3D model lidské hlavy. Martin Chaloupka

ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Cesk´ Fakulta elektrotechnická Katedra poˇc´ıtaˇc˚ u

Bakaláˇrská práce

3D model lidsk´ e hlavy Martin Chaloupka

Vedouc´ı práce: Ing. Kunc Ladislav

Studijn´ı program: Softwarové technologie a management, Bakaláˇrsk´ y Obor: Web a multimedia 27. kvˇetna 2011

iv

v

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych podˇekovat své pˇr´ıtelkyni Lucii za pomoc a také za to, ˇze se mnou vydrˇzela i pˇres t´ ydny str´ avené u poˇc´ıtaˇce na této práci. Dále bych chtˇel podˇekovat rodiˇc˚ um za trpˇelivost. Pak také mé sestˇre Lucii za nesˇcetné pˇripom´ınky o lidské anatomii. D´ıky patˇr´ı pˇredevˇs´ım mému vedouc´ımu pr´ ace panu Ing. Ladislavu Kuncovi, za to, ˇze se mnou mˇel trpˇelivost, a ˇze mi pomohl dovést bakal´ aˇrskou práci do konce.

vi

vii

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem pr´ aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady uvedené v pˇriloˇzeném seznamu. Nemám z´ avaˇzn´ y d˚ uvod proti uˇzit´ı tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu §60 Zákona ˇc. 121/2000 Sb., o pr´ avu autorském, o pr´ avech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych zákon˚ u (autorsk´ y z´ akon).

V Praze dne 27. 5. 2011

.............................................................

viii

Abstract The main part is focused on creating a model of human head in an external 3Dmodeling environment. The modeling part is done in Autodesk 3ds Max 2010 64-bit. UV mapping and texturing is done in an environment of Blender-2.49b. The aim is to achieve as faithful to the human form in a limited number of polygons for rendering in real-time. The model will then be processed in Talking Head. When using a selection of vertices set the model creates an imaginary model of the controlling muscles.

Abstrakt Hlavn´ı ˇc´ ast pr´ ace je zamˇeˇren´ a na vytvoˇren´ı modelu lidské hlavy v extern´ım 3D modelovac´ım prostˇred´ı. Modelovac´ı ˇc´ ast je provedena v prostˇred´ı Autodesk 3ds Max 2010 64bit. UV mapován´ı a texturov´ an´ı je provedeno v prostˇred´ı Blender-2.49b. C´ılem je doc´ılit co nejvˇernˇejˇs´ı lidské podoby pˇri omezeném poˇctu polygon˚ u pro zobrazován´ı v reálném ˇcase. Model bude n´ aslednˇe zpracován programem Talking Head, kdy se pomoc´ı v´ ybˇeru a nastaven´ı vrchol˚ u z modelu vytvoˇr´ı pomyslné svaly ovládaj´ıc´ı model.

ix

x

Obsah ´ 1 Uvod 1.1 Problematika modelu lidského obliˇceje respektive lidské hlavy . . . . . . . . . 1.2 Obsah jednotliv´ ych kapitol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Zp˚ usob psan´ı textu a vzhled obrázk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Reˇ serˇ se 2.1 Problematika renderingu v reálném ˇcase . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 N´ avrh modelov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Metody reprezentace 3d tˇeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1 Dr´ atov´ a (wire-frame) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2 Proceduráln´ı reprezentace (procedural) . . . . . . . 2.2.1.3 Hraniˇcn´ı (boundary) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4 Objemová (voxel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Modelovac´ı techniky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Patch Modeling (modelován´ı plát˚ u) . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1 Polygonáln´ı modelován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2 NURBS modelován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.3 Dalˇs´ı techniky modelován´ı . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Subdivision Modeling (modelován´ı pomoc´ı dˇelen´ ych povrch˚ u) 2.3.3 Primitivn´ı modelován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Digit´ aln´ı sculpting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Pouˇzit´ı modelovac´ıch technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Z´ aklady anatomie lidské tváˇre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Svaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 K˚ uˇze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Oko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Modely vlas˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Texturovac´ı ˇc´ ast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Moˇznosti prom´ıt´ an´ı textur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1.1 Sférick´ a (kulová) projekce . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1.2 Cylindrická (válcová) projekce . . . . . . . . . . . . 2.5.1.3 Ploˇsn´ a projekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1.4 Kubick´ a projekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1.5 UV mapován´ı (2D textury) . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Animaˇcn´ı ˇc´ ast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 3 4 5 5 5 6 6 6 6 7 9 9 9 9 9 9 9 10 10 11 11 11 12 13 14 14 14 14 14 14 14 16

xii

OBSAH

2.6.1

2.7

2.8

Zp˚ usoby animace lidské tváˇre . . . . . . . . . . . . . 2.6.1.1 Pomoc´ı interpolace vrchol˚ u . . . . . . . . . 2.6.1.2 Pomoc´ı systému kost´ı . . . . . . . . . . . . 2.6.1.3 Motion Capture . . . . . . . . . . . . . . . Nástroje pro 3D modelov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Interface Autodesk 3ds Max 2010 . . . . . . . . . . . 2.7.2 Pouˇzité n´ astroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.1 Editable poly . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.2 Smooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3 Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.4 UVW Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . Popis programu TalkingHead . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.1 Datové soubory TalkingHeadu pro konfiguraci sval˚ u

3 Postup pr´ ace 3.1 Pˇr´ıprava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Modelov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Modelov´ an´ı rt˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1.1 Pr´ ace s Editable poly . . . . . . . . . . 3.2.2 Usnadnˇen´ı s pomoc´ı funkce Symetrie . . . . . . . 3.2.3 Vyhlazov´ an´ı pomoc´ı funkc´ı Smooth . . . . . . . 3.2.4 Modelov´ an´ı oˇcnicov´ ych oblouk˚ u. . . . . . . . . . 3.2.5 Model nosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 Tvorba ucha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7 Tvorba oˇc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.8 Tvorba zub˚ u a d´ asn´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.9 Tvorba vlas˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.9.1 Texturov´ an´ı vlas˚ u . . . . . . . . . . . . 3.2.9.2 Modelov´ an´ı vlas˚ u . . . . . . . . . . . . 3.2.10 Celkové u ´pravy modelu . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Export z 3ds Maxu do Blenderu . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Nastaven´ı exportu z 3ds Maxu . . . . . . . . . . 3.3.2 Nastaven´ı importu do Blenderu . . . . . . . . . . 3.4 Texturov´ an´ı Blender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Unwrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Projekce zepˇredu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Projekce ze strany . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Texture Paint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Celkové u ´pravy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6 Nastaven´ı exportu z Blenderu . . . . . . . . . . . 3.4.7 Nastaven´ı importu do 3ds Maxu . . . . . . . . . 3.5 Animace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Pˇr´ıprava pro TalkingHead v 3ds Maxu . . . . . . 3.5.2 Testov´ an´ı modelu v toolkitu ECAF Talking Head 4 Z´ avˇ er

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

16 16 18 18 20 20 20 21 22 22 22 23 23

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25 25 26 26 26 27 28 29 29 29 31 32 33 33 33 35 36 36 36 36 36 37 37 37 37 38 38 38 38 38 41

OBSAH

xiii

A Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

47

B Obrazov´ a pˇ r´ıloha

49

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho DVD

51

xiv

OBSAH

Seznam obr´ azk˚ u 1.1 1.2

Model tv´ aˇre z poˇc´ıtaˇcové hry Crysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Model tv´ aˇre z poˇc´ıtaˇcové hry Crysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14

Uk´ azka hraniˇcn´ı reprezentace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uk´ azka objemové reprezentace . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uk´ azka csg reprezentace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anatomie sval˚ u v lidské tváˇri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anatomie k˚ uˇze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anatomie oka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇr´ıklad unwrappingu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇr´ıklad texturovac´ı mapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schématick´ y n´ akres Watersova modelu svalu . . . . . . . . . . . Waters˚ uv model v praxi (TalkingHead) . . . . . . . . . . . . . Pˇr´ıklad aplikace pro z´ıskáván´ı dat z optického zaˇr´ızen´ı mocapu Popis grafického rozhran´ı programu 3ds Max . . . . . . . . . . Architektura aplikace ECAF toolkit Talking Head . . . . . . . Editor pro pr´ aci se svaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16

Poˇr´ızené fotografie, pˇredn´ı a profil . . . . . . . . . . . . . Polygon um´ıstˇen´ y na rty a upraven´ y v subobjekt módu . Kop´ırov´ an´ım polygon˚ u vytváˇr´ıme povrch modelu . . . . . Model rt˚ u po aplikaci modifikátoru symmerty . . . . . . . Na model aplikov´ an modifikátor turbosmooth . . . . . . . Model oˇcnicov´ ych oblouk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . Model nosu, a celé hlavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Postup modelov´ an´ı ucha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇr´ıprava koule oka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vytvoˇren´ı duhovky protaˇzen´ım vrchol˚ u dovnitˇr oka . . . . V´ ysledn´ y model oka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nastaven´ı materi´ alu pro vlasy . . . . . . . . . . . . . . . . Poˇc´ ateˇcn´ı pramen vlas˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Poˇc´ ateˇcn´ı um´ıstˇen´ı vlas˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posun vrchol˚ u a deformaˇcn´ıch pák do poˇzadovaného tvaru Nastaven´ı hierarchie modelu v programu 3ds Max . . . . .

B.1 Lowpoly hlava

1 2

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

7 8 8 11 12 13 15 15 16 17 18 20 23 24

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . u ´ˇcesu . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

25 27 27 28 28 29 30 30 31 31 32 33 34 35 35 39

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

xv

xvi

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK

C.1 Seznam pˇriloˇzeného DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Kapitola 1

´ Uvod P´ıˇse se rok 2011 a technika tvoˇr´ı v lidském ˇzivotˇe velmi d˚ uleˇzitou a podstatnou ˇc´ ast. Dnes prakticky kaˇzd´ y den pracujeme, bav´ıme se, uˇc´ıme se, komunikujeme, nakupujeme a provád´ıme spoustu dalˇs´ıch ˇcinnost´ı pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. Od poˇcátk˚ u poˇc´ıtaˇcové grafiky se lidé snaˇz´ı vytvoˇrit dokonal´ y obraz sama sebe i ve virtuáln´ım svˇetˇe. Vyuˇzit´ı takto vymodelovan´ ych model˚ u ˇclovˇeka je dnes prakticky samozˇrejmost´ı. • Nejˇcastˇejˇs´ım odvˇetv´ım kde se tˇechto model˚ u vyuˇz´ıvá, je zábava. To znamená oblasti Filmu a Poˇc´ıtaˇcov´ ych her. Obrázek ze hry Crysis 1.1 Obrázek z animovaného filmu Final Fantasy 1.2 • D´ ale pak jako soci´ aln´ı agenti ve virtuáln´ı realitˇe. • Upotˇreben´ı nach´ az´ı v lékaˇrstv´ı. • Dalˇs´ı vyuˇzit´ı se m˚ uˇze t´ ykat jakékoliv lidské oblasti, jde totiˇz o aplikaci Modelu lidské hlavy jako prostˇredn´ıka mezi opravdov´ ym ˇclovˇekem (uˇzivatelem) a poˇc´ıtaˇcem (strojem). Neboli st´ av´ a se zde uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım.

Obr´ azek 1.1: Model tváˇre z poˇc´ıtaˇcové hry Crysis

1

2

1.1

´ KAPITOLA 1. UVOD

Problematika modelu lidsk´ eho obliˇ ceje respektive lidsk´ e hlavy

Pˇredstavte si vaˇseho obl´ıbeného kniˇzn´ıho hrdinu. Pokud byste jej mˇeli nakreslit napˇr´ıklad na pap´ır, je jasné, ˇze vˇetˇsina dalˇs´ıch lid´ı, kteˇr´ı budou kreslit stejného hrdinu, dojdou k u ´plnˇe jin´ ym v´ ysledk˚ um. Tud´ıˇz je zˇrejmé, ˇze vytvoˇrit lidskou tváˇr bez pˇredlohy nelze. T´ımto zp˚ usobem postupuji i j´ a. Jako pˇredlohu poˇz´ıvám fotografie osoby, kterou znám. Dalˇs´ı nepˇr´ıjemnosti pˇrin´ aˇs´ı vˇsednost lidského obliˇceje. Proto je velmi tˇeˇzké vytvoˇrit takov´ y model, kter´ y by byl pˇrijat bez jak´ ychkoliv v´ yhrad nebo pˇripom´ınek. Je to hlavnˇe t´ım, ˇze lidé a jejich tvary prostˇe a jednoduˇse známe dokonale. Potkáváme dalˇs´ı lidské bytosti, které jsou v základˇe stejné. Kaˇzd´ a nesrovnalost ihned pˇritahuje pozornost. Pˇresnˇe takto je tomu i u poˇc´ıtaˇcového modelu.

Obr´ azek 1.2: Model tváˇre z poˇc´ıtaˇcové hry Crysis Jin´ ym problémem je detailnost modelu. Lidská tváˇr se skládá z dvaceti ˇctyˇr sval˚ u mimick´ ych a ˇctyˇr sval˚ u ˇzv´ ykac´ıch (tento poˇcet se neustále mˇen´ı, nebot’ vˇedci ˇcas od ˇcasu zmˇen´ı kategorizaci sval˚ u). Svaly jsou potaˇzeny k˚ uˇz´ı, která se skládá z dalˇs´ıch tˇr´ı vrstev, pokoˇzky, ˇskáry a podkoˇzn´ıho vaziva [2]. Samotn´ a k˚ uˇze má také dalˇs´ı vlastnosti, ke kter´ ym mus´ıme jako modeláˇri pˇrihlédnout. Pˇredt´ım neˇz zaˇcne model vznikat, je potˇreba rozhodnout, k ˇcemu bude model pouˇzit a jak s n´ım bude nakl´ ad´ ano. Jedn´ım z d˚ uleˇzit´ ych aspekt˚ u je zjistit, jestli bude animovan´ y (pohybliv´ y) nebo pouze statick´ y (nepohybliv´ y). V mém pˇr´ıpadˇe p˚ ujde o animovateln´ y model.

´ 1.2. OBSAH JEDNOTLIVYCH KAPITOL

3

Déle pak jestli p˚ ujde pouze o jeden render (obrázek) jako fotografii? Nebo bude model zapracov´ an v nˇejaké scénˇe? A bude se tento model muset vykreslovat v reálném ˇcase? Dalˇs´ı ot´ azka zn´ı, jak´ ym zp˚ usobem a jak´ ymi nástroji budeme model vytváˇret. V souˇcasné dobˇe jsou nejobl´ıbenˇejˇs´ı modelovac´ı techniky pro vytváˇren´ı lidsk´ ych model˚ u patch modelován´ı, subdivision modelov´ an´ı a sculpting modelován´ı. V mé pr´ aci se budu zab´ yvat modelován´ım lidské hlavy. Model budu vytváˇret v modelovac´ım prostˇred´ı 3ds Max od firmy Autodesk. Za pomoc´ı pˇredlohy fotografi´ı d´ıvky. D´ıvka je nafocena ze strany a zepˇredu. Protoˇze tato hlava bude animovatelná a bude se renderovat (vykreslovat) v re´ alném ˇcase, zvolil jsem moˇznost modelovat zp˚ usobem Patch modelov´ an´ı. Model je vytvoˇren jako hraniˇcn´ı, tzn., ˇze jeho 3D reprezentace je hraniˇcn´ı. Tˇeleso je popsáno jako mnohostˇen zcela urˇcen´ y sv´ ymi hranicemi (stˇenami, hranami a vrcholy) [15]. Témˇeˇr vˇsechny poˇc´ıtaˇcové modely, které se pouˇz´ıvaj´ı ve hrách a filmech, jsou hraniˇcn´ı modely, z d˚ uvodu ménˇe n´ aroˇcného zobrazován´ı. Je otázkou, jak´ y pomˇer zvolit mezi detaily modelu a rychlost´ı vykreslov´ an´ı. V dalˇs´ı ˇc´ asti jsem vytvoˇren´ y model otexturoval. Pro texturován´ı lidsk´ ych postav a tedy i lidské tv´ aˇre se pouˇz´ıv´ a UV mapován´ı textury. Klasick´ y zp˚ usob, kdy se textura (obrázek s fotografi´ı) upravuje v nˇekterém extern´ım foto editoru, aby pˇr´ımo sedˇela na vytvoˇren´ y model, jsem nepouˇzil. M´ısto nˇej jsem si vyzkouˇsel metodu Projection painting. Tuto metodu jsem aplikoval v programu Blender 2.49b. Pˇredchoz´ı odstavec nab´ ad´ a k myˇslence, jak´ ym zp˚ usobem pˇrevést objekt z aplikace 3ds Maxu do prostˇred´ı Blenderu. Bohuˇzel 3ds Max nemá pˇr´ımou moˇznost exportovat model do souboru pro Blender (∗.blend), a stejnˇe tak Blender nemá moˇznost importovat z 3ds Maxu. Ale existuj´ı skripty vytvoˇrené uˇzivateli, které si m˚ uˇzete stáhnout a naimportovat do vaˇsich model´ aˇr˚ u [6]. Vˇetˇsinou vˇsak m˚ uˇzete pouze exportovat z 3ds Maxu do Blenderu. Proto jsem volil konverzi pˇres formát ∗.obj. OBJ formát je jednoduch´ y datov´ y formát, kter´ y reprezentuje 3D geometrii. Je to textov´ y formát, kter´ y obsahuje pozice kaˇzdého vrcholu, polohy UV souˇradnic textury kaˇzdého vrcholu a normály ploch, tzn., ˇze kaˇzd´ y polygon je definovan´ y jako seznam vrchol˚ u a jeho textur [17]. Dalˇs´ı ˇc´ ast mé pr´ ace zakl´ ad´ a na pˇredloze jiˇz vytvoˇrené kostry v programu 3ds Max. Pomoc´ı nástroj˚ u se hlava nav´ aˇze na kostru. Pomoc´ı skriptu na export do M SH formátu se model vyexportuje. Tento export naˇctu pomoc´ı EACF Toolkitu TalkingHead a d´ıky rozhran´ı pak mohu nastavit oblasti sval˚ u. Nastaven´ı prob´ıhá tak, ˇze vybereme vrcholy (body) modelu, které maj´ı pˇredstavovat n´ ami definovan´ y sval. Pak uˇz se jen nastˇrádaná data uloˇz´ı.

