3D моделирование как основа создания дизайна различных объектов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бушнев А.В. 1

---

1МБОУ ПМО СО "ОСОШ"

Гришко К.Е. 1

---

1МБОУ ПМО СО "ОСОШ"

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Компьютерные технологии все больше входят в реальную жизнь. Однако грань между настоящей реальностью и реальностью виртуальной остается. Перенести предмет из одной плоскости в другую не так просто. Конечно, если речь идет о тексте, картинках и прочих двухмерных вещах – то принтеры и сканеры уже давно сделали такой обмен делом несложным и совершенно обыденным.

Зачем нужно брать трехмерную модель и делать из нее реальный предмет? Оказывается, применений хватает, но в случае с трехмерными физическими объектами все намного сложнее. Даже технологии, которые позволяют увидеть трехмерную компьютерную модель в реальном объеме нельзя назвать очень распространенными. Но наше общество стоит на пороге 3D-революции в производстве, передовая мысль и 3D-технологии развиваются семимильными шагами, сферы применения расширяются и в недалёком будущем этот бум произойдёт!

Сам замысел проекта возник тогда, когда учитель Константин Евгеньевич, которой проводит занятия по 3d моделированию показал мне программу SketchUp и научил работать в этой программе. Ещё в нашей школе появился 3D-принтер, где мы печатаем простейшие модели. Сейчас я моделирую в программе Blender, данным проектом я хочу рассказать о том, что 3D моделирование играет важную роль в жизни современного общества. Сегодня оно широко используется в сфере маркетинга, архитектурного дизайна и кинематографии, не говоря уже о промышленности. 3Д-моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо продукта или услуги. Благодаря появлению и популяризации 3D-печати 3Dмоделирование перешло на новый уровень и стало востребовано.

Исходя из актуальности проекта, я определил тему проекта: 3D моделирование как основа создания дизайна различных объектов

Цель работы: изучить роль 3D моделирования в современном мире и продемонстрировать свой личный опыт обществу.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить необходимую литературу;

2. Рассмотреть 3D принтер.

3. Сделать продукт 3D-моделирования;

4. Изучить понятие 3D моделирования;

5. Познакомиться с историей 3D модели;

6. Рассмотреть сферы использования 3D моделей;

7. Дать краткое описание программ, предназначенных для 3D моделирования;

8. Определить перспективы развития.

Тип проекта: информационный (поисковый)

Объект работы: 3D моделирование.

Предмет исследования: современные 3D модели.

Краткое содержание проекта: в процессе выполнения проекта были рассмотрены такие вопросы, как: сущность 3D моделирования, основные методы, используемые при создании 3D моделей, а также рассмотрены основные профильные ПО. Кроме того, в работе определены перспективы развития 3D моделирования и личные разработки.

Результат проекта (продукт): Моделирование в программе Blender – школьный класс и другие разработки.

Возможные перспективы реализации проекта: полученная в ходе

выполнения проекта информация будет полезна при изучении раздела информатики «Компьютерная графика», а также получение знаний по теме и демонстрация личного опыта.

1.Теоретическая часть.

1.1. Сущность 3d моделирования

3D моделирование – это процесс формирование виртуальных моделей, позволяющий с максимальной точностью продемонстрировать размер, форму, внешний вид объекта и другие его характеристики. По своей сути это создание трехмерных изображений и графики при помощи компьютерных программ (рис. 1.1).

Рисунок 1.1. Пример трехмерной графики

Современная компьютерная графика позволяет воплощать очень реалистичные модели, кроме того создание 3D-объектов занимает меньше времени, чем их реализация. 3D технологии позволяют представить модель со всех ракурсов и устранить недостатки выявленные в процессе её создания [8].

Визуализация объектов с помощью компьютерных программ позволяет лучше представить будущий проект в реальности. Такие модели производят глубокое впечатление, и дают возможность добиться потрясающих результатов (рис. 1.2).

Моделирование с помощью 3D технологий отличное решение для многих промышленных, строительных, ювелирных предприятий, а в особенности дизайнерских студий и развлекательной индустрии. 3D моделирование, визуализация и анимация объектов занимают главное место в реализации многих бизнес-проектов [8].

