Урок из книги "Трехмерное (3D) моделирование и анимация человека": Анатомия человека. Часть вторая
Трехмерное (3D) моделирование и анимация человека + CD, 2 издание
Питер Ратнер
Компьютерное издательство "Диалектика", 2005г.
Скелет туловища
Скелет верхней и нижней частей туловища можно разбить на четыре части: позвоночник, реберная клетка, плечевой пояс и тазовый пояс (рис. 3.11). Все четыре части сгруппированы вокруг позвоночника. Позвоночник состоит из 33 позвонков. 9 нижних позвонков объединены и образуют крестец и копчик. Оставшиеся 24 позвонка являются исключительно гибкими (рис. 3.12 и 3.13). Друг от друга они отделены волокнистой прокладкой из эластичных хрящей, смягчающих внешние воздействия и делающих возможными движения между позвонками. Аниматоры, формирующие скелет, должны принять это во внимание и создать ряд соединенных друг с другом костей, количество которых аналогично реальному позвоночнику.
Рис. 3.11. Скелет верхней части тела
Позвоночник определенным образом изогнут. Рассмотрим этот факт подробнее. Копчик и крестец отклонены назад, что дает место для размещения внутренних органов внутри тазового пояса. Над этой областью позвоночник изгибается и заходит под ребра, которые он поддерживает. За ребрами позвоночник изгибается назад для поддержки грудной клетки. Шейные позвонки повернуты вперед и под череп. Они практически идеально поддерживают череп по центру тяжести, и поэтому для поддержки головы нам приходится прилагать лишь минимальные усилия. Форма позвоночника регулирует основные направления торса.
Рис. 3.12. Подвижные межпозвоночные соединения позволяют существенно наклонять и изгибать тело
Рис. 3.13. Группы мощных мускулов вокруг позвоночного столба позволяют наклоняться, выгибаться и поворачиваться
Реберная клетка бочкообразной формы в своей верхней части имеет меньшие размеры. Двенадцать пар ребер и грудина (грудная кость) защищают легкие и сердце. Для аниматоров может представлять интерес тот факт, что реберная клетка достаточно податлива для того, чтобы расширяться при дыхании. Специалисты по моделированию должны заметить, что хрящи передней части (там, где соединяются седьмое, восьмое, девятое и десятое ребра) часто могут быть видны на поверхности тела в виде дуги под мышцами грудной клетки (рис. 3.14). Такая сужающаяся сверху вниз клиновидная форма называется грудной дугой. Грудина образована тремя жестко соединенными костями. Она также видна на поверхности тела в виде борозды, разделяющей грудные мышцы (см. рис. 3.14). Грудина поднимается и опускается при расширении и сокращении грудной клетки.
Рис. 3.14. Грудная дуга реберной клетки часто становится видимой частью туловища
Плечевой пояс содержит ключицу и лопатки. Глядя на них сверху можно заметить, что они имеют дугообразную форму. Если смотреть спереди, ключица имеет S-образную форму (рис. 3.15). Ключица способна двигаться очень интенсивно. За счет этого обеспечивается мобильность рук.
Рис. 3.15. Плечевой пояс содержит ключицу (спереди) и лопатки (сзади)
Каждая лопатка представляет собой плоскую кость треугольной формы (см. рис. 3.15). Она прикреплена к телу только косвенным образом, посредством соединения с ключицей. Форма лопатки точно следует форме реберной клетки, по которой она свободно скользит. Помимо плавных движений в любом направлении, лопатка может подниматься над реберной клеткой и очень четко выступать под кожей. Это становится четко видно, если поднять руку выше плеч. При этом лопатка смещается в сторону от реберной клетки.
Тазовый пояс не столь мобилен, как плечевой, но зато он гораздо более мощный и прочный. Его конструкция предназначена для переноса тяжести тела на ноги, несущие на себе всю весовую нагрузку.
Таз являются частью тела, порождающей все наиболее важные действия. Из этой области к верхним частям тела передается большое количество энергии. Это важно учитывать при анимации фигуры человека. Действия будут более убедительными, если движение отображать происходящим от работы бедер. При создании скелета, подлежащего анимации, главная кость должна начинаться у таза.
Крестец окружают две симметричных тазовых кости. На поверхности тела очень четко виден край неправильной формы, который называется подвздошным гребешком (рис. 3.11 и 3.16). Тазовые кости имеют форму крыльев. Особенно четко это видно на худых фигурах. Пропорции таза мужчины и женщины несколько отличаются. Женский таз шире и короче, когда как мужской более массивен, высок и более угловатый (рис. 3.17). При рассмотрении сбоку можно увидеть, что женский таз сильнее наклонен вперед.
Рис. 3.16. Подвздошный гребешок таза хорошо виден на поверхности тела
Рис. 3.17. Мужской таз толще и более угловат по сравнению с женским
Кости руки
Самые маневренные кости тела располагаются в руке. Диапазон их жестов и предназначения еще более расширен за счет маневренности плечевого пояса и ловкости пальцев. Поскольку, в отличие от костей ноги, кости руки не должны поддерживать тело, то они более тонкие.
Кости руки изображены на рис. 3.18. Верхняя кость руки, именуемая плечевой костью, в своей верхней части имеет сферическую форму, соответствующую неглубокой полости лопатки. Поскольку это углубление не большое, а соединительные связки свободные, то рука является наиболее мобильной конечностью.
Нижнюю части руки образуют две кости: лучевая и локтевая. Локтевая кость соединяется с плечевой посредством шарнирного сустава. Лучевая кость поворачивается вокруг локтевой (рис. 3.19) за счет изгибания и растяжения нижних мышц руки. Действие двух костей становится очевидным при повороте ладони сверху вниз. Положение, в котором лучевая и локтевая кости параллельны, называется супинацией. Когда лучевая кость перекрещивается с локтевой, возникает пронация (рис. 3.20).
Рис. 3.19. Когда ладонь повернута вверх, лучевая и локтевая кости параллельны. Когда ладонь повернута вниз, лучевая кость сверху перекрещивает локтевую
Рис. 3.20. Особенности поверхности нижней части руки при пронации (повороте лучевой кости)
Особенности поверхности костей руки можно наблюдать на плече, в месте, где головка плечевой кости образует внутреннюю выпуклость дельтовидной мышцы. Когда рука согнута, на локте можно увидеть три бугра. Эта блочная группа костей располагается в конце плечевой и в начале локтевой кости. На запястье можно увидеть округлую головку локтевой кости.
Кости кисти можно подразделить на три группы: кости запястья, пястные кости и фаланги. Восемь костей запястья расположены в виде двух крестообразных рядов. Такое расположение позволяет легко поворачивать ладонь вверх и вниз. Движение ладони из стороны в сторону более ограничено.
Пять пястных костей кисти соединены с четырьмя нижними костями запястья. Четыре пястные кости, ведущие к пальцам, не слишком гибкие. В отличие от них, пястная кость большого пальца имеет соединение, позволяющий выполнять большой диапазон движений. При анимации руки этой маневренностью можно воспользоваться для размещения большого пальца практически в любом направлении. Головки пястных костей достаточно хорошо видны при сжатии руки в кулак. При вытягивании пальцев они исчезают из поля зрения.
Четырнадцать костей пальцев образуют фаланги. Ближе к кончикам пальцев они становятся меньше и постепенно принимают плоские формы, к которым крепятся ногти.
При моделировании руки важно знать структуру образующих ее костей. Без этого точное моделирование руки не представляется возможным. Наиболее распространенной ошибкой является моделирование кисти слишком малых размеров. В развернутом состоянии кисть должна закрывать четыре пятых поверхности лица. Фигуру человека, созданную непрофессионалом, всегда можно узнать по манере изображения руки.
Кости ноги
Кости ноги в некоторой степени аналогичны костям руки. В верхней части ноги также имеется одна кость, именуемая бедром, а в нижней — две кости, которые называют большой и малой берцовыми костями (рис. 3.21). Как и в плечевом поясе, у бедра сочленение костей осуществляется посредством ореховидного сустава, а в колене (аналогично локтю) имеется шарнирный сустав. Шарнирный сустав лодыжки соответствует аналогичному суставу запястья.
Однако, по сравнению с костями руки, кости ноги тяжелее, прочнее и имеют меньшую свободу движений. Это связано с тем, что кости ноги предназначены для выдерживания значительных нагрузок на ногу, хотя и остаются при этом достаточно мобильными.
Бедро, или бедренная кость, соединяется с тазом посредством ореховидного сустава, который допускает ограниченное движение в каждом направлении. Округлый выступ на бедре, именуемый большим вертелом (см. рис. 3.21), обозначает самую широкую область мужского бедра. У женщин, за счет жировых отложений, самая широкая область расположена немного ниже.
Шарнирный сустав колена аналогичен суставу локтя за исключением того, что он допускает только движение назад, тогда как локтевой сустав допускает только движение вперед. При рассмотрении спереди и сбоку видно, что колено точно следует вертлужной впадине. Она имеет немного треугольную форму, а ее нижний край находится на одном уровне с коленным суставом.
На рис. 3.22 изображены кости, расположенные внутри ноги. Здесь можно увидеть, каким образом кости определяют положение и ориентацию ноги. Ширина костей максимальна в суставах, и именно в этих местах кости видимы на поверхности тела.
Рис. 3.22. Изгиб и положение бедра, большой берцовой и малоберцовой костей влияют на форму ног
Большая берцовая кость, расположенная в нижней части ноги, толстая и массивная. Она выдерживает вес бедра. Ее большая головка видна на поверхности тела, а диафиз образует край голени. Голень — это знакомая опорная точка нижней части ноги. Она является одним из тех немногих мест, где кости лежат прямо под кожей.
Малоберцовая кость является тонкой, поскольку она не несет на себе никакой нагрузки, а служит для крепления мышц. Головка малоберцовой кости видна на поверхности ноги, сразу под коленом. Ее конец немного выдается наружу и образует форму щиколотки с внешней стороны ноги. С внутренней стороны щиколотка выше, чем с внешней, как показано на рис. 3.23.
Рис. 3.23. С внутренней стороны ноги щиколотка выше, чем с наружной
Форма стопы практически полностью определяется ее скелетом (рис. 3.24). Покрывающие стопу мышцы и сухожилия очень слабо влияют на ее форму. С внутренней стороны на стопе имеется свод, а с внешней стороны стопа плоская. Главный продольный свод, идущий от пятки до подушечек пальцев стопы, и вторичный поперечный свод, идущий поперек подъема, несут на себе нагрузку массы тела (рис. 3.25).
Кости стопы можно подразделить на три группы (см. рис. 3.24). Кости предплюсны представляют собой группу из семи костей, образующих пятку и часть подъема (плюсны). Пять плюсневых костей образуют подъем. Четырнадцать сегментных фаланг образуют пальцы.
Самой большой из костей стопы является пяточная кость предплюсны. Именно на нее приходится основная нагрузка массы тела в задней части продольного свода. Остальные кости предплюсны маленькие; соединяются они друг с другом в верхней части свода. Между плюсневыми костями и костями предплюсны имеется свободное место для движения, в результате чего стопа имеет не жесткую, а пружинистую структуру. В результате этого удары, возникающие при ходьбе, прыжках и беге, распределяются по всей стопе.
Аналогом пястных костей руки являются плюсневые кости стопы. Их нижняя часть искривлена и образует продольный свод стопы. Плюсневые кости удерживаются вместе благодаря мощным связкам (рис. 3.26).
Из четырнадцати фаланг две образуют большой палец ноги, а по три приходится на каждый оставшийся палец. По сравнению с фалангами пальцев рук они короче. Фаланги меньших пальцев имеют меньшую толщину. Концы пальцев имеют плоскую форму, на которой крепятся ногти.