`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

LightWave 3D SEVEN: вокселы становятся ближе

0 
 

Среди бессчетного множества путей совершенствования, открытых для программ трехмерной графики и анимации, есть несколько магистральных направлений. Объемная визуализация, связанная с использованием вокселов, -- одно из них. А поводом к тому, чтобы обратиться к теме воксельной технологии, стало недавнее появление очередной версии достаточно известной программы моделирования LightWave 3D, предоставившей новые возможности создания объектов.
От 2D к 3D: количественное увеличение или качественный скачок?

LightWave 3D SEVEN вокселы становятся ближе
Comanche -- первая игра, для моделирования ландшафта применена вокселоподобная структура данных
Казалось бы, рынок программного обеспечения, предназначенного для редактирования 2D-изображений, обязан иметь много общих черт с рынком программ 3D-моделирования и анимации: ведь с точки зрения маркетинга пользователи данного ПО обладают сходными поведенческими стереотипами. К тому же сообщества этих пользователей представляют собой пересекающиеся множества. Тем сильнее бросаются в глаза наблюдаемые различия между указанными рынками: если на первом активные конкурентные войны давно отгремели, а обосновавшиеся в своих уютных нишах победители год от года выпекают новые версии общеизвестных флагманских продуктов, то на втором ситуация меняется с калейдоскопической скоростью. Новые имена и анонсы революционных технологий появляются здесь чуть ли не ежемесячно, а старые уходят в тень. Одни -- чтобы возродиться под другой торговой маркой (как, например, программа Alias Power Animator, код которой используется сейчас в других продуктах A|W), другие -- чтобы исчезнуть без следа (Crystal Topaz или Pixar's Tapestry). Недавно альянс патриархов Alias|Wavefront, считавшийся островом относительной стабильности в море хаоса, озадачил своих акционеров решением закрыть несколько представительств и сократить штат сотрудников. Игра на рынке 3D-программ -- все равно, что игра в рулетку! 3D-аниматоры, обеспокоенные стремительным моральным старением своих инструментов, в ожидании завершения очередного рендеринга вынуждены часами изучать электронные новости, публикуемые на множестве русско- и англоязычных сайтов (см., например, www.render.ru и www.3dcafe.com).

Maya, SoftImage, 3DS MAX, Realsoft 3d, Cinema 4D, Lightwave 3D, TrueSpace, 3d Canvas, PiXELS 3D, Carrara Studio, Stratavision 3d -- вот неполный перечень продуктов, конкурирующих в категории универсальных пакетов трехмерного моделирования и анимации. А ведь есть еще множество компаний, производящих узкоспециальные (но совершенно необходимые профессионалам) программы, служащие таким целям, как моделирование человеческих фигур (например, Poser) и лиц (Facegen Modeller); синхронизация мимики с речью (Magpie); имитация поведения водной поверхности (Psunami); моделирование ландшафтов (Bryce 3d); моделирование и анимация объектов растительного происхождения (XFROG); моделирование взаимодействий между анимационными персонажами в больших скоплениях (AI.implant); моделирование физических феноменов, связанных с распространением звука (Foley Studio MAX), и т. д. Некоторые из этих продуктов существуют в форме подгружаемых модулей, предназначенных для использования в среде лишь одного или нескольких универсальных пакетов, что делает их однозначное сопоставление невозможным.

LightWave 3D SEVEN вокселы становятся ближе
Программу VolVis вместе с исходными кодами и тестовыми образцами данных можно получить на сайте www.cg.tuwien.ac.at/ ~knapp/volvis
Если понимать 2D-графический редактор как средство имитации работы с реальными инструментами художника, то приходится признать, что сегодняшние редакторы вплотную приблизились к идеалу. Во всяком случае пользователям Photoshop вряд ли придет в голову критиковать программистов из Adobe за свою неспособность рисовать не хуже Тициана.

