Thiết kế đồ họa 3d

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI GIẢNG IT THIẾT KẾ ĐỒ HỌA 3D KHOA THIẾT KẾ VÀ SÁNG TẠO ĐA PHƯƠNG TIỆN PT THS TRẦN QUỐC TRUNG Hà Nội – 2014 MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ĐỒ HỌA 3D 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỒ HỌA 3D 1.2 MỘT SỐ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D 1.2.1 NGUYÊN LÝ MẶT TỨ GIÁC VÀ ĐA GIÁC TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D 1.2.2 SỰ CÂN BẰNG GIỮA CHẤT LƯỢNG VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D 1.2.3 NGUN LÝ XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D QUA HÌNH ẢNH THAM CHIẾU 2D 1.2.4 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VỀ NGUỒN SÁNG TRONG KHÔNG GIAN 3D 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHẦN MỀM DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D PHỔ BIẾN HIỆN NAY CHƯƠNG II: MAYA .11 PT IT 2.1 LÀM QUEN VỚI GIAO DIỆN CỦA MAYA 11 2.1.1 THANH TÁC VỤ CHÍNH (MAIN MENUBAR ) 13 2.1.2 THANH TRẠNG THÁI (STATUS LINE) .14 2.1.3 NHĨM CƠNG CỤ DI CHUYỂN QWERTY .15 2.1.4 THANH CÔNG CỤ SHELF 15 2.1.5 VÙNG LÀM VIỆC (WORK SPACE) .16 2.1.6 BẢNG HIỂN THỊ KHUNG NHÌN (PANNEL LAYOUT) 19 2.1.7 BẢNG CHANNEL/LAYER EDITOR .19 2.1.8 NHĨM CƠNG CỤ LÀM CHUYỂN ĐỘNG 20 2.1.9 LỆNH MEL .21 2.2 LÀM QUEN VỚI NHỮNG CÔNG CỤ VÀ TÁC VỤ (LỆNH) 22 2.2.1 THAO TÁC VỚI NURBS, SURFACES, CRUVES, POLYGONS .22 2.2.2 ĐIỀU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG .26 2.2.3 LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG THEO ĐIỂM, CẠNH, BỀ MẶT 36 2.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CƠNG CỤ DỰNG HÌNH CƠ BẢN TRONG MAYA 43 2.3.1 MỘT SỐ CÔNG CỤ DỰNG HÌNH CƠ BẢN 43 2.3.2 TẠO VẬT LIỆU CHO ĐỐI TƯỢNG 3D 80 2.3.3 ÁP ÁNH SÁNG VÀO MƠ HÌNH 91 2.3.4 SỬ DỤNG CAMERA ĐỂ TẠO HOẠT CẢNH 98 2.3.5 XUẤT HÌNH ẢNH 101 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ĐỒ HỌA 3D 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỒ HỌA 3D Khung hình 3D xây dựng hệ thống đồ hoạ máy tính chiều (3 Dimentional), hệ thống đồ hoạ khai thác chiều không gian chiều ngang – dọc – sâu tạo nên giới hình khối khác hẳn giới hình phẳng 2D Đồ hoạ 3D khai thác tối đa hiệu ứng chiều đổ bóng, chiều ánh sáng, phản chiếu nhờ vào hệ thống nguồn sáng vẽ xử lí máy tính Tuy hình ảnh chụp từ khung hình 3D gọi 2D, chương trình 3D ta chụp nhiều ảnh nhiều góc cạnh khác từ khung hình 3D 1.2 MỘT SỐ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D PT IT 1.2.1 NGUYÊN LÝ MẶT TỨ GIÁC VÀ ĐA GIÁC TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D Hình 1.1: Các thành phần bề mặt đa giác Trong thiết kế đồ họa 3D, hình khối tạo kết nối điểm với để tạo thành bề mặt vật thể gọi Polygon không gian 3D Trong không gian 3D, bề mặt hình khối thường tạo điểm mặt phẳng Tuy nhiên, việc tạo hình 3D, số lượng điểm tạo nên bề mặt nhiều khơng có giới hạn số điểm