3D-моделирование

Трехмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions — «3 измерения») Graphics, Три измерения изображения) — раздел компьютерной графики, совокупности приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

3D-моделирование — это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.

Трехмерная графика - вид компьютерной графики, представляющий собой объемную модель какого-либо объекта. Для создания трехмерной модели требуются специальные программные и аппаратные средства. К программным принадлежат приложения 3D-визуализации. К аппаратным относят то, с помощью чего создается и отображается модель (компьютер, 3D-мониторы, 3D-принтеры).

Задача 3D-моделирования разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом образ может как копией готового (известного) объекта, так и разработанный с нуля.

Для создания трёхмерной графики необходимо знать расположение объекта, которое определяется системой координат. Основной является декартовая система координат.

В трёхмерной системе координат 3D-3-dimensional оси обозначаются как X, Y, Z, причём Z ось перпендикулярна плоскости XY. В разных программах ориентация Z оси может быть различной.

Местоположение объектов, выраженных по отношению к системе координат XYZ, называется мировой системой координат.

Трехмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D- дисплеев и 3D-принтеров, трехмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для создания объёмного изображения существует несколько подходов:

1. От плоскости к объёму (когда рисуют плоский объект и для создания трёхмерного образа рассматривают объект с различных сторон также на плоскости, пример — чертежи).
2. От объёма к плоскости (в нём изначально создаётся трёхмерный образ и для получения серии плоских картинок делают снимки этого трёхмерного объекта с различных ракурсов, положений и т. д. Принцип реализуется в 3Ds Max, Cinema).

Достоинства трёхмерной графики:
• реалистичность;
• широкая сфера применения;
• свобода трансформации объектов.

Недостатки трёхмерной графики:
• значительный объём файлов;
• Программная зависимость.

Для создания трёхмерных объектов наиболее распространённым способом является построение фигур из сетки полигонов (polygon). Полигон характеризуется вершинами (vertices), рёбрами(edges), гранями (faces).
Объект, состоящий из множества полигонов, представляет собой полигональную сетку, отображение которой может быть полным и неполным.

Полигональные сетки могут строиться из треугольников или прямоугольников. Поверхность сетки определяется с помощью дополнительных атрибутов. Атрибуты поверхности могут быть простыми (сплошной цвет) и сложными (цвет с эффектом блеска). Поверхность также может быть представлена с помощью одного или более растрового изображения, которые называют текстурными картами (текстурами). В совокупности свойства поверхности именуются как материалы. Наличие оного или более источником освещения позволяет представить объект в более естественной форме. Пространства с объектом и источниками освещения носят названия сцены освещения.

Так как полигональные сетки строят по координатам своих вершин, преобразование объектов осуществляют без отдельной прорисовки каждой его вершины с помощью матриц, которые позволяют изменять размеры объектов, их поворот и движение без фактического изменения значений в его вершинах.

Каждая сцена для рисования обладает точкой просмотра, которая визуализируется с помощью камер.

Шейдер — это программа, выполняемая на графическом процессоре в процессе обработки кадра. Используется параметров объекта или изображения. Она может включать в себя описание поглощения или поверхности и т. д. Например, Шейдеры могут быть использованы для рисования поверхности кирпичной кладки на абсолютно плоской поверхности.

Основные этапы процесса создания трехмерной модели.

Процесс создания трехмерной модели включает шесть этапа:

1. Моделирование.
2. Визуализация.
3. Вывод модели (печать либо на монитор).

1. Моделирование - создание модели из ничего, проектирование с помощью программных средств, задание соответствующих размеров, текстур, освещения (или создание объектов, которые будут на сцене). Создается, так сказать, каркас объектов, описывается математическими формулами.

