Nástroje, které potřebujete pro tvorbu 3D animací

V Computerworldu č. 16/99 jsme se věnovali principům počítačové vizualizace a animace, v dnešním TECH-Tipu se na toto...


V Computerworldu č. 16/99 jsme se věnovali principům počítačové vizualizace a
animace, v dnešním TECH-Tipu se na toto téma podíváme z trochu jiné strany.
Zaměříme se totiž na softwarové a hardwarové prostředky, jejichž
prostřednictvím lze náročnou 3D grafiku vč. animací tvořit.
Animační a modelovací programy
Následující text obsahuje krátké představení u nás nejznámějších programů pro
počítačové modelování a animaci. Při jejich výběru jsme se převážně orientovali
na platformu Windows. Při vlastním výběru je potřeba vždy zvážit, k jakému
účelu se bude software používat. Na oživení webových stránek rotujícím logem
nebo na prostou zábavu s 3D totiž bohatě stačí levné programy, často lze najít
i shareware s atraktivním množstvím funkcí...
Možná však zjistíte, že jsou sharewarové programy sice použitelné, ale převážně
jen jediným způsobem bez možnosti jakéhokoli nastavení, takže když se vám
textura namapuje vzhůru nohama, je to prostě smůla, undo žádné, nebo
jednokrokové. Jestli myslíte svou práci vážně, rozhodně budete potřebovat
některý z programů střední třídy. U nich oceníte podporu větších projektů,
editovatelnou konstrukční historii a "hejblátek" na nastavení parametrů mají
víc, než je v kokpitu kosmické lodi.
High-end systémy jsou stavěny tak, aby se dosáhlo maximální produktivity při
použití pro profesionální reklamu a film. Určitě zvažte jejich nasazení,
protože jsou prostě dotažené do konce a už dávno nejsou v porovnání se střední
třídou o mnoho dražší.
Truespace
Program je míněný spíše pro domácí uživatele a SOHO, s každou verzí však
udivuje spoustou nových funkcí, obvyklých jedině u dražších programů. Ve verzi
3 to byla podpora plug-in modulů TSx, inverzní kinematika, dynamika a
metaballs, ve čtyřce keyframe editor, kosti, skriptový jazyk, radiozita a
podpora multithreadingu. Truespace má velmi zvláštní uživatelské rozhraní, je
ovšem docela jednoduché a zvládne jej i začátečník neznalý jakýchkoli 3D
programů. Často se používá k výuce. U nás se hodně rozšířil i mezi profesionály
pro architektonické vizualizace, zejména ale na statické snímky.
RayDream Studio
Opět program vhodný spíše pro tvorbu statických obrázků a jednodušších animací.
Jedná se o (na svou cenu) poměrně výkonný produkt od Metacreations. Zajímavá je
především vysoká kvalita ray trace výstupu a Natural Media rendereru, který
vykresluje scénu formou ručně kresleného obrázku.
Bryce 3D
Bryce 3D je oblíbený generátor krajin s nezvyklým, ale velmi pěkným
uživatelským rozhraním. Vymodelovat strom s listy, přirozeně vypadající skály,
to prostě ručně nejde, a takovýto program jako když najdete. Má všechny hlavní
vlastnosti 3D editačních programů včetně animací, primárně je však zaměřen na
tvorbu realistických krajin s vegetací a všeho, co s přírodou souvisí.
World Builder
Jak již název napovídá, jde opět o program pro vytváření realistických krajin.
Tentokrát jde o trochu vyšší kategorii než jednoduchý Bryce 3D. Ve World
Builderu máte přesnou matematickou kontrolu nad všemi parametry ve scéně.
Pomocí Area editoru se můžete zaměřit pouze na určitou sekci nebo oblast scény,
např. na parametry vegetace. Animace má vynikající možnosti, zahrnující růst
stromů, pohyb prostorových mraků, vlnění vody apod.
Poser
Dalším specializovaným programem je Metacreations Poser. Dají se v něm tvořit
postavy lidí a zvířat, což je jinak nepříjemně zdlouhavá práce. Opět dokonalé
uživatelské rozhraní, v němž se postava sestavuje výběrem z nabídek figur,
tváří, rukou a vlasů. Její tvar se pak modifikuje deformačními nástroji nebo
volbou některé z mnoha póz. Objekty se dají animovat a postavám přiřazovat styl
chůze, ale výstup není příliš kvalitní, takže spíše použijete export do
některého ze známých formátů.
