XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительный анализ возможностей программ для 3Д моделирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Николенко Е.Е. 1Николенко Е.Е. 2

---

1МБОУДО ДЮЦКО "Галактика" г.Калуги; МБОУ "СОШ №45" г. Калуги

2МБОУ №45 г.Калуги, ДЮЦКО "Галактика" г.Калуги

Шепелева С.Н. 1

---

1МБОУДО ДЮЦКО "Галактика" г.Калуги

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: В современном мире всё большую популярность набирают профессии связанные с компьютерной графикой и программированием. По моему мнению, в ближайшем будущем ни одна профессия не обойдется без знаний в данных областях науки. Это не только потому, что ситуация с пандемией по Ковиду – 19 диктует свои условия жизнедеятельности, технический прогресс нельзя остановить, необходимо своевременно овладевать необходимыми знаниями.

Наибольшую популярность приобретают 3Д технологи, связанные с моделированием и анимацией, мы наблюдаем стремительный рост технологий и быстрое развитие компьютерной техники и программного обеспечения. Компьютерная графика используется в киноиндустрии, играх, рекламе. Сложно представить компьютерную игру или мультфильм без 3Д персонажей.

Гипотеза: Сравнительный анализ программ позволит выбрать оптимально удобный продукт, для создания 3Д модели персонажа и её возможного использования в компьютерных играх, мультфильмах, фильмах, рекламных продуктах, создание референса дает возможность ускорить многоэтапный процесс.

Цель: Комплексное изучение программ для создания 3Д модели персонажа, выявление и сравнение их возможностей.

Задачи:

анализ источников литературы, сравнительный анализ 3 Д сред;

создать трехмерную модель, на основе референса и анатомических особенностей объекта;

исследование метода создания персонажа;

изучение инструментов для создания 3Д модели.

Предмет исследования: программы, 3Д моделирование

Объект исследования: область применения программ, для создание3Д моделиперсонажа

Новизна: Создание 3Д модели персонажа на основе референса с помощью программы Blender

Методы исследования:

Теоретические: анализ литературы,

Эмпирические: создание референса, практическое создание 3Д модели на основе референса.

Основные понятия, проблемы и история 3Д моделирования

История развития 3Д моделирования

Индустрия 3Д моделирования берет своё начало с 1960 годов, аспирант Иван Сазерленд создал программу Sketchpad, которая давала возможность создавать простейшие трехмерные объекты. Первая кафедра компьютерной графики была открыта в институте города Юта, Иваном Сазерленд и доктором Дэвидом Эвансом. К примеру техника Phong shading разработана вьетнамским ученым Би Тюн Фонгом, студентом кафедры компьютерной графики Юты. Преподаватель этого университета французский ученый Анри Гюра, изобрер принцип Gouraud shading [11, с.5 переработанное].

