Введение в технологию мультимедиа систем

Тема 1. Введение в технологию мультимедиа систем 1.1 Понятие мультимедиа. Исторические аспекты возникновения. Основные характеристики 1.1 Понятие мультимедиа. Исторические аспекты возникновения. Основные характеристики В 1965 году термин «мульти-медиа» был использован для описания Exploding Plastic Inevitable – шоу, совместившего в себе живую рок-музыку, кино, экспериментальные световые эффекты и нетрадиционное искусство.  В течение нескольких десятков лет данный термин приобретал различные значения. В конце 1970-х годов этот термин обозначал презентации, составленные из изображений, получаемых от нескольких проекторов, синхронизированных со звуковой дорожкой. В 1990-х этот термин приобрел современное нам значение.  Термин «мультимедиа» с английского можно перевести как «многие среды» (от multi – много и media – среда).  В настоящее время мультимедиа-технологии являются бурно развивающейся областью информационных технологий.  "Мультимедиа" (англ. multimedia от лат. multum – много и media, medium – средоточие, средства) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих пользователю работать в диалоговом режиме с разнородными данными (графикой, текстом, звуком, видео и анимацией), организованными в виде единой информационной среды».  С другой стороны мультимедиа можно разделить на три аспекта (Рисунок1).  Рисунок 1  Цель мультимедиа технологий- создание продукта, содержащего «коллекции изображений, текстов и данных, сопровождающихся звуком, видео, анимацией и другими визуальными эффектами (Simulation), включающего интерактивный интерфейс и другие механизмы управления». Данное определение сформулировано в 1988 году крупнейшей Европейской Комиссией, занимающейся проблемами внедрения и использования новых технологий.  Интерактивность – свойство реагировать на действия пользователей, в том числе и управлять пользователем.  Идейной предпосылкой возникновения технологии мультимедиа считают концепцию организации памяти «МЕМЕХ», предложенную еще в 1945 году американским ученым Ваннивером Бушем.  Она предусматривала поиск информации в соответствии с ее смысловым содержанием, а не по формальным признакам (по порядку номеров, индексов или по алфавиту и т. п.).  Эта идея нашла свое выражение и компьютерную реализацию сначала в виде системы гипертекста (система работы с комбинациями текстовых материалов), а затем и гипермедиа (система, работающая с комбинацией графики, звука, видео и анимации), и, наконец, в мультимедиа, соединившей в себе обе эти системы (Рисунок 2).  Рисунок 2.  Однако всплеск интереса в конце 80-х годов XX в. к применению мультимедиа технологии в гуманитарной области (и, в частности, в историко-культурной) связан, несомненно, с именем выдающегося американского компьютерщика-бизнесмена Билла Гейтса, которому принадлежит идея создания и успешной реализации на практике мультимедийного продукта на основе служебной музейной инвентарной базы данных с использованием в нем всех возможных «сред»: изображений, звука, анимации, гипертекстовой системы («National Art Gallery London»).  Именно этот продукт аккумулировал в себе три основные принципа мультимедиа:  − представление информации с помощью комбинации множества воспринимаемых человеком сред;  − наличие нескольких сюжетных линий в содержании продукта (в том числе и выстраиваемых самим пользователем на основе «свободного поиска» в рамках предложенной в содержании продукта информации);  − художественный дизайн интерфейса и средств навигации.  Мультимедиа продукты создаются на базе программно-аппаратного комплекса, состоящего из компьютера с возможностью подключения к нему аудио- и видеотехники. Технические вопросы, касающиеся мультимедиа, определяются совместной обработкой разнородных данных: цифровых и аналоговых, видео и графических изображений и т.п.  В компьютере все данные хранятся в цифровой форме, в то время как теле-, видео- и большинство аудиоаппаратуры имеет дело с аналоговым сигналом.  Первые системы мультимедиа создавались в результате стыковки разнородной аппаратуры с компьютером и предоставлении компьютеру возможностей управления этими устройствами.  Дальнейшее развитие мультимедиа происходило в направлении объединения разнородных типов данных в цифровой форме в единой среде на одном носителе.  Далее мультимедиа-компьютер уже укомплектован стереофоническими колонками, микрофоном и дисководом для оптических компакт-дисков. Кроме того, внутри компьютера находится аудиоадаптер, позволивший перейти к прослушиванию чистых стереофонических звуков через акустические колонки с встроенными усилителями. Все оборудование, отвечающее за звук, объединяется в так называемые звуковые карты, а за видео – в видео карты.  Основными характерными особенностями этих технологий являются:  − объединение многокомпонентной информационной среды (текста, звука, графики, фото, видео) в однородном цифровом представлении; − обеспечение надежного (отсутствие искажений при копировании) и долговечного хранения (гарантийный срок хранения – десятки лет) больших объемов информации;  − простота переработки информации (от рутинных до творческих).  − возможность хранения большого объема самой разной информации на одном носителе;  − возможность увеличения (детализации) на экране изображения или его наиболее интересных фрагментов, иногда в двадцатикратном увеличении − (режим «лупа») при сохранении качества изображения.  Это особенно важно для презентации произведений искусства и уникальных исторических документов;  − возможность сравнения изображения и обработки его разнообразными программными средствами с научно-исследовательскими или познавательными целями; − возможность выделения в сопровождающем текстовом или другом визуальном материале «горячих слов (областей)», по которым осуществляется − немедленное получение справочной или любой другой пояснительной (в том числе визуальной) информации (технологии гипертекста и гипермедиа); − возможность осуществления непрерывного музыкального или любого другого аудиосопровождения, соответствующего статичному или динамичному визуальному ряду;  − возможность использования видеофрагментов из фильмов, видеозаписей и т. д., функции «стоп-кадра», покадрового «пролистывания» видеозаписи;  − возможность включения в содержание диска баз данных, методик обработки образов, анимации (к примеру, сопровождение рассказа о композиции картины графической анимационной демонстрацией геометрических построений ее композиции) и т. д.;  − возможность подключения к глобальной сети Internet;  − возможность работы с различными приложениями (текстовыми, графическими и звуковыми редакторами, картографической информацией);  − возможность создания собственных «галерей» (выборок) из представляемой в продукте информации (режим «карман» или «мои пометки»);  − возможность «запоминания пройденного пути» и создания «закладок» на заинтересовавшей экранной «странице»;  − возможность автоматического просмотра всего содержания продукта («слайд-шоу») или создания анимированного и озвученного «путеводителягида» по продукту («говорящей и показывающей инструкции пользователя»), включение в состав продукта игровых компонентов с информационными составляющими;  − возможность «свободной» навигации по информации и выхода в основное меню (укрупненное содержание), на полное оглавление или вовсе из программы в любой точке продукта.  Мультимедийный продукт – наиболее эффективная форма подачи информации в среде компьютерных информационных технологий. Он позволяет собрать воедино огромные и разрозненные объемы информации, дает возможность с помощью интерактивного взаимодействия выбирать интересующие в данный момент информационные блоки, значительно повышая эффективность восприятия информации. 1.2 Классификация мультимедиа приложений 1.2 Классификация мультимедиа приложений  Мультимедиа – это взаимодействие визуальных и аудиоэффектов под управлением интерактивного программного обеспечения.  Мультимедиа – комбинация текста, графических изображений, звука, анимации и видеоэлементов.  Согласно представленным выше определениям, мультимедиа можно классифицировать с разных точек зрения:  − на основе поддержки взаимодействия,  − на основе использования различных мультимедийных телекоммуникационных технологий.  С другой стороны можно классифицировать следующим образом  − Линейная. Аналогом линейного способа представления является кино. Человек, просматривающий данный документ, никаким образом не может повлиять на его вывод.  − Нелинейная. Нелинейный способ представления информации позволяет человеку участвовать в выводе информации, взаимодействуя каким-либо образом со средством отображения мультимедийных данных.  Участие человека в данном процессе также называется интерактивностью. Нелинейный способ представления мультимедийных данных иногда называется термином «гипермедиа». В качестве примера линейного и нелинейного способа представления информации, можно рассматривать такую ситуацию, как проведение презентации. Если презентация была записана на пленку и показывается аудитории, то этот способ донесения информации может быть назван линейным, так как просматривающие данную презентацию не имеют возможности влиять на докладчика. В случае же живой презентации аудитория имеет возможность взаимодействовать с докладчиком (например, задавать ему вопросы), что позволяет ему отходить от темы презентации, поясняя некоторые термины или более подробно освещая спорные части доклада. 5 Таким образом, живая презентация может быть представлена, как нелинейный (интерактивный) способ подачи информации. 1.3 Области применения мультимедиа приложений 1.3 Области применения мультимедиа приложений  Появление систем мультимедиа производит революционные изменения в таких областях, как образование, наука, искусство, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, является основой любой рекламы (Рисунок 3).  Рисунок 3  Можно перечислить основные направления, где сейчас используются мультимедийные продукты:  − Обучение с использованием компьютерных технологий (научно-просветительская или образовательная сфера);  − Видео-энциклопедии, интерактивные путеводители, тренажеры, ситуационно-ролевые игры и др.;  − Информационная и рекламная служба;  − Популяризаторская и развлекательная сферы;  − Интернет-вещание;  − Развлечения, игры, системы виртуальной реальности;  − Презентационная (витринной рекламы), СМИ;  − Творчество (станция мультимедиа становится незаменимым авторским инструментом в кино и видеоискусстве.  Автор фильма за экраном такой настольной системы собирает, «аранжирует», создает произведения из заранее подготовленных – нарисованных, отснятых, записанных и т. п.  – фрагментов;  − Военные технологии;  − Промышленность и техника (сенсорные экраны);  − Торговля.  Научно-исследовательской области – это электронные архивы и библиотеки – для документирования коллекций источников и экспонатов, их каталогизации и научного описания, для создания «страховых копий», автоматизации поиска и хранения, для хранения данных о местонахождении источников для хранения справочной информации, для обеспечения доступа к внемузейным базам данных, для организации работы ученых не с самими документами, а с их электронными копиями и т. д.).  − Медицина: базы знаний, методики операций, каталоги лекарств и т. п.  − Искусственный интеллект – внедрение элементов искусственного интеллекта в системе мультимедиа. Они обладают способностью «чувствовать» среду общения, адаптироваться к ней и оптимизировать процесс общения с пользователем: они подстраиваются под читателей, анализируют круг их интересов, помнят вопросы, вызывающие затруднения и могут сами предложить дополнительную или разъясняющую информацию.  − Системы распознавания речи, понимающие естественный язык, еще более расширяют диапазон взаимодействия с компьютером. 1.4 Аппаратные и программные средства мультитимедиа технологий 1.4.1 Аппаратные средства мультимедиа технологии  Технологию мультимедиа составляют специальные аппаратные и программные средства.  Для построения мультимедиа системы необходима дополнительная аппаратная поддержка:  - Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи для перевода аналоговых аудио- и видеосигналов в цифровой эквивалент и обратно;  − Средства звукозаписи (звуковые платы, микрофоны);  − Средства звуковоспроизведения (усилитель, колонки, акустические системы, наушники и гарнитуры);  − Манипуляторы (компьютерные мыши, джойстики, миди-клавиатуры);  − Средства «виртуальной реальности» (перчатки, очки, шлемы виртуальной реальности, используемые в играх);  − Носители информации (CD, DVD и HDD);  − Средства передачи (мини видеокамеры, цифровые фотоаппараты);  − Средства записи (приводы CD / DVD-ROM , CDRW / DVD+RW, TV- и FM-тюнеры);  − Средства обработки изображения (платы видеомонтажа, клавиатуры, графические акселераторы).  − Компьютер, телевизор, средства для получения и удобного восприятия информации и др.  1.4.2 Программные средства мультимедиа технологии  Программные средства мультимедиа складываются из трех компонентов (Рисунок 4):  Рисунок 4  Системные программные средства – это набор программ, входящих в состав операционной системы компьютера и осуществляющих управление устройствами мультимедиа, причем это управление на двух уровнях – физическое управление вводом-выводом информации на низком уровне с помощью машинных команд и управление пользователем характеристиками устройств с помощью графического интерфейса, изображающего пульт управления устройством, например регулировки громкости звука, тембра, стереобаланса и т. д.  Как правило, программы физического управления устройствами называют драйверами устройств.  Инструментальные программные средства – программы позволяющие модифицировать мультимедийные файлы и создавать мультимедийные приложения. Инструментальные программные средства – это пакеты программ для создания мультимедийных приложений:  - редакторы неподвижных графических изображений,  − средства создания анимированных GIF-файлов,  − средства аудио- и видеомонтажа,  − средства создания презентаций,  − средства распознавания текстов, введенных со сканера,  − средства создания обучающих программ,  − системы распознавания голоса и преобразования звуковых файлов в текстовые,  − системы создания приложений виртуальной реальности и другие.  Инструментальные средства существенно расширяют возможности управления мультимедийными устройствами по сравнению с теми, которые предоставляют системные средства, но это всегда платные продукты и некоторые из них стоят очень дорого, например профессиональные системы видеомонтажа.  Прикладные программные средства – это готовые и, как правило, продаваемые программные системы на CD или DVD дисках – фильмы, учебники, энциклопедии, игры, книги, виртуальные музеи, путеводители, рекламные материалы и т. д. Тема 2. Использование текса и изображений в мультимедиа системах 2.1 Структурные компоненты мультимедиа систем 2.1.1 Текст Текст – это упорядоченный набор предложений, предназначенный для того, чтобы выразить некий смысл.  В смысловой цельности текста отражаются те связи и зависимости, которые имеются в самой действительности (общественные события, явления природы, человек, его внешний облик и внутренний мир, предметы неживой природы и т.д.). Восприятие текста изучается в рамках таких дисциплин, как лингвистика текста и психолингвистика.  Текстовый файл – обычная форма представления текста на компьютере. Каждый символ из используемого набора символов кодируется в виде одного байта, а иногда в виде последовательности подряд идущих двух, трех и более байтов.  Особой разновидностью текстовых данных следует считать т.н. гипертекст. Термин «гипертекст» был введен Тедом Нельсоном в 1965 году для обозначения «текста ветвящегося или выполняющего действия по запросу». Обычно гипертекст представляется набором текстов, содержащих узлы перехода от одного текста к какому-либо другому, позволяющие избирать читаемые сведения или последовательность чтения.  Общеизвестным и притом ярко выраженным примером гипертекста служат веб-страницы – документы на HTML (гипертекстовом языке разметки) , размещенные в интернете. Существуют стилистические, жанровые и тематические классификации текста.  2.1.2 Аудио  Аудио (от лат. audio – «слышу») – общий термин, относящийся к звуковым технологиям.  Как правило, под термином аудио понимают звук, записанный на звуковом носителе, а также запись и воспроизведение звука, звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура.  Таким образом, аудиальный компонент мультимедийной информации предназначен для передачи звуковых данных. Как физическое явление звук изучается в рамках акустики, но при этом акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, теорию музыки и др. Непосредственное отношение к вопросам мультимедиа-технологий имеют такие направления современной акустики, как музыкальная акустика, электроакустика, акустика речи, цифровая акустика.  По содержанию аудиальный компонент мультимедиа обычно классифицируется на музыкальный и речевой звук. Музыкальный звук обладает следующими характеристиками:  • определенной высотой (обычно от 16 до 4500 Гц); • тембром, который определяется присутствием в звуке обертонов и зависит от источника звука; • громкостью, которая не может превышать болевого порога; • длительностью.  Речевой звук образуется произносительным аппаратом человека с целью языкового общения. Звуки речи подразделяются на шумы и тоны. Тоны в речи возникают в результате колебания голосовых связок; шумы образуются вследствие непериодических колебаний выходящей из легких струи воздуха. С точки зрения акустики речевые звуки представляют собой колебания упругой среды, обладающие определенным спектром, интенсивностью и диапазоном.  Наиболее известной характеристикой речевого сигнала является основной тон. Эта характеристика представляет собой обычную частотную модуляцию сигнала, параметры которой легко измеряются. Период основного тона разных людей (мужчин, женщин, детей) находится в диапазоне 50-250 Гц. Среди звуковых носителей информации выделяют аналоговые и цифровые носители.  Для целей мультимедиа-технологий наибольшее значение имеют последние, причем преимущественно это аудио-файлы, значительное количество которых было разработано в последние годы.  В классификации форматов аудио-файлов выделяют форматы без потерь и форматы с потерями. Аудиоформаты без потерь предназначены для точного (с точности до частоты дискретизации) представления звука. В свою очередь они делятся на несжатые и сжатые форматы.  Примеры несжатых форматов: • RAW – сырые замеры без какого-либо заголовка или синхронизации. • WAV (Waveform audio format) – разработан Microsoft совместно с IBM, распространенная форма представления звуковых данных небольшой продолжительности.  • CDDA – стандарт для аудио-CD.  Первая редакция стандарта издана в июне 1980 года компаниями Philips и Sony, затем была доработана организацией Digital Audio Disc Committee. Примеры сжатых форматов:  • WMA (Windows Media Audio 9 Lossless) – лицензируемый формат аудио-файлов, разработанный компанией Microsoft для хранения и трансляции. В рамках формата есть возможность кодирования звука как с потерей, так и без потери качества. • FLAC (Free Audio Lossles Audio Codec) – популярный формат для сжатия аудиоданных.  Поддерживается многими аудио-приложениями, а также устройствами воспроизведения звука.  