Využití dat z 3D skeneru ATOS v 3ds Max pro fotorealistickou vizualizaci

Tags: 3D skenování | ATOS | Core | GOM | MCAE | Systems

Stejně jako mnoho jiných 3D grafiků jsme se na začátku potýkali s nedokonalostí napodobování reality. Naším záměrem a cílem však bylo posunout hranice technologií počítačové grafiky s využitím v reklamě, a proto jsme napřeli všechny naše síly, aby se nám to podařilo. Stěžejní tak pro nás bylo navázání spolupráce se společností MCAE Systems, jejímž prostřednictvím jsou v hlavních oblastech českého průmyslu úspěšně aplikovány nejmodernější 3D digitální technologie.

Digitalizace

Využití skenovaných dat pro vizualizaci a prezentaci nám ukázalo naprosto nové možnosti v reklamě. Samotný objekt je naskenován 3D optickým skenerem ATOS Core a vzniká poměrně složitá polygonální síť, kterou je potřeba optimalizovat a zpracovat na odpovídajícím hardwaru. Vytvořený model díky kvalitě a vysoké míře detailu sítě a reálné topologii materiálu odpovídá skutečné podobě fyzického objektu. Vznikají tak fascinující modely, které jsou založeny na skenovaných datech zaručujících 100% vizuální autenticitu.

Braunův Betlém – skenování dřevořezby a animace

Unikátní barokní sochařsko-krajinářskou realizaci, vytvořenou v letech 1718–1732 za účasti významného barokního sochaře Matyáše Bernarda Brauna, naleznete v blízkosti známého lázeňského komplexu Kuks. Tato vzácná památka je již léta předmětem snahy o její záchranu. Nemálo se o ni zasazuje řezbář Leoš Pryšinger, který vytvořil dřevořezbu Betléma v měřítku 1:7, která se stala předlohou pro naskenování 3D skenerem ATOS Compact Scan 5M. V softwaru ATOS Professional byla digitální data upravena do podoby vhodné k dalšímu zpracování, jako je zacelení děr, redukce geometrie při zachování přesného tvaru, spojení jednotlivých dílců tak, aby nebylo poznat, že jde o naskenovaný model v měřítku 1:7, apod. Získali jsme od MCAE detailní digitální model a vytvořili jsme exhibiční animaci včetně věrné simulace povrchu plastik z pískovce.

AERO 50 Dynamik – skenování historického vozu a animace

Velmi zajímavý projekt, který nám ukázal další možnosti využití skenovaných dat pro CG, bylo skenování a následné vytvoření animace historického vozu AERO 50 Dynamik. Skenování vozu provedla společnost MCAE Systems 3D optickým skenerem ATOS Compact Scan. Nejdříve byla nasnímána polovina exteriéru vozu, druhá pak vznikla zrcadlením při zpracování v počítači. Postupně byl doskenován i interiér vozu a data optimalizována v softwaru ATOS Professional. Pro účely propagačního videa jsme v programu 3ds Max vytvořili 3D scénu historické ulice, do které jsme tento digitalizovaný skvost československého automobilového designu umístili. Díky skenování a animaci tak digitální dotek historie nejen ožil, ale ukázal i zcela nové možnosti řešení a využití 3D digitálních technologií v reklamě.

Nábytek – skenování sedacího nábytku a tvorba autentického modelu pro vizualizace a animace

Po zkušenostech s prací se skenovanými daty a jejich využití pro CG jsme začali uvažovat o dokonalosti skenovaných modelů a jejich praktickém využití pro počítačovou grafiku. Protože jsme byli dosud odkázáni na 3D modelování a simulaci skutečné podoby nábytku nebo nakupování modelovaných 3D modelů na nejrůznějších on-line platformách, napadla nás myšlenka na tvorbu skenovaných modelů sedacího nábytku pro high-end vizualizace a reklamu. Postupem času jsme vytvořili první modely sedacího nábytku, které jsou založeny na skenovaných datech, reálné topologii materiálu a doplněné profesionálním UVW mapováním (proces tvorby projekce 2D obrázku-textury na povrch 3D objektu) a texturami. Tyto autentické modely posunují úroveň vizualizace na úroveň skutečné fotografie.

