Обзор программ 3D моделирования

ФГБОУ ВПО «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М.Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

УТВЕРЖДАЮ

И. о. зав. кафедрой

канд. пед. наук, доцент

____________ Н. В. Вознесенская

«____»________________2013 г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по информатике

Свободные редакторы 3D

Автор курсовой работы

студент группы МДИ-110 ____________________________ А. В. Рожнов

Специальность 030100 «Информатика» с дополнительной специальностью 032100.00 «Математика»

Руководитель работы

канд. пед. наук, доцент_________________________________ Л. А. Сафонова

Оценка ___________________________

Саранск 2014

Содержание

Введение 3

1.Теоретические основы изучения редакторов 3D-графики .............................. 4

1.1 Понятие редактора 3D-графики…………………………............................... 4

1.2 Свободные редакторы 3D-графики................................................................. 5

1.3 3D редактор Gmax……………………………………………………….….. 20

2.Практическое изучение Gmax…………………………………………….….. 24

2.1 Создание плоских фигур в Gmax…………………………………………... 24

2.2 Создание трёхмерного объекта……………………………………………. 30

2.3 Создание анимации…………………………………………………………. 34

Заключение 42

Список использованных источников 43

Введение

Актуальность выбранной темы обусловлена практически повсеместным использованием трехмерной графики в различных отраслях и сферах деятельности, знание которой становится все более необходимым для полноценного развития личности.

3D редактор – программа предназначенная для создания трёхмерных моделей объектов. Поэтому областью применения 3D редакторов очень широка. Это физика, химия, археология, архитектура, мультипликация и т.д. С помощью 3D можно показать любое явление не зависимо от его масштабов и долготы по времени.

Таким образом, сейчас изучать графику 3D очень актуально, поскольку в нашу жизнь давно вошли 3D-фильмы и 3D-принтеры. В этой работе мы будут рассмотрены различные 3D редакторы, их возможности и назначение.

Цель работы – изучить возможности современных 3D редакторов.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выяснить назначение 3D редакторов.

2. Познакомиться с различными 3D редакторами.

3. Подробно изучить редактор Gmax.

4. Изучить возможности редактора Gmax.

5. Построить трёхмерную модель

6. Сделать анимацию.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования: анализ литературы по программному обеспечению, обзор существующих программ, практическое решение задач.

1. Теоретические основы изучения редакторов 3D-графики

1. Понятие редактора 3D-графики

Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions – «3 измерения») Graphics, Три измерения изображения) – раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

3D моделирование – это процесс создания трехмерной модели объекта.

Задача 3D моделирования - разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.

Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.

Самое широкое применение – во многих современных компьютерных играх, а также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи. Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики. Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).

Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны.

Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты, такие как: Autodesk 3ds Max, Autodesk Maya, Autodesk Softimage, Cinema 4D, Houdini, Modo, LightWave 3D, Caligari Truespace, а также сравнительно новые: Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo и ZBrush.

Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет создавать 3D модели, c последующим рендерингом), K-3D и Wings3D.

1.2 Свободные редакторы 3D-графики

Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) – полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, доразработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32‑битных, так и в 64‑битных). В апреле 2013 года выпущена шестнадцатая версия этого продукта под названием «Autodesk 3ds Max 2014». Написана на C# (WPF), также использует библиотеку Developer Express (DevExpress).

Рис. 1  Эмблема Autodesk 3ds Max

Autodesk 3ds Max доступен в двух лицензионных версиях: студенческая – бесплатная (требуется регистрация на сайте Autodesk), которая предоставляет полную версию программы (однако, её нельзя использовать с целью получения прибыли), и полная (коммерческая) версия стоимостью в 3900€.

Представим истории Autodesk 3ds Max.

Первая версия пакета под названием 3D Studio DOS была выпущена в 1990 году. Разработками пакета занималась независимая студия Yost Group, созданная программистом Гари Йостом; Autodesk на первых порах занимался только изданием пакета. Существуют сведения, что Гари Йост покинул прежнее место работы после переговоров с Эриком Лайонсом (Eric Lyons), в то время директором по новым проектам Autodesk.

Первые четыре релиза носили наименование 3D Studio DOS (1990–1994 годы). Затем пакет был переписан заново под Windows NT и переименован в 3D Studio MAX (1996–1999 годы). Нумерация версий началась заново.

В 2000–2004 годах пакет выпускается под маркой Discreet 3dsmax, а с 2005 года – Autodesk 3ds MAX. Актуальная версия носит название Autodesk 3ds MAX 2014 (индекс 16.0).

Версия	Платформа	Имя	Год выпуска
3D Studio	MS-DOS	THUD	1990
3D Studio 2	MS-DOS		1992
3D Studio 3	MS-DOS		1993
3D Studio 4	MS-DOS		1994
3D Studio MAX 1.0	Windows	Jaguar	1996
3D Studio MAX R2	Windows	Athena	1997
3D Studio MAX R3	Windows	Shiva	1999
Discreet 3dsmax 4	Windows	Magma	2000
Discreet 3dsmax 5	Windows	Luna	2002
Discreet 3dsmax 6	Windows		2003
Discreet 3dsmax 7	Windows	Catalyst	2004
Autodesk 3ds Max 8	Windows	Vesper	2005
Autodesk 3ds Max 9	Windows	Makalu	2006
Autodesk 3ds Max 2008	Windows	Gouda	2007
Autodesk 3ds Max 2009	Windows		2008
Autodesk 3ds Max 2010	Windows		2009
Autodesk 3ds Max 2011	Windows		2010
Autodesk 3ds Max 2012	Windows		2011
Autodesk 3ds Max 2013	Windows		2012
Autodesk 3ds Max 2014	Windows		2013