tạo bề mặt Polygon Trong việc tương tác ứng dụng phần mềm ứng dụng đồ họa 3D họ thường sử dụng IT số điểm tạo nên bề mặt polygon điểm Hình 1.2: Một số loại bề mặt Polygon tiêu biểu tạo thành không gian 1.2.2 SỰ CÂN BẰNG GIỮA CHẤT LƯỢNG VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN DỰNG HÌNH PT ĐỒ HỌA 3D Trong trình thiết kế đồ đồ họa 3D việc cân chất lượng thời gian thực dựng hình điều quan trọng địi hỏi người thiết kế phải có tính toán tư cách khéo léo định tùy theo mục đích thiết kế Một mơ hình 3D đạt chất lượng cần có tiêu chí đánh giá định như: số lượng lưới vật thể, độ đồng mặt lưới vật thể, chân thực chi tiết ngồi cịn hình ảnh vật liệu sử dụng đối tượng Và để đảm bảo tiêu chí hoàn thành khoảng thời gian định định người thiết kế phải có khả đánh giá khả sử dụng phần mềm cách điêu luyện Trước xây dựng thiết kế đối tượng 3D người thiết kế cần phải đánh giá tổng quát đối tượng thiết kế từ loại hình khối để tạo nên đối tượng đến việc phân tách đối tượng làm phần để thực thiết kế đối tượng phức tạp từ đưa phương pháp dựng hình cách hiệu khoảng thời gian định Hình 1.3: Hình ảnh nhân vật 3D thể dạng khung lưới 1.2.3 NGUN LÝ XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D QUA HÌNH ẢNH THAM CHIẾU 2D Trong thiết kế đồ họa 3D, xây dựng vật thể thơng qua hình ảnh tham chiếu 2D phương pháp phổ biến, giúp cho người thiết kế dựng lại đối tượng từ hình ảnh 2D sang 3D cách dễ dàng xác theo hình ảnh kích thước ban đầu hình ảnh 2D IT Để thực phương pháp này, nhà thiết kế 3D cần có hình ảnh liệu 2D theo góc nhìn khác vật thể bao gồm: mặt trước, mặt bên , từ xuống vật thể mặt sau PT ( theo đối tượng cần thiết kế) Hình 1.4 : Hình phác họa 2D nhân vật theo góc nhìn khác Sau có liệu hình ảnh 2D đối tượng, hình ảnh đưa vào khung nhìn phần mềm đồ họa 3D xếp theo trình tự để tái lại hình ảnh đối tượng khơng gian 3D Hình 1.5: Hình ảnh bố trí hình ảnh tham chiếu 2D vật thể không gian 3D Khi thực việc thiết kế 3D hình ảnh 2D nhà thiết kế thường sử dụng phương pháp PT tượng lại IT thiết kế nửa đối tượng sau dùng lệnh phần mềm đồ hoa 3D để chép nửa đố Hình 1.6: Phương pháp modeling nửa nhân vật dùng công cụ phần mềm để tạo đối diện 1.2.4 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VỀ NGUỒN SÁNG TRONG KHÔNG GIAN 3D Trong phần mềm thiết kế đồ họa 3D ánh sáng có vai trị quan trọng việc diễn họa hình ảnh không gian 3D Các nguồn sáng cung cấp ánh sáng cho vật thể khung cảnh, làm cho đối tượng khung cảnh thể giá trị tính chất riêng biệt mà người thiết kế muốn thể rõ ràng biểu cảm Trong phần mềm đồ họa 3D nhằm hộ trợ tốt cho việc hiển thị ánh sáng hoạt cảnh, phần mềm mô nguồn sáng theo loại là: Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng nhân tạo Tuy người thiết kế tùy biến nguồn sáng để tạo hiệu chiếu sáng phù hợp với ý đồ nhà thiết kế PT IT  Hệ thống nguồn sáng: Hình 1.7: Hệ thống xếp