Правильная топология в 3d max. Составляющие полигональной сетки. Виды полигонов в компьютерной графики

Навигация :

Modding:О топологии. Часть 1: Треугольная топология

Наверное, следует начать с того, что такое есть топология . В энциклопедическом словаре я нашел такое определение: «Топология (от греч. topos - место и …логия ), раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т. е. свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеиваний (точнее, при взаимно однозначных и непрерывных отображениях).

Примерами топологических свойств фигур являются размерность, число кривых, ограничивающих данную область и т. д. Так, окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни и те же одни и те же топологические свойства, т.к. эти линии могут быть деформированы одна в другую описанным выше образом; в то же время кольцо и круг обладают различными топологическими свойствами: круг ограничен одним контуром, а кольцо – двумя».

Вероятно, программистами топология в 3D понимается подобным образом. Я художник и у меня свое, несколько отличное понимание топологии. Для меня топология – это способ формирования и размещения сетки объекта – вершин, граней – при котором модель принимает окончательную, определенную замыслом ее автора и отвечающую всем поставленным перед ней задачам форму.

Учтите, что все, что будет сказано в дальнейшем, будет опираться на такое мое (чисто практическое) понимание топологии, и может быть с легкостью поставлено под сомнение любым программистом или математиком. Поэтому имейте в виду, что когда я говорю «топология », я подразумеваю сетку (wire ) объекта.

Для правильного понимания топологии 3D-моделей вам нужны хотя бы начальные знания геометрии, а точнее, стереометрии. Поверхность трехмерного объекта создается путем размещения в пространстве его вершин, построения между ними граней и выработке на их основе полигональной поверхности. При этом в учет идет такой фактор, как нормаль полигонов, определяющая, упрощенно говоря, в какую сторону будет повернут сформированный полигон.

Этот урок послужит хорошим стартом для тех, кто хочет научиться моделировать первоклассных персонажей. Знаменитый в своем круге Jahirul Amin расскажет о важности правильной топологии, равномерной сетки, важности четырехугольных полигонов и многое другое.

Перед тем, как погружаться в 3D-омут, предлагаю устроить краткий ликбез и поплескаться на мелководье. Ниже мы затронем основы полигонального моделирования, без знания которых бессмысленно двигаться дальше.

Введение

Когда геометрия становится подспорьем моделера или аниматора, идеальная компоновка сетки (она же меш) стоит на первом месте. После этого в игру должна вступить хорошая топология, снижающая количество дефектов при анимации персонажа. Другими словами, правильно (и вовремя) созданный полигон сохранит не то, что часы – дни вашей жизни.

3-х угольник vs 4-х угольник vs N-угольник

Итак, в чем же разница между 3-, 4- и N-угольными полигонами? Ответ очевиден: у первого 3 стороны, у второго – 4, у третьего – любое их количество, большее 4-х. Если вы моделируете допустим персонажа для дальнейшей его анимации, то рекомендуют использовать только четырехугольники . Процесс деформирования и деления четырехугольных полигонов проходит гораздо проще, к тому же, вы столкнетесь с меньшим искажением текстуры.

Треугольники рекомендуется прятать от своих и чужих глаз. Например, в местах подмышек или в паховой области персонажа. В свою очередь, на многоугольники наложен негласный запрет — их быть не должно. Они провоцируют искажение и доставляют немало хлопот, когда дело доходит до риггинга и редактирования групп вершин (оно же «weight-painting»).

Наконец, модель, которая состоит преимущественно из четырехугольных полигонов, будет легче экпортировать в другие программы моделирования, такие как или Mudbox.

Радости четырех и трехугольных полигонов и ужас N-угольника

Контуры лица, по определению напоминающие N-угольник, нужно максимально приблизить к четырехугольному формату. Мало того – расположение полигонов должно быть настолько равномерным, насколько это в принципе возможно . Вот, к чему призывает одноименная геометрия. Соблюдение этих правил облегчит прохождение стадии риггинга и поможет при деформировании персонажа в процессе анимации. Кроме того, уменьшится масштаб искажений, связанный с применением текстур, хотя здесь не стоит забывать о важности самой UV развертки.