Пользователи же пакетов 3D-моделирования и анимации имеют несоизмеримо более амбициозные цели -- ведь конечным продуктом их самовыражения являются не картины, но фильмы, производство которых, вообще говоря, ассоциируется с многомилионными бюджетами и участием сотен профессионалов: звуко- и кинооператоров, режиссеров монтажа, осветителей и т. д. Одному человеку для овладения всеми этими специальностями понадобилось бы несколько лет жизни.

Максимум, на что способен нынешний 3D-аниматор-одиночка, стремящийся сымитировать "большое кино", с хорошим приближением может быть продемонстрировано замечательным фильмом The Killer Bean 2, созданным Джеффом Лью (Jeff Lew), который в настоящее время является консультантом по компьютерной хореографии в проекте The Matrix 2 (посмотреть фильм можно на его персональном сайте). Все без исключения герои KB2 суть кофейные бобы (одна деформированная сфера служит им туловищем; две другие -- глазами; вместо губ -- тор и т. д.). Автор сознательно пошел по пути максимального упрощения геометрии, чтобы уложиться в разумные сроки, если таковыми можно считать 3 года, затраченные им на создание 7-минутного фильма. Можно быть уверенным, что большая часть этого времени была им потрачена на рутинные операции, которых он охотно бы избежал, если бы его инструменты были ближе к идеальным.

Если исходить из того, что большинство энтузиастов 3D-анимации чувствуют себя прежде всего режиссерами-сценаристами (т. е. основным движущим импульсом для них является "желание рассказать историю"), то Идеальным Редактором следовало бы считать пакет, реалистично моделирующий поведение группы виртуальных актеров. Причем желательно, чтобы все они понимали естественную речь и обладали полновесным искусственным интеллектом. Приходится признать, что 3D-программы настолько далеко отстоят от своего идеала, что сегодня он представляется чем-то из области малонаучной фантастики. Увы, нам остается лишь порадоваться за отдаленных потомков, которые, может быть, смогут дотронуться до этого идеала рукой... Или за нас самих: ведь на наших глазах происходят увлекательные события, сотрясающие мир 3D-программ в его зародышевой фазе развития.

Это развитие имеет спонтанный характер и происходит одновременно по многим направлениям. О перспективности большинства из них судить пока еще рано. Однако некоторые обречены на успех. Одним из таких магистральных направлений являются технологии, связанные с визуализацией пространственных объектов, описываемых с помощью вокселов.


Зачем нужны вокселы?

LightWave 3D SEVEN вокселы становятся ближе
Эти столбы дыма смотрятся одинаково убедительно при любом увеличении
Термин "воксел" (voxel) был предложен в качестве производной от слова volume (объем) и аббревиатуры pixel (Picture Element). Появление вокселов -- историческая закономерность, истоки которой восходят к идеям Демокрита (400 лет до н. э.), считавшего разумным трактовать материальные объекты как совокупность корпускул -- элементарных неделимых частиц нулевой размерности, и Декарта (1637), формализовавшего интуитивные представления о трехмерности нашего мира с помощью системы координат. Структурой данных, используемой для воксельного описания физического тела, служит трехмерный массив, каждая ячейка которого может нести информацию о плотности, цвете, а также иных его локальных пространственных характеристиках.

