3D Studio MAX Изнутри

ГЛАВА 7

Создание параметрических примитивов

Знание основ процесса конструирования и достижения точности позволяет исследовать способы определения примитивов и манипуляции их параметрами. Геометрические примитивы 3D Studio MAX (см. рис. 7.6) обеспечивают строительные блоки, с использованием которых создается множество других форм. Те, кто занимается моделированием, используют примитивы в качестве начальной точки для создания каркаса и вершины. В общем случае примитивы служат инструментами построения и моделирования при создании булевых составных объектов. Стандартными геометрическими примитивами в 3DS МАХ являются:

• Коробка (кубическая или прямоугольная)

• Сфера (на базе четырехугольников)

• Геосфера (на базе треугольников)

• Цилиндр (сплошной или полый)

• Труба (полая форма цилиндра)

• Конус (остроконечный вариант цилиндра)

• Тор (пончик)

• Hedra или "ежик" (пять геометрических семейств с разнообразными возможностями)

• Чайник (классическая пиктограмма компьютерной графики)

• QuadPatch & TriPatch (плоские лоскуты Безье)

Все примитивы имеют параметры для управления их определяющими размерами - результирующей сложностью, гладкостью и генерацией координат проецирования. Первоначально можно свободно обращаться со всеми параметрами, поскольку их всегда легко модифицировать и установить такими, как это необходимо, путем уточнения их значений из панели Modify или позже из Track View.

ПРИМЕЧАНИЕ

Создание геометрических примитивов достаточно прямолинейно. Просто выбирается базовая точка и затем для определения оставшихся размеров выполняется перетаскивание. В случае активности основной сетки выбранное для создания видовое окно определяет размещение объекта. Каждый примитив поступает с определяющими размерами и сегментацией, а некоторые имеют опции среза и разрезания на пластины для определения только части исходного примитива.

Для большинства объектов установлен предел в 200 сегментов для любого взятого размера. Это достаточно высокий предел и его редко используют. Например, коробка, имеющая стороны с 200 сегментами, содержит 480000 граней, а чайник с максимальным числом сторон 74 имеет 272144 грани. Фантастическим в параметрической геометрии является то, что хотя она и оказывает влияние на объем памяти для сцены и визуализации, занимаемое дисковое пространство файла МАХ оказывается независимым от уровней сегментации, пока объект остается параметрическим.

СОВЕТ

Параметры параметрического создания

По определению параметрические объекты имеют набор управляющих параметров, которые диктуют результат. Эти параметры изменяются в зависимости от объекта, но большинство из них можно сгруппировать в следующие категории (первые четыре категории - размеры, сегменты, сглаживание и координаты проецирования -доступны во всех объектах).

Размеры

Размеры определяют размер параметрического объекта при измерении от его точки создания. Общие размеры включают высоту, длину и ширину, в то время как круговые объекты обычно содержат параметры радиуса. Некоторые разработчики в качестве альтернативы используют периметр, объем и массу.

ПРИМЕЧАНИЕ

Сегменты

Сегменты определяют плотность каркаса объекта в различных размерах. Криволинейные размеры для достижения более высокой разрешающей способности требуют большей сегментации, а линейные размеры требуют увеличения сегментации только в том случае, если планируется деформировать объект вдоль этого измерения.

Сглаживание

Параметры сглаживания управляют автоматическим добавлением групп сглаживания к объекту. Некоторые объекты, например. Torus, обеспечивают удобные опции для сглаживания, которое трудно выполнимо непараметрическим способом. Заказное сглаживание для конкретных выборок граней можно присвоить посредством модификаторов EditMesh (отредактировать каркас) или Smooth (сгладить).

Координаты проецирования

Mapping Coordinates (координаты проецирования) управляют добавлением к объекту параметрических координат распределения. По умолчанию примитивы создают проецирование с фиксированной укладкой, равной 1.0 в каждом направлении. Объекты от других разработчиков могут иметь возможность управления укладкой и экстентами их параметрического проецирования. Заказное проецирование присваивается с помощью модификатора UVW Map.

Параметры "порций"

"Порции" управляют полнотой создания объекта. Общие примеры включают Cylinder & Tube slicing (цилиндрические и трубчатые пластины). Sphere chopping (сферические срезы) и Teapot part (части чайника). Объекты от других разработчиков могут включать в себя количество зубьев шестеренки либо компоненты окна или автомобиля.