Для выполнения описанной задачи в Maya предусмотрен инструмент Sculpt Geometry.

Инструмент Sculpt Geometry в Maya поможет «разгладить» сетку модели

Отвечает за плавность перехода каждого отдельно взятого эджа (оно же Edge Flow). Звучит, может, и просто, но на практике это весьма коварная штука.

Если вы задались целью создать реалистичного персонажа, перед началом работы рекомендуется изучить основы анатомии. Следуя за строением человеческого тела и естественным движением мышц, аниматор, в конечном счете, получает приближенную к оригиналу копию. Особенно чётко это прослеживается в процессе деформации. Советуем начать с процесса образования морщин и растягивания кожи.

Для стилизованных и мультипликационных персонажей Edge Flow имеет куда меньшее значение. Но, всё же, я настоятельно рекомендую получить хотя бы базовое представление анатомии человека.

Чтобы форма получилась реалистичной, создайте хорошую топологию и обязательно учитывайте плавность направления сетки (эджей, полигонов).

Она же – немногообразность (non-manifold). Означает, что трёхмерный объект невозможно разрезать и превратить в плоским.

Пример: создайте куб, выделите любое ребро (край) и выдавите его Edit Mesh > Extrude. Перед вами немногообразный объект. (Пример ниже слева) Если бы куб был изготовлен из бумаги, то при развёртывании вы бы получили крестообразную фигуру с нарушенными пропорциями. Использование подобного объекта в булиевых операциях (Boolean operation) практически невозможно.
Чтобы исправить ситуацию, воспользуйтесь инструментом Cleanup.

Нарушение топологии геометрии может создать не один десяток проблем. Будьте бдительны и периодически осматривайте фигуру под разными углами.

У каждой петли (ребра эджа) должна быть цель

Как правило, моделирование начинается с примитивной фигуры (например, с куба), строение которой впоследствии усложняется путем добавлении петлей ребёр (edge loops).

Важно, чтобы каждый новый элемент был создан с конкретной целью. Бывают ситуации, в которых «меньше» равно «лучше». Понимание принципов оптимизации модели приходит лишь с опытом, так что не расстраивайтесь и продолжайте работать.

Не усложняйте себе жизнь: детализация должна быть целесообразной

Всё, что мы пытаемся сделать на экране, есть отображение окружающего нас мира в различных его формах и проявлениях. Именно поэтому так важно время от времени вставать из-за стола. Важно не только для разработчиков, но и для аниматоров, риггеров, постановщиков света и т.д.

Присмотритесь к поверхности, ее структуре и тени. Как она отражает свет? Как происходит процесс деформации? Ответ на эти и другие вопросы поможет вам принять правильное решение при моделировании любого объекта.

22Окт

Что такое Полигональная Сетка

Полигональная сетка в компьютерной графике — это поверхность, которая обычно состоит из множества полигонов, соединенных общими ребрами.

Что такое полигональная сетка простыми словами – кратко.

Она представляет собой набор вершин, ребер и граней, которые определяют форму многогранного объекта в трехмерной компьютерной графике. По своей сути, когда мы видим 3D модель, мы и видим полигональную сетку, так как составляющие полигональной сетки и образуют формы в созерцаемой нами модели.

Отображение полигональной сетки.

Обычно, когда мы рассматриваем завершенный и отрендеренный 3D объект, то зачастую нам не показывают его в сетчатом виде. Но при создание 3D объекта, художники очень часто используют режим отображения сетки (wire-frame), для того, чтоб правильно строить топологию и формы модели. Работая в этом режиме, художники могут манипулировать составляющими полигональной сетки и тем самым создавать 3D модель нужным им образом с учетом правильной формы и топологии.

Где создается полигональная сетка?

Являясь неотъемлемой частью 3D модели, работа над сеткой происходит в компьютерных программах, предназначенных для работы с 3D графиков. Из наиболее популярных программ можно выделить:

• Autodesk Maya;
• Autodesk 3Ds-max;
• Blender;
• Modo и другие.

