Создание реалистичных 3D моделей для анимации – это сложный технический процесс, который требует творческого подхода. Для решения задач понадобится художественное видение и практические навыки. Также важно знать основные техники, которые помогают достичь высокого уровня реализма в 3D-моделировании.
Основы полигонального моделирования
В основе любой 3D модели лежит полигональная сетка – каркас из многоугольников, чаще всего треугольников или четырехугольников. Понимание полигональной структуры – это фундамент для создания качественных моделей.
В полигональном моделировании важно понимать разницу между разными уровнями детализации:
- Низкополигональные модели содержат минимальное количество полигонов и используются, если скорость рендеринга важнее детализации. Например, в играх для мобильных устройств или для создания объектов, находящихся вдалеке от камеры.
- Среднеполигональные модели – разумный компромисс между производительностью и детализацией. Они зачастую используются в современных играх и интерактивных приложениях.
- Высокополигональные модели могут содержать миллионы полигонов и используются для создания фотореалистичных изображений в фильмах, рекламе или в качестве основы для создания карт нормалей и других текстур для игровых моделей.
Также нужно понимать, что топология сетки – ключ к реалистичной анимации. Топология – это способ организации полигонов в модели. Она критически важна для анимации персонажей, особенно для лиц и суставов.
Для лица персонажа полигоны организуются так, чтобы следовать за мимическими мышцами. Это означает создание кольцевых структур вокруг глаз, рта и других подвижных частей лица. Такое расположение полигонов позволяет модели естественно деформироваться при анимации.
Для суставов (локтей, колен, плеч) используются «петли для сгибов» – линии полигонов, которые обеспечивают плавную деформацию при движении. Обычно количество полигонов в области сустава увеличивается для лучшей детализации и более плавной анимации.
Техники органического моделирования
Анимация персонажей, животных и других органических объектов требует особого подхода, отличного от моделирования твердых, статичных геометрических тел. Для решения задач используется техника Box Modeling или «от простого к сложному». В этом случае моделирование начинается с простой геометрической формы, чаще всего куба. Постепенно он усложняется путем добавления новых ребер, вытягивания граней и перемещения вершин, пока не будет достигнута желаемая форма.
Метод «от простого к сложному» используется для создания органических объектов со сложной анатомией. Моделирование человеческого тела часто начинается с кубов для торса, конечностей и головы, которые затем постепенно трансформируются в анатомически правильные формы.
Скульптинг или цифровая глина
Скульптинг произвел революцию в 3D моделировании. Он позволил художникам работать с цифровыми моделями, как с глиной или пластилином в реальном мире. Программы для скульптинга, такие как ZBrush или Mudbox, позволяют создавать модели с миллионами полигонов, добавлять мельчайшие детали, такие как морщины, поры на коже или текстура ткани. Ключевой аспект этого метода – возможность работать на разных уровнях детализации. Можно начать с общей формы и постепенно добавлять всё более тонкие детали.
Процесс создания персонажа при использовании скульптинга выглядит так:
- Создание базовой модели с хорошей топологией в Maya, Blender или другом приложении для 3D моделирования.
- Экспорт модели в ZBrush для скульптинга детализированной версии.
- Создание карт нормалей и других текстур на основе высокополигональной модели.
- Применение текстур к оригинальной модели с хорошей топологией для анимации.
При проработке перечисленных этапов создаются реалистичные объекты и персонажи.
Retopology или оптимизация высокополигональных моделей
После создания детализированной скульптуры зачастую нужно создать версию с меньшим количеством полигонов и оптимальной топологией для анимации. Этот процесс называется ретопологией. Он требует создания новой оптимизированной сетки поверх существующей высокополигональной модели. Основная задача – сохранить визуальное сходство, но с гораздо меньшим количеством полигонов и с топологией, подходящей для анимации.
Современные программы позволяют использовать полуавтоматические инструменты для ретопологии. Но создание действительно качественной модели для анимации часто требует ручной работы. Это касается ключевых областей, таких как лицо.