nguồn sáng 3D Key light: Hình 1.8: Hình ảnh sử dụng key light lên vật thể Đây nguồn sáng khơng gian 3D giúp chiều sáng cho tồn khung cảnh có cường độ sáng mạnh gọi nguồn sáng (key light) Vị trí nguồn sáng thường đặt góc nghiêng khoảng 30 độ cao phía trước đối tượng Với góc đặt nguồn sáng giúp cho đối tượng tạo bóng đổ tốt đẹp IT Fill light: Hình 1.9: Hình ảnh sử dụng Fill light lên vật thể PT Đây nguồn sáng bổ sung cho nguồn sáng chính, nguồn sáng đặt đối diện với nguồn sáng (Key light) Nó dùng để tạo tinh chỉnh màu sắc bóng đổ vật thể tạo từ nguồn sáng Nguồn sáng thường yếu nguồn sáng Back light: Hình 1.10: Hình ảnh dụng Back light lên vật thể Nguồn sáng Back light đặt sau đối tượng có vai trị làm rõ hình khối vật thể để phân tách vật thể với hình 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHẦN MỀM DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D PHỔ BIẾN HIỆN NAY Khi công nghệ làm 3D phát triển, phần mềm phục vụ cho việc xử lý 3D phát triển mạnh mẽ Hiện nay, có nhiều phần mềm tuyệt vời để phục vụ cho công việc làm phim 3D Chúng ta điểm qua số phần mềm tiếng  Lightwave Lightwave có tính tạo mẫu (modelling) mạnh theo kiểu polygon khơng hỗ trợ NURB Nói chung, Lightwave thuộc loại dễ học so với công cụ làm đồ IT họa 3D khác Với người có kinh nghiệm, tạo đoạn phim đẹp từ  3D Studio Max (Discreet) Max cơng cụ làm 3D chiếm lĩnh công nghệ làm game chương trình 3D phổ biến Cũng có nhiều cơng ty sử dụng để làm phim Max cung cấp tính PT tạo mơ hình, làm animation diễn hoạt ảnh dễ dùng hầu hết tính mạnh lại có từ plug-in kết nối vào Max chương trình 3D xuất trực tiếp diễn hoạt 3D sang Flash Max coi chuẩn công nghệ để phát triển multimedia, chi phí cho plug-in thêm vào Max khiến cho trở nên đắt  Maya (Alias|Wavefront, sở hữu Silicon Graphics Inc.) Maya thời coi chúa tể phần mềm làm phim 3D Hơn năm qua, trở thành kẻ dẫn đầu công nghệ diễn nhân vật cho điện ảnh Gần hơn, giá hạ xuống thích hợp, sử dụng nhiều công nghệ làm game chưa phổ biến Max Maya có tính tạo mơ hình (modelling), diễn nhân vật làm hiệu ứng linh hoạt đáng kính nể Nó phần mềm đồ sộ phức tạp Tính render (diễn hoạt) Maya đem lại kết tuyệt vời không đáng kính nể tính cịn lại Khi nhà điện ảnh làm phim với Maya, họ lại thường làm công việc render phần mềm Renderman Mental Ray Maya  Softimage|XSI (Softimage, sở hữu Avid) XSI phần mềm muộn mằn thị trường phần mềm 3D phát triển công ty chiếm lĩnh thị trường sản phẩm Softimage 3D trước họ Softimage nhiều thị trường phải chia sẻ với Maya năm họ bận phát triển XSI, gần bắt đầu lấy lại thị phần định đối thủ đáng gờm Maya PT IT XSI mạnh việc model polygon subdivision surface, NURB cịn hạn chế Nó hỗ trợ nhiều tính mạnh để làm animation XSI có tích hợp render Mental Ray tạo nhiều thuận lợi để giải vấn đề render mà tất công ty cần Hệ thống render XSI có hỗ trợ hồn hảo cho việc render nhiều