Cinema 4D XL
Nemá žádné úžasné funkce, podporuje standardní polygonální a NURBS modelování,
particle systémy ad. Je to ale kompaktní a rychlý program, velmi dobře
využívající multithreading na více procesorech. Rychlost jeho rendereru s ray
tracingem je přímo fantastická a nemá konkurenci. Díky tomu, že dokáže načíst
celé scény z LightWave, jej spousta animátorů používá jako poslední článek
produkčního řetězce.
3D Studio Max
Co říci o asi nejznámějším a nejpoužívanějším 3D animačním programu, o němž si
na rozdíl od všech ostatních zde uvedených můžete v každém knihkupectví koupit
hned několik knih? 3D studio pro DOS bylo dlouho jediným programem tohoto druhu
na platformě PC, skutečným převratem v koncepci pak bylo uvedení verze MAX pro
Windows NT, kterou od Autodesku převzala samostatná divize Kinetix. MAX je
nástrojem pro profesionály. Schopnostmi i cenou odpovídá střední třídě
produktů, s podporou mnoha kvalitních přídavných modulů potom dosahuje až do
high-end kategorie.
Uživatelské rozhraní je doce-la příjemné, na nekonečné rolování paletkami na
pravé straně obrazovky si prostě musíte zvyknout. Modelovat lze s polygony i
NURBS plochami, k dispozici je mnoho pokročilých funkcí. Zajímavostí je, že
základní objekty mají zpočátku obojakou povahu, a až když na ně uplatníte
modifikátor specifický pro jednu z těchto reprezentací, převede se podle toho
na polygony nebo NURBS. Všechny modifikátory se ukládají do zásobníku na způsob
konstrukční historie a zůstávají kdykoli přístupné pro změnu některého z
parametrů.
Kinetix tvrdí, že jsou naprosto všechny parametry animovatelné. MAX má na
animování pěkný keyframe editor a silnou podporu motion capture. Zachycení
pohybu lze provést bez velkého vybavení i pomocí myši nebo joysticku pro
jakýkoli parametr scény. Od Release 2 je celý systém multithreadový a dokáže
plně využít více procesorů. Při práci rozhodně oceníte dobrou 3D grafickou
kartu.
Rendering 3D studia je proslulý svou rychlostí a ovšem také svou specifickou
kvalitou, kterou profesionál pozná na první pohled. Selektivně pro jednotlivé
materiály lze zvolit i ray tracing, skutečně dokonalý výstup ale dostanete až s
použitím některého z mnoha renderovacích přídavných modulů (RayStudio, RayGun).
Mnozí tvrdí, že až přídavné moduly dělají z MAXe to, čím je. Skutečně jich
existují stovky, od spousty volně šiřitelných až po např. špičkové particle
systémy (Desert Storm), deformace (Hyper Matter) a animaci postav (Character
Studio).
LightWave 3D
Miláček mnoha animátorů už od dob jeho začátků na slavné Amize. Byl portován na
množství operačních systémů a ve střední třídě animačních produktů je největším
konkurentem 3D Studia MAX, v čemž mu pomáhá jeho téměř poloviční cena. Kvalita
renderování i efekty jsou na velmi vysoké úrovni, je to nekorunovaný král
polygonálního modelování, trochu nedostatečné jsou však metaNURBS.
Uživatelské prostředí je dost nezvyklé, práce je ovšem rychlá a efektivní. Jeho
největší nevýhodou je rozdělení na dva moduly Modeler a Layout, mezi nimiž se
objekty přehazují speciálními funkcemi Import/Export. LightWave disponuje
particle systémy, inverzní kinematikou a vůbec všemi hlavními vlastnostmi,
které program této kategorie potřebuje. Má také velkou podporu rozšiřujících
modulů.
Rhino
Rhinoceros je prvotřídní NURBS modeler. Je inspirován slavným Aliasem a
obsahuje takové konstrukční funkce, o kterých se jiným programům může jen zdát.
Má plně konfigurovatelné paletky s nástroji, práce s ním je velmi rychlá. Při
kreslení primitiv se přímo myší interaktivně zadají všechny rozměry, po
posledním kliknutí případně vyskočí dialog s možností zadat další hodnoty.
