Информационные технологии в экономике 2 (стр. 22 из 46)
4. Полученные в результате итоговые значения цвета и интенсивности обрабатываются с учетом траектории луча и параметров атмосферы, и присваиваиваются точке объекта как значения визуализации для наблюдателя. Затем процесс повторяется для всех элементов сцены. С целью упрощения расчетов пересечение проверяют не для каждой точки, а для примитива в целом. Иногда вокруг объекта создают простую виртуальную геометрическую фигуру (параллелепипед, шар), расчет пересечений для объекта выполняют только при пересечении траектории наблюдения с фигурой в целом.
Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман.
Существуют методы расчета процедурных эффектов (Procedural Effects) и взаимодействия систем частиц (Particle System). Однако их применение в полном объеме требует громадных вьчислительных ресурсов, и потому в персональных компьютерах обычно используют упрощенные варианты.
По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо .как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта
(рис. 5).
Рис.5. Моделирование взрыва с помощью систем частиц
Особую область трехмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств — автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных cpeдств тренажеры реализуют на персональных компьютерах.
Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены
на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, поскольку обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.
5.9 Программные средства обработки трехмерной графики
На персональных компьютерах основную долю рынка программных средств обработки трехмерной графики занимают три пакета. Эффективней всего они работают на самых мощных машинах (в двух- или четырехпроцессорных конфигурациях Pentium 4 и Хеоn) под управлением операционной системы Windows.
Программа создания и обработки трехмерной графики 3D Studio Max фирмы Kinetix изначально создавалась для платформы Windows. Этот пакет считается
«полупрофессиональным». Однако его средств вполне хватает для разработки качественных трехмерных изображений объектов неживой природы (рис. 6). Отличительными особенностями пакета являются поддержка большого числа аппаратных ускорителей трехмерной графики, мощные световые эффекты, большое число дополнений, созданных сторонними фирмами. Сравнительная нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать даже на компьютерах среднего уровня. Вместе с тем по средствам моделирования и анимации пакет 3D Studio Max уступает более развитым программным средствам.
Рис. 6. Трехмерное моделирование ландшафта средствами 3D Studio Max
Программа Softimage 3D компании Microsoft изначально создавалась для рабочих станций SGI и лишь позднее была конвертирована под операционную систему Windows. Программу отличают богатые возможности моделирования, наличие большого числа регулируемых физических и кинематографических параметров. Для рендеринга применяется качественный и достаточно быстрый модуль Mental Ray. Существует множество дополнений, выпущенных «третьими» фирмами, значительно расширяющих функции пакета. Эта программа считается стандартом «де-факто» в мире специализированных графических станций SGI, а на платформе IBM PC выглядит несколько тяжеловато и требует мощных аппаратных ресурсов. Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является программа Maya, разработанная консорциумом известных компании Alias Wavefront). Пакет существует в вариантах для разных операционных систем, в том числе и Windows.
Он имеет модульное построение и включает следующие блоки.
• Base — содержит ядро программы. Обеспечивает поддержку основных инструментов моделирования, инверсной кинематики, обработки звука, имитации физических твердых тел, захвата движения, рендеринга и основных наборов эффектов.
• Maya F/X — набор дополнительных модулей, поддерживающих эффекты обработки систем частиц и моделирования физики взаимодействия мягких тел.
• Maya Power Modeler — в основном содержит мощные средства полигонального и сплайнового моделирования объектов.
• Maya Artisan — наиболее передовой модуль, позволяющий обрабатывать виртуальные модели методами, характерными для реальной работы скульпторов и художников. Позволяет, к примеру, рисовать по поверхности объекта «кистями», сглаживать поверхности или делать их более шероховатыми «скульптурными резцами».
• Maya Cloth — предназначен для моделирования одежды.
• Maya Fur—модуль для имитации поверхностей, покрытых шерстью или мехом (рис.7).
• Maya Live — сценарный модуль, обеспечивающий сопряжение реальных съемок (на
«натуре») с компьютерной анимацией.
