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