Процесс создания 3D-графики в фильмах и играх

«Все что существует в реальном мире можно создать в виртуальном, используя правильное сочетание программ и таланта художника».

На сегодняшний день ни один современный фильм и компьютерная игра не обходятся без трехмерной графики. Профессия 3D-художника востребована как никогда. Чтобы начать создавать трехмерную графику, нужно иметь представление об основных инструментах (3D редакторах) и этапах производства (pipeline) 3D моделей.

Особенности процесса создания фильмов

Создание компьютерной графики в фильмах – колоссальная работа, над которой трудятся сотни профессионалов. От сценаристов и режиссеров до целой армии 3D-художников: они занимаются моделированием, текстурированием, анимацией, риггингом и визуализацией персонажей и виртуального мира.

Основные факторы в процессе создания графики:

• сроки работ;
• уровень сложности и качества моделей;
• бюджет проекта.      
   

Особенности процесса создания компьютерных игр

В отличие от фильма, игра – это интерактивное взаимодействие человека и виртуального мира. Поэтому главные факторы при создании игры:

• интерактивность;
• бесперебойное функционирование;
• и только затем визуальный аспект.

Моделер ограничен возможностями игрового движка и консоли. Часто задано строгое количество полигонов для каждого отдельного элемента.

Основные этапы создания и визуализации 3D моделей в кино и game-индустриях

1. Моделирование – создание трехмерных объектов.
2. Текстурирование – наложение текстур и материалов на 3D-модели.
3. Риггинг (от англ. Rig – оснастка) – создание виртуального «скелета», набора «костей»/«суставов» для последующей анимации персонажа.
4. Анимация -  «оживление», анимирование трехмерного персонажа.
5. Рендеринг (3D визуализация) – визуализация созданной графики и запись.
6. Композитинг – объединение отдельных элементов в финальную сцену. К примеру, интегрирование 3D сцен в съемочный материал, цветокоррекция и добавление эффектов.  
    

Моделирование

Способов моделирования множество, рассказать обо всех в одной статье нереально. Мы затронем лишь самые популярные методы.

Процесс моделирования для фильмов и игр в целом схож, однако существуют некоторые различия, а именно:

1. Способ моделирования.

В моделях для фильмов можно использовать кривые поверхности (NURBS-моделирование) и полигоны (полигональное моделирование). В играх обычно используют только полигональные модели, их проще всего визуализировать.

2. Количество полигонов у модели.

Чем больше полигонов у объекта, тем выше детализация и качество. В связи с этим выделяют высокополигональные (high poly) и низкополигональные (low poly) модели. Для фильмов обычно создают высокополигональные модели, рендеринг которых, проходит по несколько часов, а то и дней. В играх же используются низкополигональные модели, визуализация происходит прямо по ходу игры. Часто в компьютерных играх встречается LOD-технология (Level of Detail – «уровень детализации»). Она состоит в упрощении 3D-моделей путем подмены их на более примитивные, когда виртуальная камера (игрок) удаляется от них. Это разгружает систему, и она работает над полной обработкой только объектов в пределах видимости.

Хотя релизы некоторых новых игр и демонстрируют качественное улучшение графики, у моделера стоит сложная задача: создать ощущения высокого качества при ограниченном «полигонаже».

Существует много программ для моделирования. Бесспорным лидером является Autodesk Maya, далее идут Autodesk 3Ds Max и Cinema 4D. Также можно выделить Modo и Blender. Преимущество последнего – бесплатность.  

Если вы хотите заняться цифровым скульптингом, выбирайте такие редакторы, как ZBrush, Mudbox, 3D Coat.

Текстурирование

Текстурирование – не просто подбор цвета и материалов для модели, это целое искусство, которым в кино занимается отдельный специалист - художник по текстурам. Перед его работой моделер создает текстурную развертку (UV-развертка) – двумерное изображение, содержащее поверхность модели. UV-развертки нужны для того, чтобы текстура идеально «легла» на модель и не было никаких ошибок. 

Далее рисуются текстуры и привязываются к модели. Создается целый набор текстур: цвет, карта неровностей (bump), карта нормалей (normal map – создает видимость рельефа), карта рельефа (displacement – создает реальный рельеф), карта бликов (specular), карта прозрачности (alpha) и многие другие. Так создается готовый визуальный образ модели или персонажа: от одежды и волос до морщинок.

Часто в игровой индустрии моделер ответственен и за моделирование, и текстурирование. В кино художник по текстурам – часто отдельная должность. 

