Preskúmanie a použitie knižnice listov v softvéri itoo Forest Pack Pro na vytvorenie
Kto vie, že nič nevie, nie je múdry. Kto iný vie, čo nevie, môže sa na to spýtať. A ak konečne viete, kde nájdete to, čo neviete, môžete to vyhľadať. Albert Einstein
Poďakovanie Najskôr by som sa chcel pri tejto príležitosti poďakovať všetkým, ktorí ma podporili a motivovali pri príprave tejto bakalárskej práce. Zvlášť by som sa chcel poďakovať Frankovi Ringwaldovi a Christianovi Maltererovi, ktorí sa postarali o moju prácu, a teda aj o mňa. Nielenže ste opakovane poskytovali cenné ukazovatele prostredníctvom kritického výsluchu, morálna podpora a motivácia boli tiež neprekonateľné. Prinútili ste ma premýšľať nad moje hranice. Ďakujeme za trpezlivosť a úsilie. Tiež by som sa chcel poďakovať svojej sestre a mojim priateľom, ktorí majú korektúry počas mnohých hodín. Poukazovali na slabosti a ako nešpecialista vždy dokázali ukázať, kde je ešte potrebné vysvetlenie. Špeciálne poďakovanie patrí aj mojej priateľke, ktorá ma psychicky podporovala, najmä počas záverečného špurtu. V neposlednom rade by som sa chcel poďakovať svojim rodičom, pretože tu pre mňa boli vždy nielen finančne, ale aj emočne počas štúdia.
Preskúmanie a použitie knižnice Laubwerk v softvéri itoo Software Forest Pack Pro na vytvorenie realistického prostredia. Bakalárska práca na získanie akademického titulu Bachelor of Arts v katedre digitálneho filmového dizajnu na Univerzite mediálneho dizajnu. Vložil: Thomas Hellmuth Narodený: 19. mája 1986 v Nauene 1. skúšajúci: Frank Ringwald 2. skúšajúci: Christian Malterer Berlin, dňa: 28.2.2014
Obsah 1. Úvod 4 1.1. Predhovor 4 1.2. Problém a cieľ diplomovej práce 4 2. Základné informácie 7 2.1. Všeobecné informácie o vegetácii 7 2.2. Druhy vegetácie 7 2.3. Vegetačné zóny 8 2.3.1. Tundra 8 2.3.2. Severný ihličnatý les 8 2.3.3. Listnatý a zmiešaný les 8 2.3.4. Krok 9 2.3.5. Tvrdé listnaté stromy 9 2.3.6. Púšť 9 2.3.7. Savannah 10 2.3.8. Tropický dažďový prales 10 2.4. Všeobecné informácie o stromoch 10 2.5. Štruktúra stromu 11 3. Postup vytvárania virtuálnych rastlín 16 3.1. Procedurálny postup 16 3.1.1. Fraktály 16 3.1.2. Systémy Lindenmayer 19 3.2. Bilbordy 23 3.3. Ručné modelovanie rastlín 26 1 1
4. Oblasti použitia digitálne vytvorenej krajiny 29 4.1. Film 29 4.2. Reklama 32 4.3. Videohry 33 4.4. Architektúra 34 5. Opis programov 37 5.1. itoo Software Forest Pack Pro 37 5.1.1. Základné informácie o softvéri itoo Software Forest Pack Pro 37 5.1.2. Vysvetlenie užívateľského rozhrania a jeho atribútov pre program 38 5.2. Listy 51 5.2.1. Základy lístia 51 5.2.2. Vysvetlenie užívateľského rozhrania a jeho atribútov pre program 51 6. Popis implementácie 55 7. Praktický vývoj 58 7.1. Kritériá testu 58 7.2. Popis experimentu 59 7.3. Vyhodnotenie kritérií 65 8. Záverečné úvahy 70 8.1. Záver 70 8.2. Výhľad 71 9. Zoznam zdrojov 72 10. Zoznam obrázkov 74 2 2
získať. Oblasť použitia digitálne generovaných krajín je tiež dôležitá a predstavuje ďalší aspekt v praktickej časti tejto práce. Pomocou obrázkov softvéru a vysvetlení jednotlivých parametrov programov je možné dosiahnuť lepšie pochopenie. Po zobrazení týchto informácií je popísaná štruktúra celej scény. V tejto oblasti sú podrobnejšie vysvetlené určité nastavenia a ďalšie potrebné objekty, ktoré musia byť prítomné, aby sa vytvorila realistická vegetácia. Vizualizácie výstupov ukazujú možnosti s programami, ktoré sú momentálne k dispozícii. Táto časť obsahuje aj vyhodnotenie výsledkov, ktoré nastavenia môžu viesť k zodpovedajúcim výsledkom a na čo sa používajú. Potom je zobrazené krátke porovnanie virtuálnej a skutočnej vegetácie. Na záver sú predložené návrhy na zlepšenie, ktoré by mali objasniť lepšiu prácu s programami. V tejto práci sú všetky použité anglické slová uvedené kurzívou. Úvod// Problém a cieľ práce 5 5
