Любая большая модель начинается с быстрого драфта, эдакого трёхмерного «наброска», для создания которого достаточно самых простых форм и приёмов. На серии стримов мы подробно поговорили об этом этапе работы с Дмитрием Копейкиным — 3D-художником, который работал над World of Tanks, War Thunder, Escape From Tarkov, и преподавателем курса Draft Punk.

В тексте собрали ключевые моменты серии, в которой также затронули тонкости выбора софта, работу с референсами, типичные ошибки на этапе драфта и способы профессионально реализоваться в области 3D.

На стриме Дмитрий работал в Maya и кратко рассказал о плагинах, которые он использовал, а за основу для модели взял концепт-арт выше.

— Material Manager 5 — компактный менеджер материалов.

— AMT Normal Tools — плагин, который позволяет создавать сглаженные грани, но при этом не ломать их шейдинг.

— Interactive Bool Tool — плагин для более удобной работы с «булианами».

— UVL — инструмент, который позволяет делать UV-развёртку прямо в Maya, а не открывать её в отдельной программе.

Художник отметил, что плагины он использует не так часто, как горячие клавиши, которые очень сильно ускоряют работу. Он посоветовал привыкнуть использовать «хоткеи», чтобы не тратить время на поиск нужной функции в меню.

Что такое драфт

Как и в любом арте, в 3D есть этап наброска. По словам Дмитрия, драфт (его же иногда называют «блокаутом» или «бейзмешем») — очень важная фаза создания модели, так как на ней можно допустить самые неприятные ошибки. Даже оружие с правильной топологией и хорошим шейдингом в итоге может оказаться совсем не похожим на референсы и не передать зрителю те эмоции, которые в него закладывались, если у него был плохой драфт. На нём у художника уже должно быть полное понимание модели.

[На этапе драфта] у вас не должно оставаться никаких вопросов: что и куда стыкуется, как та часть соотносится с этой и так далее.
Дмитрий Копейкин
3D-художник, преподаватель курса Draft Punk

В то же время в драфте можно не следить за полигональной сеткой — всё внимание должно быть направлено на детали, ритмы и пропорции.

Кстати, не обязательно доводить каждый свой драфт до конца — иногда это хороший способ просто опробовать какую-то идею на базовом уровне.

Разбиение на основные элементы

Для начала Дмитрий разбил будущую модель на базовые и второстепенные формы. Поскольку бочка привлекает больше всего внимания, её нужно делать в первую очередь. По словам художника, всегда нужно идти от общего к частному — этот принцип работает на протяжении всей работы над моделью, — но не углубляться в мелкие детали сразу. Хотя без второстепенных элементов часто нельзя «состыковать» пропорции, так как они «читаются» иначе после добавления меорчей.

Самые большие ошибки в модели появляются именно на этапе драфта. Люди могут строить оптимизированную сетку, делать качественную хай-поли модель с идеальным шейдингом, но при этом забывают про основные пропорции, и на выходе получается модель, которая от них не требовалась. А вот на драфте мы можем очень быстро всё это править.
Дмитрий Копейкин
3D-художник, преподаватель курса Draft Punk

Базовые форму будущей повозки

Сначала Дмитрий не обращал внимания на пропорции и просто создавал основные составные элементы модели вроде бочки и колёс. В разговоре о масштабе он затронул тему референсов и посоветовал брать фото в качестве примера будущей модели, не пытаться подстроить камеру 3D-пакета под ракурс картинки и так тренировать свой «глазомер». Хотя заказчики иногда присылают заготовки или вспомогательные объекты, чтобы художнику было проще определиться с пропорциями. Например, руку персонажа для оружия.

Дмитрий также считает, что не стоит в качестве референса для танка или другой техники брать чертежи, так как в интернете найти настоящие может быть очень сложно. Большинство схем — это просто «перерисовки» с фотографий, которые могут вылиться в значительные расхождения с реальностью.

Промежуточный этап работы над повозкой

По словам Дмитрия, лучше дробить объект на примитивы на основе своего восприятия, а не технических подробностей — если, конечно, речь идёт не о модели со сложными и детальными анимациями, которые зависят от функциональности отдельных элементов.