3ds Max располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей, реальных или фантастических объектов окружающего мира, с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие:

• полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) – это самый распространённый метод моделирования, используется для создания сложных моделей и низкополигональных моделей для игр.
  Как правило, моделирование сложных объектов с последующим преобразованием в Editable poly начинается с построения параметрического объекта «Box», и поэтому способ моделирования общепринято называется «Box modeling»;

• моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) (следует отметить, что NURBS-моделирование в 3ds Max-е настолько примитивное что никто этим методом практически не пользуется);

• моделирование на основе т. н. «сеток кусков» или поверхностей Безье (Editable patch) – подходит для моделирования тел вращения;

• моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов;

• моделирование на основе сплайнов (Spline) с последующим применением модификатора Surface - примитивный аналог NURBS, удобный, однако, для создания объектов со сложными перетекающими формами, которые трудно создать методами полигонального моделирования;

Методы моделирования могут сочетаться друг с другом.
Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.

Стандартный объект «Чайник» (Teapot) входит в этот набор в силу исторических причин: он используется для тестов материалов и освещения в сцене, и, кроме того, давно стал своеобразным символом трёхмерной графики.

SketchUp – программа для моделирования относительно простых трёхмерных объектов – строений, мебели, интерьера. В марте 2006 года была приобретена компанией Google вместе с небольшой фирмой @Last Software. В апреле 2012 Google продал SketchUp компании Trimble Navigation за 90 млн долларов. Существуют две версии программы – бесплатная, ограниченная по функциональности (прежде всего относительно экспортирования в другие форматы), и платная (SketchUp Pro, $590).

По сравнению со многими популярными пакетами данный обладает рядом особенностей, позиционируемых её авторами как преимущества.

Основная особенность – почти полное отсутствие окон предварительных настроек. Все геометрические характеристики во время или сразу после окончания действия инструмента задаются с клавиатуры в поле Value Control Box (поле контроля параметров), которое находится в правом нижнем углу рабочей области, справа от надписи Measurements (панель измерений).

Ещё одна ключевая особенность – это инструмент Push/Pull («Тяни/Толкай»), позволяющий любую плоскость «выдвинуть» в сторону, создав по мере её передвижения новые боковые стенки. Утверждается, что этот инструмент запатентован. Двигать плоскость можно вдоль заранее заданной кривой, для этого есть специальный инструмент Follow Me («Ведение»).

Отсутствие поддержки карт смещения (displacement maps) (англ.) объясняется нацеленностью продукта на непрофессиональную целевую аудиторию.

Так же можно отметить следующие возможности:

• поддержка плагинов для экспорта, визуализации, создания физических эффектов (вращения, движения, взаимодействия созданных объектов между собой и пр.);

• поддержка создания макросов на языке Ruby и вызова их из меню. Макросами можно автоматизировать выполнение повторяющихся действий. Доступна функция загрузки и использования многочисленных готовых макросов, предоставленных другими пользователями;

• поддержка создания «компонентов» – элементов модели, которые могут быть созданы, затем использованы много раз, а потом отредактированы – и изменения, сделанные в компоненте, отразятся во всех местах, где он использован;

• библиотека компонентов (моделей), материалов и стилей рабочей области, которые можно пополнять своими элементами или загружать готовые из сети Интернет;

• инструмент для просмотра модели в разрезе и возможность добавлять к модели выноски с обозначением видимых размеров в стиле чертежей;

• возможность работать со слоями;

• возможность создания динамических объектов (например: открытие дверцы шкафа по клику указателя);

• возможность построения сечений объектов;

• возможность работы со сценами (сцена включает в себя положение камеры и режим отрисовки), и анимировать переходы от сцены к сцене;

• поддержка создания моделей реальных предметов и зданий;

• указание реальных физических размеров, в метрах или дюймах;

• режим осмотра модели «от первого лица», с управлением как в соответствующих 3D-играх;

• имеется возможность устанавливать географически достоверные тени в соответствии с заданными широтой, долготой, временем суток и года;

• интеграция с Google Earth;

• возможность добавить в модель поверхность земли и регулировать её форму  ландшафт;

• программа имеет ряд стандартных материалов, но вы можете добавить свои;

Рис. 2  Выбор материала в SketchUp

К вашей 3D модели можно добавить стандартные компоненты, такие как люди, скамейки, фонари, деревья, 3D текст.

Рис. 3  Рабочее окно SketchUp

Проекты SketchUp сохраняются в формате *.skp. Так же поддерживает импорт и экспорт различных форматов двухмерной растровой и трёхмерной графики, в частности: *.3ds, *.dwg, *.ddf; *.jpg, *.png, *.bmp, *.psd, *.obj.

Импорт растровой графики имеет несколько возможностей: вставка образа в качестве отдельного объекта, в качестве текстуры и в качестве основы для восстановления трёхмерного объекта по фотографии. Экспорт в формат *.jpg осуществляется в качестве снимка с рабочей области окна приложения.

