Loe raamatut: «Дизайн помещений и интерьеров в 3ds Max 2009»

Предисловие

Уважаемый читатель! Книга, которую вы держите в руках, имеет отношение и к трехмерной графике, и к дизайну интерьеров. Возможно, вы уже обратили внимание на обложку этой книги и цветную вкладку. Разве у вас не появилось желания научиться создавать такие же или еще лучшие виртуальные интерьеры? Если да, то эта книга, несомненно, для вас. Содержащиеся в ней сведения носят сугубо прикладной характер и призваны помочь начинающим архитекторам, дизайнерам и просто увлеченным 3D-проектированием людям освоить моделирование интерьеров в 3ds Max. Но эта книга не только для новичков. Она пригодится и тем, кто уже имеет опыт работы с трехмерной графикой и занимался визуализацией, так как одна из основных тем книги – аспекты фотореалистичности создаваемых на компьютере интерьеров.

Моделирование и визуализация интерьеров – это то, с чего стоит начать изучение трехмерной графики, ведь интерьер является неотъемлемой частью жизни человека. Намного проще изобразить в программе трехмерного проектирования хорошо знакомые предметы. Такой подход облегчает освоение приемов моделирования, создания материалов и освещения трехмерных сцен. Вместе с этим, реалистично создать в 3ds Max сложный интерьер, например, в стиле барокко, с использованием элементов лепнины весьма и весьма непросто. Взгляд зрителя легко сможет уловить несоответствия компьютерной графики и реальности. Поэтому в этой области трехмерной графики совершенствоваться можно бесконечно.

Основная тема этой книги – создание проекта интерьера как трехмерной сцены 3ds Max 2009 с последующей визуализацией для получения эскизов будущего помещения. Рассмотрена работа в нескольких модулях визуализации, включая VRay и встроенный в 3ds Max Mental Ray. Очень сложно в небольшой книге описать все возможности программы 3ds Max, но благодаря отзывам и пожеланиям читателей предыдущих изданий содержание было существенно оптимизировано и дополнено описанием некоторых тонкостей фотореалистичной визуализации виртуальных помещений, а также практических приемов сложного моделирования, работы с текстурами и освещением.

Заканчивая предисловие, автор хотел бы выразить благодарность за неоценимую помощь при создании этой книги талантливому дизайнеру Надежде Никитиной (nndecor@inbox.ru), профессионалу в области компьютерной графики и просто хорошему человеку Абидинову Артуру за идеи, а также технологии моделирования и визуализации, участникам форума www.Eol3D.com за конструктивную критику и обмен информацией.

Связаться с автором можно по адресу ryadim@inbox.ru.

От издательства

Ваши замечания, предложения и вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция). Мы будем рады узнать ваше мнение! Подробную информацию о наших книгах вы найдете на веб-сайте издательства: www.piter.com.

Глава 1
Трехмерная графика – виртуальное представление реального мира

Пространственное видение и другие особенности создания трехмерного пространства

В настоящее время, наверное, каждый человек согласится с тем, что компьютер прочно вошел в нашу жизнь наряду с другими цифровыми системами, призванными улучшить условия существования и добавить комфорта в повседневную обыденность. Но в отличие от бытовой электроники, которая служит для какой-то определенной цели и с помощью которой сложно что-либо создать, компьютер может выступать в качестве инструмента производственных и творческих процессов. В частности, большое развитие на сегодняшний момент получила компьютерная графика.