"Вариации"

"Вариации" манипулируют размерами и сегментацией различными способами. Они обычно являются "дополнениями" для объектов и включаются в них для создания интересных вариаций, которые трудно создавать другим способом. Примерами этой группы для случая Torus являются Twist и Rotation. Другие разработчики могут определять возможности, подобные ветру, тяжести, возрасту и т.д.

"Семейство"

"Семейство" изменяет весь результат действия других параметров. Общими примерами являются Type для GeoSphere и Family (семейство) для объектов Hedra. Некоторые разработчики определяют род, породу, расу, изготовителя, линию, продукт и пр.

Точки пространственного центра

Каждый примитив имеет точку, от которой производится измерение его размеров. Этот пространственный центр является также первоначальным положением точки вращения объекта. При любом перемещении точки вращения положение пространственного центра никогда не изменяется, поскольку он является неотъемлемой частью определения объекта. Расположение пространственного центра для основных примитивов показано на рисунке 7.7.

Ориентация ограничивающей рамки

Параметрические объекты всегда начинаются с одной и той же ориентации локальной системы координат. Например, первоначальная ось Х чайника всегда находится по центру его ручки и носика, независимо от того, где он был создан.

Эта ориентация определяет ориентацию ограничивающей рамки объекта до тех пор, пока объект сохраняет параметрическое определение. В отличие от других программ, ограничивающая рамка объекта не указывает ориентации своих внутренних осей - эта ориентация полностью управляется ориентацией точки вращения объекта, текущей активной системой координат либо и тем, и другим.

СОВЕТ

Параметры пластин и срезов

Примитивы, имеющие определяемые линии пластин, обычно имеют опции параметров Slice (пластина) и Chop (срез). Опция Slice On (включить разделение на пластины) позволяет посредством параметров Slice From и Slice To определить начальное и конечное положение пластины "кругового объекта", расположенного по центру создания объекта (см. рис. 7.8).

Параметры пластины выражаются в углах, а результирующий срез всегда проходит вдоль сторон. Важной характеристикой пластины является то, что при анимации пластины обеспечивается такое же количество сегментов, что придает объекту "развернутый" вид.

Примитив Sphere отличается тем, что имеет параметр Hemisphere (полушарие) с диапазоном изменения 0-1 (что определяет часть сферы в процентном выражении). Опция Squash (расплющить) поддерживает такое же количество сегментов для результирующей секции сферы. Опция Chop (срез) делит сферу на секции в тех же местах, что и Squash, но не изменяет остатка первоначально определенных сегментов сферы. На рисунке 7.9 показаны сферы с одинаковыми значениями Hemisphere в Squash и Chop. Опция Base to Pivot (взять за базу точку вращения) существенно изменяет эффект Hemisphere. При отмеченной Base to Pivot основание секционированной сферы всегда опирается на плоскость создания. При анимации сфера кажется всплывающей из плоскости так, как будто она разрывает поверхность жидкости. Если Base to Pivot не отмечено, верх секционированной сферы остается неподвижным и кажется, что сфера вырастает из него (рис. 7.9).

Параметрические координаты проецирования

Примитивы 3D Studio MAX генерируют по умолчанию координаты проецирования в качестве помощи для быстрого выбора текстуры. Это не автоматическая опция, поскольку координаты проецирования влияют на размер файла ввиду добавления дополнительных данных. Координаты по умолчанию фиксируются в методе проекции и обычно являются одной мозаичной единицей в каждом направлении. Хотя их нельзя регулировать (они определены параметрически), присвоенный им материал может иметь смещение и способ укладки мозаикой при проецировании, регулируемых при необходимости. Для дополнительного управления или для изменения типа проецирования к объекту в собственных координатах можно добавить модификатор UVW Map. На рисунке 7.10 показано проецирование по умолчанию для основных примитивов.

Параметрические опции сглаживания

Поверхности, которые визуализируются в компьютерной графике, необходимо преобразовать в треугольные грани. Это справедливо для всех программ, даже для тех, которые работают полностью на поверхностях, форма которых кажется свободной. При визуализации эти поверхности преобразуются в грани (хотя этот факт может и не демонстрироваться). Трехмерная дуга и криволинейные поверхности непосредственно не поддерживаются, а скорее аппроксимируются сегментами, которые в свою очередь состоят из граней. Чем более гладкая кривая, тем больше требуется сегментов и граней.

