Lokomotywa w 3ds max

Tematem niniejszej pracy jest rozważenie całego procesu powstawania modelu przeznaczonego do wykorzystania w grze komputerowej , ze szczególnym uwzględnieniem procesu modelowania w programie 3ds max. Modelowanym obiektem będzie lokomotywa- model do gry komputerowej w klimacie steampunk.

Praca składa się z części graficznej obejmującej szkice koncepcyjne, widoki siatki oraz rendery modelowanego obiektu. Część pisemna pracy zawiera opis poszczególnych etapów pracy nad modelem za pomocą narzędzia editable poly, a następnie teksturowania tego modelu.

2

1.GRY KOMPUTEROWE – DEFINICJA, ZNACZENIE, PRODUKCJA.......................................................................................................52.POWSTAWANIE MODELU DO GRY KOMPUTEROWEJ....................................................................................................................63.INSPIRACJE....................................................................................................................................................................................74.1 Typy lokomotyw.......................................................................................................................................................................114.2 Układ napędowy.......................................................................................................................................................................124.DANE TECHNICZNE......................................................................................................................................................................115.CONCEPT ART I MATERIAŁY REFERENCYJNE................................................................................................................................136.1 Modelowanie kół................................................................................................................................................................15, 196.TWORZENIE MODELU HIGH POLY...............................................................................................................................................157.TWORZENIE MODELU LOW POLY................................................................................................................................................238.1 Przygotowanie mapy uvw........................................................................................................................................................238.2 Kolorowanie mapy uvw............................................................................................................................................................248.3 Tworzenie materiału................................................................................................................................................................268.6 Pozostałe materiały..................................................................................................................................................................278.TEKSTUROWANIE........................................................................................................................................................................239.BIBLIOGRAFIA..............................................................................................................................................................................30

3

4

1.GRY KOMPUTEROWE – DEFINICJA, ZNACZENIE, PRODUKCJA

Gry komputerowe są to gry kontrolowane za pomocą komputera, w której gracze wpływają na obiekty widoczne na ekranie w celach rozrywkowych. Podobny rodzaj rozrywki stanowi gra wideo, jest to jednak szerszy termin obejmujący nie tylko gry uruchamiane z komputera, ale również te uruchamiane na konsolach oraz automatach zręcznościowych.

Rynek gier komputerowych jest jedną z najprędzej rozwijających się gałęzi przemysłu rozrywkowego, zarówno pod względem zysków , jak i błyskawicznego postępu jakościowego. Gry skierowane są do odbiorców w różnym wieku (średni wiek gracza w Wielkiej Brytanii w ubiegłym roku wynosił 33 lata), mają zróżnicowaną tematykę, różny poziom trudności, są skierowane zarówno do mężczyzn jak i kobiet ( obecnie aż 45% graczy stanowią kobiety). Gry komputerowe stają się dobrym nośnikiem reklamowym (ocenia się, że wirtualne billboardy umieszczone np. na trasie wirtualnych wyścigów samochodowych są o wiele skuteczniejsze- docierają wprawdzie zwykle do dość wyspecyfikowanego grona odbiorców, ale są przez nich lepiej zapamiętywane), a także mają coraz silniejszy związek z innymi rodzajami rozrywki( filmy inspirowane grami zdarzają się coraz częściej, podobnie jak gry będące interaktywną adaptacja kasowych hitów kinowych, które często pojawiają się w sprzedaży już w momencie premiery filmu).

Oczywiście grafika gry komputerowej może cechować się różnym stopniem złożoności, inaczej przygotowuje się nieskomplikowane gry obsługiwane przez przeglądarkę internetową, inaczej duże światy do gier typu MMORPG ( gry rpg w trybie multiplayer) , a inaczej gry fabularne przeznaczone dla pojedynczego gracza. Jednak ze względu na coraz większe zapotrzebowanie na coraz bardziej skomplikowane gry, produkcja gier, która na początku odbywała się w firmach jedno lub kilkuosobowych obecnie wymaga pracy potężnych zespołów zatrudniających dziesiątki lub setki pracowników.