Одним из отцовой трехмерной графики считают И. Сазерленда, который, будучи аспирантом, написал программу Sketchpad, которая позволяла создавать простые трехмерные объекты. В 1969 Сазерленд и К. Эванс открыли первую компанию, которая занималась производством компьютерной графики (рис. 1.3).

Изначально компьютерная графика и анимация использовались преимущественно в рекламе и на телевидении [1].

Отметим также систему моделирования, разработанную компанией MAGI. Система моделирования являлась процедурной – модели создавались путем комбинирования 25 геометрических фигур, имевшихся в библиотеке программы. Из простейших фигур, вроде пирамиды, сферы и цилиндра создавались более сложные, которые впоследствии становились основой для конечной 3D модели [1]. В 1962 году была открыта компания Triplel, которая также внесла огромный вклад в развитие 3D технологий. Изначально она специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериалов. В 1975 году руководство компании приняло решение об открытии отделения компьютерной графики и анимации. В отличии от компании MAGI, использовавшей для моделирования различные геометрические фигуры, Triplel задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты [1]. На сегодняшний день рынок 3D пакетов отличается большим разнообразием. Цены на софт упали в десятки раз, поэтому лицензионное программное решение могут позволить себе многие. Изначально не было комплексных программных решений, которые бы соединяли в себе функции по моделированию, анимации и рендерингу. Один из первых комплексных пакетов такого типа был выпущен в 1990 году компанией Lightwave 3D. И начиная с этого момента, можно считать, начинается интенсивное развитие данной отрасли [1].

1.2. Применение 3d моделей в 21 веке

Трехмерная графика сегодня пользуется большим спросом, особенно в таких областях как кинематография, анимация и мультипликация, компьютерные игры. Сложно представить современный фильм без 3D эффектов. Что касается мультипликации, то сегодня редко какой мультфильм обходится без трехмерной графики. Применение 3D моделирования в медицине В стоматологию трехмерная графика пришла гораздо раньше, чем в область медицинского исследования. Сегодня с помощью сканирования внутренних органов в 3D формате появилась возможность выявить только начинающую развиваться патологию органа и вовремя среагировать. То есть, если раньше человека необходимо было прооперировать, чтобы выявить заболевание, то сегодня достаточно 3D сканирования. В стоматологии с помощью 3D принтеров, создают имплантаты. Возможность создать протез любой конечности, сухожилия, кровеносного сосуда и даже органа сердечной мышцы стала реальностью. Биопечать стремительно развивается, в конструировании органов используются живые ДНК. Компьютерные программы демонстрируют в реальном времени то, как будут двигаться будущие модели, например, протезы рук или ног (рис. 2.1)[3].

Применение 3D моделирования в архитектуре и дизайне.

Дизайнеры и архитекторы, одни из первых, по достоинству оценили трехмерную графику (рис.2.3.). Демонстрация будущего объекта строительства или квартиры после ремонта заказчику устраняет все недочеты, несогласованности и повышает продуктивность задачи, а значит, гарантирует, что результат всегда будет на высоте (рис.2.4.). Также применение 3D моделей незаменимо в сложных климатических условиях, например, в пустыне, на крайнем севере или для строительства на морских глубинах. Кроме того,3D моделирование используется для изготовления предметов мебели и интерьера для предварительного согласования с заказчиками внешнего вида будущего изделия [3].

Применение 3D моделирования в образование и наука.

Использование 3D моделей в области образования, повышает интерес к учебе, так как образовательный процесс выходит за пределы школьного класса. Находясь в помещении, ребенок, тем не менее, может «побывать» в любом историческом периоде и воочию увидеть особенности обитания древних животных, людей. Студенты могут детально изучить самый сложный материал, в другой доступной для понимания форме, а также попробовать себя на практических занятиях [4].

И это еще не весь список. Без 3D моделей сегодня не изготавливают ни ювелирные изделия, ни запчасти для автомобилей, ни сувенирную продукцию, ни любые другие предметы быта.

