3D Engineering

Введение

В уроке из частиц создаются снеговик и другие фигуры. Для получения результата использованы система частиц PF Source (поток частиц) и язык программирования MAXSсript.
Системы частиц позволяют моделировать явления реального мира и воплощать разного рода вымышленные образы.
Так, многие физики полагают, что в основе мироздания положены частицы. Ученые ставят опыты, ускоряя и сталкивая частицы, надеясь подтвердить свои теории. Системы частиц, в том числе и 3ds Max, вполне пригодны для отображения наблюдаемых физиками процессов (рис.1).

Рис. 1. Бозон – частица Бога? (источник Яндекс. Картинки: бозон)

Весьма эффективно могут быть представлены частицами и работы из бисера (рис. 2).

Рис. 2. Мы в ответе за тех, кого приручаем (источник Яндекс. Картинки: бисероплетение)

MAXSсript не только предоставляет дополнительные возможности при работе с системами частиц, но и укоряет процесс получения результата. Кроме того, код компактно описывает моделируемую сцену, что весьма часто позволяет оценить генерируемые им образы, не имея под рукой 3ds Max.
Эти и иные преимущества будут ощутимы при наличии определенных навыков и достаточно продолжительной тренировки.
В качестве иллюстрации тезиса о компактности представления модели приведем код, обеспечивающей решение задачи, разобранной в размещенном на Render.ru уроке "Текст из частиц" от Shoohrat Yuldasheva.
Задача решается в следующей формулировке:

1. Обеспечить генерацию цилиндрических частиц из ребер полигонального объекта.
2. В качестве объекта употребить текст с модификатором Extrude (выдавить).
3. Выполнить анимацию масштабирования частиц.

Получение результата обеспечивает следующий код:

Последний кадр анимации приведен на рис. 3.

Рис. 3. Частицы на ребрах текста

В основной программе три блока.
Первый блок подготовительный. Он очищает сцену, создает Mesh в виде выдавленного текста t и цилиндра cl, форма которого будет затем использована для отображения частиц.
Второй блок отвечает за создание источника частиц. Источник содержит одно событие с 6-ю операторами (рис. 4).

Рис. 4. Источник частиц в задаче Текст из частиц

Чтобы открыть диалог Particle View (обозреватель систем частиц) и просмотреть состав источника, достаточно выбрать источник частиц PF Source, перейти на вкладку Modify командного окна и нажать на кнопку Particle View группы Setup сопутствующего диалога. Выбор источника и переход на вкладку Modify предусмотрены в приведенном выше коде (свойство источника IsSelected = on и выполнена команда max modify mode).
Созданный источник pF (конструктор PF_Source) размещен в начале координат и повернут (свойство Rotation) относительно осей X и Y соответственно на 10° и 170°. Причем относительно оси X поворот выполнен по часовой стрелке, относительно оси Y – против часовой стрелки.
Оператор Birth обеспечивает рождение всех 600 частиц (свойство Amount = 600) в нулевой момент времени (Emit_Start = Emit_Stop = 0).
Оператор Position_Object указывает на то, что частицы будут рождаться на ребрах выдавленного текста (Emitter_Objects = #(t), Location = 2). Кроме того, при размещении частиц на ребрах объекта буде приниматься во внимание значение свойства Apart_Distance, регулирующее расстояние между частицами.
Оператор Shape_Instance устанавливает объект (цилиндр cl), форму которого будут иметь частицы.
Оператор ScaleParticles отвечает за масштабирование частиц (выполняется анимация масштабирования по оси Z).
Оператор Rotation вызывает поворот всех частиц относительно осей X и Y соответственно на 10° и -10°. Этот поворот обеспечит перпендикулярность частиц тексту, используемого в качестве эмиттера.
Оператор RenderParticles, задаваемый для всей системы единожды, позволит отобразить частицы средствами одной из доступных программ воспроизведения.
Оператор DisplayParticles отвечает за отображение сцены в видовом порте. В нашем случае оператор устанавливает для частиц режим вывода Geometry (геометрия, type = 6) и красный цвет частиц (color = red).
В третьем блоке в точках 0f, 50f и 100f задаются ключи анимации масштабирования частиц по оси Z. Обеспечивается полная видимость сцены (max tool zoomExtents) и ее анимация (PlayAnimation).
Приведенный пример просто реализуется в диалоге Particle View и без применения какого-либо кода.

