XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

3D-моделирование и область его применения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Синёва А.А. 1

---

1МБОУ Наро-Фоминская СОШ №5 СУИОП

Цвеловская Ю.В. 1

---

1МБОУ Наро-Фоминская СОШ №5 СУИОП

Работа в формате PDF

871.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

3D моделирование широко используется в сфере маркетинга, архитектурного дизайна, кинематографии и промышленности. Оно позволяет создать людям прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном виде.

Актуальность: за все время своего существования человек всегда что-либо создавал. С каждым скачком развития запросы на создаваемое усложнялись. Так, человек с представления простейших набросков переходил на более точные чертежи. Они всегда дополнялись макетом. При наличии ошибок в вычислениях приходится вносить изменения в уже готовый макет, что сильно усложняет и замедляет процесс создания.

Программы 3D-моделирования позволяют получить модель объекта еще до изготовления пробных образцов и определить его соответствие первоначальной задумке, а также выявить существенные внешние недочеты.

Цель исследования: изучить сферы применения 3Д моделирования и основные программы для этого

Объект исследования:  3д моделирование

Гипотеза: 3д моделирование в современном мире играет не последнюю роль

Задачи или этапы исследования:

• Изучить основные программы для создания моделей в трехмерном пространстве. Сравнить и выявить наиболее простую и функциональную

• Определить все основные сферы применения этих программ в жизни человечества

• Провести опрос на знание понятия «трехмерная графика»

• Собрать все полученные данные по опросу и сделать вывод

• Подтвердить или опровергнуть гипотезу

• рассказать о применении достаточно нового направления в различных сферах промышленности, культуры и общества

Теоретическая часть

3D моделирование прочно вошло в нашу повседневную жизнь. Оно применяется в сфере архитектуры, дизайна, промышленности. Благодаря появлению 3D-печати трехмерное моделирование перешло на новый уровень и стало востребовано, как никогда. Построение 3D-моделей требует особых знаний и навыков, необходимо специальное обучение.

Преимущества трехмерного моделирования

• Системы 3D-моделирования позволяют получить модель объекта еще до изготовления пробных образцов и, следовательно, разглядеть слабые стороны проекта и определить его соответствие первоначальной задумке.

• Трехмерное моделирование позволяет создать очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные графические программы характеризуются высокой детализацией.

• Отобразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто. 3D визуализации дает возможность тщательно просчитать и просмотреть все нюансы модели.

• Трехмерная модель позволяет вносить изменения и правки, без перерисовки всей конструкции и потери на это немалого количества времени. Предварительный просмотр показывает, как эти изменения влияют на результат.

Виды 3D-моделирования

Полигональное 3D-моделирование

Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования. Полигоны­ - многоугольники, которые мы видим на модели во время построения. Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение, скручивание и т.д. Число полигонов может достигать огромных значений.

Чем больше будет таких полигонов на модели, тем точнее будет ее вид. Но это совсем и не значит, что если модель состоит из малого количества полигонов, то это плохая модель. Нельзя сказать, что, если в модели огромное множество полигонов, модель - высококачественная.

Однако посредством только полигонального моделирования вряд ли получится построить модель для нового сустава или целой кости. Полигональная модель не поддерживает такого уточнения.

Параметрическое моделирование

Помимо полигонального моделирования существует параметрическое (промышленное) проектирование – САПР (Система Автоматизированного Проектирования). Это отличающийся от полигонального тип моделирования. Здесь форма не состоит из «полигонов», а является полностью цельной. Благодаря этому, оно отлично подходит для проектирования шестеренок, двигателей, зданий, автомобилей, и т.п. Цель этого метода — получить не только визуальный образ (как в случае с полигональным моделированием), но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.

Этапы 3D-моделирования

Построение геометрической основы

На первом этапе создается геометрическая модель объекта в пространстве. это основной этап во всем построении модели. Тут не учитываются физические характеристики: материал, плотность и т.п. На данном этапе производятся лишь расчет размеров и построение формы предмета. Используются методы вращения, выдавливания, наращивания, полигонального моделирования.

Создание текстуры объекта

После того, как геометрическая основа была создана, определяется, из каких материалов будет построен объект и какой текстурой он будет обладать в будущем. Именно на данном этапе задается степень реалистичности создаваемой модели.

Выбор освещения

На данном этапе указываются тон освещения, степень яркости, резкости, насыщенность теней.

3D-визуализация или рендеринг

На заключительной стадии 3D-моделирования осуществляется уточнение настроек отображения модели, добавляются специальные эффекты вроде бликов, тумана и т.д. Если в результате получается двухмерное изображение, следует выбрать его формат и разрешение.