bước (render passes) mà tất phần mềm 3D phải giải 10 hình khối lập phương sẻ hiển thị lên hình ảnh map khung nhìn UV texture Editor Điều hữu hiệu việc giúp cho người thiết kế hiểu liên hệ hình ảnh 2D với vật thể 3D khung nhìn phần mềm Maya IT UV texture Editor bao gồm nhiều công cụ hỗ trợ để tinh chỉnh hình ảnh vật liệu UV PT Hình 2.207: Các trạng thái cửa sổ UV texture editor Hinh 2.208: Các công cụ chỉnh sửa UV texture editor 89 Để xuất hình ảnh từ UV texture editor ta làm sau: Hình 2.209: Bảng xuất file UV PT IT Bài tập: Dựng áp vật liệu cho đối tượng sau:  Yêu cầu: Lựa chọn tối thiểu vật thể theo dạng hình học khác hình vẽ để thực áp vật liệu theo phương pháp học: - vật thể hình khối trụ - vật thể dạng mặt phẳng - vật thể dạng đa khối 90 2.3.3 ÁP ÁNH SÁNG VÀO MƠ HÌNH Giới thiệu nguồn sáng Maya: IT Trong phần mềm Maya cung cấp cho người thiết kế loại nguồn sáng bao gồm: Hình 2.210: Bảng vật liệu ánh sáng Maya PT - Ambient - Driectional - Point - Spot - Area - Volume 91 IT  Ambient light: nguồn sáng tạo ánh sáng cho toàn hoạt cảnh Hình 2.211: Hình ảnh ánh sáng ambient light không gian 3D  Directional light: tạo ánh sáng trực tiếp đến vật thể có phạm vị ảnh hưởng đến PT phần ánh sáng chiếu vào Hình 2.212: Hình ảnh ánh sáng tạo từ nguồn sáng Directional light không gian 3D  Point light: Tạo ánh sáng trực tiếp đến vật thể thay đổi tương tác ánh sáng với vật việc thay đổi vị trí nguồn sáng 92 Hình 2.213: Sự thay đổi ánh sáng chiếu đến vật thể theo vị trí nguồn sáng Point light  Spot light: Tạo nguồn sáng theo dạng hình nón từ hướng theo vị trí nguồn PT IT sáng Hình 2.214: Hình ảnh ánh sáng chiếu từ nguồn sáng Spot light đến vật thể  Area: Nguồn sáng tạo từ khung hình chữ nhật 2D để tạo ánh sáng lan tỏa, khoảng cách từ nguồn sáng đến vật thể ảnh hưởng đến phạm vi nguồn sáng  Các đặc tính nguồn sáng Maya: - Intensity - Fall-offf/ decay - Cone Angle 93 - Penumbra Angle - Drop-offf - Color  Intensity: Mức độ sáng phát từ nguồn sáng  Decay: Sự tán sắc ánh sáng từ nguồn sáng đến vật thể  Cone Angle: phạm vi phát sáng theo hình nón thường loại ánh sáng spot light, phạm vi bên ngồi hình nón khơng có phát sáng  Penumbra Angle: làm mịn biến thiên ánh sáng phần phạm vị chiếu tới theo phương thức chiếu ánh sáng dạng hình nón Drop-off: giảm sáng từ phái bên cạnh vật thể  Color: lựa chọn màu ánh sáng theo không gian màu RGB IT   Bóng đổ Maya: PT Trong phần mềm Maya, Mỗi nguồn sáng không tự tạo bóng đổ cho vật thể khơng gian 3D, để tạo bóng đổ người thiết kế cần kích hoạt chế độ tạo bóng đổ phần setting nguồn sáng Để tạo bóng đổ Maya cung cấp cho ta loại bóng đổ là: - Depth Map - Raytrace Với hai chế động tạo bóng đổ tạo loại bóng đổ khác từ nguồn sáng maya để mô lại tính chất từ ánh sáng thực tế Phương pháp tạo bóng đổ theo Depth map Ray traced thường có tính chất tương tự nhau, nhiên chế độ Depth map có thời