XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
3D моделирование, его развитие и применение
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы исследования. В настоящее время широкое распространение получило 3D-моделирование во всех областях деятельности от игр до медицины.
«Теоретически для построения наилучшей модели требуется, чтобы все необходимые компоненты поступили на рассмотрение одновременно». Эдвард де Боно
Эти слова принадлежат Британскому психологу и автору 12 книг. Я согласен с его мнением, так как полный взгляд на ситуацию позволяет работать, отталкиваясь сразу от всех частей информации.
Моделирование в информатике – это составление образа какого-либо реально существующего объекта, который отражает все существенные признаки и свойства.
3D-технологии создания объектов можно использовать практически повсеместно. Вы можете создать расческу, ложку, подставку и т.д. Значительно ускорить строительство и сделать его более доступным и безопасным. С развитием трёхмерных технологий, стало возможно создание большинства частей человеческого тела. Но чаще они используются в стоматологии.
Тема данной проектной работы была выбрана потому что, я считаю её актуальной и хочу рассказать вам о технологии за которой, на мой взгляд, стоит будущее в свете многообразия её использования.
Целью работы выступает анализ и изучение 3D-моделирования.
Объект исследования 3D-моделирование
Предмет исследования характеристики и особенности 3D-моделирования, и его развитие и применение.
Задачи:
Изучить особенности использования 3D – технологий.
Научиться создавать модели с использованием 3D – ручки.
Создать собственную 3D-модель детской площадки для детей.
Глава 1. Что такое 3D моделирование
1.1 Появление и развитие 3D моделирования
Что же такое 3D-моделирование, это Трёхмерная графика – раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объектов в трёх измерениях.
3D-моделирование – это процесс создания геометрической модели, путем описания ее координат в пространстве, имеющим три однородных измерения: высота, длина, ширина, задающихся в трех плоскостях: X, Y, Z.
В 1963 году американский ученый Иван Сазерленд разработал первую 3D программу – Sketchpad. Она могла создавать простые 3D объекты с помощью полигональной сетки – совокупности ребер, вершин и граней.
Защитив диссертацию «Наука компьютерной графики», Сазерленд и доктор Дэвид Эванс открывают в университете города Юты первую кафедру компьютерной графики. В 1969 году они открыли первую компанию, которая занималась производством компьютерной графики – Evans and Sutherland.
Изначально компьютерная графика и анимация использовалась преимущественно в рекламе и на телевидении.
С развитием 3D-технологий, 3D-моделирование начало внедрятся в системы автоматизированного проектирования, создавая новый подход к процессу проектирования.
Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.
Это основные этапы создания 3D модели в наше время, раньше 3D модели делались из глины и бумаги.
1.2. Применение 3D-моделирования
Существует три вида 3D-моделирования:
каркасное моделирование;
поверхностное моделирование;
твердотельное моделирование.
Первый из них, наиболее простой – это каркасное моделирование. Модели, получаемые при создании этого типа, будут называться каркасными. Состоят они из линий, дуг, сегментов и полигонов. Изображения такого типа не передают полную информацию об объекте, зато с их помощью можно изучить его устройство и функциональность.
Рисунок 1 – Пример каркасного моделирования
Главным преимуществом каркасного моделирования является то, что на хранение трехмерных моделей, созданных этим способом, не требуется много оперативной памяти компьютера. Чаще всего каркасная визуализация применяется в специализированных программах для построения предполагаемой траектории движения устройства или инструмента.
Второй вид 3D-моделирования – это поверхностное моделирование.
Рисунок 2 – Пример поверхностного моделирования
В отличие от каркасного, здесь имеются не только сегменты, линии, дуги и полигоны, но и поверхности, образующие контур отображаемого объекта.
Последний, самый точный тип 3D-моделирования, называется «твердотельное моделирование». В результате его использования можно получить настоящий образец готового объекта, который передает все данные о нем.
Рисунок 3 – Пример твердотельного моделирования
Модель, созданная благодаря этому способу визуального воспроизведения, содержат текстуру. Хотя такие модели занимают наибольший объем памяти компьютера по сравнению с остальными, но они полностью описывает готовый объект.
Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например, в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.
Самое широкое применение – во многих современных компьютерных играх, а также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.
Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твёрдого тела (воксельная модель).
1.3. 3D-моделирование фотореалистичных изображений
Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты, такие, как:
Autodesk 3ds Max, Autodesk Maya, Autodesk Softimage, Blender, Cinema 4D, Houdini, Modo, LightWave 3D, Caligari Truespace, Unreal Engine, Unity, атакжесравнительноновые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo и ZBrush.
Среди открытых продуктов, распространяемых свободно, числится пакет Blender (позволяет создавать 3D-модели, анимацию, различные симуляции и др. c последующим рендерингом), K-3D и Wings3D.
Визуализация трёхмерной графики в играх и прикладных программах
Есть ряд программных библиотек для визуализации трёхмерной графики в прикладных программах – DirectX, OpenGL и так далее.
Есть ряд подходов по представлению 3D-графики в играх — полное 3D, псевдо-3D.
Моделирование деталей и механизмов для производства
Существуют конструкторско-технологические пакеты CAD/CAE/CAM, предполагающие создание моделей деталей и конструкций, их расчёт, оформление по ним конструкторско-технологической документации и, при необходимости, последующее формирование программ для станков ЧПУ и 3D-принтеров. Общеупотребительным для данных групп программного обеспечения является термин «система автоматизированного проектирования» (САПР).
Особенностью данных пакетов является точность построения модели с возможностью генерации с неё геометрически точных разрезов, сечений, получения расчётной информации о массе изделия или конструкции и различного рода проекций.
Моделирование зданий и сооружений
Отдельным направлением трёхмерного направления является информационное моделирование зданий (BIM/ТИМ). Так же, как и производственные системы проектирования, программы для BIM оперируют точным построением моделей, наполнения их различного рода атрибутивными свойствами и возможностью представления их в различных представлениях (разрезы, виды, спецификации).
Толчком к широкому распространению технологии послужило создание в 2008 году открытой библиотеки FLARToolKit для технологии Adobe Flash.
Глава 2. Создание продукта проекта
2.1. Выбор программного обеспечения
На сегодня разработано солидное многообразие программ для моделирования. Для детализации их можно разделить на несколько групп, согласно тем задачам, на которые это ПО ориентировано:
Максимально детальное отображение фактуры строительных материалов и конструкций 3D моделей зданий и сооружений (3Ds max Autodesk).
Максимально детальное выполнение рабочих чертежей 3D моделей зданий и сооружений, в том числе с расчетами нагрузок и размеров (BIM Building Information Modeling в Autodesk Revit).
Максимальная реалистичность моделей в киноиндустрии и играх (Maya Autodesk).
Цифровой скульптинг (ZBrush, Mudbox).
Особое место в трехмерном моделировании занимает визуализация (получение реалистичной картинки).
Процесс формирования визуализации называется рендер (анл. глагол render – представлять, отображать, англ. rendering —визуализация).
Для рендера используются вспомогательные программы. Часть из них являются штатными в 3D программах. Успеха в этом направлении добились также и сторонние производители рендер программ. Особую популярность имеет Chaos Group, которая имеет две самые прогрессивные программы для рендера VRay и CORONA.
Рисунок 4 – VRay и CORONA
Независимо от вида используемой программы и ЭВМ создание модели для постановки сцены используют раздел программы:
Моделирования с применением необходимых модификаторов.
Шейдинга для назначения материалов на готовые модели.
Визуализация.
Чтобы грамотно выбрать ПО, необходимо полноценное и квалифицированное понимание ТЗ и всех этапов трехмерного моделирования. Вам понадобится проанализировать софт с точки зрения специфики и функционала, чтобы на выходе получить высшее качество.
Например, чтобы эффективно выполнить чертежи, софт нужен такой: 3Ds max, AUTOCAD и Adobe Photoshop. Это ПО обеспечит качество моделирования, рендеринга и соблюдение сроков сдачи работы заказчику.
В программе Autodesk AUTOCAD чертится 2d план объекта или здания в масштабе с указанием всех необходимых для 3D моделирования размеров. Иногда для аналогичных целей используются cad для 3D моделирования — типа Autodesk Revit или AUTOCAD 3D для архитекторов.
Когда выбрана программа для 3D моделирования, необходимо определиться с дополнительной программой для рендеринга. Это, как правило, дополнительный плагин (расширение), которое обязано полностью отвечать требованиям ТЗ по качеству визуализации и презентационным свойствам рендеров.
Рисунок 5 – CORONA
Существуют приложения, которые считаются лучшими для рендеринга: Iray, V-Ray, Arion, Oktane, Corona, Mental ray и Arnold. Все они имеют широкий функционал и дружелюбный интерфейс, который дает возможность визуализатору успешно выполнить финальный расчет.
Технологии визуализации постоянно совершенствуются
В настоящее время Corona вместе с Chaos Group выпустила модель программы за номером 3. За это время в ее составе появилась своя камера и светильники. Усовершенствовалась система назначения материалов при помощи своих процедурных карт. Простота рендера в реальном времени позволила ПО от Corona стать самым популярным для начинающих визуализаторов. Особенно это проявилось после создание мощной библиотеки материалов в составе самой программы. Слабым местом программ Corona – Chaos считается процесс преобразования сцен, созданных в V-Ray, в Corona и обратно. Из-за дефектов данного импорта-экспорта часто требуется корректировка материалов и освещения.
Начиная с 1997 года, появляется в продаже редактор трехмерной графики 3D Studio Max 2 имеющий в составе все современные блоки интерфейса.
Autodesk ежегодно выпускает новую версию программы в двух вариантах— 3Ds Max и 3Ds Max Design. Первый вариант предназначен для специалистов в области моделирования. Второй вариант программы используется дизайнерами и архитекторами.
Рисунок 6 – Autodesk
Все это разнообразие инструментов и технологий в сфере 3D моделирования и проектирования, дает огромные возможности специалистам из разных областей! Освоение трехмерной графики двигает вперед целые промышленные направления, а также делает нашу жизнь динамичнее, интереснее. Мы уверены, что будущее 3D моделирования почти не имеет горизонтов и пределов, что эти передовые технологии скоро станут еще более доступными, востребованными и незаменимыми!
2.2. Этапы создания продукта
Продуктом моего проекта стала 3D-модель детской площадки для детей и подростков.
Для создания данной модели мне пришлось научиться работать с программойArchicad.
Обучался я создавать модели благодаря людям, которые много лет работают с данной программой, и знают толк в этом деле.
Обучался я этому примерно 2-3 месяца, это было тяжело и весело одновременно.
Через 4 месяца после начала изучения программы я смог создать модель детской площадки, оборудовав её всем нужным, и такую площадку можно было бы построить где-то в квартале или даже в парке.
Мне бы хотелось по больше рассказать о программе Archicad, так как она, мне показалась более лёгкой в обучении, да и в общем создании моделей.
Archicad – программный пакет для архитекторов, основанный на технологии информационного моделирования, созданный венгерской фирмой Graphisoft. Предназначен для проектирования архитектурно-строительных конструкций и решений, а также элементов ландшафта, мебели и т. п.
При работе в пакете используется концепция Виртуального Здания. Суть её состоит в том, что проект Archicad представляет виртуальную модель реального здания, существующую в памяти компьютера. Для её выполнения проектировщик на начальных этапах работы с проектом фактически «строит» здание, используя при этом инструменты, имеющие свои полные аналоги в реальности: стены, перекрытия, окна, лестницы, разнообразные объекты и т. д. Завершив этап моделирования, пользователь может извлечь из «виртуального здания» все необходимые данные для создания проектной документации: планы этажей, фасады, разрезы, экспликации, спецификации, визуализации и пр. Archicad является одним из первых приложений в АИС-индустрии, реализовавших поддержку подхода OPEN BIM на основе межплатформенного формата взаимодействия IFC.
Преимущества данной программы:
Основным преимуществом программы является естественная взаимосвязь между всеми частями проекта. Технология «виртуального здания» (BIM, ЦМО) позволяет работать не с отдельными, физически никак не связанными между собой чертежами, а со всем проектом в целом. Любые изменения, сделанные, например, на плане здания, автоматически отобразятся (перестроятся, перерассчитаются) на разрезах, видах, в спецификациях, экспликациях и пр. Такой подход обеспечивает значительное сокращение времени проектирования. Кроме того, при правильной работе с виртуальным зданием гарантировано обнаружение и устранение большинства проблем, которые обязательно проявились бы на более поздних этапах проектирования или, что ещё хуже, уже на строительной площадке.
Благодаря большому количеству настроек стандартных инструментов, объекты настраиваются в соответствии с пожеланиями пользователя.
Archicad позволяет работать над одним проектом группе архитекторов. Развитая система групповой работы (teamwork) также сокращает время проектирования и способствует недопущению несоответствий в частях проекта, разрабатываемых разными архитекторами. В 13-й версии программы была представлена революционная технология Teamwork 2.0, обеспечивающая непревзойдённую гибкость и целостность командной работы.
Продукт
Заключение
В настоящее время технология 3D-печати больше не воспринимается как узконаправленная и дорогая услуга. Доступность и использование различных материалов позволяет проводить самые неожиданные эксперименты. Например, голландская архитектурная студия Universe Architecture собирается построить первое в мире здание, секции которого печатаются на гигантском 3D-принтере. Это далеко не единственный, хотя и впечатляющий пример необычного использования 3D-печати.
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. Сегодня компьютерные технологии, такие как трехмерное моделирование, стали неотъемлемой частью нашей жизни.
3D модели можно встретить практически где угодно: на уличных плакатах, в магазинах, на упаковках товаров, в фильмах и мультфильмах. Популярность данной услуги неуклонно растет, поскольку качественно сделанная модель, презентация или целый видеоролик сделают Вашу рекламу более привлекательной, помогут спроектировать внешний вид любого товара, создать качественный предварительный проект и представить его потенциальным клиентам или заказчикам.
Список использованной литературы
Workbench V. 3ds Max 2008. Трюки и эффекты - СПб .: Питер, 2008, - 480 с.
Верстак V. 3ds Max 9. Секреты мастерства - СПб: Питер, 2008, - 736 с.
Вильямс, 3ds Max 2010. Пользовательская Библия, Диалектика, 2012 -1312 стр.
Келли Д. Анимация персонажей в 3ds Max 8 - СП .: Диалектика, 2008. - 553 с.
Маров М. Тонкости настройки и работы в 3ds max - М .: НТ Пресс, 2007 - 1072 с.
Робертс С. Анимация трехмерных персонажей - М .: IT Press, 2007 - 264 с.
Стыренко А.С. 3ds Max 2009 / 3ds Max Design 2008, Самостоятельное обучение - М .: ДМК Пресс, 2008, - 544 с.
Чумаченко И.Н. 3ds Max 9 на 200% - М .: НТ Пресс, 2007 - 592 с.