Постпродакшн

По окончании процесса 3D-моделирования в готовый материал можно включить спецэффекты с использованием программных средств, таких как Adobe Photoshop, Adobe Illustrator и т.д. Постпродакшн – стадия, на которой итоговый результат улучшается с применением различных технологий.

Основные принципы построения модели в пространстве

Когда мы говорим о построении моделей в пространстве, важно понимать основные принципы, которые лежат в основе этого процесса. Они формируют фундамент, позволяющий создавать реалистичные, функциональные и эстетически привлекательные объекты. Двумя основными принципами являются:

• Наглядность.

Наглядность – это свойство изображения, состоящее в правильном и четком представлении о моделируемом объекте. Наглядность достигается путем внешнего оформления трехмерной модели, которое включает в себя цвета, обозначения, форму и размер элементов, текстуру.

Чем детальнее модель, тем больше она включает элементов с большими подробностями. При этом наглядность изображения повышается путем оптимизации данных, то есть скрытия объектов, являющихся несущественными.

• Информативность.

Информативность – это свойство трехмерных изображений, зависящее от количества содержащихся в них пространственных характеристик. Наибольшая информативность трехмерного изображения достигается при всестороннем представлении внешнего вида, положения в пространстве, размеров и форм всех значимых элементов модели.

Одним из самых надежных источников для исходного материала является аэросъемка, благодаря которой можно создать высокоточную трехмерную модель с возможностью проведения измерений.

Области применения 3D моделирования

• Создание различных моделей персонажей. Обычно это используется при создании мультфильмов и при проектировании современных компьютерных видеоигр;

• Реклама и маркетинг. Часто требуются нестандартные объекты для рекламирования. 3D презентации позволяют произвести более яркое впечатление на заинтересованных лиц и сэкономить на реквизите

• Создание 3Д моделей предметов интерьера. В большинстве случаев их выполняют дизайнерские компании с целью демонстрации эстетических свойств экспозиций

• 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;

• Промышленная сфера. Каждую деталь или полноценный объект проще собирать по готовой и продуманной 3D-модели;

• Медицинская сфера.  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.

Программы для создания моделей в трехмерном пространстве

На рынке существует огромное количество всевозможных программ для создания трехмерных моделей. Одни работают конкретно с моделированием, другие созданы чтобы рендерить уже сделанные модели, другие же могут совмещать в себе сразу несколько этапов.

SketchUp

Paint 3D

SweetHome 3D

Blender

Wings 3D

T-FLEX CAD

Среди этих программ более подробно разобрать я решила следующие:

Blender

Требования для Windows

Требования для MacOS

мелкие нюансы для mac и требования для Linux см. на официальном сайте

https://www.blender.org/download/requirements/

Цена: Программа бесплатная, а также имеет открытый код, позволяя пользователям вносить в него свои изменения при необходимости

Языки: используется Python для создания дополнений и автоматизации; C и C++ для основных функций и оптимизации.

Недостатки

• Интерфейс программы для новичка может показаться «устрашающим», особенно во время первого использования

• Многие необходимые функции доступны только после нажатия «горячих клавиш», которые нужно запоминать

• Сбои и глюки: присущи каждой программе, однако во время моей работы несколько раз программа полностью вылетала

Wings 3D

Системные требования: ОС: Windows 10, Windows 7

Цена:Wings 3D полностью бесплатен для использования как в личных, так и в коммерческих проектах и имеет открытый исходный код.

T-FLEX CAD

Вывод:cравнив эти программы, самой удобной и практичной, на мой взгляд, остается Blender. Обширный функционал программы, отсутствие платных возможностей (лишь при желании можно поддержать проект) и понятный интерфейс – все это позволяет раскрыть 3D моделирование со всех сторон.

Опрос

Среди учащихся нашей школы (5-11 классы) я провела опрос на знание темы 3D-моделирования среди подростков в Гугл формах (https://forms.gle/hbGa8KLgmxdXbBas6).

Всего в опросе приняли участие 117 человек. При помощи этого опроса я смогла понять, насколько хорошо учащимся известно понятие «трехмерная графика", и какая именно программа наиболее известна.

На вопрос «Знакомо ли вам понятие "трехмерная" или "3D" графика?» положительно ответили 108 человек (92,3%), 3 человека ответили, что такое понятие им неизвестно. Исходя из этого, можно сделать вывод, что тема 3D моделирования интереснамолодежи.

Затем я решила узнать, какие из существующих программ знакомы ученикам. Большинство отметили как известные – 3DMax, BlenderFoundation, Wings 3D и ScetchUp. Менее популярными оказались MatterControl 2.0, SculptGL и T-FLEXCAD. Шесть человек отметили, что не знают ни одной программы.

На вопрос «будет ли связана будущая профессия с 3D моделированием, и если да, то в какой сфере человек будет работать», 43 человека ответили, что профессия будет как-либо связана с трехмерной графикой. 74 человека ответили отрицательно. Наиболее популярным вариантом ответа о сфере профессии среди тех, кто планирует работать с трехмерной графикой, стал дизайн (61,4%) и архитектура (43%).

На вопрос о том, был ли у ребят опыт создания моделей в программах, 36 человек ответили, что делали для себя, 12 человек ответили, что проходили курсы по обучению, 41 человек ответили, что не интересуются этой темой и 42 человека ответили, что нет возможности, времени или компьютера, который осилил бы такие программы.

Далее вопросы были такие:

• Что такое 3D-моделирование?

• Какие недостатки присущи 3D моделированию?

• Какие преимущества имеет 3D моделирование перед созданием физических моделей?

• Где применяют 3D моделирование?

• Для чего создают 3д модели?

• Что такое рендеринг?

Разработка приложения «Видеоурок: создание 3d модели»

На основе результатов опроса, я поняла, что большинство подростков интересуются 3D моделированием. Поэтому мною было решено создать видео-урок в помощь новичкам. Он может быть использован для обучения школьников.

Видеоурок размещен на платформе RuTube. Поэтому любой человек сможет найти его в интернете и посмотреть.

https://rutube.ru/video/private/436e69e7886f3a2cda7733599037bbc7/?p=M5wLKxZ2mn6RkLfhMV9qnQ

Заключение

Основной целью данного проекта было изучение программ и сфер применения 3D-технологий в жизни человека, которые позволяют создавать трехмерные модели «на любой вкус и цвет», а также сравнить несколько программ и среди них выбрать наиболее удобную и понятную для работы.

Итак, основными сферами применения 3D моделирования являются:

• Промышленность

• Медицина

• Архитектура

• Дизайн

• Мультипликация

• Реклама и маркетинг

По результатам проведенного опроса среди учащихся, я выяснила, что тема моего проекта интересна подросткам, а значит, имеет огромные перспективы развития в будущем нашей страны и всего мира.

С уверенностью могу сказать, что моя гипотеза о том, что 3D моделирование играет в современном мире не последнюю роль, подтверждена.

Список используемой литературы:

1. https://anrotech.ru/blog/3d-modelirovanie-v-sovremennom-mire/

3D моделирование в современном мире (дата обращения 20.11.24)

2. https://cvetmir3d.ru/blog/poleznoe/reyting-luchshikh-besplatnkh-programm-dlya-3d-modelirovaniya-dlya-nachinayushchikh-na-vesnu-2021-go/ Рейтинг лучших бесплатных программ для 3D-моделирования на весну 2021 года (дата обращения 20.11.24)

3. https://gb.ru/blog/3d-modelirovanie/ 3D-моделирование: виды, принципы, инструменты (дата обращения 22.11.24)

4. https://media.contented.ru/glossary/blender-3d/ Blender 3D: что это за программа моделирования - возможности (дата обращения 08.01.25)

5. https://practicum.yandex.ru/blog/blender-3d-preimuschestva-i-vozmozhnosti/ Blender 3D: обзор программы для моделирования (дата обращения 08.01.25)

6. https://junior3d.ru/article/wings-3d.html Wings 3D: описание программы, какие она имеет возможности и аналоги (дата обращения 08.01.25)

7. https://www.tflexcad.ru/download/tutorial/ T-FLEX CAD Учебное пособие | 3D моделирование, чертежи по ЕСКД, параметрическое проектирование (дата обращения 21.01.25)

8. https://www.blender.org/download/requirements/ Requirements — blender.org (датаобращения 21.01.25)

9. https://www.tflexcad.ru/download/t-flex-cad-free/ Страница загрузки бесплатной версии САПР T-FLEX CAD (дата обращения 12.02.25)

10. https://www.tflexcad.ru/t-flex-cad/functionality/ Описание функциональности T-FLEX CAD (дата обращения 12.02.25)

11. https://cvetmir3d.ru/blog/news/luchshie-besplatnye-programmy-dlya-3d-modelirovaniya-2022/ Лучшие бесплатные программы для 3D-моделирования 2022 (дата обращения 20.03.25)

12. https://3dtool.ru/stati/top-50-populyarnykh-programm-dlya-3d-modelirovaniya/?srsltid=AfmBOoorj6zojhtUfSu4pEFNmICFIujxuXZ4CU55tL3Xw-rHrTm_ZK2l (дата обращения 20.03.25)

13. https://skillbox.ru/media/design/prosto-o-sketchup/ Что такое SketchUp (дата обращения 06.04.25)

14. https://paint3d.ru/ Paint 3D™ официальный сайт, бесплатно скачать Paint3D для Windows на русском (дата обращения 07.04.25)