gian xuất hình ảnh nhanh thương nên chọn chế độ Depth map để tạo bóng đổ nhiều trường hợp trừ khơng thể đáp ứng nhu cầu người thiết kế ta chuyển sang chế độ khác - Depth Map: 94 Hình 2.215: Bóng đổ theo định dạng shadow map IT Chế độ bóng đổ Depth map thường tạo hiểu ứng tốt nhiều trường hợp với lợi thời gian xuất ảnh nhanh Depth map thể từ khoảng cách nguồn sáng đến bề mặt vật thể Mỗi điểm ảnh phần bóng đổ Depth map tái lại khoảng cách từ ánh sáng đến vị trí gần tiếp nhận bóng đổ bề mặt vật thể điều kiện định nguồn sáng Để kích hoạt chế độ bóng đổ Depth map ta làm PT theo hình vẽ: Hình 2.216: Bảng lựa chọn chế độ Depth map shawdows phần Light setting 95 - Raytrace shadow: Chế độ bóng độ Raytraced dạng bóng đổ tạo từ việc tính tốn phần tia sáng từ nguồn sáng đến vị trí cuối Sử dụng bóng đổ Raytraced để tạo bóng đổ có độ chân thực cao giống đời thật là: o Tạo bóng độ chuyển màu mờ đục bóng đổ xác định dựa khoảng cách từ nguồn sáng đến vật thể o Tạo bóng đổ từ bề mặt suốt PT IT Để tạo bóng đổ dạng Raytraced ta lựa chọn theo chế độ hình vẽ: Hình 2.217: Bảng lựa chọn chế độ Ray trace shawdows phần Light setting 96 Bài tập: PT IT Áp dụng nguyên lý học chương nguồn sáng học maya để tạo ánh sáng trường hợp sau:  Yêu cầu: - Sử dụng phương pháp nguồn sáng để thực việc tạo ánh sáng cho khung cảnh - Tinh chỉnh nguồn sáng theo góc độ khác màu sắc ánh sáng để tạo khung cảnh có ánh sáng khác 97 2.3.4 SỬ DỤNG CAMERA ĐỂ TẠO HOẠT CẢNH Camera Maya có khả sử dụng linh hoạt so với camera bên thực tế, camera phần mềm tạo góc quay hiểu ứng hấp dẫn mà bên thực tế khả thực PT IT Trong phần mềm Maya cung cấp cho người thiết kế loại camera là: Hình 2.218: Camera Maya  Basic Camera: Đây camera thường sử dụng cho những cảnh tĩnh chuyển động (di chuyển lên, xuống, di chuyển hai bên, từ ngồi ngược lại) Để sử dụng camera ta vào phần Create > Cameras> Camera  Camera and Aim: Đây camera sử dụng chuyển động phức tạp di chuyển theo đường path định trước Để sử dụng camera and Aim ta vào phần Create> Cameras> Camera and Aim 98  Camera, Aim, and Up: Đây camera sử dụng tốt cho chuyển động phức tạp camera di chuyển theo dạng quỹ đạo xoay trịn liên tục khơng gian Để sử dụng Camera, Aim and Up ta vào phần Create> Cameras> Camera, Aim, and Up Ngồi Maya cịn cung cấp thêm loại camera Stereoscopic Camera, loại camera thể hình ảnh khơng gian 3D chiều để tái lại hiệu ứng khơng gian 3D Khi xuất hình ảnh từ loại camera này, phần mềm tính tốn để tạo kênh hình ảnh song song chỉnh sửa kết nối phần mềm hậu kỳ PT IT  Thao tác với camera: Hình 219: Các thao tác với Camera 99 PT IT  Cấu hình Camera: Hình 2.220: Bảng tinh chỉnh camera Bảng thể thành điều khiển đặc tính camera phần mềm Maya Góc nhìn (Angle of View) khoảng cách tiêu cự thể hiển thị vật thể khung nhìn Kích thước camera (Camera Scale) giúp thay đổi kích thước camera ảnh hưởng đến khung