Создавать текстурные развертки и текстуры можно в тех же программах, что и модели. Но часто удобнее делать это в UVLayout.

Риггинг

Следующий этап риггинг – создание «скелета», костей модели. Занимаются этим в кино и game-индустрии художники по «оснастке» модели, «сетаперы» (от англ. Setup artist). Еще их называют skinning, rigging artist. Сетаперы создают кости и средства (контроллеры) для управления этими костями, с помощью которых аниматоры могут «оживить» модель.

В кино обычно создается множество сложных контроллеров для аниматоров. Например, для лицевой анимации (facial control rig) и мимики модели. В играх можно обойтись и без них, если персонаж не разговаривает в игре.     

Для риггинга модели подойдут те же 3D-редакторы, о которых сказано выше. Большинство этих программ – комплексные пакеты для создания трехмерной графики, в том числе и для оснастки модели.

Анимация

Чтобы «оживить» трехмерную модель за работу берутся аниматоры. Главная задача аниматора – сделать движения модели максимально реалистичными. Особенно это актуально в фильмах, когда в кадре трехмерному персонажу нужно взаимодействовать с реальными актерами.

Простейшим методом анимации персонажей является Анимация по ключевым кадрам (Keyframes). Аниматор указывает положение персонажа в начальном и конечном кадрах движения, а положение в промежуточных кадрах вычисляется программой. Это простой в реализации способ, но достаточно трудоемкий для создания сложных движений и требует большого умения аниматора для получения реалистичности персонажа.    

Существует еще процедурная анимация, при которой используется специальная программа для управления персонажем.

Напомним и про технологию Motion Capture (система захвата движений). Она подразумевает наложение движений реальных актеров на трехмерных персонажей. Эта технология максимально упрощает анимацию, позволяя использовать уже готовые движения актеров.

Негласным лидером в создании трехмерной анимации является Autodesk Maya. Однако, она не так легка в освоении. Помимо Maya отличные инструменты для анимации – 3Ds Max  и Cinema 4D.

Рендеринг

Завершающий этап – итоговая визуализация (rendering) полученных сцен.

Существует два вида рендеринга – рендеринг в реальном времени и рендеринг не в реальном времени или пре-рендеринг.

В компьютерных играх используется рендеринг в реальном времени. Реакции на действия игрока происходят моментально. Свет, цвет и тени формируются с помощью ранее просчитанных карт и текстур, а объекты перспективно проецируются на экран. Чтобы качество графики при этом не пострадало, в играх часто используются 3D ускорители. Главный критерий в игре – скорость выполнения просчета.

В кино обычно используют пре-рендеринг, когда скорость просчета – не главный фактор, а на первом плане высокое качество изображений. А именно, фотореалистическое качество с физически корректным наложением света и тени. Рендер каждого отдельного кадра может длиться по 20, а то и 100 часов. Фотореалистичный рендер – ресурсоемкая задача, справиться с которой помогут рендер фермы. Они помогают в разы сократить время просчета.

Среди методов рендеринга можно выделить:

• растеризацию с методом сканирования строк (scanline, rasterization);
• трассировку лучей (raytracing);
• метод излучательности (radiosity).

Очень часто методы raytracing и radiosity комбинируются для достижения впечатляющих фотореалистичных результатов.

Стандартные программы трехмерного моделирования включают и функцию рендеринга. Существуют и отдельные рендер-движки. Одни из самых мощных визуализаторов на сегодняшний день – Mental Ray, VRay, Renderman.  

Композитинг

Композитинг является важным завершающим этапом постпродакшена.

И это не просто работа над цветом и слоями: композер объединяет все части в единое целое, интегрирует в съемочный материал трехмерных персонажей и другие 3D элементы, устраняет недочеты и убирает лишнее, работает над различными эффектами. Одним словом, создает одну реалистичную сцену. Композер является ответственным за финальный продукт – фильм, игру.     

Профессиональные программы для композитинга – Nuke, Adobe After Effects, Eyeon Fusion.  

В заключение хочется сказать, что хорошими художниками не становятся в одночасье: нужны многие месяцы и даже годы практики. Выбрав свой путь, старайтесь не расстраиваться, если на первых порах ваши работы далеки от шедевра. Помните: зачастую все, что вы видите в фильмах и играх годами создавалось сотнями профессионалов своего дела. Практикуйтесь и учитесь у профессионалов, и все у вас получится!