Выделяют следующие типы моделирования:

• Моделирование на основе примитивов (под примитивами понимают простейшие параметрическое формы: углы, сферы, пирамиды). При визуализации эти объекты преобразуются в полигоны, но получаемая поверхность выглядит более гладкой за счёт специальных алгоритмов закраски.
• Моделирование на основе сечений. Объекты на основе сечений названы по аналогии с судостроением, в котором применяется натягивание поверхности на произвольное сечение. Сечение или плоские формы в этом способе располагают вдоль некоторого пути.
• Моделирование, основанное на использовании булевых операциях (пересечение, вычитание). Основой служат поверхности. При этом выделяют следующие поверхности: многоугольные каркасы, лоскутки (сплайн-моделирование), в этом в случае объекты изменяются с помощью контрольных точек. Образующие сплайны располагаются по краям создаваемой поверхности. Технология создания плавных форм и моделей, принцип: с помощью управляющих вершин можно воздействовать не только на крайние (контрольные) точки, но и на любую локальную область поверхности. Применяется для создания образов животных, людей
• Моделирование по поверхности сплайновой сетки. При этом создаётся совокупность сплайнов в виде каркаса, на основе которого формируется поверхность.

2.Текстурирование — это придание поверхностям модели вида реальных материалов (дерево, металла, пластика). В процессе создания простейших примитивов каждому из них назначается цвет, который на самом деле не является цветом поверхности, а обозначает цвет каркасной структуры. Чтобы после визуализации объекта он стал реалистичным, применяют редактор материалов. В редакторе можно установить реальный цвет объекта, при этом он может быть основным (определяет покрытие всего объекта), обтекающим (определяет влияние фонового освещения), зеркальным (определяет наиболее яркие блестящие участки поверхности объекта) и т. д. В процессе создания материалов могут быть использованы карты текстур (растровые изображения реальных объектов) и процедурные карты (изображения, которые генерируются программным путём). В процессе создания объектов могут накладываться несколько карт одновременно. Это определяет эффекты текстурирования. Точное размещение материалов на поверхности объектов достигается кардитами проецирования. При создании материалов определяются такие свойства объектов, как отражение, преломление, прозрачность. При этом можно изменять силу света, тип поверхности. Это реализуется с помощью спец. алгоритмов.

3. Освещение — это добавление и размещение источников света аналогично студийной съёмке. Благодаря освещению можно сформировать тени объектов сцены, изменить свойства отображения материалов, общее настроение сцены.

4. Анимация — это процесс создания движения путём просмотра быстро сменяющихся кадров (изменение во времени каких-либо свойств объектов, например положения в пространстве, размеры, и материалов, например цвет, прозрачность). Для создания иллюзии движения зачастую прибегают к математическому описанию этого движения.

5. Визуализация необходима для формирования окончательного изображения. Операция носит название рендеринга (англ. render – визуализация). При реализации учитывается:

• качество изображения, при этом под качеством изображения понимаются эффекты сглаживания, создание скруглённых диагональных линий (рёбер), количества шагов в полигональной сетке;
• освещение, например: объёмный свет, прожекторы и их количество и т. д. Чем более сложные эффекты освещения применены, тем более значительные ресурсы требуются для вычислений;
• размер изображения, при этом под размером может пониматься как габаритное изображение, так и его разрешение в пикселях.
Осуществляется с помощью программных средств

6. Вывод на печать, либо на экран монитора полученной визуальной модели - последний этап. Передовые технологии не стоят на месте, ученые изобретают новинки техники, к ним и относятся 3D-мониторы и 3D- принтеры.

Виды, принципы создания и использование 3D-моделей

Виды 3D - моделей:

1. Каркасная модель: представляет форму деталей в виде конечного множества линий. Для каждой линии известны координаты концевых точек и функция линии (используется редко в специальных задачах).
2. Поверхностная модель: представляет форму деталей с помощью ограничивающих ее поверхностей (данные о гранях, вершинах, ребрах, функции поверхностей) (особое место - в моделировании транспорта, корпуса аэродинамических поверхностей, лопатки, обшивки фюзеляжа…)
3. Объемные твердотельные модели: дополнительно содержат в явной форме сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству.

Существует 2 основных принципа создания трехмерных моделей:
4. Наглядность.
5. Информативность.