Впервые для создания графических образов компьютерная техника была применена в 50-х годах прошлого века. Хотя в то время она использовалась лишь для работы в системах автоматизированного проектирования и ни о каком художественном применении речь пока не шла. Однако с развитием компьютерных систем появилась возможность использовать компьютеры в кино– и видеоиндустрии. Наряду с плоскостной 2D-графикой (2D — двумерный) развивалась трехмерная, которая давала возможность проектировать виртуальное пространство в трех измерениях. На сегодняшний день существует множество художественных работ, созданных с применением трехмерной графики, которые позволяют отбросить всяческие сомнения относительно того, что трехмерная графика относится к определенному виду цифрового искусства. Инструментом создания его, безусловно, является компьютер. И как следствие, одна из основных задач трехмерной графики – как можно реалистичнее передать виртуальную действительность. Даже если зритель наблюдает совершенно фантастическую неподвижную или анимационную сцену, необходимо заставить его поверить в то, что такой мир может существовать. Это предполагает использование формы, движений, цветовых сочетаний и схем освещенности сцены, максимально приближенных к реалистичным, что зачастую требует солидных вычислительных ресурсов. Надо сказать, что современные компьютеры (как профессиональные графические системы, так и мощные персональные мультимедийные станции) успешно справляются с этой задачей в отличие от домашних компьютеров предыдущих лет, на которых достаточно сложно было создавать трехмерную графику в том виде, который на данный момент представлен в различных сферах цифрового искусства.

Сфера использования

В наши дни расширилась и область применения трехмерной графики – от анимационных фильмов и рекламы до компьютерных игр и научно-исследовательских разработок. Сейчас практически любой пользователь может увидеть великолепную трехмерную графику в реальном времени на своем компьютере. Полнометражные анимационные фильмы и сцены со спецэффектами в художественных лентах, множество игр с визуализацией по ходу действия (и это далеко не полный перечень) могут быть созданы с использованием компьютерной 3D-графики (от англ. 3 Dimensional — трехмерный). В связи с этим все больше людей стремятся овладеть навыками трехмерного моделирования и анимации. Широкое применение трехмерная графика нашла на телевидении. С ее помощью можно оформить студию и создать декорации, не прибегая к бутафории. Достаточно снять сцену на нейтральном фоне, с помощью компьютера наложить на этот фон виртуальные декорации и менять элементы сцен в режиме реального времени. Таким способом можно сотворить совершенно фантастическую атмосферу, повысив зрелищность телепрограмм. Данная технология называется совмещением компьютерной графики с рирпроекционным фоном. Термин рирпроекционный фон означает как сцены реальной видеосъемки с объектами внешней среды, так и фон нейтрального цвета. Одним из примеров использования таких технологий является увеличение количества объектов с помощью компьютера в художественных фильмах. Небольшое количество объектов снимают реальной камерой на нейтральном зеленом или синем фоне, а затем с помощью компьютера и специального программного обеспечения производят замену фона и увеличивают количество объектов до нужного числа. Точно таким же способом можно работать с группами людей, увеличивая их до нужного количества и придавая каждой группе свои отличительные свойства, хотя в работе с двигающимися персонажами существуют свои сложности и особенности.

Рекламные ролики, созданные с применением трехмерной графики, поражают разнообразием спецэффектов и дают понять, насколько неограниченные возможности способна предоставить компьютерная графика в создании виртуальной окружающей среды. С ее помощью можно создать персонаж, вымышленный или реально существующий, наделить особыми свойствами объекты, сымитировать космические бои. Часто при создании анимационных роликов используется такая интересная возможность виртуальной трехмерной среды, как морфинг (morfing). Одна из его разновидностей – технология растяжения и сжатия трехмерных объектов. Именно она позволяет осуществить визуальное изменение формы и размера объекта анимационной сцены так, что при всей «утрированности» оно будет казаться естественным. Преобразование одного объекта в другой также относится к одному из видов морфинга. Достаточно программы для работы с трехмерной графикой и морфинг-редактора.

В современных системах автоматизированного проектирования давно и повсеместно используются трехмерные объекты, смоделированные в программах управления виртуальным пространством. Например, для изготовления скульптуры сложной формы применяется технология создания виртуального трехмерного объекта с последующим разбиением компьютерной модели на части, а затем изготовление отдельных частей промышленным способом и сборка из этих частей скульптуры. Еще одна технология создания сложных промышленных объектов, в которой используются возможности 3D-графики, – стереолитография. В программе трехмерного моделирования создается нужная модель, которая затем посредством пакета автоматизированного проектирования преобразуется в специальный файл. В нем содержатся координаты объекта и команды управления агрегатом, состоящим из прямоугольного контейнера с жидким пластиком и двух лазерных установок, направленных на него с разных сторон под углом 90° (рис. 1.1). Учитывая данные файла с координатами объекта, лазерные установки передвигаются по вертикали и горизонтали, и на пересечении их лучей пластик застывает. Таким образом можно получить полую форму или монолитный объект из пластика, соответствующий трехмерной модели, созданной ранее.

