Моделирование и 3D-анимация в Autodesk Maya
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский
государственный технический
имени Н.Э. Баумана»
Калужский филиал
кафедра
«Системы
автоматизированного
Пояснительная записка
к курсовой научно-исследовательской работе
на тему:
«Моделирование и 3D-анимация
в Autodesk Maya»
Выполнил студент группы САПР-91
Чекарев М.Н.
Руководитель работы
Максимова Е.А.
Калуга, 2011.
Оглавление
Введение 3
1. Исследовательская часть 4
1.1 Постановка задачи 4
1.2 Описание продукта 4
1.2.1 3D Моделирование 5
1.2.2 Анимация 8
1.2.3 Динамика и эффекты 10
1.2.4 3D рендеринг и обработка изображений 13
1.2.5 Скрипты и API-интерфейс 16
1.2.6 Интеграция 2D и 3D 17
2. Конструкторская часть 18
2.1 Работа с объектами 18
2.2 Работа с материалами 19
2.3 Инструменты управления анимацией 21
2.4 Деформация 22
3. Технологическая часть 22
3.1 Запуск приложения 23
3.2 Интерфейс программы 23
3.3 Системные требования 24
Заключение 26
Список литературы 27
Введение
Современный информационный мир сложно представить без компьютерной графики. Её популярность и сфера применения растут с каждый днём. Увеличивается и сложность решаемых задач. Это заставляет разработчиков программного обеспечения модифицировать существующие, а также разрабатывать новые решения в данной области.
Особенно популярна сфера 3D-моделирования и 3D-анимации. Достаточно сказать, что они находят применение в таких динамично развивающихся направлениях, как кино- и игроиндустрия.
Спектр программных продуктов, предлагаемых широкому пользователю разработчиками, достаточно велик. Наиболее известны в настоящее время программные решения от компании Autodesk: 3D Studio Max и Maya.
Исследовательская часть
1.1 Постановка задачи
Знакомство
с программным продуктом
1.2 Описание продукта
Autodesk Maya – профессиональное программное обеспечение для создания высокореалистичной компьютерной графики. Профессионалы всего мира используют возможности этого пакета в таких областях, как создание спецэффектов в кино и на телевидении, разработка компьютерных игр, графический дизайн.
Autodesk Maya на протяжении уже 20 лет является лидером в области ПО для создания компьютерной графики в кино- и игроиндустрии.
Колоссальные возможности
3D Моделирование
Моделирование сетей с помощью полигонов и сабдив-поверхностей
Autodesk Maya предоставляет хорошо зарекомендовавший себя набор интуитивных средств создания и редактирования полигональных сетей, среди которых: Bridge (создать полигон между двумя гранями), Poke (проткнуть), Cut (вырезать), Wedge (клин), Bevel (скос), Extrude (выдавливание), Chamfer vertex (фаска в вершине), Extrude along a curve (выдавливание по кривой), Mirror Cut (вырезать симметрично), Edge Loop (последовательность ребер), Edge Ring (кольцо из ребер), Slide Edge (cкользящее ребро) и Pick-Walk (фиксация движения).
Мягкий выбор, предварительное выделение выбранных элементов и отбор элементов, выделенных с помощью камеры.
Инструменты для упрощения полигонов, корректировки данных, формирования информационных блоков и задания уровня детализации для оптимизации сцен.
Возможность переноса данных текстур UV, цветовых кодировок и положения вершин между сетями различной топологии.
Моделирование поверхностей
Maya предлагает два метода создания математически гладких поверхностей, форму которых можно менять с помощью относительно небольшого количества контрольных вершин: NURBS и иерархические сабдив-поверхности.
В разных областях сабдив-поверхности могут иметь различную степень детализации, благодаря чему усложнять элемент можно только там, где это необходимо.
Присоединение, отсоединение, выравнивание, сшивание, удлинение, сопряжение и перестроение поверхностей NURBS осуществляются с высокой степенью контроля над их параметризацией и целостностью. Можно преобразовывать NURBS и сабдив-поверхности в полигональные сети или выполнять обратное преобразование.