Наглядность - это свойство изображения заключается в правильном и ясном представлении об объекте моделирования. Наглядность создается внешним оформлением трёхмерной модели, цветовой гаммой, системой обозначений, формами и размерами элементов содержания изображения, его текстурой и структурой, т.е. наглядность трехмерной модели – это возможность зрительного восприятия пространственных форм, размеров и размещения изображённых объектов. Чем детальнее модель, тем больше объектов с большими подробностями показанных на модели. При этом в целях повышения наглядности изображения проводят оптимизацию данных, то есть объекты, имеющие второстепенное значение, на модели не показывают.

Информативность - свойство трехмерных изображений определяющееся, прежде всего, наличием в них разнообразных пространственных характеристик. Максимум информативности трёхмерных изображений означает подробный, детальный показ внешнего облика, пространственного положения, размеров и форм всех сколько-нибудь существенных элементов пространства.

В настоящее время создание и использование 3D-моделей местности находит применение в различных областях деятельности: образовании и науке; нефтяной и газовой индустрии; строительстве; городском кадастре; картографии; управлении природными ресурсами; экологическом мониторинге; в туризме. Широко трёхмерное моделирование применяется в формировании данных для кадастровых (землеустроительных, градостроительных) систем. Большую популярность имеют интерактивные цифровые модели городов, с помощью которых решаются задачи городского планирования, управления транспортом, защита от шума и др. Для правильной оценки выбранного варианта решения поставленной задачи необходимо иметь информацию не только о плановом положении и высоте объектов, но и о точности этих данных, которая зависит от исходных материалов таких как космическая и аэросъемка. Аэрофотосъёмка, несмотря на быстрое развитие методов дистанционного зондирования земли, остаётся одним из основных способов создания 3D-моделей, т.к. позволяет построить метрическую, т.е. измеряемую, модель высокой точности.

Программное обеспечение

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 3D Studio Max
• Autodesk Maya
• Autodesk Softimage
• Maxon Computer Cinema 4D
• Blender Foundation Blender
• Side Effects Software Houdini
• Maxon Cinema 4D

3D-принтер

Устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Технологии 3D это один из краеугольных камней современных информационных технологий. Сегодня разработка любого изделия или продукта, невозможна без применения компьютерного моделирования и дизайна, основанного на этих технологиях. Это позволяет проработать все детали изделия, увидеть как оно будет выглядеть в реальных условиях в сопряжении с другими элементами, позволяет быстро напечатать изделие или его физическую модель, с помощью технологий 3D печати.

Завтра, используя технологию 3D печати, мы сможем строить дома, получать искусственные человеческие органы и в принципе создавать и печатать в локальных условиях любые изделия и материалы со своей молекулярной структурой. Например, ремонтному сервису не нужно будет заказывать и ждать (или держать на складе) различные запчасти. Просто надо будет найти изделие по каталогу и напечатать его на своем 3D принтере. Хорошо такое будущее показано в знаменитом фильме «5 элемент», где по сохранившемуся после катастрофы маленькому фрагменту тела инопланетянина, печатают полностью его тело.

Таким образом, компетенция использования 3D технологий важна для любых инженеров, архитекторов, любых дизайнеров (включая интерьер, одежду, ювелирные украшения), строителей, медиков и многих других профессий. Да и вообще использование 3D технологий хорошо активизирует левое полушарие мозга, ответственное за пространственную ориентацию, воображение, интуицию и творческие способности человека. Поэтому эти занятия очень рекомендуется школьникам, также как и рисование, лепка и игры с конструктором в дошкольном возрасте. Все больше и больше школ покупают и получают 3D принтеры, таким образом ребенок имеет возможность сразу увидеть и пощупать результаты своей работы.

В 3D технологиях используется несколько ключевых принципов построения объектов. Наиболее используемые это методы твердотельного моделирования и полигонального моделирования. Твердотельное моделирование это моделирование на основе примитивов твердых тел, каждый из которых характеризуется формой, размерами, точкой привязки и ориентацией, математическим описанием. Это позволяет делать различные логические операции с элементами объектов: объединение, пересечение, вычитание и т.д.

Полигональное моделирование — это когда объекты формируются с помощью полигональной сетки, состоящей из многих полигонов- поверхностей — треугольников, четырехугольников и больше.