«Evans & Sutherland» - первая компания созданная в 1969 году Эвансом и Сазерлендом, занималась компьютерной графикой. Первая компьютерная анимация была создана в начале 1970-х годов компьютерной компанией МAGI, это вращающийся логотип IBM на мониторе офиса компании. МАGI разработала «трассировку лучей», это метод отслеживания обратного хода, попадающего в камеру луча, продолженного от каждого элемента изображения, за счет этого хорошо просчитываются отражения, блики, тени, геометрические объекты. Процедурная система моделирования содержала модели созданные путем комбинирования двадцати пяти геометрических фигур из библиотеки программы. Компания Triple-l основана в 1962 году специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериала, с 1975 года открылось отделение компьютерной графики и анимации. Triple-I задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты, а компания MAGI - геометрические фигуры. Метод Triple-I получил название «полигонального». В 1980-1990 годах отмечается продолжение развития 3D-технологий. Первая компьютерная графика была весьма тяжелой, а компьютеры очень большими, но изобретение микропроцессора способствовалотэволюции компьютерных технологий и значительному уменьшению самого компьютера. Компания Intel в 1974 году выпускает 8-битный процессор Intel 8080. В том же году компания Motorola выпускает процессор 6800. Настоящим хитом продаж становится домашний компьютер Apple II, представленный публике в 1977 году [11, с.6 переработанное]. Малая мощность мешала работе с 3D-графикой, необходимы были усиленные рабочие станции. Профессор Стэнфордского университета Джим Кларк, оставив кафедру компьютерной графики, открывает вместе с Эбби Сильверстоуном компанию Silicon Graphics, в ноябре 1981 года. Джим Кларк также является одним из основателей компании Netscape (1992). Первым детищем SGI стал IRIS 1000 - серия машин SGI, работающих с процессором Motorola 6800 и материнской платой Sun-1. Вскоре SGI начинает выпускать машины, работающие под операционной системой Unix. Преимуществом SGI в сравнении с моделями компьютеров других производителей являлся программно-аппаратный комплекс Geometry Pipelines, который увеличивал скорость работы с 3D [11, с.7 переработанное]. Наибольшего успеха добиваются графические станции SGI серии IRIS 4D, с мощными системами визуализации Onyx, способными уместить до 64 процессоров. Такими машинами оснащаются крупнейшие голливудские 3D-студии: ILM и Digital Domain. Графические станции SGI обладали большой производительностью и высокой стоимостью, ориентированы на небольшую целевую аудиторию профессионалов. До начала 90-х гг. использовалась 2D-графика, в ее основу легли две оси координат: X и Y - ширина и высота, для спецэффектов стали использовать еще одну ось - Z, которая выражала глубину изображения. Сегодня достаточно овладеть одной из программ по созданию 3D-графики, чтобы получать объемное изображение, главное обратить внимание на инструменты, они должны быть простыми в понимании и высокопроизводительными, удобными для начинающих [11, с.7 переработанное].

Основные понятия и проблемы 3D моделирования

Maya – промышленный стандарт 3D графики в кино и телевидении. Maya

Популярна среди крупных студий и масштабных проектов в рекламе,кино. Пакет идеален для создания анимации. Maya стала результатом совмещения трех программных продуктов: Wavefront The Advanced Visualizer (Калифорния, США), Thomson Digital Image (TDI) Explore (Франция) и Alias Power Animator (Торонто, Канада). В 1993 Wavefront купила TDI, затем в 1995 компания Silicon Graphics Incorporated (SGI) купила обе компании Alias и Wavefront. Объединѐнная компания стала называться AliasWavefront. Позднее AliasWavefront была переименована в Alias. В 2003 году Alias была продана SGI частной инвестиционной фирме Accel-KKR. В октябре 2005 Alias была снова перепродана, — на сей Alias была куплена Autodesk. 10 января 2006 Autodesk завершила слияние, и с этого времени «Alias Maya» известна как «Autodesk Maya». 8-я версия продукта вышла под новым названием. Maya существовала в трѐх версиях [3, переработанное].

1.Maya Unlimited - самый полный и самый дорогостоящий пакет. Содержит расширения Hair, Fur, Maya Muscule, Fluid Effects, Cloth и другие.

2.Maya Complete - базовая версия пакета, в которой присутствует полноценные блок моделирования и анимации, но отсутствуют модули физической симуляции.

3.Maya Personal Learning Edition - бесплатный пакетдля некоммерческого использования. Есть функциональные ограничения, ограничение на размер визуализированного изображения, пометка водяными знаками финальных изображений.

Основными возможностями пакета являются: полный набор инструментов для NURBS- и полигонального моделирования; мощные средства общей и персонажной анимации; развитая система частиц; технология Maya Fur (создание меха, волос, травы);

технология Maya Fluid Effects (моделирование жидкостей, атмосферы); динамика твердых и мягких тел; широкий набор средств создания динамических спецэффектов; UV-текстуры, нормали и цветовое кодирование; многопроцессорный гибкий рендеринг.

