В данной статье мы вкратце расскажем о технологии цифрового 3Д-скульптинга и его ключевых отличиях от классических методов 3Д-моделирования.
Цифровой скульптинг – это метод создания трехмерных объектов из виртуального пластичного материала, обрабатываемого скульптурными приемами при помощи различных программных инструментов. Такой способ лучше всего подходит для высокополигонального трехмерного моделирования реальных и вымышленных персонажей, а также всевозможных разновидностей животных, растений и органических продуктов с максимальным уровнем детализации.
Виды 3Д-моделирования
На сегодняшний день можно выделить три основных способа моделирования трехмерных объектов, каждый из которых предназначен для своих целей и задач.
Полигональное моделирование
Эта разновидность моделирования 3Д-объектов в наши дни является самой популярной. В рамках данной технологии поверхность модели описывается сеткой из плоских полигонов (многоугольников), состоящих из вершин и ребер, образующих грань. Упрощенно такой способ описания поверхностей можно представить в виде сетки из прямоугольников, максимально плотно обтянувшей любой объемный объект от простейшей сферы до самых сложных пространственных конфигураций. Отдельные ячейки такой координатной сетки поверхности принято называть примитивами.
В полигональном моделировании чаще всего применяются примитивы с четырьмя ребрами и реже с тремя, однако при этом больше четырех ребер у примитива быть не может. Поскольку у полигонов и их ребер никаких определенных единиц измерения не существует, то и описываемая ими модель не будет иметь строгой математической точности и абсолютных измеряемых параметров. Такая специфика делает данный способ неприменимым для моделирования реальной архитектуры, техники, деталей и любых других объектов, требующих соблюдения точных размеров и пропорций.
При этом полигональное моделирование идеально подходит для скульптурного творчества и создания моделей органических объектов: реалистичных статуэток людей и животных, фигурок вымышленных персонажей, героев фильмов и компьютерных игр, а также любых других моделей, не требующих соблюдения идеальной геометрической точности, но предполагающих высокую детальность и реалистичность исполнения.
Основным достоинством полигонального 3Д-моделирования является простота и наглядность при изменении геометрии моделей, их состава, размеров, объема и пропорций при помощи виртуальных инструментов, идентичных реальным инструментам скульптора при работе с глиной, что дает практический неограниченные возможности для управления творческим процессом.
К условным недостаткам данного метода моделирования можно отнести то, что чем выше желаемый уровень детализации модели, тем большим количеством все более мелких полигонов она будет описываться, что влечет за собой необходимость значительного наращивания вычислительных мощностей и приводит к усложнению обсчета и увеличению времени обработки более высокодетализированной модели.
NURBS-моделирование
Аббревиатура в названии данной разновидности моделирования в переводе с английского означает «Неоднородный Рациональный B-сплайн» и описывает математический способ представления кривых, являющихся составными частями поверхности создаваемой модели. Похожие математические методы используются в пакетах для создания двумерной векторной графики (Corel Draw, Adobe Illustrator и т.п.).
Основное отличие данного способа 3Д-моделирования от полигонального состоит в идеальной плавности создаваемых поверхностей: NURBS-объект описывается кривыми (сплайнами) и, несмотря на то, что для визуального отображения его поверхность все равно преобразуется в полигональную, сама программная модель сохраняется в кривых.
Принято считать, что данный способ моделирования лучше всего подходит для создания плавных органических форм и объектов, у которых отсутствуют острые края, углы и грани. Однако на практике создание, например, головы человека или фигуры животного по методике NURBS представляет собой гораздо более сложный, трудозатратный и менее привлекательный с точки зрения конечного результата процесс в сравнении с моделированием тех же объектов полигональным способом. Мы считаем, что NURBS-моделирование больше подходит для создания неорганических объектов с несложной пространственной геометрией, нежели для скульптинга реальных людей и вымышленных персонажей.
Точное моделирование в САПр
Аббревиатура САПр расшифровывается как «Системы Автоматизированного Проектирования». В техническом английском такие системы подразделяются на CAD, CAE и CAM: Computer Aided Design, Computer Aided Engineering и Computer Aided Manufacturing.
Все системы автоматизированного проектирования представляют собой сложные программные комплексы для создания технических чертежей, конструкторских разработок и максимально точных моделей твердотелых объектов.