Стоит упомянуть программы, подход к работе у которых значительно отличается от программ приведенных выше:

• Zbrush;
• Mudbox;
• 3d-coat и другие.

Они позволяют работать с сеткой в более традиционном виде, точно так, как над формированием статуй работают классические скульпторы. Вместо работы с каждым полигонов по отдельности или с группой полигонов, 3d скульпторы работают одновременно с тысячами или десятками тысяч полигонов при помощи специальных кистей и инструментов, которые встроены в программы для 3D скульптинга.

Методы работы с полигональной сеткой.

Как правило, большинство программ по работе с 3D графикой имеют огромный арсенал инструментов по работе с моделью. Каждая из программ обладает своими уникальными инструментами и модификаторами, но наиболее распространенные инструменты присутствуют практически в одинаковой форме в каждой программе. Среди инструментов широкого пользования есть такие, как:

Extrude — позволяет выдавливать дополнительные полигоны из уже существующих. Является одним из основных инструментов при работе с 3D моделью и позволяет создавать достаточно сложные формы из примитивных фигур.

Cut — Позволяет резать полигоны от грани к грани, от вершины к вершине или же в более свободной форме. Другими словам, является своеобразным инструментом-ножницами, который позволяет перекроить полигональную сетку по своему желанию. Является практически обязательным инструментом любого 3D художника.

Bevel (chamfer) — Инструмент, который позволяет делать фаски на геометрии. Он весьма распространен, так как делает формы менее рублеными и более плавными. Всегда используется при работе с высоко детализированными моделями.

Эти, а также большое количество других инструментов, позволяют воссоздать любую желаемую форму в компьютерном 3D пространстве с внушительным количеством подходов к решению той или иной задачи.

Топология полигональной сетки.

Простыми словами, топология — это плавная и потоковая организованность полигонов в 3D модели.

Что такое правильная топология?

Очень сложно охарактеризовать правильность топологии в несколько слов, так как ее правильность и неправильность может зависеть от конкретного рабочего процесса (пайплайна), той или иной студии в определенной сфере компьютерной графики. Например, если в одном техническом процессе присутствие полигонов с тремя вершинами допустимо, то в другом процессе полигоны с тремя вершинами (трисы) могут быть крайне нежелательными, а предпочтение будет отдаваться полигонам с 4-я вершинами (квадам). Сюда и относится построение сетки под анимируемый или статичный объект или объект под сглаживание (subdivision).

Но стоит отметить, что “правильная топология” имеет и вполне четкие и нерушимые требования к построению корректной полигональной сетки. Так, например, сетка должна быть равномерной и оптимальной по количеству полигонов. На сетке не должно быть загибов или пересечений полигонов. По возможности, грани у полигонов должны иметь не прерывистые и плавные линии, которые нередко называют лупами.

Составляющие полигональной сетки.

Полигон — это основная часть полигональной сетки. Он содержит в себе такие элементы как:

Вершина (vertex) — это точка пересечения 3-х или более ребер.

При работе с 3D моделями, а конкретнее с полигональной сеткой, вершина зачастую выступает в роли манипулятора, который являются наиболее популярным методом формирования полигональной сетки в ее итоговом виде. Двигая вершины во всех 3-х плоскостях (x,y,z), пользователю удается добиться правильной и нужной ему формы в 3д модели.

Ребро (edge) — Это прямая, которая образуется в любой точки геометрии, при пересечении двух фейсов.

Так же как и в работе с вершинами, перетаскивание ребер, довольно эффективно используется при генерации форм геометрии в компьютерной графики. В некоторых случаях, такой метод является более эффективным и требует меньшего количества телодвижений при выделение составляющих полигональной сетки для корректировки или изменения форм объекта.

Фейс — это плоскость, которая образуется при сочетании не менее трех ребер.

Иногда бывает, что “фейс” путают с “полигоном”, но на самом деле, это не одно и тоже, так как “фейс” — это лишь одна из составляющих полигона. Но именно она и отвечает за то, как мы видим объект и как на него ложатся шейдера и текстуры.

