Самая первая программа для 3д моделирования
Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (или САПР) используется художниками-графиками, архитекторами, дизайнерами интерьеров, инженерами и многими другими при создании эскизов, технических чертежей, визуализаций для различных целей.
Генеральные подрядчики, строители, производители и смежные области используют эти возможности для представления готового проекта, а также для облегчения создания самого продукта. Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, это ПО для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования, но они имеют свою специфику.Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров. А уже в начале 60 системы подготовки производства.
3D CAD дизайн позволяет манипулировать, извлекать 2D и отображать надежные технические данные в реалистичную модель. Павел Самута
3D CAD дизайн позволяет манипулировать, извлекать и отображать надежные технические данные в реалистичную модель. В отличие от плоских чертежей и двумерных чертежей, опции 3D-рендеринга создают виртуальную среду, которая может быть представлена и даже изменена в режиме реального времени. Разумеется, не так уж сложно представить множество важных и разнообразных преимуществ таких рабочих моделей для ряда профессий.
Производители могут создавать виртуальные прототипы нового продукта и видеть его использование и потенциальные проблемы, не создавая физическое устройство. Павел Самута
Например, архитекторы-проектировщики и их клиенты могут видеть, как может выглядеть проект, когда он полностью завершен до того, как фундамент заложен. Производители могут создавать виртуальные прототипы нового продукта и видеть его использование и потенциальные проблемы, не создавая физическое устройство. Инженеры могут создавать рабочие трехмерные модели инфраструктуры, которые города используют, чтобы в конечном итоге влиять на основные процессы принятия решений по построению новых дорожных развязок с учетом загруженности магистралей.
Все это, как говорится, не всегда было так. Во времена, предшествовавшие программному обеспечению для автоматизированного проектирования, рисовальщику и женщинам приходилось вручную чертить каждый эскиз и рабочий чертеж, независимо от того, насколько он утомителен (и он всегда был утомительным). Это забирало невероятно много времени и труда.
По истечении этого времени, но еще до появления компьютерного трехмерного моделирования, программное обеспечение для автоматизированного проектирования позволяло выполнять только базовые, фундаментальные, двумерные работы по рисованию.
Хотя это, безусловно, было полезным и улучшением по сравнению с нарисованными от руки методами, оно не заменяло необходимость завершения некоторого физического создания в процессе производства.
Учитывая, как далеко продвинулся этот процесс, стоит взглянуть на то, с чего он начался и как он попал туда, где он сейчас находится. Попутно полезно рассмотреть различные методы и процедуры, благодаря которым 3D CAD спроектировал инструмент, которым он является. Это обеспечивает дополнительный контекст и взгляд на то, как художники, дизайнеры и инженеры теперь делают свою работу более ценной и более эффективной одновременно.
Начало программного обеспечения для автоматизированного проектирования и 3D CAD проектирования восходит к середине двадцатого века. На самом деле, не стоит преуменьшать, что большая часть этого восходит к одному человеку, инженеру по имени Патрик Ханратти, отцу всего этого. В самом начале, когда он вышел из службы, и понятия не имел, что собирается делать, так как до этого его учили быть певцом. Его голосовые связки и легкие были повреждены в результате крушения B-29, в котором он выжил. Он должен был найти другую профессию. Одним из уроков, которые он должен был пройти, будучи стрелком с дистанционным управлением, был компьютерный курс. Компьютеры в те времена означали аналоговые компьютеры. Почти случайно обнаружил свою страсть к вычислительной технике и программированию, отвечая на вопросы газетных объявлений о поиске программистов в его родном городе Сан-Диего после возвращения из службы в ВВС во время корейской войны. Несмотря на отсутствие даже образования в колледже, Ханратти в 1954 году успешно начал карьеру программиста в авистроительной компании Convair. После того как Ханратти был нанят в подразделение Convair компании General Dynamic, он быстро освоил программирование, без какой-либо формальной подготовки. IBM 650 была первой машиной, на которой он работал. И параллельно с этим научился программировать Univac Scientific 1103-A от Сперри Рэнда.
Затем он перешел в компанию General Electric, которая опубликовала в газете объявление о том, что они создают компьютерную компанию в Фениксе, в 1957 году Патрик Дж. Ханратти где создал свой первый CAM-пакет PRONTO (Programme for Numerical Tooling Operations) это был язык системы CAM 2½ оси, который позволял программистам создавать движения инструмента для обработки деталей. Для управления машиной была изготовлена бумажная перфокарта, и она получила премию имени Джозефа Мари Жаккарда [в 1982 году от Общества числового контроля]. Позже - Machine Tool Director (MTD). Примерно в то же время Ханратти также начал работать в области компьютерной графики, что до того момента делали очень немногие.
Patrick Hanratty - пионер отрасли CAD/CAM, основатель компании Manufacturing and Consulting Services (MSC). Павел Самута
В 1962 году Ханратти покинул GE, чтобы присоединиться к General Motors Corp. (Детройт), где он был частью команды в исследовательских лабораториях GM, расположенных в Техническом центре автопроизводителя (Уоррен, Мичиган). В GM Ханратти разработал графику для проекта GM DAC (Design Augmented by Computers), работая над экспериментальной обработкой, решая задачи, связанные с трех-, четырех- и пятиосевой обработкой поверхности.
Эта оригинальная программа САПР могла включать в себя адаптивную визуальную графику для пользователя, беспрецедентную разработку в вычислительной технике, пусть даже и двумерную по своей природе.
Первоначально система использовалась главным образом в автомобильной промышленности, и в конечном итоге она устарела, и на ее место пришла другая система.
В 1967 работал в Astronautics Corporation. После того, как Astronautics Corporation была поглощена McDonnel Douglas, из-за этого Ханратти начал свое собственное предприятие в 1970-х годах, чтобы создать и продать новое решение для разработки САПР.
