Анимация 3D изображений в специальных программных средствах

ФГБОУ ВО «Мордовский государственный педагогический институт

имени М.Е. Евсевьева»

Физико-математический  факультет

Кафедра информатики и вычислительной техники

Дисциплина «Визуализация решений математических задач»

Реферат

Анимация 3D изображений в специальных программных средствах

Выполнил: студент группы МДИ-113 А. В. Седойкин

Проверил: доцент кафедры информатики и ВТ Т. В. Кормилицына

Саранск, 2017

Трехмерная анимация - это автоматизация перемещения и трансформаций 3D модели в пространстве с течением времени.

Blender - свободный профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, а также для создания интерактивных игр. В настоящее время пользуется наибольшей популярностью среди бесплатных 3D -редакторов в связи с его быстрым и стабильным развитием, которому способствует профессиональная команда разработчиков.

Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер по сравнению с другими популярными пакетами для 3D-моделирования. В базовую поставку не входят развёрнутая документация и большое количество демонстрационных сцен.

Функции пакета:

1. Поддержка разнообразных геометрических примитивов, включая полигональные модели, систему быстрого моделирования в режиме subdivision surface (SubSurf), кривы Безье, поверхности NURBS, скульптурное моделирование и векторные шрифты;

2. Универсальные встроенные механизмы рендеринга и интеграция с внешним рендерером YafRay, LuxRender и многими другими;

3. Инструменты анимации, среди которых скелетная анимация и сеточная деформация, анимация по ключевым кадрам, нелинейная анимация, редактирование весовых коэффициентов вершин, ограничители, динамика мягких тел, динамика твёрдых тел на основе физического движка Bullet и система волос на основе частиц;

4. Python используется как средство создания инструментов и прототипов, системы логики в играх, как средство импорта/экспорта файлов;

5. Базовые функции редактирования видео.

Anime Studio - программное обеспечение компании Smith Micro Software для создания векторной 2D анимации и графики. Поставляется в двух различных версиях: Anime Studio Debut и Anime Studio Pro. Первая имеет ограниченную функциональность и подходит для любителей и новичков. Версия Pro - полноценный инструмент для создания профессиональной анимации.

Возможности:

1. Векторная графика построена не на кривых Безье, как у большинства подобных программ, а на собственной технологии узловых точек;

2. В основе анимации лежит векторный морфинг, то есть плавное «перетекание» одного ключевого кадра в другой;

3. Поддержка графических планшетов;

4. Различные типы слоёв для реализации определённых видов задач: векторный и растровый, групповой, костяной, переключатель, частицы, примечание, аудио слой, 3D слой;

5. Анимация слоёв и векторных форм;

6. Костная анимация графики;

7. 3D пространство и анимация;

8. Импорт и анимация костями 3D объектов;

9. Анимируемая камера;

10. Технология смарт-костей позволяет автоматизировать процесс создания анимации;

11. Автоматическая синхронизация рта персонажа со звуком произносимой речи;

12. Импорт различных медиа файлов. Распознаётся альфа-канал в PNG и видео;

13. Расширяемость за счёт скриптов на языке программирования Lua. Можно создавать собственные дополнительные инструменты и скачивать имеющиеся на сайте программы.

Autodesk MotionBuilder - ведущий программный продукт для 3D - анимации в реальном времени, используемый при разработке компьютерных игр, съемке фильмов и подготовке телепередач. Autodesk MotionBuilder является профессиональным программным средством с инструментами сбора 3D - данных, их обработки и визуализации.

Основные возможности программы:

- многопоточность и оптимизация;

- соединение симуляций;

- управление позами для объектов;

- отображение в реальном времени и средства работы с анимацией;

- автоматизированное создание оснастки;

- инструменты работы со сценариями;

- динамика жестких скелетов;

- динамическая поддержка устройств.

Cinema 4D или сокращённо C4D фирмы MAXON является пакетом для создания трёхмерной графики и анимации.

Cinema 4D является универсальной комплексной программой для создания и редактирования трехмерных эффектов и объектов. Поддержка анимации и высококачественного рендеринга. Отличается более простым интерфейсом, чем у аналогов, и встроенной поддержкой русского языка, что делает её популярной среди русскоязычной аудитории.

С выходом 12-й версии программы, компания MAXON предоставляет своим пользователям пять различных сборок Cinema 4D. С весны 2013-го года к ним добавился шестой пакет — «Lite». Каждый из пакетов имеет свою целевую группу.

