XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D моделирование. Я – инженер и волшебник.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Если бы не трехмерное пространство, то мы бы жили в плоском мире. А что это значит? Значит, наши движения были бы только: прямо, влево, вправо и назад. Тогда не было бы понятия «вниз» и «вверх». Для нас плоский мир - это всего лишь картина воображения, рисунок, схема. Согласитесь, было бы скучно? Человеку недостаточно одной плоскости для полного осознания красоты предмета, пространства, мира, оценки их достоинств и недостатков.
Но что, если мы добавим немного глубины нашему воображаемому миру рисунков? Тогда происходит истинное волшебство: круг ярко-желтого цвета превращается в солнце, непонятные изогнутые плавные линии превращаются в красивую и грациозную кошку, сидящую на подоконнике. Применив к нашему плоскому рисунку только одно лишь свойство объема, мы становимся волшебниками и творцами новых объектов, моделей, а в будущем новых систем и механизмов, домов и городов в целом.
Я, увлекаясь графическим моделированием на компьютере, столкнулся с тем, что нужные мне программы требуют много времени и терпения для реализации моих идей.
Проблема: Современные программы 3D-моделирования имеют многоуровневый интерфейс, что создает трудности для освоения навыков графического моделирования у детей.
Актуальность: Необходимо предложить доступный для понимания младшего школьника интерфейс программы, который поможет освоить навыки графического моделирования, и добавит к творческому процессу техническую направленность.
Гипотеза: Я считаю, что интерфейс программы 3D-моделирования может быть доступным и легким для детей. Это позволит самостоятельно создавать и моделировать то, что мне нравится.
Цель работы: создать свой интерфейс программы 3-х мерного моделирования для детей младшего школьного возраста.
Задачи:
1.Изучить в каких областях и сферах жизни человека используются 3D модели.
2.Проанализировать качество и доступность программ для создания 3D-моделей для детей 7+.
3.Рассмотреть методику 3х мерного моделирования пространства на примере новой детской программы создания 3D моделей из детских рисунков.
Практическая значимость: интерфейс моей программы может использоваться при разработке 3D-макетов объектов и предметов (на уроках математики, окружающего мира, технологии и др.), а также поможет основать интернет-сервис по созданию 3D-картин из рисунков (он будет полезен и интересен юным инженерам).
Новизна: Новый интерфейс развивает навыки графического моделирования в детском возрасте и способствует лучшему восприятию целостной картины и понимания мироустройства.
Методы исследования: изучение и анализ информационных источников, систематизация и обобщение полученных данных, разработка интерфейса программы для детей.
Теоретическая часть. Моделирование.
Моделирование и его виды.
Моделирование (образовано от латинского слова: modus — мера, способ, образец) [6].
В науке модель рассматривается как «объект-подобие» или «объект-заместитель» объекта-оригинала, воспроизводящий определённые его характеристики. Модель всегда соответствует объекту-оригиналу в тех свойствах, которые подлежат изучению, но отличается от него по ряду других признаков. Это делает модель удобной для исследования [8].
Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул [3].
Для различных явлений и процессов бывают разные способы моделирования с целью исследования и познания.
Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью. Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако, он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения.
Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель – точную копию оригинала – бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель – это определенный способ описания реального мира.
Моделирование проходит в три этапа:
Создание модели.
Изучение модели.
Применение результатов исследования на практике и/или формулирование теоретических выводов.
Видов моделирования огромное количество, рассмотрим некоторые из них:
Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания [1]. Здесь наглядность модели выходит на первый план. (Попробуйте составить описание школьного двора, без его визуализации на бумаге, либо в качестве модели на компьютере.)
Математические модели. Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения. (пример: математическая модель 1Г класса = 18мальчиков+12девочек).
Имитационные модели. Модель описывает, копирует реальную систему и процессы так, как они проходят в действительности [2] (например, плотина на реке может быть смоделирована в форме обычного смесителя в раковине. Путем регулирования напора воды, мы можем наблюдать скорость заполнения резервуара).
Информационное моделирование. Набор признаков, содержащий всю необходимую информацию об объекте. (например, известная загадка: летом серый, зимой белый. Данная загадка с помощью сжатой информации описывает зайца. Информационная модель — модель объекта, представленная в виде информации, описывающей важные параметры и величины объекта).
Также используются такие виды моделирования, как биологическое, физическое, экономико-математическое и многие другие [4].
Моделирование все прочнее входит в нашу жизнь и становится незаменимым помощником для профессионалов различных сфер деятельности [10].