Дополнительно установленные плагины позволяют экспортировать в форматы *.mxs, *.atl, *.dae, *.b3d и т. д. Последующее редактирование экспортированного файла в соответствующих приложениях может осуществляться без каких-либо ограничений. Плагин V-Ray for SketchUp позволяет визуализировать трёхмерные сцены.

Таким образом, SketchUp - хороший и простой редактор для создания моделей зданий.

Blender – свободный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки видео, а также создания интерактивных игр.

Blender был разработан как рабочий инструмент голландской анимационной студией NeoGeo (не имеет отношения к игровой консоли Neo-Geo). В июне 1998 года автор Blender’а, Тон Розендаль (Ton Roosendaal), основал компанию Not a Number (NaN) с целью дальнейшего развития и сопровождения Blender. Программа распространялась по принципу shareware.

В 2002 году компания NaN обанкротилась. Усилиями Тона Розендаля кредиторы соглашаются на изменение лицензии распространения Blender в пользу GNU GPL с условием единовременной выплаты €100000. 18 июля 2002 года началась программа по сбору спонсорских пожертвований на покрытие необходимой суммы. Уже 7 сентября 2002 года было объявлено о том, что необходимая сумма набрана, и о планах перевести в ближайшее время исходный код и сам Blender под лицензию GPL.

13 октября 2002 года компания Blender Foundation представила лицензированный под GNU GPL продукт. В настоящее время Blender является проектом с открытым исходным кодом и развивается при активной поддержке Blender Foundation.

Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер. Установленный пакет занимает от 30 до 45 МБ. В базовую поставку не входят развёрнутая документация и большое количество демонстрационных сцен.

Функции пакета:

• поддержка разнообразных геометрических примитивов, включая полигональные модели, систему быстрого моделирования в режиме subdivision surface (SubSurf), кривые Безье, поверхности NURBS, metaballs (метасферы), скульптурное моделирование и векторные шрифты;

• универсальные встроенные механизмы рендеринга и интеграция с внешним рендерером YafRay, LuxRender и многими другими;

• инструменты анимации, среди которых инверсная кинематика, скелетная анимация и сеточная деформация, анимация по ключевым кадрам, нелинейная анимация, редактирование весовых коэффициентов вершин, ограничители, динамика мягких тел (включая определение коллизий объектов при взаимодействии), динамика твёрдых тел на основе физического движка Bullet, система волос на основе частиц и система частиц с поддержкой коллизий;

• Python используется как средство создания инструментов и прототипов, системы логики в играх, как средство импорта/экспорта файлов (например COLLADA), автоматизации задач;

• базовые функции нелинейного редактирования и комбинирования видео;

• Game Blender – подпроект Blender, предоставляющий интерактивные функции, такие как определение коллизий, движок динамики и программируемая логика. Также он позволяет создавать отдельные real-time приложения начиная от архитектурной визуализации до видео игр;

• поддерживаемые 2D форматы: TGA, JPG, PNG, OpenEXR, DPX, Cineon, Radiance HDR, Iris, SGI Movie, IFF, AVI и Quicktime GIF, TIFF, PSD, MOV (Windows и Mac OS X);

Поддерживаемые 3D форматы: 3D Studio, AC3D, COLLADA, FBX Export, DXF, Wavefront OBJ, DEC Object File Format, DirectX, Lightwave, MD2, Motion Capture, Nendo, OpenFlight, PLY, Pro Engineer, Radiosity, Raw Triangle, Softimage, STL, TrueSpace, VideoScape, VRML, VRML97, X3D Extensible 3D, xfig экспорт.

Рис. 4  Рабочее окно программы Blender

Blender имел репутацию программы, сложной для изучения. Практически каждая функция имеет соответствующее ей сочетание клавиш, и учитывая количество возможностей, предоставляемых Blender, каждая клавиша включена в более чем одно сочетание (shortcut). C тех пор как Blender стал проектом с открытым исходным кодом, были добавлены полные контекстные меню ко всем функциям, а использование инструментов сделано более логичным и гибким. Прибавим сюда дальнейшее улучшение пользовательского интерфейса с введением цветовых схем, прозрачных плавающих элементов, новой системой просмотра дерева объектов и разными мелкими изменениями.

Отличительные особенности интерфейса пользователя.

• Режимы редактирования. Два основных режима Объектный режим (Object mode) и Режим редактирования (Edit mode), которые переключаются клавишей Tab. Объектный режим в основном используется для манипуляций с индивидуальными объектами, в то время как режим редактирования – для манипуляций с фактическими данными объекта. К примеру, для полигональной модели в объектном режиме мы можем перемещать, изменять размер и вращать модель целиком, а режим редактирования используется для манипуляции отдельных вершин конкретной модели. Также имеются несколько других режимов, таких как Vertex Paint и UV Face select;

• Широкое использование горячих клавиш. Большинство команд выполняется с клавиатуры. До появления 2.x и особенно 2.3x версии, это был единственный путь выполнять команды, и это было самой большой причиной создания репутации Blender’y как сложной для изучения программы. Новая версия имеет более полное графическое меню;

• Управление рабочим пространством. Графический интерфейс Blender’а состоит из одного или нескольких экранов, каждый из которых может быть разделён на секции и подсекции, которые могут быть любой частью интерфейса Blender’a. Графические элементы каждой секции могут контролироваться теми же инструментами, что и для манипуляции в 3D пространстве, для примера можно уменьшать и увеличивать кнопки инструментов тем же путём, что и в 3D просмотре. Пользователь полностью контролирует расположение и организацию графического интерфейса, это делает возможным настройку интерфейса под конкретные задачи, такие как редактирование видео, UV mapping и текстурирование, и сокрытие элементов интерфейса которые не нужны для данной задачи. Этот стиль графического интерфейса очень похож на стиль, используемый в редакторе UnrealEd карт для игры Unreal Tournament;

• Стоит отметить, что для разных режимов работы можно выбрать различные интерфейсы: для анимации один, для моделирования другой.
  Для моделирования Blender поддерживает множество стандартных геометрических форм, кривые Бизье, NURBS поверхности, скульптурное моделирование, subdivision surface, интерактивное раскрашивание вершин, быстрое создание скелете и многое другое.