1.2

Obsah jednotliv´ ych kapitol

Postupy, které jsou pops´ any v této práci, se pˇreváˇznˇe t´ ykaj´ı programu 3ds Max, ale obecnˇe lze pouˇz´ıt tyto postupy i v ostatn´ıch 3D programech za pomoci podobn´ ych nástroj˚ u. Text je logicky rozdˇelen do kapitol podle rozeb´ırán´ı oblasti. • Druh´ a kapitola obsahuje informace o základech modelován´ı, lehk´ yu ´vod do lidské anatomie, d´ ale pak informace mapován´ı textur na modely, moˇznosti animac´ı a základn´ı informace o vyuˇz´ıvaném prostˇred´ı ECAF TalkingHead.

´ KAPITOLA 1. UVOD

4

• Ve tˇret´ı kapitole popisuji zp˚ usob práce na modelu, od samotného vytvoˇren´ı modelu aˇz po jeho testov´ an´ı v aplikaci ECAF TalkingHead. ˇ • Ctvrt´ a kapitola, obsahuje z´ avˇer pr´ ace. • Obsah pˇr´ıloh je rozdˇelen na ˇc´ ast obrazové pˇr´ılohy a popisu DVD.

1.3

Zp˚ usob psan´ı textu a vzhled obr´ azk˚ u

Text je koncipov´ an jako budouc´ı e-learningov´ y studijn´ı materiál. Kapitoly jsou ˇc´ıslované a v nich je kaˇzd´ y d˚ uleˇzit´ y krok uveden´ y ve vlastn´ı ˇcásti. Text je doprovázen mnoˇzstv´ım ilustraˇcn´ıch obr´ azk˚ u. Na nˇekter´ ych je vidˇet uˇzivatelské rozhran´ı 3ds Maxu nebo Blenderu. Vaˇse uˇzivatelské rozhran´ı se nemus´ı shodovat s t´ım na obrázc´ıch z d˚ uvodu odliˇsnosti jednotliv´ ych verz´ı. Funkˇcnost z˚ ust´ av´ a stejn´ a. Program 3ds Max nen´ı lokalizován do ˇceˇstiny. Je to proto, ˇze pˇreklad nˇekter´ ych n´ astroj˚ u, funkc´ı a vlastnost´ı by byl znaˇcnˇe matouc´ı, popˇr´ıpadˇe by se neshodoval s v´ yznamem anglického originálu. Proto se nˇekterá anglická pojmenován´ı pˇretransformovala do naˇseho jazyka. T´ım mysl´ım anglick´ y základ slova a naˇse skloˇ nován´ı. Pˇri popisován´ı tak n´ aroˇcné tematiky nen´ı dost dobˇre moˇzné si vystaˇcit jen s ˇcesk´ ym jazykem bez pouˇzit´ı speci´ aln´ıch poˇceˇstˇen´ ych slov. Nav´ıc v grafick´ ych kruz´ıch se tento slang v praxi pouˇz´ıvá a pro toho, kdo se chce pohybovat v tˇechto kruz´ıch, je dobré se v nˇem orientovat. Program Blender je sice lokalizov´ an do ˇceského jazyka, ale pro zachován´ı konzistence budu pracovat v lokalizaci anglické.

Kapitola 2

Reˇ serˇ se 2.1

Problematika renderingu v re´ aln´ em ˇ case

ˇ a v´ Cas ykon poˇc´ıtaˇc˚ u jsou kl´ıˇcov´ a omezen´ı, na která mus´ıme v poˇc´ıtaˇcové grafice brát ohledy. V pˇr´ıpadˇe animovaného filmu se modely nebo celé scény mohou renderovat i nˇekolik mˇes´ıc˚ u, to ovˇsem v programech, které vykresluj´ı modely v reálném ˇcase, nen´ı moˇzné. Jelikoˇz mnou tvoˇren´ y model mus´ı interagovat s uˇzivatelem, veˇskeré vykreslován´ı mus´ı prob´ıhat interaktivnˇe. Souˇcasn´ ym filmov´ ym standardem je tvoˇrit filmy minimálnˇe ve formátu full HD. To znamen´ a v rozliˇsen´ı 1920x1080. Nejmenˇs´ı poˇzadavek na sn´ımkovou frekvenci je 30 fps1. Jeden nároˇcn´ y sn´ımek ve form´ atu full HD se na v´ ykonn´ ych render farmách vykresluje i nˇekolik hodin. Je tedy jasné, ˇze s kvalitou 3D grafiky, kterou v´ıdáme ve filmech, nem˚ uˇzeme v realtimeov´ ych aplikac´ıch poˇc´ıtat. Tak v´ ykonné poˇc´ıtaˇce zat´ım neexistuj´ı. Vzhledem ke snaze o dosaˇzen´ı nejvyˇsˇs´ı moˇzné kvality a zároveˇ n plynulému zobrazován´ı se mus´ı v real-timeové grafice br´ at na vˇedom´ı ˇrada omezen´ı oproti grafice pouˇz´ıvané ve filmu. Jsou to napˇr´ıklad pomˇernˇe n´ızké limity poˇctu polygon˚ u, ze kter´ ych je model vytvoˇren, menˇs´ı velikosti textur a také nemoˇznost pouˇz´ıv´ an´ı Globáln´ı Iluminace (GI) [20].

2.2

N´ avrh modelov´ an´ı

Vytváˇren´ı model˚ u, znamen´ a pˇrevést reáln´ y objekt z reálného svˇeta do svˇeta virtuáln´ıho. Modelov´ an´ı je souhrn postup˚ u a metod popisuj´ıc´ıch virtuáln´ı objekt a jeho vlastnosti (tvar, velikost, transformaci,. . . ) Existuj´ı tˇri základn´ı zdroje 3D model˚ u: • Jsou vytvoˇreny na poˇc´ıtaˇci nˇejak´ ym umˇelcem nebo inˇzen´ yrem za pomoc´ı zvoleného modelovac´ıho n´ astroje (neboli rukou ˇclovˇeka), Modelovac´ı nástroje nejˇcastˇeji pouˇz´ıvané ke tvorbˇe 3D model˚ u jsou placené komerˇcn´ı programy. Napˇr´ıklad od Autodesku jsou to 3ds Max a Maya [3]. D´ ale pak Rhino od Roberta McNeela and Associates. Lightwave. MultiGen by MultiGen-Paradigm. Simply 3D 3.0 by Micrografx. trueSpace 4.2 by Caligari [8]. Cinema 4D [29]. Z rodiny digitáln´ıho sculptingu Zbrush od Pixologic [26]. A nejzn´ amˇejˇs´ı freeware Blender [32]. • Jsou generov´ any pomoc´ı algoritm˚ u (proceduráln´ı modelován´ı). Sem patˇr´ı pˇredevˇs´ım frakt´ aln´ı geometrie a ˇc´ asticové systémy.

5

ˇ SE ˇ KAPITOLA 2. RESER

6

ˇ e a • Jsou z´ısk´ av´ any ze skuteˇcného svˇeta pomoc´ı r˚ uzn´ ych pˇr´ıstroj˚ u a skenován´ı. Cast´ v dneˇsn´ı dobˇe i typické je pouˇzit´ı objemov´ ych dat popsan´ ych pomoc´ı voxel˚ u v medic´ınsk´ ych aplikac´ıch, zejména pro reprezentaci dat z´ıskan´ ych z prostorov´ ych sn´ımk˚ u a diagnostick´ ych zaˇr´ızen´ı napˇr´ıklad CT (poˇc´ıtaˇcová tomografie) a MR (magnetická rezonance) [30]. V mé práci pouˇz´ıv´ am prvn´ı uveden´ y zdroj, a to tak, ˇze si 3D model vytváˇr´ım sám, pomoc´ı modelovac´ıho n´ astroje 3ds Max. Model je tedy nˇejak´ y konkrétn´ı objekt reálného svˇeta, umˇele vytvoˇren´ y. Tento objekt je sloˇzen z bod˚ u, hran a ploˇsek. Tyto entity, z nichˇz je sloˇzen, jsou matematicky popsány. Dneˇsn´ı poˇc´ıtaˇcová grafika zobrazuje modely jako s´ıt’ polygon˚ u [4]. Polygony jsou rovné ploˇsky, které dohromady tvoˇr´ı 3D objekt [7]. Tˇreba taková krychle má polygon˚ u ˇsest (má ˇsest stran). Pokud vytváˇr´ıme sloˇzitˇejˇs´ı model, je tˇreba polygon˚ u mnohem a mnohem v´ıc - a tady plat´ı, ˇze ˇc´ım v´ıc polygon˚ u, t´ım re´ alnˇeji bude model vypadat, ale t´ım v´ıc ˇcasu zabere jeho tvorba a také sloˇzitost jeho zobrazov´ an´ı bude n´ aroˇcnˇejˇs´ı. D˚ uleˇzit´ yu ´kol tedy zn´ı jak vyrobit objekty tak, aby vypadaly co nejlépe a souˇcasnˇe aby byly co nejjednoduˇsˇs´ı. I kdyˇz i tady se ˇcasy mˇen´ı - ˇc´ım pokroˇcilejˇs´ı jsou v poˇc´ıtaˇc´ıch grafické karty, t´ım v´ıce sloˇzit´ ych matematick´ ych v´ ypoˇct˚ u, které jsou k zobrazov´ an´ı mnoha polygon˚ u potˇreba, dˇelaj´ı m´ısto procesoru právˇe ony. Mimo jiné i proto vypadaj´ı dneˇsn´ı modely o tolik lépe neˇz modely jenom nˇekolik let staré.

2.2.1

Metody reprezentace 3d tˇ eles

Mnoho objekt˚ u zpracov´ avan´ ych a zobrazovan´ ych v poˇc´ıtaˇcové grafice má charakter tˇelesa, tedy u ´tvaru, kter´ y zauj´ım´ a urˇcit´ y objem v prostoru. V tomto smyslu m˚ uˇzeme na tˇelesa pouˇz´ıvaná v poˇc´ıtaˇcové grafice nahl´ıˇzet také jako na mnoˇzinu bod˚ u v trojrozmˇerném prostoru, které splˇ nuj´ı urˇcit´ a kritéria. R˚ uzn´ ymi zp˚ usoby reprezentace tˇelesa se snaˇz´ıme efektivnˇe ’ popsat bud mnoˇzinu hraniˇcn´ıch bod˚ u (hraniˇcn´ı reprezentace), nebo mnoˇzinu vnitˇrn´ıch bod˚ u (objemová reprezentace). 2.2.1.1

Dr´ atov´ a (wire-frame)

Tˇeleso je popsáno sv´ ymi vrcholy a hranami. Je to velmi u ´sporná reprezentace. To ˇze, obsahuje pouze vrcholy a hrany, vede také k tomu, ˇze nejde jednoznaˇcnˇe urˇcit viditelnost objektu [10]. 2.2.1.2

Procedur´ aln´ı reprezentace (procedural)

Tˇeleso nen´ı pˇr´ımo pops´ ano geometrick´ ymi daty jako v jin´ ych reprezentac´ıch, ale algoritmem, kter´ y umoˇzn ˇuje vyj´ adˇrit povrch tˇelesa, objem tˇelesa nebo i dalˇs´ı informace o tˇelese. Mezi dva nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı zp˚ usoby procedur´ aln´ı reprezentace patˇr´ı vyuˇzit´ı fraktál˚ u a ˇcásticov´ ych systém˚ u [31]. 2.2.1.3

Hraniˇ cn´ı (boundary)

Tˇeleso je pops´ ano sv´ ym povrchem. Neboli model je vyjádˇren pomoc´ı s´ıtˇe polygon˚ u. Topologie ’ obsahuje informace o ploˇsk´ ach, které jsou ve formˇe s´ıtˇe obecn´ ych n-´ uheln´ık˚ u. Tyto polygony jsou tvoˇreny vrcholy, hranami a stˇenami. Patˇr´ı sem taky Spline-reprezentace tvoˇrená nˇekolika

´ ´ Í 2.2. NAVRH MODELOVAN

7

typy (linear, cardinal, bezier, B-spline, NURBS). Maj´ı spoleˇcné to, ˇze se skládaj´ı z matematicky vyj´ adˇren´ ych ploch definovan´ ych tzv. kontroln´ımi body (viz obrázek 2.1). Povrch m˚ uˇze m´ıt kromˇe geometrick´ ych vlastnost´ı zadány napˇr´ıklad i optické vlastnosti povrchu (barvu, pr˚ uhlednost, odrazivost, index lomu, texturu apod.) [31]. V moj´ı pr´ aci pouˇz´ıv´ am tuto reprezentaci modelu.

Obr´ azek 2.1: Ukázka hraniˇcn´ı reprezentace

2.2.1.4

Objemov´ a (voxel)

Tˇeleso je pops´ ano sv´ ym objemem, tj. v´ yˇctem tˇech ˇcást´ı prostoru, které tvoˇr´ı hmotu (vnitˇrek) tˇelesa. Podobnˇe jako u hraniˇcn´ı reprezentace, i u této reprezentace je moˇzné kromˇe vlastn´ı informace o obsazeném prostoru zadávat i dalˇs´ı data, která se vztahuj´ı k vnitˇrn´ı oblasti tˇelesa, napˇr´ıklad pr˚ uhlednost nebo barvu jednotliv´ ych obsazen´ ych ˇcást´ı prostoru (viz obrázek 2.2). V´ yhodou jsou pˇr´ımé informace o objemu tˇelesa a snadn´ y test na body, zda se nach´ az´ı uvnitˇr nebo vnˇe objektu. Nev´ yhodou je, ˇze se objemová data obt´ıˇznˇeji zobrazuj´ı. Pouˇz´ıvaj´ı se napˇr´ıklad pˇri zobrazov´ an´ı model˚ u z´ıskan´ ych pˇri Magnetické rezonanci nebo poˇc´ıtaˇcové tomografii [31]. Patˇr´ı sem taky Konstruktivn´ı geometrie (CSG). CSG vyuˇz´ıvá elementárn´ı geometrické tˇelesa kv´ adr, koule, v´ alec, kuˇzel, hranol. Nad tˇemito tˇelesy provád´ı mnoˇzinové operace jako sjednocen´ı, pr˚ unik, rozd´ıl (viz obrázek 2.3). CSG se ˇcasto pouˇz´ıvá zase pro r˚ uzné konstruktérské programy pr´ avˇe z d˚ uvodu snadného skládán´ı [10].