Rhino exceluje v podpoře množství importních a exportních formátů, včetně
polygonálních.
Cosmo Worlds
VRML je čím dál oblíbenějším jazykem pro 3D grafiku a interaktivní animace na
WWW. Formát VRML 2.0 exportuje každý druhý animační program, ne vždy vám to
však bude stačit. Až specializovaný software jako Cosmo Worlds dovoluje naplno
využít všech vlastností standardu a zapojit do scény senzory, webové linky,
prostorový zvuk, vše propojit událostmi a případně doprogramovat pomocí
JavaScriptu nebo Javy. Worlds pochází z platformy SGI a na množství ikonek a na
dokonalých manipulátorech je to vidět. Výsledný soubor může být komprimován, a
poutavá 3D animace s množstvím nápisů tak zabere méně místa než obyčejný GIF.
Softimage|3D
Jako první z kategorie těch nejlepších high-end programů pro animace si
přiblížíme Softimage|3D. Pochází z platformy SGI a po dlouhou dobu byl špičkou
animačních možností. Mantra profesionální 3D grafiky zněla: "Modeluj v Aliasu,
animuj v Softimage, renderuj v RenderManovi." S uvedením Mayi je to již trochu
jinak. Po pohlcení Microsoftem byl Softimage portován do Windows NT, nedávno
došlo k dalšímu přesunu a nyní nese logo Avid.
Jde o integrovaný systém se všemi důležitými nástroji, od nakreslení první čáry
po výsledný rendering. Je rozdělen do pěti vzájemně provázaných modulů, v nichž
postupně tvoříte animaci zcela přirozeným způsobem. V sekci Model modelujete
objek-ty pomocí několika druhů křivek včetně NURBS, booleovských operací, na
složité organické tvary je nástroj Meta-Clay (metaballs). Modul Motion obsahuje
množství funkcí k jejich rozhýbání, a jak již bylo uvedeno, patří k animační
špičce. Mezi speciální efekty patří např. i automatická animace až osminohých
postav.
V Actoru se dělají kostry, dynamika a inverzní kinematika, v modulu Matter se
přiřazují materiály, textury a definují optické vlastnosti. Nakonec se zde
kompletní scéna renderuje. Tools jsou nástroje pro import a export, prohlížení
obrázků a výstup na video a film. Dále jdeme již k verzi Softimage|3D Extreme.
Ta obsahuje navíc speciální multiplatformní distribuovaný renderer Mental Ray a
modul Particle, v němž lze animovat efekty založené na proudění částic
(gejzíry, kouř, oheň, sníh apod.).
PowerAnimator
Alias|Wavefront je spolu s Pixarem asi nejvlivnější společností v oblasti 3D
animace. Vznikla postupným spojením firem Alias, Wavefront a TDI, dnes je
dceřinou společností Silicon Graphics. Až do loňského roku vyvíjela své
produkty výhradně pro platformu SGI, dnes její klíčové programy podporují i
Windows NT.
Její Power Animator patří k nejlepším a přežil i nástup svého populárního
následníka, Mayi. Velmi ceněné jsou zejména jeho modelovací schopnosti, je to
však software s komplexní sadou funkcí na vysoké úrovni. Jeho použití naznačují
2 hlavní varianty: PowerAnimator for Film & Video a PowerAnimator for Games &
Interactive. První jmenovaný je volbou pro profesionální animace a digitální
efekty, druhý disponuje speciálními funkcemi pro vývojáře her, jako
optimalizace počtu polygonů, cyklické animace postav a export do mnoha formátů,
jako je SEGA, Nintendo a Direct 3D (včetně scén a animací).
Maya
Maya je nejlepším řešením pro animaci postav a digitální efekty. Vychází z
PowerAnimatoru a jeho funkce integruje ve zcela novém prostředí, mnoho
vlastností přebrala i z ostatních produktů Alias | Wavefront. Dokonalé
uživatelské prostředí je optimalizováno tak, aby se dosáhlo vysoké
produktivity, a je znát, že jeho tvůrci skutečně ví, o co při modelování a
animaci jde. Přes svou obrovskou komplexnost je Maya uživatelsky přívětivá i
pro začátečníky.