В отличие от многих бесплатных 3D редакторов, Blender ещё умеет и создавать анимацию. Для этого программа поддерживает: скелетную анимацию, нелинейную анимацию (и редактор для этого), морфинг, инверсную кинематику, различные привязки ключевых кадров, скриптовый язык Python и многое другое.

Рис. 5  Создание анимации в Blender

Хотя Blender’y (для версии 2.41) ещё недостаёт возможностей патентованного программного обеспечения (таких как N-гон моделирование), рабочее пространство Blender’а считается одним из самых новаторских концепций графического интерфейса для графических инструментов и вдохновлённым дизайном графического интерфейса патентованных программ, таких как Luxology’s Modo.

Дополнительные особенности:

• в программе Blender объект (сущность, взаимодействующая с окружающим миром) и его данные (форма или функции объекта) разделяемы. Отношение Объект-Данные представляется отношением 1:n (термин, относящийся к теории баз данных, обозначает возможность нескольких объектов использовать одни и те же данные – один ко многим или сюрьекция) и динамически связаны между собой, позволяя использовать некоторые процессы быстрого моделирования, уникальные для Blender;

• внутренняя файловая система, позволяющая хранить несколько сцен в едином файле (называемом .blend файл);

• все «.blend» файлы совместимы как с более старыми, так и с более новыми версиями Blender. Так же все они переносимы с одной платформы на другую и могут использоваться как средство переноса созданных ранее работ;

• Blender делает резервные копии проектов во время всей работы программы, что позволяет сохранить данные при непредвиденных обстоятельствах;

• все сцены, объекты, материалы, текстуры, звуки, изображения, post-production эффекты могут быть сохранены в единый «.blend» файл;

• настройки рабочей среды могут быть сохранены в «.blend» файл, благодаря чему при загрузке файла вы получите именно то, что сохранили в него. Файл можно сохранить как «пользовательский по умолчанию», и каждый раз при запуске Blender вы будете получать необходимый набор объектов и подготовленный к работе интерфейс;

Тем не менее, внутреннее содержание «.blend» файла менее похоже на структурированное описание объектов и их взаимоотношений, и более близко к прямому дампу области памяти программы. Это делает практически невозможным преобразование «.blend» файлов в другие форматы. При этом следует заметить весьма продвинутый механизм экспорта в разнообразные форматы, такие как obj, dxf, stl, 3ds и прочие (список постепенно растёт);

Blender - очень хороший бесплатный аналог платных 3D редакторов, таких как 3D Max. Возможно, его интерфейс будет непривычен и придётся переучивать для работы с ним.

Art of Illusion - простая и удобная программа для трёхмерного моделирования, анимации и рендеринга. Программа имеет широчайший набор функций и возможностей, которые, как правило, присущи только коммерческим приложениям. Но тем не менее она обладает доступным интерфейсом и процесс создания объектов проходит весьма наглядно. Имеет инструменты для моделирования поверхностей, текстур и материалов, анимации человеческого скелета.
Рис. 6  Рабочее окно Art of Illusion

SketchUp - простой, бесплатный 3D редактор для создания 3D моделей зданий. Интерфейс программы представляет из себя 3D пространство, в котором вы можете изменять позицию камеры, перемещать объекты.

Основные возможности Art of Illusion:

• интерфейс состоит из списка объектов, окон моделирования и панели анимации;

• сетка и режимы отображения такие как Wireframe, Smooth, Textured;

• поддержка геометрических примитивов: куб, сфера, конус, труба, кривые и т.д.;

• моделирование с использованием булевых операций;

• анимация: скелетная анимацмя, позы и жесты, эффекты искажения при изгибах и поворотах;

• создание процедурных текстур и материалов;

• всплывающие подсказки и описательные элементы управления;

• встроенная документация и система справки;

• функциональность программы расширяется с помощью дополнительных плагинов или скриптов.

Рис. 7  Окно установки Art of Illusion

Рис. 8  Окно работы с объектом

1. 3D редактор Gmax

Gmax – это программа для создания 3D-графики и анимации. Она представляет собой упрощенную версию всемирно-известной программы 3ds Max, которая считается стандартном de facto в мире профессионалов трехмерной графики. Однако 3ds Max – коммерческая программа, стоимость которой составляет более 150 000 рублей (версия 3ds Max 2008). В то же время Gmax – бесплатная программа, разработанная той же фирмой Autodesk (ранее она называлась Discreet) на основе версии 3D Studio 3.1.

Рис. 9  Эмблема Gmax

По задумке фирмы Autodesk, основное назначение Gmax– разработка различных моделей для трехмерных игр (типа Quake, Flight Sim и др.) Однако ее можно с успехом применять для начального освоения 3D-графики. Тем более, что интерфейс и основные методы работы в Gmax точно такие же, как и у профессиональной программы 3ds Max.