kde sa potom premieňajú na organické zlúčeniny. Tieto látky sú zase potrebné pre rast stromu a jeho ďalšiu existenciu. V nasledujúcej časti sú jednotlivé zložky podrobnejšie preskúmané, aby sa ilustroval ich význam pre existenciu stromov. Obrázok 1 2.5. Štruktúra listnatého stromu Štruktúra stromu Pre optimálne vizuálne znázornenie stromu sú dôležité početné malé detaily, ktoré by sa mohli objaviť najmä pri detailnom zábere. Korene sú väčšinou skryté v podloží. Dôležitosť je preto viac vzadu, ale nemalo by sa na ňu úplne zabúdať, pretože tieto sa môžu čiastočne prejaviť aj pri spodnej časti stromu. Obrázok 2 Neobvyklé korene Obrázok 3 Neobvyklé korene Základy/štruktúra stromu 11
Za určitých okolností môže tento vzhľad umožniť mimoriadne pôsobivé zobrazenie, ako je zrejmé z obrázkov 2 a 3. Je tiež potrebné poznamenať, že existujú rôzne druhy koreňov. Obrázok 4 Koreňové systémy Napríklad v smreku nájdeme takzvané plytké korene. V jedlách sú to srdcové korene a v boroviciach koreňové korene (obrázok 4). Kmeň stromu sa spája s koreňmi a je vybudovaný v niekoľkých vrstvách. Začínajúc zvnútra, vrstvy pozostávajú z drieňového dreva, belového dreva, kambia, lyka a kôra alebo kôra je najdôležitejšia pre vonkajšie vizuálne znázornenie (obrázok 5). Skladá sa hlavne z odumretých buniek lýkovej vrstvy, ktorá chráni strom pred vplyvmi prostredia [Gartentipps2014]. Obrázok 5 Štruktúra kmeňa stromu Základy/štruktúra stromu 12
Kôra má rôznorodý vzhľad, a preto je veľmi individuálnym rozlišovacím znakom každého druhu stromu, ako je zrejmé z obrázkov 6 a 7. Obrázok 6 Kôra stromu Obrázok 7 Kôra stromu Poslednou dôležitou charakteristikou stromov sú listy. Rovnako ako kôra sa aj tieto veľmi líšia od druhu k druhu a pri bližšom skúmaní tiež ukazujú obrázok 8. Znázornenie najrôznejších tvarov listov, základov/štruktúry stromu 13
vyžaduje sa vysoká úroveň detailov. Napríklad listy sa líšia tvarom listov, ako je vidieť na obrázku 8. Ďalej sa listy líšia svojimi žilkami alebo štruktúrami, ako je zrejmé z obrázkov 9 a 10. Obrázok 9 Listové žily listu Obrázok 10 Ihlovitý list Základy/štruktúra stromu 14
03 Postup vytvárania virtuálnych rastlín
zobrazené ako jednorozmerná štruktúra, ale dá sa neskôr rozšíriť do druhej a tretej dimenzie [Jo/Ey2001]. Obrázok 21 Komplexný príklad baktérií S pomocou korytnačky, ktorá sa v americkom použití tiež nazýva interpretácia korytnačky, je možné toto znázornenie objasniť použitím nasledujúcich pravidiel na vizualizáciu pohybovej sekvencie korytnačky. Pomocou nasledujúcich pravidiel sa korytnačka môže pohybovať a tento pohyb je možné vizuálne znázorniť. F - Nakreslí prvok F - Posunie sa vpred o dĺžku prvku F G - Nakreslí element G - Posunie dĺžku prvku G vpred + - otočí δ proti smeru hodinových ručičiek - - otočí δ v smere hodinových ručičiek [- Poznámka aktuálna pozícia] - Návrat na poslednú zaznamenanú pozíciu. Korytnačka je tak definovaná v abecede a bude vyzerať takto: V =. Poradie F + F + FF by korytnačka predstavovala nasledovne: Obrázok 22 Sekvencia F + F + FF pomocou korytnačky Ak sa δ interpretuje ako 90, usporiadanie F [+ F] [- FF] F by vyzeralo takto: Obrázok 23 Poradie F [+ F] [- FF] f pomocou korytnačky Postup pri vytváraní virtuálnych rastlín/procedurálny postup 21
