Создание процедурных моделей: генерация сложных объектов с помощью алгоритмов

Процедурное моделирование — метод генерации 3D-объектов и сцен с использованием алгоритмов, которые создают сложные структуры на основе правил и параметров. Такой подход значительно ускоряет создание сложных моделей.

Главное преимущество процедурного подхода — гибкость. Изменив всего несколько параметров, пользователь может получить совершенно разные результаты. С помощью процедурного моделирования генерируются объекты с уникальными характеристиками.
Процедурное моделирование играет ключевую роль в разработке игр с открытыми мирами. Обычно большая часть локаций создаётся с помощью алгоритмов, а затем художники дорабатывают процедурную основу вручную чтобы повысить детализацию и уникальность. Minecraft — один из наглядных примеров использования процедурной генерации. В нём с помощью алгоритма шума Перлина создаются практически бесконечные миры.

Шум Перлина

Этот базовый алгоритм генерирует плавные карты высот, задавая рельеф местности — от холмов и равнин до гор и пещер.
После создания основной 3D-поверхности, игра раскидывает деревья и другие объекты окружения с учётом особенностей биома. Эти объекты появляются случайным образом, но следуют определенным правилам. Например, в пустынных биомах деревья не появляются, а в лесах генерируются с высокой плотностью.
Игрок каждый раз попадает в уникальный мир, который был создан на основе случайных параметров. Так разработчики превратили игровые сессии в неповторимый опыт. Процедурная генерация стала возможной благодаря множеству специализированных инструментов, которые позволяют разработчикам создавать сложные модели и сцены.

Инструменты процедурного моделирования

Blender: Geometry Nodes

Geometry Nodes строят сложные модели с помощью нод. Ноды (или узлы) — это строительные блоки процедурного моделирования. В системе гео-нод каждый узел выполняет конкретное действие. Например, создаёт форму, изменяет размер или накладывает текстуру. Ноды — как инструкция, которую программа выполняет шаг за шагом. Одна нода создаёт основу объекта, другая — меняет его форму, третья — добавляет детализацию и так далее.

Интерфейс Blender. Ноды

Интерфейс Blender. Процедурный набросок ландшафта

Простыми словами, ноды — это «кубики», из которых собираются сложные процедурные модели. Комбинируя их, можно создать невероятно сложные и детализированные миры.
Рассмотрим пример создания процедурного дерева. Один узел создаёт ствол, другой добавляет ветки, а следующий — листья.
Все элементы работают в связке и формируют уникальные деревья, которые можно менять с помощью настройки параметров в нодах.
В полигональном моделировании изменение одного элемента может повлечь за собой переделку всей 3D-модели. В процедурном подходе правки можно вносить на любом этапе без необходимости перестраивать весь проект.

Geometry Nodes идеально подходят для генерации больших сцен. Например, городов или лесов. Каждый объект — будь то дерево, дорога или здание — создаётся на основе заданных параметров.
Помимо создания статических моделей, гео-ноды позволяют генерировать анимации. Это делается с помощью создания нод движения, которые управляют каждым объектом. Например, для создания анимации колыхания травы на ветру задаются параметры ветра и движения, которые влияют на всю траву в сцене.

Аддоны на основе Geometry Nodes

Blender поддерживает множество аддонов, которые расширяют возможности процедурного моделирования:

Auto-Buildings и Procedural Building Generator 2 — оба аддона позволяют автоматически создавать здания с детализированными элементами. Эти инструменты упрощают работу с архитектурными проектами, где требуется создать большое количество похожих в общих чертах, но при этом уникальных строений.
Параметры каждого элемента могут быть легко изменены. Ноды контролируют количество домов, их высоту, расположение и некоторые мелкие детали.

Procedural Building Generator 2

Pipes Generator — аддон позволяет создавать сложные трубопроводы, регулируя их положение и добавляя фланцы и краны с помощью отдельных нод.
Procedural Crowds — аддон для создания толп и оживления сцен. Вместо того чтобы вручную расставлять персонажей, аддон автоматически распределяет их по сцене.
Эти аддоны демонстрируют, как система Geometry Nodes может быть расширена для автоматизации рутинных процессов и создания сложных сцен.

Blender с его Geometry Nodes — мощный и гибкий инструмент для процедурного моделирования. Однако, если речь идёт о создании действительно масштабных проектов с огромным количеством сложных симуляций и моделей, многие профессионалы обращаются к Houdini от SideFX.

Houdini: процедурная генерация

Инструмент известен своим процедурным подходом к созданию 3D-контента, который позволяет быстро и гибко генерировать сложные сцены и эффекты.
Важным преимуществом Houdini является недеструктивный рабочий процесс. Это означает, что изменения можно легко внести на любой стадии без необходимости полностью перестраивать проект.

Изменяя параметры нод, мы можем обновить всю модель без необходимости начинать её моделирование с самого начала

Houdini особенно выделяется созданием симуляций дыма, огня, воды и разрушений. Он широко используется в кино, поскольку может обрабатывать сложные симуляции с миллиардами точек и вокселей.
Поддерживаются все типы симуляций, включая динамику жидкостей, мягких и твёрдых тел, а также работа с частицами. Это делает Houdini незаменимым инструментом для реалистичных и динамичных анимаций​.
Благодаря своей физической точности, Houdini используют инженеры для визуализации и анализа гидродинамики, аэродинамики и других физических процессов.
Для разработчиков игр Houdini тоже очень полезен. Он используется для процедурной генерации контента, разработки ассетов и проектирования сложных окружений.

В игре Far Cry 5 Houdini использовали для создания растительности и ландшафтов

Компании Ubisoft (в серии Assassin's Creed) и Guerrilla Games (в Horizon Zero Dawn и Death Stranding) использовали Houdini для процедурной генерации ландшафтов и растительности. Разработчики Halo и Destiny использовали Houdini для процедурного левел-дизайна и генерации эффектов.

Horizon Zero Dawn

Интеграция Houdini Engine с Unreal Engine позволяет создавать процедурные ландшафты, здания и эффекты прямо в игровом движке.
Гибкость, мощь и способность адаптироваться к любой задаче делают его незаменимым для художников и разработчиков.

Adobe Substance 3D Designer

Процедурная генерация не ограничивается созданием объектов и ландшафтов. Она находит применение и в создании текстур. Во всех популярных 3D-пакетах так или иначе присутствует гибкая настройка материалов. Но одним из наиболее интересных инструментов в этой области является Adobe Substance 3D Designer.

Автор Priskah K

Designer использует нодовую систему, аналогичную той, что используется в Houdini или Blender.
Процедурный подход в Substance 3D Designer позволяет изменять параметры на лету, сохраняя полную гибкость и контроль над результатом.

Автор Priskah K

Этот инструмент особенно полезен для создания PBR-материалов, что позволяет добиться фотореалистичных результатов.

Daniel Badtke

Заключение

Перечисленные инструменты автоматизируют сложные процессы, разгружают художников и разработчиков, позволяя им сосредоточиться на творческих аспектах. Процедурное моделирование позволяет вносить изменения на любом этапе разработки, не разрушая общую структуру сцен, что значительно экономит время и человеческий ресурс.

Для работы с процедурными моделями и симуляциями нужно высокопроизводительное оборудование: рабочие станции или GPU-серверы. Чем сложнее проект и больше деталей, тем выше требования к железу. Результат того стоит — процедурные технологии значительно расширяют возможности художников, а также делают создание сложных миров проще и быстрее, чем когда-либо.