Нормаль — является вектором, который перпендикулярно направлен по отношению к плоскости и граням, к которым он принадлежит. Информация о направление нормали используется при расчетах освещения и при выборе направления фейса по отношению к камере. Если нормаль будет перевернута в сторону от камеры, то модель будет отображаться некорректно.

Виды полигонов в компьютерной графики.

Можно выделить три основных вида полигонов:

Полигон с тремя вершинами — является самым простым полигоном из возможных, так как имеет минимальное количество вершин и сторон для образования плоскости (фейса). Часто именуется “треугольником” или “трисом”

Работа по построению модели исключительно из трисов является на практике скорее исключением, чем правилом. Но стоит отметить, что есть большое количество сфер в компьютерной графике где полигональная сетка на финальном этапе должна состоять исключительно из треугольных полигонов. Таким хорошим примером являются движки для компьютерных игр, где в большинстве своем 3D модель должна быть триангулированной.

Полигон с четырьмя вершинами. На практике, это самый распространенный вид полигонов в 3D графике. Он имеет четыре стороны и вертекса, что в работе делает его очень удобным в построение трехмерных форм, а также при манипуляциях с полигональной сеткой. Он является практически обязательным при построение 3D моделей, которые в дальнейшем будут анимироваться или сглаживаться. При нужде или желание, его можно очень просто превратить в треугольный полигон. Всего-то нужно разрезать его по диагонали в ручную, или триангулировать программными методами.

Полигон с пятью вершинами или более. Часто именуется как “N — Gon”.

Имеет пять или более пяти сторон и вершин. Является крайне нежелательным полигоном практически в любом рабочем процессе. Часто N — гоны создают трудности в виде артефактов при текстурировании, и анимации, а также плохо поддаются сглаживанию на изгибистых поверхностях.

Категории: , / / от

Всегда сложно начинать изучение чего-то нового и неизведанного для себя.

В статье описываются самые распространенные термины и их значения, которые помогут вам сориентироваться в непростом, но таком привлекательном CG-мире.

Полигональная геометрия
Полигоны - наиболее часто используемый в 3D тип геометрии. И, хотя, полигоны и используются в большинстве случаев, иногда возникает необходимость в идеально гладкой поверхности. И тут на помощь приходят сабдивы и NURBS.

NURBS
NURBS расшифровывается как non-uniform rational b-spline. В основном используются для создания очень засмуженных объектов. Так, для создания гладкой поверхности с помощью NURBS не нужно так много вертексов, как нужно при полигональном моделлинге. Плоскость, созданная с помощью NURBS, всегда определяется 4 вертексами.

Сабдивы
Сабдивы, которые иногда также называются NURMS (non-uniform rational mesh smooth), относятся к полигональной геометрии. Сабдивы работают по принципу полигональной геометрии, которая смузится автоматически. Например, на изображении выше можно увидеть полигональную сферу, заключенную в куб, которая и является примером сабдивов. Можно сказать, что сабдивы - это сочетание полигональной и NURBS-геометрии.

Фейсы
Фейс - очень важная часть 3D-полигона. Фейс - это плоскость, которая образуется между тремя и более эджами и делает видимым полимеш. Шейдер назначается именно на фейсы.

Вертексы
Вертекс - самый маленький компонент полигональной модели, который фактически является точкой в 3D-пространстве. Полигональная модель создается путем соединения вертексов, с помощью которых геометрии также можно придавать форму.

Эджы
Эдж является компонентом полигона, который определяет форму модели. Геометрию можно также изменять путем позиционирования эджей. Две точки в 3D-пространстве или вертексы образуют эдж. Вертексы, эджи и фейсы являются компонентами, которые задают форму полигонального объекта.

Топология
Полигональная, NURBS и NURMS геометрия состоит из вертексов, эджей и фейсов. Топология - это набор фейсов, вертексов и эджей.

Треугольник
Треугольник - это самый простой полигон, у которого три стороны или эджа соединяются с помощью трех вертексов, образуя трехсторонний фейс. В моделировании треугольников обычно стараются избегать, поскольку они обычно некорректно деформируют геометрию при анимации и пр.