Имеются также такие точные инструменты построения кривых и поверхностей на основе сплайнов, как построение по сечениям, по двойным направляющим, скашивание кромок, выдавливание, обрезка, задание границ, смещение, булевы операции, скругление и придание прямоугольной формы.
UV-текстуры, нормали и цветовые кодировки
Помимо размещения вершин, определяющих их форму, сети могут нести важную информацию для программного, интерактивного и игрового 3D рендеринга. Для управления этими действиями Maya предлагает:
- Оптимизированный творческий процесс, включающий создание и редактирование UV-текстур, автоматическое проецирование, а также интерактивные инструменты для растягивания, компоновки, построения решеток и растушевки;
- Большое количество наборов проекционных координат, поддерживающих отдельные координаты для каждого текстурного канала;
- Множественные наборы UV-координат позволяют использовать для представления нескольких объектов единую сеть, что облегчает создание сцен;
- Разнообразные наборы предназначенных для разработки игр анимируемых данных класса color-per-vertex (CPV), предварительного освещения, пользовательских нормалей и средств формирования карт нормалей.
Совместимость с Autodesk Mudbox
Создавать органические модели высокой степени детализации помогает Autodesk Mudbox — программа для цифровой 3D скульптуры и рисования текстур. Дополнительный набор инструментов предоставляет в распоряжение пользователей интуитивные 3D технологии моделирования на основе кистей, обеспечивая поддержку 2D и 3D слоев, что позволяет легко управлять скульптурными циклами и рисованием на множестве сетей и текстур.
Геометрия из Maya в Mudbox импортируется через файлы в формате Autodesk FBX . Прорисовка детальных текстур выполняется непосредственно на 3D сети с высоким разрешением. Геометрия и детали текстур могут экспортироваться из Mudbox для использования в некоторых других приложениях, например, в Adobe Photoshop и Maya.
В Mudbox применяются моделирующие слои для формирования поз и выражений лиц у персонажей, которые подготовлены в виде сглаженных форм в Maya.
1.2.2 Анимация
Общая анимация
Maya предоставляет пользователям широкий спектр специальных средств для анимации по ключевым кадрам, процедурной и программируемой анимации, среди которых:
- Хорошо контролируемая, недеструктивная система наложения анимационных слоев, работающая с любыми атрибутами;
- Нелинейный редактор анимации Trax для недеструктивного микширования, смешивания и редактирования поз и анимационных роликов;
- Большое разнообразие обобщенных зависимостей;
- Мощный интуитивный инструмент Set Driven Key, позволяющий передавать сложные отношения между анимируемыми персонажами по ключевым кадрам;
- Редакторы Graph и Dope Sheet, позволяющие строить более точные функциональные кривые для контроля изменений анимационных атрибутов во времени;
- Полный набор деформаторов для статичного моделирования или анимации.
Создание персонажей
Возможность создания реалистичных персонажей повышает производительность специалистов по анимации. Программа для 3D анимации Maya содержит:
- Встроенные средства Spline IK, Spring IK, а также одноуровневые и упрощенные двууровневые решатели;
- Полнофункциональную систему обратной кинематики (IK) для естественного сочленения конечностей в моделях двуногих и четвероногих персонажей;
- Возможность плавного смешивания прямой (FK) и обратной (IK) кинематики при анимации;
- Передовые средства изменения форм Maya Muscle для передачи реалистичных или стилизованных движений кожи и мышц, включая сморщивание, дрожание и столкновения;
- Инструмент Substitute Geometry (замена геометрии) для переноса данных скиннинга из одной модели в другие;
- Недеструктивные рабочие процессы, позволяющие вставлять, перемещать, удалять, соединять и рассоединять точки на связанном скелете.
Совместимость с MotionBuilder
Сочетание Autodesk MotionBuilder — программы для 3D анимации персонажей — с Maya поможет увеличить эффективность производства и добиться высокой результативности при выполнении проектов, требующих анимации большого количества персонажей.
MotionBuilder является идеальным дополнением к Maya благодаря программному 3D ядру, обеспечивающему режим реального времени, и наборам специализированных инструментов для создания персонажей, нелинейного редактирования анимации, работы с данными захвата движений и интерактивной динамики. Сочетание этих программ представляет собой комплексное решение для анимации.