Для минимизации накладных расходов моделирования и поддержания скорости в 3DS МАХ включено понятие сглаживания. Сглаживание влияет на объект при его визуализации так, как если бы его геометрия была на самом деле сферической. Ребра, которые существуют между сглаженными гранями, в значительной степени игнорируются визуализатором по мере сглаживания сетки. Визуализированный эффект сглаживания отличается в интерактивном и окончательном визуализаторах из-за уровня визуализации затенения. Окончательный визуализатор использует в основном модели затенения Phong и Metal, создающие очень гладкие яркие участки путем усреднения цветового пространства каждого пиксела. Это противоположно используемой при сглаживании в 3D Studio MAX модели затенения Gouraud, при которой затенение интерполируется затенения между вершинами. Поэтому результирующее качество ярких участков зависит от плотности каркаса, поскольку чем больше определений, тем больше между ними затеняется вершин. На рисунке 7.11 приведено сравнение того, как выглядит одинаково гладкая геометрия в затененном видовом окне и в окончательном визуализаторе. На рисунке 7.12 показана та же геометрия без опции сглаживания.

Эффект сглаживания наиболее заметен на сферических каркасах, являющихся формой, на которой происходят аппроксимации функции сглаживания. Хотя сферы, созданные с совершенно различным количеством граней, имеют центральные секции, которые выглядят на удивление одинаково, в профиле сферы важными становятся дополнительные детали. На рисунке 7.12 показано, как очевидная "округленность" любого криволинейного периметра формы всегда определяется числом граней, из которых он состоит. Как человек, занимающийся моделированием, вы должны балансировать между количеством граней в сцене и необходимой степенью детализации. Помните, что сглаживание не влияет на истинную геометрию объекта - это только способ визуализации его поверхности.

ПРИМЕЧАНИЕ

Сглаживание создает иллюзию округленности за счет присвоения соответствующим граням групп сглаживания. Все прилегающие соединенные грани, совместно использующие общую группу сглаживания, сглаживаются по своим граничным ребрам. Запомните, что сглаживание может работать только между соединенными гранями. Поэтому, когда объект имеет несколько групп сглаживания, которые присвоены различным его частям, сглаживание не распространяется на несоединенные области даже в том случае, если граням присвоена одна и также группа сглаживания.

СОВЕТ

Для большинства примитивов при выключенной опции Smooth группы сглаживания не присваиваются. Коробки, цилиндры и конусы являются исключениями и по-прежнему присваивают группу сглаживания своим плоским колпачкам. Обычно последующие операции моделирования могут деформировать эти ребра. Общая группа сглаживания для трех плоскостей обеспечивает продолжение их гладкой (и предположительно плоской) визуализации. Об этом следует помнить, когда вы начинаете деформировать эти стороны из их первоначальной плоскости и, возможно, не хотите, чтобы они в дальнейшем были гладкими.

ПРИМЕЧАНИЕ

Манипуляция компонентами

Во время манипуляции объектом или выборкой ряд компонентов оказывают помощь, руководят или управляют результатами процесса. Описанные в последующих разделах компоненты сами по себе не существуют, но временно используются в ходе выполнения операций.

Ограничивающая рамка

Ограничивающая рамка (Bounding Box) представляет собой прямоугольную рамку, размер которой определяется экстентом объекта или текущего временного набора выборок. Если активна Adaptive Degradation (адаптивная деградация), ограничивающая рамка используется в качестве объекта замены при перетаскивании выборок во время выполнения команд. Экстенты и центр ограничивающей рамки выборки используются в качестве основы для команды Align (выровнять). Ориентация ограничивающей рамки определяется отношением объекта с мировой системой координат при его создании. Ограничивающую рамку можно переориентировать только косвенно, а не явно, путем переориентации объекта.

Центр выборки

Центр выборки (Selection Center) является геометрическим центром ограничивающей рамки и общей точкой трансформации из менеджера трансформации.

Матрица трансформации

Эта матрица представляет собой таблицу чисел, поддерживаемую 3D Studio MAX для отслеживания изменений в расположении, ориентации и размерах объектов. Расположение объекта определяется пересечением трех плоскостей в центре ограничивающей рамки. Ее использование совершенно очевидно, но может повлиять на эффект некоторых материалов и трансформаций Keyframer.

Локальная система координат

Локальная система координат (Local Coordinate system) (или пространство объекта) уникальна для объекта и обеспечивается в таблице чисел, которая называется матрицей трансформации 3DS МАХ, отслеживающей изменения в расположении, ориентации и размерах объекта. Расположение объекта определятся пересечением трех плоскостей в центре ограничивающей рамки так, как оно определялось при создании объекта. В то время, как использование матрицы трансформации совершенно очевидно, локальные координаты оказывают влияние на материалы, использующие типы SD-карт, и на различные трансформации.