Jakékoli ortogonální i kamerové pohledy a animační editory mohou být buďto
součástí pracovní plochy, nebo samostatná okna, všechny nepotřebné komponenty
rozhraní lze skrýt, stiskem jediné klávesy se vyvolá HotBox, centrum příkazů a
menu, které zcela eliminuje nekonečné ježdění myší po obrazovce.
Kouzlo Mayi není v tom, že by vám nabízela jednoduché způsoby, jak rychle
dosáhnout výsledku, ale v tom, že vám dává do rukou naprostou kontrolu nad
vším, co děláte. Nevnucuje vám určitý způsob práce, vždy si můžete vybrat z
několika způsobů, jak provést akci, kterou chcete.
Maya dokonale využívá schopností dobrých OpenGL grafických karet, jako je
hardwarové texturování a osvětlení. Má i funkci hardwarového renderování, kdy
se obrázky ukládají snímáním z okna, do kterého je vykresluje karta. Tato
funkce je nezbytná pro některé druhy particle systémů z modulu Maya FX, které
softwarový renderer nepodporuje.
Maya FX a Artisan jsou již rozšiřující moduly dodávané spolu se základním
balíkem. V Maya FX se nacházejí kamerové efekty a další částice, Artisan je
unikátní nástroj pro modelování na principu sochařské práce, nebo, chcete-li,
3D malování. Není to žádná no-vá myšlenka, ale komplexnost a schopnosti
Artisanu plně integrovaného do celého systému stojí za to.
Další rozšiřující moduly jsou zatím pouze pro platformu SGI a prodávají se
zvlášť. Power Modelling je důležitý pro toho, kdo potřebuje přesné modelovací
nástroje a pokročilé funkce (Boolean operace, sešívání ploch), jež nejsou
obsaženy v základním programu. Maya Live slouží pro integrování 3D geometrie do
reálných videozáběrů, disponuje funkcí MatchMoving (camera tracking) pro
vysledování pohybu kamery z již natočeného materiálu. Maya Cloth je dokonalé
řešení obtížného problému animování tkanin a oblečení.
RenderMan
Terminator II, Maska, Jurský park, Příběh hraček, Život brouka, Geriss Game
dlouhý výčet oscarových filmů vděčí za svůj úspěch technologii RenderMan.
RenderMan je především otevřený standard pro rendering. Původním autorem je
firma Pixar, dnes již ale existuje množství komerčních i nekomerčních
implementací, včetně hardwarových.
RenderMan se skládá ze 3 základních částí. Předně je to interface, který
definuje formát dat, jak je má animační program poslat do rendereru. Druhou
částí je samotný renderer, který musí podporovat určité základní funkce,
přičemž několik dalších je volitelných. Třetí částí je procedurální
programovací jazyk Shading language, ve kterém se programují materiály a světlo
(Shaders). Výtvarníky většinou nebaví programování shaderů, výrobci proto
dodávají rozsáhlé knihovny hotových materiálů.
Vlastní implementace Pixaru se jmenuje Photorealistic RenderMan a nevyužívá ani
ray tracing, ani radiozitu. Je optimalizován na rychlost a je schopný zpracovat
i velmi rozsáhlé scény. Pro simulaci odrazů a lomů používá reflexní a refrakční
mapování. Jestli je pro vás ray tracing nebo radiozita nutností, můžete zkusit
volně dostupnou implementaci Blue Moon Rendering Tools.

9 0944 / pen

Hardware pro 3D
Volba počítače pro počítačovou vizualizaci a animaci je jednoduchá. Musí být co
nejrychlejší. Jednoduché programy můžete provozovat na čemkoli, pro skutečné 3D
ale zvažte dvouprocesorový stroj a přidejte hodně paměti. Všechno sice spustíte
už na 64 MB, po několika pokusech a absolvování úvodních lekcí tutorialu ale
zjistíte, že minimem pro práci je 128 MB.
Rozsáhlé scény s desítkami objektů si žádají své. Modelování a příprava se dá
provozovat na 17" monitoru v rozlišení 1 024 x 768, vše další již bude
vyžadovat 1 280 x 1 024, a tudíž alespoň 19" monitor. Disk naštěstí nemusí být
tak rychlý jako pro zpracování videa. Postačí slušný Ultra ATA. Zbývá jenom
volba grafické karty.