Быстрый и удобный способ обмена данными с помощью технологии Autodesk FBX обеспечивает успешную совместную работу сразу с несколькими программными продуктами.
1.2.3 Динамика и эффекты
Динамика твердых и аморфных тел
Реалистичные модели разнообразных твердых и гибких объектов создаются очень быстро.
Твердотельным объектам можно назначать зависимости: Nail, Hinge, Barrier, Pin и Spring.
Анимация движений/неподвижных
состояний твердых тел
Аморфные тела используются для создания таких вторичных эффектов движения, как дрожание мышц и колыхание полей шляпы.
Движение природных сил
Возможно управлять такими атрибутами, как Friction (трение), Bounciness (упругость), Damping (затухание), Mass (масса), Velocity (скорость), Spin (вращение) и Torque (кручение).
Средство Shatter служит для разбиения объекта на многочисленные твердые или гибкие элементы.
Maya nParticles
Maya nParticles — это набор средств, который позволяет организовать интуитивную и эффективную процедуру моделирования широкого спектра сложных эффектов, в том числе жидкостей, облаков, дыма, мелких брызг и пыли.
Можно моделировать льющиеся и расплескивающиеся жидкости в контейнерах. Функция самостолкновения позволяет накапливать частицы nParticles в выбранном объеме.
Атрибуты шейдинга, такие как радиус, цвет, прозрачность и свечение, отображаются по времени, сроку, радиусу или скорости.
Гибкие зависимости
Для замены частиц объектами можно использовать вхождения геометрии. Двусторонняя связь с Maya nCloth позволяет тканевым текстурам и частицам взаимно влиять друг на друга.
Maya Fluid Effects
Модуль Maya Fluid Effects позволяет выполнять моделирование и рендеринг реалистичных эффектов атмосферы, взрывов, вязких жидкостей и естественных водных поверхностей.
Доступен широкий набор
Для создания высококачественных анимированных текстур вы можете использовать 2D эффекты жидкостей. Модуль интегрирован с другими компонентами Maya: например, жидкость может возмущать частицы, а объекты — жидкость, двигаясь сквозь нее. Так персонаж движется сквозь густой туман или морские суда разрезают водную гладь.
Maya nCloth
Встроенный в Maya инструментарий nCloth позволяет создавать реалистичные тканевые и другие деформирующиеся материалы. Полигональные сетки могут преобразовываться в объекты nCloth. Материалы Maya nCloth можно легко сворачивать, растягивать, резать, вдавливать и даже рвать, изменяя соответствующим образом их цвет. 3D объектам придаются жесткость, вязкость и гладкость. Для присоединения пуговиц, создания прорех и смятия ткани при движении используются топологически нейтральные зависимости. Есть возможность моделирования многослойности ткани, например рубашки, заправленной в брюки. Функция самостолкновения позволяет достичь реалистичных эффектов и избежать ошибок взаимопроникновения объектов. Комплексные эффекты создаются с помощью кэшированных данных. Двусторонняя связь с Maya nParticles позволяет тканевым текстурам и частицам взаимно влиять друг на друга.
Волосяной и меховой покров
Наборы инструментов Maya Hair и Maya Fur позволяют создавать реалистичные волосяные и меховые покровы соответственно. Это делается с помощью предустановленных стилей, например, косички, узлы, дреды, «ежик», кудри, эффект мокрых волос и др. Благодаря зависимостям вы можете создавать прически в стиле «конского хвоста», с заколками и другими аксессуарами. Есть возможность создания локализованных эффектов. Производится динамическое управление движением и столкновениями, в том числе с помощью ключевых кадров. При использовании инструмента Hair для динамической NURBS кривой реализуются эффекты веревки, цепей, выпуклых поверхностей и одежды.
1.2.4 3D рендеринг и обработка изображений
Встроенные модули рендеринга
Помимо программного модуля рендеринга в Maya входят: mental ray для Maya с функциями, придающими изображениям фотографическое качество: общее освещение, сбор и отслеживание объектов, каустическое тонирование, объемный свет, размытые отражения и светопреломления, эффект размытости точек и контуров и освещение, основанное на анализе изображений.