Istnieje także coraz więcej możliwości współtworzenia gier przez graczy- w wielu multimedialnych projektach istnieje możliwość współtworzenia wirtualnego świata przez fanów, którzy w amatorskich bądź autoryzowanych dodatkach mają możliwość wpływania na świat gry

5

2.POWSTAWANIE MODELU DO GRY KOMPUTEROWEJ

Model, który ma zostać wykorzystany w grze komputerowej powinien spełniać wiele wymagań związanych z faktem, że będzie on animowany, renderowany w czasie rzeczywistym i oglądany przez gracza ze wszystkich stron. Docelowy model powinien być lekki, ale zarazem wystarczająco szczegółowy aby grafika gry wyglądała przekonywająco. Model , który zawiera niewielką ilość detali ( mało szczegółową siatkę), a zatem zajmuje niewiele miejsca w pamięci nazywamy modelem low poly. Model o gęstej siatce i dużej szczegółowości, przeważnie służący do wykonania pojedynczych renderów o wysokiej rozdzielczości nazywamy modelem high poly.

Nieścisłość powyższej definicji ( brak dokładnie określonej wielkości modeli high poly i low poly) wynika z ciągłego postępu w dziedzinie technologii komputerowej. To, co jeszcze kilka lat temu stanowiło model high poly i nie nadawało się do gier i animacji obecnie z powodzeniem może być wykorzystywane jako element gry komputerowej.Rozwój silników gry Aby uzyskać interesujący poziom detalu przy jednoczesnych niewielkich rozmiarach stosuje się często tzw. „normal maps” . Możliwe jest wymodelowanie modelu high poly, utworzenie z niego map normalnych, które potem zostaną wykorzystane do nałożenia szczegółów na mniejszy model. Istnieje także możliwość przygotowania normal maps bez modelowania wyjściowego modelu o wysokiej szczegółow, jednak wymaga to dodatkowego oprogramowania, takiego jak np. zBrush, Autodesk Mudbox, Crazy bump itp.

Na potrzeby tej pracy wykonano model high poly – ok. 70 tys. poligonów, dla którego przygotowano tekstury.

Poniższy spis przedstawia etapy pracy nad modelem do gry komputerowej. Wytłuszczonym drukiem oznaczono etapy szczegółowo omówione w niniejszej pracy.

Etapy pracy nad modelem do gry komputerowej:

- znalezienie inspiracji, zdobycie wiedzy na temat modelowanego obiektu

-wykonanie concept artu i materiałów referencyjnych

-wykonanie modelu high poly

-wykonanie modelu low poly

- przygotowanie normal maps

-teksturowanie

-animacja, umieszczenie w środowisku gry

6

3.INSPIRACJE

Lokomotywa to dość skomplikowany obiekt, zatem przy sporządzaniu modelu przydają się materiały źródłowe, concept art a nawet pewne pliki referencyjne, które podłożone w tle modelu mogą pomóc w opracowaniu kształtu. Ponieważ nie chodziło o wymodelowanie żadnego konkretnie istniejącego modelu lokomotywy, a raczej o stworzenie czegoś przypomina XIX- wieczne parowozy przydatne okazały się zarówno znalezione w internecie zdjęcia faktycznych lokomotyw z tamtego okresu jak i concept arty do innych gier czy widoki z samych gier.

Rys.3. 1.Kadr z gry „Arcanum- przypowieść o maszynach i magii”

7

Rys. 3.2.Parowóz ze skansenu parowozów w Chabówce

Rys 3.3.Model lokomotywy wykonany z klocków LEGO

8

Rys.3.4. Rycina z brytyjskiego magazynu o kolejnictwie przedstawiająca irlandzką lokomotywę „Celtic” z roku 1840

9

Rys.3.5. Parowóz Os24-10 zbudowany w 1926 roku

10

4.DANE TECHNICZNE

4.1 Typy lokomotyw

Ponieważ obiekt będzie wprowadzony do gry jako animowany, konieczne było również zapoznanie się z zasadami działania lokomotywy parowej oraz z jej podstawowymi typami i elementami budowy. Pierwszą decyzją była kwestia ilości kół i ogólnego kształtu pojazdu. Podstawowy podział typów lokomotyw ze względu na ilość kół przedstawia rysunek nr 6.

Rys.4.1. Typy lokomotyw w zależności od układu kół

Przygotowywany model jest typu 4-6-0 (cztery koła przednie nie połączone rozrządem z tłokiem silnika, 6 kół głównych napędzanych przez silnik, brak tylnych kół pod kabiną maszynisty).