1.3. Программы для 3D моделирования

На сегодняшний момент разработаны различные программы для 3D моделирования. Их список постоянно пополняется, ведь компании создающие данное ПО хотят охватить как можно большую аудиторию потребителей, поэтому с появлением новых потребностей к специфике программы, они создают новые приложения. Среди них существуют как платные, так и бесплатные программы для 3D моделирования. К лидерам первой категории относятся 3D max, Maya, AutoCad, Cinema 4D, Компас 3D, Rhinoceros, а ко второй стоит отнести Blender 3D моделирование, Wings3D и GoogleSketchUp. Рассмотрим более детально каждый из этих продуктов [5]: 3D max – популярнейшая программ, является профессиональной и имеет полноценный функционал. Используется для создания мультипликационного монтажа, анимации и трехмерной графики. Имеет ряд инструментов для создания моделей различной сложности. С её помощью можно получить любой виртуальный объект с точностью до мелочей и в последствии применить к нему анимацию. Есть платная и бесплатная студенческая версии программы [5]. Cinema 4D – универсальная программа разработанная для трехмерного моделирования и анимации. Имеет различный функционал и обладает простым интерфейсом, к тому же он имеет русский язык, что несомненно делает ее очень популярной среди русскоязычных потребителей [5]. Компас 3D – ПО для объемного моделирования. Она имеет математическое ядро и замечательно подходит для реализации инженерных проектов. Программа может не только построить модель, но и выполнит расчеты и анализ для дальнейшего её изготовления. Имеет поддержку русского языка [5]. Blender – программа для 3D моделирования, рендеринга, анимации, монтажа и постобработки. Кроме имеющего функционала, она сможет поддерживать другие плагины, которые помогают увеличить её возможности. Имеет файл для начинающих обучение 3D моделированию [5]. GoogleSketchUp – позволяет создавать и редактировать различные варианты моделей. При мощи данной программы к ним можно добавлять новые элементы и текстуры. Обладает широким набором инструментов для создания объектов различной сложности [5]. Представленный список программ является далеко не полным и при желании профессионально заниматься и получить необходимые уроки 3D моделирования вы можете самостоятельно, подобрав подходящее ПО. Трехмерное моделирование – это поистине уникальная технология, за которой лежит будущее многих бизнес-проектов. Оно предоставляет всему человечеству потрясающие возможности воплощения в полной мере будущего объекта. Внедрение таких технологий ведет к экономии ресурсов, упрощению работ и расширению возможностей.

1.4. Из чего состоит 3D-принтер

3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6).

1.5.Чем печатает 3D-принтер.

Расходные материалы (филаменты) для 3D-принтеров представляют из себя пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов и свойств. О всех типах материалов можно почитать в энциклопедии 3Dtoday.

К илограмм самого дешевого пластика можно купить за какие-то 500 руб., хотя более интересные варианты (например, имитаторы древесины или песчаника с наполнителями из настоящей древесины или камня) уже могут обойтись в несколько раз дороже.

1.6. Как запрограммировать 3D-принтер на печать.

Для начала работы (печати) на 3D-принтере, будущий предмет необходимо нарисовать, причем во всех трех измерениях. Делается это с помощью специальных программ, называемых CAD-редакторами или САПР («Системами автоматизированного проектирования»). При этом рисовать модели самому совершенно необязательно – готовые варианты всевозможных крючков, чехлов или даже квадрокоптеров можно просто скачать с различных интернет-сайтов. В крайнем случае, если душа к проектированию не лежит, а необходимой модели в интернете нет, всегда можно заказать ее у профессионалов.

Когда дело доходит до 3D-печати, такие модели подвергаются «слайсингу», то есть разбиваются на отдельные слои с помощью специальных программ, так и называемых – слайсеры. Представьте, что вы хотите напечатать вазу: первым делом вазу необходимо условно нарезать на тонкие-тонкие слои, а каждый из них опять-таки условно сфотографировать. Стопку полученных снимков можно передать принтеру, и он сделает копию каждой картинки, одну поверх другой, пока слой за слоем не воссоздаст оригинальную вазу. Вот только «рисуют» принтеры по-разному и разными материалами.

Слайсер формирует специальную программу для 3D-принтера. В этой программе принтеру рассказывается, как нужно печатать модель - куда двигаться экструдеру, с какой скоростью выдавливать пластик, какая толщина слоев будет у модели и др параметры. Вся программа для принтера сохраняется в файл под названием g-code. Дальше через флеш карту или USB провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать.

