БАЗИС: фотореалистичный подход в 3D-моделировании мебельных изделий

Павел Бунаков,
д.т.н., заместитель директора, компания «БАЗИС-Центр»

Александр Лопатин, программист, компания
«БАЗИС-Центр»

Михаил Федоров, технический директор, компания
«БАЗИС-Центр»

В статье рассматривается функциональность использования фотореалистичных материалов в процессе 3D-моделирования мебельных изделий. Особое внимание уделяется влиянию реалистичной визуализации на восприятие продукта потенциальными заказчиками, эффективность коммуникации между дизайнером и производством, а также на маркетинговую привлекательность моделей. Описываются методы и технологии создания высококачественных текстур материалов, реализованные в системе БАЗИС.

В современном мире 3D-моделирование стало неотъемлемой частью дизайна и производства мебели. Фотореалистичные материалы играют ключевую роль в визуализации мебельных изделий, позволяя дизайнерам и клиентам видеть конечный продукт еще до его производства и оценивать его сочетание с интерьером помещений. Качественная визуализация помогает принимать осознанные стилевые и цвето-фактурные решения, улучшает коммуникацию между дизайнерами, конструкторами и заказчиками, а также способствует продвижению продукции на рынке.

Среди множества положительных моментов применения фотореалистичных материалов можно выделить, как минимум, пять очевидных преимуществ:

1.  Визуальное восприятие. Клиентам часто бывает довольно сложно оценить заказываемые изделия по эскизам, схематичным моделям и каталогам материалов. Фотореалистичные рендеры демонстрируют дизайн изделий в контексте интерьера. Использование фотореалистичных материалов позволяет достоверно передать внешний вид мебели, включая текстуру, пропорции, цвет, характер отражения света и другие физические свойства поверхностей. Это обеспечивает более точное представление о том, как изделие будет выглядеть в реальности. Сравним два изображения одной и той же модели, сделанных с помощью различных систем рендеринга. В изображении на рис. 1 приведен пример изделия с использованием качественно настроенных материалов для V-Ray рендерера, а на рис. 2 — изображение изделия, полученное без применения специализированных средств визуализации.
2.  Помощь в принятии решений. Реалистичная визуализация облегчает процесс принятия решений по дизайну, выбору материалов и фурнитуры, декоративной отделке. Клиенты могут видеть различные варианты исполнения мебели и оперативно изменять их для сравнительной оценки. В результате их выбор будет оптимальным по всем значимым с их точки зрения критериям.
3.  Маркетинг и продажи. Высококачественные изображения изделий и использование анимации привлекают внимание потенциальных покупателей, позволяют проводить результативные рекламные кампании и повышают доверие к бренду. Все это способствует формированию лояльности клиентов и приводит к увеличению продаж.
4.  Минимизация ошибок. Детальная фотореалистичная визуализация позволяет на ранних этапах выявить конструктивные недостатки мебельного изделия, которые могли бы остаться незамеченными до начала производства. Точная проработка формы, стыковки элементов, расстановки крепежа и фурнитуры, расположения пазов и вырезов дают возможность детально рассмотреть каждый элемент изделия в масштабе и, самое важное — в контексте его функционального использования. За счет высокой степени реализма дизайнер, конструктор и заказчик могут заранее заметить несоответствия в пропорциях, недочеты в эргономике, возможные проблемы при будущей сборке или неудачное сочетание материалов. Это упрощает процесс согласования и подготовки производства, позволяя внести корректировки до передачи заказа в цех.
5.  Экономия ресурсов. Детальная визуализация благодаря точной прорисовке деталей и реалистичному отображению материалов позволяет исключить необходимость в создании физических прототипов, что существенно сокращает расходы на материалы и затраты рабочего времени. Кроме того, визуализация позволяет точно согласовать конструкцию и дизайн изделий с клиентом, полностью исключая недопонимание и минимизируя количество возможных переделок на стадии производства.

Рис. 1. Результат визуализации рендерером с настроенными материалами и сценой

Рис. 2. Изображение без применения специальных средств визуализации

Секреты фотореализма

Фотореализм — не просто построение красивой картинки. Это своего рода наука о том, как обмануть мозг человека и заставить его поверить в объемность плоского изображения. Для достижения этого эффекта используется рендерер — программа или модуль, который преобразует 3D-сцену (модели, источники света, цвета, текстуры и другие параметры) в итоговое 2D-изображение или анимацию. Этот процесс включает сложные вычисления для симуляции физических свойств света, теней, отражений и других эффектов, чтобы создать фотореалистичную или стилизованную визуализацию. Основным методом взаимодействия с рендерером является назначение конкретным элементам сцены определенных виртуальных материалов, имитирующих физические свойства реальных материалов. Самым простым способом создания таких материалов является применение специальных текстурных карт (maps), которые помогают наложить на элементы модели реальные цвета, отразить неровности поверхности и световые блики.