11

Rys. 4.2. Kanadyjska lokomotywa parowa typu 4-6-0

4.2 Układ napędowy

Szczególnie ważne okazało się uproszczone, ale wiarygodne pokazanie systemu napędowego i parorozdzielczego, tzw. rozrządu. Rozrząd służy do zamiany ruchu wykonywanego przez tłok silnika na ruch obrotowy kół. Zasadę tego procesu obrazuje poniższy schemat:

Rys.4.3..Zasada pracy kół lokomotywy parowej

12

Aby wykonać w miarę logicznie i przekonywająco poruszający się pojazd układ kół jest wzorowany na rzeczywiście istniejącym systemie, tzw. Systemie Walschaerta- Heusingera wynalezionym w roku 1850. Model ten przedstawiony jest na schemacie nr 9

Rys.4.4 Układ elementów systemu Walschaerta

1. Korba mimośrodu2. Drążek mimośrodowy3. Drąg stawidłowy4. Łącznik wodzidła5. Ramię unoszące nastawnika6. Ramię wsteczne nastawnika7. Jarzmo (linia przerywana) w obudowie jarzma8. Wodzidło (wodzik) suwaka (połączone z jarzmem poprzez kamień - widoczny w jarzmie jako kółko)9. Ramię krzyżulca10. Prowadnica trzonu suwaka11. Łącznik wahacza12. Wahacz13. Trzon suwaka

5.CONCEPT ART I MATERIAŁY REFERENCYJNEZ uwagi na duże skomplikowanie układu napędowego uzasadnione było przygotowanie materiałów referencyjnych w programie Autocad. Krzywe z pliku dwg można zaimportować do programu 3ds max poprzez polecenie import. Autocad umożliwia precyzyjne wykreślenie elementów w skali. Jest to wprawdzie bardziej istotne w przypadku odtwarzania rzeczywiście istniejących obiektów, jednak ponieważ w modelu lokomotywy ważne jest uchwycenie właściwych proporcji rozrządu narysowano jego schemat i zapisano w formacie dwg- importowanym przez program 3ds max.

13

Rys.5.1. Fragment zrzutu ekranu z programu autocad- rysunek rozrządu Walschaerta -Heusingera i schematy kół

Następnym etapem pracy było wymyślenie ogólnego wyglądu parowozu. Pomocne są w tym szybkie odręczne szkice i studia rysunkowe. W rzeczywistym procesie tworzenia gier etap szkicowania jest bardzo ważny, ponieważ pozwala na przedstawienie szkiców klientowi do akceptacji.

Rys.5.2.Szkice koncepcyjne

14

Dla potrzeb niniejszej pracy przygotowano kilka szkiców, będących nie tyle materiałami referencyjnymi , ile inspiracją i efektem przemyśleń na temat wyglądu parowozu.

Rys.5.3. Jeden z projektów wyglądu lokomotywy

6.TWORZENIE MODELU HIGH POLY

6.1 Modelowanie kół

Pracę z modelem rozpoczęto od fragmentu zawierającego najwięcej osobnych elementów, czyli od modelowania układu napędowego Ponieważ model powinien być jak najprostszy, korpus lokomotywy wymodelowano z jednego elementu, natomiast elementy układu napędowego, ze względu na możliwość wykorzystania modelu do animacji zostały utworzone oddzielne.

Modelowanie kół rozpoczęto od stworzenia pojedynczego elementu- płaskiej tuby ( create- basic elements -tube) . wymiary elementu są dostosowane do wymiarów pliku referencyjnego.Ilość podziałów elementu wynika z jego docelowego ukształtowania, przyjęto 5 podziałów na górnej powierzchni i 3 podziały w wysokości cylindra.

Następnym etapem jest przekształcenie koła na obiekt typu editable poly. Obiekty te dają możliwość edytowania poszczególnych elementów siatki ( wierzchołków, krawędzi oraz twarzy). Aby przekształcić obiekt w editable poly należy po kliknięciu zaznaczonego obiektu

15

prawym przyciskiem wybrać opcję convert to- editable poly. Pierwszym krokiem było uporządkowanie pętli krawędzi, tak aby pasowały do układu koła. Poniższy rysunek pokazuje układ pętli krawędzi po uporządkowaniu.