Grafická karta
První věc, které si na profesionálních 3D kartách všimnete, je jejich velikost.
Jsou to AGP-karty plné délky s mnoha čipy, chladiči a větráčky. Vetšina z nich
podporuje hardwarovou akceleraci geometrie, což znamená navíc velmi rychlý RISC
procesor nebo specializovaný firemní integrovaný obvod. Potom paměť: 32 MB je
pro profesionála minimum, obvykle je rozdělena na 16 MB videopaměti (frame
buffer) a 16 MB paměti pro textury. To stačí pro 3D zobrazení scény v rozlišení
1 280 x 1 024 s 16 M barev a 32bitovým hloubkovým bufferem.
Zpracování 3D grafiky
Zpracování 3D grafiky má 3 základní kroky:
Generování vektorových dat. Rozklad 3D objektů na trojúhelníky provádí CPU
hostitelského počítače.
Setup a transformace trojúhelníků. Operace intenzivně využívající výpočty v
plovoucí řádové čárce, vykonávající rotaci trojúhelníků do správné pozice,
provádějící jejich ořezání, určení jejich stínování a texturových vlastností a
atmosférické efekty. Tuto práci může provádět CPU počítače, je to však ideální
činnost pro hardwarové urychlení. Fáze zpracování geometrie je nejvýznamnějším
úzkým místem v postupu zpracování 3D grafiky, a specializované obvody tak
představují nejlepší způsob, jak zvýšit celkový výkon. Geometrický procesor
výrazně odlehčuje CPU hostitelského počítače.
Shading. Na trojúhelníky jsou aplikovány odpovídající barevné odstíny a ve
videopaměti je vytvořen 2D obraz scény. V tomto kroku se používá technika
double buffering, pracující s dvěma paralelními bankami paměti. Zatímco jedna
je zobrazována na monitoru, druhá je plněna daty následujícího snímku.
Dostaneme tak hladší animaci a více snímků za sekundu.
Oproti domácím kartám pro hry má high-end 3D grafika několik výrazných
odlišností. Především mnohem vyšší rozlišení. 1 280 x 1 024 je minimum, mnoho
nových karet nabízí i HDTV rozlišení 1 920 x 1 200 s poměrem stran 16 : 10.
Dále mnohem přesnější a realističtější renderování. Profesionální 3D grafika je
detailněji definována a používá pro každý objekt vysoké počty polygonů.
Vizualizace takových dat stojí CPU mnoho času. Navíc je tu garantovaný výkon. V
některých kritických případech, jako je interaktivní simulace a virtuální
realita, je nutný určitý minimální počet snímků za sekundu, aby aplikace
splnila daný účel.
Čipové sady výkonných grafických karet
Donedávna byla špičková grafika dostupná pouze na UNIXových systémech Silicon
Graphics, Digital nebo HP. S Windows NT a jejich systémovou podporou OpenGL,
spolu s rychlejšími procesory Intel, se však situace výrazně změnila. Podívejme
se tedy nyní na pole profesionální grafiky pro NT. Kromě dlouhodobých hráčů,
jakými jsou výrobci čipových sad Evans&Sutherlad a 3D Labs prodává volně své
karty už jenom Intergraph (Intense 3D Pro a WildCat), společnosti
Hewlett-Packard a Silicon Graphics dodávají své grafické systémy pouze jako
celé počítače.
V současné nabídce lze nalézt tyto produkty:
Evans&Sutherlad REALimage 1000 (např. karta Diamond Fire GL 4000 s čipsetem
Mitsubishi 3DPro/2mp) je díky technologii 3DRAM obzvláště výkonná při
intenzivní práci s texturami a při uplatňování 3D efektů, jako prolínání alfa
kanálu a průhlednosti. Tato čipová sada příliš dobře nezpracovává 2D objekty a
postrádá geometrický procesor. Scény s rychlým pohybem a velkým počtem polygonů
často E&S zahlcují, ale velmi dobře si vede v animaci a simulaci. Novější
REALimage 2000 stále spoléhá při zpracování geometrie na procesor hostitelského
počítače, podporuje však vyšší rozlišení a podstatně zvyšuje výkon 2D grafiky.