Аудиоформаты с потерями ориентированы в первую очередь на по возможности компактное хранение звуковых данных: при этом идеально точное воспроизведение записанного звука не гарантируется.  Примеры таких форматов:  • MP3 – лицензируемый формат файла для хранения аудиоинформации, разработанный рабочей группой института Фраунхофера MPEG в 1994 году. На данный момент MP3 является самым известным и популярным из распространенных форматов цифрового кодирования звуковой информации с потерями. Он широко используется в файлообменных сетях для передачи музыкальных произведений. Формат может проигрываться в любой современной операционной системе, на практически любом портативном аудио-плеере, а также поддерживается всеми современными моделями музыкальных центров и DVD-плееров.  • Vorbis – свободный формат сжатия звука с потерями, появившийся летом 2002 года. Психоакустическая модель, используемая в Vorbis, по принципам действия близка к MP3. По всевозможным оценкам этот формат является вторым по популярности после MP3 форматом компрессии звука с потерями. Широко используется в компьютерных играх и в файлообменных сетях для передачи музыкальных произведений.  • AAC (Advanced Audio Coding) – формат аудио-файла с меньшей потерей качества при кодировании, чем MP3 при одинаковых размерах. Изначально создавался как преемник MP3 с улучшенным качеством кодирования, но в настоящий момент распространен существенно меньше, чем MP3.  • WMA – см. выше.  2.1.3 Компьютерная графика  Данное направление мультимедийных технологий предназначено для передачи пользователю визуальных изображений.  Первые вычислительные машины не имели отдельных средств работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее. По способам построения изображений компьютерную графику можно разделить на двумерную и трехмерную графику. Двумерная компьютерная графика (2D) классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений.  Известны следующие виды двумерной графики:  • Растровая графика. Эта разновидность двумерной графики всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселов. Пиксел (или пиксель) – мельчайшая единица растрового изображения, представляющая собой неделимый объект прямоугольной (обычно квадратной) формы, обладающий определенным цветом. Без особых потерь визуального качества растровые изображения можно только уменьшать; увеличение же растровых изображений приводит к увеличению дискретности изображения (рисунок 2.1).  Рисунок 2.1 - Результат увеличения растрового изображения В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения характеризуется большим объемом памяти, необходимым для работы с изображениями и потерями при редактировании.  • Векторная графика. Представляет изображение как набор примитивов, в качестве которых обычно выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты (толщина линий, цвет заполнения и т.д.). Рисунок хранится как набор координат, векторов и других численных значений, характеризующих набор примитивов. Изображение в векторном формате дает простор для редактирования, поскольку может без потерь (в отличие от растрового изображения) масштабироваться, поворачиваться, деформироваться. Вместе с тем, не всякое изображение может быть представлено в виде набора примитивов.  Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.  • Фрактальная графика. Фракталов в общем смысле называется объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями. Трехмерная компьютерная графика (3D) оперирует с объектами в трехмерном пространстве. Обычно результаты визуализации трехмерной графики представляют собой плоскую картинку, проекцию.  В трехмерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона чаще всего выбирают треугольники. Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе. Известны, например, следующие модели цветопередачи:  • RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий) – аддитивная цветовая модель: цвета получаются путем добавления к черному. Иначе говоря, если цвет экрана, освещенного цветным прожектором, обозначается как (r1, g1, b1), а цвет того же экрана, освещенного другим прожектором, – (r2, g2, b2), то при освещении двумя этими прожекторами цвет экрана будет обозначаться как (r1+r2, g1+g2, b1+b2). Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике. В телевизорах и мониторах применяются три электронные пушки (либо три вида светодиодов, светофильтров и др.) для красного, зеленого и синего каналов. • CMYK (от англ. Cyan, Magenta, Yellow, black – голубой, пурпурный, желтый, черный) – субтрактивная схема формирования цвета, используемая обычно в полиграфии для стандартной триадной печати. • HSV (от англ. Hue, Saturation, Value – тон, насыщенность, значение) – цветовая модель, в которой координатами являются цветовой тон, насыщенность (называемая также чистотой цвета) и значением (яркостью) цвета. Данная модель является нелинейным преобразованием модели RGB. Компьютерная графика представляет собой одно из наиболее мощных современных направлений развития компьютерных технологий.  2.1.4 Видео  Видео (от лат. video – «смотрю», «вижу») – под этим термином понимают широкий спектр технологий записи, обработки, передачи.  Результат увеличения растрового изображения хранения и воспроизведения визуального и аудиовизуального материала на мониторах. Наиболее важные характеристики видеосигнала – это количество кадров в секунду, развертка, разрешение, соотношение сторон, цветовое разрешение, ширина видеопотока, качество.  Рассмотрим эти характеристики по отдельности. Количество кадров в секунду (частота) – это число неподвижных изображений, сменяющих друг друга при показе 1 секунды видеоматериала и создающих эффект движения на экране. Чем больше частота кадров, тем более плавным и естественным будет казаться движение.  Минимальный показатель, при котором движение будет восприниматься однородным – примерно 10 кадров в секунду (это значение индивидуально для каждого человека). Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. Развертка видеоматериала может быть прогрессивной (построчной) или чересстрочной (интерлейсинг).  При прогрессивной развертке все горизонтальные линии (строки) изображения отображаются одновременно, при чересстрочной – показываются попеременно четные и нечетные строки. Чересстрочная развертка была изобретена для показа изображения на кинескопах и используется сейчас для передачи видео по «узким» каналам, не позволяющим передавать изображение во всем качестве. Любой видеосигнал характеризуется вертикальным и горизонтальным разрешением, измеряемым в пикселах.  Обычное аналоговое телевизионное разрешение составляет 720×576 пикселей.  Новый стандарт высокоотчетливого цифрового телевидения HDTV предполагает разрешения до 1920×1080 с прогрессивной разверткой.  Соотношение ширины и высоты кадра – важнейший параметр в любом видеоматериале.  Старому стандарту, который предписывает соотношение сторон как 4:3, появившемуся еще в 1910 году, на смену приходит более соответствующий естественному полю зрения человека стандарт 16:9, на который сейчас ориентируется цифровое телевидение.  Количество цветов и цветовое разрешение видеосигнала описывается цветовыми моделями, рассмотренными ранее. В компьютерной технике применяется в основном RGB и HSV.  Ширина видеопотока или битрейт (от англ. bit rate – частота битов) – это количество обрабатываемых бит видеоинформации за секунду времени. Чем выше ширина видеопотока, тем в общем лучше качество видео. Например, для формата VideoCD битрейт составляет всего примерно 1 Мбит/с, для DVD – около 5 Мбит/с, а для формата HDTV – около 10 Мбит/с.  Качество видео измеряется с помощью формальных метрик, таких, как PSNR или SSIM, или с использованием субъективного сравнения с привлечением экспертов. Из современных стандартов цифрового кодирования и сжатия видеоматериалов можно выделить следующие:  • MPEG-2 – группа стандартов цифрового кодирования видео и аудио сигналов. MPEG-2 в основном используется для кодирования видео и аудио при вещании, включая спутниковое вещание и кабельное телевидение. С некоторыми модификациями этот формат также используется как стандарт для сжатия DVD.  • MPEG-4 – новый международный стандарт сжатия цифрового видео и аудио, появившийся в 1998 году. Используется для вещания (потоковое видео), записи дисков с фильмами, видеотелефонии и широковещания. Включает в себя многие функции MPEG-2 и других стандартов, добавляя такие функции, как поддержка языка виртуальной разметки VRML для показа 3D-объектов, объектно-ориентированные файлы, поддержка управления правами и разные типы интерактивного медиа.  • Ogg Theora – видеокодек, разработанный Фондом Xiph.Org как часть их проекта «Ogg» (целью этого пректа является интеграция видеокодека On2 VP3, аудиокодека Ogg Vorbis и мультимедиа-контейнера Ogg в одно мультимедийное решение, наподобие MPEG-4). Полностью открытый, свободный в лицензионном отношении мультимедиа-формат.  2.1.5. Применение мультимедиа-технологий  Мультимедиа-технологии нашли широкое применение в таких сферах человеческой деятельности, как искусство, образование, индустрия развлечений, медицина, бизнес, научные исследования и др. В настоящее время мультимедийный способ передачи информация стал неотъемлемым элементом современных компьютерных систем. 2.2 Проблематика разработки 2.2.1 Проблематика разработки мультимедиа системы Тенденции развития современных мультимедиа систем (МС) приводят к постоянному возрастанию их сложности , создаваемых в различных областях.  Современные крупные проекты МС характеризуются, как правило, следующими особенностями:  • Сложность описания, требующая тщательного моделирования и анализа данных и процессов;  • Наличие совокупности тесно взаимодействующих компонентов, имеющих свои локальные задачи и цели функционирования;  • Отсутствие прямых аналогов, ограничивающее возможность использования каких-либо типовых проектных решений и прикладных систем;  • Необходимость интеграции существующих и вновь разрабатываемых приложений;  • Функционирование в неоднородной среде на нескольких аппаратных платформах;  • Разобщенность и разнородность отдельных групп разработчиков по уровню квалификации и сложившимся традициям использования тех или иных инструментальных средств;  • Существенная временная протяженность проекта, обусловленная, с одной стороны, ограниченными возможностями коллектива разработчиков, и, с другой стороны, масштабами организации-заказчика и различной степенью готовности отдельных ее подразделений к внедрению МС.  Для успешной реализации проекта объект проектирования должен быть прежде всего адекватно описан, должны быть построены полные и непротиворечивые функциональные и информационные модели системы.  Накопленный к настоящему времени опыт проектирования МС показывает, что это логически сложная, трудоемкая и длительная по времени работа, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов.  2.2.2 Структурный подход к проектированию МС  В 70-х и 80-х годах при разработке МС достаточно широко применялась структурная методология, предоставляющая в распоряжение разработчиков строгие формализованные методы описания МС и принимаемых технических решений.  Сущность структурного подхода к разработке МС заключается в ее декомпозиции (разбиении) на автоматизируемые функции: система разбивается на функциональные подсистемы, которые в свою очередь делятся на подфункции, подразделяемые на задачи и так далее.  Процесс разбиения продолжается вплоть до конкретных процедур. При этом автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны.  При разработке системы «снизу-вверх» от отдельных задач ко всей системе целостность теряется, возникают проблемы при информационной стыковке отдельных компонентов. Все наиболее распространенные методологии структурного подхода базируются на ряде общих принципов.  В качестве двух базовых принципов используются следующие:  • Принцип «разделяй и властвуй» – принцип решения сложных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач, легких для понимания и решения;  • Принцип иерархического упорядочивания – принцип организации составных частей проблемы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.  Выделение двух базовых принципов не означает, что остальные принципы являются второстепенными, поскольку игнорирование любого из них может привести к непредсказуемым последствиям (в том числе и к провалу всего проекта).  Основными из этих принципов являются следующие:  • Принцип абстрагирования – заключается в выделении существенных аспектов системы и отвлечения от несущественных;  • Принцип формализации – заключается в необходимости строгого методического подхода к решению проблемы;  • Принцип непротиворечивости – заключается в обоснованности и согласованности элементов;  • Принцип структурирования данных – заключается в том, что данные должны быть структурированы и иерархически организованы.  Наглядность и строгость средств структурного анализа позволяла разработчикам и будущим пользователям системы с самого начала неформально участвовать в ее создании, обсуждать и закреплять понимание основных технических решений. Однако, широкое применение этой методологии и следование ее рекомендациям при разработке конкретных МС встречалось достаточно редко, поскольку при неавтоматизированной (ручной) разработке это практически невозможно.  2.2.3. Проектирование МС с применением CASE-технологий  Рассмотренная ситуация способствовала появлению программно-технологических средств специального класса – CASE-средств, реализующих CASE-технологию создания и сопровождения МС.  Термин CASE (Computer Aided Software Engineering) используется в настоящее время в весьма широком смысле. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных ИС в целом.  Теперь под термином CASE-средства понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения МС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного ПО (приложений) и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы.  CASE-средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки МС.  CASE-технология представляет собой методологию проектирования МС, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения МС и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей.  Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или текстов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств.  Современные CASE-средства охватывают обширную область поддержки многочисленных технологий проектирования МС: от простых средств анализа и документирования до полномасштабных средств автоматизации, покрывающих весь жизненный цикл ПО.  Обычно к CASE-средствам относят любое программное средство, автоматизирующее ту или иную совокупность процессов жизненного цикла ПО и обладающее следующими основными характерными особенностями:  • мощные графические средства для описания и документирования МС, обеспечивающие удобный интерфейс с разработчиком и развивающие его творческие возможности;  • интеграция отдельных компонент CASE-средств, обеспечивающая управляемость процессом разработки МС;  • использование специальным образом организованного хранилища проектных метаданных (репозитория).  Интегрированное CASE-средство (или комплекс средств, поддерживающих полный жизненный цикл ПО) содержит следующие компоненты;  • Репозиторий, являющийся основой CASE-средства.  Он должен обеспечивать хранение версий проекта и его отдельных компонентов, синхронизацию поступления информации от различных разработчиков при групповой разработке, контроль метаданных на полноту и непротиворечивость;  • Графические средства анализа и проектирования, обеспечивающие создание и редактирование иерархически связанных диаграмм (DFD, ERD и др.), образующих модели МС;  • Средства разработки приложений, включая языки 4GL и генераторы кодов;  • Средства конфигурационного управления;  • Средства документирования;  • Средства тестирования;  • Средства управления проектом;  • Средства реинжиниринга.  На сегодняшний день Российский рынок программного обеспечения располагает следующими наиболее развитыми CASE-средствами:  • Vantage Team Builder (Westmount I-CASE);  • Designer/2000;  • Silverrun;  • ERwin+BPwin;  • S-Designor; • CASE.Аналитик.  Кроме того, на рынке постоянно появляются как новые для отечественных пользователей системы (например, CASE /4/0, PRO-IV, System Architect, Visible Analyst Workbench, EasyCASE), так и новые версии и модификации перечисленных систем. Тема 3. Компьютерная анимация , видео и звук 3.1 Компьютерная анимация С начала 90-х годов средства мультимедиа развивались и совершенствовались, став к началу XXI века основой новых продуктов и услуг, таких как электронные книги и газеты, новые технологии обучения, видеоконференции, средства графического дизайна, голосовой и видеопочты. Применение средств мультимедиа в компьютерных приложениях стало возможным благодаря прогрессу в разработке и производстве новых микропроцессоров и систем хранения данных. Нажатием кнопки пользователь компьютера может заполнить экран текстом; нажав другую, он вызовет связанную с текстовыми данными видеоинформацию; при нажатии следующей кнопки прозвучит музыкальный фрагмент. Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный дизайн, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т.д. Под компьютерной анимацией понимается создание образов и приведение их в движение (анимирование) тем самым, создавая последовательный видео ряд. Под понятием «образы», в анимации могут находиться, как какие-либо герои мультфильма так и тексты и различные объекты, которые аниматор заставил двигаться и выполнять различные функции на экране. Наиболее распространённым и удобным программным средством для создания анимационных фильмов является программа Macromedia Flash. Это векторный графический редактор для создания анимационных фильмов, навигационных меню, обучающих программ. Его возможности разнообразны. Векторная графика — это способ представления изображения с помощью совокупности кривых, положение которых на рисунке описывается посредством математических формул. Например, для описания любой окружности требуется всего три-четыре числа: радиус, координаты центра и толщина линии.  Благодаря этому векторная графика имеет по сравнению с растровой целый ряд преимуществ: - математические формулы, описывающие векторное изображение, занимают намного меньше места в памяти компьютера, чем описание пикселей растрового изображения; - возможность практически неограниченного масштабирования изображения (или отдельных его фрагментов) без потери его качества; - совершенно «безболезненный» перенос векторного изображения с одной платформы на другую. Для работы с программой Macromedia Flash необходимы не просто навыки рисования и знание принципов построения видеоряда, а также знание и понимание языка программирования сценариев ActionScript (собственного языка программы). Наиболее востребованы продукты созданные во Flash в internet. Огромную популярность получили «анимационные мульты», создаются различные студии, которые специализируются на создании развлекательных анимационных мультфильмов. Развита сеть баннерной рекламы созданной во Flash. Баннер – это короткий анимационный клип, рекламирующий ту или иную продукцию, имеющий URL (Universal Resource Locator - Универсальное Устройство ввода позиций Ресурса).  