8


Obr´ azek 2.2: Uk´ azka objemové reprezentace

Obr´ azek 2.3: Ukázka csg reprezentace

2.3. MODELOVACÍ TECHNIKY

2.3 2.3.1

9

Modelovac´ı techniky Patch Modeling (modelov´ an´ı pl´ at˚ u)

Patch modeling m˚ uˇzeme prov´ adˇet pomoc´ı bod˚ u (points), polygon˚ u (polygons), splines nebo NURBS (non uniform rational B-spline). 2.3.1.1

Polygon´ aln´ı modelov´ an´ı

Modelov´ an´ı pomoc´ı polygon˚ u je zaloˇzeno na vytváˇren´ı na sebe navazuj´ıc´ıch polygon˚ u a pomoc´ı nich tvoˇren´ı povrchu modelu. Polygony jsou tvoˇreny z ploch (faces). Jednoduch´ a polygon´ aln´ı plocha je ploch´ ym povrchem tvoˇren´ ym tˇremi nebo v´ıce body, naz´ yvan´ ymi vrˇ ara, která spojuje jeden vrchol s druh´ choly (vertices), které jsou vz´ ajemnˇe propojeny. C´ ym, se naz´ yv´ a hrana (edge). Pozice jednotliv´ ych vrchol˚ u definuj´ı tvar a velikost plochy. Plocha polygonu je rozdˇelena na nˇekolik menˇs´ıch ploˇsek, pˇriˇcemˇz kaˇzdá z nich je definována pr´ avˇe tˇremi vrcholy – tzv. triangulace. Polygonáln´ı plochy jsou propojeny podél sv´ ych hran a vytváˇrej´ı tak sloˇzitˇejˇs´ı povrch modelu. Polygonové modely jsou nejjednoduˇseji poˇc´ıtaˇcovˇe vykreslitelné, to je d˚ uvod proˇc se jich vyuˇz´ıvá tam, kde je potˇreba vykreslovat modely v reálném ˇcase [4]. 2.3.1.2

NURBS modelov´ an´ı

NURBS (non uniform rational B-spline). Modelován´ı pomoc´ı kˇrivek NURBS je zaloˇzeno na matematickém popise, kter´ y je sloˇzitˇejˇs´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe polygon˚ u. To vyˇzaduje delˇs´ı zpracováván´ı, a proto se pouˇz´ıv´ a sp´ıˇse tam, kde jsou modely vykresleny jiˇz pˇredem. Pˇri modelován´ı NURBS vytv´ aˇr´ıme tvary pomoc´ı kˇrivek a ˇcar, takˇze se ˇcastˇeji vyuˇz´ıvá pro hladké tvary [4]. 2.3.1.3

Dalˇ s´ı techniky modelov´ an´ı

Dalˇs´ı moˇznosti, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pˇredchoz´ı techniky kombinovanˇe nebo ˇcásteˇcnˇe. Boxové modelován´ı, Modelov´ an´ı pomoc´ı bod˚ u, Extruding, Tapping, Twisting, Lofting, Meta balls, Splines a Patches modeling [15].

2.3.2

Subdivision Modeling (modelov´ an´ı pomoc´ı dˇ elen´ ych povrch˚ u)

Dˇelen´ı modelovac´ı techniky se pouˇz´ıvaj´ı ke tvorbˇe model˚ u s n´ızk´ ym polygonáln´ım rozliˇsen´ım. A zv´ yˇsen´ı rozliˇsen´ı se dˇel´ a pomoc´ı vyhlazovac´ıch algoritm˚ u. I subdivision modely mohou vyuˇz´ıvat NURBS kˇrivky [27].

2.3.3

Primitivn´ı modelov´ an´ı

Toto je nejjednoduˇsˇs´ı zp˚ usob modelován´ı trojrozmˇern´ ych objekt˚ u. Pomoc´ı geometrick´ ych primitiv, jako jsou v´ alce, kuˇzele, koule a krychle jsou vytvoˇreny komplexn´ı modely. Tento pˇr´ıstup zajiˇst’uje snadnou konstrukci. Primitivn´ı modelován´ı se pouˇz´ıvá hlavnˇe u rozvojov´ ych 3D model˚ u technick´ ych aplikac´ı. Primitivn´ı modelován´ı vyuˇz´ıvá CSG (Constructive solid geometry) [10].


10

2.3.4

Digit´ aln´ı sculpting

Je zp˚ usob vytv´ aˇren´ı model˚ u za pouˇzit´ı softwaru, kter´ y nab´ız´ı nástroje push, pull, smooth, grab, pinch a dalˇs´ı n´ astroje k manipulaci s digitáln´ım objektem. Podobnˇe jako sochaˇri vytváˇrej´ı své d´ılo z kusu kamene pˇr´ımo a ruˇcnˇe, tak t´ımto zp˚ usobem m˚ uˇzeme odeb´ırat nebo pˇridávat masu polygon˚ u na nebo z modelu [22]. Nástroje pro tvorbu digitáln´ıho sculptingu jsou napˇr´ıklad ZBrush nebo Mudbox. Program Zbrush postupnˇe zahuˇst’uje s´ıt’ovinu. Na n´ızk´ ych hustot´ ach umoˇzn ˇuje glob´ aln´ı u ´pravy model˚ u a na vysok´ ych hustotách naopak u ´pravy lokáln´ı. Spr´ avn´ a tvorba modelu v programu Zbrush prob´ıhá stupˇ nován´ım u ´rovnˇe detail˚ u.

2.3.5

Pouˇ zit´ı modelovac´ıch technik

Nejlepˇs´ı v´ ysledek pˇri vytv´ aˇren´ı organick´ ych model˚ u, a to i lidsk´ ych high-poly model˚ u, dosahuje dnes Sculpt modelov´ an´ı, protoˇze dokáˇze zachytit sebemenˇs´ı detail objektu [22]. Tento zp˚ usob je vhodn´ y ve chv´ıli kdy m´ a model b´ yt vyrenderován pouze jednou. Nelze jej vˇsak z v´ ypoˇcetn´ıch d˚ uvod˚ u pouˇz´ıt v pˇr´ıpadˇe vykreslován´ı (renderován´ı) modelu v reálném ˇcase. Je to proto, ˇze v´ ysledn´ y model je pˇr´ıliˇs podrobn´ y a tedy pˇr´ıliˇs sloˇzit´ y na vykreslován´ı. To znamená, ˇze obsahuje veliké mnoˇzstv´ı polygon˚ u. Tento zp˚ usob se tedy pro tuto práci nehod´ı. Velice ˇcasto se vˇsak sculpt modelov´ an´ı vyuˇz´ıvá k vytvoˇren´ı high-poly modelu, ze kterého se z´ıskávaj´ı data pro norm´ alovou mapu [12]. Tato mapa se pak m˚ uˇze aplikovat na low-poly model. Dalˇs´ı obrovskou v´ yhodou je rychlost, d´ıky n´ıˇz z´ıskáme v´ ychoz´ı model. Klasické modelov´ an´ı tvorby lidsk´ ych, ale také ostatn´ıch organick´ ych model˚ u pomoc´ı modelovac´ıch program˚ u, jednoznaˇcnˇe vyˇzaduje zruˇcnost modeláˇre a potˇrebnou znalost tvorby správné topologie. Tento postup je velmi pˇresn´ y a umoˇzn ˇuje udrˇzovat maximáln´ı moˇznou kontrolu nad tvoˇren´ ym modelem. Je ovˇsem velmi ˇcasovˇe nároˇcn´ y, coˇz je kl´ıˇcov´ ym d˚ uvodem, proˇc se od tohoto zp˚ usobu ustupuje. Je ale samozˇrejmˇe do urˇcité m´ıry stále vyuˇz´ıván a to pˇredevˇs´ım k tvorbˇe low-poly model˚ u. Nejvhodnˇejˇs´ı by ovˇsem bylo spojit tyto pˇr´ıstupy a vyuˇz´ıt tak pˇrednost´ı obou metod. Pro tuto pr´ aci jsem zvolil zp˚ usob klasick´ ym modelován´ım a to tedy formou Patch modelován´ı. Konkrétnˇe metoda Polygon´ aln´ıho modelován´ı. S touto metodou se dá dosáhnout pomˇernˇe vysoké kvality modelu bez velikého poˇctu polygon˚ u [27].

´ ´ TVA ´ RE ˇ 2.4. ZAKLADY ANATOMIE LIDSKE

2.4 2.4.1

11

Z´ aklady anatomie lidsk´ e tv´ aˇ re Svaly

Lidská tv´ aˇr se skl´ ad´ a z dvaceti ˇctyˇr sval˚ u mimick´ ych a ˇctyˇr sval˚ u ˇzv´ ykac´ıch (tento poˇcet se ’ m˚ uˇze mˇenit, nebot vˇedci ˇcas od ˇcasu zmˇen´ı kategorizaci sval˚ u). [2] Pro model lidské hlavy, kter´ y m´ a b´ yt nˇejak´ ym zp˚ usobem animován, je nejlepˇs´ı pˇr´ıpravou pro animaci uˇz to, jak model vymodelujeme. Zp˚ usob, kter´ y pˇrináˇs´ı dobré v´ ysledky, je vycházet alespoˇ n ˇcásteˇcnˇe ze skuteˇcn´ ych anatomick´ ych pomˇer˚ u v obliˇceji (viz obrázek 2.4).

Obr´ azek 2.4: Anatomie sval˚ u v lidské tváˇri

2.4.2

K˚ uˇ ze

K˚ uˇze tvoˇr´ı ochran´ y kryt tˇela. Skládá se ze tˇr´ı vrstev: pokoˇzky (epidermis), ˇskáry (dermiscorium) a podkoˇzn´ıho vaziva (hypoderm-tela subcutanea). [21] K˚ uˇze samotná je velice podrobn´ y prvek (viz obr´ azek 2.5). Zobrazován´ı k˚ uˇze realisticky je problémové, pˇredevˇs´ım kv˚ uli vlastnostem k˚ uˇze v˚ uˇci svˇetlu. Jen asi ˇsest procent odrazivosti svˇetla od k˚ uˇze je pˇr´ımé, devades´ at ˇctyˇri procent je z podpovrchového rozptylu. Dnes se k reálnému zobrazov´ an´ı k˚ uˇze pouˇz´ıvaj´ı speci´ aln´ı algoritmy. Nejˇcastˇeji Subsurface scattering. SSS (Subsurface scattering) je podpovrchov´ y rozptyl svˇetla. Svˇetlo pronikne povrchem pr˚ usvitného objektu, kde je rozpt´ yleno materi´ alem objektu pod r˚ uzn´ ymi u ´hly a opust´ı objekt na jiném m´ıstˇe [24]. K doc´ılen´ı tohoto efektu je zapotˇreb´ı jiˇz vˇetˇs´ı energie svˇetla, proto se tyto materiály jev´ı za bˇeˇzn´ ych podm´ınek jako nepr˚ uhledné, avˇsak pˇri nasv´ıcen´ı prudk´ ym svˇetlem se st´ avaj´ı ˇcásteˇcnˇe pr˚ uhledn´ ymi. Tento efekt je moˇzné ovˇeˇrit, posv´ıcen´ım baterkou proti ruce.


12

Obr´ azek 2.5: Anatomie k˚ uˇze

2.4.3

Oko

Lidské oko se skl´ ad´ a z mnoha ˇc´ ast´ı. Pro model oka jsou pro nás d˚ uleˇzité ˇcásti - bˇelima, rohovka, duhovka a zornice (viz obr´ azek 2.6). Jak reálnˇe bude model oka vypadat, závis´ı na 3 faktorech: na aktu´ aln´ı geometrii, shaderech, a osvˇetlen´ı. Reálné oko má duhovku konkávn´ıho tvaru. To znamen´ a, ˇze tomu mus´ıme pˇrizp˚ usobit i náˇs model, protoˇze jedinˇe tak bude oko správnˇe simulovat zv´ yraznˇen´ı a rozpt´ ylen´ı svˇetla. Tento u ´hel umoˇzn ˇuje vymodelované duhovce doslova zachytit svˇetlo. Stejnˇe tak je d˚ uleˇzit´ y tvar reálné rohovky, která je naopak v´ıce konvexn´ı. Re´ aln´ a rohovka se pod´ıl´ı na lomu svˇetla vnikaj´ıc´ımu do oka [1]. Tvar vymodelované rohovky n´ am umoˇzn´ı zachytit ostré svˇetlo a dát oku hloubku. Protoˇze je skuteˇcná rohovka témˇeˇr pr˚ uhledn´ a, je nutné takto nastavit i náˇs model. Bˇelima i rohovka odráˇzej´ı odlesky, mus´ıme tomu pˇrizp˚ usobit i shadery modelu. Shader je poˇc´ıtaˇcov´ y program pouˇz´ıvan´ y ve 3D poˇc´ıtaˇcové grafice k urˇcen´ı fin´ aln´ıch povrchov´ ych vlastnost´ı objektu. To zahrnuje libovolné komplexn´ı druhy svˇeteln´ ych efekt˚ u. Absorpce, rozpt´ ylen´ı, mapován´ı textur, odraz, lom, st´ınován´ı. Pro aplikaci v re´ alném ˇcase se pouˇz´ıvaj´ı speciáln´ı shadery [23].

´ ´ TVA ´ RE ˇ 2.4. ZAKLADY ANATOMIE LIDSKE

13

Obrázek 2.6: Anatomie oka

2.4.4

Modely vlas˚ u

Na lidské hlavˇe je asi 50 000 aˇz 100 000 vlasu. Pokud bychom tvoˇrili model vlas˚ u, tak takové mnoˇzstv´ı je velice v´ ypoˇcetnˇe n´ aroˇcné. Druhé u ´skal´ı je z d˚ uvodu velmi malého pr˚ umˇeru vlasu (cca 0.1 mm), coˇz m˚ uˇze pˇri vykreslován´ı zp˚ usobovat neˇzádouc´ı aliasing. Kaˇzd´ y model vlasu se sklád´ a z jednotliv´ ych vlasov´ ych vláken, kde kaˇzdé vlákno je tvoˇreno segmenty. Pˇri modelov´ an´ı se ˇcasto pracuje jen s velmi omezen´ ym mnoˇzstv´ım vlas˚ u, tzv. ˇr´ıd´ıc´ımi vlasy, které jsou ˇcasto reprezentovány hladk´ ymi kˇrivkami s ˇr´ıd´ıc´ımi body. Pouze tyto vlasy jsou ”uˇces´ any”do poˇzadovaného tvaru a animace (dynamika) se provád´ı také pouze s tˇemito vlasy. Tento pˇr´ıstup je v´ yhodn´ y, protoˇze je ménˇe v´ ypoˇcetnˇe nároˇcn´ y. Ostatn´ı vlasy, které jsou nutné pro vytvoˇren´ı realistického modelu, se z´ıskaj´ı interpolac´ı tˇechto ˇr´ıd´ıc´ıch vlas˚ u aˇz tˇesnˇe pˇred zobrazov´ an´ım [5]. Tento typ vlas˚ u je implementován i v klasick´ ych modelovac´ıch prostˇred´ıch. Napˇr´ıklad v 3ds Max k tomu slouˇz´ı Hair and fur. Tyto metody jsou vˇsak i pˇres zm´ınˇené zjednoduˇsován´ı pro real-timové zobrazován´ı sloˇzité. Vytvoˇrit vlasy s jednoduˇsˇs´ım zobrazován´ım, m˚ uˇzeme pomoc´ı jednoduch´ ych polygonáln´ıch model˚ u (pl´ aty, v´ alce). Realistiˇcnosti pak dosahujeme pomoc´ı nastaven´ı osvˇetlen´ı a textur.


14

2.5

Texturovac´ı ˇ c´ ast

Texturován´ı neboli mapov´ an´ı textury, je proces, kdy se objektu v urˇcitém bodˇe pˇriˇrazuje detail. Detailem se rozum´ı ploˇsn´ a textura (nˇejak´ y rastrov´ y obrázek nebo bitmapa) nebo barva. Textura je vlastnˇe takov´ y obal na náˇs 3d model. Tˇechto obal˚ u m˚ uˇze b´ yt v´ıce a m˚ uˇzou se vzájemnˇe pˇrekr´ yvat [25]. Pokud chceme na nˇejak´ y model namapovat obrázek, nebo fotografii, mus´ıme urˇcit, jak se bude textura na dan´ y model prom´ıtat.

2.5.1 2.5.1.1

Moˇ znosti prom´ıt´ an´ı textur Sf´ erick´ a (kulov´ a) projekce

Sférická projekce se nejlépe hod´ı na objekty tvaru koule. Pˇri sférické projekci je totiˇz textura prom´ıtána na dan´ y objekt formou koule. U ploˇsn´ ych objekt˚ u m˚ uˇze docházet ke zkreslen´ı na +Y a -Y pólech, proto je vyuˇzit´ı této projekce na rovinné plochy nevhodné [9]. 2.5.1.2

Cylindrick´ a (v´ alcov´ a) projekce

Tato metoda prom´ıt´ a texturu na v´ alec. Prom´ıtán´ı se provád´ı kolem objektu smˇerem k centráln´ı ose. Vhodn´ a je tedy pˇredevˇs´ım na objekty tvaru válce. [9]. 2.5.1.3

Ploˇ sn´ a projekce

Rovinná projekce textury podél osy na uvedenou rovinu. Vhodné mapován´ı pˇri vˇetˇs´ıch rovn´ ych ploch´ ach [9]. 2.5.1.4

Kubick´ a projekce

Prom´ıtán´ı textury ve tvaru krychle. Vhodné pro rovinné objekty. Kubická projekce pˇredpokládá ˇze krychle má ˇsest ploch. M˚ uˇzeme prom´ıtat na kaˇzdou plochu stejnˇe tak jako bychom pouˇzili ploˇsnou projekci. Nebo krychli rozprostˇr´ıt a mapovat na tuto plochu. [9]. Ani jedna z tˇechto metod nen´ı u lidské hlavy pouˇzitelná, proto existuje speciáln´ı typ mapován´ı: 2.5.1.5

UV mapov´ an´ı (2D textury)

Podstatou tvorby textury trojrozmˇerného objektu je definován´ı polohy kaˇzdého vrcholu objektu (vertex) v prostoru souˇradnic UV. Tento prostor tvoˇr´ı obdobu standardn´ıho prostoru XY, avˇsak je orientovan´ y v˚ uˇci povrchu daného objektu. Tvorba UV koordinát je tedy proces, ve kterém se snaˇz´ıme z´ıskat 2D reprezentaci 3D modelu. Tˇret´ı dimenze UV mapován´ı oznaˇcov´ ana jako W slouˇz´ı k definován´ı trojrozmˇern´ ych textur. Abychom mohli zaˇc´ıt pˇriˇrazovat body (ve skuteˇcnosti se nepˇriˇrazuj´ı jen body, ale manipulujeme s cel´ ymi polygony), je nutné provést tak zvan´ y unwrap. Pomoc´ı metody unwrapingu model rozbal´ıme tak, aby se z nˇej stala jen 2D plocha. Unwraping se provád´ı podél definovan´ ych ˇsv˚ u na tˇelese (viz obrázek 2.7).