Особенности работы на этапе драфта

Художник считает, что нет смысла использовать кастомные материалы при покраске драфта — достаточно основных оттенков, которые помогают примерно понять внешний вид объекта и «на ходу» найти интересные цветовые решения. К тому же, через простые цвета легче почувствовать пропорции и объём модели.

Какого-то «правильного» порядка «заливки» нет, но на курсе драфт советуют красить после основной работы над ним.

Драфт повозки «в цвете»

После покраски на драфт добавляются детали. По словам художника, не стоит уходить в перфекционизм и подгонять их один к одному, но лучше добавить побольше этих мелочей — такая практика в будущем поможет в работе над более сложными моделями и референсами. Ведь если, например, полениться добавить какую-то деталь в 3D и вставить её на текстуре, пропорции этого элемента в финальном объекте могут не соответствовать референсам и задумке.

Дмитрий добавил брезент под решётку на бочке — необязательную, но важную для внешнего вида модели деталь

Кстати, работа над деталями также зависит и от «будущего» модели. Например, повозке для RTS не нужна особая детализация, так как игрок её просто не заметит. По словам Дмитрия, всегда нужно отталкиваться от того, с какого ракурса зритель будет смотреть на вашу работу. А особого перехода к «этапу детализации» нет — количество мелких элементов наращивается постепенно по мере проработки драфта.

Лучше всего делать его как можно ближе к финальной модели, чтобы потом нужно было просто сгладить углы и немного повысить детализацию, а не вносить радикальные изменения. В пример такого подхода Дмитрий привёл свою модель пистолета, драфт которой очень похож на готовый вариант.

Слева — готовая модель, справа — драфт

Основные ошибки на этапе драфта

Одна из самых частых ошибок в наброске модели — злоупотребление угловатыми элементами. Хотя топология на этой фазе не важна, лучше стремиться к наиболее плавным формам, если их требует референс. В противном случае «угловатости» могут запутать при работе с пропорциями — к примеру, цилиндр с шестиугольником в основании даёт совсем не те ощущения, что цилиндр с двадцатиугольником.

Слева — неправильный драфт, справа — правильный

Другая типичная проблема заключается в «сшивании» элементов в один большой объект. Дмитрий показал это на примере чайника, у которого геометрия носика — одно целое с основой. Гораздо лучше составлять такие детали из нескольких простых объектов. К тому же, при таком подходе намного проще вносить изменения в модель — отдельный носик легче повернуть, чем часть цельной геометрии.

Третья ошибка, которая встречается у многих на этапе драфта — это ненужная детализация, которая влияет на удобство использования и правки объекта. Она относится к более поздним этапам работы, как и слишком точное исполнение форм. По словам Дмитрия, не стоит гнаться за «миллиметражом» в создании модели — в первую очередь нужно воспринимать её с художественной точки зрения, а не инженерной.

Детализированный драфт в цвете

Разный софт и первые шаги в индустрии

По мнению Дмитрия, каждому 3D-художнику необходимо знать ZBrush. Даже в Hard Surface эта программа может сильно ускорить работу — например, с плавными формами, вспомогательной геометрией и шейдингом. К тому же, в ZBrush можно разнообразить внешний вид модели с помощью мелких деталей вроде сколов металла.

Иногда в студиях есть конкретные требования к 3D-пакету. Художник рассказал, что в моделировании обычно нет жёсткой взаимосвязи между «софтом» художника и игровым движком, поэтому создавать модели можно в любой удобной утилите, главное — предоставить их в нужном виде заказчику. Даже в Blizzard 3D-художники работают в тех программах, в которых умеют, а не в установленных каким-то «регламентом».

Дмитрий советует выбирать тот софт, который нравится лично вам, а не тот, который наиболее востребован индустрии — он на своём опыте ощутил, что это препятствует развитию навыков. Также стоит учитывать, что если вы овладеете основами одной программы, то сможете их легко применить и в другом редакторе, так как многие 3D-пакетов очень похожи.

От софта не зависит и точность работы, но иногда полезно доделать какой-то этап в другой программе. В пример Дмитрий привёл плавный переход куба во встроенный в него цилиндр, который гораздо удобнее и быстрее сделать в ZBrush, чем в Maya. Единственный минус такого подхода в том, что после ZBrush будет очень сложно внести в модель какие-то радикальные изменения.

