25. KONFERENCE O GEOMETRII A POČÍTAČOVÉ GRAFICE
Tomáš Staudek
CINEMA 4D : ZKUŠENOSTI S 3D MODELOVÁNíM VE VÝUCE POČíTAČOVÉ GRAFIKY Abstrakt Článek shrnuje zkušenosti s výukou prostorového modelování a animace na Fakultě informatiky MU v Brně, včetně sylabu cvičení z počítačové grafiky věnovaných modelování v programu cinemad. Klíčová slova Počítačová grafika, modelování, animace, vizualizace.
1
Výuka počítačové grafiky na FI MU
Počítačová grafika dlouhodobě působí na lidské vnímání a zpracování vizuální informace. Moderní počítačová grafika nabízí pestré zobrazovací možnosti pro průmyslový design, architekturu, umění, filmový i zábavní průmysl. Vykreslení jistým stylem či technikou naz ’yváme vizualizací. Společenská objednávka si nejvíc žádá realisticky ztvárněnou vizualizaci. Je tedy nutné znát vlastnosti chování objektů, které budeme zobrazovat „jak je oko vidíÿ. S dnešními nástroji pro modelování a animaci bývá vytvoření fotorealistické prostorové scény víceméně rutinní úlohou. Na Fakultě informatiky Masarykovy university je počítačová grafika náplní více přednášek a seminářů. Předmět bakalářského cyklu Základy počítačové grafiky je vstupním kurzem, seznamujícím studenty s elementárními grafickými algoritmy — ořezáváním, vyplňováním, promítáním, viditelností, lokálním a globálním osvětlením. Část přednášek se týká modelování grafických primitiv a vizualizace scény metodou sledování paprsku. Praktické zkušenosti s d modelováním získávají studenti na cvičeních, která zakončují realistickou 0
Kontakt : toms @ fi.muni.cz http://www.fi.muni.cz/~toms/
Tomáš Staudek vizualizací prostorové scény včetně její animace pomocí programů Rhinoceros nebo cinemad. Podrobnější exkurzí do světa současné počítačové grafiky je magisterská přednáška Počítačová grafika. Tematicky se specializuje mj. na metody reprezentace a vyhledávání objektů v prostorové scéně, tvorbu d a d textur a pokročilé vizualizační algoritmy. Kreativní počítačovou grafikou se zabývá předmět Výtvarná informatika, přibližující metody a trendy ve výtvarném umění podporovaném počítačem. Dvojice přednášek Výtvarná anatomie a Architektonický prostor obohacuje zkušenosti studentů s d modelováním o znalost anatomie člověka a tělesných i architektonických proporčních kánonů. Kromě Rhinocera a cinemyd jsou k viziualizaci prostorových scén používány rovněž programy 3D Studio Max a Maya.
Obrázek 1: Autoři ukázky (a) Vít Kovalčík, (b) Andrea Salová.
2
Proč učíme CINEMU 4D ?
Cinemad potvrdila pozici na grafické scéně během několika posledních ročníků konference SIGGRAPH.1 Stále více příspěvků do přehlídky nejlepších počítačových animací SIGGRAPH Electronic Theater bylo vytvořeno pomocí tohoto nástroje, nabízejícího uživatelům integrované prostředí pro modelování, vizualizaci a animaci ve d prostoru. Program vyniká rychlou učicí křivkou ; během šesti lekcí jsou studenti schopni vytvořit model netriviálního objektu, pokrýt jej realistickými texturami, nasvítít a „rozhýbatÿ v krátké animaci. 1
http://www.siggraph.org/
CINEMA 4D : ZKUŠENOSTI S 3D MODELOVÁNíM . . .
Obrázek 2: Autoři ukázky (a) Marián Lipovský, (b) Adam Hrubý.
Otevřená modulární architektura umožňuje rozšiřovat funkcionalitu programu podle konkrétních potřeb. Součástí programu je objektově orientovaný jazyk pro náročnější ovládání scény. Tvorba specifických modulů je vhodným zadáním bakalářských a diplomových projektů [2]. Pro výuku principů prostorového modelování je postačující zdarma šířený program ve starší verzi [1] včetně české lokalizace. K dispozici je rovněž elektronická učebnice modelování v cineměd [3].
