Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

3D Max: история и место в компьютерной графике

Министерство высшего образования Российской Федерации

Пензенский государственный университет

Контрольная работа по курсу: «Компьютерное искусство»

На тему:

«3D Max: история и место в компьютерной графике»

Выполнила: Бучина Е.В., группа № 08зиж62.

Проверила: Аксенова Л.И.

Пенза, 2011г.

Содержание:

Ведение …………………………………………………………………...3
Рассмотрение понятия «компьютерная графика» и истории ее развития…………………………………………………………………..4
Разработка и появление программы «3D Max», ее краткое описание……………………………………………………………….….8
Место программы «3D Max» в компьютерной графике………………………………….……………………………….13
Заключение………………………………………………………………16

Введение

Практически с самого момента появления компьютеров появилась и компьютерная графика. В настоящее время можно сказать, что нет ни одной области в деятельности человека, где бы она ни применялась.

Программы компьютерной графики сегодня получили очень широкое распространение во многих сферах деятельности человека. Сейчас невозможно себе представить инженера-строителя проектирующего здание или инженера-конструктора проектирующего двигатель автомобиля при помощи только ватмана карандаша и калькулятора.

Теперь на смену этим инструментам приходят новые более точные и практичные, обеспечивающие высокую скорость и надежность работы. Прейдя в кинотеатр, вы практически не увидите сейчас фильмов, в которых не использовалась бы компьютерная графика. Такие фильмы имеют более насыщенную картинку, яркие эффекты и благодаря этому нравятся публике. Кроме того, существуют фильмы, сделанные полностью в компьютерных студиях при помощи только лишь компьютерной графики и без участия актеров в процессе съемок.

Редко какая реклама, издательское дело, анимации и компьютерные игры обходятся теперь без компьютерной графики. Виртуальная реальность находит свою нишу в индустрии развлечений и видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. Практически ни одно производство не обходится без компьютерной графики. Такая отрасль как космическая, пользуется компьютерной графикой с самого её появления, особенно с приходом автоматических пилотируемых аппаратов.

На сегодняшний день существует большое количество программных пакетов созданных для работы с компьютерной графикой, отличающихся своими возможностями и уровнем необходимых знаний для работы с ними.

В данной работе мы рассмотрим появление такой программы, как «3D Max» и попробуем определить ее место в компьютерной графике.

Рассмотрение понятия «компьютерная графика» и история ее развития

Компьютерная графика — область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Компьютерная графика насчитывает в своем развитии не более десятка лет, а ее коммерческим приложениям — и того меньше. Андриес ван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги — фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики. Также в этой области известен Айвэн Сазерленд, чья докторская диссертация явилась теоретической основой машинной графики.

До недавнего времени экспериментирование по использованию возможностей интерактивной машинной графики было привилегией лишь небольшому количеству специалистов, в основном ученые и инженеры, занимающиеся вопросами автоматизации проектирования, анализа данных и математического моделирования. Теперь же исследование реальных и воображаемых миров через «призму» компьютеров стало доступно гораздо более широкому кругу людей.

Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры («Космические войны») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.

В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся:

Графический интерфейс пользователя;
Спецэффекты, Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография;
Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;
Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;
Цифровая живопись;
Визуализация научных и деловых данных;
Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);
Системы автоматизированного проектирования;
Компьютерная томография.
Компьютерная графика для кино и телевидения
Лазерная графика.

Что касается технической стороны вопроса, то здесь следует отметить, что по способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Двумерная графика (2D)

Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

- Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция).

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.
- Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается «красивым» видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

- Фрактал это объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

Трёхмерная графика (3D)

Трёхмерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы. В компьютерной графике используется три вида матриц:

матрица поворота
матрица сдвига
матрица масштабирования

Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного.

Разработка и появление программы «3D Max», ее краткое описание.

3d Max — полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трёхмерной графикой, разработанная компанией Autodesk Media & Entertainment. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32-битных, так и в 64-битных). Весной 2008 года выпущена одиннадцатая версия этого продукта под названием «3ds Max 2009».

3ds Max располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей реальных или фантастических объектов окружающего мира с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие:
- полигональное моделирование в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) - этот метод самый - распространенный метод моделирования, используется для создания сложных моделей и моделей для игр;
- моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) -в 3ds max этот метод моделирования не очень хорошо реализован, и довольно таки неудобен ;
моделирование на основе порций поверхностей Безье (Editable patch) -подходит для моделирования тел вращения;
- моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.

Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.

3ds Max располагает библиотекой следующих объектов:
Прямоугольный параллелепипед (Box)
Сфера (Sphere)
Цилиндр (Cylinder)
Тор (Torus)
Чайник (Teapot)
Конус (Cone)
Труба (Tube)
Пирамида (Pyramid)
Плоскость (Plane)
Геосфера (GeoSphere)
Список дополнительных встроенных объектов
Многогранник (Hedra)
Прямоугольный параллелепипед с фаской (ChamferBox)
Цистерна (OilTank)
Веретено (Spindle)
Многогранная призма (Gengon)
Призма (Prism)
Тороидальный узел (Torus knot)
Цилиндр с фаской (ChamferCyl)
Капсула (Capsule)
L-образное тело выдавливания (L-Ext)
C-образное тело выдавливания (C-Ext)

Каждый из них обладает набором параметров, однозначно определяющих форму трёхмерного тела. Например, объект «Труба» определяется такими основными параметрами как внутренний и наружный радиусы, высота; кроме того существует ряд параметров, позволяющих управлять точностью построения. После создания объекта каждый из параметров может быть изменён так, что это моментально отразится на внешнем виде объекта в окне редактирования. Подавляющее большинство параметров также могут быть впоследствии подвергнуты анимации. Стандартный объект «Чайник» входит в этот набор в силу исторических причин: он используется для тестов материалов и освещения в сцене, и, кроме того, давно стал своеобразным символом трёхмерной графики.

В 3ds Max реализована возможность создания нескольких основных источников частиц. Начиная с 8 версии имеется 6 основных источников частиц (не включая Particle Flow), демонстрирующих различное поведение. Традиционными источниками частиц в 3ds Max являются Spray (Брызги), Snox (Снег), Blizzard (Метель), PArray (Массив частиц), PCloud (Облако частиц) и Super Sprays (Супербрызги).

Particle Flow — это изощрённая нелинейная событийно-управляемая система частиц, разработанная Олегом Байбородиным, одна из семи систем частиц 3ds Max. Подобно большинству систем частиц, доступных в современных пакетах трёхмерной графики Particle Flow позволяет пользователю моделировать поведение частиц на основании серий предопределённых процедур (событий) средствами удобного наглядного интерфейса.

3ds Max также включает механизм расчёта физики reactor, изначально разработанный Havok. Reactor позволяет моделировать поведение твёрдых тел, мягких тел, ткани с учётом силы тяжести и других воздействий. Так же как и в других программах имитации динамики в reactor’е используются упрощённые выпуклые оболочки объектов, которые могут быть настроены на использование всех вершин объекта, ценою времени обработки.

Scanline (Сканирующая визуализация)
Исходным методом визуализации в 3DS Max является сканирующий построчный алгоритм. Некоторые расширенные возможности были добавлены в сканирующий визуализатор спустя годы, такие как расчёт всеобщего освещения, анализ излучательности и трассировка лучей
mental ray является пригодной для производственного применения высококачественной системой визуализации, разработанной компанией Mental Images. mental ray встроен в последние версии 3DS Max, это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию (подобно механизму сопровождающей визуализации, реализованному в Maya), а также технологию распределённой визуализации, позволяющую рационально разделять вычислительную нагрузку между несколькими компьютерами. Включаемая в 3ds Max версия mental ray поставляется с набором инструментария, позволяющим относительно просто создавать множество различных эффектов.
Следует упомянуть и о истории разработки программы:

1993 год - именно в этот год, компания Autodesk, предложила фирме Kinetix разработать новый продукт на базе пакета 3D Studio под MS DOS. Новый пакет, который бы работал в системе Windows, имел привлекательную графическую оболочку, а также огромное количество новых возможностей. В 1995 году, в результате огромной и кропотливой работы, свет увидел 3D Studio Max 1.0. Создатели программы предрекали, что 3D Studio Max составт достойную конкуренцию, известным в ту пору Alias Power Animator и Avid Softimage. В подтверждении своих слов, разработчики в 1998 году представили новую версию пакета. В 3D Studio Max 2.5 появились новые возможности, имитация прозрачных и зеркальных поверхностей с помощью трассировки лучей, дополнения к инструментам сеточного моделирования. И NURBS. Эта версия стала достойной заменой версии 1.0. С этого момента на программу обратили свой взор, разработчики компьютерных игр. Далее, 1999 год - выходит третий релиз пакета 3D Studio Max 3.1. В системах частиц появились новые опции для имитации природного движения, был переработан визуализатор. Появилась возможность подключать сторонние визуализаторы. Теперь можно было использовать потрясающие эффекты – светотени, непрямое освещени, так же разработчики значительно улучшили трассировку лучей. Появилась возможность создавать реалистичные изображения. Программой заинтересовались дизайнеры и архитекторы. Следующую версию Autodesk поручает разработать подразделению discreet. Отныне программа переименовывается в 3ds max. 3ds max 4.0 выходит в 2001 году. Программа подверглась множеству изменений. Discreet усовершенствовали интерфейс, добавили модуль reactor, позволяющий просчитывать анимацию твёрдых и мягких тел, задавая их свойства (вес, упругость и т. д.). В character studio стало значительно удобнее управлять большими группами существ. Наконец 3ds max заинтересовал создателей анимационных и игровых фильмов. Пятая версия вышла в свет в 2002 году. 2003 год – год шестой версии пакета. Введены нововведения для опытных пользователей. Визуализация в сети, алгоритмы имитации метажидкости стали встроены в 3ds max. 3ds max 7 выходит в 2004 году. В новом релизе были добавлены новые инструменты, в частности, для создания персонажной анимации, до версии 4, обновлен встроенный модуль character studio. Появился шейдер Skin, который использует подповерхностное рассеивание, новые модификаторы EditPoly и SkinMorph. В 3ds max 7 также включена обновленная версия интегрированного визуализатора mental ray 3.3. 3ds max 8 вышел в 2005 году. Самое главное новшество – плагин для создания волос и меха. Очертив сплайнами пряди волос можно за короткое время создать хорошую причёску. На сегодня 3ds max самый популярный пакет для 3D моделирования и анимации. Число только официальных пользователей превышает 300000.Применяется как для создания фильмов(«Люди X », «Рыба-меч», «Мумия возвращается», «Лара Крофт: Расхитительница гробниц», «Матрица:перезагрузка», «Последний самурай»), так и для игр(«Diablo 2», «Тhe Elder Scrolls 3: Morrowind», «Max Payne», «War of Warcraft», «Newerwinter nights» и многих других)

Место программы «3D Max» в компьютерной графике.

Чтобы проследить совершенствование технологий в сфере трехмерной графики, достаточно проследить хотя бы за эволюцией анимационного и художественного кино. И то, что удивляло и казалось нам непонятным еще вчера, кажется вполне простым и обыденным сегодня.

Все прекрасно понимают, что, когда на рынке есть лидер, обязательно есть и конкуренты. Также и в сфере 3D-разработок: на арене выступают три сильнейших команды: 3DS Max от компании Discreet, LightWave от NewTek и Maya от Alias/Wavefront. Каждый из них пытается захватить лидирующую роль, однако пока лучше всего это получается у 3DS Max, который уже давно доминирует в области 3D-разработок. Несмотря на это, Maya и LightWave сумели также занять свою достойную нишу, например считается, что Maya — лидер в создании высококачественных фильмов, а LightWave больше подходит для телевизионных роликов. На втором плане оказались такие программы 3D-графики, как Softimage, Bryce и Maxon Cinema4D.
3DS Max, который до недавнего времени именовался 3D Studio Max, занимает доминирующее положение в своей области, предоставляя широчайший набор инструментов для разработчиков всех уровней: от начинающих, делающих первые шаги в необъятный 3D-мир, до профессионалов высочайшего уровня, уверенно бороздящих просторы трех измерений.