Достоинства программы: огромный функционал и возможности. Недостатки: длительное и сложное обучение, высокие требования к системе, высокая цена [3, переработанное].

Cinema 4D более понятный и удобный интерфейс нежели у Maya. Широко используется в моушен-дизайне, киноиндустрии и рекламе. В 1991 году Кристиан и Филипп Лѐш создают предшественницу CINEMA - программу FastRaу - для компьютерной платформы Amigo. Кристиан и Филипп создали программу трехмерной компьютерной графики, в которой можно было делать и анимацию – еще одно измерение и, недолго сомневавшись, добавив еще одну единичку к обычной аббревиатуре 3D, выпускают в свет в 1993 году пакет под привычным нам названием CINEMA 4D. Пока также только для компьютеров Amigo. Однако уже в 1994 году становится понятно, что время Amigo и Atari прошло, и команда разработчиков устремляется к новым высотам. В 1996 году CINEMA 4D V4 выходит одновременно для платформ Windows, Macintosh и Alpha NT. В дальнейшем никаких революционных событий в жизни CINEMA не происходило. Под крылом MAXON она спокойно эволюционировала, разве что в 2000 году немецкая компания Nemetschek AG приобрела 70% акций MAXON Computer GmbH, что в общем-то также никак не сказалось на самой CINEMA. В настоящее время вышел последний релиз программы - MAXON CINEMA 4D R13. Стоимость – от 30 до 140 тысяч рублей в зависимости от условий лицензии и числа приобретаемых модулей. Основными возможностями программы CINEMA 4D можно указать следующие: BodyPaint 3D (модуль для создания разверток UV и текстурных карт); генерация и анимация объектов; персонажная анимация; динамика мягких и твердых тел; модуль для создания реалистичных волос; система частиц Thinking Particles; встроенный визуализатор. Достоинства: легкость в освоении; интуитивный интерфейс; отличный функционал; множество обучающих материалов; тесная связь с Adobe After Effects, Houdini и т.д. Недостатки: неотлаженная система перехода между версиями [12, переработанное].

Modo - полноценный продукт для моделирования, рисования, анимации и визуализации. Включает также инструменты скульптинга и текстурного окрашивания. Благодаря удобству использования и высокой производительности, у Modo репутация одного из самых быстрых инструментов моделирования.Modo популярен в сфере рекламы, разработки игр, спецэффектов и архитектурной визуализации. Modo создан группой инженеров, ранее работавших над LightWave 3D.В 2004 году, через три года после начала разработки, на Siggraph была представлена первая версия MODO. Лицензированная версия «Modo» платная [3, переработанное]. Можно приобрести себе бесплатный триал на месяц. Возможности; полигональное и моделирование SDS; современные инструменты анимации; динамика твердых и мягких тел; система рисования; материал Fur (мех) для создания волос, травы и меха; инструменты лепки; быстрая и качественная визуализация. Достоинства: высокая производительность; удобство пользования; возможность полностью настроить программу для пользователя; реалистичность изображений. Недостатки: отсутствие русификации; высокие системные требования; необходимость прохождения регистрации перед скачиванием.