Модуль векторного рендеринга для преобразования 3D объектов в 2D с возможностью вывода данных в форматах Macromedia Flash и Adobe Illustrator для печати или публикации в Интернете.
Модуль аппаратного рендеринга позволяет быстрее получать высококачественные изображения.
Возможности рендеринга
Многофункциональная стереокамера, позволяющая осуществлять стереопросмотр на видовом экране. Новый многопоточный механизм интерактивного рендеринга (IPR) обладает быстрой обратной связью при редактировании текстур, освещения, теней и других эффектов высокого качества. Инструменты HyperShade и Visor позволяют создавать и редактировать схемы со сложным затенением. Сортировка и организация узлов рендеринга, таких как материалы, текстуры, источники освещения и т.д. Функция Transfer Map предназначена для передачи данных по нормалям, смещениям, диффузии, теням, объемному свету, и тонированию mental ray между моделями различной топологии.
Maya Composite
Maya Composite — это полнофункциональный, высокоэффективный компоновщик с поддержкой HDR, разработанный на основе технологии Autodesk и обладающий высокоэффективной средой композитинга. Усовершенствованы проходы рендеринга Maya и их использование во фрагментах «живой» съемки. Это позволяет интуитивно и интерактивно взаимодействовать практически со всеми визуальными объектами, независимо от глубины цветности и размеров изображений. Специализированный набор инструментов позволяет осуществлять кодирование, цветокоррекцию, проецирование камеры, деформацию на основе сплайнов, размывание объектов и настройку глубины резкости. Выполняются сложные операции ротоскопинга с растровыми и векторными изображениями; имеется встроенная функция трекинга. Среда 3D композитинга включает в себя инструменты работы со стереоскопическими изображениями.
Рисование в Maya
Инструменты 3D рисования и наложения эффектов позволяют создавать реалистичные детальные эффекты как геометрии 3D сцен, так и 2D текстур. В распоряжении пользователя более 500 редактируемых, учитывающих силу нажатия типов кистей, включая деревья, травяной покров, цветы, кристаллические материалы, перо, колючую проволоку, молнии, дождь, звездное поле, фейерверки, огонь, искры, аэрографию, масляные краски, мел, пастель, карандаш, акварель, влажные кисти и маркеры. Встроенные эффекты анимации позволяют моделировать растущие, распускающиеся или раскачивающиеся на ветру растения. В процессе интерактивного рисования с обратной связью мазки кистей подвергаются рендерингу. Цвет, рельеф, смещение, прозрачность наносятся непосредственно на поверхности.
Мультипликация
3D сцены можно преобразовывать в полноценную анимацию, с рендерингом в стиле рисованных мультфильмов, комиксов, манга/аниме и др. Вы можете создавать сложные переходы и движения камеры в 3D среде и моделировать эффекты, недоступные в 2D. Кисти Maya Paint Effects можно использовать для создания контуров с живописными эффектами, одновременно управляя стилями, положением и толщиной линий. Интерактивный предварительный просмотр выполняется в реальном времени. Рендеринг осуществляется с помощью mental ray для Maya, а также программного или аппаратного обеспечения Maya.
Отслеживание камеры на профессиональном уровне
Существует возможность
Управление данными и сценами
Для работы со сложными элементами сцен в Maya предусмотрены специализированные инструменты и процедуры, позволяющие обрабатывать большие объемы данных. Мощная графическая архитектура позволяет просматривать и редактировать связи между узлами. Улучшения для цифровых объектов и связывания файлов дают возможность разделять сцены для ускорения работы и наладить коллективный рабочий процесс. Узлы можно группировать в контейнеры и дополнять адаптированными и пользовательскими видами. Редактируемая и анимированная история формирования позволяет модифицировать данные по модели без необходимости ее повторного создания. Функция Render Proxy в модуле mental ray позволяет заменять элементы сцен простыми сетями низкого разрешения, загружая для рендеринга только заранее подготовленные данные.