3
Skladba cvičení
Vyučovaná látka je rozvržena do šesti dvouhodinových lekcí ; přibližně stejný čas je vyhrazen individuálním domácím úlohám. Cílem úvodní lekce je seznámit studenty s modelováním základních grafických primitiv pomocí parametrických generátorů křivek a povrchů. • Generátory křivek – Interpolační algoritmy (kubika, Akima, Bézier, B-spline) – Matematické modelování (vizualizace průběhu časové nebo prostorové funkce) – Vektorizace křivek z rastrového obrazu – Speciální křivky (šablony n-úhelníků, profilů, periodických funkcí, spirál) • Generátory povrchů – Objektová reprezentace prostorových těles
Tomáš Staudek – Matematické modelování (vizualizace průběhu časové nebo prostorové funkce) – Modelování povrchů z rastrového obrazu – Speciální tělesa (platónská tělesa, generátory fraktálních povrchů) Druhá lekce je věnována modelování povrchů z křivek pomocí generátorů typu NURBS a možnostem řízeného rozmístění těles ve scéně. • Generátory povrchů NURBS – Základní operace (protlačení křivky, vytažení profilu podél trajektorie, vytažení povrchu přes profily, rotace křivky kolem osy) – Bézierovy povrchy (volná deformace plátu v síti řídicích bodů) – HyperNURBS (řízená segmentace povrchu, vyhlazení povrchových zlomů) – Povrchy typu metaball • Poziční operátory – Zrcadlová a rotační symetrie, klonování, rozmístění podél křivek, booleovské operátory
Obrázek 3: Autoři ukázky (a) Jiří Chmelík, (b) Matěj Kasper. Ve třetí lekci se studenti naučí preciznímu tvarování detailů. Po „modelovacíÿ trojici cvičení jsou schopni vytvořit d scénu podle skutečnosti.
CINEMA 4D : ZKUŠENOSTI S 3D MODELOVÁNíM . . . • Tvarové modelování – Obrábění a deformace (ohnutí, zkroucení, exploze, tříštění, tavení aj.) – Matematické obrábění (tvarová deformace zadaná časovou nebo prostorovou funkcí) • Polygonální modelování – Převod parametrického tělesa na povrch složený z polygonů – Základní operace nad polygony (nastavení pozice, prořezání, přemostění, zvrásnění, vyhlazení)
Obrázek 4: Autoři ukázky (a) Pavel Laštůvka, (b) Lukáš Gregor. Druhá polovina programu cvičení představuje techniky vizualizace a animace scény. Čtvrtá lekce se věnuje práci s texturami, realistickému osvětlení interiéru a exteriéru a nastavení virtuálních kamer ve scéně. • Materiály – Textury (statické materiály) a shadery (textury počítané při vizualizaci, animované textury) – Tvorba realistických materiálů (stínování, povrchové deformace, průhlednost, zrcadlení, svítivost, světelné odrazy) • Vizualizace scény – Světla fixní a zaměřená (viditelná, vzdálená, všesměrová, směrová, zářivková)
Tomáš Staudek – Stíny (měkké, ostré, plošné) – Kamery fixní a zaměřené (perspektiva, ohnisková vzdálenost, clona, hloubka ostrosti) V posledních dvou lekcích jsou studenti seznámeni s animačními technikami v rozsahu odpovídajícím požadavkům na závěrečný projekt. • Základní animační techniky – Animace klíčovými snímky (záznam scény v diskrétním čase, interpolace mezi klíčovými snímky) – Parametrická animace (spojité řízení pohybu) • Speciální animační techniky – Animace kloubových systémů (dopředná a inverzní kinematika) – Tvarová deformace, morphing – Částicový systém (gravitace, tření, turbulence . . . ) – Ozvučení scény Účelem cvičení je zdokonalit prostorovou představivost studentů, kteří vesměs nemají předchozí zkušenosti s modelováním d scény, naučit je základům realistického modelování a animace, a zejména je motivovat k dalšímu tvůrčímu experimentování s počítačovou grafikou. Že se jedná o splnitelný cíl dosvědčují obrazové ukázky studentských prací doprovázející tento článek.
Literatura [1] Instalace programu cinemad ce v. . Příloha CD časopisu CHIP č. 11/2003, ISSN 1210-0684. [2] Jiří Chmelík : Implementace filtru pro nefotorealistické zobrazení 3D scény. Bakalářská práce, FI MU Brno, 2004. [3] Pavel Schneider : Elektronická učebnice prostorového modelování v programu cinemad. Bakalářská práce, FI MU Brno, 2005.