Квад
Квад - это полигон, у которого четыре стороны или эджа соединяются вертексами, образуя четырехсторонний фейс. В моделировании 3D-дизайнеры обычно придерживаются именно квадов. Квады - это залог хорошей топологии, а также того, что при анимации геометрия будет деформироваться корректно.

N -гон
N-гон - это полигон, у которого 5 и более сторон, соединенных пятью и более вертексами. N-гонами обычно считаются именно пятиугольники, однако это совершенно необязательно. N-гонов нужно тщательно избегать, поскольку они могут вызвать проблемы как на рендере, так и при текстурировании, а также анимации.

Экструд
Экструд - один из основных приемов моделирования. С помощью операции экструд из фейса, эджа или вертекса обычно вытягивается геометрия. Так, простой кубик можно легко превратить в сложную геометрию благодаря экструду. Эти проэкструженные эджи или фейсы можно редактировать так же, как и любой другой компонент геометрии.

Эджлуп
Эджлуп - это серия эджей, где последний эдж соединяется с первым, образуя петлю или кольцо. Эджлупы очень важны для создания hard-эджей или органических моделей. Например, рука будет корректно деформироваться, при наличии достаточного разрешения, в частности, если геометрия вокруг локтевого джоинта содержит эджлуп.

Бевел
Бевел - это фаска или закругление эджей меша. При бевеле каждый вертекс и эдж трансформируются в новый фейс. В реальном мире у объектов редко бывают твердые ребра или эджи. Благодаря бевелу модель выглядит менее CG.

Пивот
Пивот - это центральная точка 3D-модели, относительно которой происходит масштабирование, перемещение или вращение. При этом пивот можно спокойно перемещать. Например, если пивот двери или окна переместить в петли, то программа будет знать, относительно чего вращать дверь или окно.

Нормали
3D-редакторы используют нормали для определения направления луча света, который отражается от геометрии. Это очень важно для контроля того, как свет взаимодействует с различными материалами 3D-объектов.

Инстансы
При работе с рядом 3D-объектов в какой-то момент возникнет необходимость создания многочисленных копий одного объекта, например, сотен деревьев или деревянных планок, из которых состоит забор. Такая операция может в разы увеличить время рендера, поскольку компьютеру придется просчитывать новую геометрию. В таком случае вместо создания дубликата объекта можно создать его инстанс или образец.

Инстанс - это копия объекта, которая наследует всю информацию оригинального объекта, при этом компьютеру уже не нужно пересчитывать тучу ненужной информации. Кроме того, важно понимать, что сами по себе инстансы нельзя изменять. После внесения изменений в оригинальный объект необходимо обновить инстансы, чтобы применить внесенные изменения.

История создания
В работе над 3D-моделью мы обычно используем ряд различных инструментов. Например, фейсы 3D-модели, для придания ей определенной формы, необходимо экструдить или применять для них команду бевел. В большинстве 3D-редакторов история произведенных операций обычно сохраняется. В истории создания можно увидеть целый список использованных инструментов в хронологическом порядке.

Благодаря истории создания всегда можно вернуться назад и изменить настройки использованного инструмента. При этом необходимо помнить, что история создания, несмотря на все свои плюсы, может подтормаживать работу системы, поэтому ее нужно периодически удалять.

Цифровой скалптинг
При создании 3D-моделей в таких приложениях, как Maya, рабочий процесс заключается в работе с вертексами и эджами, на протяжении которого достигается желаемый результат. При таком подходе довольно сложно добиться мелких деталей, особенно это относится к органике. В таком случае на помощь приходит цифровой скалптинг, при котором моделлер работает с моделью так же, как и классический скульптор.

Всевозможные морщины, царапины и прочие мелкие детали создаются в интерактивном режиме, при котором необходимость работы с эджами и вертексами полностью отпадает. В большинстве случаев моделлер обычно создает лоупольный меш в таких 3D-редакторах, как Maya, который затем импортирует в ZBrush или Mudbox, чтобы проработать мелкие детали.

