LDraw - история создания системы виртуального моделирования LEGO

Джефф Грэй
В 1995 году Джеймс Джессиман выпустил программу моделирования LDraw, которая работала в DOS. Она предназначалась специально для моделирования построек из кирпичиков и других элементов LEGO. LEdit, редактор элементов в формате LDraw в самом первом выпуске содержал всего 3 элемента. Это были обычные кирпичики размеров 2x2, 2x3 и 2x4. Обе программы управлялись из командной строки.

В 1996 году две минифигурки LEGO, Джил и Гари, отправились в "мировое турне", пересылаясь по почте от одного энтузиаста LEGO к другому. Идеей тура было участие фигурок в различных постройках LEGO. LDraw предлагалась как дополнительный вариант создания инструкций к своим постройкам в "общей книге идей".

В 1997 году Стив Блисс выпустил дополнение к LDraw, программу которая позволяла легко управлять параметрами и файлами LDraw. Это была самая первая программа из множества других, которые позднее были созданы на основе системы LDraw. Сейчас это называется именно системой, потому что примерно половину всего времени Джеймс потратил на проектирование формата файлов для отдельных деталей и готовых моделей. Формат был гибким, расширяемым и спроектирован специально для открытой системы. Джеймс заложил базовые основы того, что мы имеем в настоящее время с современными средствами разработки. Без его предвидения мы не смогли бы создавать сложные модели, а также вряд ли бы имели такое большое разнообразие различных дополнений и вспомогательных средств.

К несчастью, в 1997 году Джеймс скончался в результате осложнений от гриппа. Ему было всего 26 лет. Несколько его близких друзей создали памятный мемориал в его честь, а также решили продолжать начатую им работу. В этом году появилось ещё 2 программы: Редактор фрактального рельефа (автор Джекоб Спэрри Андерсон) и утилита преобразования из формата LDraw в формат POVRay (L2P, автор Лутц Ульманн). Тэрри Келлер создал сайт памяти Джеймса Джессимана, и вместе со Стивом Блиссом они стали развивать библиотеку элементов LDraw, позволяя сообществу участвовать в развитии LDraw.

В 1998 году Брэмом Лэмбрехтом было создано учебное руководство по использованию LDraw и LEdit, а также утилита преобразования в формат POVRay (L3P, автор Ларс Хэссинг), которая позволяла использовать любые элементы, содержащиеся в библиотеке LDraw.

После нескольких месяцев обсуждения, в июле 1999 года Тим Кортни открыл официальный сайт, посвящённый LDraw - WWWLDRAW.ORG. Этот сайт и по сей день остаётся центральным информационным ресурсом для программ виртуального моделирования LEGO и обсуждений внутри сообщества.

Кроме этого, в 1999 года Майкл Лэчманн представил MLCad, графический редактор для Windows. Позже этот редактор стал наиболее используемым редактором моделей LDraw в Windows, последняя версия редактора 3.10.

К 2000 году Тим Кортни, Брэм Лэмбрехт и Ларс Хэссинг провели несколько презентаций, в результате чего популярность и участие сообщества в развитии программы значительно увеличилась.

В июле 2001 года, заслуги Джеймса Джессимана были признаны на фестивале BrickFest, куда его родители (Дон и Робин) специально прилетели из Австралии для вручения первое ежегодной премии имени Джеймса Джессимана. Её получил Стив Блисс. Я лично присутствовал при её вручении и никогда не забуду встречи с родителями Джеймса, а также искреннюю теплоту и уважение, которые они питают в отношении нашего сообщества.

В 2002 году был образован Комитет Стандартизации LDraw. Задачей комитета являлось усовершенствование и дальнейшее развитие форматов описания элементов и других важных частей LDraw. В 2003 году был создан также Комитет LDraw для управления сайтом LDraw и сопутствующей интеллектуальной собственностью. 26 февраля 2004 года он трансформировался в официальную организацию с ратификацией всех законопроектов.

В 2003 году вышли в свет первые 2 книги, описывающие использование LDraw и нескольких дополнительных средств разработки. Эти книги, "LEGO Software Power Tools" и "Virtual LEGO" вышли в январе и июле соответственно. В процессе написания книги "LEGO Software Power Tools" Кевин Клейгю разработал новое средство LPub. Последующие версии программы вошли в состав комплекса программ, который интенсивно используется для автоматического создания промежуточных шагов инструкции для создания модели LDraw.

В 2003 году Тим Кортни представил набор программ LDraw на конференции SIGGRAPH. Его выступление было очень тепло воспринято, что явилось подтверждением того, насколько качественно была спроектирована система и насколько она выросла.

К 2003 году разные программы и дополнительные средства, созданные на основе работ Джеймса стали настолько популярны, что это название на самом деле зачастую использовалось или понималось в неправильном смысле. Поэтому комитет LDraw.org подготовил официальное заявление, согласно которому все программы и другие средства, использующие формат, разработанный Джеймсом, должны называться "Комплект средств LDraw". Само название LDraw, которое изначально обозначало исходную программу для DOS, теперь стало соотноситься с математическим описанием элементов LEGO, системой, которую спроектировал один австралиец. Человек, который не дожил до этого момента, но без сомнения изменил способ использования своих компьютеров энтузиастами LEGO по всему миру.

Комплект средств LDraw
Я изложил история развития средств разработки LDraw, но я не объяснил один из моментов, который очень хорошо характеризует наше сообщество, все эти программы совершенно бесплатны. Все средства, элементы, дополнения были созданы энтузиастами по всему миру для свободного использования другими людьми. Джеймс Джессиман отдавал результаты своей работы бесплатно всех, кто этого хотел, и сообщество LDraw уважает и поддерживает этот дух.

Ниже приведён перечень многих наиболее популярных программы и других средств. Я не пытался перечислить все существующие средства, этот список слишком велик для этой публикации. В каждом случае я указываю автора, адрес для загрузки программы и краткое описание. Программы перечислены в произвольном порядке. И не забудьте отправиться на сайт  http://www.ldraw.org за дополнительной информацией.

LDraw - (Джеймс Джессиман) [http://www.ldraw.org] - Основная программа и библиотека элементов. Необходимы для работы любой другой рпограммы.
Обновления элементов LDraw- (Сообщество LDraw) [http://www.ldraw.org] - Эти обновления содержат новые элементы LEGO и обновления к уже существующим элементам.
MLCad - (Майкл Лэчманн) [http://www.lm-software.com/mlcad] - Редактор моделей системы LDraw для Windows.
Bricksmith - (Ален Смит) [http://bricksmith.sourceforge.net] - Полноценный редактор моделей LDraw для Macintosh.
L3P - (Ларс Хэссинг) [http://www.hassings.dk/l3/l3p.html] - Утилита командной строки для Windows, которая преобразует описания моделей LDraw во входящие данные для POVRay.
L3PAO - [http://l3pao.malagraphixia.com/L3PAO.htm] - Графический интерфейс Windows для L3P.
LPub - (Кевин Клейгю) [http://www.kclague.net/LPub/index.htm] - Мощный генератор инструкций, который создаёт пошаговые инструкции для моделей LDraw.
LGeo - (Лутц Ульманн) [http://www.el-lutzo.de/lego/lgeo.html] - Библиотека элементов LEGO, разработанных специально для использования POVRay. Программы подобные L3P и LPub стараются использовать эти библиотеки по мере возможности для создания более реалистичных изображений.
Mesh Enhancer - (Лотар Тейчерт) [http://members.aol.com/elferwette/LDraw] - Средство для сглаживания углов в описаниях деталей, сгенерированных для POVRay.
POVRay - (Группа авторов) [http://www.povray.org] - Очень мощная программа трассировки лучей, которая способна генерировать очень реалистичные изображения (не является специфичным для LDraw). LPub может использовать её для отрисовки инструкций.
MegaPOV - (Разные авторы) [http://megapov.inetart.net] - Неофициальная версия POVRay, которая позволяет создавать контурные изображения элементов LDraw, что существенно повышает читаемость инструкций.
LDGLite - (Дон Хейс) [http://ldglite.sourceforge.net] - Программа просмотра изображения при помощи библиотеки OpenGL. LPub также может использовать эту программу для отрисовки инструкций.
Официальное руководство по установке находится на сайте http://www.ldraw.org/modules.php?op=mod … p;sid=126. Если перечисленный список вам на самом деле заинтересовал и вы хотели бы углубить свои познания в данной области, то я категорически рекомендую вам приобрести хотя бы одну из книг, указанных на сайте LDraw (На главной странице LDraw.org выберите закладку "Books" в расположенном слева навигационном меню.

Диффузное отражение

Научитесь тому, как заставить ваши собственные сгенерированные изображения сногсшибательно выглядеть.

Коян Деррудер (текст и изображения)
Джеф Грэй (модель)
В этой статье я объясню, как я получаю свои изображения. Я уверен, что это не самый лучший вариант и, очевидно, не самый быстрый или эффективный способ, но именно так я готовлю свои изображения в эти дни. Я постоянно пробую новые варианты, поэтому изложенное может быстро устареть, но вы должны получить достаточно хорошие изображения, которые вы без сомнения можете использовать в качестве отправной точки для поиска своего собственного варианта. (В случае, если вы обнаружите новый отличный способ создания изображений, обязательно напишите мне!)