Blender включает в себя средства для 3D-моделирования, анимации, а также набор опций для создания игр, визуальных эффектов и скульптинга. Благодаря поддержке Blender Foundation, программа очень быстро и стабильно развивается. Blender был разработан как рабочий инструмент голландской анимационной студией NeoGeo. В июне 1998 года автор Blender’а, Тон Розендаль, основал компанию Not a Number (NaN) с целью дальнейшего развития и сопровождения Blender. В 2002 году компания NaN обанкротилась. Усилиями Тона Розендаля кредиторы соглашаются на изменение лицензии распространения Blender в пользу GNU GPL с условием единовременной выплаты 100 тысяч евро. 18 июля 2002 года началась программа по сбору спонсорских пожертвований на покрытие необходимой суммы. Уже 7 сентября 2002 года было объявлено о том, что необходимая сумма набрана, и о планах перевести в ближайшее время исходный код и сам Blender под лицензию GPL. 13 октября 2002 года компания Blender Foundation представила продукт. В настоящее время Blender является проектом с открытым исходным кодом и развивается при активной поддержке Blender Foundation. Возможности: полигональное моделирование, сплайны, NURBS-кривые и поверхности; режим лепки; система частиц; динамика твердых и мягких тел: жидкость, шерсть/волосы и т.д.; скелетная анимация; встроенные механизмы рендеринга и интеграция со сторонними визуализаторами; редактор видео; функции создания игр и приложений (Game Blender). Достоинства: программа распространяется бесплатно, удобный способ размещения объектов, возможность анимирования персонажа, гибкий инструментарий создания анимаций, возможность быстрого и качественного создания реалистичных визуализаций. Недостатки: интерфейс программы сложен в изучении, сложная логика редактирования элементов, данная платформа крайне востребована в кругу узких специалистов: это производство автозапчастей, моделирование техники, расчѐт трѐхмерных объектов для правильного сверления и т.п. [3, переработанное].

По большому счѐту, создание 3D-моделей в «Компасе» – это построение объѐмных ассоциативных моделей, начиная с изолированных узлов и заканчивая полномерной сборочной единицей. Главной особенностью платформы является то, что единожды созданный 3Д-прототип позволяет быстро создавать модели самых разных типовых изделий. Программа поддерживает «сложные» 3Д-форматы - SAT, IGES, XT, VRML, STEP, и способна передавать геометрические пакеты на различного рода оборудование с ЧПУ, что делает еѐ незаменимой на производственных участках. «Компас» выпускается в нескольких редакциях: «Компас-График», «Компас-СПДС», «Компас-3D», «Компас-3D LT», «Компас-3D Home. «Компас-График» может использоваться и как полностью интегрированный в «Компас-3D» модуль работы с чертежами и эскизами, и в качестве самостоятельного продукта, предоставляющего средства решения задач 2D- проектирования и выпуска документации. «Компас-3D LT» и «Компас-3D Home» предназначены для некоммерческого использования, «Компас-3D» без специализированной лицензии не позволяет открывать файлы, созданные в этих программах. Такая специализированная лицензия предоставляется только учебным заведениям [10, переработанное]. Достоинства: система легка для изучения, особенно конструкторами без опыта работы в 3D; наличие обширных библиотек стандартизированных по ГОСТ элементов; система ответственная, поэтому проблем с локализацией нет; относительно невысокая стоимость; легко приобрести, распространяется бесплатная учебная версия; имеются инструменты трассировки трубопроводов, кабелей и жгутов; есть модуль проектирования электрических цепей; продуманный модуль 2D-черчения; имеется возможность проектирования деталей, гнутых из листового металла; поддерживается расчёт упругих деталей; есть встроенная система обучения; относительно удобный и несложный для обучения интерфейс. Недостатки: нет кинематического, прочностного, температурного, частотного анализа; недостаточно продумана система спецификации; система развивается крайне медленно; очень слабые возможности создания фотореалистичного изображения; отсутствуют инструменты резервирования объѐмов; иногда возникают проблемы с импортированием моделей из других CAD. Поддержка операционных систем: «Windows», «Линукс» [10, переработанное].

II. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ДЕЙСТВИЯ В ПРАКТИКЕ 3 Д МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Алгоритм поэтапного создания 3Д модели

Принципы создания персонажа

На данный момент, не один фильм, игра, анимационный ролик, презентация не представляется нам без 3Д графики, где действующие персонажи как одушевленные – животные, птицы, так и неодушевленные предметы. Предшествует анимацию персонажа долгий поиск образа и правильного построения. Как правило, он создается под конкретную цель и модель для игры отличается от модели для фильма. Для игровой требуется создание высокополигональной и низкополигональной модели. В игре оправдано использование низкополигональной модели из-за рендеринга объекта, который происходит мгновенно. Игрок не может ждать часами, пока его герой совершит действие. В игре существует ограничение на количество полигонов для моделей в игре.