В 1970 Ханратти основал собственную компанию Integrated Computer Systems ICS (позже перименованную в MSC) , где он и его команда разработали систему CAD / CAM для миникомпьютеров Redcor с использованием TPL (язык программирования). Несмотря на высокую оценку, программное обеспечение ICS INTERAPT не стало коммерческим успехом из-за узкой динамики реализации программного обеспечения и того факта, что Ханратти написал код на языке программирования, который на самом деле мало кто знал (это был его собственный, на самом деле), компания не просуществовала долго. В конце концов, Ханратти наконец-то добился коммерческого успеха в новой компании под названием Manufacturing and Consulting Services. Среди продуктов MSC такие известные системы как INTERART, ADAM, ANVILL. Его новое программное обеспечение называлось ADAM (Automated Drafting and Machining). которое в то время считалось единственной коммерчески доступной системой черчения и обработки, и оно учитывало интегративную и адаптивную систему для графического представления, технического рисования и производства.
Он написал программу на широко понятном и используемом языке программирования и создал ее для работы практически с любым доступным в то время вычислительным устройством, что, безусловно, помогло добиться благоприятного результата. С 1980-х годов пришли компьютерные терминалы UNIX, и весь ландшафт изменился. MCS продолжила разработку более механического САПР и программного обеспечения для производства, сначала с пакетом AD-2000, а затем с ПК и системами ANVIL CAD / CAM на базе UNIX. ANVIL был невероятно захватывающим продуктом в то время, потому что он действительно работал хорошо и преодолел ограничения, типичные для продуктов на базе ПК того времени. Тогда Ханратти был уже легендой. Он был блестящим и самоуверенным гением, который был в состоянии, когда он мог делать практически все, что хотел.
Поверхностные модели в программном обеспечении Ханратти ANVIL-5000 от MCS включали как каркасную, так и затененную версии. Павел Самута
Опираясь на новаторскую технологию, которая намного опережала остальную часть рынка, ANVIL-5000 реализовал согласованный пользовательский интерфейс для всех приложений, а также базу данных двойной точности для каркасных, поверхностных и твердотельных моделей и всех приложений, использующих эти данные. Одним из наиболее значительных дополнений стал новый дополнительный модуль моделирования твердых тел под названием OMNISOLIDS, в результате чего был получен один из первых пакетов CAD / CAM для плотной интеграции каркаса, поверхностей и твердых тел.
Многие наблюдатели говорят, 70% трехмерных механических CAD-систем восходят истоком к Ханратти и его программному коду ADAM.
Возможно, Ханратти начал целую область трехмерного графического интерфейса для дизайнеров и инженеров-механиков, но эта технология прошла долгий путь со времен расцвета 1970-х годов.
В результате начали появляться крупные коммерческие системы программного обеспечения для автоматизированного проектирования, такие как CATIA (сокращение от «автоматизированное трехмерное интерактивное приложение»), особенно в автомобильной и аэрокосмической областях.
Тем не менее, только после появления первоначального персонального компьютера IBM мир будет готов к широкому распространению программ САПР.
Возможно, однако, что ни один год не является более важным для программных решений для проектирования САПР, чем в 1982 году. В этом году группа программистов объединилась и создала компанию, известную как Autodesk. Год спустя они сделали свою флагманскую программу AutoCAD доступной всему миру, стоимостью всего 1 тыс. долл. Правда, в те времена ПК были 16-разрядными, и их мощности хватало лишь для двумерных построений — черчения и создания эскизов. Однако это не помешало новинке иметь огромный успех у пользователей.
Это был самый первый известный программный пакет для автоматизированного проектирования, созданный для компьютеров IBM, и снова поле изменилось навсегда.
Выпуск AutoCAD стал важным событием в развитии программного обеспечения для автоматизированного проектирования. У программистов в Autodesk была цель создать продукт, который бы делал почти все, что могли делать другие пакеты САПР в то время, при этом взимая небольшую часть расходов.
При этом Autodesk единолично изменила траекторию программирования САПР, а также коммерческой доступности и доступности в течение десятилетий. Тем не менее, почти все такие программы застряли в двух измерениях.
Программа, которая изменила ландшафт еще раз - и буквально дала миру дизайна другое измерение - была названа Pro / ENGINEER, созданной Parametric Technology Corporation.
Это было решение для автоматизированного проектирования, основанное на трехмерной геометрии и многофункциональных, основанных на значениях операциях для определения аспектов и узлов инженерных или конструкторских проектов. Программа на самом деле все еще используется на ПК Microsoft, хотя сейчас она называется Creo.
Pro / ENGINEER (Creo) также работал на компьютерных терминалах UNIX, поскольку персональные компьютеры не обладали достаточной вычислительной мощностью и скоростью, чтобы надежно использовать такое программное обеспечение, но это все еще было важным поворотным моментом. В конце концов, были выпущены две другие программы-единомышленники, ACIS и Parasolid, каждая из которых заложила основу для других программных пакетов для автоматизированного проектирования и графических решений.
Наиболее бурное развитие САПР происходило в 90-х годах, когда Intel выпустила процессор Pentium Pro, а Microsoft — систему Windows NT. Тогда на поле вышли новые игроки «средней весовой категории», которые заполнили нишу между дорогими продуктами, обладающими множеством функций, и программами типа AutoCAD. В результате сложилось существующее и поныне деление САПР на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация возникла исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами постепенно стираются, они продолжают существовать, так как системы по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям. Следует добавить, что кроме универсальных САПР также выпускаются и различные специализированные продукты, например, для инженерного анализа, расчета трубопроводов, анализа литья металлов, проектирования металлоконструкций и множества других конкретных задач.
Сегодня мир программного обеспечения для 3D-дизайна представляет собой виртуальную индустрию программ и графических пакетов, которые делают практически все, что может себе представить дизайнер или инженер. Вышеупомянутый Autodesk является лидером в области программ САПР, но есть и много других, некоторые из которых предназначены для более узких, более нишевых областей или интересов.