Rys.6.1. Początek modelowania

16

Następnie zagęszczono siatkę obiektu i przesuwano krawędzie wierzchołki tak, aby odwzorowywały ułożenie szprych na rysunku koła.

Rys.6.2. Modelowanie- model gotowy do wycięcia otworów między szprychami koła

Aby wyciąć otwory można po prostu usunąć niepotrzebne twarze. Trzeba jednak pamiętać o usunięciu ich zarówno z górnej jak i dolnej powierzchni oraz o utworzeniu wewnętrznej powierzchni otworu. Stworzono ją łącząc górny i dolny obrys otworu za pomocą polecenia bridge dostępnego w menu edycji krawędzi. Wypukłości fragmentów koła powstały w wyniku użycia polecenia extrude ( dostępnego w menu edycji twarzy). Aby utworzyć wyciągnięty element do zamocowania ramienia napędowego użyto polecenia „attach”- przyłączania osobnych obiektów do siatki editable poly. Przyłączono element typu cylinder, po czym usunięto fragment jego bocznej ścianki a następnie poleceniem bridge połączono go z wyciągniętym w dół fragmentem wewnętrznej obręczy koła.

17

Rys.6.4. Wymodelowane koło

Kiedy pierwsze koło jest już gotowe następne 2 identyczne można uzyskać poprzez zastosowanie poleceń z menu tools- clone ( wywoływane także poleceniem alt).

Rys.6.5. Pierwszy rendering -3 koła uzyskane metodą clone oraz wiązar

Następne elementy- podłużne ramiona modelowano również w trybie editable poly używając poleceń attach, bridge oraz extrude. Cylinder parowy został wymodelowany za pomocą modyfikacji obiektu typu box, małe koła są przekształconymi obiektami typu cylinder.

18

Rys.6.6. Gotowy model układu napędowego

6.2 Modelowanie korpusu lokomotywy

Kiedy układ napędowy jest już gotowy można przystąpić do modelowania korpusu lokomotywy. Wymodelowano go z jednego obiektu typu box. Po przekształceniu prostopadłościanu w obiekt typu editable poly rozpoczęto pracę od wyprofilowania zaokrąglenia korpusu na górze. Łatwo to osiągnąć skalując odległości między wierzchołkami w widoku frontowym obiektu. Aby zaokrąglenie miało idealny kształt warto narysować pomocniczy okrąg.

Rys.6.7. Modelowanie korpusu lokomotywy- zaokrąglenie

Następnym etapem pracy było wymodelowanie za pomocą polecenia extrude kominów- po uporządkowaniu danego fragmentu siatki i ułożeniu krawędzi w eliptyczny kształt wyciągnięto poligony poleceniem extrude z zaznaczoną opcją group. Spowodowało to wyciągnięcie całej grupy poligonów w jednym kierunku. Następnie wierzch wyciągnięcia za pomocą polecenia scale przekształcono w płaszczyznę, którą wyciągnięto jeszcze kilkukrotnie, tak aby komin miał kilka podziałów w wysokości, co umożliwia wymodelowanie na nim pierścieni ( również przy

19

pomocy polecenia extrude) .Następnie wymodelowano kabinę motorniczych poszerzając tył lokomotywy przez wyciągnięcie grupy poligonów wzdłuż normalnych. Aby niepotrzebnie nie powtarzać dalszych czynności po obu stronach symetrycznego modelu korpusu usunięto połowę bryły i wykorzystano modyfikator mirror. W ten sposób zmiany wprowadzone w oryginalnej połowie bryły automatycznie pojawiają się w jej lustrzanym odbiciu. Okienko zostało stworzone za pomocą polecenia extrude z ujemnym parametrem wysokości wyciągnięcia ( następuje wtedy wtłoczenie wybranej grupy poligonów w głąb modelu). Parapet pod okienkiem i dach również zostały wytworzone poleceniem extrude, a tylna lampka zostały wykonane przez przyłączenie lampy wymodelowanej z obiektu typu tube poleceniem attach. Następnie wymodelowano platformy z poręczami po bokach kotła lokomotywy. Aby uzyskać efekt ażurowości poręczy bez konieczności modelowania poszczególnych słupków zastosowano modyfikator lattice- modyfikator ten pozwala na utworzenie z obiektu lub wybranej grupy poligonów siatki, której poszczególne podział tworzone są wokół krawędzi poligonów. W opcjach modyfikatora można ustalić jak grube mają być podziały siatki oraz czy mają być widoczne jej węzły. Dla potrzeb modelu przyjęto opcję bez widocznych węzłów, grubość prętów przyjęto na 4 cm. Elementy ozdobne barierki wykonano jako oddzielne obiekty, na podstawie krzywych importowanych z programu Autocad.