К сожалению, в октябре 2005 года фирма Autodesk прекратила поддержку Gmax, однако эта программа доступна для скачивания на сайте [11] www.turbosquid.com.

Программа Gmax позволяет

• создавать трехмерные модели;

• применять к моделям материалы;

• настраивать освещение;

• создавать анимацию с 3D-объектами.

При этом есть и недостатки:

• поддерживаются далеко не все возможности 3ds Max, особенно современных версий;

• отсутствует рендеринг (визуализация) – построение фотореалистичного изображения и анимации.

Усилиями энтузиастов вторую проблему удалось частично решить, используя бесплатную программу YafRay (сайт www.yafray.org). Хотя создание анимационных роликов (формата AVI) она не поддерживает, только рендеринг по одному кадру.

Файлы 3D-сцен, созданные в Gmax, имеют расширение *.gmax. Это особый формат, который не читают никакие другие программы. Однако можно установить дополнительные модули (экспортеры), которые позволяют записать сцены в других (более распространенных) форматах и таким образом передать модели в другую программу, например в 3ds Max.

Системные требования:

• операционная система WindowsR 98 или выше;

• процессор Intel или AMD с тактовой частотой 300 MHz или выше;

• оперативная память не менее 128 Мб;

• файл подкачки не менее 300 Мб;

• графическая карта, поддерживающая режим 1024x768 при 16-битном кодировании цвета;

• аппаратная поддержка OpenGL или DirectX.

Перенос моделей из 3ds max и обратно:

В Интернете существует множество бесплатных моделей, большинство которых записано в формате *.3ds (формат первых версий 3ds max). К счастью, такие модели легко загружаются на сцену Gmax с помощью команды меню File–Import. Также можно загружать и модели, сделанные в AutoCAD (файлы *.dxf). Конечно, те функции, которые Gmax не поддерживает, при этом теряются.

Если модель создана в одной из современных версий 3ds max (файлы с расширением *.max), их можно экспортировать из 3ds max в формат *.3ds.

Экспорт моделей Gmax возможен (без установки дополнительных модулей) только в формат Plasma (файлы *.p3d), с которыми 3ds max работать не умеет.

В некоторых случаях удается использовать промежуточные форматы (например, формат *.ms3d), но программы преобразования работают нестабильно.

Главное окно программы показано на рисунке:

Рис. 10  Окно программы

Сверху расположены меню и кнопочная панель инструментов:

Рис. 11  Панель инструментов

Часто панель инструментов не помещается на экран. В этом случае можно перетащить ее влево или вправо, схватив за любое место, свободное от кнопок (верхнюю или нижнюю границу, вертикальный разделитель-черточку между кнопками).

Интерфейс программы (панели инструментов, «горячие клавиши», меню) можно полностью настроить на свой вкус, выбрав пункт меню Customize–Customize User Interface. Например, можно создать собственную панель инструментов или добавить какие-то команды в контекстное меню.

Для представления об объемной фигуре одного рисунка недостаточно, поэтому используются четыре окна проекций, занимающие основную часть окна: Top (вид сверху), Front (вид спереди), Left (вид слева) и Perspective (перспектива).

Перспективная проекция (в отличие от первых трех) учитывает перспективные искажения, то есть изображение объекта будет тем меньше, чем оно дальше от наблюдателя. Остальные проекции (не учитывающие искажения) называются ортографическими.

Одно окно проекций – активное, оно выделяется дополнительной серой рамкой (на рисунке окно Top). Щелчком мыши можно сделать активным любое окно.

Кроме того, на сцену можно посмотреть справа (Right), снизу (Bottom) и сзади (Back). Для того, чтобы изменить вид в каком-то окне, надо щелкнуть правой кнопкой мыши на названии проекции и выбрать нужный вариант из подменю Views (виды).

Справа от окон проекций расположена командная панель, с помощью которой создаются и редактируются элементы сцены.

Под проекциями вы видите шкалу анимации (с числами на зеленоватом фоне)

Рис. 12  Шкала кадров

еще ниже – блок управления анимацией и панель управления видами

Рис. 13  Панель проигрывания анимации и панель работы с видами

Выводы: Узнали что такое моделирование и 3D редактор. Рассмотрели различные 3D редакторы. Узнали их возможности, отличительные особенности. Подобно изучили программу Gmax. Познакомились с её интерфейсом.

1. Практическое изучение свободных редакторы 3D-графики

2.1 Создание плоских фигур в Gmax

Для создания новой сцены нужно выбрать пункт меню File–New (Файл – Новый) или нажать клавиши Ctrl+N. Если сцена, с которой вы работали, не была сохранена, будет предложено сохранить ее. После этого на экране появится диалоговое окно:

Рис. 14  Меню сохранения проекта

При выборе первого варианта (Keep Objects and Hierarchy, Сохранить объекты и иерархию) удаляются только ключевые кадры анимации, при втором варианте (Keep Objects, Сохранить объекты) – анимация и связи между объектами (сами объекты сохраняются), в последнем случае (New All, Все новое) создается новая пустая сцена.

Существует еще один вариант создания новой сцены – применить команду File–Reset (Файл – Сброс). Это равносильно тому, чтобы закрыть программу и запустить ее заново. При этом сбрасываются все настройки сеанса (например, характеристики видов в окнах проекций). Создайте новую пустую сцену, выбрав команду File–Reset.