Несмотря на то что 3DS Max достаточно дорогой продукт, он уже успел завоевать любовь и популярность во всем мире.
    Репутацию лучшего 3D-пакета 3D Max завоевал еще в начале 90-х годов прошлого века, когда первые версии этой программы были сделаны для MS DOS. После того как разработчики переписали код для Windows, 3D Max значительно упрочил свои позиции. Шли годы, программа продолжала расти и совершенствоваться.    Описывая основные возможности “Макса”, стоит упомянуть об удобном механизме анимации персонажей, называемом инверсной кинематикой (IK Chains), который позволяет построить логически связанные последовательности костей, суставов и составных частей механизмов. В области 3D-моделирования 3DS Max предоставляет все необходимые инструменты, в том числе Editable Poly (Редактируемый полигон), Editable Mesh (Редактируемый каркас), Editable Patch (Редактируемый лоскут), NURBS и Editable Spline (Редактируемый сплайн). Каждый объект, созданный вами, может быть изменен с помощью десятков интересных модификаторов. Melt (Расплавить), Bend (Изогнуть), Displace (Выдавить). Нажимаете пару кнопок, и объект приобретает причудливую, совсем не похожую на изначальную форму.
    Кроме того, к услугам игростроевцев различные объемные деформации (Space Wraps), такие как Bomb (Бомба), Ripple (Рябь), Wave (Волна), а также системы частиц (Снег, Спрей, Облако и много еще чего). Для анимации персонажей на основе скелета существует дополнительный модуль Character Studio, а для имитации динамики (столкновение объектов, воздействие сил) — модуль Reactor.
    Для каждого человека, занимающегося 3D-графикой, 3DS Max предлагает огромный набор возможностей. Не важно, кто вы: профессиональный текстурировщик, моделлер, аниматор или визуализатор фотореалистичных изображений — для каждого в редакторе найдется подходящий набор инструментов. 3DS Max — универсальный пакет.

Заключение
Современный мир находится в постоянном движении. Все, что было изобретено в прошедшие десятилетия, объединяется сегодня в новые мощные технологии, а то, что еще вчера было примером блестящих передовых решений, становится обыденным. Глобальные перемены коснулись и ЗD-графики. Ее возможности трудно переоценить: она вносит не только больший реализм в компьютерное искусство, кино- и видеоиндустрию, но оказывает влияние и на способы нашего общения с машиной. Несмотря на то, что компьютерное проектирование и работа с трехмерными объектами практикуются уже в течение нескольких десятилетий, только в последние два-три года, после появления мощных домашних компьютеров, стали наблюдаться серьезный прогресс я беспрецедентная динамика развития ЗD-графики.
3D Studio Max — наиболее распространенное в мире программное обеспечение для ЗD-моделирования, анимации и визуализации, включающее высокопроизводительные инструменты, необходимые для создания зрелищных кинофильмов и телевизионных заставок, современных компьютерных игр и презентационных материалов. 3D Studio Max 7.0 — это реализм, выразительность, производительность и гибкость.

Список используемой литературы:

Иванов В. П., Батраков А. С. Трехмерная компьютерная графика. М., Радио и Связь, 1995.
Келли Л. Мэрдок. Autodesk 3ds Max 2009. 3D Studio max. Библия пользователя, оригинал Autodesk 3ds Max 2009 Bible. 3D Studio max. Издательский дом «Диалектика», 2009.
Кнабе Г. А. Энциклопедия дизайнера печатной продукции. Профессиональная работа.. — К.: «Диалектика», 2005. — С. 736.
Компьютер рисует фантастические миры (ч.2) // Компьютер обретает разум / под ред. В.Л. Стефанюка. — Москва: Мир, 1990. — 240 с
Кулагин Б.Ю, Яцюк О. Г. 3ds Max в дизайне среды, 1-е издание.. — C.: «БХВ-Петербург», 2008. — С. 976.
Литвиненко М.В. Конспект лекций по курсу «Компьютерная графика»
Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. — СПб: БХВ-Петербург, 2003. — 560 с
Пореев В.Н. Компьютерная графика. Учебное пособие. СПб. BHV-Санкт-Петербург, 2002. – 432.
Рейнбоу В. Компьютерная графика. Энциклопедия. – СПб: Издательский дом "Питер", 2003. – 768 с
Сергеев Александр Петрович, Кущенко Сергей Владимирович Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. — М.: «Диалектика», 2006. — С. 544
Шаммс Мортье, Autodesk 3ds Max 9 для «чайников». 3d Studio Max 9: Пер. с англ. — М. : Издательский дом «Диалектика», 2007. — 384 с
Швембергер С., Щербаков И., Горончаровский В. 3ds Max: художественное моделирование и специальные эффекты. — C.: «БХВ-Петербург», 2006. — С. 320.
Эдвард Энджел Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2001. — С. 592

3D Max: история и место в компьютерной графике 📙 Контрольная → 🆔 59