Над созданием моделей могут работать специалисты из разных областей: ученые для проведения научных экспериментов. Или сейсмологи, например, используют для прогнозирования событий внутри земной коры из-за смещения пластин. Инженеры в технических отраслях (машиностроение, авиастроение, кораблестроение и т.д.), архитекторы и строители (создание макетов для демонстрации зданий, микрорайонов, и даже целых городов с дорогами, освещением и т.д.). В последнее время велика роль участия врачей в создании различных моделей медицинского назначения (например, создание модели зуба или любой другой части человеческого тела) [7].
Зачем используют модели?
Модель создают, используют и исследуют, когда:
отсутствует наглядность объекта. Создание модели позволит точно отобразить детали реального объекта. При этом специалисты смогут оценить свойства создаваемого объекта, и произвести корректировки объекта в процессе создания (пример: макет микрорайона, карты и т.п.)
изучение объекта происходит в условиях, опасных для жизни человека (например, полет в космос моделируют в специальных резервуарах под водой).
изучение объекта слишком дорого, и экономически не оправданно (нет смысла строить самолет, для того чтобы изучить его способность к полету, а достаточно построить модель).
изучение объекта во времени. Промежуток времени исследования объекта может быть как скоротечным, так и слишком долгим. (Например, чтобы проследить траекторию звезды по небу, можно записать ее движение на видеокамеру, а позже в режиме быстрого просмотра оценить траекторию движения. Или создать модель взрыва) [9].
Я хочу рассмотреть подробнее самый востребованный сегодня вид моделирования - графический.
Графическое 3х мерное моделирование.
Термин "графика" происходит от греческого глагола «graphtin», что означает скрести, царапать, писать, рисовать. Первоначально термин «графика» употреблялся лишь применительно к письму и каллиграфии. Новое значение он получил в конце 19 - начале 20 вв. в связи с бурным развитием промышленной полиграфии и распространением каллиграфически четкого, контрастного линейного рисунка, наиболее удобного для фотомеханического воспроизведения в книге и журнале. Тогда графика определилась как искусство, в основе которого лежат линия, контраст черного и белого [5].
3D-моделирование является сокращением английского 3-dimensional, что дословно переводится как «три размера». Это переход из схематического, плоского пространства в реалистичное, 3-х мерное [8].
В связи с бурным развитием компьютерных технологий в конце 20 века, в мире появилось понятие «3D графического моделирования» - отображение графических моделей на компьютере. На экране монитора стало возможным моделировать любые модели, в любом масштабе [5].
Но сам по себе компьютер – это вычислительная, а не графическая машина. Компьютер сам не рисует и не создает графических начертаний. Для того чтобы создать графическую модель на компьютере, устанавливается специализированное программное обеспечение – программа. За время развития компьютерных и графических технологий в мире созданы сотни видов различных программ для создания 3D-моделей на компьютере.
Практическая часть. Разработка нового интерфейса программы.
2.1 Обзор программ для 3D-моделирования
Мне стало интересно изучить некоторые самые популярные программы для графического моделирования на компьютере. В приложении А я обозначил что мне понравилось, а в чем я не смог разобраться самостоятельно. Эти программы находятся в свободном доступе в интернете. В таблице присутствует моя краткая характеристика интерфейса выбранных программ по 3D моделированию.
Изучив главные рабочие пространства: Блэндер (Blender), СкетчАп (SketchUp), Свеет Хоум 3Д (Sweet Home 3D), 3Д Билдер (3D Builder), я пришел к выводу, что все они имеют схожие между собой методы управления и создания моделей [5]. Такие как: создать фигуру (прямоугольник, круг, плоскость и т.д.), редактировать размеры простых фигур, кнопки переключения вида: профиль слева\справа, снизу\сверху, спереди\сзади, 3х мерный вид, масштаб.
Мне понравились интерфейсы у программ 3D Builder и Sketch Up. Здесь я потратил меньше всего времени на изучение нужных кнопок и необходимых инструментов для создания своих моделей.
Программа Sweet Home настроена на создание жилых домов, интерьера помещений и объектов инфраструктуры. Без родительской помощи разобраться в элементах и функциях программы у меня не получилось. Поэтому, мы потратили немалое количество времени на освоение интерфейса.
Самая популярная программа для моделирования различных объектов в интернете – это Blender. Программа обладает широким функционалом и графическими возможностями, в следствии этого она имеет сложную и многоуровневую систему управления. Именно поэтому процесс изучения для меня оказался трудоемким и многие функции программы еще не освоены.
Ознакомившись с особенностями управления различных программ, я задумался о создании своего простого и доступного интерфейса.
2.2 Разработка и этапы создания интерфейса.
Я хотел бы предложить несколько иной вид рабочего пространства программы, который поможет детям начать рисовать свой мир в двух плоскостях: (x y) длина и ширина. А уже по факту законченности рисунка программа поможет настроить глубину объектов для того, чтобы увидеть и понять, как нарисованная картина превращается в трехмерное пространство.
Главное окно программы располагает к рисованию в двухмерном пространстве (на мой взгляд так легче начать и закончить рисунок без применения 3-ей плоскости).
Изначально программа помогает построить 3х мерное пространство в 6 этапов. Каждый этап в интерфейсе обозначен определенной кнопкой. Расскажу подробнее.
На первоначальном этапе предлагается чистый лист 2х мерного пространства (приложение Б).
На чистом 2D пространстве (листе) предлагается либо нарисовать рисунок, либо загрузить рисунок со сканера в электронный вид в рабочую плоскость программы.
После создания законченного рисунка, программа предлагает перейти к следующему этапу, нажав соответствующую кнопку. В нашем случае этап №2 начинается с нажатия кнопки «Выпрямить контур» (приложение В). Выпрямленные контуры потребуются для формирования правильных очертаний объектов (стена дома должны быть ровной, но и ствол дерева также выравнивается).
Следующий этап построения 3D пространства – это назначение свойств объектам картины (приложение Г). Например, если мы обозначили свойство объекта – дерево, то в таком случае при выполнении расчета глубины объекта программа примет за основание круглое сечение ствола и прилегающих к нему веток. При этом диаметр ствола дерева и веток будет равен толщине (либо ширине) прямоугольного сечения в 2D пространстве. А если мы обозначили свойство объекта –дом, то в таком случае глубина объекта будет равна ширине объекта. Если мы обозначим свойство объекта «забор», то для построения толщины объекта в пространстве будет применен, допустим коэффициент 0,01 от ширины объекта.
Программа предлагает обозначить имена объектов проекта (приложение Д). Например, предлагает обозначить объекты живой (растения, животные) и неживой природы (Землю, солнце, небо, облака, траву и т.д.). После обозначения объектов природы переходим к обозначению объектов, созданных человеком, например, здания, дома. Объекты благоустройства: скамейка, качели, игровые комплексы во дворе. Объекты инфраструктуры: дорога, забор, тропинка для пешеходов. У каждого записанного в системе объекта имеется 3-4 составляющих. Например, если это дом, то у дома обязательно надо обозначить следующие составляющие: крыша, корпус, окна, парадный вход.
Выделение происходит следующим образом: мышкой выделяем область, выделенная область подсвечивается и предлагается ввести имя выделенного объекта. После присвоения каждому объекту нашего проекта определенного имени из записанных в системе, программа сначала предлагает обозначить составляющие объекта, например, если это дом, то обязательно надо указать где у дома крыша, корпус, окна, парадный вход, и в соответствии с названием присваивает определенные свойства каждой составляющей. Такими свойствами являются – цвет и форма. Например, если ребенок обозначает на рисунке дерево, то программа превращает замкнутые формы ствола и веток в цилиндрические взаимосвязанные объекты. В области кроны дерева определяет небольшие объекты – листья, и также присваивает им определенное значение глубины, а позже и цвета. А если мы, выделяя объект, присвоим ему имя из категории жилые дома, то программа сначала предложит разбить объект на корпус, крышу, парадный вход. И на каждый элемент предложит несколько вариантов цветовой заливки: кирпич, бетон, деревянный сруб и т.д.
Следующий этап - присвоение цветовых свойств (приложение Е). Здесь возможен как выбор цвета, предложенный программой исходя из обозначенного свойства объекта, либо пользователь может на свое усмотрение обозначить цвет объекта. Возможно присвоение текстурной окраски. Например, программа может предложить наложить на дом текстуру «кирпича», либо «имитацию бревна». А на объект «Трава» - текстуру цвета «Летней травы», либо «Зеленого газона», либо текстуру цвета «Зеленое поле».
Главный этап построения 3D пространства – это автоматический расчет глубины всех объектов картины. При нажатии на кнопку «Построить модель из 2D => 3D» программа производит вычисление параметра глубины всех обозначенных на рабочем поле объектов исходя из примененных свойств для каждого объекта. После вычисления глубины каждого объекта, программа отобразит некогда плоский рисунок в формате 3х мерного пространства. (приложение Ж).
После выполнения 6 этапа, происходит «волшебство». При нажатии кнопки «сменить вид», пользователь сможет взглянуть на свой рисунок под любым углом, при этом он сможет оценить свою работу с любой удобной ему точки просмотра 3-х мерной картины.
Заключение
Изучение технологии создания 3D-моделей развивает навыки визуального восприятия рисунков, воображения, мыслительные способности и творческий подход к созданию новых машин, механизмов, объектов строительства и т.д. Творческий потенциал в современном обществе очень ценится в любой профессии, поэтому его нужно раскрывать и развивать как можно раньше.