Равносильное название URL – ссылка (гиперссылка) на страницу производителя рекламируемого продукта. Баннеры помещаются на страницы различных сайтов. Именно за счёт баннерной рекламы многие сайты зарабатывают деньги, параллельно предлагая пользователям воспользоваться тем или иным сервисом данного сайта и найти на сайте ту или иную интересующую пользователя информацию. Безусловно, в Internet существует также реклама в виде текстов и gif-баннеров. Но ничто не уступает флеш-роликам по соотношению полезной информации и минимального размера файла. Macromedia Flash MX обладает массой преимуществ, так как позволяет пользователю самостоятельно оформлять создаваемые фильмы, имеет гораздо больше возможностей при работе с файлами других форматов (их импорте и экспорте).  3.2 Создание мультимедиа презентаций и интерфейсов 3.2 Создание мультимедиа презентаций и интерфейсов Мультимедийные презентации могут быть созданы с использованием различных программных средств. Существующие средства объединения различных мультимедиа-компонентов в единый продукт условно можно разделить на две группы: - авторские системы; - алгоритмические языки для непосредственной разработки, управляющей программы; - специализированные программы для создания презентаций и публикации их в Интернет (быстрая подготовка мультимедиа-приложений); Данное разделение весьма условное, так как многие программные средства позволяют разрабатывать программные модули на языке сценариев. Выбор программного средства для разработки мультимедиа проекта зависит от того, на сколько быстро требуется его разработать, какова должна быть степень его эффективности, какие функции должен будет выполнять мультимедиа продукт. Авторские системы предназначены для создания программных продуктов с высокой степенью взаимодействия с пользователем. Часто для разработки пользовательского интерфейса авторские системы предлагают специальный язык сценариев. Они позволяют создать конечный продукт, объединяющий все мультимедиа-компоненты единой управляющей программой. Его отличительной чертой является наличие общего интерфейса, позволяющего выбрать любой из мультимедиа-компонентов, запустить его на выполнение (прослушать звуковой файл или просмотреть видео), организовать поиск требуемого объекта и т.п. Зачастую при создании, каких либо электронных учебников и обучающих приложений разработчик всё же склоняется к алгоритмическим языкам, на одном из которых пишется программа с дружественным интерфейсом и мультимедийным наполнением. Делается это для того, чтобы защитить последующий мультимедийный продукт от некорректного использования и изменения. Но разработка мультимедиа-приложения на каком-либо алгоритмическом языке требует знания программирования, хотя современные среды визуального программирования дополнены различными мастерами для создания отдельных элементов интерфейса, позволяющих автоматизированно получать код программы.  Затраты времени на разработку будут в этом случае значительны, но получившееся приложение — оптимальным по использованию ресурсов компьютера и скорости функционирования. телекоммуникационная сеть интерфейс мультимедиа Если же требуется создание мультимедийной презентации, которая будет выполнять информационные функции для узкого круга лиц специализирующихся на отдельной теме, то достаточно ограничиться специальными программами для создания мультимедиа презентаций. Этот имеет смысл, если допустим докладчик создаёт мультимедийную презентацию для того, чтобы иллюстрировать свой доклад, сделать его более интересным для аудитории. И попутно с речевым докладом представляет зрителю видео образы на большом экране. Программы создания презентации, первоначально предназначенные для создания электронных слайдов, помогающих иллюстрировать сообщение докладчика, теперь все более ориентируются на применение мультимедиа. Существует большое количество таких программ, различающихся набором изобразительных и анимационных эффектов. MS Power Point. Презентационная программа, входящая в пакет Microsoft Office. По количеству изобразительных и анимационных эффектов не уступает многим авторским инструментальным средствам мультимедиа. Содержит средства для создания гибкого сценария презентации и записи звукового сопровождения каждого слайда. Наличие русскоязычной версии позволяет успешно работать с текстами на русском языке. Встроенная поддержка Интернета позволяет сохранять презентации в формате HTML, однако анимированные компоненты требуют установки специального дополнения PowerPoint Animation Player. Позволяет создавать сложные программные надстройки на языке программирования Visual Basic for Application, что существенно расширяет возможности программы. Специальная надстройка Custom Soundtracks Add-In дополняет презентацию фоновым музыкальным сопровождением с широким выбором мелодий. Freelance Graphics. Программа фирмы Lotus для создания слайд-шоу. Обеспечивает широкий набор возможностей форматирования текста, рисунков, графиков и таблиц на слайдах. Демонстрация презентации может проводиться на компьютерах, где сама программа Freelance Graphics отсутствует. Поддерживает изображения в формате GIF, в том числе с прозрачным фоном. Преобразование презентации в формат HTML с помощью специального мастера позволяет публиковать ее на Web-сервере, обеспечивая при этом оптимальную скорость загрузки страницы. Демонстрация слайд-шоу в Интернете требует дополнительных компонентов Plug-In для броузера или Freelance Graphics’ ActiveX. Formula Graphics. Авторская система Formula Graphics фирмы Formula Software применяется для разработки интерактивных приложений мультимедиа. Она имеет простой и удобный в использовании графический интерфейс и не накладывает никаких ограничений на изображения, звуки и анимации, которые могут быть объединены с ее помощью. Formula Graphics имеет мощный объектно-ориентированный язык, однако приложения можно разрабатывать и без применения программирования. Управляющие элементы на экране отображаются в виде гипертекста и графических гиперссылок. Formula Graphics имеет программируемую двух- и трехмерную графику и используется также для разработки приложений с анимацией и игровых программ. Разработанные мультимедиа-приложения могут быть проиграны с гибкого диска, CD-ROM, непосредственно через Интернет или внедрены в Web-страницу. HyperMethod. Российская авторская система HyperMethod работает под Windows 95/98/NT. Она позволяет создавать самые разнообразные мультимедиа-приложения и по своим функциональным возможностям приближается к программе Macromedia Director. Поддерживает распространенные форматы звуковых и видеофайлов, а также возможность контролируемой покадровой анимации. Обеспечивает быстрое создание гипертекстовых приложений, а совместимость с HTML позволяет создавать приложения для Интернета. Имеет собственный язык сценариев. Новые возможности, добавленные в последней версии, делают ее привлекательной как для новичков, так и для профессионалов. 3.3 Цифровой видео и звук 3.3 Цифровой видео и звук В настоящее время существует два типа видео: аналоговое и цифровое. Аналоговый видеосигнал в телевидении содержит 625 строк в кадре при соотношении размера кадра 4х3, что соответствует телевизионному стандарту. Этот сигнал является композитным и получается сложением яркостного сигнала Y, сигнала цветности (два модулированных цветоразностных сигнала U и V) и синхроимпульсов. Так как глаз человека менее чувствителен к изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости, то цветовая информация может передаваться с меньшей четкостью. Поэтому в телевизионном сигнале, где каждый цвет описывается тремя составляющими: красной (R), зеленой (G) и синей (B), на их базе формируются сигнал яркости Y и цветоразностные сигналы U и V, причем последние передаются с разрешением, в два раза меньшим, чем Y. В телевизионном приемнике эти сигналы декодируются, и восстанавливается исходный RGB-сигнал. В бытовых видеомагнитофонах для простоты декодирования сигналов объем информации в них ограничивается, что ведет к уменьшению четкости изображения и снижению числа строк до 240. Такое решение используется в форматах VHS и Video-8. Более качественный результат получается при передаче двух композитных сигналов: яркости вместе с синхроимпульсами (Y) и модулированных цветовых сигналов (C). При этом обеспечивается разрешение в 400 линий. Такому решению соответствуют форматы записи S-VHS и Hi-8. Только при переходе к компонентному сигналу, в котором все три составляющих — Y, U и V — передаются отдельно, можно достичь наиболее высокого качества. Такой сигнал используется в профессиональной аппаратуре формата Betacam, что позволяет получить разрешение до 650 линий. Цифровое видео первоначально представляло собой преобразованный в цифровой формат аналоговый сигнал, в котором данные о серии изображений сохранялись на каком-либо запоминающем устройстве. Появление цифровых видеокамер позволило получать сигнал сразу в цифровой форме. Для них был разработан новый цифровой формат записи на магнитную ленту — DVC (Digital Video Cassette) или DV (Digital Video). Это компонентный формат представления сигнала, который обеспечивает разрешение по горизонтали 500 линий. Оцифровка осуществляется с разрешением 720х576 согласно схеме 4:2:0 (каждый кадр содержит 720х576 значений яркости Y и по 360х288 значений цветоразностных сигналов U и V). Благодаря раздельной записи видео и звука формат DV позволяет добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук. Для телевидения также разработан новый цифровой стандарт HDTV (High Definition Television), который обеспечивает 1200 строк разрешения при соотношении размера кадра 16х9 по горизонтали и вертикали. Для уменьшения объема цифровых видеофайлов используют методы сжатия данных, которые базируются на математических алгоритмах устранения, группировки и усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Существует большое количество разнообразных алгоритмов сжатия, включая Compact Video, Indeo, Motion-JPEG, MPEG, Cinepak, Sorenson Video. Все они могут быть разделены на следующие категории. Обычное сжатие (в режиме реального времени) это система оцифровки видеосигнала с одновременным сжатием. Для качественного выполнения этих операций требуются высокопроизводительные специальные процессоры. Большинство плат ввода/вывода видео на PC пропускают кадры, что нарушает плавность изображения и его синхронизацию со звуком. Симметричное сжатие это когда оцифровка и запись видео производится при параметрах последующего воспроизведения (например, разрешение 640х480 при скорости 30 кадров в секунду). Асимметричное сжатие это когда обработка выполняется при существенных затратах времени. Так, отношение асимметричности 150:1 указывает, что 1 минута сжатого видео соответствует затратам на сжатие в 150 минут реального времени. Все методы сжатия приводят к некоторой потере качества. Существует только один алгоритм (разновидность Motion-JPEG для формата Kodak Photo CD), который выполняет сжатие без потерь, однако он оптимизирован только для фотоизображений и работает с коэффициентом 2:1. Коэффициент сжатия — это цифровое выражение соотношения между объемом исходного и сжатого материала. Качество видео зависит от используемого алгоритма сжатия, параметров видеоплаты оцифровщика, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1. Различные варианты Motion-JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя уже при уровне 20:1 трудно добиться нормального качества изображения. Для редактирования видео существует большое количество программных продуктов. В дополнение к пакетам трехмерной анимации существуют узкоспециализированные программы, например, для создания объемных шрифтов. Они также используют разнообразные эффекты анимации, выполняют визуализацию изображения и позволяют создать видео файлы. Некоторые из них будут представлены далее. Quick Editor. Это условно-бесплатный редактор, осуществляющий основные операции с видеоизображением в формате MOV и AVI быстро и просто. Он представляет собой хорошее и доступное средство для работы с небольшими видеопоследовательностями. Для работы с этим редактором на вашем компьютере должна быть установлена программа просмотра QuickTime версии 3 и выше. Конечно, данный редактор не заменит средств для профессионалов, но для многих небольших проектов будет крайне полезен. Adobe Premiere. Наиболее распространенная программа видеомонтажа. Обладает удобным интерфейсом. Поддерживает несколько видео- и звуковых каналов, содержит набор переходов между кадрами, позволяет синхронизировать звук и изображение. Поддерживает файлы форматов MOV и AVI. Подключение дополнительных модулей (plug-ins) от независимых производителей расширяет возможности программы. Speed Razor SE. Программа фирмы in-sync, имеющая удобный пользовательский интерфейс. Благодаря более развитым инструментам работы с видео- и звуковыми каналами Speed Razor удобнее использовать в проектах со сложной композицией и наложениями. Содержит набор часто используемых спецэффектов, монтаж встык (прямые склейки) выполняется в режиме реального времени и не требует рендеринга. Поддерживает работу с картами видеозахвата miroVIDEO DC30, обеспечивая все их возможности и обратную связь с VGA монитором. Мультимедиа-проекты, созданные с помощью этой программы, могут быть записаны на видео, CD-ROM или помещены на Web-сайт. Ulead VideoStudio. Программа Ulead VideoStudio предназначена для начинающих пользователей. В ней доступна полная поддержка форматов DV и MPEG-2 для цифрового видео. А для музыкального сопровождения фильма можно использовать музыкальные файлы в формате MP3 или звуковые дорожки с аудиодиска. Работа с программой достаточно проста благодаря продуманному и дружественному к пользователю интерфейсу. Оцифровка легко выполняется с помощью специального модуля Video Wizard. Он помогает пройти по всем стадиям этого процесса и дает необходимую информацию для начала редактирования. С помощью технологии SmartRender работа с оцифрованным видео происходит достаточно быстро. Это связано с тем, что при получении результата идет просчет не по всей видеоинформации, а лишь только той ее части, которая подверглась изменениям. В видеофильм можно вставить титры, воспользоваться плавными переходами между отдельными фрагментами и добавить голос или фоновую музыку к получившемуся клипу. Video Trope. Простая программа для редактирования и добавления эффектов к видео и компьютерной анимации. Позволяет добавить звуковую дорожку к видеоматериалу и синхронизировать ее. С ее помощью можно также построить цифровую видеопоследовательность или анимацию, собрав ее из отдельных, подготовленных ранее статических кадров или из захваченных отдельных фрагментов созданных ранее оцифрованных фильмов. Video Trope также позволит добавить звуковую дорожку к видеоматериалу, синхронизировав звук с изображением. Сохраняет видео в формате AVI. AVIedit. Небольшая, но мощная программа для работы с видео в формате AVI. По своим функциональным возможностям во многом совпадает с Video Trope. Позволяет захватывать отдельные кадры и живое видео в файлы формата AVI и выполнять их редактирование. Возможно создание клипа путем импорта серий изображений из файлов BMP и анимированных GIF и, наоборот, экспорт выбранных кадров или всего клипа в последовательность отдельных файлов BMP, TARGA или в другой клип. Можно также создать клип с текстовыми титрами, указывая размер шрифта и цвет. От аналогичных программ отличается большей гибкостью настроек и удобством работы. В программе приняты меры для преодоления ограничения в 2 Гбайта на размер файлов AVI. VideoMan. Программа, разработанная российской фирмой STOIK Software. VideoMan — редактор видео с многодорожечной временной шкалой. Имеет дорожку для создания переходов между видеофрагментами, три звуковых дорожки и три видеодорожки (включая одну оверлейную дорожку для клипов с прозрачностью). Содержит библиотеку переходов и динамических специальных эффектов и звуковой редактор. В работе можно использовать интерактивный предварительный просмотр, утилиту для захвата видео и режим автовставки, который позволяет захватывать клипы с TV- или VCR-входа и создавать собственные фильмы с титрами, звуком и специальными эффектами. Digital Movie Studio. Программа для редактирования видео фирмы Hitachi. Она позволяет создавать MPEG-файл (*.mpg) на основе видеоклипов и статичных изображений, добавлять звуковую дорожку или заменять ее, добавлять титры, дату и время, использовать эффекты перехода между кадрами, изменять скорость изображения. PowerVCR. Программа фирмы CyberLink, работающая как интерактивная видеокамера, записывает файлы непосредственно в формате MPEG-1 с разрешением CIF (352 х 288) или SIF (352 х 240), что позволяет пользователю экономить как время, так и место на жестком диске. PowerVCR также обеспечивает возможность редактирования и создания титров, и преобразование файлов формата AVI в MPEG-1. Имеет интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Позволяет получать сигнал от видеомагнитофона или видеокамеры, а также с TV-тюнера.  Producer. Программа фирмы Emulive позволяет записывать видео и звук, полученные от различных источников. Реальный режим работы, добавления титров, статичных изображений, размывания изображения или увеличения резкости, подсвечивания изображения, его вращения и др. Для последующей передачи можно сохранить запись в формате JFX, разработанном фирмой Emulive. Также возможно преобразование файла в форматы AVI и WAV. Технология Screenscrape позволяет использовать в качестве источника изображения экран компьютера, задавая размер изображения от полного экрана до 320х240, 240х180, 160х120 либо 80х60 точек. Режим “pointer-follow-me” дает возможность отслеживать перемещения указателя мыши. COOL 3D. Программа создания 3D-заголовков фирмы Ulead для презентаций, видео, мультимедиа и Web-страниц. Программа включает в себя более 100 автоматических мастеров, множество эффектов, которые в значительной степени упрощают моделирование и рендеринг конечной сцены. Также содержит огромную библиотеку 3D-объектов и материалов плюс фотореалистичные шаблоны и текстуры. 