Можно сказать, что карты материалов в 3D-моделировании — это «обёртки» для виртуальных объектов. Они превращают гладкую, безликую геометрию в нечто реалистичное: ржавый или хромированный металл, шершавое или отшлифованное дерево, блестящий или матовый пластик. По сути, это набор изображений (текстур), которые накладываются на модель, чтобы сообщить программе рендеринга, как поверхность должна выглядеть под разным освещением и различными углами обзора. В таблице приведено описание назначения, особенностей и параметров некоторых популярных карт.

Текстурные карты

Основной эффект, который достигается использованием карт, заключается в том, что изображение получается «живым» с какими-то «следами времени». Приведем примеры:

1.  Дышащее дерево. Известно, что идеально ровная доска выглядит «скучно» и похожа на пластик. Секрет красивого дерева заключается в его разумном «несовершенстве»: небольших сучках на продольных срезах или годичных кольцах на поперечных срезах. Эти эффекты можно добавить с помощью смещения (карта Displacement) с последующей «подсветкой» волокна анизотропией (рис. 3).
2.  Металл с историей. Полированная поверхность металла блестит очень однообразно и неестественно. Добавление мелких царапин на хромированные поверхности, отпечатков пальцев на латунные ручки, небольшой ржавчины на металлические элементы интерьера в целом подчеркнет новизну и оживит мебель с отполированными элементами. Металл должен «рассказывать» свою историю (рис. 4).
3.  Ткань, которую хочется потрогать. Моделируя тканевую обивку, можно с помощью нормалей (карта Normal) и мягких теней (карта Ambient Occlusion) добиться визуализации фактуры определенной ткани. Например, лен требует микропроколов, шелк — легкой дымки, а бархат — ворсинок, добавленных с помощью карты нормалей (рис. 5).
4.  Звенящее стекло. В реальности стекло никогда не бывает идеально прозрачным. Для его естественного вида можно добавить небольшие разводы картой шероховатости (roughness/glossiness), подобрать эффектный коэффициент преломления и некоторое количество бликов. Все это поможет добиться естественного желания протереть стекло (рис. 6).

Рис. 3. Древесина с настроенными картами нормалей и шероховатости

Рис. 4. Шлифованный металл

Рис. 5. Материал «ткань»

Рис. 6. Материал «стекло»

Основные типы материалов и их параметры

При моделировании мебели наиболее распространенными типами материалов являются ДСтП (древесно-стружечная плита), МДФ (древесно-волокнистая плита средней плотности), дерево, металл, стекло, пластик.

Рассмотрим основной способ моделирования таких материалов в системе БАЗИС на примере создания материала для рендерера V-Ray. Отметим, что моделирование материалов для других популярных рендереров Unreal Engine и Blender будет выполняться по аналогичным правилам, только с небольшими поправками на особенности конкретного движка.

Рис. 7. Окно настроек V-Ray

Начнем с одного из распространенных материалов — стекла. Для его создания в V-Ray необходимо выставить следующие параметры (рис. 7):

• цвет (diffuse color) — абсолютно черный, поскольку идеальное стекло не обладает цветом и является абсолютно прозрачным;
• отражаемый цвет (reflection color) — абсолютно белый;
• пропускаемые цвета (refraction color) — абсолютно белый или подкрашенный в нужные тона.

Обратим внимание, что цветное стекло должно отбрасывать подкрашенные тени, поэтому обязательно должна быть включена опция «Влиять на тени» (Affect shadows). На рис. 8 показаны примеры объектов из прозрачного и окрашенного стекла.

Рис. 8. Прозрачное и окрашенное стекло

Перейдем к древесным материалам. Для их создания достаточно использовать три типа карт: diffuse, roughness и bump. По естественным причинам нельзя обойтись настройкой базового цвета в виде константы. Поэтому в качестве diffuse необходимо применять соответствующее изображение. Обратим внимание, что текстура должна быть бесшовной (иметь возможность повторения по горизонтали и вертикали без видимых границ или швов), чтобы в процессе масштабирования не приходилось сталкиваться с различными «плиточными» артефактами. Карты Roughness и Bump в какой-то степени должны «дублировать» контуры линий диффузной карты, то есть отражение и шероховатости должны совпадать с основными линиями на материале (рис. 9).