Вот несколько основных примеров современных решений для 3D CAD проектирования: Kompas 3D, 3ds Max, Blender, Cinema 4D, Rhino3D, SketchUp, Fusion 360 и SolidWorks. Хотите верьте, хотите нет, но на самом деле это все популярные решения в этой области, в зависимости от конкретных потребностей дизайнера или инженера.В настоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего ценового класса — Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Раньше мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний, число пакетов сократилось. Упомянутые компании — лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка в денежном выражении. Главная особенность «тяжелых» САПР — обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы — все это результат длительного развития. Однако, эти системы немолоды — CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer — в 1988 г., а Unigraphics NX, хотя и вышла в 2002 г., является результатом слияния двух весьма почтенных по возрасту систем — Unigraphics и I-Deas, полученных фирмой EDS в результате приобретения компаний Unigraphics и SDRC. Несмотря на то, что тяжелые системы стоят значительно дороже своих более «легких» собратьев (десятки тысяч долларов за одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. Однако крупных клиентов, способных платить за САПР миллионы долларов не так много.
Некоторые из них даже совершенно бесплатны: Blender, Google SketchUp, MeshLab, BRL-CAD, K-3D, MakeHuman, OpenSCAD, что является довольно замечательным показателем того, как далеко продвинулась эта конкретная отрасль с момента ее появления.
Сейчас рынок развивается эволюционно: расширяются функциональные возможности продуктов, повышается производительность, упрощается использование. Но, возможно, вскоре нас ждет очередная революция. Аналитики из Cambashi считают, что это произойдет, когда поставщики САПР начнут использовать для хранения инженерных данных (чертежей, трехмерных моделей, списков материалов и т. д.) не файловые структуры, а стандартные базы данных SQL-типа. В результате инженерная информация станет структурированной, и управлять ею будет гораздо проще, чем теперь.
Работа, которую программы САПР способны обрабатывать и визуализировать, поистине замечательна, а в некоторых случаях просто захватывает дух. Павел Самута
Работа, которую эти программы способны обрабатывать и визуализировать, поистине замечательна, а в некоторых случаях просто захватывает дух. От архитектурных проектов и рабочих прототипов до интерактивной 3D-графики для развлекательных и медийных компаний, таких как стартап Kino-mo. Будь то дополнение к дому, новая линейка продуктов для производства или даже надежная и интерактивная видеоигра, программные решения для проектирования 3D CAD делают все это как никогда ранее.
В рамках проекта «Университет, открытый городу: Лекции молодых ученых Вышки в Культурном центре ЗИЛ» старший преподаватель департамента компьютерной инженерии Алексей Соболевский рассказал о том, как человечество научилось воспринимать и воспроизводить мир объемным.
Геометрия на компьютере
Первую кафедру компьютерной графики, в Университете Юты, открыли в 1960-х годах Айван Сазерленд и Дэвид Эванс. Сазерленд создал программу, которая являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем — Sketchpad. На кафедре Сазерленда и Эванса работали такие люди, как Джим Блинн (создатель многих алгоритмов текстурирования), Би Тюн Фонг и Анри Гуро, которые также приложили руку к развитию алгоритмов затенения и текстурирования (Phong shading и Gouraud shading). Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл — впоследствии технический директор и президент Pixar Animation Studios, кинокомпании, которая подарила нам «Историю игрушек», первый полнометражный анимационный фильм, созданный в трехмерных редакторах и программах трехмерной анимации. Его сборы по миру превысили 380 миллионов долларов, его триквел стал первым анимационным фильмом, собравшим в мировом прокате более миллиарда долларов, а про славу, которую этот мультфильм принес компании Pixar, даже говорить не нужно.
Но «История игрушек» вышла на экраны в 1995 году, а премьера первого фильма с использованием отдельных элементов трехмерной графики (Futureworld) состоялась еще в 1976-м. В то же время создавались первые программы 3D-моделирования, первые алгоритмы трассировки лучей для рендеринга трехмерной сцены и активно развивался полигональный метод моделирования трехмерных объектов, который сейчас является основным.
В середине 1980-х появились первые стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики — MGA, CGA, EGA. Сейчас это кажется странным, но в начале 1980-х палитра в 16 цветов была пределом мечтаний для любителей компьютерной графики, да и из этой палитры можно было одновременно использовать только 4 цвета для вывода изображения. А разрешения экранов вообще измерялись не пикселями, как сейчас, а строками, так как в то время еще не стояла остро задача выводить изображения на дисплей.
Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики
Но время шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя, отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по классу устройства объединились в одно — видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-, и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились специальные обработчики шейдеров — микропрограмм, которые сейчас отвечают за обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма, отражений).
В 1998 году частоты, на которых работала память видеокарты, были в сто раз меньше, чем сейчас; объем памяти за это время вырос практически в тысячу раз. Про производительность даже говорить не приходится — видеокарты конца 90-х не могут решить и малой доли задач, которые современные видеокарты выполняют сотни раз в секунду.
Но в основе этого прогресса, да и самой идеи передачи трехмерного изображения, лежат научные открытия, сделанные даже не десятки, а сотни и тысячи лет назад. Без геометрии и функций невозможно задать поверхность в пространстве, без описания поверхности невозможно создать ее представление в компьютерной графике с помощью кривых, полигонов или вокселей. Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики.
Создатели пространства
Евклид нам известен больше как основоположник «евклидовой геометрии», но мало кто понимает, что аксиомы, которые он ввел в своем 13-томном собрании «Начала», были многократно доработаны и формализованы, прежде чем дошли до наших дней. Однако его трактат является одним из первых действительно систематизированных собраний аксиом и теорем в области математики и геометрии.