3Dplus. Программа 3DPlus фирмы Serif автоматизирует создание трехмерных сцен с помощью большого набора мастеров. Она специально приспособлена для совместной работы с PagePlus — приложением, предназначенным для создания публикаций на бумаге или Web-страниц. Звуковой канал очень важен для восприятия видео человеком, так как видео без звука невозможно воспринять полноценно. Получение звука на компьютере можно реализовать несколькими способами. В звуковых платах реализуются два основных метода синтеза: таблично-волновой и на основе частотной модуляции. Первый основан на воспроизведении сэмплов — образцов звучания реальных инструментов. Сложные синтезаторы для воспроизведения каждой ноты применяют параллельное проигрывание нескольких сэмплов и дополнительную обработку звука (модуляцию, фильтрацию, спецэффекты и др.) в результате чего достигается реалистичность звучания. Синтезаторы с частотной модуляцией используют несколько генераторов сигнала с взаимной модуляцией. При этом достигается большое разнообразие звучаний, но трудно имитировать звучание реальных инструментов и обеспечить благозвучный тембр. Программы для работы со звуком можно условно разделить на две большие группы: программы-секвенсоры и программы, ориентированные на цифровые технологии записи звука, так называемые звуковые редакторы. MIDI-секвенсоры предназначены для создания музыки. С помощью секвенсоров выполняется кодировка музыкальных пьес. Они используются для аранжировки, позволяя “прописывать” отдельные партии, назначать тембры инструментов, выстраивать уровни и балансы каналов (треков), вводить музыкальные штрихи (акценты громкости, временное смещение, отклонения от настройки, модуляция и проч.). В отличие от обычного сочинения музыки эффективное использование секвенсора требует от композитора-аранжировщика специальных инженерных знаний. Программы звуковых редакторов позволяют записывать звук в режиме реального времени на жесткий диск компьютера и преобразовывать его, используя возможности цифровой обработки и объединения различных каналов. Существуют различные программы позволяющие работать со звуком: Cakewalk Pro Audio. Профессиональный многодорожечный секвенсор компании Twelve Tone Systems пользуется заслуженной популярностью у профессионалов. Поддерживает до 64 аудиодорожек и 256 - MIDI, 64 канала звуковых эффектов. Cakewalk был одним из первых программных продуктов, в котором появилась поддержка дополнительных подключаемых модулей (plug-in) разнообразных аудиоэффектов, созданных для интерфейса DirectX. Характерная особенность DirectX-эффектов заключается в том, что все они работают в реальном времени — достаточно щелкнуть по кнопке Preview, и можно настраивать все параметры выбранного эффекта прямо в процессе воспроизведения звукового фрагмента. Cubase VST. Это универсальный и сложный профессиональный секвенсор фирмы Steinberg. Он имеет большее количество способов просмотра и манипулирования музыкой, чем какая-либо другая программа. В отличие от других, эта программа использует много непривычных терминов, поэтому для работы с ней требуется подготовка. Программа поддерживает как подключаемые модули с интерфейсом DirectX, так и с интерфейсом VST. VST специально разработан фирмой Steinberg как альтернативная платформа для поддержки эффектов реального времени. Logic Audio Platinum. HiEnd профессиональный секвенсор фирмы Emagic имеет 128 аудиодорожек и неограниченное количество MIDI. Обеспечивает поддержку DirectX, обработку в реальном времени, качество 16/24 бит, может работать с несколькими звуковыми картами. Он также позволяет записывать звук и выполнять цифровую его обработку. Удобный оконный интерфейс отображает пьесу в виде, соответствующем решаемой задаче. Команды меню можно представить на разных языках. Band in Box. Профессиональный авто аранжировщик фирмы PGmusic. Позволяет создавать импровизации в различных стилях от блюза до техно. Обеспечивает также поддержку аудиозаписи, что дает возможность добавить вокал или инструментальное сопровождение. Мастер стиля показывает, какие стили имеют такой же темп, жанр и чувство. Поддерживает дополнительные подключаемые модули, различные стили, соло, эффекты (MegaPack). Позволяет сохранять файлы в форматах как MIDI, так и WAV, а также использовать установленные в Windows кодеки для сжатия файла. MusiNum. Алгоритм работы программы основан на теории чисел. Задаются инструменты оркестра, который проиграет сочиняемую мелодию. Оркестр до 16 участников. Настройки каждого голоса вызываются щелчком мыши по кнопке с номером вверху окна. Четыре числовых параметра в первой строке обозначают коэффициенты математической формулы – определяют мелодию для выбранного инструмента. Следующая строка описывает характер звучания мелодии, а строка под ней — инструмент. Самая нижняя строка описывает положение инструмента в стереофонической панораме и ритм музыки. Параметры мелодии можно сохранить в собственном формате программы MusiNum (MIN). Также возможно создание MIDI-файла, для чего нужно задать начальный и конечный номера нот для участка генерируемой последовательности. Sound Forge. Программа Sound Forge является одним из лидеров среди звуковых редакторов. Она обладает мощными функциями редактирования, позволяет встраивать любые подключаемые модули, поддерживающие технологию DirectX, имеет удобный современный интерфейс. Включает две дополнительных компонента: Batch Converter, позволяющий объединить группу файлов в один общий файл, и Spectrum Analysis, представляющий данные в двух видах (спектр и фонограмма), используя быстрое преобразование Фурье. Поддерживает современные звуковые форматы, в том числе RealAudio. CoolEdit Pro. Профессиональная студия звукозаписи фирмы Syntrillium Software. Она позволяет записывать звук через звуковую карту от микрофона, CD-проигрывателя или другого источника, считывать и записывать файлы в популярном формате MP3, редактировать полученные звуковые файлы и добавлять в них разнообразные фантастические эффекты. Позволяет использовать эффекты: ревербератор, chorus, эхо, эквалайзер, компрессор, шумоподавление, изменение высоты тона и темпа, CD-премастеринг, анализ спектров и АЧХ. Обеспечивает работу с мультимедиа-сайтами, подготовку звука для MP3, RealAudio, DVD при качестве до 24 бит/96 кГц. Позволяет объединять до 64 каналов, создавая файлы объемом до 2 Гбайт и сохраняя их в одном из 25 различных форматов. WaveLab. Стереоредактор фирмы Steinberg входит в группу лидеров среди звуковых редакторов. Это самый быстрый пакет для премастеринга и редактирования звука. Имеет эффекты, обеспечивает запись CDR, анализ спектров, имеет возможность работы со встроенными подключаемыми модулями DirectX и VST, поддерживает многие форматы звуковых файлов, в том числе и MP3. Программа открывает звуковой файл в двух окнах: первое — для общего обзора, а второе — для конкретного редактирования. Возможность открывать несколько файлов одновременно. Они могут быть сведены в группу и сохранены как проект (project). Большой массив звуковых файлов можно объединить в базу данных (database). PowerTracks Pro. Мощный многодорожечный аудио-миди-редактор фирмы PGmusic, совместимый с Band-in-Box. Позволяет записывать воспроизводить и контролировать до 16 каналов аудио, MIDI или их комбинаций одновременно. Каналы могут быть сохранены в отдельный фаил и экспортированы в другой проект. При загрузке новой мелодии каналы, не имеющие названия, автоматически получают имена из списка General MIDI для файлов MID или из пользовательского списка для файлов SEQ. Список этих имен отображается в специальном окне на панели инструментов. Akoff Music Composer. Программа распознает мелодию, поступающую на микрофон или записанную в WAV-файле и переводит ее в формат MIDI. Помимо этого, присутствует MIDI-проигрыватель с расширенными возможностями. Для своей работы требует наличия высококачественного микрофона. Хотя от пользователя не требуется никаких знаний нотной грамоты, нужно потренироваться напевать мелодию так, чтобы ее могла распознать программа. Тема 4. Представление 3D данных 4.1 Общие понятия и определения 3D моделирование — это процесс создания трехмерной модели объекта.  Задача 3D-моделирования: разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом образ может как копией готового (известного) объекта, так и разработанный с нуля.  Для создания трёхмерной графики необходимо знать расположение объекта, которое определяется системой координат. Основной является декартовая система координат. В трёхмерной системе координат 3D-3-dimensional оси обозначаются как X, Y, Z, причём Z ось перпендикулярна плоскости XY. В разных программах ориентация Z оси может быть различной. Местоположение объектов, выраженных по отношению к системе координат XYZ, называется мировой системой координат.  Для создания объёмного изображения существует несколько подходов:  1. От плоскости к объёму (когда рисуют плоский объект и для создания трёхмерного образа рассматривают объект с различных сторон также на плоскости, пример — чертежи).  2. От объёма к плоскости (в нём изначально создаётся трёхмерный образ и для получения серии плоских картинок делают снимки этого трёхмерного объекта с различных ракурсов, положений и т. д. Принцип реализуется в 3Ds Max, Cinema).  Достоинства и недостатки трёхмерной графики  Достоинства  1) Реалистичность  2) Широкая сфера применения  3) Свобода трансформации объектов  Недостатки 1) Значительный объём файлов  2) Программная зависимость  Для создания трёхмерных объектов наиболее распространённым способом является построение фигур из сетки полигонов (polygon). Полигон характеризуется вершинами (vertices), рёбрами(edges), гранями (faces). Объект, состоящий из множества полигонов, представляет собой полигональную сетку, отображение которой может быть полным и неполным.  Полигональные сетки могут строиться из треугольников или прямоугольников. Поверхность сетки определяется с помощью дополнительных атрибутов. Атрибуты поверхности могут быть простыми (сплошной цвет) и сложными (цвет с эффектом блеска). Поверхность также может быть представлена с помощью одного или более растрового изображения, которые называют текстурными картами (текстурами). В совокупности свойства поверхности именуются как материалы. Наличие оного или более источником освещения позволяет представить объект в более естественной форме. Пространства с объектом и источниками освещения носят названия сцены освещения.  Так как полигональные сетки строят по координатам своих вершин, преобразование объектов осуществляют без отдельной прорисовки каждой его вершины с помощью матриц, которые позволяют изменять размеры объектов, их поворот и движение без фактического изменения значений в его вершинах.  Каждая сцена для рисования обладает точкой просмотра, которая визуализируется с помощью камер.  Шейдер - это программа, выполняемая на графическом процессоре в процессе обработки кадра. Используется для определения конечных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя описание поглощения или рассеяния света, наложение текстуры, смещения поверхности и т. д. Например, Шейдеры могут быть использованы для рисования поверхности кирпичной кладки на абсолютно плоской поверхности.  Выделяют следующие 5 этапов:  1. Моделирование - это создание объектов, которые будут на сцене.  Выделяют следующие типы моделирования:  - Моделирование на основе примитивов (под примитивами понимают простейшие параметрическое формы: углы, сферы, пирамиды). При визуализации эти объекты преобразуются в полигоны, но получаемая поверхность выглядит более гладкой за счёт специальных алгоритмов закраски. - Моделирование на основе сечений. Объекты на основе сечений названы по аналогии с судостроением, в котором применяется натягивание поверхности на произвольное сечение. Сечение или плоские формы в этом способе располагают вдоль некоторого пути.  - Моделирование, основанное на использовании булевых операциях (пересечение, вычитание). Основой служат поверхности. При этом выделяют следующие поверхности: многоугольные каркасы, лоскутки (сплайн-моделирование), в этом в случае объекты изменяются с помощью контрольных точек. Образующие сплайны располагаются по краям создаваемой поверхности. Технология создания плавных форм и моделей, принцип: с помощью управляющих вершин можно воздействовать не только на крайние (контрольные) точки, но и на любую локальную область поверхности. Применяется для создания образов животных, людей.  - Моделирование по поверхности сплайновой сетки. При этом создаётся совокупность сплайнов в виде каркаса, на основе которого формируется поверхность.  2. Текстурирование — это придание поверхностям модели вида реальных материалов (дерево, металла, пластика). В процессе создания простейших примитивов каждому из них назначается цвет, который на самом деле не является цветом поверхности, а обозначает цвет каркасной структуры. Чтобы после визуализации объекта он стал реалистичным, применяют редактор материалов. В редакторе можно установить реальный цвет объекта, при этом он может быть основным (определяет покрытие всего объекта), обтекающим (определяет влияние фонового освещения), зеркальным (определяет наиболее яркие блестящие участки поверхности объекта) и т. д. В процессе создания материалов могут быть использованы карты текстур (растровые изображения реальных объектов) и процедурные карты (изображения, которые генерируются программным путём). В процессе создания объектов могут накладываться несколько карт одновременно. Это определяет эффекты текстурирования. Точное размещение материалов на поверхности объектов достигается кардитами проецирования. При создании материалов определяются такие свойства объектов, как отражение, преломление, прозрачность. При этом можно изменять силу света, тип поверхности. Это реализуется с помощью спец. алгоритмов.  3. Освещение - это добавление и размещение источников света аналогично студийной съёмке. Благодаря освещению можно сформировать тени объектов сцены, изменить свойства отображения материалов, общее настроение сцены.  4. Анимация - это процесс создания движения путём просмотра быстро сменяющихся кадров (изменение во времени каких-либо свойств объектов, например положения в пространстве, размеры, и материалов, например цвет, прозрачность). Для создания иллюзии движения зачастую прибегают к математическому описанию этого движения.  5. Визуализация необходима для формирования окончательного изображения. Операция носит название рендеринга. При реализации учитывается:  - качество изображения, при этом под качеством изображения понимаются эффекты сглаживания, создание скруглённых диагональных линий (рёбер), количества шагов в полигональной сетке;  - освещение, например: объёмный свет, прожекторы и их количество и т. д. Чем более сложные эффекты освещения применены, тем более значительные ресурсы требуются для вычислений  - размер изображения, при этом под размером может пониматься как габаритное изображение, так и его разрешение в пикселях. 4.2 Рабочая Среда 3DSMAX 4.2.1. Методы проецирования 3D-объектов Для отображения трёхмерного объекта на двумерный экран используются математические преобразования, которые называются проецированием. Точки, определяющие отрезки прямых, кривые и другие элементы проецируются на воображаемую проекционную плоскость, называемую картинной плоскостью. Проводятся проекционные линии от точек объекта к наблюдателю. В точке, где эти линии пересекают картинную плоскость, называются точками проекции.  Способы отображения 3D-объектов:  1) Параллельные (аксонометрические, ортографические);  2) Центральные (перспективные).  При построении аксонометрической проекции трёхмерного объекта его отдельные точки сносятся на плоскость проекции параллельным пучком лучей. При перспективном проецировании проекционные линии строятся в направлении от точки наблюдения к вершинам объекта и далее к картинной плоскости. То есть пучок лучей исходит из точки, соответствующей положению глаза наблюдателя.  Уменьшение размеров проекции объектов по мере увеличения расстояния от него до картинной плоскости называется перспективным сокращением.  Схематично структурная схема всех видов плоских проекций представлена на рисунке. Плоскость аксонометрической проекции располагается перпендикулярно всей совокупности проекционных лучей, а плоскость центральной проекции — перпендикулярна только одному центральному лучу, соответствующему линии визирования сцены.  При аксонометрической проекции не происходят искажения в горизонтальных и вертикальных размерах, но искажаются размеры, характеризующие глубину объекта. При центральной проекции искажаются все размеры объектов.  2. Системы координат в 3DSMAX В 3DSMAX основной является глобальная система координат (World Coordinate System).  Условно можно считать, что в виртуальном трёхмерном пространстве ось Z глобальной системы координат, соответствует понятию высоты, ось Х — ширины, ось Y — длины или глубины сцены. Взгляд на сцену спереди означает наблюдение вдоль оси Y в её положительном направлении, тогда ось Х будет направлена вправо, ось Z — вверх по экрану, а ось Y перпендикулярно экрану.  На проекции «Вид сверху» оси глобальной системы координат будут располагаться: Ось Х — направлена вправо, Y —вверх по экрану, Z — перпендикулярно экрану. Для проекции «Вид спереди» и «Вид сзади» основные плоскости, проходящие через оси глобальной системы координат, будет плоскость ZX. Для проекции «Вид сверху» и «Вид снизу» будут плоскости — XY, а для проекции «Вид слева» и «Вид справа» — ZY. Помимо глобальной системы координат, в 3DSMAX используется ещё и локальная система. Эта система координат назначается каждому объекту и определяется понятия «Вверх», «Влево», «Вправо» для этого объекта. Начало локальной системы координат помещается в опорную точку. Опорная точка может располагаться в геометрических центрах объекта (слева, справа, снизу, сверху). При перемещении или повороте объекта его локальная система координат перемещается и поворачивается вместе с ним. Но при этом в глобальных координатах направление «Вверх» для него всегда остаётся направление оси Z локальной системы координат.  3. Интерфейс программы включает следующие основные области:  • ПАНЕЛЬ МЕНЮ – включает в себя все настройки и функции;  • ПАНЕЛЬ ИНСТРУМЕНТОВ (главная) – состоит из основных инструментов управления, базовых трансформаций, привязок и иных настроек;  • ЛЕНТА С ВКЛАДКАМИ (Modeling Ribbon) – содержит редактируемые группы инструментов моделирования (может редактироваться по содержанию, режимам отображения и положению);  • ПАНЕЛЬ КОМАНД – содержит большинство команд моделирования и анимации объектов;   • ПАНЕЛЬ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ – включает в себя строки состояния и подсказки, элементы ввода команд, управление анимацией;  • ОКНА ПРОЕКЦИЙ – основная рабочая область программы.  Панель меню  • Application button (Кнопка приложения) — состоит из команд для редактирования и просмотра файлов.  • Quick Access Toolbar (Панель быстрого доступа) — настраиваемая панель для выполнения автоматических операций над файлами, изображениями (сохранение, открытие).  • Edit (Правка) — содержит команды для редактирования объектов.  • Tools (Инструменты) — открывают доступ к инструментам модуля.  • Group (Группа) — включает команды для группирования/разгруппирования объектов.  • Views (Виды) — представляет команды для работы с окнами проекций. • Create (Создать) — содержит свитки для создания примитивов, частиц и источников света. • Modifiers (Модификаторы) — содержит команды для изменения объектов или их частей.  • Animation (Анимация) — включает команды анимации.  • Graph Editors (Графические редакторы) — осуществляют доступ к модулям управления иерархией и анимацией.  • Rendering (Визуализация) — содержит модули визуализации объектов и фонов.  • Customize (Настройка) — позволяет производить настройки интерфейса и программы.  • MAXScript (Скрипты) — открывают доступ к программам сценария.  • Help (Справка)  Панель инструментов  • Axis Constraints (Ограничители осей)  • Layers (Слои)  • Extras (Дополнительные средства) — состоит из команд клонирования и создания массивов.  • Render Shortcuts (Комбинации визуализации) — обеспечивает быстрый доступ к инструментам визуализации сцены.  • Snaps (Привязки) — изменяет привязку объектом по линиям сетки и так далее.  • Animation Layers (Слои анимации) — включает команды для работы с анимацией слоёв.  • Containers (Контейнеры) — работа с контейнерами, внутрь которых могут помещаться объекты.  • MassFX Toolbar (Панель MassFX) — обеспечивает быстрый доступ к некоторым функциям модуля физики твёрдых тел.  • Brush Presets (Образцы кистей) • Info Center  Командные панели (Command Panels)  • Create (Создать) — для создания объектов.  • Modify (Изменить) — изменение форм объектов.  • Hierarchy (Иерархия) — управление иерархическими связями объектов.  • Motion (Движение) — доступ к командам движения объектов.  • Display (Отображение) — управление отображения объектов. • Utilities (Инструменты) — набор средств по настройке и управлению.  Управляющие элементы состояния  • Isolate Selection Toggle (Переключатель изоляции выделения)  • Selection Lock Toggle (Переключатель блокировки выделения)  • Absolute Mode Transform Type-in (Режим трансформации)  • Progressive Display (Прогрессивное отображение).  • Time Slider (Бегунок таймеры) — предназначен для быстрого доступа к любому кадру анимационной последовательности.  • Track Panel (Панель треков) — шкала кадров с отображение ключевых кадров анимации.  o Серый кадр – ключевой кадр изменения значения параметров;  o Зеленый кадр – ключевой кадр поворота;  o Красный кадр – ключевой кадр положения;  o Синий кадр – ключевой кадр масштабирования  • Строка состояния — содержит текстовую информацию о текущей сцене, кнопки блокировки, выделения и ввода параметров преобразования, текущий шаг сетки. • Строка подсказки — отображает ожидаемое программой действие, включает «добавить временной дескриптор», служит для входа во всплывающее меню, в котором редактируют дескрипторы для каждого кадра анимационной последовательности.  • Панель управления ключевыми кадрами — создаёт ключевые кадры в ручном и автоматическом режиме, устанавливает фильтры при создании ключевых кадров.  • Панель управления временными параметрами — служит для быстрого доступа к кадрам и ключам анимационной последовательности. • Панель управления окнами проекции.  Средства управления  • Tool Tips (Всплывающие подсказки)  • Rollouts (Свитки)  • Context-sensitive Menus (Контекстные меню)  • Numeric Input Fields (Поля цифрового ввода) • Drop-down Menus (Выпадающие списки)  • Flyouts (Прикрепленные панели)  • Floaters (Плавающие панели)  • Snippers (Счетчики) 4.3 Полигональное моделирование 4.3.1 Назначение и особенности полигонального моделирования объектов  Области применения:  ᴥ WEB-графика;  ᴥ Анимация высокого разрешения;  ᴥ Кино, телевидение.  В веб-графике применение полигонального моделирования позволяет показать объект (его трёхмерное изображение) под любым углом, а также раскрыть особенности его конструкции. Часто используется в рекламе товаров, создании анимированных персонажей, дизайне помещений.  Анимация высокого разрешения позволяет экономить время для просмотра движущихся объектов при наличии большого количества полигонов, легко заменяется каркасной сеткой с высоким разрешением в процессе визуализации объектов (действует принцип от простого к сложному).  Кино, телевидение — моделирование каскадёрских трюков, создание вымышленных персонажей.  Методы построения полигональных моделей:  - вытягиванием из одного-единственного исходного полигона, при этом каждый новый полигон вытягивается из предыдущего, и, например, может присоединяться с соседним полигоном через вершины;  - на основе полигональных примитивов, когда примитивом является куб, сфера или подобные объекты, а затем из него вытягиваются те или иные подобъекты, осуществляется деление граней;  - модель создается с нуля, а входящие в нее полигоны не вытягиваются, а рисуются вручную (по точкам, дополнительно гранями). 2. Математические основы полигональных преобразований Все полигональные преобразования основаны на геометрическом моделировании полигональной сетки. Полигональная сетка (жарг. меш от англ. polygon mesh) — это совокупность вершин, рёбер и граней, которые определяют форму многогранного объекта в трехмерной компьютерной графике и объёмном моделировании. Гранями обычно являются треугольники, четырёхугольники или многоугольники, при этом у каждой грани есть нормаль, которая перпендикулярна поверхности грани.  Математический эквивалент полигональных сеток — это неструктурированные сетки. Операции над сетками могут включать булеву алгебру, сглаживание, упрощение и т. д. Для передачи полигональных сеток по сети используются сетевые представления в виде потоковых или прогрессивных сеток. Объёмные сетки отличаются от полигональных тем, что они представляют и поверхность, и объём структуры.  Для математического описания полигональных сеток используется операция над матрицами.  Описание относительно многоугольника: Рисунок 4.3.1 - Представление полигональной сетки с явным заданием треугольника  Модель представления полигональной сетки для одного многоугольника является компактной, но избыточной для набора граней так как не существует общего описания, общих вершин и рёбер. Элементы списка указателей на вершины для каждого многоугольника ссылаются на соответствующие координатные данные для вершин. Такое представление компактнее, чем предыдущие, но трудно найти многоугольники с общими рёбрами. Элементы списка рёбер   содержат указатели на вершины в списке вершин. Для обеспечения поиск  всех вершин необходимо иметь обратные указатели от вершины на одно из относящихся к ней рёбер. Для преобразования объектов необходимо применить эти преобразования к каждому элементу или примитиву объекта. Такие преобразования носят названия аффинных и осуществляются над опорными точками примитивов объектов.  Аффинное преобразование:  При реализации преобразования сначала записывается матрица А так как она не зависит от того, какие точки будут подвергнуты преобразованию. Затем ведётся расчёт матрицы V*. Если преобразование необходимо подвергнуть несколько геометрических объектов или элементов, то матрица преобразования будет применяться к ним последовательно. Пусть точка Р(x,y,z), тогда смещение точки на величину h будет записываться как:   Тогда Трёхмерный перенос является простым расширением двухмерного и описывается матрицей.  Отражение Mx — отражение относительно плоскости YZ.  My — отражение относительно плоскости XZ.  Mz — отражение относительно плоскости XY.  Поворот:   Преобразование координат  В–1 = ВТ В аффинных преобразованиях обратная матрица совпадает с транспонированной матрицей и равна. Таким образом, при выборке элементов массива меняются местами индексы строк и столбцов, пи этом не требуется изменение элементов массива, описывающего матрицу. Объединение элементарных трёхмерных преобразований позволяет получить более сложные преобразования. Например, перемещение отрезков Р1Р2 и Р1Р3. В результате преобразований пусть точка Р1 совпадает с точной начала координат. Отрезок Р1Р2 должен располагаться вдоль отрицательной полуоси Z. Отрезок Р1Р3 — размещается в плоскости Y0Z (Y — положительная). Последовательность базовых операций для получения такого результата следующая: 1. Точка Р1 переносится в начало координат. 2. Отрезок Р1Р2 поворачивается вокруг оси Y до совмещения с плоскостью YoZ. 3. Отрезок Р1Р2 вращается вокруг оси X до совмещения с осью Z. 4. Отрезок Р1Р3 вращается вокруг оси Z до совмещения с плоскостью YoZ. В итоге результирующая матрица имеет следующий вид: В левосторонней системе положительными будут повороты, выполняемые по часовой стрелке если смотреть с конца положитеной полуоси в направлении начала координат. Аффинные преобразования обладают следующими свойствами:  • Применяются ко всему объекту.  • Сохраняются в матрице аффинных преобразований в виде результирующего значения, вне зависимости от числа и последовательности примененных преобразований.  • При визуализации объекта расчет матрицы преобразований происходит после вычисления модификаторов пространства объекта, но перед вычислением модификаторов мирового пространства.  4.3.3 Особенности полигонального редактирования в 3DSMAX   Редактируемый многогранник является более поздним типом моделируемых объектов. Причиной перехода явилось изменение принципов визуализации объектов. Сов ременные методы визуализации не требуют разбития объектов на треугольные грани.  Таким образом, в 3DSMAX в более старых версиях отсутствует режим полигонального моделирование, а имеется только редактирование сеток по треугольным граням (Editable Mesh). В основе редактируемого многогранника лежит разделение объектов на четырёхугольные грани (режим Editable Poly). Существенный недостаток метода полигонального моделирования состоит в том, что для получения гладкой поверхности необходимо создать большое число многоугольников. В результате, при анимации, такие модели имеют высокое разрешение, медленно деформируются, требуют больших ресурсов компьютера. Для устранения этого недостатка используется принцип тесселяции.  Он состоит в следующем: сначала изготавливают грубую модель из небольшого количества полигонов, затем каждый полигон делится на 4 части, при этом осуществляется сглаживание структуры с изменением углов полигонов. С этим связано возникновение терминов «high poly» и «low poly».  Особенностью полигонального моделирования также является пустотелость модели. Это приводит к тому, что наложение текстуры происходит только на видимую часть объекта. При твёрдотельном моделировании объекты представляются в виде монолита.  Перед тем, как приступить к созданию полигонального проекта следует определить технические требования к моделям.  В частности максимальное количество полигонов, уровень детализации, особенности текстур, единицы измерения и масштаб.  Количество многоугольников определяется пределом перемещением многоугольников за один кадр анимации.  Уровень детализации определяется степенью удаления объекта от зрителя.  Текстурные карты, как правило, представляются в bmp-формате, при этом их характеристикой является битность (глубина цвета).   Единицы измерения и масштаб. Чтобы модели были совместимы с другими объектами, создание сразу осуществляется в заданных единицах измерения и  масштабе (стараются избегать масштабирования).  При работе с полигональной моделью необходимо отслеживать количество четырёхугольников и треугольников, их соотношение. Для того, чтобы избежать получения неплоских полигонов.  При этом используется осевое ограничение на преобразования вершин, которое гарантирует расположение вершины в центре. Следует избегать пересечения объектов между собой при создании объединённого каркаса (он не закругляется). Для того чтобы избежать излишне гладких и закруглённых углов на участках,  где должны сохраняться острые грани, производят отсоединение многоугольников от общей группы. В результате этого сглаживание на эти многоугольники будет рассчитываться отдельно.   4.4 Моделирование на основе сплайнов 4.4.1 Понятие сплайна  Объектом и формой трёхмерного объекта могут быть двухмерные и трёхмерные кривые. Выделяют два типа кривых:  Splines (Сплайны) и NURBS Curves (Кривые NURBS).  Spline – кусочно-полиномиальная функция.   Сплайны — это двухмерные самостоятельные геометрические фигуры, которые могут служить основой для построения сложных трёхмерных объектов. У каждого сплайна выделяют вершины и сегменты, и в зависимости от типа сплайна положение сегмента может быть разным.  Выделяют кубические и бикубические сплайны. На их основе выполняются задачи интерполяции и сглаживания. Вершины сплайна могут быть:  • Corner (Угловая). Вершина с изломом отличается тем, что её сегменты не имеют кривизны.  • Smooth (Сглаженная). Входящие сегменты симметричны и описываются через сплайн-кривые с плавным изгибом.  • Bezier (Безье).  Вершина имеет направляющие и управляющие маркеры, которые могут изменять форму кривой. Направляющие  и управляющие маркеры зависят друг от друга и могут лежать только на одной прямой.  • Bezier Corner (Безье угловая). Вершины также имеет направляющие и управляющие маркеры, но они независимы друг от друга.  4.4.2 Методы построения сплайновых поверхностей.  Большинство тех, встречающихся в природе, невозможно описать простыми универсальными формулами. В тоже время аналитическое описание в трёхмерном пространстве двухмерной поверхности должно быть минимальным, поэтому пользуются следующим приёмом:   1) Задают координаты небольшого количества точек, лежащих на поверхности.  2) Через эти точки проводят плавные поверхности. Для решения такой задачи могут быть два пути: A. По заданному массиву опорных точек на плоскости строят кривую, проходящую через все точки (интерполяция).  B. По заданному массиву опорных точек строят кривую вблизи этих точек (сглаживание). Сглаживающая поверхность стоится в виде так называемого тензорного произведения, которое может быть описано параметрическим уравнением: Параметрические уравнения: где Сглаживающие поверхности обладают следующими свойствами: o лежат в выпуклой оболочке, порождающей её точек; o являются гладкими поверхностями; o упираясь в точки V00, V03, V30 и V33 касаются исходящих из них отрезков контрольного графа заданного набора. Методы построения плоских и пространственных кривых:  - метод интерполяции по точкам;  - вычисление конических сечений;  - путём расчёта пересечения поверхностей;  - выполнение преобразования некоторой кривой;  - формирование замкнутых или разомкнутых контуров из отдельных сегментов, дуг отдельных прямых, произвольных кривых;  Для математического описания плоских и пространственных кривых используется параметрическая форма задания функции, это обеспечивает независимость представления кривых от системы координат и соответствует процессу их отображения на устройствах вывода. Наиболее распространёнными являются B – сплайны, β — сплайны и безье-кривые.  B – сплайны.  Кривая формируется по отношению к ломаной линии. B – сплайн всегда начинается от первой контрольной точки, заканчивается последней и всегда касается ломаной в этих точках (начальной и конечной). Способ основан на соединении нескольких кривых Безье в одну гладкую кривую. По заданному набору точек V0, V1, V2, V3 Элементарная кубическая B  — сплайновая кривая записывается уравнением:  где  Где t — это функция времени и принадлежит диапазону от 0 до 1.  Когда у нас множество точек, соответственно, составная кубическая B — сплайновая кривая задаётся уравнением,  где t принадлежит диапазону от 0 до -2 и определяется набором точек V0, V1 … Vm-1, Vm, представляющих собой объединение m-2 элементарных кубических В — сплайновых кривых.  При этом m≥3, а уравнения для каждой из элементарных кубических кривых будут следующие:  Построенная по данному уравнению кривая обладает следующим свойством: изменение координат одной вершины в массиве, или добавление новой вершины к уже имеющимся, не приводит к полному изменению всей кривой, а, следовательно, не требует выполнения дополнительных вычислений.   Рациональные кубические B – сплайны.  Для заданного набора V0, V1, V2, V3 кривая описывается уравнением:  Матрица M — базисная матрица бета-сплайновой кривой, численные параметры  β1 и β2 называются параметрами формы бета-сплайновой кривой, β1 соответствует параметру скоса, а β2 параметру напряжения. Изменение значений параметров β1 и β2 приводит к изменению результирующей кривой без изменения координат опорных точек  Уравнение β — сплайна из набора точек Vi-1, Vi, Vi+1 и Vi+2:  где  При β1 = 1 и β2 = 0 бета-сплайн обращается в кубический В — сплайн. На основе рациональных кубических В — сплайнов была создана технология NURBS, использующая сочетания интерполяционных кривых. Примеры общего вида сферической поверхности, созданной средствами полигональной графики и NURBS – технологий:   Функции Безье. Представляет собой частный случай сплайна. Метод построения основан на использовании пар касательных, проведенных к отрезку линии в их окончание. Отличительной чертой метода Безье является то, что управляющими параметрами кривых являются точки в трёхмерном пространстве, каждая из которых оказывает влияние на кривую.  Методы построения кривых Безье: Разбиение и отсечение. Задача: по заданному массиву точек на плоскости или в пространстве необходимо построить кривую, проходящую вблизи этих точек. Решение: произвольно ломаную линию представляют некоторым количеством опорных точек: Р0, Р1, Р2, положение которых известно в трёхмерном пространстве. По этим точкам строится дуга так, чтобы она проходила вблизи точек Р0, Р1, Р2 внутри треугольника Р0Р1Р2. Принимают точку Р1 в качестве контрольной и её называют регулирующей (влияющей). Далее ломаную линию делят на два сегмента, каждую из которых также разбивают на три точки. Таким образом, создавая сегменты ломаной,  заданная кривая будет аппроксимирована (приближённо построена благодаря этим отрезкам) отрезками. Фактически процедуру записывают таким образом:  В результате точка Р2(2) будет опорной для построения дуги, а для получения дальнейшего сглаживания необходимо будет продолжить разбиение на отрезке с новыми опорными точками Р0, Р1, Р2.  Для построения кривых высших порядков требуется большее количество промежуточных точек. Построение кривых Безье высших степеней (n = 3) Для построения кубической кривой Безье необходимо 4 опорные точки: Р0, Р1, Р2, Р3 заданные в двухмерном или трёхмерном пространстве. Построение начинается с точки Р0, направляясь к Р1, и заканчивается в точке Р3, подходя к ней со стороны Р2. Таким образом, точки Р1 и Р2, задают направление кривой, а длины отрезков между Р0, Р1 и Р2, Р3 определяют крутизну этой кривой. Таким образом, функция кривой Безье P(t) будет определяться системой уравнений:  Последнее уравнение —  кривая Безье  третьего порядка. 0 ≤ t ≤ 1 и определяет соотношение отрезков между основными и промежуточными точками.   Аналитический метод построения кривой Безье:  Задав контрольной точке Р0, Р1, Р2, Р3, кривая Безье будет описана уравнением:  Особенности моделирования сплайнами в 3dsMAX  В компьютерной графике кривые Безье являются не только основой векторной графики, но  и способом описания шрифтов, способом описания выделений и тд. Контуры описываются замкнутыми кривыми Безье.  При выводе изображений на экран или принтер производится преобразование заданного изображения символа, в соответствующую матрицу точек.  При этом не возникает проблем с недостаточным разрешением.   Параметрам кривой можно поставить соответствие в параметрах движения компьютерного персонажа, при этом будут соблюдаться следующие свойства кривых Безье:  • непрерывность заполнения сегмента между начальной и конечной точками;  • кривая всегда располагается внутри фигуры, образованной линиями, соединяющими контрольные точки;  • при наличии только двух контрольных точек сегмент представляет собой прямую линию;  • прямая линия образуется при коллинеарном (на одной прямой) размещении управляющих точек;  • кривая Безье симметрична, то есть обмен местами между начальной и конечной точками (изменение направления траектории) не влияет на форму кривой;  • масштабирование и изменение пропорций кривой Безье не нарушает её стабильности, так как она с математической точки зрения «аффинно инвариантна»;  • изменение координат хотя бы одной из точек ведет к изменению формы всей кривой Безье;  • любой частичный отрезок кривой Безье также является кривой Безье;  • степень кривой всегда на одну ступень ниже числа контрольных точек.  Например, при трех контрольных точках форма кривой — парабола;  • окружность не может быть описана параметрическим уравнением кривой Безье;  • невозможно создать параллельные кривые Безье, за исключением тривиальных случаев (прямые линии и совпадающие кривые), хотя существуют алгоритмы, строящие приближённую параллельную кривую Безье с приемлемой для практики точностью.   