1.2.5 Скрипты и API-интерфейс
Maya — это открытое, легко расширяемое приложение. Художники, технические специалисты и разработчики ПО могут создавать дополнительные скрипты и надстройки, выполнять настройку инструментария и т.д., повышая конкурентоспособность своей продукции. Для этого можно использовать любой из двух языков программирования: Maya Embedded Language (MEL) или Python. Надстройки и самостоятельные приложения можно создавать на языках C++ и Python и запускать из командной строки Maya. Вы можете создавать новые типы объектов Maya, включая трансляторы файлов, аппаратные шейдеры, формы поверхностей, инструменты управления, локаторы и команды сценариев.
1.2.6 Интеграция 2D и 3D
Maya позволяет эффективно работать с лучшими в отрасли программами 2D рисования, создания векторной графики и композитинга. Для выполнения нескольких проходов рендеринга одной и той же сцены служит команда Render Layers. Результаты рендеринга можно получить в различных форматах: Adobe Photoshop (PSD) или Adobe Flash (SWFT), в которых объекты и элементы располагаются в отдельных слоях. На основе рендеринга слоев сцены в Maya можно создать структуру композитинга. Создание и редактирование кромок в Adobe Illustrator с возможностью обновления оригинальных файлов. Созданные с помощью 3D Paint текстуры можно экспортировать в Adobe Photoshop для их дальнейшей доработки [2].
Конструкторская часть
2.1 Работа с объектами
Перед началом творческой работы необходимо создать проект для хранения информации в Maya. Для этого используется команда File>Project>New. Для перемещения по сцене используются клавиша Alt и кнопки мыши.
Все создаваемые в Maya элементы называют объектами. К ним относятся геометрические тела, формы камеры, источники света и другие. Объектами можно управлять, модифицируя их произвольным образом, объединяя в группы, связывая друг с другом и прочее.
Процесс создания объекта называется моделированием. Моделирование осуществляется в окнах просмотра проекций. По умолчанию на экране отображается одно прямоугольное окно, соответствующее проекции «Перспектива». Можно отобразить проекции «Сверху», «Сбоку», «Спереди» и «Перспектива» одновременно, нажав клавишу пробел. Объекты отображаются в окне проекций в виде каркаса или с раскрашенной поверхностью.
Значительная часть объектов может быть представлена в виде сеток, состоящих из однотипных элементов или подобъектов. К числу подобъектов относятся вершины, рёбра, грани и полигоны.
Основным базовым элементом являются узлы. Существует несколько разновидностей узлов: узел трансформации, узел формы и входной узел [3].
Действия над объектами:
- создание – меню Create
- выделение – Select Tool
- перемещение – Move Tool
- наложение материала – меню Fluids
- поворот – Rotate Tool
- масштабирование – Scale Tool
- рендеринг – кнопка Render the current frame
- редактирование на уровне вершин – правая кнопка мыши + Vertex
- редактирование на уровне объекта – правая кнопка мыши + Object Mode
- отображение объектов в окне проекций – меню Shading
- выравнивание объектов – Modify>Snap Align Objects> Align Objects
- объединение объектов в группу – Edit>Group
- отображение объектов в виде списка – окно Outlinear
- отображение объектов в виде схемы – окно Hypergraph
- вырезание – Edit>Cut
- копирование – Edit>Copy
- вставка – Edit>Paste
- дублирование – Edit>Duplicate
- дублирование с трансформацией – Edit>Duplicate with Transform
Итак, создадим простую сцену, состоящую из полигональных примитивов. В основании сцены плоскость. На ней разместим стол, диван, светильник в виде дерева и ёмкость с водой. Для этого были использованы цилиндр, куб, торус, а так же источники света Point и Ambient для моделирования светильника и свечи (рисунок 2.1.1).
Источники света выбираются на вкладке Rendering или при помощи команды меню Create>Lights. Изменить параметры источника света можно при его создании или позже, в редакторе атрибутов.
Рисунок 2.1.1 – Вид смоделированной сцены в окне Autodesk Maya
2.2 Работа с материалами
В Maya под материалом понимают набор характеристик, которые в той или иной мере влияют на отображение поверхности объекта в процессе визуализации сцены.
Операции с материалами проводятся в редакторе узлов Hypershade, который можно вызвать при помощи команды Window>Rendering Editors> Hypershade. Редактор позволяет просматривать базовые материалы, видоизменять параметры материалов, создавать новые материалы.