Все (ну или почти все) знают про формулы Виета для нахождения корней квадратичного уравнения, однако многим ли известно, что именно он положил начало символьному анализу в алгебре, в результате чего все мы сейчас обозначаем неизвестные как x, y или z, а коэффициенты — как a, b, c? Без его трудов ни одна формула, отражающая функцию в трехмерном пространстве, не выглядела бы так, как она выглядит сейчас.
А что же Декарт? Из школьных учебников мы помним про декартово произведение и декартову систему координат, однако нам забывают объяснить, что свои открытия этот человек делал во времена инквизиции. Решиться на то, чтобы опубликовать труды по аналитической геометрии, когда «наградой» за научное открытие могло стать аутодафе, требовало немалого мужества. Именно исследования Декарта стали решающим шагом в переходе к понятию «функция», а без «функции» не существовало бы современной математики, программирования и многих других областей.
Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст
Спустя десятилетия после Декарта в математике наступила эпоха Эйлера. Он положил начало топологии, написал первый учебник по аналитической геометрии и основам дифференциальной геометрии. Кстати, Густав Эйлер почти полжизни прожил в России, был здесь избран академиком и даже похоронен в Санкт-Петербурге.
В истории 3D-графики не обошлось и без других российских ученых. Так, в начале XX века в России жили Борис Делоне и Георгий Вороной. Первый предложил метод триангуляции, который стал основой для создания современных методов разбиения поверхности трехмерных объектов на так называемые полигоны. Второй создал «диаграмму Вороного», которая тесно связана с триангуляцией Делоне. Прошло сто лет, а математическая составляющая этой диаграммы и сейчас применяется в анализе данных при кластеризации объектов.
Помимо алгоритмов развивались техника и технологии для обработки подобного рода информации. Нельзя не упомянуть имя Алана Тьюринга, который участвовал в разработке первого транзисторного компьютера в мире — «дедушки» современных iMac’ов и PC. В 1956 году Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну была присвоена Нобелевская премия по физике за открытие биполярных транзисторов. На транзисторах сейчас базируется практически вся электроника включая видеокарты современных компьютеров. Конечно, на развитие современной полупроводниковой схемотехники повлияли и исследования Жореса Алферова, также лауреата Нобелевской премии.
Что дальше?
Прогресс техники и технологий привел к тому, что в современной видеокарте более 4 миллиардов транзисторов. Техпроцесс, по которому сейчас создаются видеокарты, — 20 нанометров. Это в сотни раз меньше, чем толщина волоса. Мы дошли до следующего этапа развития вычислительных систем — начали придумывать задачи, не связанные с обработкой трехмерной графики, чтобы загружать вычислительные мощности видеокарт в свободное время. Были созданы особые спецификации и языки для работы с многопоточными многоядерными системами, которыми являются современные видеокарты.
Кластеры, в которые объединяют графические адаптеры, используются в совершенно разных областях — химии, прикладной физике, наноэлектронике, медицине. Благодаря технологическим возможностям видеокарт ученые, моделируя процесс свертывания белков, могут быстрее найти, к примеру, лекарство от рака или болезни Альцгеймера. По результатам таких проектов пишутся сотни научных работ на темы, уже не связанные непосредственно с трехмерной графикой.
Современные вычислительные мощности, используемые в этих проектах, являются прямым результатом эволюции человеческой мысли, трудов сотен философов, математиков и инженеров. Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст, и технику, которая обрабатывает и выводит символы и изображения?
Компьютерная графика, то направление искусства, которому почти нигде не учат на территории стран СНГ, поэтому новичок, решивший овладеть навыком 3D моделирования, вынужден искать информацию из сети. Главной проблемой становится отсутствие структурированного материала на русском языке, а обширное количество программ только больше сбивают с толку.
Эта статья будет полезна только новичкам, в ней я хочу поделиться своим опытом использования программ 3D моделирования и поверхностно, но структурировано, рассказать о том, какие они бывают.
Часть 1. Поиск референсов (вспомогательное изображение: рисунок или фотография, которые художник или дизайнер изучает перед работой, чтобы точнее передать детали, получить дополнительную информацию, идеи.)
Любой пайплайн (конвейер разработки 3D модели) начинается с идеи и подбора референсов. Начиная свой путь моделирования, я часто пренебрегал их поиском или использовал недостаточное количество, что приводило к низкому качеству конечной работы.
Пожалуй, лучшей программой для хранения и быстрого доступа к своим изображениям будет бесплатная pureref. Данный софт позволяет загружать в него неограниченное количество изображений и иметь быстрый доступ к ним.
Часть 2. Софт для 3D моделирования
С референсами мы определились, но в чем же мы буде моделировать?
Программ для 3D моделирования большое количество но все их можно поделить на три условные группы:
1. Программы для полигонального моделирования
2. Программы CAD использующие нурбсовые математические формулы
3. Программы для скульптинга
Начнём по очереди.
Полигональное моделирование.
В полигональном моделировании объекты строятся при помощи полигонов, которые задаются несколькими вершинами.
Выделим несколько самых популярных программ:
1. Autodesk 3dsMax — профессиональное программное обеспечение для 3D-моделирования, анимации и визуализации при создании игр и проектировании.
В основном используют для визуализации интерьера и архитектуры
Как и большинство программ Autodesk является платной.
2. Autodesk Maya — редактор трёхмерной графики, обладает широкой функциональностью 3D-анимации,
моделирования и визуализации.
На данный момент является стандартом геймдева, большинство студий работает именно в ней. Как и 3D Max является платной
3. Cinema 4D является универсальной комплексной программой для создания и редактирования двух- и трехмерных эффектов и объектов.
4. Blender — профессиональное свободное и открытое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов», а также создания 2D-анимаций.
Программа, с которой и начался мой путь.
Довольно дружелюбный софт для новичка, обладающий высокой стабильностью и весьма широким функционалом
И самое вкусное то, что программа абсолютно бесплатная и доступна в Стиме.
Это самые распространённые, но далеко не все программы полигонального моделирования.
Какую же программу стоит выбрать?