Lite

Упрощённый пакет Cinema 4D поставляющийся в комплекте с Adobe After Effects, начиная с версии CC. Предназначен для создания несложной трёхмерной анимации и использования трёхмерных объектов в композиции After Effects. Желающие могут обновить Lite на Broadcast или Studio, а также подключить к After Effects свой имеющийся пакет Cinema 4D вместо Lite. Подключение Cinema 4D к After Effects совершается с помощью плагина-моста MAXON CINEWARE, находящегося также в комплекте поставки After Effects. Также в пакете поставки имеются плагины для экспорта данных из Cinema 4D в After Effects и из After Effects в Cinema 4D, поставляющиеся также с другими пакетами Cinema 4D.

Prime

Обладает основным набором инструментов для моделирования, текстурирования, анимации и рендеринга.

Broadcast

Пакет содержит в себе все функции Prime, а также инструменты предназначенные для создания анимационного дизайна для телевидения и видео-производства. Среди этих инструментов система создания клонов и работы с ними «MoGraph», а также некоторые функции динамики, дополнительные шейдеры и расширенные функции визуализации. В комплекте поставки имеются обширные библиотеки объектов, материалов, звуковых файлов и прочих сцен и установок.

Visualize

Пакет содержит в себе все функции Prime, а также обладает дополнительным набором инструментов для визуализации. В комплекте поставки имеются обширные библиотеки объектов, источников света и прочих сцен и установок. Целевая группа - архитекторы, инженеры и дизайнеры.

Studio

Пакет, обладающий полным набором инструментов Cinema 4D, включает в себя всё то, что содержится в Prime, Broadcast и Visualize, а также другие функции, не доступные ни в одном из других пакетов. Также имеется расширенный набор заготовок, сцен с примерами и прочие заготовки.

Autodesk Maya - инструментальная система трёхмерной графики и компьютерной трехмерной анимации, обладающая также функциональностью мощного редактора трехмерной графики. В настоящее время широко применяется в кинематографии, телевидении. Релизы Maya, начиная с версии 2014 года, доступны только для 64-битных систем.

Maya существует в трёх версиях:

- Maya Unlimited - самый полный и самый дорогостоящий пакет. Содержит расширения Hair&Fur, Maya Muscule, Fluid Effects, Cloth и другие;

- Maya Complete - базовая версия пакета, в которой присутствует полноценные блок моделирования и анимации, но отсутствуют модули физической симуляции;

- Maya Personal Learning Edition - бесплатный пакет для некоммерческого использования. Есть функциональные ограничения, ограничение на размер визуализированного изображения, пометка водяными знаками финальных изображений.

Важная особенность Maya - её открытость для сторонних разработчиков, которые могут преобразовать её в версию, оптимальную для каждой студий, предпочитающей писать код, специфичный для своих нужд. Даже невзирая на присущую Maya мощь и гибкость, эта особенность достаточна для того, чтобы повлиять на выбор пользователя.

Autodesk 3ds Max - полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в семействе операционных систем Windows (как 32‑, так и 64‑битных).

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 160 000 рублей.

Particle Systems (Система частиц) - это совокупность малоразмерных объектов, управляемых по целому ряду параметров. Примерами ситуаций, в которых бывают необходимы системы частиц, могут служить сцены, где требуется смоделировать дождь, снег, дым, огонь, звёздное небо, струи фонтана, искры и т. п.

Начиная с 8 версии, имеется 7 основных источников частиц, демонстрирующих различное поведение:

- PF Source (Источник Particle Flow) - поток частиц, способных реагировать на запрограммированные во встроенной системе Particle Flow события. Такой поток частиц может имитировать что угодно - от брызг фонтана до дымового шлейфа реактивного двигателя самонаводящейся ракеты;

- Spray (Брызги) - создаёт упрощённый вариант эффекта водяных брызг, наподобие капель дождя, и имеет несколько параметров для настройки формы частиц, их размера и характера падения;

- Super Spray (Супер брызги) - существенно усовершенствованная по сравнению со стандартной система брызг, имеющая множество параметров для определения характера рождения, движения и формы частиц. Частицам можно придавать форму различных объектов либо позволять соединяться между собой наподобие водяных капель;

- Snow (Снег) - создаёт простой эффект падающего снега и имеет много параметров для настройки формы частиц, их размера и характера падения;

- Blizzard (Метель) - существенно усовершенствованная версия частиц Snow (Снег). Частицам можно придавать форму различных объектов;

- PArray или Particle Array (Массив частиц) - подходит для моделирования частиц любого типа, а также для усовершенствованных эффектов имитации взрыва. Частицам можно придавать форму различных объектов;

- PCloud или Particle Cloud (Облако частиц) - создаёт статичное облако частиц и может применяться для имитации трёхмерных звёздных полей, косяка рыб или стаи птиц. Частицам можно придавать форму различных объектов.