Запуск программы

Запуск программы выполняется в 3ds Max в следующем порядке:

1. Открыть редактор кода (меню MAXScript – MAXScript Editor).
2. Перейти в открывшийся диалог и при необходимости создать новую вкладку (Ctrl + N).
3. Скопировать код, приведенный в уроке, в чистую вкладку редактора.
4. Позиционироваться в любом месте скопированного кода и нажать Ctrl + E, либо воспользоваться меню редактора Tools – Evaluate All.

Снежинка

Реализуется следующая сцена: четыре потока частиц в виде разноцветных снежинок пересекаются в одной точке и порождают сферический источник снежинок, медленно удаляющихся от его центра (рис. 5).

Рис. 5. Большая снежинка

Задача решается по следующей схеме:

1. Создаются 4 источника частиц: по одному на каждый поток. В каждом источнике частицы генерируются в одной точке и после рождении двигаются в начало мировой системы координат (в этой точке потоки частиц пересекаются).
2. Форма частиц перенимается у стандартного объекта Hedra семейства Star 2 (разновидность объемной звезды).
3. В декоративных целях в точках генерации частиц отображаются конусы, ориентированные вдоль соответствующих траекторий частиц.
4. Частицы, оказавшиеся в точке пересечения потоков частиц, удаются.
5. В точке пересечения потоков частиц создается еще один, пятый источник частиц. В качестве объекта, испускающего частицы берется сфера с небольшим числом сегментов (segs = 8). Частицы исходят из вершин этой сферы. Вектор скорости частиц направлен по радиусу сферы, проведенному из ее центра до соответствующей вершины (свойство Direction оператора Speed равно 1).
6. Форма частиц 5-го источника перенимается у другого объекта Hedra семейства Star 1.
7. Материал (цвет) частиц каждого источника задается оператором Material_Frequency и выбирается случайным образом из 10 материалов. Для этих целей создается материал Multimaterial с 10-ю компонентами (рис. 6).

Рис. 6. Образец материала для частиц

Эту схему реализует следующий код:

В основной программе три блока.
В первом блоке функцией prps подготавливается сцена. Затем создается материал Multimaterial с 10-ю компонентами, хранимыми массивом arrStd. Каждый элемент массива – это стандартный материал. RGB-составляющие диффузионной компоненты каждого материала генерируются случайным образом из диапазона 100 – 200 функцией Random.
Далее создаются объекты hdr и hdr2 (3d-звезды), форму которых перенимают частицы, и сфера lght, употребляемая в качестве эмиттера частиц.
В массивы arrPs и arrRt заносятся координаты и углы поворота источников пересекающихся потоков частиц, обеспечивающие пересечение потоков в начале мировой системы координат.
Во втором блоке 4 раза вызывается функция mkPF, создающая при каждом обращении один источник частиц. Кроме того, функция вводит в цену конус, имитирующий излучатель частиц. С источником частиц этот конус никакой связи не имеет. Функция принимает позицию arrPs[k], углы поворота источника arrRt[k] и конуса arrRtCn[k], ссылки на объект с формой и на материал для частиц. (Углы поворота задаются относительно осей мировой системы координат.)
Оператор Birth обеспечивает рождение одной частицы каждые 5 кадров (свойство Rate = 5). Частицы генерируются на отрезке 0 – 350f. Время при задании свойств Emit_Start и Emit_Stop указывается в тиках: в одном кадре 160 тиков. (Число рождаемых частиц определяется в примере свойством Rate оператора Birth и свойствами оператора Position_Icon.)
Оператор Position_Icon указывает системе на необходимость генерировать частицы в одной точке – в базовой точке эмиттера (Location = 0).
Оператор Spin задает угловую скорость частиц и характер ее изменения.
Оператор Speed устанавливает скорость частицы (свойство Speed) и ее направление вдоль стрелки иконки эмиттера (Direction = 0).
Оператор Script_Operator содержит обработчики ChannelsUsed и Proceed, определяемые в свойстве Proceed_Script оператора.
Каждый обработчик получает в качестве параметра ссылку pCont на контейнер частиц системы. Благодаря этой ссылке мы получаем доступ к свойствам и методам контейнера в целом, а также возможность оперировать каждой частицей контейнера, читая и изменяя ее свойства, такие, как скорость, позиция, форма и др.
В обработчике ChannelsUsed указываются каналы обмена данными между обработчиками и контейнером частиц (активизируется канал передачи информации о позициях частиц, UsePosition = true). Второй обработчик (Proceed) постоянно вызывается в процессе работы системы частиц. В нашем случае в нем частица, Z-координата которой меньше нуля, покидает сцену (метод pCont.DeleteParticle k). Для доступа к частице с номером k в for-цикле выполняется присваивание pCont.ParticleIndex = k. Без этого выражения обработчик неработоспособен.
Оператор Material_Frequency задает материал частиц (свойство Assigned_Material): для каждой частицы ее материал случайным образом берется из 10 компонентом созданного ранее материала mlt. Вероятность выбора каждого компонента одинакова и равна 0.1 (Mtl_ID_1 = Mtl_ID_2 = … = Mtl_ID_10 = 10).
Третий блок создает пятый, расположенный в начале координат источник частиц. Частицы появляются в вершинах сферы lght (свойство Location оператора Position_Object равно 1) и с небольшой скоростью удаляются от сферы по радиальному направлению (свойство Direction оператора Speed равно 1). Назначение прочих операторов этого источника пояснено в ранее рассмотренных примерах.
При интерактивной реализации этого примера объем кодирования незначителен (см. свойство Proceed_Script оператора Script_Operator).
В следующем примере объем обязательного кодирования существенно выше.

Снеговик

В примере из частичек (снежинок) лепится снеговик (рис. 7).

Рис. 7. Сделан из снежинок

Как и в предшествующем примере, создаются лучи из частиц, которые направляются к центрам сферических частей снеговика. Однако на этот раз частицы, достигшие центра, не покидают сцену, а тормозятся и помещаются на поверхности снеговика.
Последовательность получения результат следующая:

1. Создаются 4 источника частиц в позициях [-100, 0, 100], [0, -100, 100], [100, 0, 100] и [0, 100, 100]. Как и ранее, частицы перенимают форму у введенного в сцену стандартного примитива Hedra. Для отображения эмиттера употребляется сфера, выводимая в позиции источника.
2. Анимационный интервал (его длина 1000f) разбивается на 4 части: в первых трех по триста кадров, а в последнем 100.
3. На первой части анимационного интервала частицы, покидающие эмиттер, направляются в центр нижней части снеговика, на второй – в центр средней части снеговика, на третьей – в центр верхней части снеговика. Эти действия выполняются за счет задания надлежащего вектора скорости частиц (свойство ParticleSpeed). Центр нижней части снеговика расположен в точке [0, 0, 0].
4. Частица, приобретя вектор скорости, направляется в центр соответствующей части снеговика. После прохождения центра скорость частицы обнуляется, а сама частица помещается на поверхность соответствующей части фигуры (свойство ParticlePosition) и остается в этой позиции до конца анимации.
5. На четвертой части анимационного интервала снеговик дополняется носом, глазами и шапкой.