При таком способе создаваемая модель описывается сложной системой математических формул и уравнений, поэтому все поверхности, узлы, детали, размеры и пропорции модели будут абсолютно точными при любом увеличении вплоть до микроскопического масштаба.
Данный способ 3Д-моделирования используется для проектирования реальных объектов, агрегатов, узлов и прочих технических изделий, для которых важна точность исполнения в виртуальном и натуральном виде.
Полигональное скульптурное моделирование
Из краткого описания современных способов трехмерного моделирования объектов очевидно, что для целей скульптинга лучше всего подходит именно полигональное. Теперь внесем ясность в понимание класса полигональности тех или иных моделей и разъясним, почему в одних моделях полигонов на порядки больше, а в других – меньше.
Все трехмерные полигональные модели принято разделять по плотности сетки на следующие условные классы:
• HiPoly – самые высокодетализированные модели с теоретически неограниченным количеством полигонов (на практике – от одного миллиона до нескольких десятков миллионов);
• MidPoly – модели с меньшим в сравнении с HiPoly, но все еще высоким уровнем детализации, необходимым и достаточным для выполнения поставленных задач с учетом расчетных вычислительных мощностей (на практике – от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч полигонов);
• LowPoly – модели с меньшим в сравнении с MidPoly, но все еще приемлемым уровнем детализации, позволяющим использовать модель в динамике с учетом широкого спектра вычислительных мощностей (на практике – от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч полигонов).
Очевидно, что чем большим количеством полигонов описывается модель, тем она более детализирована и реалистична, при этом чем выше данные показатели, тем больше вычислительных ресурсов требуется для работы с ней. Из этого следует, что наращивать полигональность модели до бесконечности не представляется возможным, поскольку рост требуемых для этого вычислительных мощностей будет почти экспоненциальным и мы очень быстро упремся в потолок производительности любой сколь угодно мощной системы. На практике же при финальной подготовке модели для тех или иных целей всегда выбирается компромисс между желаемым уровнем ее детализации и реальной ресурсоемкостью ее обсчета на целевых аппаратных мощностях. Именно такой подход используется при разработке персонажей и окружающих миров для компьютерных, консольных и мобильных 3Д-игр.
Сегодня производительность домашних компьютеров, в особенности игровых, вышла на такой высокий уровень, о котором еще совсем недавно обычным потребителям приходилось только мечтать. И в этой области прогресс идет в ногу со все увеличивающейся обоюдной выгодой производителей железа и софта: более мощный софт требует все более мощных компьютеров, а более мощные компьютеры располагают к разработке еще более навороченного и ресурсоемкого софта.
В наши дни Прогресс в области аппаратных возможностей персональных компьютеров во многом обусловлены бурным развитием игровой и видеопродакшн-индустрии, но результатами такого прогресса пользуются еще и многие профессионалы из других областей. Так современные многоядерные процессоры с огромной тактовой частотой, высокопроизводительные видеокарты, скоростные SSD-диски и еще более скоростная оперативная память позволяют с комфортом заниматься скульптурным моделированием и дальнейшей доводкой высокореалистичных и высокодетализированных органических объектов с сеткой величиной вплоть до нескольких десятков миллионов полигонов. Несмотря на то, что для создания большинства высокополигональных скульптов умопомрачительных вычислительных мощностей и максимальной производительности топовой системы может и не потребоваться, все же для ретопологии, текстурирования и рендеринга лучше иметь систему помощнее, которая по 3Д-бенчмаркам будет не ниже уровня крепкого современного игрового ПК.
Особенности Цифрового 3Д-скульптинга
Поскольку процесс создания цифрового скульпта представляет собой компьютерную имитацию ручной лепки из куска глины, то все реальные техники и приемы работы на натуре применимы и здесь за исключением того, что создаваемый объект до момента его распечатки на 3Д-принтере невозможно почувствовать руками.
В специализированном 3Д-редакторе виртуальный пластичный материал с изначально заданной формой подвергается необходимым деформациям при помощи широкого набора инструментов. Обобщенно процесс выглядит следующим образом: Скульптор сначала придает материалу общую форму, затем вылепливает крупные детали, а после этого приступает к более мелким, попутно внося необходимые корректировки на крупном, среднем и мелком масштабе.
Для создания цифровых скульптов используются преимущественно две технологии трехмерного моделирования:
• полигональная, описанная выше – Работа ведется с объемной моделью, которая представляет собой поверхность из совокупности полигонов. Слабая сторона данной технологии состоит в том, что скульптор работает фактически с полыми объектами, ограниченными замкнутой полигональной поверхностью, поэтому с ее помощью трудно реалистично имитировать воду, почву и различные объекты с неоднородным внутренним наполнением;
• воксельная – воксел, или воксель представляет собой трехмерный аналог обычного пикселя на трехмерной координатной сетке с регулярными интервалами. Данная технология предоставляет скульптору максимальную свободу в редактировании формы, при этом процесс виртуальной лепки очень похож на процесс лепки из настоящей глины. Технология позволяет реалистично имитировать воду, грунт, горы и различные объекты с внутренним наполнением.
Преимущества цифрового 3Д-скульптинга
У данной технологии есть масса преимуществ перед классическим ручным созданием скульптур из глины, гипса или скульптурного пластилина:
• отсутствие необходимости в подходящих расходных материалах и наличии отдельной мастерской;
• гибкость контроля за любыми действиями и манипуляциями;
• наглядность, позволяющая моментально оценивать результат текущей работы в каком угодно разрезе и под любым углом зрения;
• удобство, обусловленное возможностью создания отдельных составных частей скульптурных объектов с их последующим комбинированием в любых конфигурациях;
• любой желаемый уровень детализации создаваемой модели;
• широкий набор всевозможных виртуальных инструментов, приемов и техник;
• возможность импорта и интегрирования различных объектов из других программ трехмерного моделирования;
• возможность неограниченного тиражирования экземпляров созданной работы, распечатанных на 3Д-принтере;
• меньшие временные и трудовые затраты.
Программное обеспечение для 3Д-скульптинга
Для творческого 3Д-скульптинга в первую очередь используют специально предназначенные для этого программы и гораздо реже трехмерные редакторы более универсальной направленности, а также ряд вспомогательных программ и инструментов. К самым популярным и наиболее мощным пакетам для скульптинга относятся:
• ZBrush – программа с богатым функционалом, большим набором инструментов, функциями текстурирования и широкими возможностями интеграции с 2D- и 3Д-пакетами;
• Blender – одна из самых старых программ для скульптинга, дополненная рендерингом, возможностью ретопологии, создания анимации, постобработки и видеомонтажа;
• Autodesk Mudbox – программа для моделирования и текстурирования, создания карт неровностей, нормалей и замещения.
К вспомогательным программам, в которых присутствует ограниченный функционал для скульптинга, можно отнести классические трехмерные редакторы: Autodesk 3ds Maxx, Autodesk Maya, Google SketchUp, Maxon Cinema 4D и подобные им.
Однако моделирование трехмерных органических объектов не ограничивается только лишь созданием скульпта, поскольку до состояния готовой работы скульпт проходит еще целый ряд отдельных технологических и творческих стадий: ретопологии, текстурирования, раскрашивания и рендеринга, более подробно о которых читайте в одной из наших следующих статей. Каждый из этих этапов доводки модели может быть осуществлен как средствами одного универсального программного пакета, так и при помощи нескольких отдельных редакторов, предоставляющих наилучший функционал и возможности для определенных целей.
Перспективы 3Д-скульптинга
Цифровой 3Д-скульптинг сегодня считается одним из самых творческих, интересных и перспективных направлений в трехмерном моделировании. Эта относительно молодая технология даже на своем текущем этапе развития позволяет создавать высокодетализированные персонажи и реалистичные объекты, востребованные в эпоху интерактивных компьютерных игр, виртуальной и дополненной реальности, а также широкого применения трехмерной графики и сложных визуальных эффектов в киноиндустрии.
Если вы – творчески и художественно одаренный человек, желающий создавать новые персонажи в новых мирах, то рекомендуем вам рассмотреть профессию 3Д-художника в качестве основной, поскольку в современном мире мало что развивается такими же семимильными шагами, как глобальная индустрия 3Д, а по-настоящему квалифицированные специалисты по 3Д-графике будут оставаться востребованными пока существуют люди и компьютеры.