ПРОБЛЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ВОСПРИЯТИЯ У СТУДЕНТОВ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ КЛАССИЧЕСКОГО КУРСА ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРСОНАЖА

В статье описываются систематические проблемы, возникающие у студентов при моделировании органических поверхностей. Предложены схемы их решения без существенной модификации привычного процесса моделирования с помощью вспомогательных упражнений по двумерному эскизированию опорных цепочек ребер на проекциях концепта персонажа на ортогональные плоскости.

Курс трехмерного моделирования персонажа читается в Уральском государственном архитектурно-художественном университете студентам специальности «Графический дизайн» на базе кафедры Прикладной математики и технической графики в рамках дисциплины «Компьютерное обеспечение дизайн-проектирования». На настоящий момент курс существенно трансформировался по мере того, как изменялся инструментарий прикладного ПО и организовывались связи с индустрией — в случае персонажного моделирования это компании, производящие компьютерные игры и видеопродукцию. От выскополигонального моделирования мы перешли к низкополигональному, курс теперь не только знакомит с инструментарием, но представляет собой имитацию полного цикла создания трехмерной модели персонажа, начиная с рисования собственного концепта персонажа и заканчивая художественным текстурированием в рамках современной модели материалов PBR и риггингом — подготовкой к анимации.

Курс был основан на классической схеме полигонального моделирования органических объектов, являющейся коллективным результатом работы ведущих мировых практиков. Первым этапом создания модели по существующему концепту является определение опорных непрерывных цепочек ребер, с помощью которых будет строиться основа для кусочно-гладкой поверхности Катмулла-Кларка, являющаяся финальным результатом[1]. Эти непрерывные цепочки ребер в английской традиции называются edge loops[2], российские практики трехмерного моделирования зачастую так и называют их — лупы. С начала курса нами была разработана принципиальная схема минимального набора ребер для создания поверхности стилизованного лица, которую студенту приходится адаптировать к собственному концепту (рис.1). Вторым этапом является распределение лупов по оси ОY для создания основы глубины лица, третьим —  заполнение пространства между лупами, четвертым —  итеративное исправление пластики лица путем передвижения вершин.  

При переносе эскиза с двумерной плоскости концепта в трехмерное пространство учащегося ожидает как минимум два скачка сложности, связанных с отсутствием необходимых навыков. Во-первых, в рамках курса начертательной геометрии развитие пространственного воображения происходит только на базе геометрических объектов. В результате студент не получает навыка мысленного представления трехмерных органических объектов, промежуточные сечения которых экстраполируются неоднозначно. Во-вторых, технологически процесс полигонального моделирования существенно отличается от знакомой студентам работе с простыми трехмерными примитивами.

У малой части студентов пространственное воображение является либо врожденным, либо приобретенным в результате работы со скульптурными объектами вне стен университета. Как правило, такие студенты в состоянии интуитивно экстраполировать положение промежуточных вершин на модели головы, просто передвигая точки в трехмерном пространстве без дополнительного эскизирования (как это и демонстрируется в обучающих материалах онлайн, создавая иллюзию простоты процесса) (рис. 2).

Это кажущееся интуитивным умение вызывает у большей части студентов чувство зависти и демотивирующего отчаяния из-за того, что у них так не получается. Корень проблемы заключается в том, что основным источником информации для человеческого мозга является фронтальная проекция. Даже при наличии на концепте профильной проекции при редактировании трехмерной модели большую часть времени студент проводит, глядя на модель фронтально либо в «три четверти». Дополнительно осложняет ситуацию большое количество вершин многогранника даже на низкополигональных моделях. Студент теряется, какая вершина на фронтальной поверхности соответствует какой вершине на профильной — их просто слишком много, чтобы сопоставлять на концепте поточечно. Для достижения хорошего финального результата приходится укрупнять сегменты поверхности в уме.

Получается, что студент неизбежно уделяет меньше внимания моделированию профиля, несмотря на постоянные указания преподавателя о важности этой стадии работы. Результатом чаще всего является «плосколицесть»: все фокальные точки на модели оказываются сконцентрированы на передней поверхности.

Рассмотрим пример подобной студенческой работы на рисунке 3. На виде спереди модель соответствует концепту, при этом на виде сбоку очевиден основной дефект: слишком маленькая глубина лица, особенно заметная вдоль хорды «виски—переносица». Видны также проблемы, возникающие из-за сложности сопоставления вершин на разных проекциях: недостаточность боковой площади глазной впадины, несоответствие уголка губ на виде спереди уголку губ на профиле, уплощение носогубной складки, нарушение естественной кривизны щеки. Естественным вариантом решения этой проблемы без существенной модификации всего процесса моделирования является выполнение дополнительного задания, в котором студенты, продемонстрировавшие слабость пространственного воображения, эскизируют опорные лупы на профильной проекции. Это упражнение помогает примерно половине студентов, его выполнивших.