Рис. 7. Моделирование меховой поверхности средствами пакета Maya
Инструментарий Maya сведен в четыре группы: Animation (анимация), Modeling (моделирование), Dynamic (физическое моделирование), Rendering (визуализация). Удобный настраиваемый интерфейс выполнен в соответствии с современными требованиями. На сегодняшний день Maya является наиболее передовым пакетом в классе средств создания и обработки трехмерной графики для персональных компьютеров.
5.10 3D графика и анимация на примере прикладного пакета 3D Studio
MAX2
Основы 3D графики и анимации.
В наше время CGI-образы (от слов Computer Graphics Imagery – изображение созданное на компьютере) окружают нас повсеместно: на телевидении, в кино и даже на страницах журналов. Компьютерная графика превратилась из узкоспециальной области интересов ученых-компьюторщиков в дело, которому стремиться посвятить себя множество людей. Среди программных комплексов трехмерной графики, предназначенных для работы на компьютерах типа PC, лидирующее место занимает 3D Studio MAX2. Общее представление о 3D.
В самом названии рассматриваемой области – ―трехмерная графика‖ - заложено указание на то, что нам предстоит иметь дело с тремя пространственными измерениями: шириной, высотой и глубиной. Если взглянуть вокруг: все, что нас окружает, обладает тремя измерениями – стол, стул, жилые здания, промышленные корпуса и даже тела людей. Однако термин ―трехмерная графика‖ все же является искажением истины. На деле трехмерная компьютерная графика имеет дело всего лишь с двумерными проекциями объектов воображаемого трехмерного мира.
Чтобы проиллюстрировать сказанное, можно представить оператора с видеокамерой, с помощью которой он снимает объекты, расположенные в комнате. Когда во время съемок он перемещается по комнате, то в объектив попадают различные трехмерные объекты, но при воспроизведении отснятой видеозаписи на экране телевизора будут видны всего лишь плоские двумерные изображения, представляющие собой запечатленные образы снятых несколько минут назад трехмерных объектов. Сцена на экране выглядит вполне реально благодаря наличию источников света, естественной расцветке всех объектов и присутствию теней, придающих изображению глубину и делающих его визуально правдоподобными, хотя оно и остается всего лишь двумерным образом.
В компьютерной графике объекты существуют лишь в памяти компьютера. Они не имеют физической формы – это не более чем совокупность математических уравнений и движение электронов в микросхемах. Поскольку объекты, о которых идет речь, не могут существовать вне компьютера, единственным способом увидеть их является добавление новых математических уравнений, описывающих источники света и съемочные камеры. Программный комплекс 3D Studio MAX2 позволяет выполнять все вышеперечисленные операции.
Использование программы, подобной 3D Studio MAX2, во многом сходно со съемкой с помощью видеокамеры комнаты, полной сконструированных объектов. Программный комплекс 3D Studio MAX2 позволяет смоделировать комнату и ее содержимое с использованием разнообразных базовых объектов, таких как кубы, сферы, цилиндры и конусы, а также с использованием инструментов, необходимых для реализации разнообразных методов создания более сложных объектов.
После того как модели всех объектов созданы и должным образом размещены в составе сцены, можно выбрать из библиотеки любые готовые материалы, такие как пластик, дерево, камень и т.д. и применить эти материалы к объектам сцены. Можно создать и собственные материалы, пользуясь средствами редактора материалов (Material Editor) 3D Studio MAX2, с помощью которых можно управлять цветом, глянцевитостью, прозрачностью и даже применять сканированные фотографии или нарисованные изображения, чтобы поверхность объекта выглядела так, как это было задумано.
Применив к объектам материалы, необходимо создать воображаемые съемочные камеры, через объективы которых будет наблюдаться виртуальный трехмерный мир, и производиться съемка наполняющих его объектов. За счет настройки параметров виртуальных камер можно получить широкоугольную панораму сцены или укрупнить план съемки, чтобы сосредоточить свое внимание на отдельных мелких деталях. Пакет 3D Studio MAX2 поддерживает модели камер с набором параметров свойственных настоящим фото- или видеокамерам, с помощью которых можно наблюдать сцену именно в том виде, какой требуется по замыслу сценария.