Автоматическая генерация материала на основе текстурных карт: в редакторе Hypershade выбираем текстуру, выделяем объект на рабочем пространстве, в окне Work Area редактора Hypershade щёлкаем правой кнопкой мыши на выбранной текстуре, в выпадающем меню выбираем команду Assign Texture’s Material to Selection. Модифицировать материал можно в редакторе атрибутов [3].
После рендеринга сцена принимает следующий вид (рисунок 2.2.1).
Рисунок 2.2.1 – Вид сцены после визуализации
2.3 Инструменты управления анимацией
Параметры анимации вызываются через окно Window>Setting/Preferences> Preferences. Просмотр анимации в окне Perspective осуществляется при помощи кнопки Play. Команда Window>Playblast позволяет просматривать результат анимации в окне установленного по умолчанию в Windows проигрывателя.
2.4 Деформация
Деформаторы – это особые типы объектов, используемые для деформации формы других объектов. Широко применяются как в непосредственно моделировании, так и в анимации. Плюсов является возможность быстро изменять геометрию объекта без необходимости перемещения вручную его вершин. За работу с деформаторами отвечает меню Create Deformers. Нелинейные деформаторы находятся в меню Nonlinear и применяются для создания нелинейной деформации. Она отличается от линейной тем, что изменение формы объекта осуществляется неравномерно вдоль его оси [3].
Типы нелинейных деформаторов:
- Bend – изгиб
- Flare – выпуклость
- Sine – синусоидальная деформация
- Sqwash – сплющивание
- Twist – скручивание
- Wave – волна
3. Технологическая часть
3.1 Запуск приложения
Для запуска программы необходимо дважды щёлкнуть по значку Autodesk Maya на рабочем столе.
3.2 Интерфейс программы
Одним из преимуществ интерфейса Maya является размещение большого количества инструментов на небольшом пространстве. Главное меню может изменяться в зависимости от выбранного модуля. Часто используемые инструменты располагаются на так называемой «полке». Большую часть окна занимает рабочее пространство. Слева располагается панель инструментов. Справа может быть отображено поле слоя, поле канала или два поля одновременно. Под рабочим пространством находятся поля время и диапазон. Ниже располагается командная строка и строка подсказки
(рисунок 3.2.1).
Рисунок 3.2.1 – Окно программы Autodesk Maya
3.3 Системные требования
- Операционная система Microsoft Windows Vista Business (SP2 или выше), Microsoft Windows XP Professional (SP3 или выше), Microsoft Windows 7 или Apple Mac OS X 10.6.2
- Windows: Процессор Intel Pentium 4 или выше, AMD Athlon 64, AMD Opteron или AMD Phenom
- Компьютеры Mac: Процессор Intel
- 2 ГБ оперативной памяти
- 4 ГБ свободного места на жестком диске
- Графический адаптер OpenGL с аппаратным ускорением из перечня совместимых
- Трехкнопочная мышь с установленным драйвером
- Привод DVD-ROM
- Требования Maya Composite к объему кэша:
- Минимум 10 ГБ свободного места на жестком диске; рекомендуется 200 ГБ
- Жесткий диск: IDE, SATA, SATA 2, SAS, SCSI
- Браузеры: Microsoft Internet Explorer 7.0 (или выше), Apple Safari, либо Mozilla Firefox [4].

- Моделирование и анализ бизнес-процесса выпуска газеты
- Моделирование и анализ бизнес-процессов
- Моделирование и анализ инвестиционных проектов. Имитационная модель
- Моделирование и анализ поведения, предпочтений и мнений потребителей
- Моделирование и анализ поведения, предпочтений и мнений потребителей
- Моделирование и анализ поведения, предпочтений и мнений потребителей
- Моделирование и анализ спроса на рынке товаров и услуг
- Моделирование диспетчерского пункта по управлению внутризаводским транспортом
- Моделирование дорожного движения
- Моделирование женских стрижек
- Моделирование женского платья на основе платья прямого силуэта
- Моделирование женской одежды
- Моделирование зависимости между доходами населения и инвестициями в основной капитал
- Моделирование замкнутой САР программным методом и при помощи системы имитационного моделирования SIMOPT