Отметим некоторые преимущества техники воксельного моделирования и визуализации, способные проявиться в случае масштабного внедрения в прикладные графические пакеты.
  • Возможность адекватного представления полупрозрачных объектов со сложной внутренней структурой. Повседневными примерами таковых могут служить облака, клубы дыма, языки пламени. В состав большинства современных трехмерных пакетов входят специализированные модули, неявно использующие технику воксельного моделирования для представления дыма и огня.
  • Снятие ограничений на геометрическую сложность сцены. Единственным и универсальным фактором, влияющим на сложность моделируемых объектов, является воксельное разрешение. На практике это освобождает 3D-художника от вечного поиска компромисса между качеством объекта и количеством аппроксимирующих полигонов.
  • Воксельная технология описания трехмерных объектов создает предпосылки для развития принципиально новых средств их моделирования и редактирования. Алгоритмы многих фильтров из арсенала современных 2D-графических редакторов (в том числе и те, что используются для художественной стилизации) могут быть естественным образом адаптированы для работы в трехмерном пространстве (это также справедливо и для алгоритмов текстурного синтеза). Применение фильтра Sharpen к облаку может трансформировать его в грозовую тучу, состоящую из готовых выпасть в осадок конденсирующихся капелек воды.
  • Легкость выполнения булевых операций. Вычисление объединений и пересечений трехмерных объектов, представленных в виде традиционных триангулированных многогранников или NURBS-поверхностей, часто приводит к непомерному увеличению сложности описания результата. При использовании воксельного моделирования результат может быть вычислен гораздо проще (путем последовательной проверки вокселов на принадлежность фигурам, участвующим в выполняемой булевой операции).
  • Возможность естественной трансформации ("морфинга") между несколькими трехмерными объектами. При использовании традиционных средств моделирования трехмерный морфинг оказывается сопряжен с таким количеством ограничений, что на практике он применяется лишь для относительно простых объектов. Между тем для морфинга двумерных объектов успешно применяются алгоритмы, основанные на понятии оптических потоков. Распространение воксельных технологий создаст предпосылки для переноса этих алгоритмов в трехмерное пространство.
LightWave 3D SEVEN вокселы становятся ближе
Диалоговые окна интерфейса LightWave, задействуемые при работе с объектами типа HyperVoxel
Основным препятствием для массового внедрения технологий воксельного моделирования и визуализации является недостаточность емкости ОЗУ и вычислительной мощности аппаратной базы, используемой для современных графических приложений. Хотя понятию воксела почти столько же лет, сколько пикселу, на практике он лет на 10 моложе: этот срок отделяет середину 70-х гг., ознаменовавшуюся переходом растровых дисплеев в разряд относительно доступного оборудования, от середины 80-х, когда получили активное развитие технологии визуализации научных данных, получаемых в результате моделирования аэродинамических, астрономических и других физических процессов. С начала 90-х гг. наиболее массовыми потребителями технологий анализа и визуализации воксельных данных стали лечебные учреждения. Это было следствием распространения компьютерной томографии, позволившей поднять на качественно новый уровень хирургию мозга, а также некоторые другие отрасли медицины.

В середине 90-х гг. игровая индустрия была революционизирована появлением вертолетного симулятора Comanche, впервые выведшего игровое пространство за пределы клаустрофобических прямоугольных лабиринтов Doom и его бесконечных клонов. Это стало возможным благодаря инновационному "движку", способному визуализировать в реальном времени природный ландшафт, представленный в виде воксельного массива. Отметим, что в Comanche использовались не классические "вокселы-кубики", а скорее узкие параллелепипеды различной высоты; это позволило применить для описания трехмерных тел двумерный массив. Ландшафты в современных симуляторах строятся методами традиционной триангуляции, однако в некоторых стратегических играх воксельное моделирование прижилось.


Как нарисовать воксел?

LightWave 3D SEVEN вокселы становятся ближе
Эта воксельная ДНК -- результат объемной визуализации кругового движения двух разноцветных пятен
Для визуализации трехмерных массивов можно использовать специализированные программы, диапазон стоимости которых простирается от 0 до десятков тысяч долларов (см., например, http://biocomp.stanford.edu/3dreconstruction/software). Каждая из них поддерживает несколько альтернативных методов визуализации и имеет широкий набор настраиваемых параметров. Базовыми понятиями их интерфейса являются срез, т. е. изображение, формируемое из вокселов, принадлежащих к произвольно заданной плоскости, и функция плотности, определяя которую пользователь может концентрировать внимание на пространственных структурах, образуемых веществом с интересующей его плотностью (например, на мозговой ткани, просканированной с помощью томографа). Наиболее известная из бесплатных программ такого рода -- VolVis (Volume Visualisation).