Высокополигональная модель создаётся для изготовления низкополигональной и снятия детализации объекта (складки на одежде, рельеф кожи), для использования этой информации при текстурировании. При создании персонажа анимационных фильмов создается высокополигональная модель и среднеполигональная модель, которая будет текстурироваться и анимироваться.

Процесс поиска аналогов и референсов

До моделирования кота составлен референс, для дальнейшей работы.

Ссылаясь на аналитическую часть работы, принято решение взять за основу кота, упростить некоторые черты, сделать более привлекательным образ в целом. Для референса найдено три плана: вид сверху, профиль, анфас – для создания трехмерного представления внешней анатомии кота, дополненной анатомическим описанием и аналитической частью. В референс вошли и другие планы, дополняющие представление о нём.

На листе был создан скетч, упрощающий моделирование и продублирован в программе Blender 2.91.2.

Ход работы.

Создание референса

Процесс моделирования головы кота

Процесс моделирования туловища кота

Процесс моделирования конечностей кота

Обобщение, соединение частей в целостный образ

Процесс работы с фактурой – отрисовка шерсти головы

Изображение шерсти на туловище

Изображение шерсти на конечностях

Обобщение, соединение фактуры частей

Детализация

2.2. Практика создания 3Д модели

Проектная часть

Таблица 1

Инструкционная карта создания 3D модели «Кот» в программе Blender

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, получив свое начало в не таком далеком прошлом, компьютерная графика успела освоить большой и тернистый путь. Началось все с проектов некоторых энтузиастов из области науки и применении компьютера при проектировании в целом для бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, а закончилось проникновением во все сферы деятельности человека. Современные технологии внесли кардинальные изменения практически во все области деятельности человека, позволяя существенно упростить и автоматизировать те или иные процессы, снизить затраты и повысить эффективность работы. В современном мире компьютерные технологии стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы рассмотрели программы: Maya, Cinema 4D, Modo, Blender, Компас -3D. Наиболее комфортной для наших условий и поставленных задач программа Blender, в которой был реализован проект 3Д моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Летин А.С. Компьютерная графика, М.: Форум, 2009. 256 с.

Маклафлин, Б. Объектно-ориентированный анализ и проектирование, М.: Питер, 2013.608 c.

Обзор самых популярных 3D редакторов [электронный ресурс] URL https://videosmile.ru/lessons/read/obzor-samyih-populyarnyih-3d-redaktorov.html [в тексте]

Овчинникова И.Г. Компьютерное моделирование вербальной коммуникации: Учебно-методическое пособие, М.: Флинта, Наука, 2009. 136 c.

Петелин А. SketchUp – просто 3D! [в тексте],М.: Интернет издание, 2012. 186 с.

Пряжинская В.Г., Ярошевский Д.М., Левит-Гуревич Л.К. Компьютерное моделирование в управлении водными ресурсами, М.: Физмалит, 2008. 400с.

Рябцев Д.В. Дизайн помещений и интерьеров, М.: Питер, 2006. 272 с.

Сазонова Е.А. Проектирование, М.: Уфа: БГПУ, 2009. 156с.

Сирота А.А. Анализ и компьютерное моделирование информационных процессов и систем, М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2009. 416 c.

Создание 3D - моделей: обзор программ, описание [электронный ресурс]. URL http://fb.ru/article/250316/sozdanie-d-modeley-obzor-programm-opisanie[в тексте]

Создание компьютерных 3D-моделей [электронный ресурс]. URL http://otherreferats.allbest.ru/programming/00413797_0.html [в тексте]

Создание трѐхмерного изображения в программе Cinema4D [электронный ресурс] URL: http://pandia.ru/text/77/398/103666.php [в тексте].