Рис. 1.1. Создание модели стереолитографическим способом

Нелишним будет отметить еще одну возможность трехмерной графики – совмещение объектов, созданных в средах объемного моделирования, с фоном (его роль может играть, к примеру, фотография) и приведение одного в соответствие другому. Она широко используется в одной из разновидностей архитектурных визуализаций. Такое совмещение дает возможность увидеть спроектированное здание в предполагаемом месте задолго до того, как это здание начнут строить.

Трехмерная графика в настоящее время облегчает взаимодействие человека с компьютером путем применения специальных интерфейсов.

Наряду с приемами построения статичных изображений существуют технологии визуализации (rendering) и обработки виртуальных сцен в движении. Одной из них является визуализация в реальном времени. Данные технологии применяются в 3D-играх, а также для создания тренажеров и симуляторов, используемых космонавтами, пилотами и военными для имитации различных ситуаций, которые могут возникнуть при управлении техникой в реальной жизни. В режиме реального времени строятся модели погодных условий и катаклизмов. При условии определения изменений корректной математической моделью можно предсказывать развитие событий и предупреждать стихийные бедствия.

Нельзя не отметить, что трехмерная графика нашла свое применение и в Интернете. С появлением редакторов объемной графики и специальной технологии VRML (Virtual Reality Modeling Language – язык моделирования виртуальной реальности) стало возможным создание виртуальных пространств и трехмерных миров в глобальной Сети, которые затем можно просматривать с помощью браузеров, поддерживающих данную технологию. Примеры подобных технологий можно найти на сайте www.viewpoint.com. На данный момент технология VRML считается устаревшей, однако развитие получили некоторые другие системы создания виртуальной реальности на ее основе. Так как обеспечение онлайнового взаимодействия нескольких пользователей между собой в виртуальных пространствах является перспективным направлением и продолжает развиваться, новым стандартом для создания трехмерных миров стал X3D (Extensible 3D). На сегодняшний день вышеописанный язык взаимодействия, визуализации и размещения виртуальных миров в Сети заменил технологию VRML.

Очень интересное свойство трехмерной графики открыли не так давно американские ученые. Оказывается, смоделированная реальность позволяет лечить людей от заболеваний психологического характера и разного рода фобий. Чтобы избавиться, к примеру, от страха высоты или боязни летать, достаточно нескольких сеансов виртуальной терапии. Специальный шлем погружает человека в мир трехмерной графики, моделирующей ситуацию реального полета или хождения по высотным конструкциям. Компьютер генерирует соответствующие звуки, а с помощью специальных перчаток можно управлять виртуальным миром. Кроме того, во время этих сеансов ученые отмечали снижение болевого порога у пациентов. Возможно, в недалеком будущем анестезия будет производиться немедикаментозным способом с помощью приборов, создающих виртуальную реальность. Исследования в этой области идут полным ходом.

