Примеры полигонального моделирования в 3ds max. Урок: Простое полигональное моделирование телевизора

Что такое, и для чего используется полигональное 3D моделирование?

Полигональное 3D моделирование (Polygonal modeling) является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. С ним современный человек сталкивается практически каждый день, возможно, этого даже не осознавая. Кино, мультипликация, компьютерные игры, виртуальная реальность и т.д. – все это направления, где используется полигональная 3D графика.

С появлением 3D принтеров полигональные модели стали также использоваться для 3D печати объектов.

В связи с возрастающей популярностью 3D принтеров, и сравнительно более простым 3D моделированием по сравнению с поверхностным/твердотельным, форматы полигональных моделей стали больше применять разработчики CNC программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). В основном ЧПУ по дереву, пластикам и мягким металлам.

Чтобы иметь правильное представление о 3D моделировании, и корректно поставить задачу дизайнеру, достаточно знать несколько основополагающих принципов.

Сегодня существует два основных направления развития 3D моделирования объектов: полигональное и твердотельное (поверхностное).

Основное направление, где используется полигональное 3D моделирование, - 3D графика. Твердотельное/поверхностное - промышленный дизайн.

В зависимости от того, какое конечное изделие Вы хотите получить, выбирается твердотельное (поверхностное) 3D моделирование, либо полигональное.

Например, если вы ходите напечатать на 3D принтере игрушку или вырезать на фрезерном станке 3D рельеф картины из древесины, то следует выбрать полигональный формат 3D модели. Если же собираетесь выпустить любое промышленное изделие, то Вам придется остановить свой выбор на твердотельном формате. (см. раздел «Технологии» Твердотельное / поверхностное 3D моделирование).

Различия двух форматов заключаются в принципах формирования 3D объекта. В полигональном 3D моделировании объекты строятся из полигонов, в твердотельном /поверхностном 3D моделировании объекты строятся из геометрических элементов, таких как линии. кривые, сплайны и т.д., а на основании этих элементов строятся различные геометрические фигуры.

Полигон – это единичный элемент поверхности, представленный в виде треугольника, либо четырехугольника, который размещен в трехмерной системе координат. Фактически полигональное моделирование является потомком растрового двухмерного изображения (всем хорошо известного пикселя), но в трехмерной системе координат.

Качество полигональной 3D модели определяет количество полигонов, и сопряжения их ребер друг с другом. Всегда действует правило - чем больше полигонов, тем выше детализация полигональной 3D модели.

В 3D моделировании, при высокой детализации полигональной модели, не имеет большого значения сопряжение ребер, если Вы собираетесь изготовить данное изделие на 3D принтере, либо на фрезерном станке. Как правило, системы CNC на станках, которые воспринимают данный формат, имеют алгоритмы, которые делают несущественными подобные ошибки полигональной 3D модели.

Полигональные модели не используется для изготовления сложных деталей на станках по причине невозможности обработки детали различными инструментами в процессе механической обработки. А это крайне важное условие, если обрабатывается промышленная деталь. Высока вероятность того, что лицензионное CNC программное обеспечение к современным металлообрабатывающим станкам не будет даже иметь импорта полигональных моделей.

Так что, если у Вас стоит задача изготовить изделие с высокой точностью, с ровными отверстиями, резьбой и т.д, то следует выбрать поверхностное/твердотельное 3D моделирование.

Самым распространенным форматом полигональной 3D модели, воспринимаемым большинством CNC программ, для формирования управляющих программ для станков является - *.STL (Binary).

Менее распространены *.3DS,*.OBJ, *.ASC, *.PLY, *.FCS.

Хотим обратить Ваше внимание на то, что эффективного конвертера для преобразования STL в IGS, STP (твердотельную модель) на текущий момент не существует. Все решения дают посредственный результат, который нельзя использовать без дополнительных доработок 3D модели.

Конвертация полигональной 3D модели из одного формата полигонов в другой обычно производится путем пересохранения файла 3D модели в нужном формате.

Помните, что правильный выбор формата данных перед началом моделирования, и корректная постановка задачи исполнителю Вашего заказа – это основа для получения ожидаемого качества изделия!