Приведенную последовательность действий реализует следующий код:

В основной программе три блока.
В первом блоке создаются материал mlt для частиц и объект Hedra, определяющий форму частиц. Далее задаются начальные точки второй и третьей частей анимационного интервала (tm2 и tm3). Длина каждой части равна dt (время указывается в тиках).
Вслед вводятся параметры сцены – это радиусы r, r2 и r3 частей снеговика, расстояния d2 и d3 по оси Z центров второй и третьей частей снеговика от начала координат (центр первой части снеговика расположен в начале мировой системы координат).
Далее записаны скрипты, используемые оператором Script_Operator систем частиц.
Все скрипты однотипны и различаются лишь значениями векторов скоростей и условиями торможения частиц.
Каждый скрипт начинается фрагментом scrpt0, в котором определяются каналы обмена данными между обработчиками и контейнером частиц (делаются доступными каналы Position, Speed и Age):

К этому фрагменту присоединяется код proceed-обработчика. В каждом proceed-обработчике определяется число частиц nP источника, меняется затравка датчика случайных чисел (seed nP), вычисляется текущее время sTm в тиках (sTm берется равным возрасту первой частицы) и задаются значения векторов скорости частиц pSpd, pSpd2 и pSp3 для каждой части анимационного интервала.
В for-цикле обработчика каждой только что покинувшей эмиттер частице назначается вектор скорости. Факт близости частицы к эмиттеру устанавливается условием p[3] > 99, где p[3] – это Z-координата частицы (напомним, что Z-координата каждого источника частиц равна 100). Используемое значение pSpd, pSpd2 или pSp3 вектора скорости зависит от текущего времени: если sTm находится в первой части анимационного интервала, то берется pSpd, если – во второй, то берется pSpd2, если – в третьей, то берется pSpd3.
Далее в этом же цикле проверяется, достигла ли частица точку назначения (центр соответствующей части снеговика). Если да (в первом скрипте оценивается выражение p[1] > 0, где p[1] – это X-координата частицы), то определяется, к какой анимационной части относится частица (это выполняется по значению вектора скорости частицы). В результате для последующих вычислений определяются надлежащие значения переменных rc и z (радиуса соответствующий части снеговика и Z-координаты его центра). Скорость частицы обнуляется, и частица помещается на поверхность соответствующей сферы. Для нахождения позиции частицы используется параметрическое уравнение сферы (с радиусом R и с центром в точке [x0, y0, z0]):

Значения углов тригонометрических функций этого уравнения определяются при помощи датчика случайных чисел.
Во втором блоке основной программы в результате обращений к функции mkPF создаются источники частиц. Все используемые в источниках операторы нам уже встречались. Поскольку программа требует значительных вычислительных ресурсов, то два последних вызова функции mkPF закомментированы. При наличии таких ресурсов этот комментарий можно снять.
В третьем блоке создаются и анимируются такие части снеговика, как нос, глаза и шапка. Первоначально они создаются в начале координат и делаются невидимыми за счет обнуления свойства Opacity (непрозрачность) каждого из примененных для этих частей материалов. К концу анимации каждая часть занимает положенное ей место на голове снеговика, а материалы std и std2 становятся совершенно непрозрачными (Opacity = 100).
На рис. 8 и 9 показаны промежуточные кадры создания снеговика при наличии в сцене 4-х источников частиц.

Рис. 8. 335-й кадр анимации

Рис. 9. 635-й кадр анимации

Число строк, потраченных на запись скриптов scrpt, scrpt2, scrpt3 и scrpt4 операторов Script_Operator, можно сократить, выделив совпадающие части в отдельные куски scrpt0, scrpt01, scrpt02 и scrpt03:

Заключение

Большое число частиц и связанные с ними вычисления нередко требуют существенных вычислительных ресурсов. В таких случаях отладку решений следует выполнять на малом числе частиц и небольших анимационных интервалах. Кроме того, желательно наметить несколько путей решения задачи и выбрать среди них наименее ресурсоемкий.

Источники

1. Autodesk® 3ds Max® 2009 MAXScript Reference.
2. Бартеньев О. В. Программирование модификаторов 3ds Max. Учебно-справочное пособие. – М.:Физматкнига, 2009. – 341 с.
3. Яндекс. Картинки.
4. http://100byte.ru/

далее