Если ваша главная цель добиться успеха в геймдеве, то без сомнения ваш выбор это MAYA, главный котируемый пакет большинства студий.
Если вы не хотите платить за софт и быстро освоить моделирование то ваш выбор это Blender, к тому же, просматривая вакансии на территории России, многие студии всё чаще начинают работать с блендером.
CAD моделирование
CAD программы используют математические формулы для задания геометрии.
Их главным плюсом является отсутствие полигональной сетки, что даёт возможность не волноваться о топологии (это то, как полигоны формируют 3D модель) во время процесса моделирования.
Изначально эти программы предназначены для использования промышленными станками и 3D принтерами, но и в игровой индустрии им удалось обрести славу.
Выделим наиболее подходящие из них для наших задач.
1. Fusion 360
Это программа CAD моделирования от Autodesk.
Ее главными плюсами для меня стало:
-наличие слайдеров для выставления высот, фасок и т.п
-бесплатная версия для не коммерческого использования
-наличие истории проделанных операций.
Минусом является:
-не высокая стабильность работы
-высокое требование к железу компьютера.
2. MoI3D (Moment of Inspiration)
Программа, использующая нурбсовые математические формулы для задания форм и поверхностей.
Главными ее достоинствами является:
-высокая стабильность
-невысокие системные требования
-полная адаптация для графического планшета
-возможность экспорта high poly (модели с плотной высокополигональной сеткой) модели.
Недостатки:
-отсутствие слайдеров для регулирования фасок
-высокая стоимость софта
На данный момент я использую в качестве основного инструмента Fusion 360, но со временем планирую изучить и Moi3D
Для геймдева CAD программы используют относительно недавно, но тем неимение они являются очень полезным софтом для изготовления hard-surface (твердотельных, не органических) моделей и легки в освоении. За два часа вполне возможно выучить базовый функционал Fusion360 и сделать свою первую модель.
Скульптинг
Скульптинг - это один из способов моделирования объектов, который позволяет интуитивно придавать форму и добавлять детали, подобно лепке из пластилина или глины.
Манипуляции с объектом осуществляются за счёт передвижения вершин, на высокополигональном меше (совокупность вершин, рёбер и полигонов, которые составляют один 3D объект), или вокселей (элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве).
Выделю три программы для скульптинга:
1. Blender
Да, в бесплатном блендере по мимо полигонального моделирования есть еще огромная гора всевозможного функционала, в его чилсе и скульптинг.
Плюсы:
- одна программа совмещает в себе большой функционал
-относительно интуитивный интерфейс
Минусы:
-Ограниченный набор инструментов
-Невысокая производительность ( в программах-конкурентах можно использовать мэши с намного более плотной полигональной сеткой)
Хоть блендер и не позиционирует себя как софт для профессионального скульптинга, но это не мешает людем делать в нем шедевры, как пример работа Pablo Dobarro.
2. Zbrush
Программа для 3D моделирования, созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» трёхмерной скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого трёхмерного объекта.
Мастодонт игровой индустрии. Именно «зеброй» пользуются почти все игровые девелоперы при создании персонажей или органических объектов.
Плюсы:
-Высокая производительность при скульптинге
-Наличие истории и возможность переключаться между ней
-Огромное количество кистей и их вариаций
-Наличие невероятно мощного функционала, позволяющего упростить моделирование high poly моделей. Например наличие функции polish, создающей фаски для запекания ( об этом дальше в статье). Возможность из high poly сделать хорошую low poly (низкополигональную) модель
-Наличие других встроенных плагинов.
Минусы:
-Тяжелая программа для освоения новичку.
-Не интуитивный интерфейс
-Высокая цена
3. 3D Coat
Коммерческая компьютерная программа для моделирования различных органических объектов и грубых низкополигональных 3D-моделей; предоставляет широкий набор инструментов, которые позволяют пользователям создавать скульптуры, добавляя топологию, создавать UV-карты, интерактивно текстурировать поверхность модели, производить визуализацию статичных сцен и круговую анимацию модели.
Во время скульптинга программа использует не полигоны, а воксели, что делает геометрию не полой внутри.
С 3D Coat я мало знаком, но некоторые его достоинства и недостатки выделить попытаюсь.
Плюсы:
-Программа подойдёт для быстрого создания концепта
-Дружелюбный к новичкам интерфейс
-Широкий функционал по мимо скульпта
-Наличие уникальных возможностей
-Неплохие возможности текстурирования
Минусы:
-Высокая цена
Если вы настроены всерьёз овладеть скульптингом, я бы посоветовал выучить ZBrush, все его недостатки полностью нивелируются огромным функционалом и вариативностью.
Часть 3. Развёртка и запекание
Итак, мы сделали свою первую модель и хотим раскрасить ее, что для этого нужно?
Для начала нам нужно две, почти одинаковых, модели. Одна high poly, на ней будет максимальное количество полигонов и большая детализация, другая low poly, на ней мало полигонов, именно эта модель используется в игровом движке.
Первое, что необходимо сделать перед началом текстурирования, это произвести UV развертку для low poly модели.
UV развертка - это проецирование трёхмерного объекта на двухмерную плоскость.
Выглядит это примерно так.
Правильно развернуть модель это целая наука, но об этом не в нашей статье.
Программы для полигонального моделирования обладают достаточно хорошим функционалом для разворачивания меший, но есть и отдельный софт для этого с более обширным функционалом.
Рассмотрим здесь программу rizomuv, специально разработанную для этих целей.
На ютуб канале videosmile есть неплохой мини курс по этой программе, советую к ознакомлению.
Самой главной и, пожалуй, решающей, для меня, функцией стала возможность удобной упаковки развёртки.
А минус в том, что она платная.
Мы развернули low poly, что теперь?
Теперь необходимо перепечь на него информацию с high poly меша, для создания карт нормалей.
Звучит странно, не так ли? Но обо всем по порядку.
Карты нормалей нужны для создания мнимой геометрии на низкополигональном объекте, а для их получения и производится запекание или по английские bake.
Карта нормалей — это такая текстура, которая позволяет за счет игры света эмулировать дополнительные (не существующие изначально) детали на 3d модели.
Ну как у UV развёртки, у карт normal map очень много подводных камней, которых касаться мы сейчас не будем.
На наглядном примере я вам покажу, как выглядят карты, и какой результат мы получаем.
И так на изображении мы видим три плоскости (на самом деле это кубы).
Две из них имеют одинаковые количества вершин и являются одинаковыми мешами. Какие именно?
Правильно, первый и третий! (Но стоп, как, ведь второй и третий одинаковые?!)
В этом и есть вся магия запекания карт нормалей. Мы взяли геометрию со второго высокополигонального куба и перенесли ее на первый, а результатом этой манипуляции стал наш третий объект.
А так это выглядит в режиме редактирования.
Хорошо, с теорией покончено, но где лучше запекать?
Канал Блендер Павлова очень хорошо ответил на этот вопрос.
Спойлер. В программе marmoset toolbag 4. В ней и я запекал карты для этого примера.
А вот так это выглядит наглядно
Вернёмся к тулбагу.
Плюсы:
-Настройка параметров карт нормалей.
-Печёт огромное количество разновидностей карт нормалей
-Возможность фикса багов запечки
-Программа подходит не только для запекания.
Из минусов только то, что она платная, а так прекрасный софт.
Глава 4. Текстурирование модели
В этой главе речь пойдёт о создании PBR текстур на модели.
PBR или Физически корректный рендеринг — метод компьютерной графики, который позволяет отображать объекты более достоверно, моделируя поток света в реальном мире.
Конечно затекстурить модель можно и в Blender и в Maya, но мы рассмотрим специализированный для этого софт.
Начнём мы с бесплатной программы от разработчиков Unreal Engine.
Quixel mixer. Эта программа работающая с библиотекой megascans ( отсканированными реальными материалами, перенесёнными в цифровой вид )
Плюсы:
-Работа с огромной библиотекой отсканированных материалов megascans
-Свободный доступ
Минусы:
-Не особо подходит для текстурирования моделей
Вы могли подумать что программа плохая, но это не так, в ней можно делать очень реалистичные тайловые (бесшовные ) текстуры.
Вот, например текстура, которую я сделал, для старой кирпичной стены.
А вот корявый нож, который я разукрасил в процессе изучения программы. Не судите строго, я только начинал свой путь в то время.
Ну и перейдём к моему любимчику. Программа от легендарного Adobe, стандарт игровой индустрии substance painter.
Данный софт обладает огромными возможностями по текстурированию 3D моделей, но печёт он паршиво, именно им я пользуюсь на постоянной основе.
Разберём его достоинства и недостатки.
Плюсы:
-Большое количество встроенных генераторов
-Возможность использования умных материалов, созданных другими юзерами
-Большая гибкость в настройке генераторов и фильтров
-Возможность экспортировать большое количество различных карт нормалей.
-Банально, но невысокая стоимость стиме.
-Совместимость (мост) с фотошопом
-Ну и просто интуитивно понятная программа.
Минусы:
-Сабстенс требовательный, очень требовательный. Для работы с большим количеством текстурных сетов вам нужен не слабый такой компьютер, желательно с 32 гб ОЗУ и больше.
P.S. Пока открывал проект, чтобы сделать скриншот, эта зараза успела зависнуть три раза.
Глочёк для мастерской контры ( кстати, движок Source не работает с pbr текстурами, по крайней мере со скинами, и тут только карта нормали)
Ладно, победитель очевиден, Substance Painter лидирует по всем параметрам. Но главное при текстурировании уделять большое внимание референсам и помните: никогда не используйте бездумно генераторы, если вы сделали поцарапанный корпус того же пистолета, не ленитесь ручками почитсить места где царапин физически быть не может.
Теперь мы экспортируем текстурки и наша модель полностью готова. Поздравляю!
Не забудьте правильно презентовать свою работу. Хорошо отрендерите ее ( для презентации работы проще всего использовать Marmoset ) и довести до идеала в Photoshop.
Ну что ж, мой дорогой друг, спасибо за прочтение. Буду рад любому фитбеку и пожеланиям, так же жду конструктивной критики и советов.
От себя хочу добавить, что работа 3D художника это очень тяжкий и недооценённый, незнающими людьми, труд и мне хотелось бы, чтобы у тебя, читатель, все получилось в нашей нелёгкой деятельности.
Художник Евгений Пак, а также левел-дизайнер Денис Куандыков, делятся советами и историями о том, как сделать карьеру в 3D, и как не допустить на этом пути ошибок.
Работа из портфолио Евгения Пака
Как прийти в 3D-моделирование
Все приходят в 3D по-разному. Одни вдохновились играми в детстве и стремились попасть в игровую индустрию. Другие начинали с motion-design и 3D-анимации, а затем добавили моделирование в свой список навыков. А некоторые просто делали модели «для души», набивая руку.
Работа из портфолио нашего преподавателя
Иногда к изучению 3D подталкивает создание модификаций. Например, модер понимает, что нужной ему модели нигде нет, и выход один: сделать её самому.
Денис Куандыков, левел-дизайнер VOID Interactive:
Для меня 3D не было самоцелью. Изначально я делал модификации для игр, потому что жил в деревне и мне не во что было играть — сам себя так развлекал. В основном делал моды для Far Cry, там был клёвый редактор уровней.Когда подрос скилл в создании уровней, я начал набирать авторитет в сообществе моддеров и понял, что мне не хватает моделей, которые уже были в движке. Поначалу я моделировал не обстановку, а геймплей, на базовых формах, прямо внутри движка. А потом я пришёл к тому, что хочу использовать не тот кирпич, что есть, например, в Crysis, а свой кирпич. Мне нужен был новый инструмент, чтобы делать что-то круче и интереснее. Получается, я пришёл в 3D, чтобы стать сильнее в левел-дизайне.