Этот урок полигонального моделирования в 3ds Max рассказывает о наиболее часто используемых 3d операциях при использовании Edit Poly модификатора (или Editable Poly). Этот метод отлично подходит для создания практически любых объектов в 3ds Max.

Для начала создадим простой примитив Box с пропорциями реального телевизора.

рис.1. Создали исходный 3d примитив - Box

Применим к нашему боксу модификатор Edit Poly

рис.2. Применили модификатор Edit Poly

Нажатием клавиши F4 на клавиатуре в 3ds Max включаем отображение ребер нашей полигональной модели.

В стеке модификаторов переходим на уровень полигонов для того чтобы начать моделирование. И выделяем передний полигон, где начнем создавать экран.

рис.3. Перешли на уровень полигонов и выделили передний в окне перспективы

Применим к выделенному полигону операцию Inset для создания грани как показано на рисунке. Она послужит основой для создания экрана.

рис.4. Применяем к полигону операцию Inset

Вдавливаем образовавшийся полигон внутрь командой Extrude .

рис.5. Вдавили полигон операцией Extrude

Подразбиваем дважды вдавленный полигон операцией Tesselate (Подразбиение), тем самым увеличивая детализацию передней грани для возможности дальнейшей ее деформации. Вообще не рекомендуется злоупотреблять этой операцией в своих моделях.

рис.6. Увеличиваем детализацию грани операцией Tesselate

Переходим на уровень вертексов и выделяем центральную вершину экрана.

рис.7. Выделили центральный вертекс

Активируем режим мягкого выделения Soft Selection (Благодаря ему мы сможем деформировать объект более плавно). Обратите внимание на параметры Falloff и Bubble. Falloff отвечает за ширину зоны захвата соседних вертексов. Bubble - за форму распределения весов. Цветовое окрашивание наглядно показывает степень захвата.

Теперь переместим центральный вертекс немного вперед чтобы придать округлости экрану. По окончании обязательно выйдите из режима мягкого выделения.

рис.8. Перемещаем центральный вертекс немного вперед в режиме мягкого выделения

Экран готов, тепрь надо подготовить заднюю стенку. Снова переходим на уровень полигонов и выделяем заднюю грань.

рис.9. Выделили заднюю грань телевизора

Применяем к выделенному полигону операцию Bevel (Выдавливание со скосом).
Height - величина выдавливания
Outline - степень сужения

рис.10. Выделили заднюю грань телевизора

Вновь выдавливаем заднюю грань операцией Extrude .
Height - величина выдавливания

Рассмотрит основные составляющие теории полигонального моделирования.

Квады против трисов и N -гонов

Итак, какая же разница между квадом, трисом и N-гоном? Ну, квад - это полигон, у которого 4 стороны, трис — это полигон, у которого 3 стороны, N-гон - это полигон, у которого больше 4 сторон.

В процессе моделирования лучше всего придерживаться четырехугольников или квадов. Главным образом из-за того, что дивайдятся они более предсказуемо, лучше деформируются в анимации, а текстуры искажаются меньше всего.

Трисы или треугольники лучше всего использовать там, где их меньше всего видно.

А вот использования N-гонов лучше вообще избегать, поскольку на рендере они могут образовывать странные артефакты, а хорошо раскрасить скин с многоугольниками при риге вообще практически невозможно.

Кроме того, в программах для цифрового скалптинга, таких, как ZBrush and Mudbox удобнее всего работать с моделью, состоящей из четырехгольников.

Радость от полигонов и печаль от многоугольников

Uniform -геометрия

Uniform-геометрия значит, что в процессе моделирования вы стараетесь максимально придерживаться четырехугольников или квадов, размещая их максимально равномерно. Делать риг такой геометрии будет одно удовольствие, она будет отлично деформироваться на анимации. И, несмотря на то, что хорошие текстуры во многом зависят от хорошей UV-развертки, искажаться они будут еще меньше, если геометрия будет состоять из четырехугольников.

В Maya есть прекрасный инструмент Sculpt Geometry, с помощью которого, при условии перехода в режим Relax, можно прекрасно сгладить эджи по краям.