Система координат

Coordinate Systems (системы координат) определяют ориентацию плоскостей X, Y, Z и являются основой, на которой выполняются (неанимированные) трансформации. Используемая координатная система выбирается из выпадающего списка Reference Coordinate System (опорная система координат) линейки инструментов. Активная система координат управляет каждым действием, производимым через линейку инструментов (перемещение, вращение, изменение масштаба, зеркальное отображение, массив и выравнивание).

Точка вращения

Pivot Point (точка вращения) определяет начало координат и ориентацию локальных осей объекта и, таким образом, его локальную систему координат. Точка вращения задает ориентацию локальной системы координат объекта и точку, вокруг которой трансформируется объект. Поэтому точка вращения имеет важное значение для анимации. Точка вращения часто является местом расположения по умолчанию центров гизмо. Если точка вращения не перекрыта глобальным параметром Local Center During Animation (локальный центр во время анимации), она используется в качестве позиции для анимированной трансформации объекта. Перемещение или переориенация точки вращения объекта выполняется с панели Hierarchy (иерархия). Несмотря на то, что при этом вы получаете управление над локальной системой координат объекта, ограничивающая рамка не переориентируется.

Основные примитивы

3D Studio MAX обеспечивает несколько геометрических примитивов с параметрическими определениями. Хотя они часто используются сами по себе, они могут послужить строительными блоками для более сложных моделей. Поскольку в 3DS МАХ Software Developer Kit (набор разработчика программного обеспечения 3DS МАХ) все эти примитивы поставляются в виде исходного кода, они могут хорошо работать в качестве блоков программного построения, что помогает разработчику (и, возможно, вам) создавать совершенно новые классы объектов.

Наиболее скромные примитивы (коробки, цилиндры и трубы) можно рассматривать как запас сырья в виде брусков, стержней и труб, готового для обработки на наковальне кузнеца, металлообрабатывающем станке или в пламени стеклодува. Почти все, что создается из запаса сырья в реальном мире, можно сделать из этих основных примитивов при помощи модификаторов деформации 3DS МАХ. Посмотрите на объекты вокруг себя. Вы увидите, что практически все металлические изделия, валы и стеклянные изделия образованы из примитивов.

Коробки

Коробки являются простейшими объектами (см. рис. 7.13), но они часто оказываются наиболее полезными. Обычно объекты коробок используются для быстрого определения плоскостей потолок/пол, а также стен. Коробки можно применять как быстрые инструменты для выравнивания и как часто используемые компоненты для пластинчатых объектов в булевых операциях. Коробки можно считать запасом сырья, готового для сгибания или скручивания.

Коробки являются единственными объектами кроме Hedra, которые не имеют опции сглаживания. Взамен каждой из шести сторон присваивается группа сглаживания. Это означает, что при искажении коробки, ее стороны остаются гладкими.

Цилиндры и трубы

Цилиндры и трубы (полые цилиндры) можно создавать как параметрические объекты. Эти объекты являются общей начальной точкой для многих частей модели, поскольку они родственны запасу брусков и труб. При неоднородном масштабе и ограниченных деформациях эти простые формы можно сгибать, размалывать, вращать и сжимать во множестве общих объектов. Подобные простые формы легко заметить в окружающих нас изделиях. Сегментация, необходимая для цилиндров и труб (как и для всех круговых объектов), изменяется в соответствии с тем, насколь точно должны просматриваться их концы и какую роль играют эти объекты в рамках сцены.

На рисунке 7.14 показано как в зависимости от сегментации изменяется воспринимаемая округлость круговых объектов. Если концов нельзя увидеть, можно создавать минимум сторон; если профиль очевиден (что является общим случаем для внутренних частей труб), количество сегментов должно быть увеличено.

ПРИМЕЧАНИЕ

Количество сегментов высоты для цилиндров и труб будет изменяться в зависимости от применения этих объектов. Чем более эти примитивы деформируются, тем больше сегментов требуется, чтобы они выглядели убедительно и были гладкими. Сегменты высоты влияют только на качество визуализации цилиндра в случае дальнейшей его деформации. Конечно, планирование этого не критично, поскольку сегментацию можно изменять позже. Планирование становится критичным, если вы собираетесь выполнить операцию, разрушающую стек объекта.

Конусы

Конические объекты фактически очень похожи на цилиндры, потому что по существу конус является цилиндром с концами разных размеров. Конусы часто используются для создания общих форм, что во многом напоминает цилиндры, однако их два радиуса обеспечивают возможность помещения результирующего объекта в управляемый конус в любое время. Другим общим вариантом применения являются основные пирамидальные формы, показанные на рисунке 7.15. На практике если требуется параметрическое управление верхним и нижним радиусом, конус одевается поверх цилиндра.