ˇ AST ´ 2.5. TEXTUROVACÍ C

15

Obr´ azek 2.7: Pˇr´ıklad unwrappingu Pak uˇz jen tento n´ aˇs rozbalen´ y model nastav´ıme pomoc´ı UV souˇradnic tak aby se textura zobrazovala spr´ avnˇe. UV souˇradnice urˇcuj´ı rozloˇzen´ı textury na povrchu objektu (tedy jak je ”obalena”okolo objektu). UV souˇradnice jsou nˇeco jako v kartografii s´ıt’ rovnobˇeˇzek a poledn´ık˚ u. UV mapov´ an´ı je tedy vlastnˇe popis toho jak se bude náˇs obrázek (textura) prom´ıtat na náˇs objekt. Pokud pouˇz´ıv´ ame fotografii je nutné obrázek nejprve upravit. Podobnˇe jako jsme rozbalili n´ aˇs model, mus´ıme rozbalit i fotografii. (Viz obrázek 2.8) [25]. Dalˇs´ı moˇznost´ı jak si ulehˇcit texturován´ı objektu je vyuˇzit´ı technologie Projection Painting. Tato metoda umoˇzn ˇuje rychlou pˇr´ıpravu ColorMapy a to pˇresnˇe tak, ˇze je tvoˇrena pˇr´ımo na model. Projection Painting jsem vyzkouˇsel i u svého modelu, proto budu tuto metodu popisovat pozdˇeji [9].

Obr´ azek 2.8: Pˇr´ıklad texturovac´ı mapy


16

2.6

Animaˇ cn´ı ˇ c´ ast

Animace je sekvence obr´ azk˚ u prom´ıtan´ a pozorovateli tak rychle, ˇze vyvolává iluzi pohybu. Je to proto, ˇze kaˇzd´ y obr´ azek prom´ıtnut´ y na s´ıtnici z˚ ustává viditeln´ y jeˇstˇe pˇribliˇznˇe 1/25s [14].

2.6.1

Zp˚ usoby animace lidsk´ e tv´ aˇ re

Animovat lidskou tv´ aˇr lze v z´ asadˇe tˇremi zp˚ usoby. 2.6.1.1

Pomoc´ı interpolace vrchol˚ u

Morphing – model je tvoˇren´ y vrcholy. Pokud budeme vrcholy manipulovat, bude se mˇenit i model (alespoˇ n z hlediska geometrie, nikoliv topologie). Morphing je tedy zaloˇzen na pˇresouván´ı vrchol˚ u. Abychom mohli morphing pouˇz´ıvat, mus´ıme si nejprve pˇripravit v´ıce model˚ u, mezi kter´ ymi se bude morfovat“. Tzn., ˇze pokud budeme animovat lidskou tváˇr, ” museli bychom si pro kaˇzd´ y v´ yraz (at’ uˇz by ˇslo emoce, ˇreˇc ˇci dalˇs´ı pohyby) vytvoˇrit model nov´ y. Morfován´ı vlastnˇe znamen´ a plynul´ y pˇrechod z jednoho modelu (ze zdrojového) na druh´ y model (c´ılov´ y). Tento pˇrechod se ˇr´ıd´ı pˇredem dan´ ymi pravidly a naz´ yvá se interpolace. Tato metoda m´ a omezen´ı, objekt zdrojov´ y a c´ılov´ y mus´ı m´ıt stejnou topologii, mus´ı m´ıt stejn´ y poˇcet vrchol˚ u. Dalˇs´ı nev´ yhodou je právˇe nutnost vytvoˇrit spousty model˚ u, mezi kter´ ymi se bude morfovat“ [14]. ” Key-animation – neboli animace pomoc´ı kl´ıˇcován´ı, zaznamenán´ı urˇcité hodnoty (polohy, velikosti, ...) ˇc´ asti modelu v urˇcitém ˇcase. Po zakl´ıˇcován´ı nˇekolika hodnot se mezi nimi v ˇcase interpoluje [14].

Obr´ azek 2.9: Schématick´ y nákres Watersova modelu svalu

ˇ Í C ˇ AST ´ 2.6. ANIMACN

17

Interpolace parametr˚ u – Jednotlivé v´ yrazy obliˇceje jsou definovány vektory parametr˚ u, kontroln´ı parametry pak deformuj´ı m´ıstn´ı regiony (oblasti), neboli parametry ovlivˇ nuj´ı nˇejakou oblast modelu. Pˇri animaci se vlastnˇe provád´ı interpolace parametr˚ u. Na této metodˇe stav´ı také Waters˚ uv parametrick´ y model [34]. Zjednoduˇsen´ y model K. Waterse a F. Parka vycház´ı z toho, ˇze kaˇzd´ y sval je ke kosti pˇrichycen ve dvou m´ıstech (hlava a pata). Hlava svalu je pevnˇe um´ıstˇena na jednom konci svalu smrˇst’ov´ an´ı, neboli kontrakce jsou smˇeˇrované k hlavˇe svalu, nebo jen málo od n´ı. Pata je pak pˇresunuta tak, aby spojnice hlava-pata odpov´ıdala smˇeru, kter´ ym se tkán ˇ ub´ır´ a pˇri kontrakci svalu. Kaˇzd´ y sval p˚ usob´ı na model hlavy tak jak má definované parametry. Vrcholy ovlivnˇené svalem, leˇz´ı v takzvané zónˇe p˚ usoben´ı. Tyto zóny jsou omezeny jednak vzdálenost´ı od hlavy svalu a d´ ale pak u ´hlovou odchylkou od spojnice hlava-pata (viz obrázek 2.9). Pˇri kontrakci svalu je nutné pro kaˇzd´ y vrchol urˇcit u ´hlovou odchylku od spojnice hlavapata, porovnat ji s u ´hlov´ ym omezen´ım svalu, urˇcit vzdálenost od hlavy svalu a rozhodnout do jaké z´ ony vrchol patˇr´ı [16]. Konkrétn´ı vrchol se vˇzdy pohybuje po spojnici s hlavou svalu. V zónˇe 2 se vrchol pohybuje line´ arnˇe, pˇriˇcemˇz velikost pˇr´ır˚ ustku závis´ı na odklonu spojnice vrchol-hlava od spojnice pata-hlava. Nejvˇetˇs´ı vliv má sval na vektor leˇz´ıc´ı pˇr´ımo na spojnici pata-hlava tento vektor se pohybuje nejrychleji, nejmenˇs´ı vliv má naopak na u ´hlové hranici svalu a tento vektor se nepohybuje v˚ ubec [16]. Zóna 1 má na vrcholy podobn´ y vliv, ale jeˇstˇe z´ avisl´ y na vzd´ alenosti vrcholu od hranice zóny. Pohyb vrchol˚ u je podobn´ y jako v z´ onˇe ˇ ım je vrchol bl´ıˇze u 2. C´ ´plnému konci aktivity svalu, t´ım rychleji se pohybuje [16]. Tento zp˚ usob je vyuˇzit i v ECAF TalkingHead Toolkit, tedy i animace mého modelu je ˇr´ızena pˇres pseudo-svaly (viz obr´ azek 2.10).

Obr´ azek 2.10: Waters˚ uv model v praxi (TalkingHead)


18

Parametr delta jednotliv´ ych sval˚ u, symbolicky popisuje napjatost tˇechto sval˚ u. Pro plynul´ y pˇrechod mezi dvˇema v´ yrazy tv´ aˇre je nutné provést pˇrinejmenˇs´ım postupnou lineárn´ı interpolaci mezi dvˇema parametry pro kaˇzd´ y sval a tedy pro vˇsechny svaly pod´ılej´ıc´ı se na pˇredchoz´ım a n´ asleduj´ıc´ım v´ yrazu. Tento neuvaˇzuje nelinearitu zmˇen v pohybu jednotliv´ ych sval˚ u [16]. Bylo by tedy vhodnˇejˇs´ı uvaˇzovat jistou formu nelineárn´ı interpolace, která by v´ yˇse uvedené vzala v potaz. 2.6.1.2

Pomoc´ı syst´ emu kost´ı

Tato metoda m´ a v´ yhodu ve veliké variabilitˇe v´ yraz˚ u, kter´ ych m˚ uˇzeme dosáhnout. Kaˇzdá kost um´ıstˇená do modelu hlavy pˇredstavuje v´ yznamn´ y sval v obliˇceji. Propojen´ım kost´ı dosahujeme moˇznosti, ˇze pˇri zmˇenˇe jednoho svaluje pohneme i dalˇs´ımi, tak jak by to bylo ve skuteˇcnosti. Pokud jsou kosti takto propojené, pro správnou deformaci modelu, maj´ı mezi sebou urˇcené hierarchické vztahy a nastaveny omezen´ı pohybu v osách. Pohybem tˇechto kost´ı tvarujeme model tak, abychom dosáhli c´ıleného v´ yrazu tváˇre. Aby kosti ovlivˇ novali mesh, potˇrebujeme pouˇz´ıt skinning. Skinning slouˇz´ı právˇe k deformaci modelu na Základˇe pohybu kost´ı. Skinning pˇriˇrazuje kaˇzdé kosti skupinu vrchol˚ u modelu, které má ovlivˇ novat. Nev´ yhodou je n´ aroˇcnost tohoto v´ ybˇeru vrchol˚ u tak, aby byla deformace co nejpˇresnˇejˇs´ı. ˇ ım vyˇsˇs´ı Pokud je potˇreba detailnˇejˇs´ı a rozs´ ahlejˇs´ı mimiky zvyˇsuje se t´ım i poˇcet kost´ı. C´ poˇcet kost´ı, t´ım podrobnˇejˇs´ı mimika, ale t´ım preciznˇejˇs´ı mus´ı b´ yt nastaven´ı skinningu. Pokud nen´ı deformace kostmi pˇresn´ a a na modelu vznikaj´ı pˇrehyby, je moˇzné, pouˇz´ıt nav´ıc tzv., deformaˇcn´ıch 3D s´ıt´ı. Pomoc´ı tˇechto s´ıt´ı m˚ uˇzeme omezovat vliv r˚ uzn´ ych kost´ı na ˇcásti tˇela [14]. 2.6.1.3

Motion Capture

Motion capture neboli systém pro sn´ım´ an´ı pohybu. Existuje spousta technologi´ı jak sn´ımat pohyb ˇclovˇeka, pro sn´ım´ an´ı obliˇceje se vˇsak nejv´ıce hod´ı optické systémy. Funguj´ı tak, ˇze sn´ımané osobˇe se na obliˇcej nalep´ı“ optické znaˇcky (viz obrázek 2.11). ”

Obrázek 2.11: Pˇr´ıklad aplikace pro z´ıskáván´ı dat z optického zaˇr´ızen´ı mocapu

ˇ Í C ˇ AST ´ 2.6. ANIMACN

19

Obliˇcej je pak sn´ım´ an kamerami a tento obraz je pak zpracováván pomoc´ı softwaru pro mocap [19], kter´ y rozezn´ av´ a, kde se jaká znaˇcka nacház´ı. Kaˇzdá znaˇcka na obliˇceji osoby je pak pˇriˇrazena k bodu/oblasti na modelu. Tzn., ˇze pˇri pohybu znaˇcek se pohybuje i model. Mation capture se dnes také kombinuje s 3D Scanem. Geometrie obliˇceje je zachycena pomoc´ı strukturovaného svˇetla z 3d skener. Pomoc´ı nejmodernˇejˇs´ıch 3d skenovac´ıch systém˚ u, m˚ uˇzeme z´ıskat neuvˇeˇritelné mnoˇzstv´ı dat vedouc´ı k vysokému rozliˇsen´ı (detailnosti) modelu. Mocap systémy na druhé stranˇe maj´ı pomˇernˇe vysoké ˇcasové rozliˇsen´ı pro mal´ y poˇcet sledovan´ ych bod˚ u. T´ım p´ adem vzniká systém s vysok´ ym rozliˇsen´ım skenuj´ıc´ı geometrii pro zachycen´ı povrchov´ ych deformac´ı a mocap data pro amplitudy, naˇcasován´ı a koordinace pohybu prvk˚ u [18]. Velice hezky je tento zp˚ usob vyuˇzit napˇr´ıklad ve hˇre LA Noire [28].


20

2.7

N´ astroje pro 3D modelov´ an´ı

Tato práce je vytv´ aˇrena v programu Autodesk 3ds Max 2010. Pop´ıˇsu zde, jaké nástroje jsem pˇri svém modelov´ an´ı pouˇzil a jaké dalˇs´ı moˇznosti 3ds Max má pˇri tvorbˇe modelu ˇclovˇeka, tedy i hlavy samotné.

2.7.1

Interface Autodesk 3ds Max 2010

V horn´ı ˇcásti grafického rozhran´ı je um´ıstˇeno klasické nab´ıdkové menu (1). Liˇsta pod menu obsahuje rychl´ a tlaˇc´ıtka pro nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı pˇr´ıkazy, napˇr´ıklad manipulaci s objekty, jejich selekci a podobnˇe (2). Hlavn´ı ˇc´ ast obrazovky je tvoˇrena pracovn´ı plochou a je rozdˇelena na 4 ˇcásti, kaˇzd´ a ˇc´ ast je pohled na stejnou scénu, kde v kaˇzdé ˇcásti m˚ uˇzeme zvolit zp˚ usob zobrazen´ı scény (3). Na pravé stranˇe obrazovky je menu pro vytváˇren´ı a u ´pravu objekt˚ u. Dalˇs´ı ˇcást´ı se ovl´ adaj´ı animace a je tvoˇrena spodn´ı ˇcasovou osou a jej´ım ovládán´ım (5). Posledn´ım d˚ uleˇzit´ ym prvkem je zobrazen´ı a u ´prava souˇradnic (6) (viz obrázek 2.12). Dále je tu samozˇrejmˇe také pˇr´ıkazov´ a ˇr´ adka a v neposledn´ı ˇradˇe ikony pro ovládán´ı funkce zoom [11].

Obr´ azek 2.12: Popis grafického rozhran´ı programu 3ds Max

2.7.2

Pouˇ zit´ e n´ astroje

Pˇri v´ yrobˇe modelu ve 3ds Maxu nejˇcastˇeji projdeme nˇekolika nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ımi kroky. Zaprvé vytvoˇr´ıme si nˇejak´ y prvek (grafick´ y primitiv, kˇrivka, kost pro animaci, nebo celá kostra,. . . ). Prvek m˚ uˇze b´ yt v z´ asadˇe troj´ıho typu (pokud nejde o zvláˇstn´ı objekt napˇr´ıklad animaˇcn´ı

´ ´ Í 2.7. NASTROJE PRO 3D MODELOVAN

21

kost) Editable poly, Editable mesh a Editable patch. Kaˇzdá z tˇechto reprezentac´ı má svoje v´ yhody i nev´ yhody a pouˇz´ıv´ ame je tedy podle toho, jak nám vyhovuje. Tˇemto prvk˚ um pak do zásobn´ıku modifik´ ator˚ u pˇrid´ aváme modifikátory, které manipuluj´ı s objektem. Pomoc´ı material editoru pˇriˇrad´ıme modelu materiál (texturu, barvu, vliv osvˇetlen´ı,. . . ). Model animujeme a nakonec provedeme rendering, neboli vykreslen´ı objektu. V této ˇcásti pop´ıˇsu které modifik´ atory a dalˇs´ı n´ astroje jsem pozdˇeji pouˇzil pˇri vytváˇren´ı mého modelu. 2.7.2.1

Editable poly

V Editable Poly m˚ uˇze urˇcovat tvar v´ ysledného objektu modifikátory nebo pracovat s jednotliv´ ymi subobjekty. Subobjekt vyberete bud’ rozbalen´ım nab´ıdky s nazvy subobjekt˚ u, to provedete kliknut´ım na plus vedle nápisu Editable Poly v Modifier stacku, nebo m˚ uˇzete v ˇcásti Selection vybrat na potˇrebn´ y subobjekt pˇres ikony a také m˚ uˇzete pouˇz´ıvat ˇc´ıselné zkratky 1-5: • 1: Vertex - ˇcesky ”vrchol”, subobject, pomoc´ı kterého m˚ uˇzete pohybovat jednotliv´ ymi body. • 2: Edge - ”hrana”, po vybr´ an´ı je moˇzné modifikovat jednotlivé hrany. • 3: Border - ”okraj, hranice”, funguje hodnˇe podobnˇe jako subobjekt edge, ale m˚ uˇzete s n´ım oznaˇcit pˇr´ımo krajn´ı hrany. • 4: Face - ”plocha”, vybere spojuj´ıc´ı plochu mezi tˇremi a v´ıce vrcholy. • 5: Element - ”z´ akladn´ı souˇcást”- pracuje na u ´rovni face, ale vybere vˇsechny fyzicky spojené plochy - napˇr. u objektu koule vybere vˇsechny polygony, ale pokud je do jednoho objektu spojeno v´ıce ˇcást´ı, m˚ uˇze b´ yt tento subobjekt uˇziteˇcn´ y. Cut – N´ astroj slouˇz´ı k dˇelen´ı ploch, hran nebo celého objekt. Staˇc´ı jen myˇs´ı nastavit, ˇ vytvoˇr´ı nové hrany a vrcholy na objektu. odkud kam se m´ a ˇrez provést. Rez View Align - zarovn´ a vˇsechny vrcholy na rovinu kolmou k aktuáln´ımu pohledu. Grid Align - zarovn´ a objekt s centráln´ı rovinou. Relax - pracuje stejnˇe jako modifikátor Relax. Posouvá vrcholy tak, ˇze jsou co moˇzn´ a nejdále od um´ıstˇen´ı sousedn´ıch vrchol˚ u (tato vzdálenost závis´ı na hodnotˇe Amount uvedené v Settings, kde m˚ uˇzete nastavit také hodnotu Interations, která udává, kolikrát se tento algoritmus provede). Push/Pull – pomoc´ı ˇstˇetce ve tvaru kruhu, kter´ y se zarovnává s normálami v jednotliv´ ych ˇc´ astech objektu m˚ uˇzeme deformovat povrch. Push slouˇz´ı k zatlaˇcen´ı vrchol˚ u proti ˇ etec v reˇzimu Relax odsmˇeru norm´ al, Pull vrcholy naopak vytlaˇcuje ve smˇeru normál. Stˇ daluje bl´ızko um´ıstˇené vrcholy, zaobluje ostré hrany a celkovˇe pˇrizp˚ usobuje vrcholy tak aby tvoˇrili plochu bez artefakt˚ u. Revert vrac´ı povrch objektu k p˚ uvodn´ımu tvaru. V Push/Pull Directions m˚ uˇzete nastavit, jestli budou plochy deformovány ve smˇeru aktuáln´ıch norm´ al, nebo ve smˇeru vybrané osy. Push/Pull Value, Brush Size, Brush Strenght a Brush Options nastavuj´ı vlastnosti deformaˇcn´ıho ˇstˇetce. Tlaˇc´ıtka Commit a Cancel jsou dostupn´ a po nˇejak´ ych zmˇen´ ach. Commit potvrd´ı zmˇeny na povrchu tˇelesa, takˇze funkce Revert jiˇz tyto zmˇeny nevrac´ı. Cancel provedené zmˇeny vymaˇze.


22

Extrude – N´ astroj slouˇz´ı k takzvanému vytlaˇcen´ı“ nˇejaké ˇcásti objektu. Tento nástroj ” je moˇzno ovládat bud’ pˇr´ımou aplikac´ı myˇs´ı (taˇzen´ım), nebo pˇres okno nastaven´ı zvolit pˇresné hodnoty. Nastaven´ı extrude m´ a tyto parametry - Extrusion Height (udává, jak vysoko bude vrchol nad p˚ uvodn´ım um´ıstˇen´ım) a Extrusion Base Width (podle nˇej se vytvoˇr´ı nové vrcholy v zadané vzdálenosti od p˚ uvodn´ıho m´ısta). Weld – Spoj´ı mnoˇzinu vrchol˚ u v nastavené vzdálenosti. Vzdálenost, ve které se body maj´ı jeˇstˇe spojovat, zad´ av´ ame pˇres okno nastaven´ı parametrem Weld Treshold. Chamfer – Vybran´ y vrchol se rozpadne na dalˇs´ı vrcholy tvoˇr´ıc´ı nov´ y polygon, tyto vrcholy se um´ıst´ı ve vzd´ alenosti urˇcené parametrem Chamfer Amount. Pokud bude zvolena moˇznost open vznikne v objekty d´ıra. Target Weld - spojuje subojekty, které jsou postupnˇe vyb´ırány myˇs´ı. Connect - vytvoˇr´ı hranu mezi dvˇema vybran´ ymi vrcholy, které jsou souˇcást´ı jednoho polygonu – nen´ı mezi nimi jin´ a hrana. Bridge – spoj´ı dvˇe hrany nov´ ym polygonem.

2.7.2.2

Smooth

Dalˇs´ım velice d˚ uleˇzit´ ym modifik´ atorem je Smooth (vyhlazen´ı). Smooth modifikátory pˇridávaj´ı do vaˇsich objekt˚ u dalˇs´ı vrcholy a polygonové s´ıtˇe a t´ım dˇelaj´ı objekt hladˇs´ım. Existuje v´ıce r˚ uzn´ ych smooth modifik´ ator˚ u ve 3ds Maxu. Turbosmooth je rychlejˇs´ı, a u ´ˇcinnˇejˇs´ı pˇri práci na sloˇzit´ ych subdivision modelech. Meshsmooth vyhlazován´ı je pomalejˇs´ı, ale nab´ız´ı dalˇs´ı ovládac´ı prvky (r´ yhov´ an´ı, v´ ahy, atd.). V´ yhoda turbosmoothu je pˇredevˇs´ım v jeho rychlosti, m˚ uˇzeme pracovat v reˇzimu edit poly a pˇritom m´ıt objekt vyhlazen´ y. Pokud nám vˇsak staˇc´ı objekt modelovat bez vyhlazován´ı, m˚ uˇzeme m´ıt vliv modifik´ atoru prozat´ım vypnut´ y. Na to, jak objekt bude vypadat v koneˇcné verzi se smoothem, slouˇz´ı tlaˇc´ıtko ˇz´ arovky. Stiskem tlaˇc´ıtka ˇzárovky tedy m˚ uˇzeme vypnout nebo zapnout vliv modifik´ atoru smooth na model.

2.7.2.3

Symmetry

Modifikátor symmetry slouˇz´ı k vytvoˇren´ı zrcadlového obrazu naˇseho modelu. V parametrech si urˇc´ıme, podle jaké osy se m´ a model zrcadlit a v jaké vzdálenosti od objektu. Vˇsechny zmˇeny, které provedeme na naˇs´ı ˇc´ asti modelu, se provedou také na obrazu. V´ yhoda tohoto modifikátoru je moˇznost slévat okraje naˇs´ı ˇcásti s ˇcást´ı zrcadlenou, tak ˇze tvoˇr´ı pouze jeden objekt.

2.7.2.4

UVW Map

Modifikátor slouˇz´ı k nastaven´ı UVW mapován´ı objektu. Je moˇznost zde volit klasické prom´ıtán´ı na primitivy a nastaven´ı zobrazován´ı textury. Dalˇs´ı pouˇzité n´ astroje jsou vˇzdy jen zm´ınˇeny v popisu modelován´ı.

2.8. POPIS PROGRAMU TALKINGHEAD

2.8

23

Popis programu TalkingHead

Program TalkingHead je jeden z Embodied Conversational Agent (ECA) toolkit˚ u. ECA Toolkit pˇredstavuje program, kter´ y má definovan´ y zp˚ usob ovládán´ı, a kter´ y je moˇzné vyuˇz´ıt v nˇejaké dalˇs´ı aplikaci, tak aby vyuˇz´ıvala moˇznosti ovládán´ı pomoc´ı ECA. Tedy pˇredevˇs´ım vˇerohodné grafické ztv´ arnˇen´ı hlavy, hlasov´ y projev a pˇr´ıpadnˇe i rozpoznáván´ı ˇreˇci [33]. TalkingHead je postaven na toolkitu Expression a vyuˇz´ıvá technologii IBM ViaVoice pro syntézu hlasu. Ovl´ ad´ an´ı je pˇres form´ at XML jazyku pojmenovan´ y ECAF (ECA Fa¸cade) [13]. Pomoc´ı ECAF m˚ uˇzeme u agenta kontrolovat mimiku, pozici a velikost hlavy. Jednoduˇse také m˚ uˇzeme pˇr´ımo zad´ avat text,kter´ y má agent pˇreˇr´ıkat. Tento toolkit také umoˇzn ˇuje mˇenit a ovládat okol´ı hlavy. M´ a moˇznost mˇenit pozad´ı, na obrazovce zobrazovat text,obrázky a dokonce i video.Talking Head pak poskytuje zpˇetnou vazbu ve formˇe programov´ ych událost´ı (konec promluvy ˇci kliknut´ı myˇs´ı). Talking Head zat´ım bˇeˇz´ı jako serverová aplikace, takˇze ji lze ovl´ adat z klienta napsaného v libovolném jazyce [33]. Program je napsán v jazyce c++ a vyuˇz´ıv´ a grafické knihovny standartu OpenGL. Obrázek popisuj´ıc´ı architekturu aplikace 2.13.

Obr´ azek 2.13: Architektura aplikace ECAF toolkit Talking Head

2.8.1

Datov´ e soubory TalkingHeadu pro konfiguraci sval˚ u

Model hlavy je do programu TalkingHead naˇcten z binary mesh (∗.M SH) souboru. Informace o v´ yrazech program naˇc´ıt´ a z datového souboru v´ yraz˚ u. V tomto souboru jsou uvedeny vˇsechny dostupné v´ yrazy obliˇceje. Kaˇzd´ y v´ yraz je popsán a ovlivnˇen definovan´ ymi svaly.

24


Kaˇzd´ y v´ yraz v souboru m´ a tedy uvedeny svaly které pouˇz´ıvá, a u kaˇzdého uvedenou váhu vyuˇzit´ı tohoto svalu. V dalˇs´ım datovém souboru, kter´ y aplikace pouˇz´ıvá, je obsaˇzen popis vˇsech nadefinovan´ ych sval˚ u. Podle Watersova modelu je v souboru u kaˇzdého svalu uvedeno kde má hlavu (zaˇcátek), patu (konec) a velikost pole p˚ usoben´ı. Aplikace potˇrebuje jeˇstˇe informace o tom, kde se vlastnˇe na hlavˇe nacház´ı oˇci a kde brada. Pˇredevˇs´ım pro nˇekteré specifické v´ yrazy a správnou funkci sval˚ u. Tento datov´ y soubor obsahuje vˇzdy ˇc´ ast hlavy (napˇr´ıklad pravé oko) a následuj´ı identifikaˇcn´ı ˇc´ısla vrchol˚ u modelu a váhu vrcholu vzhledem k tomu, jak´ ym vlivem na nˇej budou p˚ usobit svaly. Posledn´ı datov´ y soubor, kter´ y je nutné do aplikace naˇc´ıst, obsahuje seskupen´ı pˇredchoz´ıch v´ yraz˚ u do jednoduˇsˇs´ıch celk˚ u. Soubor slouˇz´ı k m´ıchán´ı r˚ uzn´ ych v´ yraz˚ u. Pro moji pr´ aci je kl´ıˇcov´ a aplikace pro TalkingHead, která usnadnuje nastaven´ı modelu pro samotnou aplikaci toolkit ECAF Talking Head a obsahuje jednoduch´ y editor pro práci s modelem hlavy. Interface TalkingHeadu pro konfiguraci sval˚ u (viz obrázek 2.14).

Obr´ azek 2.14: Editor pro práci se svaly

Kapitola 3

Postup pr´ ace 3.1

Pˇ r´ıprava

Jeˇstˇe neˇz jsem se pustil do modelován´ı lidského obliˇceje, musel jsem se poˇrádnˇe seznámit s prostˇred´ım 3ds Maxu, pˇredt´ım jsem modeloval pˇredevˇs´ım v programu Blender a Maya. Na zaˇc´ atku pr´ ace jsem se rozhodl vytvoˇrit model za podpory fotografi´ı skuteˇcné osoby, nejen pro lepˇs´ı kontrolu geometrie, ale také pro pozdˇejˇs´ı otexturován´ı. Pokud bude model vytvoˇren podle fotografie, nemˇel by b´ yt problém tuto fotografii pak na model aplikovat. Rozhodl jsem se modelovat ˇclovˇeka, kterého znám a nikoliv pouˇz´ıt fotografie nalezené na internetu nebo poskytnuté zad´ avaj´ıc´ım BP. Takˇze prvn´ım u ´kolem bylo poˇr´ıdit dostateˇcnˇe kvalitn´ı dobˇre nasvˇetlené a samozˇrejmˇe také dobˇre nafocené fotografie. Pomoc´ı fotoapar´ atu jsem poˇr´ıdil dvˇe fotografie vybrané osoby. Jedna fotografie pˇredn´ı (focená zepˇredu) druh´ az profilu (focen´ a ze strany) (viz obrázek 3.1).

Obr´ azek 3.1: Poˇr´ızené fotografie, pˇredn´ı a profil Pˇri focen´ı jsem pˇredpokl´ adal, ˇze jsem vˇse vyfotil správn´ ym zp˚ usobem. Po prohlédnut´ı fotografi´ı na poˇc´ıtaˇci, jsem vˇsak doznal znaˇcn´ ych nepˇresnost´ı. Fotografie se neshodovaly ani velikost´ı, ani natoˇcen´ım a dokonce ani osvˇetlen´ım. Obˇe fotografie jsem nakonec upravil pomoc´ı programu GIMP 2. Pˇri poˇrizován´ı vlastn´ıch fotografi´ı bych doporuˇcoval poˇr´ adné

25

´ KAPITOLA 3. POSTUP PRACE

26

nasv´ıcen´ı scény, nejlépe ve studiu. Ve studiu také nebude problém s odrazy ostatn´ıch objekt˚ u od subjektu (napˇr´ıklad zabarven´ı do okoln´ıho prostˇred´ı). Dalˇs´ı problém m˚ uˇze nastat pˇri otáˇcen´ı subjektu hlavou, doporuˇcoval bych subjekt fotit ze dvou fotoaparát˚ u (nejlépe stejné znaˇcky nebo alespoˇ n se shodn´ ym nastaven´ım, samozˇrejmost´ı je nastavit stejné vyváˇzen´ı svˇetla a stejného rozliˇsen´ı fotografie). Fotografovan´ y subjekt by mˇel m´ıt neutráln´ı v´ yraz, ze kterého se bude pozdˇeji vych´ azet. Poˇr´ızené fotografie jsem pouˇzil jako referenˇcn´ı obrázky pro model. Referenˇcn´ı obrázky dostaneme do 3ds Maxu jednoduch´ ym um´ıstˇen´ım dvou na sebe kolm´ ych ploch (plane). Nejprve se pˇrepneme do zobrazen´ı front (pˇredn´ı zobrazen´ı) a vytvoˇr´ıme prvn´ı plochu a um´ıst´ıme si ji na stˇred. Pak se pˇrepneme do zobrazen´ı left (popˇr´ıpadˇe right, záleˇz´ı, jakou strany profilu jsme fotili) a vytvoˇr´ıme dalˇs´ı plochu a um´ıst´ıme na stˇred. Tyto plochy mus´ı m´ıt stejn´ y pomˇer stran, jako maj´ı fotografie. V mém pˇr´ıpadˇe prvn´ı (pˇredn´ı) fotografe s pomˇerem 2048x1536. Druhá (profilová) fotografie s pomˇerem 2000x1500. Plochy jsem nastavil na velikost 20,48x15,36 a 20x15. Pomoc´ı material editoru pˇriˇrad´ıme plochám fotografie jako textury. Aby byly fotografie lépe viditelné, v nastaven´ı zmˇen´ıme self-iluminatton na 100. T´ım zv´ yˇs´ıme jasovou sloˇzku obrázk˚ u. Máme tedy pˇripravenou pˇredlohu. Pˇred t´ım neˇz zaˇcneme pracovat, doporuˇcuji nastavit si pracoviˇstˇe podle sebe. J´ a jsem pouˇzil klasické zobrazen´ı 4 pohled˚ u na obrazovce. Z vrchu (top), perspektivn´ı, z boku (left/right) a posledn´ı zepˇredu (front). Modelován´ı pomoc´ı polygon˚ u je prakticky opakován´ım stále stejn´ ych krok˚ u. Proto uvád´ım pouze zaˇc´ atek modelov´ an´ı, zbytek je obdobn´ y.