Рис. 9. Материал «древесина»

Металл мало чем отличается от древесных материалов с точки зрения логики построения. Единственным крупным отличием является использование специальных параметров RGlossiness (Reflective Glossiness — глянцевость) и HGlossiness (Hilight Gloss — размытие блеска). Первое значение нужно слегка уменьшить, если не нужно, чтобы материал представлял собой идеальное зеркало. Других типовых рекомендаций по этим параметрам, к сожалению, нет, поскольку невозможно предложить какие-то универсальные значения. Все очень субъективно. К примеру, для золота можно использовать значения 0.7 и 0.76 соответственно. Однако с большой долей вероятности кому-то больше понравится другое сочетание. На рис. 10 показаны изображения при одинаковом значении HGlossiness (0.76) и разных значениях RGlossiness: 0.7 — на рис. 10а и 0.5 — на рис. 10б.

Рис. 10. Материал «золото», а — Reflective Glossiness = 0.5, б — Reflective Glossiness = 0.7

Создание пластика похоже одновременно и на создание стекла, и на создание металла: с одной стороны, в отдельных случаях необходимо реализовать полупрозрачность и блеск, с другой стороны — на пластиковой поверхности возможно наличие неровностей и царапин, для имитации которых можно использовать знакомую по металлическим материалам карту Bump.

Рендеринг в системе БАЗИС

В систему БАЗИС встроены рендереры V-RAY и Cycles, которые являются своеобразными стандартами в мире визуализации и в целом позволяют получать фотореалистичные изображения в рамках одной «экосистемы». Однако отдельных пользователей могут не устраивать особенности системы БАЗИС в области визуализации, например интерфейс, в большей степени ориентированный на конструкторов и технологов, чем на дизайнеров и визуализаторов; или редактор материалов, созданный для проектирования и подготовки производства мебели, а не для визуализации сцен. Для таких пользователей разработан следующий механизм обработки моделей, созданных в конструкторских модулях БАЗИС-Мебельщик и БАЗИС-Шкаф, к примеру в игровом движке Unreal Engine:

1 Экспорт моделей сцены в формат Obj.

2 Импорт полученного Obj-файла в сцену Unreal Engine. Для реализации этой операции следует выполнить два действия. Во-первых, при необходимости произвести поворот на 90 градусов вокруг оси Х, поскольку направления систем координат в программах часто не совпадают. Во-вторых, обязательно экспортировать материалы, чтобы потом можно было просто переопределить материалы с известными именами, а не искать методом перебора объект модели и угадывать, какой материал был на нее назначен.

Рис. 11. Редактор материалов Unreal Engine

3 Настройка материалов и освещение сцены в Unreal Engine по правилам данного рендерера (рис. 11).

4 Рендеринг изображения.

Рис. 12. Пример фотореалистичной сцены

Преимущество данного подхода заключается в том, что пользователь взаимодействует с полноценным рендерером, в котором можно осуществить все операции создания высококачественного фотореалистичного изображения: подготовку сцены, настройку освещения, редактирование материалов и т.д. (рис. 12). Однако он имеет и определенные недостатки:

•  высокие требования к оборудованию. Для создания насыщенных фотореалистичных сцен необходимо иметь мощные GPU и CPU;
•  временные затраты. Рендеринг сложных сцен может занимать до нескольких часов;
•  риск расхождений. Цифровые образы интерьеров и мебели не всегда в точности соответствуют внешнему облику физических изделий, например, из-за особенностей освещения в реальном мире;
•  зависимость от навыков художника. Даже идеальный рендерер, как и любое другое программное обеспечение, является лишь инструментом в руках пользователя и не компенсирует недостаток опыта.

Есть и другой вариант получения качественных сцен без обращения к сторонним рендерерам: использование встроенного сервиса БАЗИС-Рендер, представляющего собой рендер-ферму — группу мощных компьютеров, объединенных в единую сеть для быстрой обработки 3D-графики. Но это тема следующей статьи.

Заключение

Использование фотореалистичных материалов в 3D-моделировании мебельных изделий значительно расширяет возможности как дизайнеров, так и производителей. Качественная визуализация способствует более точному восприятию будущих изделий, что повышает доверие к производителю и эффективность коммуникации на всех этапах. Интеграция системы БАЗИС с популярными рендерерами на разных уровнях позволяет достигать высокой визуальной достоверности, усиливая позиции мебельных компаний на рынке, что крайне важно в условиях современной цифровой среды.

Полезные электронные ресурсы:

1.  https://bazis-center.ru/file/texture — архив текстур от разных производителей.
2.  https://egger-russia.ru/furniture-interior-design/filter/texture-is-st10/apply/ — каталог текстур от компании Egger — одного из ведущих производителей плитных материалов для изготовления мебели.
3.  https://junior3d.ru/ — отечественный ресурс, посвященный 3D-графике.
4.  https://polyhaven.com/ — зарубежный ресурс с бесплатными текстурами и массой полезной информации по 3D-графике.