Digitalizace a zpracování dat

Digitalizace tvarově komplikované geometrie nábytku byla provedena 3D optickým skenerem ATOS Core – Essential line. Výstupem 3D skenování jsou data ve formě mračna bodů, které odpovídají autentické podobě skenovaného nábytku. Toto mračno bodů je následně převedeno pomocí softwaru ATOS Professional do podoby polygonální sítě ve formátu STL. Polygonální síť musí být jako jeden celek, bez děr a nežádoucích detailů. Samotné skenování a úprava dat je pouze dílčí částí, je však časově nejnáročnější fází celého procesu.

Mapování a tvorba materiálů

Pro dokonalost modelu, jeho připravenost pro použití v 3D programech a pro následný rendering je zapotřebí vytvořit UV mapu povrchu 3D modelu, textury k materiálům a následně realistické materiály zahrnující veškeré fyzikálně korektní vlastnosti.

Tvorba takových materiálů často vyžaduje kombinaci několika modifikací výchozí barevné textury. Ta je obvykle použita pro difúzní složku materiálu. Modifikace této textury (často v odstínech šedi) jsou interně konvertovány do stupnic síly, pro definování optických vlastností materiálu.

Každý bod na povrchu tělesa má tedy kromě souřadnic X, Y, Z (které určují polohu bodu v prostoru) ještě 2 souřadnice označované většinou jako U a V, které určují umístění připravené textury na daném 3D modelu. Po získání skenovaných dat je nutné vyrobit UV mapu ručně. Proces tvorby UV mapy vyžaduje jisté zkušenosti s touto problematikou. Je nutné předem rozhodnout, jaké tvary, respektive dílčí části modelu je použitý software schopen rozvinout do roviny. Celý model je tedy rozdělen na tvarově jednodušší části, pro které se vytvoří dílčí UV mapy a následně se zpětně spojí do jednoho modelu a jedné UV mapy. Dle komplexnosti tvaru je možná také částečná automatizace tvorby UV mapy, ale ta často nenabízí realistické výstupy renderingu.

Aplikace výsledného materiálu je tedy UV mapování několika textur daného materiálu na 3D model.

Fotorealistický rendering

Autentický model nábytku je připraven pro použití v programu 3ds Max, který je doplněn renderovacím enginem Octane Render. Tento renderer využívá několik různých algoritmů (kernelů) pro výpočet osvětlení scény. Dle světelných a materiálových podmínek se vybere vhodný algoritmus na základě poměru čas renderingu / kvalita, což je velmi důležité zvažovat u animací, kde se pro každou sekundu animace tvoří 25 statických snímků a nevhodný výběr algoritmu může vést k výraznému prodloužení výpočtu celé animace. Každý z výše uvedených algoritmů obsahuje několik parametrů ovlivňujících kvalitu vizualizace a rovněž výslednou dobu nutnou pro výpočet.

Octane Render využívá systém globálního osvětlení. V případě scén bez přímého osvětlení (např. interiéry) se využívá algoritmů Pathtracing nebo PMC pro pokročilejší systém sledování paprsků, které imitují fyzikálně korektní šíření světla. Důležitou roli pro dosažení fotorealistické vizualizace tvoří osvětlení scény a nastavení kamery. Pro osvětlení se využívá několika technik: denní světlo (slunce + obloha), HDRI (High Dynamic Range Imaging) a lokální světelné zdroje (bodové, plošné, IES). Stejně jako v reálném světě i v případě počítačové grafiky se klade důraz na výběr filmu či kamery s vhodnými optickými vlastnostmi.

Fotorealistický rendering je tedy napodobování reálného obrazu světa ve virtuální realitě a výsledné vizualizace jsou kombinací použitého renderovacího enginu, materiálů, osvětlení a kamery.

ALLCITY3DMODELS.COM

ALLCITY3DMODELS je on-line platformou, kde mohou 3D grafici zakoupit digitální modely v té nejvyšší kvalitě, připravené k okamžitému použití v programech 3ds Max a Octane Render nebo pro použití v ČR vyvíjeném Corona Rendereru, případně v programech Cinema 4D a V-Ray. Registrujte se na www.allcity3dmodels.com a vyzkoušejte free 3D model ke stažení zdarma.

O společnosti MCAE Systems

MCAE Systems již 20 let úspěšně aplikuje nejmodernější 3D digitální technologie ve stěžejních oblastech průmyslu. Kromě jiného je MCAE distributorem značky GOM a nabízí systémy pro 3D optické měření geometrie a pro 3D optické deformační měření. Více informací naleznete na www.mcae.cz.