Цилиндр и куб из Maya, сшитые с помощью ZBrush

Особых «законов» нет и по времени работы над драфтом. По словам Дмитрия, необязательно всегда придерживаться «правила 40 минут», которое работает на курсе Draft Punk.

[Это ограничение] даётся лишь для того, чтобы художники не уходили в какую-то сверхмаленькую детализацию и не сидели на одной модели слишком долго.
Дмитрий Копейкин
3D-художник, преподаватель курса Draft Punk

В то же время такое ограничение помогает привыкнуть к работе со временем: в сотрудничестве с заказчиком важно понимать, сколько у вас занимает тот или иной этап.

Детализированный драфт

На стриме Дмитрий ответил на пару вопросов о том, как попасть в индустрию. Он считает, что не стоит начинать свой «путь» в 3D с собственного дизайна — лучше побольше попрактиковаться на воссоздании готовых чужих артов и моделей, чтобы понять, как они устроены изнутри, а после этого уже учиться воплощать свои фантазии. В то же время важно пораньше озаботиться созданием портфолио. Хотя у самого Дмитрия не так много публичных работ — заказчики сами его находят благодаря хорошей репутации.

Также он посоветовал ресурсы, которые могут помочь при работе с 3D. В первую очередь в их понимании очень пригодится знание английского языка, так как большая часть игровой индустрии «говорит» на нём. Главным сайтом по теме Дмитрий назвал Polycount, но отметил, что на Reddit тоже можно найти полезную информацию.

А в работе с заказчиками Дмитрий посоветовал сразу просить референсную модель. Например, если вы делаете что-то для целого проекта, то на нём, скорее всего, уже есть похожий объект. На нём вы можете посмотреть, как можно распределить полигоны, сколько там сегментов скругления и другие детали.

В чем разница?

Если мы просто измерим расстояния до отдельных точек на окружающих нас предметах и сохраним их координаты, то мы получим "облако точек". Облако - это просто модное слово, с небом оно не связано, имеется ввиду, что точек много. Ничего, кроме координат точек и (может быть) ее цвета, у нас нет. По такой записи невозможно восстановить все поверхности предметов, но можно приближенно представить себе как оно выглядело. Именно облако точек составляют современные лидары (лазерные радары на самоуправляемых авто), 3D-сканеры, Face-id в яблочных телефончиках. AutoCAD тоже уже умеет хранить эти данные не в виде неудобных отдельных точек, а целым облаком (Point Cloud). Это полезная информация, но по ней не нарисуешь мультик и не сделаешь чертежи. Если смотреть из далека, то точки сливаются в сплошной фон. И это похоже на то, что видели наши глаза. Но как только в приближаете это облако по ближе на экране - точки расползаются в пространстве и вы видите, что между ними ничего нет - мы сохранили слишком мало точек. И их всегда будет мало, как ни старайся.

И теперь нам предстоит по этим точкам построить модель, которую можно будет приближать. Самый простой способ - заполнить пространство между точками плоскостями. Плоская фигура, ограниченная несколькими точками на языке математиков называется полигон. Но на самом деле из всех возможных полигонов в 3D графике используется только один, самый простой - треугольник. Берем ближайшие 3 точки на поверхности нашего объекта и чисто условно говорим - а вот между ними я буду считать, что тут все плоское и это это сплошной треугольник, без дырок и выступов. И вот мы уже чудесным образом получили Полигональную модель. Для хранения в компьютере такой модели нам достаточно запомнить координаты вершин треугольников. Это просто и быстро. Пересчитать эти координаты для различных точек зрения - тоже просто. Исходное облако точек можно очень сильно подсократить - ведь многие точки оказались на одной плоскости. Если не заморачиваться раскраской, то на экране мы увидит множество линий соединяющих точки по типу рыбацкой сети. Вот так и называют полигональные модели в AutoCAD - Сеть = Mesh или устаревший вариант Многогранная сеть = Polyface Mesh.