С помощью инструмента Sculpt Geometry можно сгладить эджи

Топология

На первый взгляд расположение эджей не имеет никакого значения. Но это не так.

При моделировании реалистичных персонажей стоит изучить анатомию человека. В таком случае направление эджей и топология должны соответствовать расположению мышц на теле человека, что создаст более правильную деформацию геометрии.

В случае с более мультяшными и стилизованными персонажами пространства для маневра больше, однако, знание анатомии лишним не будет даже в этом случае.

Для корректных деформаций топология должна быть соответствующей с необходимыми эдж лупами

Non-manifold- геометрия

Non-manifold-геометрия может содержать различные ошибки, возникшие в процессе моделирования. Это могут быть висящие эджи (без фейсов); эджи, общие для трех и более фейсов; нормали соседних фейсов, направленные в противоположные стороны; число фейсов, сходящихся в одной вершине может отличаться от числа фейслов, исходящих из этой вершины и пр.

Например, создайте куб, выделите один из его эджей и выполните команду Edit Mesh > Extrude. Итак, мы получили non-manifold-объект. Если бы это был лист бумаги, то это был бы сгиб, от которого было бы сложно избавиться. Если выполнить операцию Boolean для такого куба, то все сразу же станет понятным.

Non-manifold-геометрия может доставить немало боли, поэтому старайтесь избегать ее. Инструмент Cleanup, который находится в меню Mesh, поможет решить многие проблемы, связанные с non-manifold-геометрией.

Non-manifold-геометрия может доставить много боли

Каждый эдж должен быть на своем месте

В идеале мы начинаем процесс моделирования с простого примитива, например, куба, которому затем добавляем эдж лупы, экструдим и пр.

При этом важно соблюдать простую сложность, добавляя детали только там, где это действительно нужно. Меньше может быть лучше. Со временем вы будете лучше понимать, как оптимизировать модель, а сейчас просто продолжайте моделить.

Не делайте модель излишне сложной, добавляйте детали только там, где это действительно нужно

Изучайте окружающий мир

Все, что мы пытаемся воссоздать программно является отражением реально существующих вещей. Поэтому самым важным советом станет изучение окружающего мира.

И это касается не только моделлеров, но и риггеров, аниматоров, художников по свету и пр. Задумайтесь, как устроен тот или иной объект, как он освещается, деформируется и пр. Поиск ответов на такие вопросы значительно облегчит жизнь.

Хотите знать больше? Приходите на наши

Введение в полигоны

Полигоны – один из типов геометрии, которые используются для создания трехмерных моделей в Autodesk® Maya®. Кроме этого, в Maya имеются еще два вида поверхностей - NURBS и иерархические (subdivision).

Полигоны используются для создания многих типов 3D моделей и широко используются для разработки трехмерных объектов в фильмах, видеоиграх и интернете.

Терминология полигонов

Полигоны представляют собой фигуры с прямыми сторонами (3 или более сторон), определенными посредством точек трехмерного пространства (вершин (vertice) ) и соединяющих эти точки линий (ребер (edge) ). Внутренняя область полигона называется гранью (face) . Вершины ребра и грани являются базовыми компонентами полигонов. Вы можете выделять и модифицировать полигоны, используя базовые компоненты.

При создании полигональных моделей чаще всего используются трехсторонние (треугольники) или четырехсторонние (четырехугольники) полигоны. Maya также поддерживает полигоны с большим количеством сторон, но они используются значительно реже.

Отдельный полигон также называют гранью (face) и определяют как область, ограниченную тремя или более вершинами, и соответствующими им ребрами. Если многие грани соединены между собой, то такой объект называется полигональной сеткой (polygon mesh) или полигональным объектом (polygonal object) . Полигональная сетка может создаваться разными способами. Подробнее о способах создания полигональных объектов см. ниже.

Обычно в полигональной сетке вершины и ребра совместно используются разными гранями. В этом случае их называют общими вершинами (shared vertices) или общими гранями (shared edges) .

Полигональные сетки могут состоять из не связанных между собой частей, которые называются оболочками (shell) . Внешние ребра сетки называются граничными ребрами (border edges) .