Rys.6.8. Modelowanie ozdoby barierki

20

Front lokomotywy został wykonany jako osobna bryła- miał sprawiać wrażenie osobnej przynitowanej do korpusu bryły. Ponieważ najistotniejszym, charakterystycznym elementem przodu lokomotywy jest eliptyczna klapa dymnicy ( jest to część kotła parowego służaca do odprowadzania pary odlotowej z cylindrów) , modelowanie rozpoczęto od obiektu typu cylinder, który następnie został przekształcony w obiekt typu editable poly, a część jego powierzchni tworzącej wyciągnięto w dół, aby stworzyć tzw. Czołownicę – zderzaki lokomotywy.

Dzwonek został wymodelowany osobno, podobnie jak uchwyty oraz nity i część drobnych rurek, które nadają maszynie bardziej złożony, realistyczny wygląd. Równomierne rozmieszczenie nitów na froncie

Rys.6.9. Gotowy model

21

22

Rys.6.9. i 6.10. Gotowy model

7.TWORZENIE MODELU LOW POLY

Aby zoptymalizować model niekiedy stosuje specjalistyczne oprogramowanie służące do tzw. retopografii (wykonania specjalnych map z modelu high poly i wymodelowania modelu low poly w ten sposób, że jego wierzchołki będą mogły znaleźć się jedynie w płaszczyźnie większego modelu) jednak w przypadku prostszych modeli uzasadnione jest czasem wykonanie takiej optymalizacji „ręcznie”, poprzez usuwanie zbędne krawędzie i wierzchołki, pilnując jednak by siatka nadal była zbudowana z czworokątów. 3ds max posiada co prawda modyfikator służący do automatycznej optymalizacji siatki ( tj. modyfikator optimize) prowadzi on jednak do zabałaganienia siatki i utraty parametrów teksturowania, dlatego pomimo jego dobrych wyników w redukowaniu ilości wierzchołków w przypadku złożonych obiektów o skomplikowanej teksturze lepiej wykonać optymalizację ręcznie.

8.TEKSTUROWANIE

8.1 Przygotowanie mapy uvw

Teksturowanie korpusu lokomotywy wykonałano z pomocą modyfikatora uwnwrap uvw. Służy on do rozwinięcia siatki modelu na płaszczyznę 2d , która może być potem pokolorowana w edytorze graficznym. Potrzebne tekstury przygotowywałam w programie Adobe photoshop. Aby oteksturować obiekt z pomocą map uwv należy nadać mu modyfikator unwrap uvw a następnie w jednym z wybranych trybów zaznaczania ( vertex, edge lub face) wybierać kolejno fragmenty obiektu, które mają być rozwinięte do płaszczyzny. Aby móc podejrzeć efekty naszej pracy wciskamy w menu modyfikatora przycisk Edit uvw. Otwiera nam się wówczas nowe okno w którym widzimy rozwinięte do tej pory elementy siatki, możemy je przesuwać , skalować i rozmieszczać na przyszłej teksturze. Rozwijanie siatki odbywa się w kilku trybach np. trybie planar ( płaskie powierzchnie, zrzutowane bezpośrednio) spherical, cylindrical ( powierzchnie odpowiednio kuli i walca ), box ( dla obiektów prostopadłościennych). Dobranie odpowiedniego trybu dla poszczególnych elementów umożliwia oddanie jego płaszczyzn w jak najlepszych proporcjach,bez zniekształceń i rozciągnięć co ułatwia późniejsze kolorowanie tekstury. Jeśli chcemy wyrenderować mapę uvw aby ją otworzyć w programie graficznym z menu Tools naszego okna uvw wybieramy „Render uvw template” ustawiamy żądaną rozdzielczość modelu i zapisujemy nasz plik w formacie np. tiff lub jpg. Przykładowy render mapy uvw przedstawia rysunek 8.1:

Rys.8.1. Render siatki uvw

23

8.2 Kolorowanie mapy uvw

Tak przygotowaną mapę otwieramy w programie graficznym. Można zmienić rozdzielczość pliku, na ogół niewielkiego, to nie wpływa na nałożenie tekstury na model. Warto pracować na warstwach, aby ułatwić poprawki jeśli po „przymierzeniu” tekstury do modelu nie będziemy zadowoleni z efektu.