Координаты всех объектов задаются в трехмерном пространстве в прямоугольной системе координат с взаимно перпендикулярными осями X, Y и Z. Направление этих осей показано на рисунке:

Рис. 15  Окно видов

Ось Y на перспективной проекции направлена от наблюдателя вглубь сцены. На рабочем поле оси показаны черными линиями.

Все размеры и координаты по умолчанию задаются в условных единицах, принятых в программе Gmax, однако с помощью меню Customize–Unit Setup (Настройка–Единицы измерения) можно установить другие единицы: метры, сантиметры, футы и т.д.

2.2 Создание трёхмерного объекта

Задача №1. Создать фигуру сфера и вырезать из неё сектор.

Большинство объектов трехмерных сцен, включая автомобили, персонажи, дома, строятся на основе базовых геометрических фигур: параллелепипедов, сфер, цилиндров и т.п., к которым затем применяются разные преобразования.

Эти фигуры создаются в Gmax с помощью панели Create (Создать), которая находится в правой части окна:

Используя панель Create, можно создать геометрические фигуры, сплайны (линии), источники света, камеры и другие объекты сцены.

На рисунке «включена» кнопка, то есть выбрана группа Geometry (Геометрия). Для создания новой фигуры нужно щелкнуть по одной из кнопок:

• Box – параллелепипед (брусок);

• Sphere – сфера;

• Cylinder – цилиндр;

• Torus – тор;

• Plane – плоскость;

• Cone – конус;

• GeoSphere – геосфера (почти то же самое, что и сфера, но имеет несколько иную структуру);

• Tube – трубка;

• Teapot – чайник;

и определить размеры фигуры, перетаскивая мышь при нажатой левой кнопке в окне одной из проекций.

Проще всего создать сферу. Для этого нужно щелкнуть по кнопке Sphere на панели Geometry (она станет выделенной), щелкнуть в окне любой проекции и протащить мышку, не отпуская левую кнопку.

Если мы строим сферу в окнах ортографических проекций (любых, кроме перспективной), ее опорная точка (Pivot) – центр – всегда совпадает с базовой плоскостью, перпендикулярной наблюдателю. Так при рисовании в проекции Front центр сферы будет иметь нулевую координату по оси Y, то есть находиться в плоскости XZ (проверьте это, посмотрев на окна Left и Top).

Если сфера создается в окне Perspective, ее центр находится в плоскости XY (она обозначена сеткой).

В свитке Name and Color (Название и цвет) на панели Create вы видите автоматически созданное имя объекта и цвет, выбранный случайным образом.

Рис. 16  Окно установки цвета

Имя редактируется прямо в этом окне, а щелкнув по квадратику с цветом, можно выбрать новый цвет из палитры.

Рис. 17  Палитра цветов

Если сбросить флажок Assign Random Colors (Присваивать случайный цвет), все следующие объекты (не только сферы!) будут иметь тот цвет, который вы сейчас выбрали.

Для удаления объекта нужно выделить его и нажать клавишу Delete.

Сфера (также, как и параллелепипед, цилиндр и др.) полностью определяется набором параметров (чисел). Такие объекты называются параметрическими, поскольку их изменение сводится только к изменению параметров. Отдельные элементы (вершины, ребра, грани) перемещать нельзя, поэтому из сферы никак нельзя сделать куб, пока она не преобразована к специальному виду.

Когда создается новый объект, его параметры появляются на панели Geometry.

Рис. 18  Окно настройки размера объекта

Для сферы можно менять:

• Radius – радиус;

• Segments – число сегментов сетки;

• Smooth – флажок сглаживания, если его сбросить, то у сферы будут резкие углы на гранях и вершинах;

• Hemisphere – усечение в долях от общей высоты (от 0 до 1), учечение 0,5 соответствует полусфере;

• Chop – при усечении размер граней не меняется;

• Squash – при усечении грани становятся меньше;

• Slice On – вырезать кусок сферы, например, вот так:

Рис. 19  вырезанный сектор сферы

• Slice From и Slice On определяют начальный и конечный угол вырезаемого куска в градусах, отсчет против часовой стрелки;

• Base to Pivot – если этот флажок установлен, нижняя граница сферы при усечении (изменении параметра Hemisphere) опускается до опорной точки;

• Generate Mapping Coords – генерировать координаты для наложения текстуры.

Для изменения числовых параметров используются специальные элементы с полем ввода и стрелками в правой части:

Нужное точное значение можно ввести с клавиатуры, а для изменения существующего числа можно нажать левую кноку мыши на одной из стрелок и, не отпуская ее, протянуть вверх (для увелиения) или вниз (для уменьшения).

Если мы вышли из режима создания сферы, щелкнув правой кнопкой мыши, свиток Parameters исчезает с панели Geometry. Для того, чтобы изменить параметры ранее созданного объекта, нужно выделить его щелчком мыши (при включенной кнопке ) и сделать активной страницу Modify (Изменить) панели команд:

Рис. 20  Окно характеристик объекта

На этой странице вы найдете все параметры выделенного объекта и сможете их изменить.

2.2 Создание трёхмерной модели

Задача №2. Создать модель снеговика.

Снеговика делаем из простых фигур, объединяя их вместе, изменяя их параметры. Тело и голову делаем их сфер. На голове размещаем нос и шапку похожую на ведро. Их можно сделать из конуса.

