Как строят модель и приводят её в движение
Моделирование это создание формы объекта. Основных источников два. Художник или инженер строит модель на компьютере с помощью программы для моделирования. Или сканируют реальный объект, и скан становится моделью. Среди распространённых наборов инструментов полигональное моделирование, моделирование патчами и NURBS-моделирование. Модели можно получать и процедурно, по правилу, а не вручную, или с помощью физической симуляции, которой дают отработать, а затем фиксируют результат в виде геометрии. Город из одинаковых окон это плохая задача для скульптора, но вполне подходящая для правила. А складки ткани часто лучше получаются у симуляции, чем у человека, который двигает вершины по одной.
Вершины и грани между ними
Трёхмерная модель состоит из точек, которые называют вершинами. Вершины задают форму и образуют полигоны. Полигон это область, образованная как минимум тремя вершинами, то есть треугольник. Полигон из n точек называют n-угольником. Целостность модели и то, выдержит ли она анимацию, зависят от того, как устроены эти полигоны. Сетка, которая хорошо выглядит в статичном кадре, может разорваться, как только сустав согнётся, потому что вершины изначально не были расположены с расчётом на этот изгиб. Статичному кадру просто повезло с ракурсом. В анимации на везение рассчитывать не приходится.
Прежде чем что-то рендерить, объекты нужно расставить в сцене. Компоновка задаёт пространственные отношения: где находится объект и каков его размер по сравнению с остальными. Анимация описывает объект во времени, то есть то, как он движется и деформируется. Среди популярных методов ключевые кадры, инверсная кинематика и захват движения. Их часто используют вместе. Игру актёра можно записать, подправить с помощью инверсной кинематики, чтобы ноги стояли на полу, а затем скорректировать ключевыми кадрами там, где захват неправильно передал руки. Физическая симуляция тоже задаёт движение. Это анимация, автором которой выступают силы, а не позы.
В основе этих методов лежит то, что у виртуального объекта есть атрибуты, в том числе параметры преобразования: положение, ориентация и масштаб, которые хранятся в матрице преобразования. В самом простом смысле анимация это изменение атрибута во времени. Простейшая её форма это ключевые кадры, каждый из которых хранит значение каждого анимируемого атрибута в заданный момент. Программа строит кривую зависимости этого значения от времени. Эту кривую можно редактировать. Процедурные методы объединяют связанные атрибуты, и благодаря этому эффектами частиц и симуляциями толпы можно управлять. Методы на основе выражений позволяют заданному пользователем математическому выражению вычислять значение и управлять анимацией. На практике так можно управлять костью тоньше, чем позволяет простая иерархия скелета. Для зрителя это всё тот же старый фокус. Показывают изображение, затем быстро заменяют его похожим, чуть смещённым. Кино и телевидение всегда работали именно так. Компьютер меняет лишь то, откуда берётся следующее изображение.
Для чего нужны программы
Программы трёхмерной графики создают изображения с помощью моделирования и рендеринга или создают модели для анализа, науки, развлечений и промышленности. Программы, в которых создают модели, называют моделлерами. Моделирование опирается на три вида отображения: точки, линии и треугольники вместе с другими полигональными участками.
В сеточном моделлере сетку можно дополнять, урезать, растягивать и изменять другими способами. На модель можно смотреть с нескольких сторон, часто одновременно. Её можно вращать и приближать. Модель можно записать в файл, который прочитает другое приложение, если метаданные совместимы. Многие моделлеры позволяют подключать модули импорта и экспорта, чтобы читать и записывать собственные форматы других программ. В большинство из них встроен трассировщик лучей или другой рендерер и какое-либо средство для наложения текстур. Некоторые поддерживают анимацию. Некоторые умеют рендерить последовательность кадров в видео.
Программы автоматизированного проектирования (САПР) могут использовать те же базовые приёмы, но всё равно остаются другим инструментом, потому что у них другая цель. САПР применяют в инженерном деле, на производстве, в анализе методом конечных элементов, в управлении жизненным циклом изделия, в трёхмерной печати и в архитектурном проектировании. Модели, по которой деталь будут обрабатывать на станке, не позволена та вольная геометрия, которая допустима для модели в кино. Щель, которую рендерер скрыл бы, станет щелью в детали. Форматы файлов делятся по той же границе. Формат для игры и формат для кронштейна, выточенного на станке, решают разные задачи, даже если в обоих есть треугольники.
Когда последовательность кадров готова, студии её монтируют и выполняют композитинг. В среднем сегменте рынка для этого могут использовать Premiere Pro или Final Cut Pro. В верхнем сегменте это были инструменты вроде Combustion, Digital Fusion и Shake. Программы трекинга камеры (match moving) совмещают реальную камеру с виртуальной, чтобы они двигались согласованно, пока движется настоящая камера. Если они расходятся, зритель видит рисунок, наложенный поверх фотографии. Иногда это художественный приём, но чаще ошибка.
Создание кинематографического произведения на графическом движке реального времени называют машинимой. Изображения рендерятся с теми же ограничениями, что и в игре, потому что это и есть игра, только работающая на фильм, а не на игрока. Это ограничение и есть метод. И оно же определяет внешний вид.