Широкое применение трехмерная графика нашла также в области дизайна интерьера и архитектурных визуализаций. Ведь для заказчика важно увидеть помещение, в котором ему, возможно, придется жить или работать, в представлении, максимально приближенном к реальности. В идеале наиболее приемлемо фотографическое сходство эскиза с будущим помещением. Если открыть любой иллюстрированный журнал, посвященный декорированию комнат, практически в каждом номере можно увидеть проекты, сделанные в той или иной программе трехмерного моделирования. Конечно, нужно отдать дань авторским проектам, выполненным по классическим канонам в акварели (рис. 1.2), но это более трудоемкий процесс, и в случае большого количества заказов создание вариантов декора с помощью красок, мелков и карандаша займет много времени. К тому же моделирование помещений в специализированных программах позволяет достичь почти фотографического сходства с реальными объектами. Кроме того, компьютерный проект, в отличие от художественного, позволяет легко внести изменения в соответствии с желанием заказчика. Все изображения в цифровом виде остаются в студии или у дизайнера как «портфолио» (от итал. portfolio — «папка с документами») выполненных проектов. Сегодня многие дизайн-студии имеют в штате специалиста по трехмерной графике или обучают своих сотрудников работать с программами компьютерного моделирования. С помощью данной книги вам предлагается самостоятельно освоить такую программу и научиться созданию проектов интерьера.

Рис. 1.2. Проект интерьера кабинета, выполненный в акварели

Читатели, получившие художественное образование, могут пропустить данную главу и перейти непосредственно к изучению 3ds Max 2009 и созданию в этой программе виртуального интерьера. Ведь для них все, что здесь будет изложено, является прописными истинами. Хотя вспомнить основы иногда бывает полезно даже тем, кто считает себя профессионалом.

Ориентация в трехмерном пространстве. Объекты

Мир, окружающий нас, является трехмерным, иначе говоря, форму объектов, с которыми человек взаимодействует каждый день, можно описать посредством трех измерений – длины, ширины и высоты. Для создания каждого из этих объектов используются свои способы, о которых люди не задумываются, пока сами не примут участие в создании какого-либо объекта. Точно так же с помощью компьютера и специального программного обеспечения в виртуальном трехмерном пространстве можно создать практически любой объект, вымышленный или встречающийся в повседневной жизни, несколькими способами. Все, что относится к созданию трехмерных объектов и управлению ими в виртуальном пространстве, называется трехмерной графикой. Иначе говоря, трехмерную графику можно определить как виртуальное представление объемной среды. То есть на плоском мониторе компьютера посредством программного обеспечения строится 3D-пространство, которое затем может быть визуализировано с помощью программных средств управления и, в конце концов, в виде неподвижного изображения или анимационного ролика представлено зрителю.

Для начального знакомства и понимания общих принципов работы в виртуальном пространстве достаточно знания геометрии на уровне школьного курса (вот когда пригодятся эти скучные теоремы и биссектрисы!). Для ориентации на плоскости и в пространстве в редакторах трехмерной графики применяется декартова система координат¹ (рис. 1.3). Она представляет собой три воображаемые плоскости, пересекающиеся в пространстве под углом 90°. Обычно оси X и Y определяют координаты плоских двумерных объектов и описывают размеры объекта по длине и ширине, а ось Z направлена вверх и определяет высоту объекта. Началом координат называется точка с координатами (0, 0, 0), от которой ведется отсчет положения объектов в пространстве. Каждая ось координатной системы условно делится на определенное количество одинаковых отрезков, которые представляют собой какие-либо единицы измерения. Причем по одну сторону от точки начала координат будет располагаться положительная область значений, а по другую – отрицательная. Данная система применяется практически во всех программах трехмерной графики, различаясь только ориентацией осей, и, как правило, изменить направление осей в любом 3D-редакторе не составляет труда.

Рис. 1.3. Оси декартовой системы координат в трехмерном пространстве

Только после того как вы разберетесь с системой координат, принятой в трехмерной графике, и познакомитесь с интерфейсом 3ds Max 2009, имеет смысл переходить к изучению процесса создания объектов на основе примитивов или сплайнов, а затем и к более сложному объемному построению. Кроме трех измерений (длина, ширина, высота) любой объект 3ds Max определяется формой. Под формой подразумевается внешний вид, визуальные очертания предмета. Для работы с программой компьютерного моделирования (впрочем, это касается и любого вида изобразительного искусства) необходимо развивать в себе чувство формы и объема. «Трехмерное видение» приходит с опытом и не является исключительной особенностью определенного круга людей.