Pomocou interpretácie korytnačky je možné realizovať štruktúry alebo vetvy všetkých druhov. Pridaním zvyšujúcich sa krokov iterácie sú výsledky čoraz viac rozvetvené. V zobrazenom príklade (obrázky 24 a 25) sa používa iba prvok F a zobrazuje sa ako zelená čiara. Parameter δ je 30. Už po štvrtej iterácii sa vykonajú kresliace príkazy korytnačky 1116. Tento obrázok je príkladom systému 0L v zátvorkách [Jo/Ey2001]. Obrázok 24 Produkčné pravidlo so stále viac rozvetvenými výsledkami Obrázok 25 Vizuálny príklad V tomto príklade (obrázky 26 a 27) je prvok F doplnený pridaním parametra I, ktorý slúži iba na vygenerovanie vetvy. Prvok I však nemá fyzickú dĺžku. Tento príklad jasne ukazuje nezávislosť korytnačky. Ak podrobnejšie preskúmate malú vetvu, uvidíte, že má vždy rovnaký tvar ako celá rastlina. Podľa postupnosti na obrázku 26 Produkčné pravidlo so zväčšujúcim sa prvkom I Obrázok 27 Vizuálny príklad metódy vytvárania virtuálnych rastlín/procedurálna metóda 22
Obrázok 32 Zarovnaný na kameru Obrázok 34 Obrázok 36 Pohľad z kamery Obrázok 33 Obrázok 35 Zarovnaný na kameru - alfa pohľad z vtáčej perspektívy Rozdiel oproti Obrázku 34 Textúry fotografií znamenajú dôležitú úsporu počtu polygónov5, a teda aj časov vykreslenia. Toto by malo objasniť, že bolo možné v krátkom čase vytvoriť obrovské lesy bez preťaženia vtedajších počítačov. Napríklad pomocou komponentov priehľadnosti je možné dosiahnuť, aby strom, ktorý je kolmý na štvorcový povrch, vyzeral z určitej perspektívy správne. Ak sa však zmení uhol pohľadu, rýchlo sa ukáže, že tento typ displeja môže rýchlo dosiahnuť svoje hranice. Pretože ide iba o plochú textúru, pri pohľade zboku bude viditeľná iba čiara. Pravdepodobne najefektívnejším riešením problému je automatické zarovnanie fotografických textúr, ktoré sa tiež nazývajú billboardy6, k pozorovaciemu bodu 5. Polygón je rovný povrch, ktorý je spojený najmenej tromi bodmi. 6 Billboardy je anglický preklad pre billboardy alebo reklamné cedule. Postup vytvárania virtuálnych rastlín/billboardov 24
04 Oblasti použitia digitálne vytvorenej krajiny
05 Opis programov
softvér itoo, v ktorom hodnoty fungujú globálne, nastavenia sú pre každú textúru samostatné. Obrázok 62 Override Map Aktiváciou Override je možné editovať nastavenia (Obrázok 62). Rovnaké možnosti sú možné v ľavej oblasti, ktoré už boli viditeľné na príkazovom paneli softvéru itoo. S pribúdajúcimi variáciami je tiež možné určiť zmenu aplikovanú na jednotlivý objekt alebo na celý objekt. Nechýba ani funkcia Blending Mode. Pomocou neho môžete určiť, ako sa má existujúca textúra zmiešať s manuálnym nastavením, a ponúka rýchlejšiu a individuálnejšiu prácu. Program sa zaoberá aj vlastnými shadermi. To umožňuje lepšie zobrazenie billboardov. Momentálne je však toto vylepšenie možné iba pomocou renderovacieho enginu Mental Ray. V tejto časti je dôležité zabezpečiť, aby sa používali iba materiály z Forest Pack Pro, inak by mohlo dôjsť k chybám alebo pri zmene hodnôt nebude viditeľný žiadny efekt. V bode Trace Depth maximálny popis programov/itoo Software Forest Pack Pro 48
06 Opis implementácie
07 Praktické spracovanie