Но сегодня младший школьник сталкивается с некоторыми трудностями: программы 3D- моделирования имеют широкий функционал, а в следствии и сложную систему управления. Для того чтобы овладеть ими, юным инженерам приходится постоянно обращаться за помощью к взрослым или пройти специальное обучение у педагогов в технических центрах. Вследствие этого, у детей часто пропадает интерес к данному виду деятельности.
При выполнении данной работы мы реализовали следующие задачи:
1.Изучили, в каких областях и сферах жизни человека используются 3D модели.
2.Проанализировали качество и доступность программ для создания 3D-моделей для детей 7+.
3.Рассмотрели методику 3х мерного моделирования пространства на примере новой детской программы создания 3D моделей из детских рисунков.
Решив задачи, мы достигли цели исследования: создали свой интерфейс программы 3-х мерного моделирования для детей младшего школьного возраста.
При выполнении работы я описал этапы создания реалистичного пространства из обычного 2D рисунка. В новом виде у каждого элемента появляется свой объем, приближенный к реальности. Ученику легко разобраться, как взаимосвязаны и как соотносятся между собой все детали и объекты придуманной картины в трехмерном изображении.
Этот проект помог мне увидеть совершенно новый подход к технологиям графического моделирования. С доступным интерфейсом программы, при создании своих моделей можно вообразить себя инженером, и даже волшебником. Для этого достаточно перенести свои мысли в простой формат рисунка.
Если данный интерфейс будет интегрирован в реальную работающую программу, то я и мои друзья смогут самостоятельно моделировать то, что нам нравится, путем создания обычного рисунка. Считаю, что гипотеза доказана, цель работы достигнута.
Список литературы:
Бровченко О.А. Трехмерное моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС: Методические указания для самостоятельной работы студентов./ Бровченко О.А., Семенова Г.И. Егорьевск: ЕТИ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2008. – 144 с.
Кузнецов Ю.А. Теоретические основы имитационного и компьютерного
моделирования экономических систем. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Применение программных средств в научных исследованиях и в преподавании математики и механики»/ Кузнецов Ю.А., Мичасова О.В. Нижний Новгород, 2007 - 111 с.
Магомедова А.А. Учебное пособие по дисциплине «3D-моделирование» для направления подготовки «Математика и компьютерные науки», профиля подготовки «Математическое и компьютерное моделирование»/ Магомедова А.А. – Махачкала: ДГИНХ, 2011. – 217 с
Талапов В.В. Основы BIM: введение в информационное моделирование зданий./ Талапов В.В. - М.: ДМК Пресс, 2011. – 392 с.
Википедия (2018) Моделирование. // Сайт: ru.wikipedia.org 19 октября 2018 (https://ru.wikipedia.org/wiki/) Просмотрено 22.10.2020.
Хабр (2006 – 2020) Трехмерное моделирование в современном мире. // Сайт habr.com 10 мая 2019 (https://habr.com/ru/post/451266/) Просмотрено: 26.09.2020.
Zwsoft (2007 – 2020) Что такое 3D-моделирование. // zwsoft.ru 16 июля 2018 (https://www.zwsoft.ru/stati/chto-takoe-3d-modelirovanie) Просмотрено: 28.09.2020.
Основной элемент (2017) Трехмерное моделирование. Жизнь в цифре. Фильм 1 и 2 [Видеофильм] // YouTube. 8 февраля 2017 (https://www.youtube.com/watch?v=xshLamTydro). Просмотрено: 15.09.2020.
Приложение А
|
Наименование программы с логотипом |
Обзор функций и интерфейса программ |
|
B lender 2.9 |
Интерфейс программы наполнен множеством кнопок, их более 50. Для смены любой характеристики объекта, например, цвет и размер требуется найти специальное меню управления, в этом меню необходимо искать дополнительное меню для смены свойства объекта по цвету и дополнительное меню для изменения размера. На сегодня я очень хочу научиться работать с программой, но мне требуется пройти специальный курс обучения, чтобы научиться работать в Blender. |
|
S ketch Up 20.1 |
Интересная программа, где я легко могу построить любой простейший геометрический объект – квадрат, прямоугольник, треугольник, круг. (кроме шара). |
|
S weet Home 3D 6.3 |
В настоящее время я работаю в этой программе т.к. она имеет рабочее окно для создания 2D проекции (чертежа) любого помещения, дома, квартиры. Изменить любое свойство любого объекта я могу посредством вызова контекстного меню нажатием правой кнопки мыши, и в одном окне поменять цвет и характеристику объекта. Программа еще интересна тем, что в ней на начальном этапе можно подгрузить набор готовых моделей такие, как машина, дерево, предметы интерьера дома и многое другое, а также их легко расставить по местам как я хочу в окне на проекции 2D сверху. |
|
3D Builder 18.0.1931 |
Программа имеет небольшое количество кнопок управления объектом, кнопки обозначены понятно, удобное рабочее поле. |
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е
Приложение Ж