Наложение текстуры на полигональную модель

На полигональные модели с помощью UV-координат может быть наложена текстура. Подробнее см. отдельное руководство по работе с текстурными координатами.

Обзор полигонального моделирования

Существуют разные техники по созданию полигональных моделей в Maya:

• Примитивы – это трехмерные геометрические формы, которые Вы можете создать в Maya. В число примитивов входят, например, сфера, куб, цилиндр, конус, плоскость и многие другие. Вы можете изменить базовые атрибуты примитива, чтобы сделать его более сложным. Можно также разрезать, экструдировать, сливать или удалять разные компоненты примитива, чтобы изменить его форму. Многие 3D художники используют примитивы в качестве начальной точки для создания моделей. Такая техника называется моделированием из примитива.
• Отдельные полигоны могут быть созданы с помощью средства Create Polygon Tool. Этот инструмент позволяет размещать в сцене вершины, определяющие форму полигональной грани. Вы можете также разрезать или экструдировать полигональную грань, чтобы добавить новые грани к уже созданной. Такая техника обычно используется, если Вам нужно наиболее точно построить модель по заданному контуру. Например, Вы можете описанный прием, если Вам нужно построить сложный 3D логотип, используя импортированное 2D изображение как референс.
• Полигоны могут также создаваться превращением из имеющихся NURBS или иерархических (subdivision) поверхностей, используя меню Modify.

Нормали полигонов

Нормаль - это воображаемая линия, перпендикулярная поверхности полигона. В Maya нормали используются для определения ориентации грани полигональной грани (нормали граней), или для расчета закраски граней (нормали вершин).

Нормали граней

Передняя сторона грани полигона грфически представляется с помощью перпендикулярного к ней вектора, называемого нормалью грани.

Порядок перечисления вершин, окружающих грань, определяют ее направление (в какую сторону грань обращена лицом, а в какую - изнанкой). Этот факт может оказаться важным, так как полигоны видны только со своей лицевой стороны, хотя Maya по умолчанию делает все полигоны видными с обеих сторон. Вы можете отключить эту возможность для любой полигональной сетки.

При закраске или рендеринге полигонов нормали определяют отражение света от граней, а значит и цвет полигональной модели.

Нормали вершин

Нормали вершин определяют сглаживание закраски между гранями полигона, в отличие от нормалей грани, которые задают видимость или невидимость полигона.

Нормали вершин изображаются линиями, начинающимися в вершине, по одной на каждую грань, которая использует эту вершину.

• Если все нормали одной вершины имеют строго одно и то же направление (в этом случае они называются общими или мягкими нормалями), то цветовой переход от грани к грани будет плавным.

• Если нормали вершин указывают в одном и том же направлении для каждой грани (в этом случае они называются жесткими нормалями), переход цвета между гранями будет резким, создавая эффект граненой поверхности.

Продвинутые пользователи могут вручную манипулировать нормалями вершин, чтобы создать видимость жестких граней (складок) и теней без использования дополнительной геометрии. Для этой операции используется пункт Vertex Normal Edit Tool меню Normals. Если нормаль отредактирована вручную, она замораживается. Если Вы разморозите ранее отредактированную нормаль, то Maya автоматически пересчитает ее направление и вернет в положение, принятое по умолчанию.

Этот урок послужит хорошим стартом для тех, кто хочет научиться моделировать первоклассных персонажей. Знаменитый в своем круге Jahirul Amin расскажет о важности правильной топологии, равномерной сетки, важности четырехугольных полигонов и многое другое.

Перед тем, как погружаться в 3D-омут, предлагаю устроить краткий ликбез и поплескаться на мелководье. Ниже мы затронем основы полигонального моделирования, без знания которых бессмысленно двигаться дальше.

Введение

Когда геометрия становится подспорьем моделера или аниматора, идеальная компоновка сетки (она же меш) стоит на первом месте. После этого в игру должна вступить хорошая топология, снижающая количество дефектов при анимации персонажа. Другими словами, правильно (и вовремя) созданный полигон сохранит не то, что часы – дни вашей жизни.