nhìn xuất hình ảnh khung nhìn ngồi Thơng thường tỉ lệ kích thước camera góc nhìn ( Angle of View) thường gấp đơi Ví dụ như: Giảm kích thước camera bang giá trị 0.5 so với góc nhìn camera làm cho kích thước vật thể khung nhìn bị phóng to gấp lần Clip Planes bảng tinh chỉnh độ xa gần vật thể với camera độ xa gần ( Depth of Field) tạo mức độ thị xa gần vật thể Khi vật thể nằm xa gần vật thể focus bị mờ theo tùy vị trí khác 100 2.3.5 XUẤT HÌNH ẢNH Xuất hình ảnh (rendering ) giai đoạn cuối trình làm đồ họa 3D Xuyên suốt trình trước tạo vật liệu, đặt ánh sáng, lựa chọn góc camera đến cơng đoạn hiển thị hình ảnh khung nhìn với hình ảnh từ vật liệu đến ánh sáng liệu hình ảnh chuỗi hình ảnh chuyển động (tùy vào mục đích người thiết kế ) Q trình render q trình tính tốn phức tạp với thuật toán phần mềm Maya lúc phần mềm làm cho máy tính vận hành liên túc với tốc độ cao để xuất hình ảnh khoảng thời gian định Hình ảnh chất lượng cao thời gian xuất ảnh lâu người thiết kế cần phải tính tốn thật khéo léo để cân chất lượng hình ảnh thời gian hoàn thành sản phẩm Phần mềm Maya cung cấp phương pháp xuất IT hình ảnh bao gồm:  Software Rendering: Đây phương pháp xuất ảnh Maya, phương pháp đem lại hình ảnh chất lượng cao đáp ứng nhu cầu sản phẩm nhiều trương hợp khác PT Phương pháp sử dụng phần CPU máy để thực trình xuất ảnh phương pháp trái ngược với phương pháp Hardware rendering Tuy nhiên phương pháp khác nhiều thời gian để xuất ảnh  Hardware Rendering: Hardware Rendering sử dụng card đồ họa máy tính cài đặt máy tính để xuất ảnh Phương pháp thường đem lại khả xuất ảnh nhanh Software Rendering, hình ảnh xuất có chất lượng so với Software Rendering Trong số trường hợp, Phương pháp đáp ứng tốt cho việc sử dụng hình ảnh cho số kênh truyền thông Hardware Rendering xuất số liệu hiệu ứng là: tính bóng đổ , tương phản số hiệu ứng tiền kỳ ( post-process effect) Để thể hiệu ứng cần sử dụng phương pháp Software Rendering 101  Vector Rendering: Phương pháp Vector Rendering giúp tạo kiểu rendering theo số tính chất khác (hoạt hình, tonal art , line art, hidden line, wireframe) PT IT  Cấu hình render: Hình 2.221: Bảng tinh chỉnh render(1) 102 IT PT Hình 2.222: Bảng tinh chỉnh render(2) 103 ... 3D 1.2 MỘT SỐ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D PT IT 1.2.1 NGUYÊN LÝ MẶT TỨ GIÁC VÀ ĐA GIÁC TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D Hình 1.1: Các thành phần bề mặt đa giác Trong thiết kế đồ họa 3D, ... PT ĐỒ HỌA 3D Trong trình thiết kế đồ đồ họa 3D việc cân chất lượng thời gian thực dựng hình điều quan trọng đòi hỏi người thiết kế phải có tính tốn tư cách khéo léo định tùy theo mục đích thiết. .. VỀ ĐỒ HỌA 3D 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỒ HỌA 3D 1.2 MỘT SỐ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA 3D 1.2.1 NGUYÊN LÝ MẶT TỨ GIÁC VÀ ĐA GIÁC TRONG DỰNG HÌNH ĐỒ HỌA