3.2 3.2.1 3.2.1.1

Modelov´ an´ı Modelov´ an´ı rt˚ u Pr´ ace s Editable poly

Jako prvn´ı si vymodelujeme rty. V pohledu front, z menu Create (vytvoˇr), ze standart primitives (standardn´ıch primitiv) vybereme plane (plocha) a vytvoˇr´ıme ploˇsku na spodn´ım rtu referenˇcn´ıho obr´ azku. Ploˇsce nastav´ıme Lenght segments a Height segments (poˇcet segment˚ u v délce a v ˇs´ıˇrce) na jeden. Klikneme na ploˇsku prav´ ym tlaˇc´ıtkem a moˇznost´ı Convert To zkonvertujeme do Editable Poly (z ploˇsky udˇeláme upraviteln´ y polygon). Polygon um´ıst´ıme prav´ ym krajem tak aby se dot´ ykal pomyslné osy obliˇceje. Jelikoˇz jiˇz máme ploˇsku ve formˇe polygonu, m˚ uˇzeme to udˇelat n´ asledovnˇe. Oznaˇcit cel´ y polygon a pomoc´ı manipulátoru Move (posun) ploˇsku posunout na poˇzadované m´ısto, nebo se v menu Selection (v´ ybˇer) pˇrepneme do sub-objekt reˇzimu, kter´ y n´ am nejv´ıce vyhovuje. Pro zaˇcátek pouˇzijme Vertex reˇzim, to znamená, ˇze ted’ m˚ uˇzeme ovl´ adat jednotlivé vrcholy naˇseho polygonu. A vrcholy nastav´ıme tak aby tvoˇrily ˇc´ ast spodn´ıho rtu. Stejnˇe tak v pohledu ze strany (left), uprav´ıme vrcholy, aby sedˇely na spodn´ım rtu (viz obr´ azek 3.2). Pokaˇzdé, kdyˇz budete pohybovat vrcholy, segmenty nebo polygony, nebo budete vytváˇret nové polygony, ujistˇete se, ˇze jste jejich polohu upravili jak v pohledu top, tak v pohledu left.

´ Í 3.2. MODELOVAN

27

Obr´ azek 3.2: Polygon um´ıstˇen´ y na rty a upraven´ y v subobjekt módu Dalˇs´ı polygony si uˇz vytvoˇr´ıme pomoc´ı kop´ırován´ı hran. V menu Selection zvol´ıme reˇzim edge (hrana). Klikneme na hranu, kterou potˇrebujeme zkop´ırovat a stiskneme Shift, následn´ ym posunut´ım hrany vznikne hrana nová spojená s pˇredchoz´ı hranou dalˇs´ım polygonem (viz obr´ azek 3.3). Tento polygon nastavte tak, aby sedˇel na rtu. Moˇznosti jak upravovat polygon typu edit poly jsou tedy závislé na pouˇzitém reˇzimu. Vertex sub-object reˇzim, kter´ y umoˇzn ˇuje manipulovat samotn´ ymi vrcholy. Edge sub-object reˇzim manipuluje s hranami polygonu a nakonec v Polygon sub-object reˇzimu pohybujete s cel´ ym polygonem (v nˇekter´ ych jin´ ych modeláˇr´ıch se tomuto reˇzimu ˇr´ıká face, protoˇze manipulujeme s ploˇskou).

Obr´ azek 3.3: Kop´ırován´ım polygon˚ u vytváˇr´ıme povrch modelu Postupn´ ym kop´ırov´ an´ım hran vytvoˇr´ıme poˇzadovan´ y tvar rt˚ u. Nemus´ıme kop´ırovat vˇzdy pouze jednu hranu. V´ıce hran oznaˇc´ıme bud’ v´ ybˇerem pomoc´ı táhnut´ım myˇsi (border) nebo postupn´ ym klik´ an´ım na hrany se stisknutou klávesou ctrl. Pokud omylem vybereme ˇspatnou hranu, staˇc´ı se bud’ vr´ atit zpˇet, nebo kliknout na hranu se stisknutou klávesou alt. Ke kop´ırov´ an´ı jsem také pouˇz´ıval funkci Scale (ˇskálován´ı). Velk´ y problém byl dávat si pozor a upravovat polygony v pohledu front a left zároveˇ n.

3.2.2

Usnadnˇ en´ı s pomoc´ı funkce Symetrie

Protoˇze lidsk´ a hlava je z velké vˇetˇsiny soumˇerná, nebo alespoˇ n ˇcásteˇcnˇe soumˇerná, nemus´ıme modelovat hlavu u ´plnˇe celou. T´ım mysl´ım, ˇze se nemus´ı modelovat jak pravá tak levá ˇc´ ast hlavy. Staˇc´ı vytvoˇrit jednu polovinu hlavy a druhá se vytvoˇr´ı jako pˇresn´ y obraz té naˇs´ı ruˇcnˇe vymodelované. V 3ds Maxu to provedeme pomoc´ı modifikátoru Symmetry. Modifik´ ator jednoduˇse pˇrid´ ame za n´ aˇs editable poly. V modifikátoru symmetry, si nastav´ıme osu, ve které


28

chceme vytváˇret obraz. V mém pˇr´ıpadˇe je to v rovinˇe X a protoˇze se mi neukázal ˇzádn´ y model, je nutné zatrhnout moˇznost flip, která otáˇc´ı smˇer zrcadlen´ı. Symmetry má dalˇs´ı nastaven´ı Slice along mirror“ slouˇz´ıc´ı ke spojen´ı obrazu s pˇredlohou do jediného slitého“ ” ” celku. Pokud povol´ıme slév´ an´ı vrchol˚ u na vˇetˇs´ı vzdálenost Weld seem“ pomoc´ı Treshold“ ” ” m˚ uˇzeme nastavit, do jaké vzd´ alenosti se maj´ı vrcholy jeˇstˇe slévat“ (viz obrázek 3.4). ”

Obr´ azek 3.4: Model rt˚ u po aplikaci modifikátoru symmerty Pokud budete cht´ıt zase pracovat v edit poly, mus´ıte se tam v zásobn´ıku modifikátor˚ u pˇrepnout. To vˇsak zp˚ usob´ı, ˇze jiˇz neuvid´ıte, co provád´ı modifikátory nad vámi právˇe ovládan´ ym modifik´ atorem. Tady v tomto pˇr´ıpadˇe nevid´ıme symetrii modelu. Pro zobrazen´ı tˇechto modifikac´ı slouˇz´ı moˇznost ”Show end result on / off toggle”Nyn´ı symetrii vid´ıme, a pokud udˇeláme zmˇenu na naˇs´ı (tady levé) stranˇe modelu, dojde automaticky ke zmˇenˇe i na zrcadlené ˇc´ asti. Pokud nebudeme cht´ıt plnˇe symetrick´ y obliˇcej, je nutné model pˇrevést znovu na editable poly, tentokr´ at se vˇsak pˇrevede i ˇcást zrcadlená a stane se bˇeˇznou souˇcást´ı modelu. Tzn., ˇze m˚ uˇzete editovat obˇe ˇc´ asti bez efektu na ˇcást druhou.

3.2.3

Vyhlazov´ an´ı pomoc´ı funkc´ı Smooth

U svého modelu jsem pouˇzil turbosmooth, hlavnˇe proto, abych mohl vidˇet, jak v´ ysledn´ y model bude vypadat (viz obr´ azek 3.5). Turbosmooth si vybereme z nab´ıdky modifikátor˚ u a pˇridáme ho do naˇseho z´ asobn´ıku. Nastaven´ım poˇctu iterac´ı v modifikátoru na 2. Dejte si pozor, pˇri zvolen´ı vysokého poˇctu iterac´ı m˚ uˇze doj´ıt k zamrznut´ı programu v d˚ usledku dlouh´ ych a velk´ ych v´ ypoˇct˚ u.

Obr´ azek 3.5: Na model aplikován modifikátor turbosmooth


3.2.4

29

Modelov´ an´ı oˇ cnicov´ ych oblouk˚ u

Pokud jsme u ´spˇeˇsnˇe zvl´ adli rty, m˚ uˇzeme pˇrej´ıt k oˇc´ım. Aby pusa i oˇci z˚ ustaly stále jedn´ım objektem, nevytv´ aˇrel jsem nov´ y objekt Plane, ale v reˇzimu Polygon jsem si zkop´ıroval jeden z polygon˚ u rt˚ u nˇekam pobl´ıˇz oka. Kopii jsem provedl jako Clone to Element. T´ım mi vznikl samostatn´ y polygon, kter´ y jsem podobnˇe jako v pˇr´ıpadˇe rt˚ u upravil tak, aby sedˇel na fotografii. Poté co jsem udˇelal z´ akladn´ı kruh kolem oka, bylo potˇreba propojit dva k sobˇe hranami vedouc´ı polygony (viz obr´ azek 3.6).

Obr´ azek 3.6: Model oˇcnicov´ ych oblouk˚ u Tyto hrany jsem spojil pomoc´ı funkce Target Weld, pˇr´ıpadnˇe pokud jsem potˇreboval mezi hrany proloˇzit jeˇstˇe dalˇs´ı polygon, tak pomoc´ı Bridge. Pak znovu kop´ırován´ım hran, at’ uˇz pomoc´ı pˇresouv´ an´ı nebo ˇsk´ alován´ım, jsem vytvoˇril oˇcn´ı d˚ ulek.

3.2.5

Model nosu

Podobnˇe jsem postupoval u nosu. Snaˇzil jsem se, aby model byl tvoˇren jen a v´ yhradnˇe polygony tvoˇrené ˇctyˇrmi hranami a ˇctyˇrmi vrcholy. To vˇsak nebylo vˇzdy tak jednoduché. Pokud mi nˇekdy pˇri spojov´ an´ı vznikaly troj´ uheln´ıky m´ısto polygon˚ u, pouˇz´ıval jsem funkci Cut (sekat/rozdˇelit) na rozdˇelen´ı a poté jsem hrany spojoval tak aby vyhovovaly m´ ym pˇredstav´ am. Nosn´ı d´ırky jsem vytvoˇril v´ ybˇerem border edges a funkce Extrude s hodnotami Extrudion weight: -2 a Extrusion base width: 0. V tvorbˇe ˇcást´ı ˇcela brady a zbytku hlavy postupujeme obdobnˇe (viz obr´ azek 3.7).

3.2.6

Tvorba ucha

Práce na realistickém uchu byla dosti zdlouhavá. Zaˇcal jsem tak, ˇze jsem mˇel ucho rovnou pˇripojeno k hlavˇe, coˇz se pozdˇeji neukázalo jako nejlepˇs´ı nápad. Problém byl hlavnˇe v poˇctu polygon˚ u, které jsem nechal v otvoru pro ucho. Jelikoˇz mi pˇri vytváˇren´ı ucha vzniklo mnohem v´ıce polygon˚ u, neˇz jsem byl schopen napojit. Tento problém jsem musel ˇreˇsit zdlouhavou prac´ı s topologi´ı. Pouˇz´ıval jsem hlavnˇe dˇelen´ı polygonu, sluˇcován´ı a rozdˇelován´ı prvk˚ u, propojov´ an´ı pomoc´ı polygon˚ u, vkládán´ı nov´ ych vrchol˚ u ˇci hran. Protoˇze jsem model chtˇel vytvoˇrit bez pouˇzit´ı troj´ uheln´ıkov´ ych polygon˚ u, musel jsem ˇcasto dˇelit polygony na hlavˇe, tak aby vznikly nové pro pˇripojen´ı ucha. Rozdˇelit vˇsak jeden polynom nestaˇc´ı. Vznikaj´ı t´ım

30


Obr´ azek 3.7: Model nosu, a celé hlavy polynomy s v´ıce neˇz ˇctyˇrmi vrcholy a z toho d˚ uvodu docház´ı k ˇretˇezen´ı ˇspatného poˇctu vrchol˚ u aˇz k nˇekterému z okraj˚ u modelu. T´ım se mi z prozat´ım ne pˇr´ıliˇs sloˇzitého (low-poly) modelu zaˇcal st´ avat model sloˇzit´ ym. Tento problém jsem neˇreˇsil pouze u uˇs´ı, ale i u dalˇs´ıch detailnˇejˇs´ıch prvk˚ u modelu (viz obr´ azek 3.8). Hlavn´ı problém, kter´ y vznikal pˇri zesloˇzitˇen´ı modelu, byl, analogicky, pˇrib´ yván´ı polygon˚ u. V tom pˇr´ıpadˇe pokud jsem potˇreboval upravit jen nepatrnou ˇcást modelu, musel jsem manipulovat ne´ umˇern´ ym mnoˇzstv´ım vrchol˚ u.

Obr´ azek 3.8: Postup modelován´ı ucha


3.2.7

31

Tvorba oˇ c´ı

Pro vytvoˇren´ı oˇc´ı jsem pouˇzil grafického primitivu Sphere (koule). Velikostnˇe jsem kouli pˇribliˇznˇe pˇrizp˚ usobil oˇcn´ım d˚ ulk˚ um mého modelu. V parametru poˇcet segment˚ u jsem zvolil 20, bude pˇredstavovat bˇelmo oka. Kouli zkop´ırujeme jako Copy, u této koule jsem nastavil poˇcet segment˚ u na 40, ta bude pˇredstavovat duhovku, tuto kouli si prozat´ım schov´ ame (pomoc´ı funkce hide selected). Do zásobn´ık˚ u modifikátor˚ u u prvn´ı koule (bˇelmo) jsem vloˇzil edit mesh, abych mohl manipulovat vrcholy. Odstranil jsem pˇredn´ı vrchol, tak, aby se v kouli udˇelala kruhov´ a d´ıra (viz obr´ azek 3.9).

Obrázek 3.9: Pˇr´ıprava koule oka Bˇelmo skryji a zobraz´ım si druhou kouli. Na tu také aplikuji modifikátor edit mesh. Zde smaˇzu vˇsechny vrcholy kromˇe 3 u ´rovn´ı segment˚ u od pˇredn´ıho vrcholu. Vznikne mi tak mal´ y tal´ıˇrek. D´ ale jsem posunul prostˇredn´ı kruh vrchol˚ u smˇerem do stˇredu oka, tak aby vznikl ˇ cku jsem vytvoˇril kopi´ı duhovky jako Copy a konkávn´ı tvar duhovky (viz obr´ azek 3.10). Coˇ nastavil j´ı ˇcernou barvu. Pak jsem odstranil okrajové vrcholy.

Obr´ azek 3.10: Vytvoˇren´ı duhovky protaˇzen´ım vrchol˚ u dovnitˇr oka


32

U duhovky smaˇzeme stejnou ˇc´ ast vrchol˚ u, jaká tvoˇr´ı ˇcoˇcku. Posledn´ı ˇcást´ı oka je rohovka, kterou vytvoˇr´ıme z dalˇs´ı menˇs´ı koule a um´ıst´ıme ji tak, aby odpov´ıdala realitˇe. Pro realisticé zobrazen´ı oka mus´ıme nastavit jeho materiály a textury. Pˇredevˇs´ım u rohovky, která je témˇeˇr pr˚ uhledná.

Obr´ azek 3.11: V´ ysledn´ y model oka

3.2.8

Tvorba zub˚ u a d´ asn´ı

K vymodelován´ı zub˚ u a d´ asn´ı jsem pouˇzil primitivn´ı objekt tube (roura) s nastaven´ımi parametr˚ u na High Segment: 1 (poˇcet segment˚ u na v´ yˇsku) Cap segment: 1 (poˇcet obvodov´ ych segment˚ u) Sides: 16 (poˇcet segment˚ u na ˇs´ıˇrku). 16 stran je proto, ˇze ˇclovˇek má v u ´stech 32 zub˚ u, protoˇze nejprve vytvoˇr´ım horn´ı polovinu u ´st. Tzn., ˇze kaˇzd´ y segment mi ted’ tvoˇr´ı zub. Pomoc´ı nastaven´ı Parametry slice to a slice from slouˇz´ı oˇr´ıznut´ı objektu trubky na polovinu tak, ˇze zadn´ı ˇc´ ast ˇcelisti je shodn´ a s osou x. Samotnou velikost jsem si pˇrizp˚ usobil potˇrebám. Primitivn´ı objekt jsem zkonvertoval do Editable poly a odstranil jsem pravou polovinu z d˚ uvodu pouˇzit´ı modifik´ atoru symmetry. Model je tedy zkonvertov´ an do editace poly, tzn., ˇze jsem mohl v reˇzimu vrchol˚ u upravit jednotlivé segmenty tak, aby odpov´ıdaly skuteˇcn´ ym proporc´ım lidsk´ ych zub˚ u, samozˇrejmˇe nejprve jen pˇribliˇznˇe. Dalˇs´ıch detail˚ u jsem doc´ılil funkcemi extruze (vytaˇzen´ı) a následn´ ym bevel (zkosen´ı). Poté jsem rozdˇelil kaˇzd´ y ze zub˚ u na polovinu (oznaˇcen´ı horn´ıch a doln´ıch hran spolu s funkc´ı Conner). N´ asledn´ ymi pˇresuny vrchol˚ u a pˇridáván´ı dalˇs´ıch polygon˚ u dˇelen´ım tˇech stávaj´ıc´ıch jsem tvary pˇribliˇzoval v´ıce a v´ıce skuteˇcn´ ym lidsk´ ym zub˚ um. Jakmile jsem byl spokojen´ y se z´ akladn´ım tvarem, aplikoval jsem nejprve modifikátor symmetry a pak meshsmooth modifik´ ator. Abych vytvoˇril i spodn´ı ˇradu zub˚ u, pouze jsem zkop´ıroval jiˇz vytvoˇren´ y chrup jako Copy a transformac´ı rotace otoˇcil o 180 stupˇ n˚ u.