С помощью объекта Cone можно построить как полный, так и усеченный конус.

Рис. 21  различные виды конусов

Первым щелчком мыши вы задаете центр основания, затем нужно протянуть мышь в окне, изменяя радиус. Когда вы отпустите кнопку мыши, радиус зафиксируется, теперь нужно определить высоту и зафиксировать ее новым щелчком мыши. Наконец, последний щелчок определяет радиус усечения.

Среди параметров надо отметить

• Radius 1 — радиус основания;

• Radius 2 — радиус усеченной части («верхушки»).

Остальные параметры изменяются в меню Modify (Изменить).

Теперь нужно сделать глаза и рот.

Глаза делаем тоже из сфер, только маленького радиуса, и утопляем их в голову.

Рот делаем их фигуры Тор (Torus).

Тор — это геометрическая фигура, напоминающая по форме бублик:

Рис. 22  фигура тор

Основные параметры тора:

• Radius 1 — радиус окружности, проходящей по центру тора;

• Radius 2 — радиус сечения (половина толщины бублика);

• Rotation — вращение сетки ребер;

• Twist — скручивание тора;

• Segments — число сегментов по окружности;

• Sides — число сегментов по сечению.

Чтобы увидеть влияние последних четырех параметров, нужно включить режим Wireframe (Каркас) или Edged Faces (показывать грани с ребрами).

В группе радиокнопок Smooth (Сглаживание) можно выбрать варианты All (Все), Sides (Стороны), Segments (Сегменты) и None (Ничего).

Параметры Slice On, Slice From, Slice To имеют тот же смысл, что и для сферы.

Тор можно расположить на голове так чтобы он был похож на улыбку, а можно оставить так как есть. Это кому как нравится.

Рис. 23  голова снеговика

Руки делаем из сфер.

Рис. 24  полное тело снеговика

Осталось сделать только ноги. Их делаем так же из сфер. Можно сделать ноги из усечённых сфер изменив параметры:

Рис. 25  Настройка параметров

В итоге получается улыбающийся снеговик:

Рис. 26  Снеговик

2.3 Создание анимации

Задача №3. Сделать движущегося снеговика.

Словом анимация называют «оживление» изображения, то есть его изменение во времени. Программа Gmax позволяет менять форму и свойства объектов, их взаимное расположение, положение камеры и т.д.

Эффект анимации основа на том, что человек воспринимает быструю смену изображения (с частотой 25 кадров в секунду и более) как непрерывное движение. Поэтому анимация (в кино и на компьютере) строится как последовательность статических (неподвижных) изображений (кадров), сменяющих друг друга с высокой частотой.

Под окнами проекций расположена линейка анимации зеленоватого цвета, числа на линейке — это номера кадров.

Рис. 26  Шкала кадров

Над линейкой находится движок, который можно передвигать мышкой. В центральной части движка — два числа: номер текущего кадра и общее количество кадров в анимации. По умолчанию анимация содержит 100 кадров, которые сменяют друг друга со скоростью 30 кадров в секунду, но эти параметры можно изменить в диалоговом окне, щелкнув по кнопке (Time Configuration, Настройка времени) в правой нижней части экрана.

Рис. 26  Окно настройки анимации

С помощью переключателей группы Frame Rate устанавливается частота кадров:

• NTSC — 30 кадров в секунду, стандарт видео, принятый в США и Японии;

• PAL — 25 кадров в секунду, стандарт для видеокассет, принятый в Европе;

• Film — 24 кадра в секунду, стандарт для обычного кино;

• Custom — частота задается пользователем в поле FPS.

Переключатели группы Time Display позволяют выбрать тип отметок на оси времени, чаще всего оставляют вариант Frames (Номера кадров).

Если сбросить флажок Active Viewport Only, анимация будет проигрываться во всех окнах проекций, а не только в активном окне. Переключатели Speed задают скорость воспроизведения по отношению к заданной частоте кадров (вариант 1x означает истинную скорость, 1/2x — замедление в 2 раза).

Чтобы обеспечить заданную скорость при ограниченных ресурсах компьютера, при анимации в окнах проекций некоторые кадры пропускаются. Чтобы этого не происходило, нужно снять флажок Real Time, при этом анимация замедлится.

В полях Start (Начало) и End (Конец) определяются номера начального и конечного кадров анимации, то есть, пределы перемещения движка. В полях Length (Длина) и Frame Count (Счетчик кадров) показаны длина анимированной части и количество кадров. В поле Current Time (Текущее время) выводится номер текущего кадра.

С помощью кнопки Re-scale Time можно изменить масштаб временной шкалы, то есть, изменить номера начального и конечного кадров, передвинув соответственно все ключевые кадры.

Серый прямоугольник на самой линейке отмечает текущий кадр, изображения с которого вы видите в окнах проекций. Стрелки на движке позволяют переходить к предыдущему и следующему кадрам.

После выделения контейнера на линейке анимации некоторые кадры отмечены синим цветом.

Рис. 27  Ключевой кадр

Это так называемые ключевые кадры, в которых задаются значительные изменения на сцене. Остальные кадры (промежуточные) программа строит автоматически. Такой принцип пришел из классической анимации, когда ведущие художники рисовали ключевые кадры фильма, а их менее опытные и талантливые коллеги дорисовывали промежуточные состояния персонажей, выполняя рутинную работу.

