универсальность. Для пользователей, которые хотят заниматься анимацией, моделированием, визуализацией очень важно иметь редактор, который все это в себя вместит. В Cinema 4D есть модули для рисования, для “лепки”, то есть весь процесс можно воспроизвести, не загружая дополнительный контент.
• Быстрый рендер. Даже на 32 битной Windows он грузится очень быстро.
• Лаконичный и понятный интерфейс. Впервые открыв программу, у вас не уйдет много времени, чтобы в ней разобраться и начать работу.
• Русская локализация. Она уже встроена, поэтому у русскоговорящих пользователей не будет проблем.
• Умеренные цены. За все пакеты и модули в общей сумме пользователь отдаст 30.000 рублей. По меркам современного рынка это совсем не дорого.
• Активное сообщество пользователей, которое постоянно постит видеоуроки и пошаговые инструкции для новичков.
• Обширная библиотека шаблонов. В неё входят объекты, материалы и сцены, которые облегчают начало работы над 3D проектом, что облегчает творческий процесс и экономит время.
• Оптимизация. Почти все баги выявляются на стадии тестирования.
• Многоформатность. Почти все известные и популярные форматы поддерживаются, но если вам их не хватит, то есть плагины, которые расширяют возможности обмена данными с другими программами.
6. AutoCAD – это программное обеспечение для трехмерного компьютерного моделирования от Autodesk, которое разработано для проектирования изделий, зданий, планирования производства, гражданской инфраструктуры и строительства.
Оно является частью коллекции 3D CAD программ Autodesk, используемой командами разработчиков продуктов, производственными предприятиями, средствами массовой информации и индустрии развлечений, инженерами, архитекторами, преподавателями и студентами, предпринимателями, медицинскими работниками и многими другими.
Кроме того, AutoCAD используется для создания 2D-чертежей, документов, 3D-моделей и визуализаций. Его функции 2D-рисования, черчения и аннотаций включают возможность управления внешним видом текстов, автоматическое создание стилей и размеров, связывание и обновление данных между электронными таблицами и таблицами Microsoft Excel в чертежах и работу с динамическими блоками.
3D-моделирование в AutoCAD включает в себя трехмерные тела, поверхности, сетки и каркасные объекты.
В AutoCAD доступно несколько типов 3D-моделирования. Каждая из этих технологий 3D-моделирования предлагает свой набор возможностей:
• Каркасное моделирование полезно для начальных итераций проектирования и в качестве эталонной геометрии, выступая в качестве 3D-каркаса для последующего моделирования или модификации.
• Твердое моделирование эффективно в использовании, легко комбинирует примитивы и экструдированные профили и предлагает массовые свойства и возможности секционирования.
• Моделирование поверхности предлагает точный контроль над изогнутыми поверхностями для точного манипулирования и анализа.
• Сетчатое моделирование обеспечивает произвольные возможности моделирования, сгиба и сглаживания.
3D-модель может включать комбинации этих технологий. Например можно преобразовать примитивную трехмерную пирамиду в трехмерную сетку, чтобы выполнить сглаживание сетки. Затем преобразовать сетку в трехмерную поверхность или обратно в трехмерное тело, чтобы воспользоваться их соответствующими функциями моделирования.
7. Программа ZBrush от компании Pixologic – это мощный профессиональный инструмент для создания и редактирования трехмерной графики.
В первую очередь программа направлена на работу с так называемой «цифровой глиной», из которой можно буквально вылепливать объекты при помощи разнообразных инструментов.
Такая цифровая лепка идеальна для создания людей, животных, и вообще всего органического. Тем не менее, ZBrush может использоваться для твердотельного 3D моделирования и оснащен для этого специальными инструментами. Огромный набор специальных кистей направлен на достижение максимальной реалистичности при создании 3D моделей, а инструменты наложения текстур и визуализации дополняют функционал программы.
3D модели, созданные в этой программе, востребованы в первую очередь в кино- и игровой индустрии, где чрезвычайно важны детализация и реалистичность. С ее помощью создавались персонажи и атрибуты многих знаменитых компьютерных игр и фильмов, в том числе анимационных.
Он существенно отличается от остальных программ для 3D моделирования, ведь помимо традиционной работы с трехмерной графикой, здесь используется так называемая псевдотрехмерность, или 2,5D. За счет этой уникальной особенности ZBrush практически не использует возможности видеокарты, что существенно влияет на скорость работы.
Такой подход оптимален для органики, но также неплохо подходит для твердотельного (Hard Surface) моделирования. Помимо скульптинга программа предлагает возможность обыкновенного 3D моделирования при помощи специального инструмента ZModeler. Он представляет собой особую кисть, способную выполнять разнообразные функции, которые мы привыкли видеть, скажем, в 3DsMax, Maya или Blender.
Вместо этого основным ресурсом для приложения является оперативная память компьютера, недостаток которой может сказываться на производительности. Впрочем, ZBrush – очень лояльный пакет, который позволяет создавать модели с миллионами полигонов даже на относительно слабых машинах. Как раз возможность высокополигонального моделирования интересна в программе в первую очередь. Все в ней направлено на удобную и качественную работу со сложными объектами без ущерба производительности. Как бонус – удобная интеграция с другими пакетами 3D и 2D графики.
