Частицы, эффекты и постобработка

При разработке виртуальных объектов, в которых присутствует некое пространство, обычно требуется избежать его безжизненности. Для этого используется ряд эффектов, позволяющих придать такому 3D-пространству реалистичность. Рассмотрим, к примеру, так называемые системы частиц...

Окружающий мир заполнен самыми разными частицами. Микрочастицы сажи и пыли в воздухе, видимые в солнечном луче, капли воды в струе пара, пузырьки газа в воде — и всё это нужно уметь воспроизвести в компьютерном трехмерном пространстве. Конечно, можно ограничиться схематичным изображением среды обитания основных объектов. Однако чаще всего приходится воздерживаться от стерильности и создавать свою среду для каждого отдельного случая.

Вот здесь и приходят на помощь частицы и их системы. Они оживляют картинку, создают тот самый характерный элемент, без которого, к примеру, деревенская изба лишена уюта и очарования обжитости, а пейзаж — естественности из-за отсутствия атмосферных явлений. Создание и настройка системы частиц — дело тонкое и хлопотное. Современное программное обеспечение предлагает художнику компьютерной графики огромное количество способов имитации не совсем прозрачных сред. Рассмотрим несколько очевидных и наиболее часто применяемых вариантов работы.

Первый вариант. Вы можете выполнить всю работу с помощью стандартных средств «большой» 3D-программы, в которой создавался сам проект (или его основная часть). Стандартные средства хороши, когда эффекту не требуется особой реалистичности или он будет достаточно удален от «камеры». Например, столбы дыма от горящих вдалеке нефтяных месторождений можно сделать в 3ds max, используя системы частиц, каждая из которых представляет собой небольшую плоскость, развернутую к зрителю. В качестве текстуры на такую плоскость можно наложить темное неоднородное пятно с размытыми краями. Несколько систем частиц будут имитировать динамику столба дыма в разных стадиях и соответственно различаться по цвету. Например, в нижней части столба дым густой, плотный, черный и подсвечен красным, в верхней части — рассеянный, светлее и прозрачнее. Таким же образом создаются белые плотные столбы пара, только на частицы-плоскости накладываются белые пятна.

Совет: обратите внимание, как движутся клубы дыма или пара в реальности. Хороший объект для наблюдения — большие трубы теплоэлектростанций. Присмотритесь, как распределяются отдельные клубы в общей струе пара, — эти наблюдения очень пригодятся при создании 3D-эффектов.

Набор стандартных инструментов для создания «атмосферы» картинки невелик и потому годится разве что для совсем простеньких сцен, где реалистичность имеет второстепенное значение. Например, развести огонь несложно, но когда нужно заставить его правильно огибать горящую поверхность предмета при крупном плане и прямом ракурсе с высокой степенью реалистичности, то исключительно стандартными методами не обойтись. Допускаем, что создатели 3ds max сочли, что стандартного набора систем частиц, состоящего из брызг, снежинок, облака частиц и т.д., будет вполне достаточно. Вооружившись им, можно смоделировать дождь, снег, дым, огонь, звездное небо, морской прибой, струи фонтана, искры электросварки — одним словом, все что угодно. Но времени и сил на создание такой сцены уйдет очень много. К тому же, как отмечают дизайнеры, один из недостатков стандартных средств заключается в следующем: довольно сложно предугадать результат, которого можно достичь при изменении той или иной настройки. Опытный пользователь на глазок определяет требуемую плотность тумана или частоту мерцания пламени. А как быть, если времени для работы не так много и экспериментировать с настройками, каждый раз проводя новый рендеринг, некогда?

Второй вариант. Для решения вышеперечисленных проблем при разработке эффектов, основанных на системах частиц, можно использовать специализированный софт (например, SITNI SATI AfterBurn для 3d max). Множество крупных и не очень компаний предлагают свои плагины (часто freeware, то есть бесплатные). Для того чтобы еще до рендеринга посмотреть на форму системы частиц в плагине PyroCluster, можно задействовать режим Preview (предварительный просмотр). А запустив анимацию, можно наблюдать, как поведут себя элементы эффекта (к примеру, скопление туч на горизонте).

Совет: не забывайте о сочетании эффектов друг с другом и их взаимодействии с базовой 3D-площадкой. Например, при моделировании костра, чтобы добиться максимально натуралистичного эффекта, рекомендуем применить эффект «ветер». Он действует подобно эффекту «гравитация» — обладает способностью толкать и притягивать частицы, а также хаотически искажать их движение. «Ветер» будет раздувать столб дыма, придавая ему гораздо более естественный вид, а при создании брызг и струй воды отклонять их в определенном направлении. Точно так же не упускайте из внимания такие деформации, как гравитация, давление, торможение и т.п. Подобные внешние силы нельзя не учитывать, поскольку в реальности любые частицы в пространстве падают под действием силы тяжести и могут изменять траекторию под действием ветра, взрывной волны и т.д.