П руток подается в печатающую головку, где плавится и выдавливается через тонкое сопло. Головка передвигается в двух плоскостях, вырисовывая нитью целый слой – один из срезов того самого «яблока». Закончив один слой, принтер приподнимает головку или опускает платформу, а затем начинает печатать новый слой поверх только что нанесенного. Так, слой за слоем, срез за срезом, выращивается копия оригинального предмета.

Т еперь должно быть понятным происхождение термина «аддитивные технологии». Большинство цифровых производственных методов основываются на удалении лишнего материала. Например, то же самое яблоко можно выточить, высверлить и выпилить из болванки. Такие технологии называются субтрактивными (от англ. «subtract» – «отнимать»). В 3D-печати все с точностью до наоборот: объект выстраивается крупинка за крупинкой, слой за слоем, с нуля. Отсюда и термин «аддитивный процесс» (от англ. «add» – «добавлять»).

1.7. Перспективы развития 3d моделирования

Представьте себе ситуацию, что вам срочно нужно приобрести и стул или стол на кухню. Сейчас вы, скорее всего, направились бы в обычный магазин за этой покупкой. В лучшем случае посмотрели бы товары в сети интернет. Но уже недалеко тот день, когда вы сможете получить уникальный стул или стол непросто, не выходя из дома, но даже без какого-либо посредничества со стороны продавцов или службы доставки магазина. Главное, чтобы у вас дома был 3D-пpинтep. Вам нужно будет только перевести деньги за продукт c помощью вашей кредитной карты на счета магазина.

На сегодняшний день применение 3D-технологий находит свое отражение в разнообразных областях науки, техники и индустрии развлечений. Однако, несмотря на доступность информации, многие люди очень мало знают об особенностях 3Dтехнологий, сферах их применения и возможных перспективах развития.

Технология 3D-печати имеет довольно большие перспективы при ее правильном применении. В услугах 3D-печати наиболее нуждаются следующие сферы деятельности [6]:

1. Строительство. В строительном деле 3D-печать может стать весомым подспорьем традиционным методам строительства. Так как эта технология не требует привлечения большого количества людей для выполнения тяжелого труда. Достаточно нескольких операторов и мастеров, которые будут обслуживать строительный 3D-принтер. Первые удачные эксперименты по изготовлению строительных деталей и возведению домов уже были проведены в Китае и ОАЭ.

2. Электроника. При изготовлении цифровых устройств 3D-печать позволит сократить время на изготовление трудоемких деталей, микросхем и аппаратной электроники. В частности, силами 3D-печати уже разрабатываются первые образцы графитовых аккумуляторов, которые имеют неограниченный срок эксплуатации.

3. Машиностроение и автомобильная промышленность. В этой сфере при помощи трехмерной печати создаются экспериментальные модели будущих запчастей и деталей, которые в дальнейшем позволяют произвести изделия идеального качества. Это возможно благодаря детальной проработке трехмерного объекта во время его создания и печати готовой компьютерной модели, которая отличается высоким уровнем детализации.

4. Аэрокосмическая промышленность. Применение 3D-печати в этой отрасли объясняется возможностью создавать инновационные конструкции любой сложности. Детали спутников, ракет и других космических объектов печатаются из металла, полимеров и других видов сверхпрочных материалов.

5. Медицина и фармацевтика. В медицине технология 3D-печати крайне важна. Поэтому в этой отрасли ее изучают очень детально. При помощи 3D-принтера можно напечатать прототипы человеческих органов, протезы, имплантаты костные ткани. Даже делаются первые шаги по разработке и печати настоящих органов, которые хорошо приживутся в человеческом теле. В фармацевтической промышленности 3Dпечать в основном используют для создания таблеток, которые будут постепенно высвобождать активные вещества после приема.

6. Реклама. Для рекламных целей на 3D-принтере печатают прототипы различной продукции, демонстрационные и раздаточные материалы.

7. Пищевая промышленность. Пищевые 3D-принтеры особенно интересны из-за того, что они позволяют создавать съедобные объекты из привычных продуктов.

Трехмерная печать дает возможность создавать уникальные украшения и сложные многоцветные объекты с высокой детализацией. Многие говорят о том, что 3D-печать кардинально изменит нашу жизнь, позволив людям самим создавать необходимые в быту вещи.

2.Практическая часть.

Для этой части проекта я решил сам сделать 3D-модель. Для этого мне пришлось установить программу Blender. Blender — профессиональное свободное и открытое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга. Я решил выбрать именно эту программу по причине того, что у меня уже есть опыт работы в ней.