У этого решения есть слабая сторона: при механическом переносе лупов на профильную проекцию студент в большинстве случаев полностью игнорирует кривизну органической поверхности (рис. 4). Это явление менее заметно, когда переносятся только лупы, и гораздо более заметно, если студент решает сделать дополнительную работу и перенести  соединительные грани. На трехмерном объекте игнорирование кривизны приводит к феномену «лисьей морды»: плоские щеки и виски резко сужаются к носу и лбу. Студент привыкает работать в проекциях, и после завершения построения в виде «три четверти» переносит все свое внимание на изменение профиля и сдвигает уже существующие точки вдоль оси OY, не обращая внимания на общую форму. 

Отчасти поэтому бессмысленно давать студенту, который не справился с дополнительным упражнением, дополнительные задания по эскизированию сечений головы: это отнимает ограниченное время курса, не решая при этом полностью проблему уплощения кривизны. На лице много сечений с различной кривизной, и эскизирование скул и носа не гарантирует понимания студентом кривизны нижней части лица.  Если одно или два упражнения по эскизированию во фронтальной и профильной проекциях показывают хороший результат в улучшении пространственного восприятия, то последующие итерации работы в двумерном пространстве следуют принципу убывающей отдачи: бесконечно уточняя эскиз лупов в 2d, студент все более неуверенно чувствует себя во время трехмерного моделирования.

Одним из перспективных решений описанных систематических проблем студенческого восприятия нам видится отступление от классического алгоритма полигонального моделирования с опорой на эпюры и переход к эскизированию прямо в трехмерном пространстве с помощью примитивов и последующему проецированию топологии прямо на трехмерный эскиз — подход, родственный методу ретопологизации высокополигональных моделей [5]. Этот подход становится все более доступен по мере развития проективного инструментария в пакетах трехмерного моделирования. Однако потенциальная сложность внедрения его в обучение состоит в неразработанности методической базы и нежелании студента отказываться от легкодоступных, но морально устаревающих обучающих материалов в сети.

Список литературы

1. T. DeRose. M. Kass. T. Truong. Subdivision Surfaces in Character Animation. //Proceedings of the 25th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. —1998. — URL: http://graphics.pixar.com/library/Geri/paper.pdf

2. Тимофеев, С.М.  3ds Max 2011. – СПб. : БХВ-Петербург, 2010. - 512 с. : ил + 1 эл. опт. диск.

3. Джонс Д.К. Методы проектирования. – М.: Мир, 1986. – 326 с.

4. Бачурина Л.Р., Дроздова Е.Н. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИГРОВОГО ПЕРСОНАЖА// Региональная информатика и информационная безопасность. Сборник трудов. СПИИРАН.  —  2016. — С. 421-425.

5. G Marcias et al. Data-Driven Interactive Quadrangulation //Proceedings of ACM SIGGRAPH 2015.  — Volume 34  —  Issue 4 —  August 2015. —  URL: cs.nyu.edu/~panozzo/papers/DDQ-Paper.pdf

Рисунки к докладу

Концепт персонажа и эскиз лупов (синим) и соединительных ребер (фуксией) студентки группы 324 Карелиной Елизаветы.

Работа студентки группы 357 Панасовой Дарьи.

Работа студентки группы 357, демонстрирующая типичные дефекты профиля.

Попытки эскизирования профиля студентами группы 357: лупы (темным) и соединительные грани на виде «три четверти» и профиле, а также феномен «лисьей морды»

Дударь Елена Сергеевна (18 марта 2017 г. 20:31)	Добрый день, Мария Владимировна и Анна Анатольевна! Спасибо за статью и прекрасные иллюстрации к тексту. Занимаюсь обучением иностранных студентов и, в связи с этим, мне показалось интересным ваше понимание пространственного воображения и возможностей его развития. Делаете ли вы различие между пространственным воображением и пространственным мышлением? Очевидно, что есть специальные методики по развитию пространственных способностей, насколько успешно их применение? Встречались ли вам данные о соотношении врожденных и приобретенных способностей восприятия пространства? С наилучшими пожеланиями, Елена С. Дударь
Власова Мария Владимировна (25 марта 2017 г. 12:19)	Добрый день, Елена Сергеевна! Спасибо за комментарий. На заре преподавания курса мы начинали с упражнений, призванных "выровнять общий уровень" студентов. Но на настоящий момент эти упражнения практически полностью вытеснены из курса в пользу работы над собственной моделью студента: большинство наших студентов с большим трудом переносят абстрактное на конкретное. Интересный вопрос про соотношение врожденных и приобретенных способностей. Как я понимаю, современная нейрофизиология полагает способность восприятия пространства и пределы ее развития врожденными, мало зависящими от количества повторений. Мы в рамках нашего курса не можем оценить эти параметры: программа читается на третьем курсе, и соответсвующие компетенции уже должны быть частично сформированы в рамках упомянутых курсов начертательной геометрии и скульптуры. То есть мы начинаем не с "чистого листа". Тем не менее, "на глазок" среди высокомотивированных студентов на одного человека, моделирующего быстро и правильно, приходится около трех человек, неспособных довести модель до стандартов индустрии даже при существенном старании.