Интересно, что с помощью систем частиц вы можете создать волосяной покров персонажа или даже травяной покров на сколь угодно большом участке земли. Траву, волосы или шерсть прорисовывают в виде сложных систем частиц и эффектов, запрограммированных как отдельный модуль или большой пакет. Их визуализация и приемы освещения часто кардинально отличаются от твердых тел. О сложностях прорисовки волос и шерсти мы упоминали в предыдущей публикации, касающейся создания 3D-персонажей. Использование системы частиц существенно повышает качество изображения волос или шерсти (вплоть до фотореализма). Вы просто задаете каждый волос как частицу с определенной длиной (размером), текстурой и другими нужными параметрами, установив в качестве эмиттера (области испускания частиц) требуемую область кожи головы или тела, и придаете ей динамику, заставляя волосы покачиваться от ветра или виться. Все остальное компьютер сделает сам, размножив волосы-частицы. Без системы частиц для прорисовки каждого волоса дизайнеру пришлось бы потратить огромное количество времени и колоссальные мощности, которые используемая ныне компьютерная техника 3D-анимации вряд ли способна обеспечить. Дополнительные модули удобны для создания наиболее реалистичных систем частиц, имитирующих, к примеру, эффекты взрыва, огня и дыма. Такой способ применяется при создании компьютерных эффектов для кинематографа, игр и телепрограмм и дает наиболее высокую детальность и достоверность. Все плагины, используемые для создания конкретного эффекта или группы эффектов, различаются по степени производительности. Одни из них требуют больше времени на рендеринг, другие — меньше. Различаются и объемы мощностей, необходимых для разных программ. Поэтому целесообразность привлечения дополнительных модулей неоднозначна в каждом конкретном случае.

Совет: При создании эффекта «туман» следует помнить, что это очень сильный эффект, поэтому использовать его надо только по мере необходимости. При этом большая часть неба должна совпадать по цвету с туманом во избежание слишком резкой границы между небосводом и вашей 3D-площадкой. Кроме того, в темных местах светлый туман иногда используется для осветления картинки. Светлый туман часто применяется вместе со снегом. Неотделим от тумана и дождь как способ создания атмосферы. В последнем случае не забудьте добавить лужи, всплески от капель, блеск воды в разнообразных щелях.

Третий вариант. В этом случае динамика частиц разрабатывается в 3D, а внешний вид прорисовывается на этапе постобработки. Рассмотрим в качестве примера эффект, изображающий выброс раскаленного газа и пламени из двигателя самолета, сопла ракеты или космического корабля. Обратите внимание, что сами по себе выбросы прозрачны. Несмотря на это, они видны в воздухе, так как искажают пространство, лежащее за ними (для большей ясности в описании этого эффекта представьте марево в жаркий день над раскаленным асфальтом или песками пустыни). Как все это нарисовать? Берем стандартную систему частиц, скажем Spray в 3ds max, и визуализируем таким образом, чтобы получился белый фон или альфа-канал (прозрачность). Частицы — соответственно черные на белом, черные на альфа-канале или белые на альфа-канале. В нашем случае придется использовать несколько систем частиц — для искажения, голубого и оранжевого цветов. Послойно и отдельно от главной картинки рендерим три системы частиц, затем загружаем результаты рендеринга в любой софт для постпродакшна (например, в Adobe After Effects) и подкладываем остальную картинку. Получаем многослойность: нижний слой — основная картинка, бэкграунд, а сверху — система частиц и наложенный эффект. В итоге в нашем примере первая система частиц искажает пространство хаотичным образом, волнообразно, что и создает требуемое искажение. Вторая система частиц — языки синего цвета чуть меньшего объема — тоже искажает пространство, но при этом еще и подкрашивает его. Далее добавляется третья система — языки оранжевого цвета, которые еще короче синих. Дополнительно можно добавить желто-оранжевое свечение у самого сопла двигателя. Наш эффект готов.

Описанный способ легче первых двух. Он не требует длительного рендеринга, так как подбор параметров производится в режиме реального времени: вы изменяете величины и тут же видите, как это влияет на картинку. Однако данный способ применим только в том случае, когда готовое изображение будет показано, и только при статичном объективе условной камеры. В интерактивном 3D-продукте, а именно в компьютерной игре и других видеоизображениях, способных менять угол обзора по желанию конкретного зрителя, придется использовать другие способы отрисовки систем частиц. Это объясняется плоскостью эффекта, созданного на этапе постпродакшна. Заметьте — не картинки, а именно эффекта: при изменении точки съемки систему частиц придется прорисовывать каждый раз заново, а такая работа нерациональна и трудоемка. Кроме того, излишние сложности вы создадите, пытаясь изобразить таким способом не только общую динамику системы частиц, но и динамику частиц внутри их системы. К примеру, довольно трудно будет показать, как двигаются отдельные клубы в столбе дыма или в струе пара.

Мы рассмотрели три самых распространенных способа создания и прорисовки эффектов, основанных на системах частиц. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки и выбирается исходя из конкретной задачи, поставленной перед дизайнером.