24. november 2017

En introduksjon til 3D

Med 3D kan du gjøre det «umulige», mulig. Her skal du få en innføring i 3D’ens verden og hvilke verktøy vi bruker i Appex.

Hva er 3D?

Når det snakkes om 3D er det lett å blir litt forvirret. Man deler gjerne 3D-design inn i flere kategorier.

CAD

En av de viktigste er CAD (Computer Aided Design). CAD brukes av designere og ingeniører til å lage, analysere og optimalisere produkter. En av bakdelene med de fleste CAD-formater er at de egner seg dårlig til skjermvisning da CAD flater og volum gjerne beskrives ved hjelp av kurver og som regel er det nødvendig å konvertere CAD-objekter til polygoner for å vise de på skjermen.

CGI

En annen kategori kan være industrier som har fokus på det visuelle. Enten det er animasjon, spill, visuelle effekter eller illustrasjoner så er hovedfokus hva som vises på en skjerm eller et lerret. Dette kalles gjerne CGI (Computer Generated Images). Å jobbe med CGI for film, animasjon og spill er ganske ulikt det å jobbe med CAD.

Polygoner

I film, animasjon og spillbransjen bruker man hovedsakelig polygoner til å beskrive 3D objekter. En polygon består av punkter i rommet som danner en overflate.

Hver flate som oppstår kan gis en tekstur, og fordi hver polygon er et enkelt objekt kan datamaskiner utføre beregninger raskt og enkelt. For eksempel er det veldig lett å regne ut om en lysstråle treffer en polygon. Alle overflater består av små flater og blir en tilnærming til buede overflater. De kan være trekanter, firkanter eller mangekanter, men som regel blir alle polygoner delt opp i trekanter til slutt.

Rendering

Når du lager 3D animasjon kommer du helt garantert innom begrepet «å rendre» før eller siden. Rendring er den prosessen datamaskinen gjør når den tar beskrivelsen av en scene (modeller, lys, materialer, kamera osv.) og gjør den om til bilder som kan vises på en skjerm, prosjektor eller i Virtual Reality (VR). Dette kan være fotorealistisk eller ikke-fotorealistisk.

Spill skiller seg fra andre former for 3D fordi det rendres i sanntid, og aller helst i 25-30 bilder i sekundet eller mer. Rendermotorene i spill er derfor forskjellige fra de man bruker til animasjonsfilmer og visuelle effekter. Animasjonsbransjen kan tillate seg rendertid på flere timer per bilde. Rendermotorene til spill bruker en enklere måte å regne ut lys, refleksjoner og gjennomsiktighet for å være i stand til å rendre mange bilder i sekundet.

Programvare

I dag er det mange gode alternativer til 3D programvare. I Appex bruker vi en pakke som heter Maya. Maya har lenge vært standard i animasjonsindustrien men har de siste årene fått konkurranse fra flere andre. De store pakkene som brukes nå kan løse de fleste utfordringer.

Tradisjonelt har man brukt Autodesk Maya til animasjon og visuelle effekter og Autodesk 3D Studio Max til illustrasjoner og visualisering. Men nå handler det mer om smak og behag. Enten man velger Maya, 3D Studio Max, Houdini, Cinema 4D eller Blender har man redskapene til å løse det aller meste.

Et lite tilbakeblikk

En av de første eksemplene på 3D animasjon var Edwin Catmull og Fred Parke sin film ”A computer animated hand”, fra 1972. Siden den gang har det skjedd mye og hverdagen til en 3D-artist er blitt lettere de siste årene.

På slutten av 70-tallet ble 3D programvare tilgjengelig for PC. Utover 80-tallet ble framebufferen standard i de fleste PCer slik at man kunne lagre bildet før det ble vist på skjermen.

Utover 80- og 90-tallet kom mange av programmene som brukes av designere og utviklere innenfor film, animasjon og spillbransjen også i dag. Nå har man ved hjelp av moderne maskinvare tatt steg i retning av mer fysisk korrekte modeller.

Utviklingen av 3D animasjon innen film startet på mange måter med 3D-grafikken til Catmull og Parke i Futureworld i 1976 og senere lignende grafikk i Tron og Star Wars.

I 1993 kom Jurassic Park, den første filmen som tok i bruk fotorealistisk digitale karakterer. Flere av dinosaurene i filmen er modellert og animert av ILM.

To år senere, i 1995 var Pixar ferdig med den første helaftens animasjonsfilmen, Toy Story, for Walt Disney. Filmen ble produsert av Steve Jobs og Edwin Catmull, og regissert av John Lasseter. Nå så man hva som var mulig å få til og i årene som fulgte kom flere store gjennombrudd.