1.3 Анализ 3D моделирование стрелкового оружия
3D моделирование стрелкового оружия периода ВОВ нашло применение в качестве виртуальных экспонатов. Так в виртуальном музеи «Оружие героев» представлены виртуальные копии винтовки Мосина, ППШ-41, автомата Федорова, АВТ-40. Данные экспонаты хорошо детализированы имеют описание и тактико-технические характеристики.
Можно рассмотреть мельчайшие детали каждого экспоната, познакомиться с устройством оружия и даже “пострелять” из самых ценных экземпляров. Посетители сайта смогут разобрать и собрать образцы вплоть до винтика, увидеть работу их механизмов в режиме рентгена и замедления времени и узнать интересные факты об экспонатах.
Рисунок 1Пистолет-пулемет Шпагина
Пистолет-пулемет ППШ-41 разработан Георгием Семеновичем Шпагиным в 1940 году с целью замены не технологичного и дорого в производстве пистолета-пулемета Дегтярева ППД-40. 21 декабря 1940 года пистолет-пулемет Шпагина был принят на вооружение РККА. Пистолет-пулемет ППШ-41 (Пистолет-Пулемет конструкции Шпагина) является надежным в работе, простым в эксплуатации и уходе, технологичным и дешевым в производстве оружием. ППШ-41 стал одним из самых массовых образцов стрелкового оружия Второй Мировой войны, а всего с 1941 по 1945 гг. было изготовлено порядка 6 миллионов экземпляров. В военные годы ППШ-41 поставлялся советским партизанам и поступал на вооружение иностранных воинских формирований на территории СССР. Трофейные ППШ-41 под наименованием Maschinenpistole 717(r) состояли на вооружении вермахта, СС и других военизированных формирований Третьего Рейха и стран нацистского блока.
Пистолет-пулемет конструкции Шпагина стал одним из символов советского солдата времен войны. Это оружие можно увидеть практически во всех отечественных и зарубежных фильмах про ту войну. После окончания войны пистолет-пулемет ППШ-41 сняли с вооружения Советской Армии, но боевая карьера этого оружия не закончилась. Он массово поставлялся дружественным СССР развивающимся странам и в страны Варшавского договора, а также в Китай. По меньшей мере, до 1980-х годов ППШ-41 использовались военизированными подразделениями в некоторых африканских странах.
В основном 3D моделирование оружия используется в компьютерных играх. Игры имеют большой арсенал стрелкового оружия периода ВОВ и наиболее частыми моделями являются: 1) винтовка Мосина; 2) ППШ; 3)MP-40; 4) пистолет Люгера; 5) StG 44 и т.п.
В разных проектах все эти модели отличаются друг от друга, но имеют общую стилистику и узнаваемый вид(текстуру). Модели оружия стараются сделать как можно более детализированным, чтобы было видно каждую деталь, потертость или царапину. Также не забывают показать в кадре магазин, гильзу вылетающую из затвора и частицы дыма.
Решения, применяемые в видеоиграх иногда имеют мало общего с реальностью. Размеры понимаются аналогично тому, как их обычно представляют в комиксах. Всё выглядит больше. Оружие в игре должно выглядеть уверенно, массивно и иметь солидный размер. Все характерные особенности оружия, должны выделяться.
В играх оружие рассматривается лишь как предмет, поэтому нет никакой необходимости имитировать работу внутренних механизмов. Это сохраняет кучу полигонов и сил. Что сильно сокращает время необходимое на разработку одной модели. Но существуют исключения из правил:
• механизмы внутри оптических устройств
• магазин
• затвор
• механизмы внутри пистолетов – направляющие, ствол, части что двигаются при стрельбе
• элементы видимые при перезарядке
Показ механических элементов нацелен не только на то, чтобы создать у игрока чувство, что он оперирует «реальной» вещью. Игрок также должен поверить в иллюзию создаваемую графикой игры. Тем не менее, каждый подвижный элемент видимый камерой, должен быть оправдан и обладать своей формой и композицией.
Рисунок 2 Пистолет Люгера (в игре Wolfenstein: The New Order)
Оружие в игре основано на дизайне пистолета Люгер. Весь механизм вызывает ощущение «настоящего» оружия, так как дизайн оружия использует внешний облик реального пистолета весьма правильным образом.
Подавляющее большинство оружия имеет разные надписи, серийные номера, значки производителя и так далее. Их размещают на оружии, чтобы придать ему схожесть с настоящим. Все обозначения служат лишь декоративным целям. Они должны гармонировать со всем оружием в целом и не быть слишком заметными. Слишком реалистичные модели выглядят очень странно, так словно они не на своём месте. Ещё одной заметной разницей между настоящим оружием и игровой моделью, являются бликующие выпуклости. В настоящем оружии, эти выпуклости более плоские – в игре же они более круглые, выпуклые и т.д. Благодаря этому игровая модель лучше освещается и свет (отражения) видно лучше.
?