Те, кого коробит от экзотических программ и жутковатого вида расчлененных человеческих голов, могут обратить внимание на популярный пакет LightWave 3D. Среди многих его достоинств, каковыми принято считать очень быстрый модуль визуализации волос и травы Sasquach Lite; модуль VIPER, позволяющий избегать ненужных вычислений при незначительных модификациях сцены; шейдер BESM (Big Eyes Small Mouth), предназначенный для поклонников анимации в стиле манга, и т. д., особое место занимает фирменная технология объемного моделирования HyperVoxel, которую программисты из Newtek от версии к версии не устают пополнять новыми возможностями.

Изначальное предназначение модуля HyperVoxel -- это моделирование объемных взрывов и иных подобных явлений. Каждый HyperVoxel-объект может состоять из множества анимируемых частиц, объединенных в группы (Blending Groups). Такими частицами могут служить, к примеру, вершины традиционного объекта, если ему требуется придать "призрачный" вид. Каждая частица является центром отдельной сферы влияния; ее внутренняя часть заполняется пространственной процедурной текстурой одного из предустановленных типов. Эти текстуры могут быть анимированы.

Занимая промежуточное положение между воксельными массивами в обычном понимании этого термина (без префикса Hyper-), а также системами частиц и метаболлами, HyperVoxel-объекты допускают весьма широкую параметризацию. В частности, пользователь может задавать способ взаимодействия между сферами влияния частиц, принадлежащих к различным группам, в местах их перекрытия: оно может быть аддитивным, субстрактивным либо усредняющим. Каждый HyperVoxel может быть визуализирован одним из трех способов: поверхностным (surface), объемным (volume) и спрайтовым (sprite). В первом случае частицы автоматически окружаются изопараметрической поверхностью, плавно сопрягающей сферы влияния в местах перекрытия; это позволяет рассматривать модуль HyperVoxel как средство моделирования органических форм. Во втором случае модуль визуализации анализирует распределение плотности текстур вдоль каждого трассирующего луча, что позволяет достичь наиболее качественной имитации объема, но это сопряжено со значительными вычислительными затратами. В третьем случае HyperVoxel интерпретируется как слоеный пирог, составленный из заданного количества "спрайтов" -- полупрозрачных плоскостей, всегда ориентированных нормалями в сторону виртуальной камеры и использующих в качестве текстур серию пространственных срезов. Этот способ, компромиссный между качеством и производительностью, позволяет задействовать ресурсы видеоакселератора для анимации HyperVoxel-объектов в реальном времени.

Начиная с версии 7, которая стала распространяться в прошлом году (текущая версия -- 7.5), LightWave 3D предоставляет еще одну возможность: теперь объекты HyperVoxel можно "выпекать" ("bake"). Под этим термином понимается мгновенное "фотографирование" пространственного объекта и запоминание его в трехмерном массиве ("воксельном кубе"). Эта процедура предшествует визуализации и позволяет избежать затрат на многократный просчет локальных характеристик текстуры за счет интерполяции предварительно вычисленных значений. Длина ребра куба, определяющая его пространственное разрешение, может задаваться в диапазоне от 50 до 400 вокселов (в последнем случае его размер в памяти составляет около 250 MB).

Перед использованием куб должен быть сохранен на диске: для его записи применяется несжатый формат Quicktime Movie. При длине ребра в 100 вокселов такой фильм будет состоять из сотни кадров разрешением 100 x 100 (временная ось в нем используется вместо пространственной оси z). Это обстоятельство предоставляет пользователю возможность применить какой-либо альтернативный способ для подготовки серии срезов в виде анимационной последовательности.

С некоторыми оговорками мы можем считать, что среди общеупотребительных 3D-программ появился пакет, пригодный для использования в качестве инструмента визуализации воксельных кубов (и не требующий для этого усилий на программирование). Конечно же, рассмотренный пример, основанный на применении недокументированных возможностей LightWave 3D, едва ли имеет практическую пользу. Тем не менее он свидетельствует в пользу общей для всего спектра 3D-программ тенденции: объемное моделирование все глубже интегрируется в их интерфейсы.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT