Podróż do trzeciego wymiaru

Chyba każdy użytkownik komputera PC przynajmniej raz w życiu próbował się pobawić programami do tworzenia grafiki 3D. Możliwość tworzenia realistycznych obrazów i animacji na każdym średniej klasy komputerze rozbudza wyobraźnię. Należy się tylko zaopatrzyć w odpowiednie oprogramowanie.

Chyba każdy użytkownik komputera PC przynajmniej raz w życiu próbował się pobawić programami do tworzenia grafiki 3D. Możliwość tworzenia realistycznych obrazów i animacji na każdym średniej klasy komputerze rozbudza wyobraźnię. Należy się tylko zaopatrzyć w odpowiednie oprogramowanie.

Oczywiście nie sposób przedstawić wszystkich znaczących programów do tworzenia grafiki 3D w jednym tekście. Tworzenie realistycznych grafik i animacji to chyba jedna z najmocniej działających na wyobraźnię dziedzin informatyki. Programy do modelowania i renderowania scen 3D to zarówno drogie, komercyjne aplikacje do bardzo poważnych zastosowań, jak i tworzone przez grupy zapaleńców bezpłatne programy i moduły, często pod względem funkcjonalności niewiele ustępujące droższym rozwiązaniom.

Tworzenie grafiki lub animacji 3D przebiega z reguły w podobny sposób. Pierwszym etapem są najczęściej klasyczne szkice na papierze, określające ogólne założenia przyszłej sceny czy animacji. Modelowanie animowanych postaci poprzedzone jest także często procesem tzw. motion capture, podczas którego w specjalnych laboratoriach mierzone i zapisywane są rzeczywiste ruchy człowieka. Zostaną one następnie przypisane modelowanym stworzeniom. Płynne, naturalne ruchy postaci w grach komputerowych i fantastycznych stworzeń w filmach to właśnie zasługa techniki "motion capture".

Kolejnym etapem pracy nad grafiką, a jednym z najważniejszych, jest wymodelowanie obiektów, które pojawią się w finalnym obrazie. Programy do grafiki 3D udostępniają bardzo wiele narzędzi do tworzenia złożonych kształtów. Wykorzystuje się podstawowe figury geometryczne, ale przede wszystkim krzywe i płaty powierzchni. W przypadku niektórych modeli komputerowych najpierw powstaje fizyczny, np. gipsowy obiekt, który następnie zostaje odwzorowany w postaci cyfrowej za pomocą specjalistycznych skanerów 3D.

Nowoczesne programy 3D udostępniają narzędzia pozwalające na modelowanie w "wirtualnej glinie", czyli przekształcanie modeli geometrycznych przypominające do złudzenia rzeźbienie w prawdziwej glinie, wycinanie wgłębień, ścinanie skrawków, rozciąganie, skręcanie itd.

Niektóre zadania wymagają użycia specjalistycznych technik, np. realistyczne odwzorowanie włosów czy futra jest wciąż trudne. Należy pamiętać, że wiele problemów da się łatwo rozwiązać na następnym etapie tworzenia grafiki, stosując odpowiednie wielowarstwowe tekstury, mapy nierówności (bump mapping)

i przezroczystości.

Obiekty, które mają być animowane, często tworzy się na podstawie tzw. szkieletów. Są to grupy prostych obiektów połączonych ze sobą elastycznymi "stawami", przypominające nieco rzeczywiste szkielety zwierząt. Za ich pomocą można łatwo określić ruchy postaci, po czym gotowy, zanimowany szkielet obudować "skórą". Ten ostatni etap jest w obecnych aplikacjach 3D w dużej mierze zautomatyzowany, a nałożona skóra zachowuje się podobnie do prawdziwej: rozciąga i kurczy podczas ruchów kończyn.

Równie ważne, jak odpowiednie wymodelowanie obiektu, jest dobranie właściwej tekstury. Etap ten ma decydujące znaczenie dla jakości przyszłej grafiki, a często jest traktowany po macoszemu. Tekstura nie tylko określa kolor czy wzór na powierzchni obiektu, ale potrafi także symulować nierówności - za pomocą tzw. bump mappingu. Należy przy tym pamiętać, że bump mapping może się nie sprawdzić na krawędziach, gdyż model faktycznie pozostaje gładki, a nierówności są tylko symulowane. Jeśli obiekt zawiera wiele wyraźnie widocznych krawędzi (np. ciemnych na jasnym tle), to osoba oglądająca grafikę bądź animację wychwyci "zakłamanie" - niezgodność pomiędzy nierówną powierzchnią a gładką krawędzią. Często stosowanym rozwiązaniem jest użycie tekstury z przesunięciem (displacement) i map przezroczystości. Informacje o wzorze tekstury zostają wówczas wykorzystane do zmodyfikowania kształtu obiektu.

NURBS

Pod tym tajemniczym skrótem kryje się jedno z najczęściej spotykanych, a jednocześnie bardzo wydajnych narzędzi do modelowania złożonych obiektów. NURBS, czyli Non Uniform Rational B-Splines (niejednorodne ułamkowe powierzchnie b-sklejane) to specjalny rodzaj powierzchni geometrycznych, idealnie pasujący do opisu złożonych kształtów. Precyzyjna definicja powierzchni NURBS jest raczej skomplikowana. Na początek przyjmijmy, że fragment (płat) powierzchni można opisać za pomocą pewnej liczby punktów kontrolnych. Przemieszczanie tych punktów powoduje zmianę kształtu powierzchni.

Co ważne, powierzchnie NURBS mogą być w dużym zakresie generowane automatycznie, np. przez wypełnienie obszaru pomiędzy krzywymi, przybliżenie kształtu utworzonego z wielokątów itd. Wiele programów, np. Rhinoceros 2.0, używa powierzchni NURBS jako podstawowego sposobu opisu obiektów.

Kolejnym pomysłem jest stosowanie tekstury algorytmicznej (shader), czyli prostej (zwykle) procedury, mogącej obliczyć kolor w każdym punkcie obiektu. Jej główną zaletą jest wygodne pokrywanie nieregularnych kształtów, bez widocznych śladów łączeń. Korzystanie z tekstur algorytmicznych jest bardzo wygodne - po zmianie kształtu obiektu zawsze zostaną nałożone prawidłowo.

Na podstawie trójwymiarowego modelu z nałożonymi teksturami, oświetlonego w odpowiedni sposób i skadrowanego za pomocą wirtualnej kamery, zostaje następnie wygenerowany fotorealistyczny obraz. Podstawowe sposoby tworzenia takich grafik są znane od dawna i oparte na dwóch podstawowych technikach: metodzie śledzenia promieni (ray tracing) i metodzie energetycznej (radiosity).

W największym skrócie metoda śledzenia promieni polega na analizowaniu biegu światła w odwrotnym kierunku: od punktu na wynikowym obrazku aż do jego źródła. Kolejne odbicia promienia od różnych obiektów lub przejście światła przez obiekty częściowo przezroczyste wpływa na kolor promienia, który na koniec staje się kolorem punktu na wygenerowanym obrazku. Śledzenie promieni jest bardzo efektywną metodą tworzenia grafik, jednak obiekty na nich mają specyficzny wygląd - sprawiają wrażenie wykonanych z metalu bądź tworzywa sztucznego. Aby uzyskać naprawdę realistyczną grafikę, łączy się metodę śledzenia promieni z metodą energetyczną, która polega (znów w dużym skrócie) na obliczeniu ilości światła docierającego do widocznych dla obserwatora powierzchni. Stosowany jest przy tym pewien fizyczny model światła, uwzględniający takie parametry, jak luminancja, strumień światła itd.

W większości przypadków rozbudowane animacje 3D to efekt pracy zespołu specjalistów. Dzisiejsze oprogramowanie daje jednak ogromne możliwości. Świetnym tego przykładem może być krótkometrażowy film The Cathedral na podstawie opowiadania Jacka Dukaja. Film ten w całości jest dziełem jednej osoby, Tomka Bagińskiego, na co dzień pracującego jako grafik w firmie reklamowej. W rozmowie (za pośrednictwem e-maila) z autorem filmu dowiedzieliśmy się kilku ciekawych szczegółów związanych z pracą nad The Cathedral. Z pewnością zainteresują tych, którzy sami chcieliby spróbować sił w tworzeniu poważnych animacji. Przygotowanie modelu głównego bohatera filmu trwało, łącznie z teksturowaniem, ponad trzy tygodnie.

Do tworzenia obiektów w filmie użyto programu 3DS Max firmy Discreet, a sam model postaci powstał w trzech wersjach, różniących się poziomem szczegółowości: do bliskich, średnich i dalekich planów.

Warto wiedzieć, że większość czasu poświęconego na stworzenie głównego bohatera filmu zajęło przygotowanie i nałożenie tekstur. Po zastosowaniu specjalnych wtyczek do 3DS Max prace przebiegały znacznie szybciej, np. tworzenie każdej z rzeźb wśród gałęzi "drzew" trwało krócej niż tydzień. Według samego twórcy, przygotowanie tego typu i tej klasy animacji zajmie jednej osobie kilkanaście miesięcy. Angażując w przedsięwzięcie kilkuosobowy zespół, można ten okres skrócić do trzech - czterech miesięcy. Oczywiście zakładamy, że projekt tworzony jest w wolnych chwilach, oprócz normalnej pracy zawodowej.

Informacje www.platige.com/katedra


Zobacz również