Тема разговора: ТОПОЛОГИЯ .

Тополо́гия (от др.-греч. τόπος — место и λόγος — слово, учение) — раздел математики, изучающий в самом общем виде явление непрерывности, в частности свойства пространства, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях, например, связность, ориентируемость. В отличие от геометрии, в топологии не рассматриваются метрические свойства объектов (например, расстояние между парой точек). Например, с точки зрения топологии, кружка и бублик (полноторий) неотличимы.

Hо это в математике. А как дела обстоят с персонажами. Сформулирую своими словами.
Топология - это способность сетки корректно реагировать на деформации. Будь то анимация, cжатие, растяжение или иные виды деформации. Достигается это путем грамотного построения полигональной сетки персонажа. Есть некоторые правила для этого. С некоторыми из них можно ознакомиться .

Так же существует понятие РЕ-ТОПОЛОГИЯ . Изменение топологической сетки с максимальным сохранением формы объекта. Целью ретопологии является исправление предыдущей (неверной) топологии и/или уменьшению количества полигонов.

Практически все современные пакеты 3д графики имеют инструменты для ретопологии. Я лично опробовал:
1. Maya - как стандартные средства так и плагины.
2. Max - стандартные средства (ужас), плагины и скрипты (wrapit понравился. но опять же не то немного)
3. Zbrush - туго и неудобно..
4. Topogun - наконец то нашел то что понравилось... если бы не повстречал
5. 3DCoat.... вот тут я понял, что это пока самое удобное для ретопологии и UV разверток... хотя разобраться было для начала сложно.. но когда понял принцип программы - все.. теперь ретопология только в нем. (не сочтите за рекламу.)

Ну и раз пошла такая пьянка, выложу пару моих изображений на тему топологии.
Голова и лицо

нашел таки старый рендер этой головы.

топология лица человекоподобного персонажа. из него можно сделать как женщину,так и ребенка... не говоря уже о мужчине.
и вот доказательство. сделано по быстрому, но наглядно.
итак. мужчина, ельфийка, существо, женщина, и девочка лет 15...
Я не утверждаю что это единственная грамотная топология, и что надо делать ТОЛЬКО ТАК.
в некоторых студиях персонажей моделируют с закрытыми глазами. Это позволяет избавиться от некоторых проблем при закрытии глаза, и избежания деформаций века при деформации щеки.

кисть руки.

обращаю внимание что тут есть вертексы к которым подходит 6 еджей... но в этих местах проблем не бывает потому что деформации минимальны. Естественно что из данной кисти можно сделать руку и женщины и мужчины и ребенка.. да кого угодно..
Череп.

череп мужской. у мужского и женского черепа много различий.

заключаются отличия в следующем:
Мужской и женский черепа имеют ряд отличий. А именно:
1. Мужской череп массивнее женского и имеет скорее квадратную форму. Череп женщины слегка заострен к макушке и более округлый.
2. Верхний край глазницы немного заострен у женского черепа, в то время как у мужского имеет более плавный изгиб
3. В результате эволюции мышцы лица получили более сильное развитие. Следовательно, и место крепления мышц к черепу гораздо заметнее у мужчин. Ведь воину и охотнику нужны мощные челюсти для боя и борьбы.
4. Сильная нижняя челюсть мужчины имеет квадратную форму, а у женщин форма округлая.
5. Глубина черепа мужчин больше чем у женщин. Это обеспечивает относительную безопасность.
6. Надбровные дуги на мужском черепе выступают заметно больше. Они оберегают глаза от прямых солнечных лучей.
7. Клыки у мужчин значительно крупнее, чем у женщин. Воин и охотник вынужден был, есть в походных условиях, а, следовательно, активно пережевывать пищу и делать это достаточно быстро.
Рука и тело.
Если тело женское или без явно выраженной мускулатуры, то на лупы формирующие мускулы можно не обращать внимания. Это касается рук. Обращаю внимание на полигоны белого цвета. они идут из под грудной мышцы и огибают дельтовидную.