Каким бы путём художник ни пришёл в 3D-графику, ему придётся освоить незнакомый инструментарий — это нелегко даже для модеров и специалистов смежных дисциплин. Выход — знакомиться с технической частью постепенно.
Евгений Пак, художник по окружению в People Can Fly
Если вы в самом-самом начале, то наиболее эффективный способ найти себя в 3D — это пропустить через себя много информации и попробовать разные программы. Я не призываю полностью изучать — но попробовать всегда стоит.Ведь 3D — это не просто одна какая-то ниша, оно делится на очень много уровней. Тут есть motion-design, есть продакшн для фильмов, реклама, геймдев, интерьерка. Всё сразу не изучить.
Работа из портфолио Евгения Пака
Когда 3D-художник уже освоил базовый набор инструментов, он сталкивается с вопросом: как продолжить развиваться.
Каждый моделер рано или поздно закрепляется на какой-то позиции: например, в должности вечного аутсорсера. Или становится известен как человек, который быстро и красиво рисует, к примеру, автомобили. Это нормальный, даже важный этап карьеры, но, в определённый момент от него нужно отказываться.
Преподаватель XYZ, 3D-художник
Когда-нибудь вы окажетесь на каком-то маленьком и неинтересном проекте, и у вас будет вариант пойти дальше. Взять что-то большее, но для этого приложить какие-то усилия. И это ответственность, которую страшно на себя брать. Некоторые люди берут её, а некоторые — сдаются, пугаются.
Постоянная миграция из проекта в проект не даёт навыкам 3D-художника «застояться». В одной компании он может моделировать интерьеры, в другой — создавать персонажей, в третьей — прорабатывать реалистичные ткани.
Кругозор расширяется, но постепенно у моделера всё равно может сложиться впечатление, что он занимается примерно одним и тем же. Чтобы выйти из такого состояния, нужно осознать, что 3D-моделирование — это ещё и творчество.
Работа из портфолио нашего преподавателя
Как стать творцом
У моделера, который просто механически осваивает создание объёмных моделей, есть предел развития. Он наступает, когда художник может выполнить любой заказ быстро и качественно.
Но чтобы развиваться дальше нужен внутренний запал. Он будет двигать художника вперёд и не даст его тяге к саморазвитию угаснуть.
Например, моделер может просто любить больших боевых роботов и научиться моделировать их в совершенстве. Так случилось, например, с художником Виталием Булгаровым, который в итоге создавал роботов для Starcraft 2: Heart Of The Swarm и четвёртых «Трансформеров» Майкла Бэя.
Преподаватель XYZ, 3D-художник
На самом деле, я никогда не хотел быть трёхмерщиком, а хотел делать мультфильмы и снимать кино. И я снял несколько фильмов и мультфильмов! Правда они все отстойные, был молод и не умел ни черта. 3D было лишь инструментом в этой работе. Я никогда не целился в моделинг, просто начал за него довольно рано получать деньги, да и дело интересное. Хорошая комбинация.
Даже когда перед художником стоит простая задача — например, нарисовать стол, — к ней можно подойти с фантазией. Дать волю внутреннему дизайнеру, поэкспериментировать с формой столешницы, с количеством её ножек. Или ещё лучше: сразу представить себе целую комнату, в которой этот стол будет стоять, и только потом начинать его рисовать, — как элемент композиции, а не как отдельный объект.
Денис Куандыков, левел-дизайнер VOID Interactive
Я не делаю шейдеры, чтобы сделать шейдеры, и модели, чтобы сделать модели. Я иду от обратного: у меня есть идеи каких-то игр или каких-то отдельных сцен, которые сами по себе что-то рассказывают. И уже под эти задачи я понимаю, какие нужно сделать модели.Держу в голове цель, и она основана на моих имеющихся навыках; на том, что я уже умею делать в движке. А уже в процессе реализации этой цели я учусь чему-то новому, при этом не создавая контент в пустоту.
Работа из портфолио Дениса Куандыкова
Идеи появляются, когда художник сталкивается с чем-то новым. Например, моделеру могут предложить поработать в новой для него стилистике, а художнику по персонажам — нарисовать необычный интерьер. К сожалению, обеспечить себе такой творческий подход можно не всегда, поэтому 3D-художники часто сталкиваются с рутинной работой.
Как сбежать от рутины
«Ящиками» в 3D-моделировании часто называют однотипные, скучные объекты, которые не дают художнику простора для фантазии, но всё равно необходимы в разработке. Это могут быть, собственно, ящики, камни, и так далее. Если работать над такими задачами постоянно, появляется усталость от работы — хроническое состояние, от которого трудно избавиться. Но несколько способов всё же есть.
Уставшему от одинаковых моделей художнику лучше сторониться проектов-блокбастеров — тех самых The Elder Scrolls, Call of Duty и Grand Theft Auto, над которыми многие так хотят работать. Облик AAA-игр определяют арт-директора и старшие художники, в то время как их подчинённые просто выполняют задачи, которые им выдают. Творческий процесс в таких условиях сводится к нулю.
Денис Куандыков, левел-дизайнер VOID Interactive
Чем больше проект, тем больше вы в нём растворяетесь и тем сильнее теряется ценность вашей работы. Вы делаете не целиком солдата, а лишь одну его лямку. Или делаете не танк, а только его третий уровень детализации, например. И это всё дико теряется на фоне всей остальной работы, потому что над такими играми работают тысячи людей.
Чтобы вырваться из этой атмосферы подойдут небольшие инди-проекты. На них 3D-моделер может не только быстро набить руку, но и проявить себя как художника. В таких проектах редко бывают большие отделы, отвечающие за создание 3D-графики — как правило, всё ограничивается несколькими людьми. И это значит, что у каждого из них куда больше возможностей проявить свой уникальный стиль.