3-х угольник vs 4-х угольник vs N-угольник

Итак, в чем же разница между 3-, 4- и N-угольными полигонами? Ответ очевиден: у первого 3 стороны, у второго – 4, у третьего – любое их количество, большее 4-х. Если вы моделируете допустим персонажа для дальнейшей его анимации, то рекомендуют использовать только четырехугольники . Процесс деформирования и деления четырехугольных полигонов проходит гораздо проще, к тому же, вы столкнетесь с меньшим искажением текстуры.

Треугольники рекомендуется прятать от своих и чужих глаз. Например, в местах подмышек или в паховой области персонажа. В свою очередь, на многоугольники наложен негласный запрет — их быть не должно. Они провоцируют искажение и доставляют немало хлопот, когда дело доходит до риггинга и редактирования групп вершин (оно же «weight-painting»).

Наконец, модель, которая состоит преимущественно из четырехугольных полигонов, будет легче экпортировать в другие программы моделирования, такие как или Mudbox.

Радости четырех и трехугольных полигонов и ужас N-угольника

Контуры лица, по определению напоминающие N-угольник, нужно максимально приблизить к четырехугольному формату. Мало того – расположение полигонов должно быть настолько равномерным, насколько это в принципе возможно . Вот, к чему призывает одноименная геометрия. Соблюдение этих правил облегчит прохождение стадии риггинга и поможет при деформировании персонажа в процессе анимации. Кроме того, уменьшится масштаб искажений, связанный с применением текстур, хотя здесь не стоит забывать о важности самой UV развертки.

Для выполнения описанной задачи в Maya предусмотрен инструмент Sculpt Geometry.

Инструмент Sculpt Geometry в Maya поможет «разгладить» сетку модели

Отвечает за плавность перехода каждого отдельно взятого эджа (оно же Edge Flow). Звучит, может, и просто, но на практике это весьма коварная штука.

Если вы задались целью создать реалистичного персонажа, перед началом работы рекомендуется изучить основы анатомии. Следуя за строением человеческого тела и естественным движением мышц, аниматор, в конечном счете, получает приближенную к оригиналу копию. Особенно чётко это прослеживается в процессе деформации. Советуем начать с процесса образования морщин и растягивания кожи.

Для стилизованных и мультипликационных персонажей Edge Flow имеет куда меньшее значение. Но, всё же, я настоятельно рекомендую получить хотя бы базовое представление анатомии человека.

Чтобы форма получилась реалистичной, создайте хорошую топологию и обязательно учитывайте плавность направления сетки (эджей, полигонов).

Она же – немногообразность (non-manifold). Означает, что трёхмерный объект невозможно разрезать и превратить в плоским.

Пример: создайте куб, выделите любое ребро (край) и выдавите его Edit Mesh > Extrude. Перед вами немногообразный объект. (Пример ниже слева) Если бы куб был изготовлен из бумаги, то при развёртывании вы бы получили крестообразную фигуру с нарушенными пропорциями. Использование подобного объекта в булиевых операциях (Boolean operation) практически невозможно.
Чтобы исправить ситуацию, воспользуйтесь инструментом Cleanup.

Нарушение топологии геометрии может создать не один десяток проблем. Будьте бдительны и периодически осматривайте фигуру под разными углами.

У каждой петли (ребра эджа) должна быть цель

Как правило, моделирование начинается с примитивной фигуры (например, с куба), строение которой впоследствии усложняется путем добавлении петлей ребёр (edge loops).

Важно, чтобы каждый новый элемент был создан с конкретной целью. Бывают ситуации, в которых «меньше» равно «лучше». Понимание принципов оптимизации модели приходит лишь с опытом, так что не расстраивайтесь и продолжайте работать.

Не усложняйте себе жизнь: детализация должна быть целесообразной

Всё, что мы пытаемся сделать на экране, есть отображение окружающего нас мира в различных его формах и проявлениях. Именно поэтому так важно время от времени вставать из-за стола. Важно не только для разработчиков, но и для аниматоров, риггеров, постановщиков света и т.д.

Присмотритесь к поверхности, ее структуре и тени. Как она отражает свет? Как происходит процесс деформации? Ответ на эти и другие вопросы поможет вам принять правильное решение при моделировании любого объекта.