В 3dsMAX Работа со сплайнами заключается в редактировании контуров на уровне вершин, сегментов и сплайнов.  Редактирование на уровне вершин выполняет следующие операции:  • Refine (Уточнить) — добавляет дополнительные вершины без изменения контура сплайна;  • Break (Разбить) — разрывает контур в любой выделенной вершине, при этом точки не смещаются, являются самостоятельными вершинами;  • Insert (Вставить) — даёт возможность вставить вершину точки сплайна, переместить её и продолжить добавление новых вершин; • Delete (Удалить) — удалят выделенные вершины;  • Weld (Слить)/ Weld Threshold (Порог слияния) — отвечает за объединение двух выделенных или совпадающих вершин в одну с учётом параметра порога слияния (параметр подзадаёт параметры, это расстояние, при котором вершины будут сливаться в одну);  • Fuse (Приблизить) — позволяет приблизить выделенные точки друг к другу перед слиянием;  • Connect (Соединить) — соединяет разомкнутые сплайны отрезком прямой;  • Fillet (Скруглить) — скругление углов;  • Chamfer (Фаска) — делает угол в виде фаски.  Редактирование на уровне сегментов:  • Break (Разбить) — разбивает сплайны на отдельные части;  • Refine (Уточнить) — добавляет новые вершины к существующим сегментам;  • Detach (Отделить) — отделяет сегменты, преобразуя в самостоятельные формы;  • Delete (Удалить) — удаление сегмента;  • Divide (Разделить) — добавляет указанное количество на выделенном сегменте, разбивает сегменты на равные части, сравнивая промежуточные.  Редактирование на уровне сплайнов:  • Attach (Присоединить) — объединяет разные сплайны;  • Outline (Контур) — создаёт вдоль сплайна контур указанной ширины;  • Mirror (Отражение) — зеркально отражает сплайны между собой;  • Reverse (Перевернуть) — меняет местами у сплайнов начальную и конечную точку;  • Boolean (Булевые) — применяет к сплайнам модификатор на уровне булевых операций.  4.5 Моделирование на основе неоднородных рациональных В-сплайнов 4.5 Моделирование на основе неоднородных рациональных  В-сплайнов (Non Uniform Rational B-Splines NURBS)  4.5.1. Методы построения NURBS поверхностей  Основные задачи, связанные с представлением трёхмерных тел:  - построение сцен с изображениями существующих объектов;  - синтез изображения, не существующего в природе объекта.  При решении первой задачи задают бесконечное количество координат точек или аппроксимируют объект некоторым конечным набором элементов, например поверхность.  При решении второй задачи требуется удобство манипулирования формами. В связи с этим для представления трехмерных объектов используются:  - каркасное представление (поверхность описывается набором рёбер);  - поверхностное (объект описывается набором, ограничивающих его фрагментов, поверхности);  - модель сплошных тел (объект формируется из отдельных базовых геометрических объёмных элементов).  Для формирования геометрических элементов трёхмерного объекта используют два основных способа:  - построение по заданным отношениям (ограничениям) — задаётся элемент, подлежащий построению, список отношений, элементы, к которым применяются эти отношения (например, построение прямой, проходящей через точку пересечения двух других прямых и касательную к окружности).   Достоинства: простота расширения системы, так как для введения нового отношения достаточно написать ещё одно уравнение o Недостатки: построенная система уравнений может иметь несколько решений или система уравнений может оказаться нелинейной (потребуется аппроксимация);  построение с использованием преобразований. Алгоритм построения представляется следующим образом:  1. задаётся преобразуемый объект  2. задаётся преобразование  3. выполняется заданное преобразование  Построение с использованием преобразований наиболее часто используется в трёхмерной графике.   Построение поверхностей осуществляется с помощью следующих 3 основных методов:  - тензорного произведения (tensor product surfaces)  - каркасного (lofting surfaces)  - булевой суммы (transfinite method)  Эти методы реализуются за счет параметрических преобразований с использованием матричной формы либо в виде уравнений.   Метод тензорного произведения: По заданному массиву P={Pij ; i=0, 1…, n ; j=0, 1, …, n} рациональная поверхность в матричной форме будет записана как: 2 координаты min должны быть для поверхности.  матрица управляющих точек с соответствующими весами.  Основные свойства рациональных поверхностей Безье:  - Поверхность полностью определяется набором вершин характеристической сетки Pij.  - Поверхность лежит в выпуклой оболочке точек Pij.  - Самой поверхности принадлежат только 4 угловые точки сетки, в которых касательные плоскости поверхности совпадают с плоскостями угловых граней характеристической сетки.  - Граничными кривыми порции поверхности являются рациональные кривые, управляемые набором точек и соответствующих весов.  - Формой поверхности можно управлять путем подбора вершин характеристической сетки и соответствующих весовых коэффициентов.  Каркасный метод: С помощью этого метода поверхность определяется семейством кривых.   Метод булевой суммы:  Метод булевой суммы (поверхности Кунса). В случае конструирования поверхности методом Кунса необходимо задать 2 семейства граничных кривых в u и v направлениях, то  Метод булевой суммы основан на каркасном методе и тензорного произведения. Отличием является возможность построения трехмерных объектов сразу в 2 плоскостях. При моделировании поверхностей с помощью этих методов предполагается, что исходные данные в виде массивов точек, характерных линий поверхностей и определяющих их функции выполнены либо получены в результате решения прикладных задач, с натуральных макетов или в процессе физических экскрементов. Для процесса формирования изображения объекта и последующей модификации двумерных обводов наиболее приспособленным является метод тензорного произведения.   4.5.2 Особенности в 3DSmax Неоднородный в NURBS означает, что различные области объектов обладают различными свойствами, значения которых не равны между собой. Рациональный в NURBS означает, что объект может быть описан при помощи математических формул. Отличительная черта NURBS – формулировка, объединяющая параметрические кривые и поверхности, позволяющая представлять Всплайн и кривые Безье. NURBS использует математические алгоритмы, которые позволяют виртуально задать любую поверхность или кривую уравнением.  Существует 2 вида кривых типа NURBS:  - Point Curves  - CV Curves  Point Curves – кривые, проходящие через контрольные точки.  CV Curves – кривые, управляемые контрольными точками.   Разница между ними заключается в способе управления. В Point точки лежат непосредственно на самом объекте или объект проходит через эти точки. Curves кривые управляются вершинами, которые располагаются вне объекта и связаны между собой линейно. Отличие CV от Безье – локальное воздействие управляющих вершин NURBS с использованием веса. Для создания NURBS объекта могут использоваться кривые и объекты. Создание NURBS-объектов:  NURBS –кривые:  Create->Shapes->Nurbs Curves NURBS-поверхности:  Create->Geometry->Nurbs Surfaces  Обычно работа начинается с кривых, на основе которых в дальнейшем строится поверхность.  Все NURBS объекты делятся на зависимые и независимые (исходные). Во вкладке Create можно создать 5 независимых объектов:  - точка  - кривая CV  - кривая Point  - поверхность CV  - поверхность Point  Все другие зависимые объекты собраны в группах типа Dependent. Если в процессе работы необходимо использовать какой-либо объект, который не является NURBS-объектом, то его можно присоединить с помощью команды Attach или Attach Multiple (присоединить множество). Кнопками Import, Import Multiple (импорт множества) объекты просто добавляются к объекту NURBS без их преобразования.  Основные объекты для редактирования:  - Point  - Surface  - Surface CV  - Curve  - Curve CV  NURBS используют свою систему привязок:  - CV – привязка к вершинам типа CV  - Curve Center – к центру вычисляемого программой кривой  - Curve Tangen – к касательной  - Curve End – к концу кривой  - Curve Normal – к нормали поверхности  - Curve Edge – к краю кривой (относительно кривой)  - Surf Center – к центру поверхности  - Point – к вершинам типа Point  - Surf Edge – к поверхности Кнопкой Clear All сбрасываются все флажки привязки.  При нажатии клавиши совместно с правой кнопкой мыши получится временная привязка. На уровне Curve CV или Point можно добавить точки, вставлять точки не меняя форму кривой (кнопка Refine), подгонять кривую под новую точку (Insert), удалять точку (Delete), расширять кривую, т. е. продолжать ее с какого-либо края (Extend). Для того, чтобы расширить кривую, нужно выделить одну из двух конечных точек, после того, как она окажется в синем квадрате нужно не отпуская кнопку мыши потянуть ее.  Можно соединить 2 точки в одну – Fuse (выделить соединяемые точки после того, как зажать кнопку).  Рекомендации по созданию NURBS поверхности:  1) При задании поверхности рекомендуется назначать двусторонний материал, т. к. 3ds max отрисовывает все поверхности, исходя их положения нормалей, а NURBS поверхности по умолчанию повернуты к наблюдателю изнаночной стороной, которая не видна.  2) Для того, чтобы отрисовать нужную сторону поверхности используют поворот нормали или используют кнопку Flip Normals.  3) В сплайнах NURBS контрольные точки находятся вне кривой и для управления кривой используются точки плотности или весовые точки. Кроме того, имеются угловые точки, определяющие количество контрольных точек на избранном отрезке кривой, поэтому для уменьшения нагрузки на процесс рекомендуется уменьшить количество промежуточных точек на кривых и поверхностях.  4) Иногда в 3ds Max положение объектов или настройки не позволяют создавать подобъекты, тогда линии отображаются оранжевым цветом вместо результата. Чтобы это изменить, необходимо изменить положение объектов или настройки.  4.6 Лоскутное моделирование 4.6.1 Основные понятия лоскутного моделирования  Лоскут — это плоская сетка, состоящая из ряда фрагментов. Моделирование на основе лоскутов основано на использовании поверхностей, форма которых контролируется при помощи решётки деформаций. Решётка имеет вершины, называемые управляющими точками, используется для корректировки формы поверхности объекта.  Сечение деформируемой поверхности вдоль координатных осей представляют собой сплайны, а управляющие точки умеют касательные векторы с управляющими маркерами.  Касательные к каждой вершине имеют 2 режима: угловые (corner) и копланарные (coplanar) — лежащие в одной плоскости. При этом аналогично вершинам Безье их можно преобразовывать одну в другу.  Лоскутные объекты определяются решёткой, которая порождает поверхность. Структура решётки может быть составлена из двух типов лоскутов: Quad Patch (четырёхугольные) и Tri Patch (трёхугольные).  Поверхность лоскута является результатом решётки и не может редактироваться непосредственно (отдельно от лоскутов). Это позволяет в любое время определить плотность поверхности лоскута, упрощать или усложнять его в зависимости от требуемой детализации. Такое упрощение или усложнение является возвратным.   4.6.2 Особенности работы в 3DsMAX  Чтобы создать лоскутную сетку, выбирается на панели Create -Geometry - Patch Grids.  Основным инструментом редактирования является Edit Patch. Как и Edit Mesh, Edit Patch сохраняет каждое выбранное редактирование, поэтому количество операций может загружать оперативную память, объём файла при этом не изменяется. Для того, чтобы разгрузить оперативную память, после создания конечного объекта его преобразуют в Editable Patch.  Редактирование может осуществляться на уровне объектов, рёбер и вершин. Уровень объектов предоставляет возможность добавления других лоскутных объектов и сохранения управления плотностью каркаса всего лоскутного объекта. Для этого служит параметр Steps.  В отличии от режима Edit Mesh (или подобного), в Edit Patch отсутствует клонирование объектов. Для создания копии, используется опция Копии для отсоединения лоскута от группы.  Присоединение реализуется функция Attach,  обычно его используют для сшивания лоскутов в один, поскольку применяется в рамках только одного лоскутного объекта. В процессе присоединения выделенный объект переориентируется так, чтобы подходить к объекту Edit Patch, при этом объект центрируется в соответствии с его центром создания и совмещается с центром объекта, к которому он присоединяется.  В случае использования трансформации масштабирования к исходному объекту может изменится геометрия модели в целом в результате присоединения разномасштабных элементов. При перемещении вращений или масштабирования лоскута, трансформируются все его вершины. Удаление лоскутов приводит к удалению только отдельных лоскутов, при этом совместные рёбра прилегающих лоскутов сохраняются.  Для режима трансформации могут использоваться 2 метода:   - Auto Interior (внутренние вершины перемещаются совместно с лоскутом);  - Manual Interior (замораживает внутренние вершины в результате чего они не перемещаются).  Изменение режима лоскута с мануал на авто удаляет состояние внутренних вершин, независимо от того, когда и как были установлены их позиции.  Внутренние вершины вернуться к своим позициям по умолчанию как только добавляется Edit Patch и лоскуты перемешаются в режим авто. Разрешение стека модификаторов не защищает положение внутренних вершин от данной переустановки. Лоскуты ведут себя во многом подобно сплайнам. Соответственно, у лоскута также присутствуют контрольные точки для определения его кривизны. Кривая проходит через первую и последнюю точки и интерполируется между двумя средними точками.  Таким образом, вершины являются конечными управляющими точками, а векторы (направляющие) определяют промежуточные управляющие точки. Рёбра лоскута охватывают его по периметру, независимо от того, какой это лоскут и имеют 3 соединённых сегмента линий, при этом они соединяют 4 определяющие точки кривой Безье. Каждое ребро начинается и завершается вершиной, сегментами, определяемыми положением векторных направляющих. Соответственно, между вершинами лоскута существует 2 векторных направляющих и вершины имеют столько векторов, сколько рёбер у неё пересекает.  Особенности лоскутного моделирования на уровне рёбер (Edge). Работа с ребром лоскута заключается в одновременном манипулировании двумя вершинами. Чтобы убедиться в правильности выбора ребра нужно видеть всю решётку, то есть сетку из управляющих вершин векторных направляющих и промежуточных вершин.  Уровень Edge рёбер обычно используется для добавления новых лоскутов. Как и лоскуты, рёбра не могут влиять на внутренние вершины, которые находятся в режиме Manual Interior. Они остаются вне трансформации ребра. Чтобы вернуть внутренние вершины к их положению по умолчанию, используется режим Auto Interior. Новые лоскуты добавляются к лоскутам, принадлежащим выбранному ребру по касательной. При добавлении лоскутов к сложным моделям они могут проектироваться под новым углом, при этом не имеет значения какое ребро будет выделяться, поскольку при объединении с существующим лоскутом, новый лоскут принимает свойства предыдущего.  Если лоскут появляется под перекошенным углом, то вместо базового ребра выбирают другое базовое ребро, такое, чтобы новые вершины были удобны для последующих трансформаций и объединений. Использование клавиши Delete с выбранным режимом рёбер приводит к удалению всего лоскутного объекта.  Особенности лоскутного моделирования на уровне вершин (Vertex). Это основной уровень для лоскутного моделирования. В нём доступны критические тангенсальные вектора, которые позволяют влиять на окружающую поверхность.  Плотность лоскута, управляемая на объектном уровне с помощью параметра Steps не оказывает влияние на редактирование вершин. Соответственно, каждой из вершин могут быть доступны 2 опции:  - Corner – позволяется возможность настраивать каждый вектор независимо, при этом редактирование одного вектора не влияет на остальные.  - Coplanar – настраивает направляющие вершин на связь друг с другом, и затем замыкает вектора так, чтобы они сохраняли эти связи между собой.  В итоге происходит выравнивание векторных направляющих на общей плоскости.  Для моделирования сложных форм обычно применяют угловые вершины и перед самым завершением работы заменяют на компланарные. Вращение и масштабирование вершин происходит в локальной системе координат, которая выравнена также, как и сам объект.  Для вращения относительно других объектов заменяют тип системы координат. В отличии от каркасных вершин для объединения вершин лоскутов применяются следующие правила:  1. Лоскуты должны принадлежать одному объекту;  2. Объединение может осуществляться только между разомкнутыми рёбрами.  3. Если в результате объединения формируется ребро, которое можно использовать более, чем двумя лоскутами, то такое объединение не будет происходить.  4. При попытке объединения вершины, которая не находится на разомкнутом ребре, объединение игнорируется.  5. Нельзя объединять 2 вершины одного и того же лоскута.  Для того, чтобы добавить подобъект нужно создавать линии, проходящие почти по всему объекту, так как в режиме Edit Patch отсутствуют опции Cut и Collapse (соединение, объединение всех вершин в одну).  Переключение с лоскутного моделирования на каркасное осуществляется простым переводом объекта в Edit Mesh,  это связано с тем, что поверхность модели практически идентично каркасу. Обратный переход не рекомендуется. Предпочтительным является создание с помощью лоскутного моделирования, его преобразование в каркасное, а для перехода обратно к лоскутному использовать Edit History. Иначе происходить значительное увеличение сложности геометрии модели.  Лоскуты, сгенерированные стандартными примитивами, начинаются с покрытий (отчётливо жёстких рёбер) и поддерживают эти жёсткие рёбра постоянно. В итоге образуется прерывистость сглаживания, которые устраняют модификатором Smooth или Edit Mesh.  Если имеется лоскутная модель и необходимо чтобы результат вёл себя как каркас, а не как лоскут, применяется модификатор типа Normal, который преобразует модель в каркасную.  4.7 Моделирование составных 3D-объектов 4.7 Моделирование составных 3D-объектов  4.7.1 Типы составных объектов Все составные объекты расположены во вкладке Compound Object. Выделяют следующие типы:  1. Morph (морфинговые) – состоят из двух и более объектов с одинаковым числом вершин. Эти объекты используются для создания анимаций морфинга с помощью интерполяции вершин одного объекта в вершины другого. При этом выделяют базовый объект (Base) и целевой (Target). Обязательным условием является наличие одинакового числа вершин. Базовый объект может быть преобразован в несколько целевых. Порядок расположения целевых объектов определяет порядок выполнения операции Morph. В 3DsMAX предусмотрено несколько средств выполнения морфинга: создание составного объекта morph или применение модификатора morph.  