Subnautica. Работа из портфолио Евгения Пака
Как не заскучать от однообразия
Даже если 3D-художнику пришлось столкнуться с более «конвейерным» производством, у него в запасе остаётся несколько хитростей. Одна из них — kitbashing. В среде 3D-моделеров считается дурным тоном брать готовые модели, но на самом деле это нормальная практика. Ведь если нужно сделать десять моделей, из каждой из которых будет торчать гвоздь, то совсем не зазорно сделать один гвоздь и расставить его по десяти моделям. Ещё можно взять гвоздь из своей старой работы, или скачать готовый и слегка переделать.
Работает этот способ и когда нужно создать, например, макет локации, в которой стоит человек с ружьём. Если цель задания — показать конкретного персонажа, то нужно рисовать уникального человека с уникальным ружьём. Но если цель — показать локацию, то можно обойтись и заранее заготовленной моделью, чтобы не тратить впустую время и силы.
Subnautica. Работа из портфолио Евгения Пака
Ещё одна хитрость: можно подойти к знакомой задаче или приевшейся модели с новым инструментом. Это может быть незнакомая программа, неосвоенный движок, а иногда и просто новая кисть, найденная в уже изученном интерфейсе.
Евгений Пак, художник по окружению в People Can Fly:
Все 3D-программы очень схожи по своей философии — когда знаешь много программ, начинаешь это понимать. Новичку кажется, что каждая программа уникальна и по-своему сложна, но я бы сказал, что стоит просто попробовать и убедиться, что полигоны везде одинаковые, да и многие инструменты тоже.Еще есть такая вещь как learning curve [кривая обучаемости]: когда начинаешь что-то новое, то учишься быстро, и твоё развитие поднимает боевой настрой. Это такой лёгкий лайфхак — начать заниматься 3D и сразу получить бонус к пониманию и к смелости. Можно поставить себе цель: замоделить стакан и карандаш во всех программах, какие получится найти. Ну и после такого сразу станет понятно, какой софт нравится больше.
Всегда важно быть открытым к новому, а не ограничиваться одним досконально изученным инструментарием. Но здесь тоже есть своя опасность, на этот раз — чисто технического характера.
Как не запутаться в инструментах
Некоторые 3D-художники в поисках чего-то нового начинают изучать все программы, до которых могут дотянуться. Грубо говоря, они вводят в поисковик запрос «top professional software for 3D modelling» и пытаются изучить всё.
Проблема в том, что заучивать, что делают те или иные кнопки, без понимания, для чего конкретно они сейчас могут пригодиться — бесполезно. И даже вредно, — ведь есть риск надолго в этом завязнуть и перестать развиваться.
Преподаватель XYZ, 3D-художник
Когда я начинал осваивать 3D-моделирвоание, я очень парился из-за кнопок и изучал вообще всё подряд — 3DMax, Maya, RealFlow, Mari и Quiexel, Nuke, After Effects. В общем, кучу программ пробовал и полное дерьмо делал. Прямо смотреть было невозможно, до сих пор стыдно.Поэтому я считаю, что решают не «кнопки», а арт-навыки — иначе работы не становятся лучше, а только технически усложняются.
Работа из портфолио нашего преподавателя
Все компании используют разные инструменты, а движки отличаются друг от друга. Поэтому 3D-художнику всё равно придётся выполнять задачи, используя незнакомые инструменты — и тогда это действительно будет необходимо. Но даже в такой ситуации нужно не просто «осваивать программу», а лишь учиться выполнять в ней конкретные задачи.
Евгений Пак, художник по окружению в People Can Fly
Профессиональный подход — это осваивать не всё и сразу, а постепенно, решая за раз конкретную проблему. Например, на работе вам точно нужно будет придерживаться обшего рабочего процесса, а значит и инструментов. Ведь чем уникальнее к вам нужен будет подход, тем дороже вы будете обходиться студии.
Незнакомый инструмент порой мешает творческой стороне процесса, засоряя голову ненужной информацией. К тому же заказчика доскональным знанием возможностей той или иной программы не обрадуешь — ему нужно, чтобы вы просто быстро и качественно выполнили работу в привычной среде.
Денис Куандыков, левел-дизайнер VOID Interactive
Если у вас широкий кругозор — это хорошо, но расширяя его, вы тратите время. Например, мне нужно что-то затекстурить, и я вспоминаю, что многие хвалят 3D-Coat за текстуринг. И вот я сижу, изучаю текстуринг в новом софте и понимаю, что мне на изучение 3D-Coat потребуется гораздо больше времени, чем затекстурить прямо сейчас в Blender. Потому что у меня рука на нём набита. 3D-Cocat - нструмент хороший, но мне сейчас не подходит. Лучше изучать всё под себя.
Работа из портфолио нашего преподавателя
При этом иногда освоиться в незнакомой среде бывает полезно — если есть время и желание. Художнику по анатомии будет здорово посмотреть уроки по созданию растительности, а художнику по интерьерам — наоборот, поэкспериментировать с человеческим телом. Главное — всегда помнить о творческой стороне моделирования.
Преподаватель XYZ, 3D-художник
Сесть просто так и что-то замоделировать — это не задача. Изучать кнопки — это уже задача, но довольно скучная и быстро надоедает. А вот создать, например, сферу дайсона, зомби-утку, магазинчик комиксов, любимого персонажа, оружие любимого персонажа — вот это прикольные задачи. За этими задачами очень легко учить кнопки.А есть задачи ещё интереснее. Рассказать историю в картинке? О да! Напугать своих друзей жутким кадром? Тоже классная цель! Сделать кадр, как из фильма? Отлично! В путь!В конце концов, арт — это способ невербального общения, а 3D — один из его языков. Просто так учить слова, буквы и правила скучно и сложно. А общаться на этом языке с другими людьми, в процессе во всём разбираясь — куда интереснее!
Читайте также: