Grumman F-14 Tomcat. ein 3D-Model erstellt in Autodesk Maya 2008

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1 Grumman F-14 Tomcat ein 3D-Model erstellt in Autodesk Maya 2008 Friedrich Maiwald s fhtw-berlin.de Internationaler Studiengang Medieninformatik Kurs Visualisierung Sommersemester 2008 Professor Thomas Bremer Oktober 2008

2 Einführung Die Grumman F-14 Tomcat ist ein überschallschnelles, zweistrahliges, mit Schwenkflügeln ausgestattetes zweisitziges Kampfflugzeug, das für die United States Navy entwickelt und ab 1974 eingesetzt wurde. Ihre primären Aufgaben sind die des Luftüberlegenheitsjägers, Flottenverteidigung und Präzisionsschläge gegen Bodenziele. (Wikipedia) In meinem Studium der Medieninformatik beschäftigt sich das Fach Visualisierung mit der Modellierung von 3D-Modellen. Neben der Theorie gehört auch eine praktische Arbeit mit dem Programm Maya von Autodesk zu den Inhalten. Nach kurzen Tutorials zu dem Umgang mit Maya hatten wir das restliche Semester Zeit für das eigene Projekt. Dabei soll das Vorbild möglichst wahrheitsgetreu nachgebildet werden und trotzdem echtzeitfähig sein. Das heißt, dass das Ergebnis in einer 3D-Animation ohne Probleme in Echtzeit gerendert werden kann. Dazu ist es nötig, die Anzahl der Polygone gering zu halten und unnötig komplizierte Konstruktionen zu vermeiden. Ich habe mich für das amerikanische Kampfflugzeug Grumman F-14 Tomcat entschieden. Vorbereitung Die Herausforderung lag darin, dass die F-14 zwar ein technisches Gebilde mit Spiegelsymmetrie ist, aber gerade durch das stromlinienförmige Design eher an eine organische Form erinnert. Daher konnte ich bis auf die Symmetrie keine weiteren geometrischen Vorteile nutzen und musste viel per Hand und nach Gefühl modellieren. Ich habe die größten im Internet verfügbaren Blueprints benutzt und als Image Plane in alle drei Views eingesetzt. Beim Modellieren stellte sich heraus, dass die Blueprints, obwohl ich sie in Photoshop genau übereinander ausgerichtet habe, nicht ganz übereinstimmten. Es gab geringe Abweichungen in den verschieden Perspektiven, die die Arbeit erschwerten. Außerdem war die Auflösung der Blueprints für manche Details zu niedrig. In dem Fall habe ich mich an große Fotos von der F-14 gehalten. Die zu Grunde liegenden Blueprints Da ich ein fliegendes Flugzeug modellieren wollte, blieb mir glücklicherweise das Fahrwerk erspart. Ich habe mich auch dafür entschieden, die Tragflächen nicht angewinkelt, sondern weit ausgefahren zu modellieren. Seite 2

3 Modellierung Flugzeugrumpf Mein Ansatz war es, aus einem Grundkörper nach und nach die Form des Flugzeugs zu modellieren. Als Grundform wählte ich einen Quader in der Größe des Rumpfes und der Triebwerke. Diesen Quader habe ich gesmoothed, dadurch erhielt er genügend Edges, um daraus später die weiteren Details zu modellieren. Außerdem führt das nebenbei auch zu soft Edges, die eine glatte abgerundete Oberfläche simulieren. Beim Modellieren habe ich darauf geachtet, dass der Rumpf der F-14 immer nur aus Quads besteht. Der Quader als Grundkörper in allen vier Views Aus diesem Grundkörper heraus habe ich die Form des Flugzeugs geformt. Als erstes habe ich mit dem Extrude-Werkzeug neue Polygone am vorderen Ende des Rumpfes erzeugt. Die neuen Vertices habe ich mit dem Move Tool so zurecht geschoben, dass sie mit dem Blueprint übereinstimmten. In einem späteren Schritt habe ich bei dem Cockpit mit dem Split Polygon Tool noch mehrere Edges hinzugefügt, um die abgerundete Form und die Kanten am Rand der Plexiglaskuppel besser modellieren zu können. Das Cockpit beim Extrudieren Seite 3

4 Die Tragflächen und das Leitwerk sind auf die gleiche Art entstanden. Ich habe zunächst schrittweise extrudiert und danach die neuen Vertices mit dem Move Tool verschoben. Dabei habe ich immer wieder durch Test-Renderbilder überprüft, ob die Oberflächen auch mit Licht und Reflexionen ebenmäßig wirken. Wichtige Schweißnähte und Kanten am Rumpf der F14 habe ich durch die Funktion Normals Harden Edge betont Die extrudierte Tragfläche (links) und das Leitwerk am Heck (rechts) Die vorderen Lufteinlässe stellten sich als der schwierigste Part beim Modellieren heraus. Ich musste die Oberfläche nach innen stülpen, was sich als schwierig erwies, da es ein erheblicher Teil des Ausgangsquaders war. Mit dem Move Tool habe ich die Vertices Stück für Stück nach innen verschoben und dabei gleichzeitig die vordere Kante der Triebwerke modelliert. Die hinteren Ausgänge des Düsentriebwerkes habe ich auch nach innen gestülpt, was aber bedeutend einfacher war. Der Lufteinlass des Triebwerks beim Modellieren Seite 4

5 Raketen und Cockpit Es sind an den Pylonen unter den Tragflächen auf jeder Seite je eine AIM-54 Phoenix mit 200 Kilometer Reichweite und eine wärmesuchende AIM-9 Sidewinder für den Nahkampf angebracht. Diese habe ich aus einfachen Zylindern modelliert, die Leitwerkflossen sind jeweils extrudiert. Durch die kegelförmige Spitze sind die Raketen die einzigen Objekte in der Szene, die Stars enthalten, also Vertices, die sehr viele Edges haben. Da die F-14 mit der AIM-54 Phoenix außerhalb normaler Sichtweite operieren, habe sie vorne unter dem Rumpf eine starke Kamera, die ich berücksichtigt habe. Die Einrichtung des Cockpits habe ich als einzelnes Objekt modelliert, weil die Außenhaut des Flugzeugs geschlossen ist und daher kein Anknüpfungspunkt für das Cockpit vorhanden bietet. Da auch das Cockpit spiegelsymmetrisch ist, genügte es hier wieder nur eine Hälfte zu modellieren. Mit den Werkzeugen Extrude und Move habe ich aus einem Quader die Amaturen, die Schleudersitze und die zwei Piloten schemenhaft modelliert. Der Grundquader (links) und das daraus modellierte Cockpit (rechts) Die F-14 und das Cockpit habe ich dann in Maya über Mesh Mirror Geometry gespiegelt und zusammen gefügt. Das Cockpit habe ich in den vorderen Teil des Rumpfes verschoben und die Raketen zu den Pylonen verschoben. Dadurch, dass sie unabhängige Objekte sind, können die Raketen später in einer Animation einzeln bewegt werden. Die fertig modellierten Hälften des Rumpfes und des Cockpits sowie beide Raketen Seite 5

6 Texturierung Die UV-Maps habe ich auf mehrere Wege hergestellt. Ich hatte zunächst geplant auf externe Lösungen wie Pelting Tools zurückzugreifen, was sich aber als unnötig herausstellte. Für die Raketen reichte eine Automatic Projection, für das Cockpit war etwas mehr Arbeit nötig. Den Flugzeugrumpf habe ich auch zunächst mit einer Automatic Projection zerlegt. Aber besonders wichtige Teile für die Texturierung habe ich noch mal separat markiert und je nach Ausrichtung mit Planar Mapping, Cylindrical Mapping oder Spherical Mapping projeziert. Manche Faces an schwer zugänglichen Stellen musste ich mit Cut und Sew neu zusammenfügen. Die einzelnen UV-Fragmente habe ich im UV Texture Editor neu angeordnet, damit die wichtigen Polygone groß genug sind für die folgende detailreiche Texturierung. Der Flugzeugrumpf im UV Texture Editor in Autodesk Maya Alle Körper haben in meiner Szene eine eigene Textur bekommen. Die Raketen und die Cockpitausstattung haben verhältnismäßig kleine Texturen (128x128 bis 512x512), während die Skybox im Hintergrund und das Flugzeug an sich große Texturen für genügend Details besitzen (2048x2048). Bis auf die Skybox habe ich die Texturen selber alle in Adobe Photoshop erstellt und mich dabei an die Originalgestaltung der F-14 gehalten und auch die offizielle Schriftart der US Navy für Beschriftung der Flugzeuge benutzt. Die Glaskuppel über dem Cockpit ist ein transparenter Teil und erscheint daher wie eine durchsichtige Plexiglaskuppel. Die fertigen Texturen habe ich als PNG- Dateien exportiert und in Maya den jeweiligen Objekten als Farbe zugewiesen. Die ganze Szene wird von einem riesigen Würfel eingefasst. Bei diesem habe ich die Normalen nach innen verkehrt und dem Würfel eine Skybox-Textur zugewiesen. Dadurch scheint die F-14 über einer bewegten Wolkendecke zu fliegen, aus jeder Perspektive zeigt sich der Hintergrund schlüssig. Seite 6

7 Beleuchtung und Rendern Für die Beleuchtung sorgen in der Szene zwei Lichtquellen. Eine ambiente Lichtquelle sorgt dafür, dass die gesamte Szene gut ausgeleuchtet ist. Ein Punktlicht hingegen liegt an der Stelle, an der die Sonne auf der Skybox-Textur ist und sorgt für realistische Reflexionen auf dem Flugzeug. Die Farbe der Lichter habe ich entsprechend der Wetterstimmung leicht angepasst. Den Objekten habe ich Blinn- und Phong-Shader zugewiesen, um ihnen eine wirklichkeitsnahe Oberflächenwirkung zu geben. Einige Renderergebnisse mit Skybox-Texturen von Quake3World.com (http://www.quake3world.com/forum/viewtopic.php?t=9242): Seite 7

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