2. Scatter (распределённые) – исходные объекты располагаются в сцене случайным образом, тип включает в себя объект-источник и распределяемый объект, который распределяется по поверхности объекта-источника. В объектах scatter предусмотрено наличие источника (source), который является размещаемым объектом, и наличие распределяемого объекта (distribution). При этом можно использовать различные виды трансформации (поворот, масштабирование, соединение и т. д.). При этом могут быть наложены ограничения на использование максимального диапазона и изменение соотношения размеров.  3. Conform (соответствующие) – объект этого типа окружает вершины одного объекта в другом, в результате происходит имитация эффекта морфинга между объектами с различным числом вершин. Данный объект используется для выдавливания одного объекта на поверхности другого. Используется для создания деталей. Модифицированный объект называется обёрткой (wrapper), а второй называется оборачиваемым (wrapto), при это оба объекта должны быть каркасами, или преобразованными в каркас. Существует возможность выбора направления проецирования, вращения объектов, а также искривления пространства Conform.   4. Connect (соединяющийся) – два объекта с открытыми гранями соединяются между собой с помощью дополнительных граней. В результате образуется целый единый объект. Применятся только к объектам, имеющим отверстие. Если в объекте существует несколько отверстий, применение Connect позволить их залатать.   5. Blob Mesh (капельный каркас) – шарообразный объект, позволяющий соединить один объект с другим с использованием эффекта перетекание элементов. Используются для моделирования течения жидкостей и мягких органических материалов, при этом количество объектов должно быть более одного. После применения объектов Blob Mesh к выбранному объекту, каждая вершина соединяется с объектом Blob Mesh. Если объекты велики и перекрываются, то они образуют общий объект в форме перетекающих частиц.  Часто применяется для потока частиц (Particle Flow).  6. ShapeMerge (слитые) – данный тип позволяет соединить сплайн с каркасным объектом или вычесть область сплайна из каркасного объекта. Используется для выдавливания части каркасного объекта с помощью сплайнов. То есть обязательно наличие и каркасного и сплайнового объектов. При этом сплайновая фигура всегда ограничена направлением отрицательной оси Z.  Таким образом, сплайн можно применить к разным сторонам объекта. К одному каркасному объекту можно применить несколько сплайновых фигур.  7. Boolean  (булевы) – объекты создаются с помощью булевых операций: исключение (Subtraction), пересечение (Intersection), обрезание (Cut), объединение (Union). Применяется для перекрывающихся объектов. Все булевы операции помещаются в стек модификаторов, что позволяет  в процессе редактирования изменять их параметры пот отдельности. Основные правила создания булевых объектов:   - Все грани объектов должны иметь приблизительно одинаковую ширину и высоту. Соотношение сторон не должно превышать 4:1.   - При использовании криволинейных объектов является нежелательным пересечение их между собой.   - Для применения булевых операции к связанным объектам используется ProBoolean.  - Нежелательным является использование объектов, содержащих модификаторы.  Такие объекты сначала необходимо перевести в редактируемые каркасы (Editable Mesh), а затем применить операции.  - У объектов не должно быть отверстий, перекрывающихся граней и несвязанных вершин. Для проверки используется модификатор STL Check.  - Нормали объектов должны быть согласованы.  8. Terrain (ландшафтные) – из контуров высот создаются ландшафты аналогично топографическим картам. Создают ландшафты из сплайнов, представленных контурами уровней высот. При этом сплайны должны быть соединены в один объект или быть закрытыми. Позволяет выбирать форму ландшафта и отображать его в виде каркаса, линий и контуров. Так же можно управлять цветом уровней высот.  9. Mesher (смешивающие) – позволяют применить к системам частиц модификаторы. Особенностью применение Mesher является возможность применения нескольких сложных модификаторов как к отдельному объекту, так и к нескольким объектам в пределах одного общего объекта.  10.  Loft (опорное сечение) – позволяют объединить опорные сечения в единый каркас.   4.7.2 Объекты, созданные на основе опорных сечений Loft-объекты строятся путём формирования оболочки по опорным сечениям, расставляемым вдоль некоторой заданной траектории. В основе loft-объектов необходимо наличие как минимум двух сплайновых фигур: сплайны-пути, вдоль которых происходит расстановка опорного сечения, и сплайны-сечения (формы).  При этом форма пути может содержать только один сплайн, а сплайны сечений (формы) неограниченное количество.  Создание loft-объектов можно производить двумя способами:   1. Выделенным сечениям указать путь (Get Path).  2. На основе пути указать сечение (Get Shape).  При создании loft-объектов обязательным является выделение либо одного из объектов, либо нескольких.  На внешний вид loft-объектов влияют параметры, устанавливаемые Surface Parameters  (параметр поверхности) и Skin Parameters (параметр оболочки). В параметрах поверхности управляют степенью сглаживания оболочки вдоль и поперёк пути. Параметр оболочки задаёт плотность каркаса, метод интерполяции, положение сплайна-сечения относительно сплайнов-пути, особенности поворота сечений при изгибах пути, масштабирование сечений и положение нормалей.  После создания объекта на основе опорных сечений во вкладке Modify появляется разворачивающаяся панель деформаций (Deformations).  Эта панель содержит 5 кнопок:   - Scale (масштаб) – изменяет размер сечений;  - Twist – позволяет перекручивать сечения;  - Teeter – сгибает объекты;   - Bevel – скашивает углы;  - Fit – подгоняет форму.  Группа средств Surface Tools позволяет модифицировать поперечное сечение и поверхности по отдельности и совместно.  Например, Cross Section позволяет соединить несколько сплайновых фигур прямыми линиями, образуя каркас, а затем, с помощью модификатора Surface натянуть оболочку.  Отличия между Surface Tools и объектами Loft:  - Неправильный порядок сечений при выделении Cross Section является необратимым, в отличии от loft-объектов;  - С помощью Surface можно добавлять новые ветки и части, в то время как в loft-объектах это затруднено;  - Loft-объекты используются при моделировании искусственных тел с постоянными сечениями, Surface Tools – для моделирования органических природных поверхностей.  4.7.3 Использование модификаторов Модификаторами называются действие назначаемое объекту, в результате чего свойства объекта изменяются, при этом действие может быть ограничено и применено не ко всему объекту, а к его части.  Модификатор также может служить для управления положением текстуры на объекте или изменять физические свойства объектов (например, сделать его гибким). Примененные к объекту модификаторы сохранятся в стеке модификаторов.  Стек модификаторов – это аккумулированная история моделированного объекта. Действие в стеке усиливаются от начала к концу. Модификаторы можно копировать, перемещать и применять для других объектов, в том числе наборам объектов.  Модификаторы различаются в зависимости от воздействия на объект на топологические и параметрические, в зависимости от пространства на модификаторы мирового пространства и модификаторы пространства объектов.  Топологические модификаторы позволяют манипулировать топологией объекта (модификаторы группы Edit). Параметрические модификаторы изменяют форму объекта или другие его характеристики за счет добавление в его описание новых наборов параметров.   Модификаторы пространства объектов оперируют непосредственно на уровне топологии объекта в его объектном локальном пространстве. Результат применения такого модификатора не зависит от возможных аффинных преобразований.  Модификаторы мирового пространства применяются подобно модификаторам пространства и принадлежат объекту, но реализуются в мировом пространстве.   Отличие модификаторов от аффинных преобразований Модификаторы, за исключением модификаторов мирового пространства, воздействуют на объект на объект в его объектном пространстве. Аффинные преобразования работают с объектом в мировом пространстве.  Модификаторы оперируют на подобъектом уровне и могут изменять внутреннюю структуру объекта. Результат аффинного преобразования объекта не зависит от внутренней структуры объекта.   К объекту можно применить несколько модификаторов.  Аффинные преобразования – единичные и определяют его итоговое положение, ориентацию и масштаб в мировом пространстве.  Модификаторы обладают следующими свойствами:  - Могут быть применены ко всему объекту или набору его подобъектов;  - Итоговый результат модификации объекта зависит от последовательности применения этих модификаций;  - Отображаются в стеке модификаторов как отдельные записи.  Аффинные преобразования имеют следующие свойства:   - Применяются ко всему объекту;  - Сохраняются в матрице аффинных преобразований в виде результирующего значения в независимости от числа и последовательности примененных преобразований;  - При визуализации объекта расчет матрицы преобразований происходит после вычисления модификаторов пространства объектов, но перед вычислением модификаторов мирового пространства.  Иногда необходимо выполнить преобразование в конкретной точке стека модификаторов, данное преобразование может быть осуществлено следующими способами:  - Применением одного из модификаторов Edit (в этом случае нельзя будет применять анимацию);  - Преобразование центра модификатора или гизма;  - Использование специального модификатора xForm, позволяющего анимировать преобразование подобъектов, выбранных с помощью модификаторов Edit. Чем раньше в потоковой схеме сделаны изменения, тем сильнее оно повлияет на окончательный вид объекта.  Применение модификаторов осуществляется снизу в верх.  Основные правила:  1. Применение параметров объектов предпочтительнее использованию аффинных преобразований.   2. Если эффект аффинного преобразования является последним влияющим на расположение объекта на сцене или его размеров, то данных объект необходимо преобразовать.    4.8 Композиция сцены 4.8.1 Принципы композиции Организация объектов на сцене, их взаимодействие с внешним окружением и способ, в соответствии с которым они наблюдаются, объединяются в форму, называемую композицией. Композицию можно определить как взаимосвязь художественных впечатлений от элементов сцены в едином пространстве.  Средствами композиции являются: объёмно-пространственная структура, симметрия и асимметрия, контраст, ритм. Объёмно-пространственная структура характеризуется внутренним строением предмета и его связью с внешней средой. Ритм обусловлен строением формы как средство чередования объектов или равномерного их движения.  Различают статическую и динамическую композицию.  Статическая композиция отвечает за содержание зафиксированных изображений (картины, неподвижные фотографии, элементы интерьера).  Динамическая композиция учитывает ежемоментное изменение как внутри единичного объекта, так и относительно группы последовательных сцен, при этом объект может быть подвижным и неподвижным. В случае неподвижного объекта применяется движение камеры внутри.  Основные принципы композиции:   - В сцене должен быть композиционный центр, при этом он не является географическим центром изображения, а служит тематическим фокусом сцены.  - Характерные элементы должны быть сгруппированы однородными признаками (формой, цветом, текстурой).  - Количество основных цветов в сцене не должно превышать четырёх.  Стоит избегать пестроты (желательно располагать пёстрые предметы на однородном фоне и наоборот).  - Все элементы должны быть сгруппированы по 2-3 предмета в композиции. Иначе говоря, сцена не должны быть загромождена.  - Существует взаимосвязь между группами предметов, линиями, пластикой. При этом основой динамической композиции служит неравносторонний треугольник, статической – симметрия. Расположение объектов часто используется принципы золотого сечения, правило третей, применение изогнутых линий как подчёркивающих элементов.  - Необходимо соблюдать зрительное равновесие сцены: положение тяжёлых предметов ниже по сравнению с лёгкими. При этом необходимо учитывать особенности предметов.  - Соблюдение законов перспективы позволяет придать объектам классическую форму, либо наоборот избежать классики в линиях. Правило третей заключается в разделении изображения на 9 одинаковых частей с двумя вертикальными и горизонтальными линиями.  Наиболее важные точки – верхнее правое пересечение линий и левое нижнее. В соответствии с этим правилом часто располагают горизонт или пейзажах в интерьере.  Принцип золотого сечения использует диагональ и деление её на 3 отрезка двумя точками. Наиболее важная точка – правы нижний угол. При создании сцены и установке камеры, через которую она транслируется, нужно стремиться к получению перспективного изображения соответствующего зрительного восприятия человека.  Оптимальный угол обзора: 28-37 градусов.При настройке виртуальных камер угол обзора обратно пропорционален фокусному расстоянию. Чтобы зритель, смотрящий на сцену становился его участником, фокусное расстояние камеры должно примерно в полтора раза превышать размер основания конуса, определяемого углом обзора камеры.  При применении линии в кадре, глаз в первую очередь следует за ними. Для улучшения композиции  могут использоваться диагональные, прямые, радиальные и зигзаги.  Обрамление также очерчивает границы кадра и усиливает композиционный центр. В 3DsMAX важно правильно устанавливать ИСО так, чтобы не потерять фотореалистичность и сохранить глубину изображения.  4.8.2 Способы визуализации, эффекты Визуализация – это получение готового законченного изображения.  Принципы визуализации:  - Детализация – прежде чем приступать к проработке деталей, необходимо уточнить положение этого объекта в сцене и отметить, насколько заметны будут детали этого объекта. Например, при создании конструкции не всегда видны швы. В зависимости от того, как далеко будет находиться эта конструкция от наблюдателя, швы могут быть незаметны, поэтому нет необходимости дополнительной детализации объекта. С другой стороны, если моделируется какой-то нереальный объект, необходимо продумать особенности его трансформации.   - Применение качественных материалов и текстур – учитываются практически все свойства материала, а именно отражение, глянцевидность, способ падения тени, особенности рассеивания поверхности материала.  Например, дня металлизированных предметов наблюдается явление анизотропии (неравномерность) отражения, когда в зависимости от формы и вида поверхности происходит искажение отражения или формы бликов. При наложении текстурных карт следует избегать швов и мозаичности структур.  Для некоторых объектов для повышения фотореалистичности часто приходится накладывать эффекты пыли, царапин, грязи.   - Правильное размещение объектов и положение камер – все объекты должны находиться на своих местах, определяющих их назначение. Для придания более естественного положения объектов они должны располагаться немного хаотично. Для придания глубины помещения камеры располагают так, чтобы  появлялись некоторые перспективные искажения.   - Применение различных источников освещения – освещение практически любого пространства состоит из направленного и рассеянного света. Рассеянный свет формирует окружение, а направленный создаёт световые акценты.  В зависимости от вида сцены (помещения, экстерьер или отдельно расположенный объект) необходимо подбирать в сочетании этих двух составляющих. В помещениях с искусственным освещением прямой свет будет сымитирован направленными световыми источниками, создающим световые акценты. Окружающим будет свет от источников рассеянного излучения (лампы дневного света, абажур и свет, отражённый предметами). Также следует помнить, что каждый источник освещения имеет свою цветовую температуру (например свет лапы накаливая – светло жёлтый).   При искусственном освещении без участия солнечного света необходимо учитывать явление переноса цвета, когда тени, полученные от источника освещения и от объекта, могут подцвечиваться.   - Применение эффектов постобработки – к эффектам пост обработки относятся: линзовые эффекты фото- и видеокамер, эффекты воздушной перспективы, эффекты объёмного света, атмосферные эффекты. Использование таких эффектов позволяет улучшить правдоподобность изображения, скрыть некоторые недостатки этого изображения.  Для применения параметров к эффекту визуализации используют окно диалога Рендеринг.  Для создания атмосферных эффектов выполняют команду Rendering – Environment, после чего откроются следующие атмосферные эффекты визуализации:  • Fire Effect (Эффект огня)  • Fog (Туман)  • Volume Fog (Объемный туман)   • Volume Light (Объемный свет)  Эти эффекты, применённые к сцене, становятся видимыми только после визуализации. Зона действия атмосферных эффектов может быть ограничена установкой ближней или дальней границы, границей светового луча или настройкой параметров. Чтобы ограничить действие эффекта огня и объёмного тумана применяется габаритный контейнер разной формы – параллелепипед, сфера или цилиндр. При этом контейнеры можно вращать, поворачивать, масштабировать.  Оптические эффекты визуализации. Фильтры Lens Effects (Эффекты линзы):  • Glow (Сияние),   • Ring (Круг),   • Ray (Луч),   • Auto Secondary (Вторичные автоблики),  • Manual Secondary (Вторичные блики ручной настройки),   • Star (Звезда),   • Streak (Полоса) Модуль Video Post (Видеомонтаж)   Модуль оперирует следующими типами событий:  - назначить визуализатор из списка установленных;  - настроить общие параметры визуализатора (такие как визуализация эффектов, визуализация полями, смещения и т. д.);  - включить или выключить из итоговой визуализации показ материалов, расчет теней, отражения и т. д.;  - включить или выключить сглаживание и фильтрацию текстурных карт.  Программный модуль видеомонтажа предназначен для обработки визуализированных изображений с целью получения таких эффектов, как блики, свечение, создание межкадровых переходов, добавление внешних изображений. Модуль вызывается командой Rendering – Videohost.   4.9 Источники света и камеры 4.9 Источники света и камеры  4.9.1 Типы источников освещения Точечные источники света – излучают свет по всем направлениям. При их задании необходимо определять положение в пространстве.   Прожекторы – излучает свет не во всех направлениях,  а в пределах определённого конуса. При задании необходимо определять не только местоположение источников света, но и величину угла в вершине конуса света.  Примером прожекта может являться настольная лампа.  Направленный свет (directional) – представляет собой свет, идущий из одного определённого направления, задаваемый либо в векторной форме, либо при помощи координат точек, лежащих на одном из его параллельных лучей.  Фоновое освещение (background) – окружающий объект освещение от удалённых источников, чьё положение и характеристики не известны.   Помимо стандартных источников освещения 3DsMAX также использует 2 системы имитации света для освещения открытых сцен:  - Система солнечного света;  - Система дневного света;  Фотометрические источники света, которые отличаются от стандартных тем, что позволяют точно установить силу света, расстояние до источника света и интенсивность светового потока, моделируя реальные фотометрические величины.  Кроме освещения сцены и объектов сцены используется также понятие глобальной освещённости.  