3ds Max включал механизм расчёта физики Reactor, разработанный компанией Havok. Reactor позволяет моделировать поведение твёрдых тел, мягких тел, ткани с учётом силы тяжести и других воздействий. Начиная с версии 2012 (14) Reactor исключён из пакета. На смену ему пришёл модуль MassFX.

Начиная с версии 7.5, в 3ds Max встроен модуль Hair&Fur (волосы и шерсть), позволяющий моделировать волосы, шерсть, траву, прутья и др.

Визуализация является заключительным этапом работы над моделируемой сценой. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев работа со сценой производится в упрощенном виде: размер текстур маленький, тени и источники света, различные свойства материалов (например, отражения) отключены, сложная геометрия и различные эффекты не отображаются. Только после визуализации становятся видны все свойства материалов объектов и проявляются эффекты внешней среды, применённые в составе сцены. Для вывода конечного изображения на экран выбирают необходимый модуль визуализации (МВ), который с помощью математических алгоритмов произведет вычисление внешнего вида сцены со всеми требуемыми эффектами. При этом, время расчета может варьироваться от доли секунды до нескольких месяцев, в зависимости от сложности задачи. Большинство МВ являются отдельными программами, встраиваемыми как дополнение в 3ds Max. Для достижения наилучшего результата необходимо, чтобы единицы измерения сцены были выставлены правильно. Если модель имеет размеры, соответствующие реальности, то и освещение будет наиболее реалистичным.

Список модулей визуализации:

Scanline

Визуализатор по умолчанию в 3ds Max. Исходным методом визуализации в 3DS Max является сканирующий построчный алгоритм. Некоторые расширенные возможности были добавлены в Scanline спустя годы, такие как расчёт Global Illumination, Ray Tracing и Radiosity, однако большинство функций перешло к нему от других визуализаторов (например — RadioRay).

mental ray

mental ray является пригодной для производственного применения высококачественной системой визуализации, разработанной компанией Mental Images. mental ray встроен в последние версии 3DS Max, это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию (подобно механизму сопровождающей визуализации, реализованному в Maya), а также технологию распределённой визуализации, позволяющую рационально разделять вычислительную нагрузку между несколькими компьютерами. Включаемая в 3ds Max версия mental ray поставляется с набором инструментария, позволяющим относительно просто создавать множество различных эффектов.

V-Ray

Высококачественный фотореалистичный визуализатор, спроектированный в качестве плагина для 3ds Max. Популярнейший в русскоязычном пространстве внешний визуализатор компании Chaos Group. Очень часто используется профессионалами, часто заменяя стандартный Scanline и mental ray. Совместим с более старыми версиями 3ds Max. Имеет собственные материалы, камеры, источники освещения и атмосферные эффекты. Также в него встроена «система дневного света»:

V-Ray Physical Camera - физическая камера;

V-Ray Sky – небо;

V-Ray Sun – солнце;

Использование систем в совокупности позволяет получить хорошие результаты даже при стандартных настройках.

Список использованных источников

1. Трошина, Г.В. Трехмерное моделирование и анимация : учебное пособие / Г.В. Трошина. - Новосибирск : НГТУ, 2010. - 99 с. - ISBN 978-5-7782-1507-8 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=229305 (18.10.2017).

2. Примеры моделирования в редакторе 3D Studio Max : учебно-методическое пособие / Е.И. Заболоцкий, Р.Я. Оржеховская, Д.З. Хусаинов и др. ; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральская государственная архитектурно-художественная академия» (ФГБОУ ВПО «УралГАХА»), Министерство образования и науки Российской Федерации. - Екатеринбург : УралГАХА, 2013. - Ч. 1. - 66 с. : ил. - Библиогр. в кн. ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=436745 (18.10.2017).

3. Шпаков, П.С. Основы компьютерной графики : учебное пособие / П.С. Шпаков, Ю.Л. Юнаков, М.В. Шпакова ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Сибирский Федеральный университет. - Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2014. - 398 с. : табл., схем. - Библиогр. в кн.. - ISBN 978-5-7638-2838-2 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=364588 (18.10.2017).

4. Гафурова, Н.В. Методика обучения информационным технологиям. Практиум : учебное пособие / Н.В. Гафурова, Е.Ю. Чурилова. - Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2011. - 181 с. - ISBN 978-5-7638-2255-7 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=229301(18.10.2017).

5. Белова, О.П. Использование маркерной технологии дополненной реальности для графической визуализации учебных задач пространственной геометрии : выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация) / О.П. Белова ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. - Архангельск : , 2017. - 94 с. : ил. ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=461855 (18.10.2017).