XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка 3D моделей: игрового животного Кхику, тепличного комплекса для круглогодичного использования по выращиванию растений на пришкольном участке, строение внешнего глаза человека и глаза кошки в программе Blender
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сегодня 3D-моделирование не является чем-то диковинным, напротив, на сегодняшний день данное направление активно используется в сфере маркетинга, в области архитектурного дизайна, при создании кинофильмов, а также в промышленности и медицине. 3D-моделирование перешло на новый уровень и стало востребовано как никогда. Каждый человек уже может напечатать нарисованный им самим или загруженный из интернета 3D-объект, будь то дизайнерская модель или персонаж любимого мультфильма. Естественно, не все разбираются в 3D-программах и умеют моделировать объемные объекты.[1]
Одной из самых популярных программ для 3D моделирования считается Blender. Это многофункциональный софт, знакомство с которым будет полезно тем, кто только вступает в мир трехмерной графики и стремится понять основные принципы работы этой отрасли.[2]
Актуальность 3D-моделирования заключается в следующем:
- возможность создавать объемные чертежи и модели
- умение работать со всеми необходимыми инструментами для создания 3D-моделирования
- приобретение навыков, которые позволят стать профессиональным дизайнером, архитектором
- продвижение в профессиональном плане
Целью данного проекта является изучить программу Blenderи разработать с помощью нее различные 3Dмодели.
Задачи проекта:
- изучить основные положения трехмерной компьютерной графики;
- изучить правила работы с программой Blender;
- пройти курсы по программе «Blender» в школе программирования;
- самообучаться, просматривать видео-уроки на русском и английском языках;
- создать с помощью программы Blender такие модели:
Игровое животное Кхику
Модель тепличного комплекса для круглогодичного использования по выращиванию растений на пришкольном участке
Внешнее строение глаза человека и глаза кошки
- познакомиться с разными возможностями данной программы
Трехмерная компьютерная графика
Традиционно рисуют в 2D (по осям X и Y) — на бумаге, холсте, дереве и т.п. При этом отображают какую-то одну из сторон предмета. Картинка сама по себе плоская. Но если мы хотим получить представление обо всех сторонах предмета, то необходимо нарисовать несколько рисунков. Так поступают в традиционной рисованной анимации. Но, вместе с тем, существует, (кстати, в СССР была довольно хорошо развита) т.н. кукольная анимация. Один раз изготовленную куклу снимают в необходимых позах и ракурсах, получая серию «плоских картинок». 3D (к X и Y добавляется координата глубины Z) визуализация — это те же «куклы», только существующие в цифровом виде. Другими словами, в специальных программах (Blender, 3ds Max, Maya, Cinema 4D и т.п.) создается объемное изображение.[3]
Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объектов в трёх измерениях.
3D моделирование — это проектирование трехмерной модели по заранее разработанному чертежу или эскизу. Для построения объемной модели предмета используются специальные программные продукты визуализации и аппаратные устройства в виде компьютеров, планшетов и оргтехники. При моделировании важным этапом является рендеринг — преобразование черновой вариации модели в приятный для глаз формат.
Современная трехмерная компьютерная графика позволяет создавать максимально реалистичные модели объекта, которые бывает трудно отличить от обычной картинки. Профессионально смоделированная презентация позволяет на высоком уровне продемонстрировать или предложить услугу потенциальным клиентам, партнерам, инвесторам.
3D-моделирование и построение анатомических атласов позволяет лучше понять, как работает устройство человеческого организма, и принимать верные решения в различных жизненных функциях. 3D-модели можно использовать на уроках биологии, для изучения строения и функционирования биологических объектов.
Использование 3D моделирования:
Создание различных моделей персонажей. Обычно это используется при создании мультфильмов и при проектировании современных компьютерных видеоигр.
3D визуализация зданий. Этим занимаются проектные организации, которые желают оценить для заказчика конструктивные особенности будущего объекта.
Реклама и маркетинг. Часто требуются нестандартные объекты для рекламирования. Важную составляющую трехмерная графика играет при демонстрации какой-либо услуги. Это позволяет произвести более эффектное впечатление на заинтересованных лиц.
Медицинская сфера. Например, при проведении пластической операции или же хирургическом вмешательстве, все чаще используют трехмерную графику для того, чтобы наглядно продемонстрировать пациенту, как будет проходить процедура, и каким будет результат.
Промышленная сфера. Современное производство невозможно представить без моделирования продукта компании. Каждую деталь или полноценный объект проще собирать по готовой и продуманной 3D-модели.[4]
Изготовление эксклюзивных украшений. Профессиональные художники и ювелиры используют специальные программы, которые позволяют создать оригинальный и неповторимый эскиз;
Производство мебели и комплектующих. Производственные мебельные компании нередко используют разработку трехмерной модели для размещения своей продукции в электронных каталогах[5]
Изучение программы Blender
2.1 Общие положения
Blender 3D – бесплатный программный продукт, предназначенный для создания и редактирования трехмерной графики. Программа распространена на всех популярных платформах, имеет открытый исходный код и доступна совершенно бесплатно всем желающим, а также есть версия на русском языке.
Особенность программы
Обширный набор инструментов моделирования Blender упрощает создание, преобразование, лепку и редактирование моделей.
Инструменты
Инструменты моделирования Blender включают в себя:
-Сочетания клавиш для быстрого рабочего процесса
-Поддержка N-Gon
-Край скользит, схлопывается и растворяется
-Заполнение сетки и моста
-Скрипты Python для пользовательских инструментов и надстроек
Модификаторы
Модификаторы — это автоматические операции, которые воздействуют на объект неразрушающим образом. С помощью модификаторов вы можете автоматически выполнять многие эффекты, которые в противном случае было бы слишком утомительно обновлять вручную (например, поверхности подразделения) и не затрагивая базовую геометрию вашего объекта.
UV-развертка
Легко разворачивайте свою сетку прямо в Blender и используйте текстуры изображения или рисуйте свои собственные прямо на модели.
Блендер позволяет: проекции Fast Cube, Cylinder, Sphere и Camera; конформная развертка и развертка на основе угла (с краевыми швами и закреплением вершин); рисуем прямо на сетке; несколько УФ-слоев; экспорт изображения UV макета.
Основные термины и определения
Рендеринг — это процесс визуализации игрового 3D-объекта или сцены при помощи специальной компьютерной программы. Важно отметить, что в процессе рендеринга получают 2D-изображение или, другими словами, простую картинку. Рендер — это сложносоставное изображение, которое состоит из множества последовательных кадров. Чтобы объединить множество 3D-объектов в едином кадре, нужно провести рендеринг. Каждый отдельный кадр будет представлять собой подобие «отдельного кадра» или «отдельного слоя». При объединении всех объектов проводятся сложные математические расчеты, поэтому рендеринг — это трудоемкий процесс, требующий больших ресурсов компьютера.
Текстура – это изображение (растровый формат), применяемое к полигональной модели путем наложения, с целью придания модели фактурности, рельефности и нужной цветовой окраски. Процесс создания текстур называется текстурированием или 3D-мэппингом (от англ. map — карта).
Текстурирование – важный этап в процессе создания и визуализации 3D модели изделия, позволяющий придать поверхности объемного объекта определенных параметров и свойств, для придания ее максимальной реалистичности и сходства с реальным объектом.Качество текстурирования объекта определяется такими единицами как тексиль. Тексиль – это совокупность пикселей, приходящихся на 1 единицу текстуры. Формат и разрешение картинки используемой текстуры напрямую определяют качество итоговых результатов.
Освещение не является чем-то отдельным. На ряду с моделированием и текстурированием, это лишь одна часть головоломки. Освещение должно работать в гармонии с вашей историей и композицией для создания единого, целостного образа. Когда освещение выполнено хорошо, работа может привлечь внимание зрителей и в целом улучшить модель. Но когда плохо, то все с точностью до наоборот.Существует пять составляющих, на основе которых можно выстроить эффектное освещение в любой композиции. Это направление, размер, цвет, считываемость и акцент. Понимая принцип работы с ними, 3D-художник будет знать, что нужно сделать для достижения конкретного результата. Точечный свет — это всенаправленная точка света, то есть точка, излучающая одинаковое количество света во всех направлениях. Он визуализируется простой точкой в кружке. Будучи точечным источником света, направление света, попадающего на поверхность объекта, определяется линией, соединяющей источник света и точку на поверхности самого объекта. Его можно использовать как простую модель, например, лампочки. Другой вид света – это прожектор. Прожектор испускает конусообразный пучок света от кончика конуса в заданном направлении. Выбор подходящей формы для локального освещения повысит правдоподобность вашей сцены.
Камера – это объект, через который в Blender’е ведётся визуализация изображений. Она определяет часть сцены, которая будет видна на отрисованном изображении. По умолчанию сцена содержит одну камеру. Тем не менее, сцена может содержать несколько камер, хотя только одна из них может быть активна в один момент времени. Активная камера – это камера, которая в настоящий момент времени используется для визуализации. Находясь в режиме камеры, вы можете определить подрегион для визуализации, путём растягивания прямоугольника внутри рамки кадра камеры. Теперь ваши визуализации будут ограничены частью сцены, видимой внутри границы визуализации. Это может быть очень полезно для сокращения времени визуализации предпросмотров интересующей вас области.
Анимация. Всякая анимация в Blender создается следующим образом: выбираются некоторые кадры, в которых меняются позиции объектов, углы их поворота или происходят другие изменения, далее Blender сам рассчитывает скорость изменения параметров тел между этими кадрами.
Интерфейс Blender
Интерфейс Blender предлагает:
-Согласованность на всех платформах
-Нет отвлекающих всплывающих окон
-Четкий текст, включая поддержку дисплеев hi-dpi/retina.
- Возможность полностью настроить свой макет, от простого разделения области просмотра до полной настройки
При запуске программы открывается у всех одинаковое окно (Приложение фото 1)Самое большое из них — это окно 3D-вьюпорта (1). В нём мы создаем и модифицируем объекты, настраиваем сцену, материалы, освещение, движение камеры и другие элементы. Готовую сцену можно экспортировать в качестве 3D-объектов в другие 3D-редакторы или игровые движки либо использовать для рендера статичной картинки или анимации.Под вьюпортом можно увидеть окно таймлайна или временной линии (2). Здесь будут располагаться ключевые кадры, необходимые для создания анимации.В правой верхней части находится структура проекта (3), где схематично показаны все объекты в сцене. Их можно распределять по коллекциям — такая система особенно полезна при работе над масштабными проектами, так как она позволяет сортировать огромное количество объектов в удобном формате. Если кликнуть по любому из элементов в списке, он выделится и в 3D-вьюпорте.Под структурой проекта располагается множество вкладок с различными настройками (4).[8]
Макет экрана Blender по умолчанию: верхняя панель (синяя), области (зеленая) и строка состояния (красная). (приложение фото 2)
Горячие клавиши Blender:
Правая кнопка мыши — выделить;Shift + A — добавить объект;Х — удалить;Пробел — выполнить поиск по функциям;Ctrl + S — сохранить файл;F12 — сделать рендеринг;Esc — остановить рендеринг;F3 — сохранить рендеринг;Ctrl +Z — отменить;Ctrl + Shift + Z — вернуть действие;Shift + D — дублировать;M — переместить на слой;Ctrl + M — отзеркалить;Alt + A — проиграть анимацию.
Этапы создания трехмерных объектов
Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:
моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
освещение — установка и настройка источников света;
анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
композитинг (компоновка) — доработка изображения;
вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или специальный принтер.[6]
Практическая часть
Создание моделей:
Игровое животное Кхику
Модель тепличного комплекса для круглогодичного использования по выращиванию растений на пришкольном участке
3. Внешнее строение глаза человека и глаза кошки
Игровое животное Кхику
Я увлекаюсь компьютерными играми. В будущем я планирую сам создавать 3D модели для компьютерных игр. Сейчас для тренировки и обучения навыкам по созданию игровых моделей я выбрал сделать модель игрового животного Кхику.
Цель: сделать 3D модель игрового животного Кхику
Задачи:
-Разработать 3D модель игрового животного Кхику
- Посмотреть обучающее видео о разработке и создании игровых моделей
В интернете я нашел рисунок этого животного и стал реализовывать 3D модель на Blender. На разработку и создание этой модели я потратил около 5-6 часов.
Этапы разработки модели (приложение Фото 3-7):
Моделирование. Создание основы животного по картинке
Создание отдельных деталей (туловище, конечности, голова).
Наложение текстуры, цветовой палитры.
Наложение освещения на объект.
Рендеринг (визуализация) модели;
Композитинг (компоновка) — доработка изображения;
Вывод полученного изображения на дисплей.
Самое трудное было сделать рот, а также ноги.
Модель тепличного комплекса для круглогодичного использования по выращиванию растений на пришкольном участке
Проект предусматривает строительство нового современного тепличного комплекса общей площадью 280 м2с круглогодичным циклом работы на пришкольном участке «Долгопрудненской гимназии». На территории тепличного комплекса планируется выращивание микрозелени для гимназистов школы и проведение исследовательских работ.
Цель: сделать 3D модель тепличного комплекса для круглогодичного использования по выращиванию растений на пришкольном участке.
Для разработки тепличного комплекса пришлось решить ряд задач:
- Изучить теоретический материал по данной теме
- Найти информацию о техническом оснащении тепличного комплекса.
- Разработать 3D модель тепличного комплекса
Этапы разработки модели(приложение фото 8-12):
Моделирование. Создание основы тепличного комплекса на бумаге.
Создание модели на Blender
Создание отдельных деталей: корпус, стеллажи, растения, освещение.
Наложение текстуры, цветовой палитры.
Наложение освещения на объект.
Рендеринг (визуализация модели;
Композитинг (компоновка) — доработка изображения;
Вывод полученного изображения на дисплей.
Техническое оснащение круглогодичного тепличного комплекса
Планируемая общая площадь исследовательского комплекса — порядка 280 квадратных метров.
Теплицу можно построить из стального каркаса. Каркас изготавливается из металла, защищенного от коррозии с помощью нанесения цинкового покрытия, и устанавливается на бетонный ленточный фундамент. Высота стен комплекса 3,5 м2, высота в коньке 4 м2, длина 10 м2, ширина 7 м2.
Покрытие теплицы - сотовый трёхкамерный, теплый, долговечный материал с высоким коэффициентом светопропускания.
Полигон теплицы разделён условно на три секции. Бо́льшую часть (1) будут занимать посадки, затем исследовательский блок (2), где будут отрабатываться разные исследования. Третий блок отдан под хозяйственную часть (3).
Система отопления – теплосеть, которую можно протянуть и подключить от школы. Теплоноситель – вода. Вся система разделяется на несколько контуров для максимально эффективной теплоотдачи. Можно сделать теплые полы: электрические или протянуть от теплосети школы.
Проветривание. Верхняя часть каркаса оборудована открываемыми окнами. Общая площадь окон составляет 30 процентов покрытия. Окна можно сделать, чтобы открывались автоматически с помощью электродвигателей, посредством валов и червячных передач.
Система зашторивания предназначена для создания затенения при избыточной солнечной активности в весенне-летний период, а также для сохранения тепла в ночное время и в период сильных холодов. Система располагается под крышей теплицы, а также на боковых стенах.
Система циркуляции воздуха и аккумуляции тепла в грунте предназначена для: обеспечения циркуляции воздуха в теплице; уменьшение количества конденсата на покрытии, что значительно снижает светопропускаемость покрытия; накопление лишнего тепла в грунте теплицы в осенний и весенний периоды эксплуатации, что позволяет экономить на отоплении в межсезонье.
Система регуляции уровня СО2. В воздухе. Для улучшения процесса фотосинтеза на протяжении светового дня необходимо достаточное количество углекислоты. Естественные процессы, проходящие в грунте, а также дыхание растений в ночной период не обеспечивают необходимого уровня СО2. Система регуляции уровня СО2 призвана удерживать необходимый уровень углекислоты в теплице. Для использования в тепличных комплексах существует сжиженный газ двуокиси углерода
Система доосвещения - это равномерно развешанные по теплице светильники, которые по изучаемому спектру максимально приближены к солнечному свету. Количество светильников и высота подвеса рассчитаны так, чтобы обеспечить силу света 15-18КЛкс на поверхности грунта. Приблизительная мощность электрического энергопотребление системы освещения составляет ~1,3МВт/час
Стеллажи. Для выращивания микрозелени необходимы стеллажи и лотки. Предполагается использовать стеллажи высотой 2000мм, шириной 1200мм, глубиной 440 мм. Стеллажи рассчитаны на 4 полки, 3 лампы. Всего надо 9 стеллажей.
Современным способом выращивания растений является способ малообъемной гидропонной культуры. Сущность его заключается в том, что растения выращиваются в малом объеме (5 – 15 л) субстрата из минеральной ваты, перлита, прессованных торфоплит, кокосового волокна, вермикулита, опилок с периодической подачей питательного раствора к каждому растению при помощи капельной системы. Таким способом выращивается большинство тепличных культур, а также и микрозелень.
Вода, как источник жизни на земле, также необходима растениям. Для этого в тепличном комплексе предусмотрена система капельного полива растений, которая позволяет поставлять необходимое количество воды прямо к корням каждого растения. Одной воды для роста растений недостаточно, поэтому в систему капельного полива встраивают систему питания растений комплексом минеральных удобрений. В комплект оборудования для системы капельного полива и питания растений входит:
- узел для приготовления питательных растворов с дозатором и насосами капельного полива, а также емкость для приготовления и хранения маточного раствора (маточный раствор в сельском хозяйстве – концентрированный, малообъемный раствор, заготавливаемый для последующего разведения в большем количестве воды и применения в работе);
- распределительная сеть капельного полива, состоящая из магистральных каналов, микротрубок и капельниц с заданным пропускающим объёмом;
- емкости для подготовки и хранения воды;
- установки очистки дренажной воды для повторного использования;
- емкости для сбора и хранения дренажной воды перед повторным использованием.
Создание модели внешнего глаза кошки и глаза человека
В медицине и при обучении в школе активно используются все виды современных технологий, в том числе и 3D технологии. Это касается не только 3D печати и 3D сканирования, но и 3D моделирования, которое по сути не требует особых затрат, а лишь владение специализированными программными средствами. При помощи 3D моделирования в медицинской сфере и в учебном процессе решается ряд задач:
визуализация анатомических изменений в определенном органе человека или животного;
моделирование протезов и имплантатов с анатомической точностью;
объемное моделирование работы отдельных органов и систем человека и животных;
моделирование ортопедической обуви и ушных вкладышей и многое другое.
3D моделирование имплантатов позволяет создавать анатомически точные детали тела человека и животных. Это может быть кусок черепа, кость, хрящи, позвонок и т.д. Апеллируя точными 3D сканами можно смоделировать изделие, максимально соответствующее реалиям. Наибольшую роль играет визуализация, так как помогает увидеть анатомические особенности органов, их строение и функции, нарушение в работе определенных органов.3D модели глаза человека и кишки можно использовать на уроках биологии, чтобы лучше изучить строение органа.
Цель: создать 3D модель внешнего строения глаза кошки и глаза человека
Задачи:
-Найти информацию о внешнем строение глаза человека и глаза кошки
-Разработать 3D модель глаза человека и кошки
- Посмотреть обучающее видео о разработке и создании модели внешнего строения глаза человека и глаза кошки.
Этапы разработки модели (приложение фото 14-19):
Моделирование глаза
Создание модели глаза кошки и человека.
Наложение текстуры, цветовой палитры.
Наложение освещения на объект.
Рендеринг (визуализация) модели;
Композитинг (компоновка) — доработка изображения;
Вывод полученного изображения на дисплей
Трудности в реализации проекта составляла в наложении текстур.
Результаты и выводы
Для реализации проекта изучил программу 3D-моделирования– Blender, познакомился с ее возможностями.
Узнал основные положения трехмерной компьютерной графики.
Прошел курсы по программе Blender в школе программирования
Посмотрел обучающие видео-уроки по созданию 3Д моделей
Разработал и создал 3 проекта и 3D-модели: модель игрового животного Кхику, модель школьной теплицы, модель глаза человека и кошки.
Перспективы использования результатов работы
Использование 3D-модели игрового животного Кхику в качестве одного из героя компьютерной игры.
Проектное предложение 3D-моделишкольной теплицы, может быть использована в дальнейшем для строительства этой теплицы на пришкольном участке.
3D-модель глаза можно использовать на уроках биологии и в медицине (ветеринарии) для визуализации реального глаза человека и кошки.
В дальнейшем я планирую разработать такие модели: здания для игры, персонаж гуманоид для игры, человеческий мозг.
Литература
1.Статья 3Dмоделирование и его место в современном мире , URLhttps://vk.com/@centerml-3d-modelirovanie-i-ego-mesto-v-v-sovremennom-mire
2.Программа Blender3DСайтjunior3d,URLhttps://junior3d.ru/article/blender-3d.html
3. Популярно о компьютерной 3D графике Сайт ХабрURLhttps://habr.com/ru/post/175285/
4. Сайт prezi, 3DURL https://prezi.com/p/khzqi9lvufwk/3d/
5. Сайт anrotech, 3D моделирование в современном миреURLhttps://anrotech.ru/blog/3d-modelirovanie-v-sovremennom-mire/
6. трехмерная графика, Сайт wikipedia ,URLhttps://ru.wikipedia.org
7.СайтblenderURLhttps://www.blender.org
8. Уроки поBlender: интерфейс, навигация, простые операции. СайтskillboxURLhttps://skillbox.ru/media/gamedev/uroki-po-blender-interfeys-navigatsiya-prostye-operatsii/
9. Как пользоваться Blender для начинающих; Сайт losstURLhttps://losst.pro/kak-polzovatsya-blender-dlya-nachinayushhih
12.Интерфейс Blender;Сайт Лаборатория линуксоида, URLhttps://younglinux.info/blender/interface
13.Сайт gitjournalуроки 3DBlender для начинающих URLhttps://gitjournal.tech/uroki-blender-3d-dlja-nachinajushhih-na-russkom-jazyke/
15.3DBlender;Сайт media, URL https://media.contented.ru/glossary/blender-3d/
16.Для чего нужна программа Blender. И кому она нужна? Сайтp rogramishka.ru URLhttps://programishka.ru/catalog/show_catalog/36/
17.Краткий обзор бесплатного 3DредактораBlender;Сайт 3ddevice URLhttps://3ddevice.com.ua/blog/3d-printer-obzory/3d-redaktor-blender-obzor/
18.Трехмерная графика; Сайт dic.academic URLhttps://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/12207
Приложение
Фото 1
Фото 2
Фото 3
Фото 4
Фото 5
Фото 6
Фото 7
Фото 8
Фото 9
Фото 10
Фото 11
Фото 12
Фото 13
Фото 14
Фото 15
Фото 16
Фото 17
Фото 18
Фото 19