Урок из книги "Трехмерное (3D) моделирование и анимация человека": Анатомия человека. Часть третья
Трехмерное (3D) моделирование и анимация человека + CD, 2 издание
Питер Ратнер
Компьютерное издательство "Диалектика", 2005г.
Мускулатура
Формы поверхности тела определяются, главным образом, различными группами мышц. При выполнении человеком каких-либо действий его подкожные контуры изменяются за счет сокращения (утолщения), растяжения и изгиба мышц.
Мышцы состоят из коротких параллельных волокон, которые прикрепляются к костям или другим тканям посредством сухожилий, представляющих собой прочные неэластичные волокна. Сухожилия располагаются на концах длинных и на границе широких мышц.
При сокращении мышцы толкают кости. Они также удерживают скелет в стационарном неподвижном состоянии. Для аниматоров представляет интерес тот факт, что ни один мускул не функционирует автономно. При сокращении мускула в действие вступает другой, противоположный ему, который регулирует его действие. Благодаря противостоящему расположению, мускулы дают возможность выполнять сложные действия и позволяют различным частям тела возвращаться в свое исходное состояние покоя.
Женщина имеет те же мышцы, что и мужчина. Отличие заключается в том, что мышцы женщины меньше и, как правило, менее развиты. Кроме того, мышцы женщины покрыты более толстым слоем жира, который стремится скрыть их очертания. Изучение мускулов представляет собой гораздо более сложную тему по сравнению с изучением скелета.
Мышцы головы
В отличие от остальных частей тела, мышцы головы относительно тонкие. Форма головы в наибольшей степени определяется костями черепа.
Те, кого интересуют вопросы анимации лица, должны потратить какое-то время на изучение его мышц и на то, каким образом они влияют на выражение лица. В главе, в которой рассматриваются вопросы анимации лица, вы узнаете, какие мускулы отвечают за речь и разные выражения лица. Изучение этих мускулов более важно для аниматоров, чем для специалистов по моделированию. Для моделирования лица гораздо важнее знать структуру черепа.
На рис. 3.27 указаны наиболее характерные мышцы головы. Самые большие из них, височный мускул и жевательный мускул, оказывают воздействие на нижнюю челюсть, поднимая ее. Опускается нижняя челюсть под действием мышц шеи.
Некоторые мышцы лица отличаются от остальных тем, что не прикрепляются к костям. Они либо берут свое начало от связок, либо прикрепляются к ним, либо соединяются с другими мышцами. Остальные мышцы берут свое начало от кости, а заканчиваются у кожи, фасции (соединительной ткани), хрящей (хрящевой эластичной ткани) или волокон других мускулов.
Мышцы шеи
Мышцы шеи можно подразделить на две отдельных группы мускулов. Одна группа управляет движением нижней челюсти, а другая воздействует на череп.
На рис. 3.28 указаны (среди прочих) три мускула шеи, оказывающие воздействие на основание языка и опускание нижней челюсти. Это двубрюшный мускул, лопаточно-подъязычный мускул и грудино-подъязычный мускул.
Ременной мускул, мускул, поднимающий лопатку, лестничный мускул, трапециевидный мускул и грудино-ключично-сосцевидный мускул (см. рис. 3.28) воздействуют на череп и шейные позвонки. Основной функцией ременного мускула является наклон головы назад. Он также помогает при наклоне головы в стороны. Мускул, поднимающий лопатку, также помогает при наклоне черепа в сторону. Основным мускулом, отвечающим за наклон головы в сторону, является лестничный мускул. Этот глубокий мускул прикрепляется к первому ребру, позволяя ему сильно воздействовать на череп.
В отличие от ременного, поднимающего лопатку и лестничного мускулов, которые, как правило не проявляются на поверхности тела, за исключением случаев, когда голова очень сильно повернута в сторону, трапециевидный и грудино-ключично-сосцевидный мускулы очень часто видны на поверхности шеи (рис. 3.29). Если смотреть на шею спереди и сбоку, то трапециевидный мускул будет иметь вид плоской наклоненной пластины. Грудино-ключично-сосцевидный мускул четко виден при повороте головы в сторону. Действуя совместно, оба упомянутых мускула наклоняют голову назад и поворачивают ее. Действуя отдельно, они помогают наклонять голову в сторону. Два грудино-ключично-сосцевидных мускула закрепляются хордами в ямке шеи и образуют V-образную форму, которая практически всегда видна.
Рис. 3.29. Два наиболее рельефных мускула шеи
Мышцы туловища
Структурные особенности туловища являются результатом прямохождения. В отличие от других млекопитающих, плечи человека не должны поддерживать голову и грудную клетку и поэтому они располагаются на некотором расстоянии друг от друга, что увеличивает полезность рук. Грудину отличает не ее глубина, а ширина. На верхнюю и нижнюю часть туловища воздействуют две группы мышц. Верхняя группа действует на плечи и верхнюю часть рук, тогда как нижние группы мышц, идущие от реберной клетки к тазу, управляют движениями у талии. На рис. 3.30 показаны поверхностные мышцы туловища.
Трапециевидный мускул имеет ромбовидную форму и простирается от основания черепа до средины спины. Его верхний участок располагается вертикально в задней части шеи. Средняя часть представляет собой толстый наклонный гребень, расположенный вверху плеч. Нижний сегмент относительно тонкий; он соответствует форме реберной клетки и оканчивается у лопатки. Ниже средины трапециевидного мускула имеется плоская область сухожилий копьевидной формы. В этой области остистые отростки позвонков видны на поверхности тела (рис. 3.31). Трапециевидный мускул тянет голову назад, поднимает и опускает плечи и поворачивает лопатки.
Рис. 3.31. Остистые отростки позвонков становятся видимыми посредине трапециевидного мускула
Зубчатый мускул образует ряд пилообразных полос. Это большой глубокий мускул, который тянет лопатку вперед и поднимает ее нижний угол. Эта функция оказывает значительное влияние на различные движения руки. Каждая из четырех мясистых областей с обеих сторон туловища будет более заметна при поднятой руке.
Большой грудной мускул, относящийся к мышцам груди, имеет треугольную форму и прикрепляется к ключице и грудине. Его самые толстые волокна сходятся под подмышкой и прикрепляются к верхней части плечевой кости. Главной функцией данного мускула является движение руки вперед. Очертания этого мускула очень часто хорошо видны у мужчин, а у женщин их полностью скрывают молочные железы (рис. 3.32).
Рис. 3.32. Молочные железы слегка разведены в стороны, а соски смещены от центра
Еще один мускул треугольной формы, начинающийся на спине и идущий к плечу, это широкий спинной мускул. Аналогично грудному мускулу, его волокна изгибаются непосредственно перед прикреплением к передней части кости плеча. Широкий спинной мускул тянет руку назад. Вместе с грудным мускулом и большим круглым мускулом он опускает руку вниз по направлению к телу.
Четыре мускула (дельтовидный, подостный, большой круглый и малый круглый) берут свое начало на плечевом поясе и прикрепляются к плечевой кости (рис. 3.33). Эти мускулы дополняют друг друга при движении руки.
Рис. 3.33. Некоторые поверхностные мускулы видны на задней части туловища
К группе нижних мускулов относятся косой наружный мускул живота и прямой мускул живота. Косой наружный мускул живота становится наиболее заметным у основания бедра. Его называют боковой подушкой (рис. 3.34). Косой наружный мускул живота практически всегда можно встретить в древнегреческих и римских скульптурах. Прямой мускул живота покрывает тонкая сухожильная оболочка. Прямой мускул является самым толстым среди мускулов живота. В развитых телах его характерной особенностью являются два ряда из четырех мясистых подушек, разделенных горизонтальными сухожилиями. Вертикальные борозды сухожилий разграничивают каждую из четырех групп мышц. Прямой мускул живота наклоняет тело в талии вперед. Между средней ягодичной и большой ягодичной мышцами имеется углубление (рис. 3.34). Две ягодичные мышцы будут рассмотрены позднее, вместе с мускулами ноги.
Рис. 3.34. Видимые нижние мускулы передней части туловища
Рис. 3.35. Между ягодичными мышцами заметно углубление
Мышцы руки
Мышцы руки можно подразделить на две группы. Верхняя группа управляет шарнирным суставом локтя, а нижняя — шарнирным суставом запястья. При рассмотрении руки, свисающей с боку от туловища, группы мышц плеча расположены спереди и сзади руки. Они действуют как сгибатели и разгибатели предплечья. Группы мышц предплечья расположены по бокам и управляют движением шарнирного сустава запястья под прямым углом к локтевому отростку. На рис. 3.35 проиллюстрированы некоторые группы мышц руки.
Дельтовидный мускул относится и к мышцам плечевого пояса, и к мышцам руки. Этот толстый мускул треугольной формы помогает двигать руку вперед и назад.
К мышцам плеча относятся еще два хорошо известных мускула: трехглавый и двуглавый. Трехглавый мускул плеча получил свое название из-за того, что имеет три головки: длинную, латеральную и медиальную. Эти мускулы располагаются с задней части плечевой кости и простираются во всю длину до самого локтя. В расслабленном состоянии на поверхности руки они имеют вид одного мускула, а в напряженном состоянии становятся более обособленными. Двуглавые мышцы представляют собой длинные мускулы, сужающиеся к концам. Свое имя они получили благодаря наличию двух головок, берущих свое начало из двух отдельных точек лопатки. Двуглавый мускул сгибает руку в локте. Трехглавый мускул является разгибателем и действует противоположно двуглавому.
Между двуглавым и трехглавым мускулами имеется еще один, который называется плечевым мускулом. Вместе с двуглавым мускулом он выполняет функцию сгибателя предплечья. Этот мускул редко виден на поверхности тела.
Мышцы предплечья можно подразделить на две группы: сгибатели и разгибатели. Они управляют действиями запястья и кисти. Они также сгибают предплечье и управляют движениями пальцев. Сгибатели стягивают пальцы для сжатия кисти в кулак. Разгибатели распрямляют пальцы. Два мускула (длинный мускул, вращающийся наружу, и круглый мускул, вращающийся внутрь) натягивают лучевую кость поверх локтевой посредством вращательного движения. К мышцам предплечья относится 13 мускулов, но благодаря наличию лучевого сгибателя кисти и длинного мускула, предплечье выглядит так, как если бы в его состав входило только три мускула.
Мышцы ноги
Таз является той опорой, которая несет на себе нагрузку веса тела. Кроме того, он является фиксирующим основанием для движений ног. Это используется при задании параметров инверсионной кинематики. В ней на головной элемент (таз) и правую и левую тазовые кости кинематика не воздействует, в результате чего они являются стабилизирующими элементами для ног, приводимых в движение под действием сил инверсионной кинематики.
На рис. 3.36 изображены некоторые основные мускулы ноги. Средний ягодичный и большой ягодичный мускулы являются начальными для задания контура ноги. Большой ягодичный мускул является самым большим и сильным мускулом тела. Он функционирует как разгибатель и движет ногу назад при ходьбе, беге и прыжках. Кроме того, он помогает удерживать тело в вертикальном положении. На поверхности ягодица имеет прямоугольную форму. Однако, это связано не с формой мускула, а скорее с наложением на него жировой ткани.
Три группы мышц бедра управляют его положением и движениями. Передняя группа, к которой относятся прямой мускул бедра, латеральный широкий мускул бедра, медиальный широкий мускул бедра и портняжный мускул, выпрямляет ногу в колене. Когда нога пребывает в напряженном состоянии, прямой мускул бедра, латеральный широкий мускул бедра и медиальный широкий мускул бедра видны на ее поверхности. Нижняя часть медиального широкого мускула часто видна на поверхности и имеет вид каплевидного мускула, расположенного над коленом. Эти три мускула действуют как разгибатели голени у колена. Прямой мускул является основным разгибателем бедра в шарнирном суставе. Портняжный мускул имеет вид длинной узкой ленты, пролегающей по диагонали от передней части бедра и заканчивающейся под коленом путем прикрепления к большой берцовой кости. Он не оказывает существенного влияния на форму ноги. Его функцией является помощь в сгибании бедра и голени.
К мышцам задней группы бедра относятся двуглавый мускул, полуперепончатый мускул и полусухожильный мускул. Их иногда называют мускулами подколенного сухожилия. Они являются сгибателями и действуют в направлении, противоположном разгибателям передней группы, т.е., сгибают ногу в колене назад. Снаружи коленного сустава отчетливо видны сухожилия и нижние волокна полусухожильного и двуглавого мускулов. Все три мускула видны над коленом в виде единого массива.
Оставшаяся внутренняя группа мышц бедра тянет ногу внутрь, по направлению к центру тяжести тела. Эти приводящие мышцы редко видны по отдельности на поверхности ноги, поскольку в этой области имеются жировые отложения.
Голеностопным суставом управляют две группы мышц. Мышцы передней группы, расположенные по обеим сторонам большой берцовой кости, сгибают стопу и разгибают пальцы. Мышцы задней группы действуют в противоположном направлении — они разгибают стопу и сгибают пальцы. На поверхности ноги хорошо видна большая верхняя часть переднего большеберцового мускула. Его сухожилие пересекает колено и также хорошо видно на поверхности ноги. Лежащий поверхностно длинный разгибатель пальцев разгибает или поднимает пальцы ноги, а длинный малоберцовый мускул тянет стопу вверх. Икроножный мускул является основным мускулом, определяющим форму задней части голени. Две его головки чаще всего видны в виде единого массива. Камбалообразный или пяточный мускул функционирует совместно с икроножным мускулом, разгибая стопу и удерживая тело в вертикальном положении. И икроножный, и пяточный мускулы прикрепляются к толстому ахилловому сухожилию, которое, в свою очередь, прикрепляется к пяточной кости.