Для полноценного фотореализма нам конечно понадобиться сохранить картинки для раскраски каждого треугольника (текстуры), научиться скруглять углы, научиться рисовать шероховатые поверхности и еще много чего. Но все это умеют делать современные видеокарты и поэтому процесс прорисовки и вращения происходит настолько быстро, что можно делать интерактивные 3d-игры. Именно такие Полигональные модели используются для всех фотореалистичных картинок и мультиков. Их легко искажать, трансформировать, анимировать. Да, в них не может быть гладкой сферы, но это и не важно - хитрые приемы "замылят" глаза публике и никто почти не заметит сети и грани. А что будет если разрезать полигональную модель? Внутри-то у нее ничего нет! Мы просто увидим обратные стороны треугольников - то же тело изнутри. Хм, но в реальном мире так не бывает. И тут мы подходим к концепции твердого тела.

Само название "твердотельное" моделирование (solid modeling) происходит от идеи, что программа при любом разрезе такой модели, должна опять замкнуть поверхности и изобразить какое-то однородное внутренне заполнение этой модели. Но на самом деле концепция твердотельного моделирования немного сложнее. Дело не только в том, что мы видим внутри, а дело в том что теперь поверхности каждого объекта мы запоминаем, не как множество треугольников, не как Сеть, а как сплошную непрерывную поверхность, описываемую математически. Надо запомнить плоский полигон? Нет проблем - описание будет состоять из математической формулы плоскости в 3d и плюс еще такими же формулами записанные 3d-контуры границ этой поверхности - линии или кривые. Для каждого типа поверхностей свои формулы, для каждого типа кривых - свои. AutoCAD знает формулы для плоскости (объект Region), для цилиндра, конуса, сферы, тора (объект Surface) и для произвольно изогнутых поверхностей - хоть волны, хоть спирали - все можно описать формулами. При этом в файле dwg сохраняются только коэффициенты из этих формул. Все точки поверхности программе надо рассчитывать, используя сложные формулы. Каждое "твердое тело" может состоять из множества поверхностей (граней), которые должны быть идеально состыкованы кривыми линиями (ребрами). А точки стыковки ребер, называются вертексами. Принципиальное отличие твердотельной модели от полигональной, не в том что программа создаст новые грани на разрезе, а в способе описания поверхностей, в поверхностях сложной формы, которые теоретически можно приближать бесконечно долго - и вы всегда будете видеть плавные формы, а не ломаные полигоны. Правда, жизнь накладывает свои ограничения... но в теории так. Возможность построить модель с любой заданной точностью - это именно то, что и надо инженерам. Это позволит делать точные расчеты массы и прочности. Это позволит изготавливать детали на высокоточном оборудовании и получить реально работающие механизмы.

Достоинства и недостатки

Теперь вы знаете, что "твердотельный" - это не про замороженные трупы :) Теперь можно разобраться, почему используются обе системы моделирования.

Полигональная модель - это прежде всего упрощенная модель. Быстрота отображения здесь на первом месте. Абсолютно все 3d-программы могут хоть как-то работать с полигональными моделями. С полигонами (и только с ними) работают все программы для дизайнеров и аниматоров. Всем известные 3DS-Max, Maya, Blender - это чисто полигональные программы, никакой инженерной логикой и твердотельностью там и не пахнет. И не надо - задачи там другие. К сожалению есть программы, которые "косят" под инженерные, но работаю только с угловатыми полигонами. Например, SketchUp. Вполне пригодны полигональные модели для печати игрушек на 3d-принтерах. Для таких задач их точности вполне достаточно.

Программы полигонального моделирования как правило содержат простые средства для искажения формы объектов. У них всегда много способов наложения текстур, тонкие и сложные настройки рендеринга для достижения максимального фотореализма. Есть возможности делать анимации.

Недостаток полигональной модели - низкая точность. Можно конечно наращивать количество треугольников. Но тогда простота и скорость отрисовки пропадает. Серьезные расчеты делать на такой модели нельзя. Описать процесс изготовления детали, по ее форме тоже не получится - тут вообще нет ни цилиндров ни конусов - сплошные треугольники.