Ponieważ chciałam nadać lokomotywie trochę postarzały, zardzewiały wygląd utrzymałam mapy w kolorystyce brązowo- szarej. W nadaniu wrażenia metaliczności i odrapania pomogły mi

znalezione w Internecie pędzle typu „grunge” naśladujące wiernie efekt kurzu rdzy i zabrudzeń.

Rys.8.2. Pędzle imitujące efekt rdzy i zabrudzeń

24

Aby dodać mapie szczegółowości na pomalowanych blachach dodałam na osobnej warstwie z cieniem nity i inne drobne szczegóły, które można symulować przez namalowanie na teksturze, bez tworzenia rzeczywistych wypukłości.

Rys.8.3. Tekstura z nitami

Rys.8.4. Kolorowanie uvw

25

8.3 Tworzenie materiału

Kiedy mapa uvw jest już gotowa i zapisana w formacie JPG lub TIFF można utworzyć materiał pokrywający nasz obiekt. W programie 3ds max otwarto okno material editor (wywoływane literką M) . Aby materiał wyglądał metalicznie (miał odpowiedni połysk, ale nie sprawiał wrażenia lustra) użyto materiału typu arch&design. Rysunek 8.5. przedstawia wybrane przeze mnie główne parametry materiału. W menu General Maps nowego materiału wczytano zapisany obraz w oknie diffuse. Następnie nadajemy tak przygotowany materiał obiektowi. Ułożenie materiału powinno być idealnie zgodne z przygotowaną wcześniej mapą uvw.

Rys.8.5. Materiał metaliczny z mapą uvw

26

8.4 Pozostałe materiały

Ze względu na mniejszy stopień skomplikowania pozostałych elementów modelu do ich oteksturowania nie trzeba stosować złożonych materiałów- front lokomotywy został oteksturowany zdjęciem spatynowanego metalu, podobnie jak części układu napędowego. Dla kół zastosowano materiał Multi sub object, który umożliwił nadanie wewnętrznej części koła koloru czerwonego, zaś obręczy koloru czarnego. Aby materiały poprawnie rozkładały się na obiekcie poszczególnym elementom nadano modyfikator uvwmap.

Rys.8.6. Materiał Multi/sub-object

27

Rys.8.7. Gotowa lokomotywa

Rys.8.8. Gotowa lokomotywa

28

Niniejsza praca miała na celu pokazanie procesu przygotowywania modelu i teksturowania go z pomocą map uvw. Modelowanie w trybie editable poly pozwala na przygotowanie czytelnych, prostych siatek, które łatwo uporządkować i oteksturować tak, aby wyglądały dobrze z każdego punktu widzenia,

Teksturowanie za pomocą map uvw pozwala na przygotowywanie własnych tekstur, precyzyjnych i dopasowanych do indywidualnych wymagań.

29

BIBLIOGRAFIA

1. How to draw locomotives – Paul B.Mann, 1949

2. How to draw rolling stock– Paul B.Mann, 1949

3. Parowozy normalnotorowe produkcji polskiej- Bogdan Pokropiński, 2007

4. Historia kolei- Franco Tanel 2008

5. 3ds max- skuteczne rozwiązania – Jon A. Bell, 2004

6. Photoshop nr 5/2009 –artykuł dotyczący projektowania na potrzeby gier komputerowych

7. http://parowozy.net- strona poświęcona tematyce związanej z lokomotywami parowymi

8. http://www.gkw.pl/en-tabor.html - strona miłośników Górnośląskch Kolei Wąskotorowych

9.- http://www.cgtantra.com/forums/showthread.php?t=4739 –tutorial renderingu przy uzyciu modułu mental ray

30