Под линейкой анимации справа расположена кнопочная панель управления анимацией, напоминающая панель управления проигрывателя. Она содержит кнопки для перехода на первый кадр, на предыдущий кадр, кнопку для запуска анимации , а также кнопки для перехода на следующий и последний кадр:

При проигрывании на месте кнопки появляется кнопка , с помощью которой можно остановить анимацию. Под кнопкой (Play Animation) находится еще одна кнопка — (Play Selected), с помощью которой можно посмотреть анимацию только выделенных объектов (остальные при этом будут скрыты).

Если щелкнуть правой кнопкой мыши по ключевому кадру (например, по синему квадратику в кадре 50), в контекстном меню мы увидим все созданные ключи.

Рис. 28  Работа с ключами

Если мы будем менять еще какие-то характеристики (например, масштаб или угол поворота), для каждого изменения будет создан свой ключ и все они будут показаны в верхней части контекстного меню.

Щелкнув по названию ключа, можно изменить его настройки в специальном окне. На экране появляется окно с информацией о ключах:

Рис. 29  Параметры ключа

В верхней части мы видим порядковый номер ключевого кадра (здесь — 2), стрелки слева от номера служат для перехода к предыдущему и следующему ключевым кадрам. Чтобы увидеть свойства другого ключевого кадра, можно (не закрывая это окно) просто щелкнуть по нему на шкале анимации.

В поле Time (Время) показан номер этого кадра на временной шкале, нажатие кнопки L (Lock, Заблокировать) запрещает перемещать кадр.

При создании анимации для каждого из изменяемых свойств объекта строится специальный объект — контрóллер, в котором хранятся все изменения. В данном случае мы перемещали шарик, и по умолчанию был создан контроллер Position (Положение), который позволяет изменять одновременно все три координаты опорной точки. Их значения для ключевого кадра можно изменить в полях X Value, Y Value и Z Value.

Кнопки в нижней части показывают, по какому закону меняются координаты около ключевого кадра:

• In (Вход) — непосредственно перед ключевым кадром;

• Out (Выход) — сразу после ключевого кадра.

Щелкнув по этим кнопкам, можно изменить режим, выбрав один из вариантов:

In (Вход)

Smooth — плавный переход;

Linear — линейный переход (движение с постоянной скоростью);

Step — скачкообразный переход;

Slow — замедление при подходе к ключу, ускорение при выходе из ключевого кадра, в ключевом кадре скорость равна нулю;

Fast — ускорение при подходе к ключу, замедление при выходе из ключевого кадра, в ключевом кадре скорость максимальная;

Custom — ручная настройка касательных.

Точно такие же значения и на выходе Out (Выход)

Стрелки слева и справа от кнопок позволяют скопировать выбранный режим со входа выход (стрелка справа от кнопки In), с выхода на вход (стрелка слева от кнопки Out), со входа на выход предыдущего кадра (стрелка слева от кнопки In) и с выхода на вход следующего кадра (стрелка справа от кнопки Out).

Если щелкнуть в этом окне по кнопке Advanced (Расширенный режим), появляются дополнительные элементы управления:

Рис. 30  Расширенное меню параметров ключа

Поля ввода в правой части позволяют регулировать углы наклона касательных к траектории при выборе режима Custom (Ручная настройка), для остальных режимов они заблокированы.

Если отметить флажок Constant Vel. (Постоянная скорость), между этим и следующим ключевыми кадрами будет поддерживаться постоянная скорость. Кнопка Normalize Time перемещает ключевой кадр в середину между двумя соседними ключевыми кадрами.

Щелчок по кнопке Simple (Простой) выключает расширенный режим окна. Эти параметры можно настраивать также на странице Motion (Движение) командной панели.

Рис. 31  Параметры движения

Рис. 32  Снеговик в движении

Рис. 33  Снеговик в движении

Рис. 34  Снеговик в движении

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены возможности современных 3D редакторов. Данная тема актуальна как для учителя, так и для студентов, так как с их помощью можно создать различные модели и явления, которые показать в реальных размерах не представляется возможным. Цель курсовой достигнута. Изучены возможности различных программ. Решены все поставленные задачи, а именно:

1. Выяснено назначение 3D редакторов. 3D редактор – служат для создания трёхмерных моделей объектов. С помощью 3D редакторов можно показать любое явление не зависимо от его масштабов и долготы по времени.

2. Рассмотрены различные редакторы. Их направленность и возможности. Области применения.

3. Подробно рассмотрен редактор Gmax. Рассмотрены его возможности, интерфейс, основные панели.

4. Созданы различные модели. Рассмотрена работа с разными объектами, настройка их параметров. Создана анимация и рассмотрена работа с неё: настройка кадров, изменение видов.

Список использованных источников

1. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхмерная_графика

2. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk_3ds_Max

3. Официальный сайт компании Autodesk [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.autodesk.com/

4. Российский сайт компании Autodesk [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.autodesk.ru/

5. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/SketchUp

6. Официальная страница SketchUp [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sketchup.com/

7. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Blender

8. Официальный сайт Blender [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.blender.org/

9. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Art_of_Illusion

10. Официальный сайт разработчиков Art Of Illusion [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.artofillusion.org/index

11. Официальный сайт для скачивания Gmax [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.turbosquid.com.

12. Авторский сайт Константина Полякова [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kpolyakov.spb.ru/school/3d/gmax.htm