В качестве практики в 3D сфере я решил сделать дизайн школьного кабинета, квартиры и многое другое в полигональном моделировании.

В качестве основы 1 модели я решил воспользоваться уже готовым вариантом основы (стены и пол). Я решил выделить лишь одну часть комнаты, с которой буду работать. Это мне поможет в более быстром и более реалистичном создании моей визуализации и моего моделирования. качестве визуализации я решил сделать эту часть комнаты более теплой и на снежном фоне, ведь такие краски вызывают более сильнее привлечение, чем один цвет.

Плюсы и минусы 3D-моделирования

Плюсы: разделение внешней и внутренней границы, автоматическая маскировка скрытых линий, создание 3D разрезов частей модели, возможность применения тоновых инструментов, регулирование освещения, точные весовые параметры предметов. Сферы применения и преимущества трехмерного моделирования. Метод распространен в дизайне и строительстве, промышленности, рекламе, презентациях и анимации

Минусы: к недостаткам 3D-графики можно отнести: 1. высокие требования к аппаратной составляющей компьютера: к его оперативной памяти, быстроте работы процессора и т. д., 2. необходимость больших временных затрат на создание моделей всех объектов сцены, могущих оказаться в поле зрения камеры.

Трехмерное моделирование весьма популярно и находит большое применение в различных отраслях человеческой деятельности. Также ЗD-модель является более информативным источником информации, нежели ее двумерный аналог, так как обладает большими возможностями. ЗD-модель является эффективным средством для представления и отображения пространственной информации на экране компьютера и может использоваться для решения широкого круга задач. Преимущество такой модели состоит в том, что она позволяет моделировать не только существующие объекты, но и проектируемые.

Заключение

При работе над данным проектом мне очень помогли наши учителя. Я узнал, что трехмерное моделирование весьма популярно и находит большое применение в различных отраслях человеческой деятельности. Также ЗD-модель является более информативным источником информации, нежели ее двумерный аналог, так как обладает большими возможностями.

Конечно, не все получилось сразу: пришлось искать информацию в разных источниках, разбираться с новыми для меня программами, осваивать их инструменты, но это было очень интересно.

В процессе написания индивидуального проекта я выяснил, что 3D-моделирование – это процесс создания виртуальных моделей, с помощью которого можно с максимальной точностью представить внешние характеристики объекта, такие как форма, размер, общий внешний вид, узнал историю создания 3D-моделирования, выяснил типы 3D-моделирования. Также я сделал свою 3D-модель, полностью закончив работу с этой моделью. Мне удалось выяснить плюсы и минусы 3D-моделирования.

Я выяснил, что 3D-моделирование – это шаг только вперед, ведь с помощью него можно создать то, чего не существует, увидеть, как будет выглядеть что-либо своими глазам, а не в голове.

Сегодня 3d-принтеры не получили широкого применения в быту, поскольку эти устройства еще достаточно дороги, да и без изготавливаемых на них предметов вполне можно обойтись. Но кто знает, возможно, в относительно недалеком будущем напечатать дома разбитую чашку, сломанную любимую игрушку ребенка, авторское колечко в подарок девушке или шоколадный десерт к празднику станет таким же обычным делом, как сегодня постирать белье или помыть посуду, не замочив рук.

Литература

1. К. Афанасьев, 3D-принтеры, - [Электронный ресурс: http://www.3dnews.ru]

2. 3D-печать: третья индустриально-цифровая революция. Часть 1, - [Электронный ресурс: http://blogerator.ru]

3. 3D-модели. ж: Blackie, Сентябрь, № 17, С-П, 2013 - [Электронный ресурс: http://3dtoday.ru/3dmodels-2/soft3d/1521]

4. 3D-модели. ж: Blackie, Июль №24, С-П, 2013 - [Электронный ресурс: http://3dtoday.ru/3dmodels-2/soft3d/784]

5. Основы 3d-печати-для-начинающих. 3D-принтер, - [Электронный ресурс: http://partmaker.ru]

6. 3D-принтеры в медицине. Настоящее и будущее, - [Электронный ресурс:http://medicena.ru/blogpost/3d-printeryi-v-meditsine-ih-nastoyashhee-i-budushhee/]