Glint MX od 3D Labs (karta Elsa Gloria-XL, Symmetric Glyder GMX316 a další)
využívá specializovaný procesor Delta na zpracování trojúhelníků. Není sice tak
rychlá při vyplňování jako E&S, ale dobře se hodí pro vývoj interaktivních her.
Nová verze Glint MX 2000 je postavena okolo geometrického procesoru Gamma,
který je schopný sám provádět geometrické a osvětlovací výpočty a dosahuje
výkonu 2 MFLOPs, což znamená propustnost 2,6 milionů trojúhelníků za sekundu.
Procesor Gamma podporuje až 8 zobrazovacích čipů Glint MX.
HP Visualize fx6 obsahuje 6 firemních PA-RISC procesorů pro akceleraci
geometrie, což znamená 1,8 GFLOPs a propustnost 4,6 milionů trojúhelníků.
Disponuje 18 MB videopaměti a 32 MB texturové paměti a neuvěřitelnou rychlostí
vyplňování textur 140 Mpixelů/s. Karta není použitelná samostatně, pouze v NT
pracovních stanicích HP Kayak XW.
Intense 3D WildCat používá modulární architekturu ParaScale, podporující
několik geometrických a zobrazovacích čipů. Každý geometrický procesor provede
až 3 miliardy operací v plovoucí čárce za sekundu (3 GFLOPs), což znamená
propustnost až 6 milionů trojúhelníků za sekundu. První a nejnižší model
WildCat 4100 má jeden geometrický a jeden zobrazovací procesor, 16 MB
videopaměti a 32 MB texturové paměti a může být použit v jakémkoli intelovském
(později snad i Alpha) NT systému.
Silicon Graphics Cobalt je speciální grafické řešení neoddělitelně spjaté s
architekturou Integrated Visual Computing v počítačích Visual Workstation 320.
Architektura zcela vypouští zastaralou sběrnici a nahrazuje ji křížovým
přepínačem, který podporuje až 2 datové toky zároveň. Cobalt nemá žádnou
vlastní videopaměť, protože dokáže využívat systémovou paměť počítače s
přenosovou rychlostí 3,2 GB/s. Tak může být použito až 800 MB pro textury.
Standardně také disponuje videovstupem a výstupem a rozhraním FireWire pro DV.

VýrobceProduktWWW stránkyPlatformaDistributorCena
Alias |Maya 1.0 (Maya Artisan,www.aw.Windows NT/Intel,A|W262 500 Kč*
WavefrontMaya FX)sgi.comSGI/IRIXGraph
Alias | WavefrontPower Animator 9www.aw.sgi.comSGI/IRIXA|W Graph
AnimatekWorldwww.animatek.Windows/IntelVisual 34 965 Kč*
InternationalBuilder 2comConnection
AvidSoftimage|3D 3.8softimage.comWindows NT/Intel,Visual 175 000 Kč*
SGI/IRIXConnection
CaligariTruespace 4.1www.caligari.comWindows/IntelHiComp Sys.25 000 Kč
CosmoCosmowww.cosmosoftware.Windows/Intel,24 500 Kč*
SoftwareWorlds 2.0comSGI/IRIX
Kinetix3D Studio MAX R2.5www.ktx.comWindows/IntelVisual115 000 + + Character
Studio R2Connectio49 000 Kč
MaxoCinema 4D XL 5.2www.maxon.deWindows/Intel/Alpha,MediaComp49 900 Kč
Mac OS, SGI/IRIX
MetacreationsBryce 3D 3.0www.metacreations.Windows/Intel,Quenti8 060 Kč
comMac OS
MetacreationsPoser 3.0www.metacreations.Windows/Intel,Quenti9 900 Kč
comMac OS
MetacreationsRayDreamwww.metacreations.Windows/Intel,Quenti14 340 Kč
Studio 5comMac OS
NewTekLightWave 3D 5.6www.newtek.comWindows/Intel/Alpha,Syntex70 000 Kč
SGI/IRIX, SUNTech.
PixarPhotorealisticwww.pixar.comWindows NT,175 000 Kč*
RenderMan 3.8SUN, SGI/IRIX, Linux
Robert McNeelRhino 1.0www.rhino3d.comWindows/IntelDimensio27 000 Kč,
& Associatesstudenti 7 000 Kč









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.