1. Файл POV
Самое первое, что мы должны сделать - это конвертировать нашу модель в формат .pov. Я использую для этого утилиту L3P с графическим интерфейсом L3PAO. На самом первом этапе мы заботимся только о мезансцене, то есть мы пытаемся только найти место для камеры, откуда наша модель будет полностью и хорошо видна. Само качество картинки вовсе не обязательно должно быть очень хорошим - так как мы будем пробовать разные положения для камеры, единственное условие - это высокая скорость работы, поэтому мы установим параметр качества в 0, что означает, что всё будет сделано из больших блоков (см. рисунок 1). Поиграйте со значениями широты (latitude), и долготы (longitude) и углом наблюдения. Обычно я использую что-то около 30. Попробуйте и решите сами, что вам больше нравится.

2. Улучшение деталей
Библиотека элементов LDraw отлично годится для моделирования, но некоторые элементы выполнены со слишком низким разрешением, чтобы получить хорошее изображение. Существуют другие библиотеки с более качественными деталями, такими как LGEO и библиотека Антона Рейвса. Поддержка LGEO уже встроена в L3P, поэтому мы будем использовать именно эту библиотеку.

Библиотека содержит меньше элементов, чем LDraw. Утилита L3P использует исходный файл LDraw для замены существующих, поэтому некотрые части всё же выглядят не очень хорошо. Существует небольшая программа, которая может исправить большинство проблем: Mesh Enhancer. Эта программа сглаживает острые переходы. Её можно применить и к целому файлу .pov, но я рекомендую использовать только при необходимости, потому что при обработке некоторые части могут потерять детализацию. Просто выберите необходимый код в файле .pov, запустите Mesh Enhancer, и вставьте результат преобразования вместо исходного кода.

* В библиотеке LGEO есть несколько ошибок. Ларс Хассинг исправил большинство из них. Вы можете загрузить исправления по адресу http://www.hassings.dk/l3/lgeofix.html.

* LGEO это старая библиотека. После её выхода множество элементов было обновлено. Например, в давние времена была только одна разновидность детали 3040 (Скошенный кирпич 45 1x2). В наши дни, эта ей на замену пришла деталь 3040B, в то время как старому варианту с некотрыми отличиями соответствует 3040A. При обработке файла утилитой L3P, новая деталь 3040B не будет заменена на аналог из библиотеки LGEO. Поэтому, перед обработкой я обычно заменяю такие детали на их более старые эквиваленты. Некотрые детали, например 4085A, 4085B и 4085C почти не отличаются друг от друга, поэтому обычно замена одну на другую не является проблемой. Но некоторые детали, такие как 4081A и 4081B, внешне похожи между собой, но на самом деле имеют достаточное количество отличий. Поэтому осторожно выбирайте детали для замены.

Рисунок 2 показывает, как выглядит наша модель с использованием деталей LDraw. На рисунке 3 показана та же самая модель, но с использованием элементов LGEO. (Просто обработайте вашу модель снова утилитой L3PAO, но на этот раз включите параметр LGEO, используйте те же самые координаты камеры.)

3. Улучшенные цвета
Как видно на рисунке 2, цвета выглядят немного стёртыми. Библиотека LGEO использует свои собственные настройки цветов, поэтому на рисунке 3 они выглядят гораздо лучше, но их можно сделать ещё лучше. Особенно это будет заметно позже, когда мы будем использовать диффузное отражение и HDR-освещение.

Я использую определения цветов Тодда Лемана (http://guide.lugnet.com/color/), (ещё я добавил несколько сам - цвета для новых вариантов серого и коричневого цветов, а также цвета разной резины). Вы можете найти полный архив цветов Тодда по адресу http://guide.lugnet.com/color/povray-20 … rs.tar.gz. Мои добавления вместе с файлом, который отображает их в подходящие номера MLCad, содержатся в каталоге includes. Просто загрузите архив и распакуйте всё в какой-нибудь каталог, после чего добавьте в файл POVRAY.ini строку:

Library_Path="\path\to\colour\directory"

Потом замените в вашем файле .pov, строку

#include "lg_color.inc"

на строку

#include "koyancolours.inc"

На новом изображении (рисунок 4) цвета выглядят гораздо более яркими, но всё ещё недостаточно хорошо. Это нормально. Вы почувствуете разницу когда мы изменим освещение. Поэтому перейдём к следующему шагу.