Твердотельное моделирование
Для моделирования неорганических объектов, таких как автомобили, здания или предметы быта, часто используются следующие техники:
- NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) – это математический метод создания кривых и поверхностей, который используется в промышленном дизайне и инженерном моделировании. Он позволяет создавать идеально гладкие поверхности независимо от уровня масштабирования. Это делает их идеальными для моделирования автомобилей, самолетов и других объектов с плавными аэродинамическими формами.
- Subdivision Surfaces (подразделенные поверхности) – метод, который позволяет создавать гладкие поверхности путем рекурсивного деления полигональной сетки. Он объединяет преимущества полигонального моделирования и NURBS. С его помощью создаются сложные органические формы с гладкими поверхностями.
Использование рассмотренных методов дает возможность создавать реалистичные модели.
Hard Surface Modeling: метод создания технических объектов
Метод Hard Surface Modeling специально разработана для создания технических объектов с острыми краями, плоскими поверхностями и механическими деталями. Она используется при моделировании оружия, роботов, транспортных средств и другой техники.
Ключевые приемы Hard Surface Modeling включают:
- использование булевых операций для вырезания, объединения и вычитания одних объектов из других;
- применение модификаторов для создания скруглений и фасок на краях;
- работу с отдельными компонентами, которые затем собираются в единую модель;
- создание панельных линий и других технических деталей для повышения реализма.
Для создания моделей используются прямые, цилиндры, кубы, плоскости, закругления. Метод создания технических объектов требует контроля топологии.
Текстурирование
Даже самая детализированная модель будет выглядеть неубедительно без качественных текстур. Несколько техник текстурирования позволяют добиться фотореалистичных результатов.
UV-развертка – это процесс создания двумерной проекции трехмерной модели. Его можно сравнить со снятием кожуры апельсина. Эта развертка создает соответствие между точками на 3D модели и пикселями в текстуре. У качественной UV-развертки минимальные искажения. Она эффективно использует пространство текстуры, а швы располагаются в местах, где они наименее заметны.
Physical Based Rendering (PBR) – это подход к текстурированию, который основан на моделировании физических свойств материалов для создания реалистичного взаимодействия со светом. Типичный набор PBR-текстур включает:
- Base Color (диффузная текстура) определяет основной цвет поверхности.
- Normal Map (карта нормалей) – повышает детализацию без увеличения количества полигонов.
- Roughness Map (карта шероховатости) контролирует, насколько поверхность рассеивает или отражает свет.
- Metallic Map (карта металличности) определяет, какие части поверхности являются металлическими.
- Ambient Occlusion (карта окклюзии) добавляет мягкие тени в углублениях и складках.
- Height/Displacement Map (карта высот) создает реальное изменение геометрии при рендеринге.
Программы для текстурирования, такие как Substance Painter или Mari, позволяют работать со всеми перечисленными картами одновременно, рисовать непосредственно на 3D модели.
Процедурное текстурирование или бесконечная детализация
Процедурное текстурирование использует для создания текстур алгоритмы вместо нарисованных вручную изображений. Этот метод позволяет создавать детализированные текстуры, которые можно масштабировать без потери качества.
Программы Houdini, Substance Designer и Blender содержат мощные инструменты для процедурного текстурирования. С их помощью создаются сети узлов, которые генерируют различные типы текстур – от простой кожи до сложных поверхностей с различными эффектами, например, ржавчиной или грязью.
Создание реалистичных 3D моделей персонажей и объектов – это искусство, требующее глубокого понимания формы, анатомии, материалов и движения. С каждым годом инструменты становятся всё мощнее, а требования к качеству моделей – всё выше. Известные 3D-художники сочетают технические навыки со знанием искусства и наблюдательностью. Они постоянно изучают мир вокруг себя, обращают внимание на то, как свет взаимодействует с разными материалами, как движется человеческое тело и как меняются объекты с течением времени.