3.2.9

33

Tvorba vlas˚ u

Ke tvorbˇe vlas˚ u jsem nepouˇzil ˇz´ adn´ y speciáln´ı plugin. Vlasy jsem modeloval jen s pomoc´ı geometrie a texturov´ an´ı. Vytvoˇril jsem si Quad Patch tvoˇren´ y plochou 1x4. Na tuto plochu jsem aplikoval modifik´ ator Edit Patch. V nastaven´ı parametr˚ u Surface si nastav´ıme hodnotu View Steps a Render Steps na 10 a kv˚ uli lepˇs´ı pˇrehlednosti vypneme Show Interior Edges. Vybereme si sub-object Patch (v´ ybˇer ploch), vyznaˇc´ıme vˇsechny 4 d´ıly (polygony) a funkc´ı Extrude vyt´ ahneme polygony ˇctyˇrikrát nahoru. Vytvoˇrili jsme si tak kvádr, kter´ y pˇredstavuje prameny vlas˚ u. V´ yhodou quad patche je, ˇze kaˇzd´ y bod na jeho mˇr´ıˇzce má deformaˇcn´ı p´ aky, které se vyuˇzij´ı pˇri modelovan´ı u ´ˇcesu. 3.2.9.1

Texturov´ an´ı vlas˚ u

Nejjednoduˇsˇs´ı zp˚ usob, jak takto vytvoˇrené vlasy texturovat, je definovat texturu jiˇz na tomto jednoduchém kv´ adru. Pozdˇeji by bylo mnohem tˇeˇzˇs´ı mapovat texturu na nepravideln´ y tvar vlas˚ u. Vytvoˇr´ıme si tedy materi´ al, kter´ ym budeme na vlasy mapovat. Otevˇreme si Material Editor, vybereme si pole s materi´ alem a zmˇen´ıme jeho typ ze Standard na Blend (viz obr´ azek 3.12).

Obr´ azek 3.12: Nastaven´ı materiálu pro vlasy Prvn´ı materi´ al (invisible) vytvoˇr´ıme jako pr˚ uhledn´ y, nastav´ıme mu tedy hodnotu Opacity (nepr˚ uhlednost) na 0. Druh´ y materiál (hair) v oddˇelen´ı Maps pˇridáme do kolonky Diffuse Color textury vlas˚ u. Tuto texturu potom zkop´ırujeme (jako Instance) také do kolonek pro Specular Level a Bump. Nastav´ıme oboustranné prom´ıtán´ı textury, v ˇcásti Basic Shader Parameters zatrhneme moˇznost 2-Sided. Pro materiál Mask vloˇz´ıme texturu pro pr˚ uhlednost a nastav´ıme jej´ı hodnotu Map Channel: 2, hodnota U Tile: 2. Naˇsemu objektu pˇrid´ ame modifik´ ator UVW Map s Box mapován´ım (kubická projekce) a hodnotou Map Channel: 1, a hodnotou U Tile: 2. Pˇrid´ ame dalˇs´ı modifikátor UVW Map s Cylindrical (válcov´ ym) mapov´ an´ım, hodnotou Map Channel: 2, a hodnotou U Tile: 2. 3.2.9.2

Modelov´ an´ı vlas˚ u

Ted’ se pokus´ıme z tohoto ”pramenu vlas˚ u”(viz obrázek 3.13) vymodelovat cel´ y zbytek vlas˚ u. Pˇridáme jeˇstˇe jeden modifik´ ator Edit Patch. Je d˚ uleˇzité, aby byl v hierarchii modifikátor˚ u

34


Obr´ azek 3.13: Poˇcáteˇcn´ı pramen vlas˚ u u ´plnˇe nahoˇre (nad modifik´ atory UVW Mappingu), ˇc´ımˇz dosáhneme, ˇze deformac´ı povrchu se bude deformovat i textura. Toto n´ am zabezpeˇc´ı, ˇze po vytvarován´ı u ´ˇcesu budou vlasy správnˇe namapované. Vybereme si sub-object vertex (v´ ybˇer vrchol˚ u), oznaˇc´ıme si vˇsechny vrcholy, kliknut´ım na pravé tlaˇc´ıtko zobraz´ıme menu a pˇriˇrad´ıme jim vlastnost Corner, coˇz nám umoˇzn´ı pohybovat kaˇzdou deformaˇcn´ı p´ akou samostatnˇe a t´ım si ulehˇc´ıme modelovan´ı. V pohledu front si nastav´ıme a vytvarujeme vlasy tak, aby lemovaly obrys hlavy. V pohledu top si nastav´ıme a vytvarujeme vlasy podobnˇe jako v pohledu front (viz obrázek 3.14). Pomoc´ı deformaˇcn´ıch p´ ak vytvarujeme pˇredn´ı stranu vlas˚ u do oblouku. Dále jsem pomoc´ı deformaˇcn´ıch p´ ak a korekc´ı polohy jednotliv´ ych bod˚ u dotváˇrel model tak, abych dosáhl poˇzadovaného u ´ˇcesu (viz obr´ azek 3.15). Objekt si zkonvertujeme na Editable Patch, ˇc´ımˇz se nám vymaˇzou vˇsechny modifikátory, které jsme na objekt pouˇzili, ale jejich u ´ˇcinek na objekt z˚ ustane nezmˇenˇen´ y. Abych dosáhl vlas˚ u zvlnˇen´ ych, pˇridal jsem jeˇstˇe modifikátor Noise (ˇsum) s hodnotami Scale: 20.0, Strenght X: 5.0, Y: 5.0, Z: 0.0). Je d˚ uleˇzité modifikátor noise aplikovat na cel´ y model, tzn., ˇze mus´ıme m´ıt objekt cel´ y oznaˇcen´ y a pak teprve m˚ uˇzeme aplikovat noise. Pˇridáme modifikátor symmetry s moˇznost´ı slév´ an´ı. Nastav´ıme si polohu zrcadla tak, aby doˇslo ke správnému spojen´ı vlas˚ u. Modifik´ ator symmetry mus´ı b´ yt v zásobn´ıku aˇz za modifikátorem noise.


35

Obr´ azek 3.14: Poˇcáteˇcn´ı um´ıstˇen´ı vlas˚ u

Obr´ azek 3.15: Posun vrchol˚ u a deformaˇcn´ıch pák do poˇzadovaného tvaru u ´ˇcesu

3.2.10

Celkov´ eu ´ pravy modelu

T´ım ale nen´ı model zcela hotov. Z˚ ustává na nˇem mnoˇzstv´ı artefakt˚ u, které ruˇs´ı celkov´ y dojem. Model jsem upravoval funkcemi Relax, jak celkovˇe, tak segmentovˇe. Z´ uˇzeni nosu a kulatost tv´ aˇr´ı jsem dotv´ aˇrel funkcemi push a pop. Oˇcn´ı d˚ ulky jsem upravoval tak, aby vyhovovaly oˇc´ım, tedy tak, aby oˇci do d˚ ulk˚ u zapadaly.


36

3.3

Export z 3ds Maxu do Blenderu

Jakmile jsem byl s modelem spokojen´ y, bylo potˇreba nanést na nˇej texturu. Musel jsem pˇrevést model z programu 3ds Maxu do Blenderu. Poprvé jsem hotov´ y model, zat´ım jeˇstˇe se vˇsemi modifik´ atory (pˇredevˇs´ım symmetry a turbosmooth), zkonvertoval cel´ y do editable mesh. Vznikl mi tak jeden komplexn´ı model. Po rozmluvˇe se zadávaj´ıc´ım jsem se rozhodl, ˇze funkce turbosmooth sice generuje velice hezky zaoblen´ y objekt, avˇsak pro aplikaci TalkingHead bˇeˇz´ıc´ı v re´ alném ˇcase je poˇcet polygon˚ u ne´ unosn´ y. Samotn´ y model bez pouˇzitého smoothován´ı vytvoˇren´ y jako editable poly má poˇcet vrchol˚ u: 2169, jako editable mesh: 2169. Napodruhé jsem tedy nejprve z modelu odstranil turbosmooth a zkonvertoval model do formy editable mesh a pouˇzil modifik´ ator meshsmooth, kter´ y dával dobré v´ ysledky jak na sloˇzitost, tak na preciznost. Parametr meshsmooth jsem nastavil na iteraci 1. Model byl ted’ tvoˇren 8558 vrcholy. Tento model jsem z programu 3ds Max vyexportoval do formátu souboru *.OBJ (wavefront), pomoc´ı jiˇz naimplementovaného exportéru. V´ ysledn´ y *.OBJ soubor jsem zase opaˇcnˇe na stranˇe Blenderu importoval. Po importu jsem vˇsak zjistil, ˇze sloˇzitost modelu (poˇcet polygon˚ u) je pro manipulaci nevhodn´ y. Model byl sloˇzit´ y, z d˚ uvodu ponechaného modifik´ atoru meshsmooth. Na potˇret´ı jsem tedy z modelu odebral meshsmooth a zkonvertoval do editable mesh a poté vyexportoval do formátu *.OBJ.

3.3.1

Nastaven´ı exportu z 3ds Maxu

Potˇrebuji exportovat do Quads (chci, aby v´ ysledn´ y objekt byl reprezentován polygony). Zaznamenat Normals (norm´ aly slouˇz´ı k urˇcen´ı odrazivosti svˇetla). Nastavit Scale: 1.0 (protoˇze nechci mˇenit velikost). Materi´ al nenastavuji, protoˇze exportuji samotn´ y objekt, zat´ım bez jakéhokoliv materi´ alu, barvy ˇci textur, tak nenastavuji (nechci exportovat materiály). Protoˇze pracuji na platformˇe Windows 7. Target zvol´ım PC/Win.

3.3.2

Nastaven´ı importu do Blenderu

Ponechal jsem nastaven´ı Lines as Edges, nastaven´ı Keep Vert Order a Clamp scale defaultn´ı hodnota (10.0).

3.4

Texturov´ an´ı Blender

Samotné texturov´ an´ı jsem prov´ adˇel v programu Blender 2.49c.

3.4.1

Unwrap

Pomoc´ı Blender importéru na *.obj form´ at jsem si soubor exportovan´ y z 3ds Maxu naimportoval do model´ aˇre. Pr´ ace v Blenderu je ponˇekud odliˇsná neˇz v 3ds Maxu, hlavnˇe v pˇr´ıpadˇe ovládán´ı. Importovan´ y model jsem v editaˇcn´ım módu pˇripravil pro unwraping. Na modelu jsem vybral vrcholy, které maj´ı pˇredstavovat ˇsev modelu pro unwrap. Pak jsem provedl samotn´ y unwrap (v edit m´ odu mus´ım m´ıt oznaˇcené vˇsechny vrcholy a to pokaˇzdé i kdyˇz provád´ım projekci z pohledu), ˇc´ımˇz mi vznikla s´ıt’ UV souˇradnic. Souˇradnice jsem pˇrizp˚ usobil velikostnˇe tak, aby zab´ırala co nejvˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı z moˇzné plochy. Tuto UV texturu jsem si nazval colormap.

´ Í BLENDER 3.4. TEXTUROVAN

3.4.2

37

Projekce zepˇ redu

Vytvoˇril jsem si novou UV texturu a nazval ji front. K tˇemto souˇradnic´ım jsem si otevˇrel obrázek (mnou poˇr´ızenou fotografii zepˇredu). Dále jsem si nastavil pohled na model jako front (pˇredn´ı) a provedl jsem Projection from view, vytvoˇril jsem si t´ım souˇradnicovou s´ıt UV takovou, jako bych se na model d´ıval zepˇredu. Pro lepˇs´ı orientaci v s´ıti jsem na modelu zruˇsil v´ ybˇer vˇsech vrchol˚ u, které jsou zakryté. Pak jsem manipuloval s´ıt´ı tak, aby sedˇela na fotografii. Pomoc´ı klasick´ ych transformac´ı translate,scale,rotate. Ostatn´ı nepˇresnosti jsem doladil pˇresunem samostatn´ ych vrchol˚ u s´ıtˇe nebo pomoc´ı nástroje Proportional editting (proporcion´ alni editace).

3.4.3

Projekce ze strany

Dále jsem vytvoˇril dalˇs´ı UV Texturu a nazval ji side. K tˇemto souˇradnic´ım jsem si otevˇrel obrázek (mnou poˇr´ızenou fotografii ze strany). Dále jsem si nastavil pohled na model jako side (ze strany) a znovu provedl Projection from view. Tentokrát jsem vytvoˇril souˇradnicovou s´ıt UV takovou, jako bych se na model d´ıval ze strany. Podobnˇe jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe jsem manipuloval s´ıt´ı tak, aby sedˇela i na druhé fotografii.

3.4.4

Texture Paint

Kdyˇz jsem vˇsechny souˇradnice preciznˇe namanipuloval na fotografie, pˇrepnul jsem se do módu Texture Paint. Jako aktivn´ı texturu (pomoc´ı tlaˇc´ıtka Set aktive UV texture) jsem zvolil texturu pojmenovanou colormap. Pro tuto texturu jsem si vytvoˇril nov´ y obraz o velikosti 2048x2048 s n´ azvem ColorMap. Do tohoto obrazu se bude kreslit skuteˇcná textura pro model. Nyn´ı zvol´ım, z jaké textury chci na model klonovat obraz (tedy do právˇe vytvoˇreného obrazu ColorMap). Pomoc´ı tlaˇc´ıtka Set the layer used for texturepaint clonning“ nejprve vyberu ” texturu pojmenovanou front. V nastaven´ı Paint zvol´ım moˇznost Clone a Clone Layer, taky zde m˚ uˇzu upravovat nastaven´ı kresl´ıtka/klonovac´ı tuˇzky. Pak jsem jednoduˇse zaˇcal kreslit na model jako tuˇzkou. Na model se klonovala textura (fotografie) front pˇresnˇe tak jak jsem ji nastavil v UV souˇradnic´ıch. A samozˇrejmˇe se také klonovaná textura nanáˇs´ı na náˇs obraz ColorMap tak jak byly nastaveny UV souˇradnice v UV texture colormap. Po vykreslen´ı celé pˇredn´ı ˇc´ asti obliˇceje, nastav´ıme jako dalˇs´ı texturu, ze které budeme klonovat, texturu nazvanou side. A zase zaˇcnu malovat na model hlavy. Tentokrát nemaluji jiˇz na pouze ˇcernou hlavu (pr´ azdnou bez textury), uˇz zde mám nanesenou (naklonovanou) texturu z pˇredchoz´ıho pohledu front, takˇze pouze dokresl´ım ˇcásti, které v pohledu front nebyly viditelné. Jelikoˇz se mi plnˇe neseˇsla barva k˚ uˇze (pravdˇepodobnˇe vlivem osvˇetlen´ı), pouˇz´ıval jsem na tyto pas´ aˇze moˇznost m´ıchat obˇe textury nastaven´ım opacity (pr˚ uhlednost´ı). T´ımto jsem si otexturoval cel´ y model hlavy a vytvoˇril jsem si taky obraz (vlastn´ı texturu) ColorMap, kterou budu moci pouˇz´ıt jako texturu pro model. Tuto texturu jsem uloˇzil ColorMap.tga.

3.4.5

Celkov´ eu ´ pravy

Jelikoˇz se mnˇe i pˇri opravdu peˇclivém nastavován´ı UV souˇradnic objevovaly na textuˇre artefakty (pˇredevˇs´ım pak kolem uˇs´ı) pouˇzil jsem jeˇstˇe jednu Projekci angle (z u ´hlu).


38

3.4.6

Nastaven´ı exportu z Blenderu

Potˇreboval jsem znovu dostat model do 3ds Maxu a znovu jsem tedy pouˇzil formát *.obj. Pˇri tomto exportu bylo d˚ uleˇzité vyexportovat také UV souˇradnice proto, aby po pˇriˇrazen´ı textury se tato textura (ColorMap) spr´ avnˇe namapovala na model. Pokud mám ve scénˇe v´ıce objekt˚ u a chci exportovat pouze hlavu, staˇc´ı ji m´ıt oznaˇcenou pouˇz´ıt nastaven´ı Selection only. V Output Options jsem zatrhnul moˇznost Copy Images. Exportoval jsem Edges, Material a UVs. Ponechal jsem nastaven´ı Keep Vert Order.

3.4.7

Nastaven´ı importu do 3ds Maxu

D˚ uleˇzité zase importovat Texturovac´ı koordináty.

3.5

Animace

Mˇel jsem tedy hlavu otexturovanou a pˇripraveny vˇsechny ostatn´ı ˇcásti hlavy (vlasy, zuby, oˇci). Jeˇstˇe bylo potˇreba na hlavu aplikovat modifikátor meshsmooth s iterac´ı 1, pˇresnˇe tak jak jsem si stanovil na zaˇc´ atku. T´ım byl pˇripraven i model hlavy. Od zadávaj´ıc´ıho mi byla poskytnuta exportovac´ı knihovna programu 3ds Maxu do mesh binary format (*.MSH). A také pˇredchoz´ı model hlavy. S pomoc´ı pˇredchoz´ıho modelu jsem si vlastn´ı modely pˇripravil do exportovatelné formy.

