Глава 3. Часть 3-1

Published by Byte –

Стефани Рис. Анимация персонажей в 3d Studio Max
(Продолжение, начало см. здесь)

Глава 3

  • Двуногие животные
  • Четвероногие животные
  • Вес и равновесие животных
  • Птицы
  • Рептилии, насекомые и пауки
  • Повадки животных
  • Анатомия животных

В двух первых главах мы рассмотрели анатомию и внешние черты людей. Теперь пришло время надеть наши надежные пробковые шлемы и отправиться путешествовать в мир животных. Хотя вопросы анатомии животных выходят далеко за рамки одной главы, мы попытаемся рассмотреть основные характеристики типичных представителей животного мира, часто используемых в качестве трехмерных компьютерных персонажей. Когда перед вами встанет необходимость создания моделей каких-либо специфических существ, не описанных в этой главе, обратитесь за помощью к литературе, список которой приведен в конце книги, или поговорите с экспертом в интересующей вас области знаний.

Изучать формы тела и характерные движения животных столь же важно, как и в отношении человека. Разница лишь в том, что, пытаясь наблюдать за животными, вы скорее всего получите в ответ меньше свирепых взглядов, чем при наблюдении за людьми. На самом деле при наличии нехитрого угощения какой-нибудь Шарик или Пушок будет рад сотрудничать с вами с полной отдачей, в силу своих невеликих способностей. Запомните: ничто не сможет заменить наблюдения за жизнью животных или хотя бы просмотра фотографий и видеофильмов в деле приобретения необходимых первичных знаний.

Животные

Анатомия живых существ, отличных от человека, включает в себя очень широкое разнообразие типов, от двуногих до четвероногих животных и от птиц до насекомых. Изучать животный мир — это все равно что совершать путешествие по шкале эволюции форм жизни. Лучший совет, который можно дать, — изучайте тех животных, которых вы хотите моделировать. Понаблюдайте за движениями зверей (если они еще не вымерли), сходите в зоопарк, наконец, посмотрите старый фильм Уолта Диснея «Настоящие приключения » (True Life Adventures). Некоторые прекрасные видеозаписи можно получить в Национальном географическом обществе. Существуют и другие места, где можно добыть полезные материалы. За их списком обратитесь к приложению в конце книги.

Самые ранние всеобъемлющие визуальные наблюдения движений животных можно найти в серии фотографий Эдварда Майбриджа (Eadweard Muybridge), сделанных в конце XIX века. Они действительно представляют собой хорошие изображения движений животных и наглядно показывают, как в процессе перемещения сжимаются и растягиваются их тела. Однако фотографии Майбрид жа не передают индивидуальных особенностей и повадок животных, которые могли бы придать уникальность вашим компьютерным творениям. Эти качества создаются благодаря мастерству художника в процессе анимации компьютерного персонажа.

Перед началом моделирования трехмерного объекта удостоверьтесь, что вас попросили создать именно животное, а не подобие человека в шкуре животного вроде кролика Багса Банни или мышонка Микки Мауса. Если требуется второй вариант, обратитесь к главам 1 и 2. В них рассказано, как сделать модель человекоподобного существа. (Помните, что медведь, который ходит и разговаривает как человек, будет выглядеть убедительнее, если он еще и одет как человек. С другой стороны, публика ожидает, что натуральный медведь будет двигаться и действовать именно как медведь. При виде настоящего медведя в меховой шкуре, который жонглирует шарами или ездит на велосипеде, нам может стать неуютно, однако — стоит одеть его в цирковой пиджак и шляпу, и зверь станет поистине очаровательным.)

Теперь давайте, не забывая о только что сказанном, посмотрим, как устроены и как перемещаются реальные животные, чтобы оказаться во всеоружии именно в тех случаях, когда нет места для цирковой шляпы.
Двуногие животные

Только незначительное число животных имеют две ноги. Конечно, снежный человек подошел бы на эту роль, если бы мы смогли выманить его из леса. Другие двуногие животные, такие, как птицы, будут рассмотрены отдельно в конце этой главы.

Бесхвостые человекообразные обезьяны — это единственные двуногие животные, о которых мы будем говорить в этом разделе, поскольку только они передвигаются в вертикальном положении (или по крайней мере полусогнувшись). Гориллы — самые большие представители этой группы приматов, поэтому они больше всех похожи на человека. Хотя обычно большинство людей относят гориллу к роду обезьян, на самом деле это животное имеет больше общего с человеком, чем с орангутангом.

На протяжении долгого периода эволюции грудная клетка человека перестраивалась и стала постепенно короче и шире, чем у его предков. Эти изменения облегчили поддержание равновесия в вертикальной стойке. Грудная клетка обезьяны тоже развивалась, но в сторону квадратной формы, которая дает возможность двигаться лишь в полусогнутом состоянии. Фактически обезьяны постоянно помогают себе передними лапами во время движения.
Тело человека не приспособлено к перемещению на всех четырех конечностях, то есть на руках и ногах. В таком положении передняя часть тела наклонена вниз по направлению к голове, а таз поднят по причине относительно коротких рук и длинных ног, как показано на рис. 3.1. Если человек в таком положении распрямит ноги, он физически не сможет поднять голову так, чтобы смотреть вперед. Двигаться же на согнутых ногах достаточно трудно.

Рис. 3.1.

Когда человек стоит на четырех конечностях, он не только не может эффективно перемещаться, но и не способен увидеть, например, затаившегося перед ним хищника. Соотношение длины рук и ног у обезьян противоположно человеческому. В результате перемещение на четырех конечностях для них вполне естественно.

Обезьяны имеют противоположное человеческому соотношение длины рук и ног. Когда они встают на четыре конечности, их тело оказывается наклонено так, что голова располагается выше таза. Это позволяет им при движении оставаться в естественном положении, а также смотреть вперед прямо перед собой. Поскольку ноги у обезьян короткие, а руки и кисти длинные, они могут использовать свое тело в качестве маятника, когда висят или раскачиваются, цепляясь за ветки и лазая по деревьям.

Телосложение горилл сильно отличается от человеческого. Размах рук средней взрослой гориллы равен восьми футам (2,4 м). Большие пальцы на ее руках и ногах торчат в противоположную от других пальцев сторону. Это позволяет животному хватать предметы и манипулировать ими с помощью как рук, так и ног. Короткие ноги помогают обезьяне во время лазания, а большие ступни (11 дюймов, или 28 см, длиной и б дюймов, или 15 см, шириной) позволяют ей стоять на земле, прочно удерживая свое тяжелое (более 400 фунтов, или 180 кг) тело (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2.

Хотя тело человека и обезьяны во многом схожи по строению, имеются значительные различия в пропорциях. Приведенная здесь модель скелете гориллы, иллюстрирующая типичные пропорции ее тела, создана на основе модели человеческого скелета.

Хотя приведенное на рисунке тело гориллы короче человеческого, оно намного более плотное. Ниже даются некоторые правила, о которых нужно помнить при создании компьютерной модели гориллы.

  • Таз гориллы примерно в два раза шире и в два раза длиннее человеческого.
  • Грудная клетка гориллы больше человеческой как в ширину, так и в длину по крайней мере на четверть.
  • Горилла имеет круглое брюшко из-за большой массы кишечника, который необходим ей для успешного переваривания тяжелой пищи.
  • Самка гориллы ниже взрослого самца и весит примерно в два раза меньше. Средний рост взрослой самки составляет 4.5 фута (135 см), а ее вес — 200 фунтов (90 кг). Средний взрослый самец имеет рост от 5 до 5.5 фута (150 — 165 см) и вес около 450 фунтов (200 кг).
  • Голова у гориллы массивная, с костистым продольным гребнем наверху и выступающим лбом, который нависает над глазами.
  • Продольный гребень особенно заметен у самцов, он обеспечивает фиксацию мускулов массивной челюсти (см. рис. 3.3).

Рис. 3.3.

На этой фотографии гориллы хорошо видны ее массивная голова и характерная поза.

  • Форма лица гориллы может варьироваться от круглой до овальной, ее нос может быть как плоским, так и выступающим.
  • Нос гориллы весьма индивидуален, по его форме часто различают разных особей.
  • Уши гориллы плотно прилегают к черепу, а ее маленькие глаза обычно бывают темно-коричневого цвета.
  • У гориллы тридцать два зуба. Клыки намного сильнее развиты у самцов. Коренные зубы достаточно большие для того, чтобы пережевывать жесткую растительную пищу.
  • У взрослой гориллы нет волос на пальцах, подошвах рук и ног и в подмышечных впадинах. На верхней части груди волосы редкие, особенно у старых самцов. Кожа горилл черная, покрытая черными или коричневыми волосами. При достижении совершеннолетия, начинающегося с десяти лет, у самцов горилл поперек спины появляется серебристо-серое «седло», иногда называемое серебряной спиной.
  • Кожа новорожденных горилл обычно розовато-серая. Она быстро темнеет, а белый клочок волос на огузке сохраняется до возраста в несколько лет.
  • Гориллы обычно ходят на четырех конечностях, опираясь о землю суставами согнутых пальцев рук и подошвами ног. Хотя эти животные включены в категорию двуногих, они весьма редко передвигаются на двух ногах. Как правило, расстояния, преодолеваемые гориллами таким способом, не превышают 20 футов (около 6 м).
  • Вертикальная стойка обычно используется для того, чтобы устрашающе постучать себя кулаками по груди, осмотреться по сторонам или достать какой-нибудь предмет.

Если вам захочется побывать в шкуре гориллы и понаблюдать изнутри за ее повадками и движениями, посетите зоопарк в Атланте, штат Джорджия, и поинтересуйтесь их проектом «Виртуальная выставка горилл» (Virtual Gorilla Exhibit Project). В приложении дан адрес Web-узла, связавшись с которым можно получить описание этого проекта. Одной из программ проекта является компьютерная модель виртуального жилища, которая копирует натуральный дом гориллы, существующий в этом зоопарке. Эта модель создана при помощи набора средств имитации виртуальной реальности SVE (Simple Virtual Environment) Toolkit компании Georgia Tech's и позволяет посетителям насладиться интерактивным погружением в образ жизни гориллы.

В рамках этого проекта вы можете понаблюдать характерные способы передвижения и позы горилл, такие, как хождение на четырех или трех лапах, сидение на корточках, лежание на земле, агрессивное поведение и битье себя кулаками в грудь. Можно даже самому «стать членом семейства» горилл, прогуливаясь вместе с другими членами виртуального семейства и взаимодействуя с ними. Ваши действия в качестве гориллы будут вызывать соответствующую реакцию других горилл в зависимости от вашего поведения и занимаемого социального положения в структуре семьи. Виртуальная компьютерная модель гориллы из этого проекта имеет тело, состоящее из десяти частей и девяти соединений, имеющих 20 степеней свободы. Движения поделены на фрагменты, а соответствующие ключевые положения каждого фрагмента сгенерированы с использованием кадров видеосъемки реальных горилл и данных о специфике их движений. Этот зоопарк является отличным местом семейного отпуска для тех, кто интересуется гориллами.

Четвероногие животные

Как уже говорилось в начале этой главы, задача детального описания каждого типа животных требует гораздо большего объема материала, чем может включать в себя одна глава книги. Исходя из огромного количества животных, относящихся к категории четвероногих, представляется возможным описать только основы формы, строения и функций их тел. Ключом к получению более детальной информации являются ваши собственные наблюдения и исследования.

Моделировать передвижение на двух ногах — это уже непросто, но добавьте еще две ноги, и процесс становится еще сложнее. Скелет животного нельзя рассматривать просто как человеческий скелет, наклоненный с целью хождения на руках и ногах. В своей основе строение скелета четвероногих животных достаточно сильно отличается от строения скелета человека. Эволюция обеспечила четвероногим , то есть тем животным, которые ходят по земле всеми четырьмя конечностями, конструкцию скелета, наилучшим образом отвечающую их потребностям.

Рис. 3.4.

Упрощенная схема скелета четвероногого животного напоминает арку моста.

Схема строения тела четвероногих напоминает мост, как показано на рис. 3.4. Дуга позвоночника подобна пролету моста, поддерживаемому опорами спереди и сзади. Передние опоры состоят из плеч и передних ног, а задние — из таза и задних ног. Элементы скелета спереди скрепляются мышцами шеи, а сзади — мышцами задних ног. Таз расположен с наклоном вниз. Поскольку задние ноги распрямлены, эта конструкция полностью передает всю нагрузку без потерь прямо позвоночнику.

Хотя как таз, так и плечи поддерживают вес животного, на долю передних ног и плеч приходится большая часть веса, примерно две трети. Оставшаяся треть веса тела распределяется на задние конечности.
Перемещению шеи и головы между плечами и грудной клеткой способствует наличие точек опоры на лопатках, которые работают как противовес подъемного крана. Типичным примером такого движения является покачивание вверх и вниз головы лошади во время ходьбы.

Хотя рассмотренные базовые принципы строения скелета сохраняются для любого четвероногого животного, в деталях имеются значительные отличия, которые начинаются с пропорций. Несмотря на то что и жираф, и корова — травоядные четвероногие, их тела сильно различаются. Изучайте пропорции, чтобы понять, как функционируют тела животных. Например, тело жирафа устроено так, что он может щипать листья на верхушках деревьев, в то время как корова находит пищу на уровне земли. Жираф почти всю потребную ему влагу получает из поедаемых листьев, ведь длинные ноги и шея не позволяют ему с легкостью пить воду из наземных водоемов. С другой стороны, корова имеет относительно короткие ноги и шею и может свободно пить с уровня земли.

Задние ноги

Как уже отмечалось, задние ноги, соединяясь с тазом, образуют опору, поддерживающую мост тела сзади. Этот узел телесной конструкции можно назвать центром движения тела. У различных животных в зависимости от типа их тел эволюция по-разному повлияла на положение и форму задних ног, чтобы обеспечить требуемые данному животному качества.

В то же время вне зависимости от того, ходит ли животное на лапах (то есть концах плюсневых костей) или копытах (видоизмененных концах пальцев), количество и расположение суставов задних ног совпадает у всех млекопитающих, как показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5.

Все млекопитающие имеют одинаковое количество и расположение суставов в задних ногах.

Углы между костями ног варьируются в зависимости от выполняемых ими толчковых функций. Если животное должно резко толкаться задними лапами во время охоты за добычей, подобно, например, льву, то диапазон изменения угла между верхней и нижней частями ноги велик. Пасущимся животным, например коровам, не нужны резкие ускорения, поэтому их задние ноги прямее, чем у хищников. Угол сгиба задних ног наиболее отчетливо заметен при взгляде в профиль. Динамичное изменение углов между костями и связанными с ними мышцами придает задним конечностям характерную изогнутую форму. Обратите внимание, что когда нога сгибается и разгибается, сжатие и растяжение мышц происходит главным образом в областях бедер и пальцев, а не в области промежуточных костей, как показано на рис. 3.6-а и 3.6-6.

Рис. 3.6.

Сжатие и растяжение мышц в задних ногах бегущего животного наблюдается в основном в области бедер и пальцев.

В процессе моделирования четвероногих животных не забывайте, что диаметр костей их задних ног уменьшается от бедра к ступне. Мышцы задних ног также становятся тоньше книзу. Таким образом, массивные мышцы бедра принимают на себя почти всю двигательную нагрузку ноги. У быстро бегающих животных диапазон движений бедренного сустава ограничен сгибанием и распрямлением бедра в продольной плоскости, а возможности вращения бедренной кости в других направлениях достаточно малы. Мышцы нижней части задней ноги несут меньшую нагрузку, но зато они обеспечивают тонкое управление постановкой ноги на опору.

Передние ноги.

По строению передних ног четвероногих животных можно условно разделить на следующие три категории; бегающие, плотоядные и приматы.

Плотоядные животные, например кошки, должны иметь возможность крепко впиваться когтями в свою добычу, цепко удерживаться на неровной поверхности и даже лазать по ветвям деревьев. Как следствие, их передние конечности должны обладать большей по сравнению с бегающими животными свободой движений, позволяющей им отводить лапы в сторону. Плечевая кость плотоядных (верхняя часть передней конечности) поворачивается в плечевом суставе, позволяя этим животным использовать данную степень свободы для атакующего удара сбоку, как показано на рис. 3.7.

Рис. 3.7.

Свободное вращение плечевой кости в сторону позволяет кошке и другим плотоядным животным наносить боковой атакующей удар лапой.

По сравнению с собачьей лапа кошки имеет более прямые кости плюсны. Кроме того, в результате эволюции у кошек развилась способность втягивать фаланги пальцев с когтями, у собак же когти не втягиваются, как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8.

У кошек фаланги пальцев с костями втягиваются, а у собак – нет.

(Интересно заметить, что гепард — быстро бегающая кошка — по своему строению больше похож на собаку, чем собственно на кошку, а его когти не втягиваются. Когти обеспечивают ему хорошее сцепление с землей во время быстрой погони за добычей по ровной местности.)

Животным, которые используют быстрый бег в качестве средства спасения своей жизни, нет необходимости разворачивать плечи в стороны, в результате их передние ноги отличаются по строению от ног хищников. Бегунам, типичным примером которых является лошадь, не нужно хватать добычу своими копытами, в результате их плечевые суставы имеют незначительную боковую подвижность.

Анатомия оленя в основном сходна со строением лошади, но имеет определенные незначительные отличия. Так, плечи оленя расположены низко, почти напротив грудной клетки, а задняя часть его тела практически целиком состоит из бедер и ног. Такое строение не только придает телу оленя более обтекаемую форму, но и позволяет его передним ногам во время бега принимать на себя вес тела и направлять его в нужную сторону при поворотах (см. рис. 3.9).

Рис. 3.9.

Плечи оленя расположены низко, почти на уровне ребер, а задняя часть его тела целиком состоит из массивных бедер и ног. Это придает телу оленя обтекаемый вид.

В отличие от двух предыдущих категорий животных приматы обладают повышенной подвижностью суставов рук и плечевого пояса, что позволяет им хватать предметы, качаться на ветвях и карабкаться с помощью передних конечностей.

Несмотря на множество различий в строении животных рассмотренных групп, имеется и целый ряд общих черт, к которым относятся:

  • Количество и расположение суставов конечностей.
  • Направления изгибов в каждом из суставов.
  • Положение плечевых и локтевых суставов по отношению к туловищу.
  • Распределение мышц в мускулатуре конечностей.

Приведенные ниже примеры описывают особенности строения и основные функции тела разных типов четвероногих животных.

Совет

Запомните: чем длиннее ноги животного, тем длиннее и его шея. При несоблюдении этого правила добыча пищи стала бы для такого животного трудной задачей.

  • Хищные животные, которые прячутся в ожидании появления добычи, как правило, имеют массивные скелет и мускулатуру. У них низкое туловище, сочетающееся с короткой мощной шеей и головой. Длина их торса превышает высоту тела. Сильные мускулы позволяют им развить большую скорость во время короткой погони за жертвой и нанести удар, достаточный чтобы сбить добычу с ног. Локти и колени этих животных расположены вдоль нижней линии тела. Африканский лев, тигр и домашняя кошка являются типичными примерами хищников этого типа (см. рис. 3.10).

Рис. 3.10.

Различия между теми четвероногими хищниками, которые подстерегают свою добычу, и теми, которые преследуют ее, выражаются в строении их тел.

  • Хищные животные, преследующие свою добычу, обычно имеют узкую и легкую конструкцию тела. У животных этого типа, как правило, длинные ноги, длинная узкая голова и шея, большие легкие и, соответственно, глубокая грудная клетка. Длина торса у них гораздо ближе к общей высоте тела, чем у животных первой категории. Среди этих хищников встречаются прекрасные бегуны на длинные дистанции, которые, преследуя свою жертву, доводят ее до изнеможения. Примерами животных этой категории являются собаки, волки, лисы и койоты.
  • У травоядных бегающих животных туловище обычно расположено высоко над землей. Скорость — это их основной способ спасения от хищников, так как они, как правило, не имеют рогов или клыков для атаки и защиты. Тело таких животных имеет прямоугольное сечение (длина торса больше его высоты), но соотношение между длиной торса и его высотой над землей близко к единице. Низ живота располагается примерно посередине между верхом торса и землей. Тела животных этой категории хорошо сбалансированы и приспособлены к бегу и прыжкам. Лошадь, показанная на рис. 3.11, является примером этого типа существ. Другие животные с таким же высоким телосложением — это верблюды и такие рогатые виды, как лани и антилопы.

Рис. 3.11.

Тело лошади хорошо сбалансировано и приспособлено к бегу и прыжкам.

Хотя приведенные выше описания пропорций уже должны дать вам определенное представление о строении тел обитателей четвероногого мира, нельзя забывать еще и о пропорциях грудной клетки. Все существующие четвероногие имеют сходное строение грудного отдела. Их грудная клетка — узкая, сдавленная с боков, но имеет большую глубину от позвоночника до грудины или грудной кости. Это позволяет животным беспрепятственно двигать ногами вдоль боков грудной клетки.

Вес и равновесие животных

У большинства животных центр тяжести располагается в передней трети тела. Так же, как и у людей, равновесие определяется положением вертикальной проекции центра тяжести на поверхность опоры, на которой стоят ноги животного. Однако животные обычно намного более устойчивы по сравнению с человеком. Это вызвано тем, что их центр тяжести намного ниже, а площадь опоры намного больше, чем у человека, поскольку они стоят не на двух, а на четырех ногах (см. рис. 3.12).

Рис. 3.12.

Четвероногие животные устойчивее человека, поскольку имеют большую площадь опоры и более низко расположенный центр тяжести.

Если по какой-нибудь причине проекция центра тяжести выйдет за пределы площади опоры, животное упадет в направлении смещения центра тяжести. Если пастбищное животное, плечевые и бедренные суставы которого не способны сильно поворачиваться в сторону, толкнуть в бок так, чтобы проекция центра его тяжести отклонилась дальше крайней точки возврата в устойчивое положение, это практически всегда приводит к падению. В итоге опрокидывание, скажем, коровы на бок превращается в легкую забаву.

Животные, как и человек, поднимая одну ногу, должны смещать свой центр тяжести. Если одна нога поднята, площадь опоры уменьшается, и центр тяжести тела должен быть смещен в сторону тех ног, которые поддерживают вес тела. Поскольку торс животного обычно расположен горизонтально и опирается на землю четырьмя ногами вместо двух, то, когда животное поднимает переднюю ногу, продольная ось его тела должна несколько развернуться, а нагруженная нога — наклониться внутрь так, чтобы опорная ступня (или копыто) оказалась расположенной прямо под центром тяжести при взгляде спереди, как показано на рис. 3.13-а и 3.13-6.

Рис. 3.13.

Когда поднята передняя нога, центр тяжести животного смещается к нагруженной ноге. В итоге тело поворачивается относительно продольной оси, а нагруженная нога наклоняется внутрь.

Продолжение


оглавление