Примечание

Примитивами в программах компьютерного моделирования называют простые объемные фигуры, такие как куб, сфера, плоскость, пирамида и т. п. Эти фигуры служат основой для создания более сложных трехмерных моделей. Примитивы являются параметрическими объектами. Это означает, что они строятся путем ввода определенных параметров.

После того как все объекты созданы и расположены на предназначенных для них местах, можно назначать им текстуры и работать над освещением сцены. Для отображения сцены применяются камеры различных типов (рис. 1.4). Виртуальная камера транслирует сцену в соответствии с указанными пользователем параметрами. Можно управлять, например, такой характеристикой, как глубина резкости (см. главу 3), когда в фокус камеры попадает определенная область или объект, а остальная часть сцены размыта. В итоге сцена становится похожа на фотографию, сделанную реальной камерой. Ключевым моментом возможностей трехмерных редакторов является анимация, или оживление неподвижного изображения. С ее помощью создаются спецэффекты для кино, рекламы и, конечно, полнометражные фильмы.

Рис. 1.4. Инструмент Камера в программе трехмерного моделирования

Отображение и составные части объектов

Из чего же состоят объекты в среде трехмерного моделирования? Здесь необходимо вспомнить правило, известное еще со школьной скамьи: соединив линиями три любые точки в пространстве, вы получите плоскость. Объекты в трехмерной графике состоят из наборов небольших плоскостей, которые называются полигонами. Полигоны, в свою очередь, состоят из вершин, ребер и граней (рис. 1.5, а). Этими составными частями они соединяются между собой. В составе полигона может быть произвольное количество ребер (рис. 1.5, б). Напрашивается вывод: если трехмерные объекты состоят из двумерных полигонов, значит, их можно воспроизвести в редакторах двумерной графики. Это действительно так, но если в приложении для работы с трехмерной графикой есть возможность вносить изменения в вид объекта, то в двумерном редакторе придется каждый раз перерисовывать его заново. Это неудобно и не способствует повышению производительности. Впрочем, такие редакторы могут сильно помочь в процессе создания моделей и обработки полученных изображений, о чем будет сказано далее.

Рис. 1.5. Полигоны, используемые в трехмерной графике: а – составные части полигона; б – полигоны, составленные из различного числа граней

Существуют различные режимы отображения трехмерных объектов (рис. 1.6):

Рис. 1.6. Режимы отображения объектов

• Габаритный контейнер объекта (bounding box) – объекты изображаются в виде описанных вокруг них параллелепипедов со сторонами, параллельными плоскостям глобальной системы координат.

• Каркас (wireframe) – объекты изображаются в виде проволочных каркасов, образованных видимыми ребрами между соседними гранями, не лежащими в одной плоскости.

• Освещенные каркасы (lit wireframes) – объекты изображаются в виде каркасов, тонированных в соответствии с направлением световых лучей.

• Однородная заливка ( flat) – проекции объектов изображаются в виде областей с заливкой однородным цветом без полутонов.

• Грани ( facets) – объекты изображаются в виде совокупности тонированных плоских граней.

• Сглаживание (smooth) – объекты изображаются в тонированном виде со сглаживанием переходов между плоскими гранями.

• Грани и блики ( facets + highlights) – объекты изображаются в виде совокупности тонированных плоских граней с добавлением бликов.

• Сглаживание и блики (smooth + highlights) – объекты изображаются в тонированном виде со сглаживанием переходов между плоскими гранями и добавлением бликов.

• Контуры граней (edged faces) – демонстрация каркаса объекта одновременно с его тонированной оболочкой.

Говоря об отображении объектов в программах трехмерного моделирования, нельзя не упомянуть о нормалях. Нормалью называется воображаемый отрезок, направленный из центра грани объекта перпендикулярно к ее поверхности. Если нормаль направлена в сторону наблюдателя, грань считается видимой. И наоборот, если нормаль направлена в сторону, противоположную взгляду, грань будет не видна. Соответственно, для изменения видимости грани достаточно поменять направление ее нормали.