Глобальная освещенность (global illumination) – суммарная освещенность объектов трехмерной сцены, которая создается как прямыми лучами света, испускаемыми осветителями, так и лучами, многократно отраженными от различных тел сцены.  Признаки:  • отсутствие потребности в большом количестве осветителей;  • наличие полупрозрачных теней за счет дополнительного подсвечивания затененных областей отраженными лучами света;  • цветовое тонирование объектов светом, отраженным от близлежащих объектов сцены, имеющих выраженную раскраску.  Алгоритмы расчета глобальной освещенности:  1. Трассировщик света.  2. Перенос излучения.  Путь: меню Rendering (Визуализация) – Advanced Lighting (Улучшенное освещение) – Light Tracer (Трассировщик света) и Radiosity (Перенос излучения).  Визуализатор mental ray: окно Render Scene – вкладка Indirect Illumination (Непрямое освещение) – свиток Final Gather (Окончательное накопление) – Enable Final Gather.  Принцип действия алгоритма трассировщика света: плоская проекция сцены разбивается на элементарные участки из точек трёхмерного пространства сцены соответствующим центрам участков разбиения, испускаются воображаемые пучки случайно ориентированных лучей света.  Для каждого такого участка освещённость вычисляется как сумма освещённостей прямыми лучами света от осветителя, а также от тел сцены которых достигли лучи, испускаемые из центрам данного участка. Данный алгоритм обладает следующими свойствами:  - Позволяет рассчитывать многократное отражение световых лучей (повышает качество изображения, но замедляет визуализацию).  - Результат расчёта глобальной освещённости зависит от конкретного виды сцены, т. е. если изменяется вид сцены, то производится повторный перерасчёт.  - Наилучший эффект достигается при визуализации сцен вне помещения (так как нет многократного отражения лучей). Алгоритм переноса излучения: выбор точек сцены, из которых спускаются пучки отражённых лучей, определяются положением тел в сцене, а также положением оболочек, из которых выходят воображаемые лучи света. Данный алгоритм не зависит от текущего вида сцены.   Свойства алгоритма: - Сложен в использовании, поскольку требует подготовки источников и материалов.  - Наилучший эффект достигается для фотометрических осветителей (лучше подходит для визуализации сцен внутри помещения).  - Результаты расчета не зависят от конкретного вида сцены.  4.9.2 Параметры настройки осветителей и камер 3DsMAXпозволяет управлять цветом и градациями освещения, а также исключать из сцены объекты, на которые свет не должен падать.  Настройка источников света:  • Туре (Тип);  • On (Включить);  • Shadows (Тени);  • Color (Цвет);  • Include/Exclude (Включить/Отключить);  • Multiplier (Множитель);  • Contrast (Контраст);  • Soften Diff. Edge (Смягчить границу рассеяния);  • Diffuse (Диффузная область);  • Specular (Зеркальный блеск);  • Ambient Only (Только подсветка);  • Hot Spot and Falloff (Пятно освещения и спад);  • Attenuation (Затухание);  • Decay (Спад);  • Projector Map (Проецируемая карта);  • Targeted (Цель).  Наиболее часто встречаются 2 варианта освещения:  - Трёхточечная использует три источника: ключевой, контурный и заполняющий. Ключевой является основным, самым ярким освещающим большую часть сцены, благодаря ему объекты в сцене отбрасывают тень. Контурный свет определяет глубину пространства, разделяя основные предметы и фон, обычно располагается позади объектов сцены и слабее ключевого. Заполняющий – общий рассеянный свет, придаёт мягкость предметам и теням.  - Местная, применяется для освещения отдельных участков сцены, когда их невозможно осветить трёхточечным освещением. При освещении важно управлять расстояниями до источника света и углом установки источника света по отношению к сцене, учитывать свойство поверхности.  4.9.3 Модели затенения Тени позволяют увеличивать реалистичность изображения.  Имеют следующую структуру:  ᴥ Блик – место на освещённой части предмета, где свет отражается непосредственно от источника (на глянцевых поверхностях всегда присутствует непосредственное отражение источников света).  ᴥ Свет – освещённая часть предмета.  ᴥ Полутень (полутон) – переход между светом и собственной тенью, а также переход между тенью и рефлексом.  ᴥ Тень – самое тёмное место, на которое не попадает ни прямой свет, ни отражённый.  ᴥ Рефлекс – место собственной тени на предмете, на которое попадает отражённый свет от другого освещённого предмета (от поверхности) или от освещённой части того же предмета.  ᴥ Падающая тень – самая тёмная градация среди теней, по мере удаления предмета границы размываются, сила тона слабеет.   Линии, ограничивающие тень, называются границей (контуром) тени.  Собственной тенью называется неосвещённая, обращённая от источника света часть поверхности предметов. Грани, затемнённые собственной тенью, являются не лицевыми, если точку наблюдения совместить с точкой источника света. Падающая тень – это область на обращённой к источнику света части поверхности предмета, закрытая от лучей света другим предметом и частью данного предмета. Чтобы найти такие тени нужно построить проекции всех нелицевых граней относительно источника света на сцену. Центр проекции находится в источнике. Точки пересечения проецируемой грани со всеми другими плоскостями образуют многоугольники, которые помечаются как теневые и заносятся в структуру данных.    При синтезе изображения на компьютере обычно рассматриваются точечные источники света, которые создают только полную тень, а не полутень. На точность вычислений влияет положение источника света и чем более удалён источник, тем проще проецировать тень (в бесконечности хороший вариант). Самой сложной задачей является определение теней, когда источник находится в поле зрения сцены, тогда необходимо делить пространство на сектора и рассчитывать каждый сектор отдельно. Выделяют 3 класса алгоритмов построения теней:  1. Вычисление затенения в процессе преобразования в растровый вид.  2. Разделение поверхности объекта на теневые и нетеневые площади, предшествующие преобразованию в растровый вид.   3. Включение значения теней в данные, описывающие объект.  Этот алгоритм основан на принципе отбрасывания лучей и сопряжения с алгоритмами трассировки лучей. Основная цель алгоритма трассировки лучей – это удалить невидимые поверхности, учесть эффекты отражения и пропускания света. Третья группа алгоритмов использует двухпроходные алгоритмы построчного сканирования, а для второго – Z-буфера. Один проход выполняется относительно наблюдателя, второй – относительно источника света.  Алгоритм построчного сканирования обрабатывает сцену в порядке прохождения сканирующей прямой, в результате чего трёхмерная задача сводится к двухмерной задаче.  Алгоритм Z-буфера – используется дополнительный двумерный массив памяти (Z-буфер) для хранения Z-координаты (глубины каждого пикселя экрана). В процессе сканирования поверхность преобразуется в значение пикселей в кадровом буфере.    4.10 Материалы и цвет в 3DsMAX 4.10 Материалы и цвет в 3DsMAX  4.10.1 Основы текстурирования, типы и свойства материалов  Тестурирование позволяет придать поверхности вид реального материала.  Цвет — один из простейших свойств материала. Цвет может быть:  • основным, определяющим покрытием всего объекта  • обтекающим, т.е. определяющим влияние фонового освещения  • зеркальным, т.е. определяющим цвет наиболее ярких участков блестящей поверхности.  При создании материалов определяются такие свойства объектов, как:  • отражение (Reflection)  • преломление (Refraction)  • прозрачность (Opacity)  Кроме этого можно задать реакцию поверхности на свет, свойства отраженного света и его силу. Параметры материала задаются либо с помощью числовых значений (цвета) либо с использованием текстурных карт (растровых изображений).  Материал может присваиваться как ко всей поверхности 3D-объекта, так и к её определённым граням или участкам (составной материал).  Свойства материалов (состоит из 3 составляющих):  • отраженный цвет или цвет в тени (Ambient)  • рассеянный цвет или цвет на освещённой стороне (Diffuse)  • зеркальная составляющая или цвет бликов (Specular)  При этом настройки бликов задают интенсивность блика, ширину, величину смягчения блика в отраженном свете. Для визуализации сцен со сложным освещением в свойствах материала можно задавать самосвечение (Self-Illumination), который даёт иллюзию самостоятельного свечения при отсутствии компонента затемнения (Ambient).  Например, светящаяся гирлянда на новогодней ели. По умолчанию все материалы непрозрачны.  В стандартных опциях изменяя величину прозрачности можно получить эффект стекла. Чтобы назначить материал объекту надо выполнить действия:  1. Выделить объект (группу объектов)  2. Открыть редактор материалов  3. Выбрать ячейку с нужным образцом материала  4. Перетащить материал на выделенный объект либо назначить материал выделению (Assign Material to Selection)  Для материала характерны 3 уровня назначения:  1. Hot (горячий). Для объектов в сцене  2. Warm (теплый). Копия одноименная горячего материала  3. Cool (холодный). Материал, который не назначен ни одному объекту текущей сцены.  4.10.2 Распределение текстур по объектам  В процессе создания материалов широко используются процедурные карты, т.е. изображения , которые генерируются программным путём. Для точного размещения материала на поверхности используется понятие проекционных координат, которые указывают, как растровые карты будут размещены на поверхности объекта. Такой принцип позволяет сэкономить время а моделирование объектов. Например, окно либо оконную решетку можно моделировать с помощью полигонов либо просто присвоить материал на основе соответствующего изображения стандартным примитивам типа Box. Получение рельефности при этом основано на разности яркости цветов. Координаты проекционные можно задать несколькими способами :  - Через проекции UVW  - Через уточнённый модификатор Unrap  4.10.3 Текстурные развертки, маппинг  Текстуры нельзя накладывать на объекты. Её можно наложить только на объекты с определённым материалом (вначале надо применить текстуру к материалу, а затем материал к объекту сцены). Маппинг (наложение карты) состоит в наложении текстурной карты непосредственно на лицевую сторону объекты, либо применение карты при создании объёмного эффекта.  Используются следующие системы проецирования материала на поверхность:  - Плоские (Planar) — используются для проецирования растровых изображений на плоскость.  - Цилиндрические (Cylindrical) — применяются к объектам цилиндрической формы.  - Сферические (Spherical) — применяются к объектам, имеющим округлую форму.  - Обтягивающие (Shrink Wrap) — специальная система координат, применяемая для проецирования текстур на объекты сложной формы.   Является сферической, но обеспечивает усечение углов карты текстуры и соединение их в 2 диаметрально противоположных точках полюсах, что дает минимальное искажение рисунка.  - Прямоугольные трёхмерные (Box) — применяются для отображения текстур на объектах, у которых грани расположены под углом 90°.В отличие от плоской системы координат исключается растяжение рисунка на вытянутых гранях.  - Координаты граней (Face) — обеспечивает размещение отдельных копий текстурной карты в центр каждой грани объекта.  Модификатор UVW-mapping позволяет расположить материал на поверхности объекта с помощью специального средства — габаритного контейнера Gizmo. Изменение размеров габаритного контейнера приводит к повторению изображения по всей плоскости объекта. Отключается опцией Tile (повтор). Для приведения в соответствие размеров графического изображения используется кнопка Bitmap Fit.  Модификатор Unwrap UVW — это развернутый модификатор координат UVW, предназначенный для сложного редактирования координат наложения карты на объект. Подобъектом модификатора является объект Select Face (выделить грань). Выделение подобъектов позволяет отобразить их в диалоговом окне Edit UVW  в стеке модификаторов и назначить на каждый из них свой материал.  Общее правило создания профессиональных кадров:  1. Для наложения текстур на сложные объекты применяются специальные текстурные развертки.  2. Чтобы придать объекту реалистичность используйте эффекты износа и грязи. Чередуйте карты зеркальности  3. Отделение, а также дублирование и смещение граней элемента объекта позволяет добавлять дополнительные детали на этот объект и создать иллюзию того, что фрагменты являются частью целого.  4. Если нельзя дублировать грани можно воспользоваться вспомогательным многоугольником расположенным очень близко к каркасной сетке, наложить на него карту непрозрачности, скрывающую элементы, которые не должны отображаться.  5. Вместо создания геометрических форм лучше использовать карты-текстуры, что ускоряет визуализацию. 6. Для передней поверхности объекта обязательно должны указываться координаты наложения, иначе углубления превратятся в выпуклости.  4.11 Основы визуализации  4.11.1 Технология программной визуализации  Визуализация – это средство, предназначенное для создания окончательного вида объектов сцены.  К технологиям программной визуализации относятся: Технология Radiosity (по методу излучательности). Основные идеи Radiosity заимствованы из физики теплового переноса, оперирующие такими понятиями, как поток энергии и плотность потока энергии.  Поток энергии – это количество световой энергии проходящей через некоторую площадь в единицу времени.  Плотность потока энергии – это количество энергии переносимой через единицу площади в единицу времени.  Radiosity – это поток энергии, исходящий от единицы площади поверхности в единицу времени. Для получения уравнения Radiosity делается несколько допущений:  - Поверхности всех объектов  сцены разбиваются на плоские участки – патчи. Размер каждого патча должен быть настолько мал, чтобы плотность распределения интенсивности световой энергии его предела считать постоянной величиной.   - Считать, что диффузное рассеяние света не зависит от угла, то есть свет рассеивается равномерно поп всем направлениям.  Алгоритм расчёта уравнений Radiosity получил название Stochastic Relaxation Radiosity (SRR). В алгоритме имеется некоторая случайность природы расчётов, в результате чего мелкие детали в сцене могут выпасть.  Для исправления этого существует механизм дополнительного сбора излучений  (regathering) за счет испуская дополнительных лучей. Расчет методом Radiosity позволяет точно находить диффузную освещённость сцен, тени от объектов, перенос и смешивание отражённого цвета от одних поверхностей на другие. Расчёт не зависит от положения наблюдателя, но затрудняются расчёты отражений и преломлений вблизи зеркальных углов или поверхности. Имеются трудности в расчёте больших открытых сцен. Метод Radiosity не применим для прозрачных поверхностей.  - Метод фотонных карт (Mental Ray). Он состоит в двухпроходной технологии расчёта освещённостей поверхности трёхмерных объектов. Первый проход осуществляет прямую трассировку лучей, в результате чего отслеживается их траектория и сохраняется в базе данных, называемой фотонной картой. На втором проходе выполняется расчёт освещённости пикселей изображения методом обратного стохастического репрессинга с использованием данных фотонных карт.  Таким образом, метод Mental Ray – это расширения метода трассировки лучей. Данный метод фотонных карт на сегодняшний день является самым передовым, позволяет воспроизвести на компьютере почти все явления геометрической оптики.  4.11.2 Особенности визуализаторов В настройках рендеринга существует несколько вариантов визуализации трёхмерных объектов. Одни используют ресурсы видеокарты, другие задействую оперативную память.   На сегодняшний день доступны следующие визуализаторы:  - Default Scanline Renderer   - Quick Silver  - Mental Ray  - iRay Default Scanline Renderer позволяет ускорить процесс визуализации за счет отключения таких элементов как проецирование карт, теней, отражений и процедур сглаживания.  Позволяет использовать следующие фильтры:   - Плавное изменение цветов  - Усиление резкости  - Кубическое размывание изображений  Позволяет применить глобальную субдискретизацию как дополнительный процесс сглаживания материалов. Quick Silver относится к аппаратному типу, основным преимуществом является его скорость. Аппаратный визуализатор QS доступен только если видеокарта поддерживает режим работы ShaderModel 3.1. Позволяет отключать прозрачность, отражение, тени, параметры освещения.  Визуализатор Mental Ray на сегодняшний день является самым мощным на сегодняшний день. Позволяет рассчитывать отражение и преломление света для различных материалов, устанавливает дополнительные настройки источников света (работает либо со специальными Mental Ray источниками, либо фотометрическими), использовать в сцене специализированные библиотеки материалов. Устанавливаемые параметры позволяют включать и отключать режим демонстрации приближённого конечного вида визуализируемой сцены моделируемой обработки, изменять качество изображения, изменять чёткость теней, отражений и преломлений, устанавливать параметры трассировки лучей, переопределять материалы, освещения, включая глобальные освещения, параметры каустики (дополнительное отражение, глянец) и так далее. Визуализатор iRay представляет собой уменьшенный вариант Mental Ray. В нём сокращены основные параметры освещения, наложения текстур.  Результат визуализации напрямую зависит от длительности визуализации сцены. Визуализатор применяется для визуализации сцен с обычными и размытыми изображениями, сложными объектами, с параметрами самоосвещения, то есть для получения конечного результат больших сцен.   4.11.3 Создание и вывод изображения в 3DsMAX  В результате применения рендера можно получить готовые изображения с различным форматом вывода. Для анимированных сцен предпочтительнее использовать покадровое сохранение изображений и объединение их в файл с помощью средства 3DsMAX – RAM Player.  Результат визуализации можно сохранить в стандартных форматах файла. Особенностью является то, что результат визуализации может включать все объекты сцены, которые не видны в окне проекций. Для печати визуализированных изображений используется специальный мастер размеров печати Print Size Wizard в котором можно выбрать размер бумаги, ориентацию страниц и разрешение.  Окончательная печать осуществляется через специальные настройки печати, а не через это окно. Факторы, влияющие на реалистичность изображения:  - Многократное переотражения лучей света от поверхности объектов. Моделируется с помощью средств расчёта глобальной освещённости.  - Эффект распространения света в материале. Моделируется эффектом подповерхностного рассеяния Sub-Surface Scattering.   - Блики, образованные в результате отражения от зеркальных поверхностей или в результате преломления в прозрачных средах (каустика).   - Технические особенности установленных в сцене видео- и фотокамер.  Мелкие объекты снимаются в режиме макросъёмки, где присутствует эффект глубины резкости (Depth of Field).    Используя возможности стандартного визуализатора можно смоделировать объекты глобальной освещённости и глубины резкости. Для получения других эффектов можно назначать специальные визуализаторы: Final Render (Cebas), Brazil r/s (Splutter Fish), Maxwell Render (Next Limit Technilogies), V-Ray (ChaosGroup).