В AutoCAD можно открыть модели, импортированные из 3DS-Max и тому подобных программ. Но результат вас не порадует. Как правило пользователи этого класса программ не заботится о точности размеров, рисуют, тыркая в произвольные места экрана, без привязок, и не напрягаются, когда объекты заезжают друг внутрь друга, оставляют щели между полигонами. Это все происходит из-за отношения к полигональной модели как к эскизу. Чисто для красоты картинки, но не для дела. Для CAD-программ полигональные модели инородны, работа с ним не оптимизирована. Сложные сети из тысяч и сотен тысяч полигонов прекрасно крутятся в Max, но дико тормозят в AutoCAD. Старые "Многогранные сети" вообще даже нельзя нормально обмерить - привязки на них не работают. Преобразовать штатными средствами в твердое тело тоже не получится. Кстати, насчет преобразования - обратите внимание на мою программу "Сеть в солид" - во многих случаях это спасение.

Преимущества твердотельного (то есть математического) моделирования очевидны - точность, возможность расчетов, экспорт в CAM для точного изготовления на ЧПУ. Они гораздо ближе к законам физики поэтому только их используют для автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, проверки и оптимизации изделий.

Недостатков тоже хватает. Прежде всего это вычислительная сложность. Формулы для расчета положения каждой точки могут быть неимоверно сложными. Даже простые операции требуют много расчетов. Например, когда мы отображаем на экране полигональную модель, то на всех краях в любом ракурсе мы видим ее ребра. Это простые линии, которые очень легко рисовать. Но у твердого тела могут быть выпуклости, которые мы видим в некоторых ракурсах как край тела. Там нет ребра! Например, у сферы вообще нет ребер, но мы же ее видим, видим четкий край - окружность. Такие "виртуальные" края называются силуэтами. Вращая модель, вы заставляете программу очень быстро пересчитывать формулы поверхности, чтоб вычислять все новые и новые силуэты.

Еще одна проблема проистекает из того, что все 3d-игры сделаны, конечно, на полигональной графике. Поэтому все видеокарты, 3d-ускорители работают только с ней. И значит, чтобы показать любую твердотельную модель на экране программа должна сначала полностью рассчитать все формулы, ребра, силуэты; затем преобразовать все это в треугольники-полигоны и только после этого можно передать работу вашей дорогой видеокарте. Видеокарта справится мгновенно, картинка сразу появится у вас перед глазами - для нее это пустяк. Но вся подготовительная работа ляжет на центральный процессор. А в случае AutoCAD - на одно единственное ядро этого процессора. Это долго. Именно по этому ваш компьютер так легко крутит неимоверно сложные проекты в 3Ds-Max и так тяжело, с тормозами, рывками, глюками, проворачивает маленький твердотельный кусочек этого проекта в AutoCAD. И кроме того в полигональной графике придумано множество ухищрений для ускорения отрисовки - сразу отбрасываются слишком мелкие полигоны, легко отсеять задние (невидимые) объекты и их грани. А в твердотельной модели надо просчитать по честному все-все, что вы напихали в модель, каждый невидимый крошечный винтик.

Вспомните об этом, когда будете выдавливать спиральную резьбу на саморезах, конусы в глухих отверстиях. Весь этот мусор никогда не виден и ничего не дает для удобства и точности изготовления модели. Но он непрерывно грузит процессор и тормозит вашу работу. Оно вам точно надо? Расчет конуса в 100 раз дольше, чем плоского дна отверстия. А расчет солида вытянутого из сплайна вообще неописуем формулами - приходится прибегать к методу постепенных приближений. И чем больше размер изделия, тем больше итераций (приближений) надо для достижения заданной точности. Подумайте дважды, прежде чем прорисовывать внутренности профилей и труб, вставлять модели фурнитуры из сотен и тысяч поверхностей, моделировать каждую дырочку на перфорированных решетках...

Какие программы используют твердотельное моделирование.

Все, что я тут писал про AutoCAD, в полной мере касается и всех его клонов, всех легких CAD-систем: BricsCAD, NanoCAD, ZWCad, GStarCAD... Но не только. Все полноценные инженерные программы используют твердотельный подход к моделированию. Параметрические программы среднего класса сложности, такие как SolidWorks, Inventor, и тяжелые, такие как ANSYS, CATIA, NX, Pro/ENGINEER - тоже конечно твердотельные. В параметрическом проектировании полигональный подход вообще не возможен. А в чем тогда разница прямого и параметрического моделирования? О! Это отличная темя для бесконечных споров! Я думаю посвятить этому отдельную статью.