Объекты конуса всегда имеют два конца - нельзя уничтожить грани в остром кончике конуса. Сначала может показаться, что тратить грани для конусов с кончиками нулевого радиуса - пустое занятие, однако эта характеристика весьма полезна. Дополнительный набор граней на кончике конуса обеспечивает сглаживание сторон конуса только с прилегающими сторонами. Если стороны совместно используют одну вершину на кончике конуса, все грани сторон совместно используют одну группу сглаживания. При этом достигается эффект сглаживания кончика конуса так, как если бы он был сферическим (см. рис. 7.16).

Объект конуса усиливает характеристику сглаживания 3D Studio MAX. Поскольку алгоритм сглаживания Renderer пытается аппроксимировать сферу, "сглаженные" стороны кажутся в некоторой степени фасеточными, если они конусно сходятся в острую точку, что очень типично для конуса. Для повышения визуализиро-ванной гладкости конуса необходимо увеличивать его сегментацию, что уменьшает средний угол между гранями. На рисунке 7.17 показано результирующее сглаживание конусов с различными сегментами высоты.

Сферы и геосферы

Параметрические объекты Sphere (сферы) и GeoSphere (геосферы) представляют различные способы определения сферических объемов и вместе обеспечивают четыре различных геометрии типа сферы и купола (оболочки) (см. рис. 7.18). Базовый объект Sphere создает квадратичные секции, похожие на линии долготы и широты глобуса. Геосфера создает треугольные секции, подобно геодезическим куполам.

Опции Tetra (четырех), Octa (восьми) и Icosa (двадцати) создают треугольные грани, но организуют свою геометрию различными способами. Сфера Icosahedron (двадцатигранник) является классической конструкцией геодезического купола, образующей пятиугольники из треугольников в критических точках. В противоположность этому, Octahedron (восьмигранник) и Tetrahedron (четырехгранник) в аналогичных соединениях образуют квадраты и равносторонние треугольники.

Геосферы оказываются более эффективными в использовании, обеспечивая самый гладкий профиль при наименьшем числе граней. Объект Sphere является простейшим для разрезания на пластины и обычно является выбором, когда требуется взаимодействовать с другими прямоугольными объектами. При вырезании из сферы кусков в качестве булевых операндов, вероятно, более предпочтительно использовать Sphere, нежели GeoSphere. Для отдельных объектов, в особенности для куполов, скорее всего, подойдут объекты GeoSphere.

Top

Объекты Torus (тор) часто называют пончиками, шинами или кольцами. Хотя тор выглядит просто, этот объект имеет ряд интересных параметров. На рисунке 7.19 показано как параметр Twist скручивает радиальные линии (стороны), которые образуют спираль вокруг тора, а параметр Rotation вращает поперечные сечения (сегменты). Эффект параметра Twist полностью очевиден в неподвижном изображении, эффект же параметра Rotation лучше всего виден в анимации.

ПРИМЕЧАНИЕ

Сложные объекты (Hedra и Teapot)

Объекты Hedra (ежик) и Teapot (чайник) служат в качестве намека на то, что можно делать с объектами 3DS MAX. Hedra обеспечивает неограниченные перестановки, a Teapot является примером сложного параметрического объекта, состоящего из частей (см. рис.7.22 далее в главе).

Можно ожидать появление множества других параметрических объектов попадающих под эти два класса. Деревья, растительность, ландшафты и тучи аналогичны Hedra, а двери, окна, стулья и даже наборы доспехов аналогичны Teapot.

Объект Hedra обеспечивает пять семейств Polyhedron (многогранник) со множеством управляющих параметров. Возможности этих параметров могут показаться бесконечными, и ввиду того, что над ними можно выполнять анимацию, они обеспечивают очень интересную геометрию (в особенности для систем моделирования частиц от независимых разработчиков, которые могут воспринимать объекты-ссылки в качестве частиц). На рисунке 7.20 показана часть того, что можно сделать с этим объектом; на рисунке 7.21 приведены диаграммы определяющих параметров.

Объект Teapot - это классика компьютерной графики. Известный в промышленности как "чайник из Юты", он является одним из первых предметов, которые всегда визуализируются. Теперь чайник является пиктограммой для 3D-графики в целом (поскольку используется в качестве пиктограммы визуализации). Пусть это покажется смешным, но скромный чайник является совершенно бесценным для проверки материалов и модификаторов благодаря своим геометрическим вариациям и подходящим координатам распределения.