Titanic med digitale karakterer og simulering av vann. Polar Express, med opptak av karakterbevegelser. Ringenes Herre, med sine simuleringer av mengder med digitale karakterer og selvsagt realismen til Gollum. Avatar med simulering av hud og muskler og ikke minst samtid opptak av bevegelsesdata på settet.

Parallelt med film og animasjonsindustrien har spillbransjen utviklet seg i samme bane. Fra en serie med spill i 3D vektorgrafikk som for eksempel Battlezone, kom det som trolig er første 3D spillmotor (the freescape engine) og spillet Driller i 1987. Og fra Ultima Underworld, Wolfenstein 3D og etterhvert Doom har 3D utviklet seg mer og mer i retning av animasjonsindustrien på de fleste områder.

Faktisk er det flere og flere som bruker spillmotorer til å lage animasjoner selv om det er et lite stykke igjen til man kan forvente samme kvalitet på samtidsgrafikk som rendermotorer ment for film- og animasjonsbransjen.

Å lage 3D

Modellering handler som regel om å lage 3D modeller av overflater. Ofte skiller vi mellom organisk modellering og hard overflate modellering. Når man modellerer en bil er det kanskje viktig at den har jevn overflate. Når man modellerer et ansikt som skal bevege seg er det viktig at topologien er slik at det er lett å animere den. Noen modeller bør ha et lavt antall punkter, og noen modeller trenger et stort antall punkter. Ofte har man også muligheten til å holde modelleringsprosessen ikke-destruktiv så lenge som mulig slik at man lett kan gjøre endringer.

Teksturer er en beskrivelse av farge eller egenskaper på overflaten til et objekt. Fordi det kan være vanskelig å lagre og redigere teksturer i 3D bretter man som regel ut modellene i 2D, eller det man ofte kaller UV-området. Det finnes flere måter å lage teksturer på, men i større og større grad bruker tegner og redigerer man teksturer i 3D. I Appex bruker vi fremdeles hovedsakelig photoshop.

«Å rigge en modell» betyr egentlig bare at man gjør den klar til animasjon. Dette kan være alt fra å lage ben og muskler i en dinosaur til å sette opp en måte å styre og kontrollere en flodbølge på. Målet er å gi animatøren det som trengs for å lage animasjoner så raskt som mulig samtidig som han eller hun har den kontrollen som trengs.

Animasjon er den delen der man endrer på modellene over tid. Dette kan være så enkelt som å flytte et kamera. Eller det kan være et komplisert bilde med karakterer, effekter og landskap som beveger seg.

Mange fenomener er vanskelig å animere for hånd. Et eksempel kan være vann. Det finnes flere måter å simulere ulike fenomener. Noen eksempel er partikler og volum grid. I Maya finnes det blant annet en simulator, bifrost, som kombinerer de to med fokus på simulering av vesker. Dette kalles en flip-solver. I de fleste tilfeller handler simulering om naturfenomener som er vanskelig eller tidkrevende å animere. De fleste solvere som blir brukt i CGI optimalisert for fart og stabilitet og er ikke nødvendigvis veldig realistiske.

Nå er alle de store rendermotorene i mer eller mindre grad raytracere. Det vil si at de bruker stråler til å finne ut hvor lys en gitt piksel i bildet er. I Appex bruker vi Arnold som er basert på monte carlo raytracing. Den sender ut mange millioner stråler fra kamera og sjekker hva hver av strålene treffer. Til slutt dannes det et bilde.

Hva er mulig?

I dag er det omtrent ingen begrensninger for hva man kan gjøre med animasjon enten man er stor eller liten. Det finnes mange gode alternativer for både generalister og store studio. Som regel er det et spørsmål om leveringstid og kvalitet i forhold til budsjett.

Jo flere timer vi får bruke, jo bedre blir kvaliteten. Vi bruker gjerne en slik kurve. De første 5% er veldig billige, de siste 5% er ofte veldig kostbare, og gjerne forbeholdt filmer og serier med svært store budsjetter. Noe av det vanskeligste i en animasjons- eller 3D-leveranse er å finne rett stil og kvalitet.

Hva trengs?

Når man bestiller animasjon eller 3D er det lurt å ha en klar formening om innholdet. Jo flere valg man tar tidlig i prosessen desto mer tid kan man bruke på det som er viktig. Blant annet handler det om å produsere rett kvalitet med en gang og ikke bruker tid på uviktige deler. I de aller fleste tilfeller er det lurt å være ganske ærlig når det kommer til budsjettene sine fra starten eller ha en klar formening om hva man ønsker.

Eksempel

Nedenfor kan du se et eksempel på en 3D-animasjon som vi har laget i Appex. Alt du ser er modellert, tekstuert og computer generert. Vi har lagt inn veksling mellom polygon-visning og ferdig rendret slik at du kan se hvordan 3D’en er bygget opp.