3.5.1

Pˇ r´ıprava pro TalkingHead v 3ds Maxu

Program TalkingHead naˇc´ıt´ a modely ve formátu mesh binary format (*.MSH). V programu 3ds Max se export pˇriprav´ı pomoc´ı Biped kostry. Objekt˚ u se mus´ı nastavit hierarchie, která je vyˇzadována programem TalkingHead. Do hierarchie kostry se dosad´ı objekty tak, aby odpov´ıdaly potˇrebˇe. Spr´ avnou hierarchii objekt˚ u jsem nastavoval pˇres Grafph Editors, kde jsem si vytvoˇril nov´ y Schematic view. Pouˇzit´ım nástroje connect jsem vytvoˇril poˇzadovanou hierarchii (viz obr´ azek 3.16). Pak jsem namanipuloval objekty tak aby sedˇely na biped kostˇre (move, scale, rotate). Aby se hlava sv´ azala s kostrou, musel jsem na model hlavy pouˇz´ıt modifikátor Physique (fyziologie). Tento modifik´ ator jsem sv´ azal s kostrou. Po aplikaci fyziologie pak kaˇzdá manipulace s hlavou deformuje model. Pak jsem vybral vˇsechny modely, které tvoˇr´ı hlavu a pomoc´ı jiˇz zm´ınˇeného exportéru, vyexportoval model jako mesh binary format.

3.5.2

Testov´ an´ı modelu v toolkitu ECAF Talking Head

Nejprve jsem na modelu urˇcil, které ˇc´ asti tvoˇr´ı oˇci a bradu. V´ ybˇer jsem provádˇel oznaˇcován´ım vrchol˚ u modelu. Po pˇredbˇeˇzném vybr´ an´ı vrchol˚ u, jsem si zadané body uloˇzil a znovu do programu naˇcetl. Pak jsem jiˇz mohl vyzkouˇset, jak se hlava chová pˇri r˚ uzn´ ych animac´ıch. Body jsem nezvolil pr´ avˇe nejlépe, proto jsem smazal ze souboru nastavené body a pustil se do práce znovu. Jakmile jsem byl s nastaven´ım spokojen, dalˇs´ı vˇec´ı bylo nastavit pseudo svaly na modelu tak, aby se chovaly pˇrirozenˇe. Svaly jsem nastavoval pomoc´ı zjednoduˇsen´ ych pseudo sval˚ u. Urˇcil jsem pro kaˇzd´ y sval oblast vrchol˚ u a smˇer jejich zmˇen.

3.5. ANIMACE

39

Po nastaven´ı vˇsech sval˚ u a oblast´ı pro modifikaci hlavy jsem vˇse uloˇzil a ovˇeˇril jsem, ˇze kaˇzd´ y sval spr´ avnˇe ovlivˇ nuje ˇcásti obliˇceje. Pak jsem jen doladil vˇsechny svaly tak, aby animace vypadaly realisticky.

Obr´ azek 3.16: Nastaven´ı hierarchie modelu v programu 3ds Max

40


Kapitola 4

Z´ avˇ er V reˇserˇsn´ı ˇc´ asti bakal´ aˇrské pr´ ace jsem popsal nejzákladnˇejˇs´ı a nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı metody pˇri vytváˇren´ı 3D model˚ u. V kaˇzdé ˇcásti reˇserˇse jsem se soustˇredil na jednu konkrétn´ı oblast modelov´ an´ı. Od oblast´ı, jak vlastnˇe máme model chápat aˇz po zp˚ usoby, jak´ ymi m˚ uˇzeme takov´ yto model z´ıskat. Popsal jsem moˇznosti vytváˇren´ı model˚ u i zp˚ usoby jejich vyuˇzit´ı. Uvedl jsem se varianty texturov´ an´ı objekt˚ u a vˇenoval jsem se také popisu základn´ıch nástroj˚ u animace. V kaˇzdé této oblasti jsem uvedl, jaké jsou nejlepˇs´ı moˇznosti pro konkrétn´ı pouˇzit´ı pro modelov´ an´ı lidské postavy, respektive lidské hlavy. Jednoduch´ ym u ´vodem do anatomie jsem pouk´ azal na to, jak se lidská tváˇr chová doopravdy a na to, jak na základˇe tˇechto informac´ı vlastnˇe takov´ y model vytvoˇrit. Definoval jsem také pojem ECA toolkit a pˇredevˇs´ım jsem se soustˇredil na popis ˇc´ asti systému ECAF toolkit TalkingHead, která byla pro moji práci d˚ uleˇzit´ a. V posledn´ı ˇc´ asti reˇserˇse jsem popsal základn´ı nástroje programu 3ds Max, pˇredevˇs´ım ty, které jsem s´ am vyuˇz´ıval. V praktické ˇc´ asti pr´ ace, popisuji postup vytváˇren´ı modelu od prvn´ıho polygonu aˇz po mapov´ an´ı textur a rozpohybov´ an´ı celé hlavy. Vˇetˇsinu z uveden´ ych aspekt˚ u modelován´ı popsan´ ych v reˇserˇsi, jsem pouˇzil pˇri vlastn´ım modelován´ı. Protoˇze byl model tvoˇren pro aplikaci bˇeˇz´ıc´ı v re´ alném ˇcase, bylo potˇreba tomu pˇrizp˚ usobit topologii modelu a jeho sloˇzitost. Pro vytvoˇren´ı a mapov´ an´ı textury obliˇceje jsem vyuˇzil techniku Projection painting aplikovanou v prostˇred´ı Blender. Pro animaci ˇreˇci jsem pouˇzil rozˇsiˇruj´ıc´ı program pro TalkingHead slouˇz´ıc´ı k usnadnˇen´ı exportu. Definoval jsem si vlastn´ı oblasti pro svaly a dalˇs´ı d˚ uleˇzité ˇcásti pro správnou animaci ˇreˇci. Popsan´ y postup vytv´ aˇren´ı organického modelu nen´ı jedin´ y a vˇzdy pouˇz´ıvan´ y. V dneˇsn´ı dobˇe nach´ az´ı 3D grafika obrovské uplatnˇen´ı v nejr˚ uznˇejˇs´ıch oblastech lidské ˇcinnosti a s t´ım pˇricházej´ı dalˇs´ı nové moˇznosti zpracován´ı. Zm´ınil jsem se o digitáln´ım sculptingu a pr´ aci v programu Zbrush, moˇznostech motion capturignu spolu s 3d skenery nebo pokroˇcil´ ych metod´ ach osvˇetlov´ an´ı. Podle popsaného postupu jsem vytvoˇril model hlavy a otestoval jeho pouˇzitelnost v aplikaci TalkingHead. Pˇri pr´ aci na 3D modelu jsem vytvoˇril i nˇekolik krátk´ ych videotutorial˚ u, které jsou na DVD pˇriloˇzeném k bakaláˇrské práci. Spolu s t´ımto textem a s pˇriloˇzen´ ym modelem hlavy by tato pr´ ace mohla slouˇzit jako jednoduch´ y e-learningov´ y materiál pro zaˇcáteˇcn´ıky v modelov´ an´ı at’ uˇz lidské hlavy, nebo model˚ u jako takov´ ych.

41

42

´ ER ˇ KAPITOLA 4. ZAV

Literatura [1] Stanislav Trojan a kolektiv. Lékaˇrsk´ a fiziologie. Osveta, spol. s. r. o., Martin, 4. vyd´ an´ı edition, 2003. [2] Putz Reinhard a Pabst Reinhard. Sobot˚ uv atlas anatomie ˇclovˇeka. Grada Publishing a.s., U Pr˚ uhonu 22, Praha 7, pˇreklad 22. vydán´ı edition, 2006. [3] Inc. Autodesk. Autodesk, 2011. http://www.autodesk.cz/adsk/servlet/home?siteID=551663&id=874341, stav z 25. 5. 2011. [4] Derakhshani Darius. Maya pr˚ uvodce 3D grafikou. Grada Publishing a.s., U Pr˚ uhonu 22, Praha 7, 1. ˇceské edition, 2006. [5] Bc. Martin Duˇsek. Efektivn´ı zobrazován´ı vlas˚ u a chlup˚ u. Master’s thesis, 2008. https://dip.felk.cvut.cz/browse/pdfcache/dusekm1_2008dipl.pdf, stav 25. 5. 2011.

z

[6] Silvio Falcinel. My experiment full scene interchange 3ds max, 2010. http://blenderartists.org/forum/showthread.php? 184863-My-experiment-full-Scene-Interchange-3ds-max, stav z 25. 5. 2011. [7] Jeˇzek Frantiˇsek. Geometrické a poˇc´ıtaˇcové modelován´ı. Technical report, Západoˇcesk´ a univerzita v Plzni, Fakulta aplikovan´ ych vˇed, Katedra matematiky, 2006. http://www.fd.cvut.cz/personal/voracsar/GM/PGR021/GM_Jezek.pdf, stav z 25. 5. 2011. [8] Stephen Travis Pope Howard Durand, Andreas Engberg. A comparison of 3d modeling programs. Technical report, ATON Project / CREATE, Department of Music, University of California, Santa Barbara, USA, 2000. http://www.create.ucsb.edu/ATON/00.10/3d-tools-report.pdf, stav z 25. 5. 2011. [9] Autodesk Inc. Types of texture projection, 2011. http://softimage.wiki.softimage.com/xsidocs/ tex_basicproc_TypesofTextureProjection.htm, stav z 25. 5. 2011. ˇ ara Josef Pelikán, Jiˇr´ı Sochor. Geometrické modelován´ı. Technical [10] Petr Felkel Jiˇr´ı Z´ ˇ report, CVUT FEL, 2011. https://service.felk.cvut.cz/courses/X39ZPG/2011/lectures/12/ 12-renderViz.pdf, stav z 25. 5. 2011.

43

44

LITERATURA

[11] Jan Kˇr´ıˇz. Mistrovstv´ı v 3ds Max. COMPUTER PRESS, Holandská 3, Brno, mistrovstv´ y edition, 2011. [12] Zdenˇek Kab´ at. Modern´ı grafické technologie: Unreal engine 3. svethardware.cz, 2004. http://www.svethardware.cz/art_doc-E014A5BE5373B198C1256E97006E1F5D.html, stav z 25. 5. 2011. [13] KLEINDIENST Ladislav KUNC Ladislav. Language for Embodied Conversational Agents. Lecture Notes in Computer Science, Springer Berlin / Heidelberg, 21 edition, 2007. http://www.springerlink.com/content/a4m94g2671857621, stav z 25. 5. 2011. ˇ ÍK. Poˇc´ıtaˇcová animace. Technical report, Ka[14] LADISLAV KUNC LADISLAV CMOL ˇ tedra poˇc´ıtaˇcové grafiky a interakce CVUT FEL, 2011. http://service.felk.cvut.cz/courses/Y36MGA, stav z 25. 5. 2011. [15] Baˇrinka Luk´ aˇs. 3d grafika. Technical report, Katedra poˇc´ıtaˇcové grafiky a interakce ˇ CVUT FEL, 2009. http://service.felk.cvut.cz/courses/Y36MGA, stav z 25. 5. 2011. [16] Martin Man. Poˇc´ıtaˇcov´ a animace. Technical report, University of West Bohemia, 2004. http://herakles.zcu.cz/research/face/face.php, stav z 25. 5. 2011. [17] Reddy Martin. Object files, 1994. http://www.martinreddy.net/gfx/3d/OBJ.spec, stav z 25. 5. 2011. [18] Douglas W. Cunningham Heinrich H. Buelthoff Martin Breidt, Christian Wallraven. Facial animation based on 3d scans and motion capture. Technical report, Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen, Germany, 2009. [19] OptiTrack. Face motion capture, 2011. http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/motion-capture/ face-mocap.htm, stav z 25. 5. 2011. [20] Felkel Petr. Zobrazov´ an´ı a osvˇetlen´ı, vizualizace. Technical report, Katedra poˇc´ıtaˇcové ˇ grafiky a interakce CVUT FEL, 2011. https://service.felk.cvut.cz/courses/X39ZPG/2011/lectures/ 12/12-renderViz.pdf, stav z 25. 5. 2011. [21] Prof. MUDr. Pavel Petrovick´ y. Anatomie s topografi´ı a klinickými aplikacemi III. Svazek. Osveta, spol. s. r. o., Martin, 2002. [22] Pˇrispˇevatelé Wikipedie. Digital sculpting, 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_sculpting, stav z 25. 5. 2011. [23] Pˇrispˇevatelé Wikipedie. Shader (realtime, logical), 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/Shader_(realtime,_logical), stav z 25. 5. 2011. [24] Pˇrispˇevatelé Wikipedie. Subsurface scattering, 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/Subsurface_scattering, stav z 25. 5. 2011.

LITERATURA

45

[25] Pˇrispˇevatelé Wikipedie. Uv mapping, 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/UV_mapping, stav z 25. 5. 2011. [26] Inc. Pixologic. Pixologic, 2011. http://www.pixologic.com/home.php, stav z 25. 5. 2011. [27] Peter Ratner. 3d human modeling and animation. John Wiley and Sons, inc., Hoboken, New Jersey, second edition edition, 2003. [28] Ondˇrej Selen. La noire motion capture, 2010. http://pc.gzin.info/index.php?sekce=novinka&id=901&tag= la-noire-motion-capture-technologie-na-videu, stav z 25. 5. 2011. [29] Digital Media s.r.o. Cinema4d, 2011. http://www.cinema4d.cz, stav z 25. 5. 2011. [30] Pavel Tiˇsnovsk´ y. Zobrazen´ı objemov´ ych dat v pov-rayi. Root.cz, 2001. http://www.root.cz/clanky/zobrazeni-objemovych-dat-v-pov-rayi, 25. 5. 2011.

stav

z

[31] Pavel Tiˇsnovsk´ y. Opengl evaluátory. Root.cz, 2004. http://www.root.cz/clanky/opengl-evaluatory-i/, stav z 25. 5. 2011. [32] Bart Veldhuizen. Blender, 2011. http://www.blender.org, stav z 25. 5. 2011. ˇ [33] Bc. Petr Svestka. Vyuˇzit´ı interface agent˚ u. Master’s thesis, 2010. [34] K. Waters. A muscle model for animating three dimensional facial expressions. Computer Graphics (SIGGRAPH’87), 21 edition, 1987.

46

LITERATURA

Pˇ r´ıloha A

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek OBJ Object File MSH Mesh binary format EAC Embodied Conversational Agent EACF Embodied Conversational Agent Facade HD High Definition FPS Frame Per Second GL Global Lighting CT Computed Tomography MR Magnetic Resonation NURBS Non-Uniform Rational Basis Spline CSG Constructive Solid Geometry SSS Subsurface Scattering XML Extensible Markup Language

47

48

ˇ ÍLOHA A. SEZNAM POUZIT ˇ YCH ´ PR ZKRATEK

Pˇ r´ıloha B

Obrazov´ a pˇ r´ıloha V´ ysledn´ y render lowpolygonov´ e hlavy.

Obrázek B.1: Lowpoly hlava

49

50

ˇ ÍLOHA B. OBRAZOVA ´ PR ˇ ÍLOHA PR

Pˇ r´ıloha C

Obsah pˇ riloˇ zen´ eho DVD K bakal´ aˇrské pr´ aci je pˇriloˇzen DVD disk se zdrojov´ ymi soubory z aplikac´ı 3ds Max 2010, Blender 2.49c, TalkingHead. Na DVD je taká spustitelná aplikace TalkingHead. Souˇc´ ast´ı jsou obr´ azky z bakal´ aˇrské pr´ ace v origináln´ım rozliˇsen´ı. Dále také veˇskeré textury. Soubory pro fin´ aln´ı verzi modelu maj´ı název hlava.max, hlava.MSH. Z d˚ uvodu nepˇrirozeného odrazu svˇetla od vlas˚ u modelu, pˇrikládám dalˇs´ı model s vlasy správnˇe osvˇetlen´ ymi hlava2.max, hlava2.MSH, tyto vlasy jsem si zap˚ ujˇcil od Ing. Ladislava Kunce. DVD obsahuje n´ asleduj´ıc´ı soubory: • Tuto pr´ aci ve form´ atu pdf a docx. Spolu s obrazovou pˇr´ılohou bakaláˇrské práce. • Vyrenderov´ ané obr´ azky modelu hlavy • Vˇsechny textury pouˇzité na modelu • Zdrojové soubory modelu aplikace 3ds Max 2010 ve formátu max • Zdrojové soubory modelu aplikace Blender 2.49c ve formátu blend • Spoleˇcné soubory modelu ve formátu obj slouˇz´ıc´ı k pˇrenosu mezi aplikacemi • Zdrojové soubory pro program TalkingHead – Soubor modelu ve formátu msh – Soubory sval˚ u a tag˚ u ve formátu dat – Soubory s nastaven´ım v´ yraz˚ u ve formátu dat – Soubor odkazuj´ıc´ı na datové soubory ve formátu dsc • Jednoduché videotutori´ aly

51

52

ˇ ÍLOHA C. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN DVD

Obr´ azek C.1: Seznam pˇriloˇzeného DVD

3D model lidské hlavy. Martin Chaloupka

Recommend Documents