4. Освещение с диффузным отражением
Когда используется освещение с диффузным отражением, то мы как бы помещаем большую светящуюся сферу вокруг модели, так чтобы свет излучался со всех сторон вместо нескольких ненатуральных точечных источником света. Удалите все источники света, которые у вас есть в файле .pov, (в противном случае ваш результат будет выглядеть слишком ярко, и добавьте следующие строки:

#version unofficial MegaPov 1.10;
#declare LDRAW_RAD_LEVEL = 5;
#declare LDRAW_MTL = 10;
#declare INDEXOFREFRACTION=1.52;
#declare LDRAW_RAD_NORMAL = off;
#declare LDRAW_RAD_MEDIA = off;

#include "rad_def.inc"
global_settings {
  assumed_gamma 1.4
  max_trace_level LDRAW_MTL
  adc_bailout 0.01/2
  radiosity {
    Rad_Settings(LDRAW_RAD_LEVEL, LDRAW_RAD_NORMAL, LDRAW_RAD_MEDIA)
  }
}

sky_sphere {
  pigment {
    gradient -y
    color_map {
      [ 1 rgb 1 ]
    }
  }
}

Давайте поиграем с настройками. Теперь изображение выглядит как на рисунке 5.

В стандартном файле .pov, который создаёт L3P, все частям назначается внешнюю и рассеивающую составляющие 0.4. Это означает, что они будут излучать немного света, даже если на неё не проникает свет ни от одного источника. С использованием диффузного отражения, все части автоматически получают значения для 0 для внешней составляющей, и 1 для рассеивающей. Это делает их гораздо более реалистичными. Проверьте, что вы изменили значения amb и dif для пола, так как они не изменяются автоматически!

Рисунок уже достаточно хорош, но выглядит несколько стерильным. Обратите внимание на прозрачные элементы - они ничего не отражают. Это потому что вся сфера равномерно белая. Поэтому давайте перейдём к следующему разделу.

5. Освещение HDRI
Изображение или светопробы с HDR ("high dynamic range" - большой динамический диапазон, англ.)симулируют более натуральную обстановку. Освещение, а также и отражение, становятся более реалистичными. Вы можете загрузить несколько свободно распространяемых светопробами с сайта wwwdebevec.org. Снова удалите определения всех источников света в вашей сцене. Потом измените определение небесной сферы с:

sky_sphere {
  pigment {
    gradient -y
    color_map {
      [ 1 rgb 1 ]
    }
  }
}

на следующее:

sphere {
  <0,0,0>,10000
  pigment {
    image_map { hdr "lightprobe.hdr" once interpolate 2 map_type 7 }
  }
  finish { ambient 1 diffuse 0 }
  hollow
}

Снова попробуйте поменять настройки. Я использую сферу, потому что версия MegaPOV, которой я пользуюсь, не позволяет использовать изображения hdr как текстуры для небесной сферы. В будущем это может измениться. Значение map_type зависит от того, какой тип изображений HDR вы используете. Существуют разные способы проецирования. Вы можете прочитать больше об этом на сайте wwwdebevec.org. Значение map_type 7 используется для сферических светопроб, подобных тем, которые могут быть загружены оттуда. Значение ambient определяет, насколько ярким будет изображение HDR. Тепрь результат должен выглядеть как на рисунке 6.

6. Область - источник света
Вы можете добавить несколько прямых источников света для того, чтобы добавить глубину или выделить какие-то детали. Если вы хотите получить хорошие, мягкие тени, то обычных источников света недостаточно, нужно добавлять области. Область состоит из нескольких точечных источников. Можно изменить настройки для того, чтобы использовать больше или меньше точек, а также для того, чтобы увеличить или уменьшить размер области, чтобы сделать тени более резкими или мягкими. Например:

light_source {
  <-5000,-5000,-5000>
  color rgb .4
  area_light 200, 200, 10, 10
  adaptive 1
  jitter
  circular
  orient
}

Результат представлен на рисунке 7.

7. Сглаживание
Встроенное в Pov-Ray сглаживание не выглядит особенно хорошо, особенно если вы используете прозрачные или блестящие материалы. Вы сами можете попробовать поменять настройки в Pov, но я обычно выключаю сглаживание и готовлю изображение, которое как минимум в два раза больше, чем требуемый размер. После этого нужно изменить размер в Photoshop или любой другой графической программе, которая может выполнять бикубическое сглаживание. Вы можете наблюдать разницу на рисунке 8.

Также посмотрите, насколько более гладкими и реалистичными выглядят наклонные плоскости и границы кирпичей.

И этого добились вы сами!