Доклад по информатике на тему "Основные требования к 3D построению пространственных объектов"

ФГБОУ ВО «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М.Е.ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

РЕФЕРАТ

Основные требования к 3D построению пространственных объектов

Выполнила: А.В. Федорова, студентка 5 курса, гр. МДМ-114

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование.

Профиль Математика. Информатика

Проверила: Т. В. Кормилицына, канд. физ-мат. н., доцент

Саранск 2019

Оглавление

Трёхмерная графика. 3

Этапы создания 3D модели. 4

Программное обеспечение. 8

Области применения 3D   моделирования. 9

Требования к 3D моделям. 10

Особенности 3D моделирования. 11

Литература. 12

Трёхмерная графика

Трёхмерная графика – раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве.

3D-моделирование – это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования – разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

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. Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трёхмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трёхмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи. Но, чтобы насладиться объёмной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Более подробно о применении трехмерной графики будет описано ниже.

Этапы создания 3D модели

            Изготовление 3 D моделей осуществляется в несколько этапов:

-                   Создание формы и построение геометрии модели объекта – процесс моделирования геометрической формы предмета без учета его физических характеристик. На данном этапе используют такие приемы 3 D моделирования как: выдавливание, вращение, полигональное моделирование или модификаторы.

-                   Текстурирование. Степень реалистичности модели будет непосредственно зависеть от выбранных материалов при наложении текстур на объект.

-                   Настройка освещения и выбор точки наблюдения. Достаточно сложный этап разработки 3 D модели, от того насколько точно и грамотно выставлен свет, показатели яркости, глубины теней, резкости зависит напрямую степень реалистичности модели.

-                   Анимация и динамическая симуляция (в некоторых случаях) –  придание движения объектам; автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом.

-                   Рендеринг и 3Dвизуализация – заключительный этап построения 3D модели, призванный детализировать настройки отображения трехмерной модели, а также добавить графические спецэффекты, к примеру, туман, блики, сияние и др. На данном этапе также детализируются и уточняются настройки трехмерной визуализации.

-                   Композиторинг (компановка) – остобработка полученных изображений 3D модели, добавление эстетичных визуальных эффектов, привлекающих внимание и вызывающее интерес потребителя.

-                   Вывод полученного изображения на устройство вывода  –дисплей или специальный принтер.

Рассмотрим каждый шаг подробнее.

1.                 Моделирование (моделирование виртуального пространства) включает в себя несколько категорий объектов:

-                   Геометрия (построенная с помощью различных техник (направление, создание полигональной сетки) модель, например, здание);

-                   Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например, цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);

-                   Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

-                   Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);

-                   Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);

-                   Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования – описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению. Назначение материалов: для сенсора реальной фото-камеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов – прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

·                     Pixologic Zbrush;

·                     Autodesk Mudbox, Autodesk 3D max;

·                     Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;

·                     Google SketchUp;

·                     Blender;

·                     Компас (САПР).

Для создания трёхмерной модели человека или существа может быть использован прообраз (в большинстве случаев) – скульптура.

2.                 Текстурирование

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трёхмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определённая координата на двухмерном пространстве текстуры.

Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трёхмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков, например, Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella и др.

3.                 Освещение

Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D-графики предоставляют следующие типы источников освещения:

1.                 Omni light (Point light) – всенаправленный;

2.                 Spot light – конический (прожектор), источник расходящихся лучей;

3.                 Directional light – источник параллельных лучей;

4.                 Area light (Plane light) – световой портал, излучающий свет из плоскости;

5.                 Photometric – источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному назначению в разных программах трёхмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы. Специалисты советуют начинать с одного основного источника света, а остальные добавлять постепенно - по одному, в зависимости от показаний тестового рендера.

4.        Анимация

Одно из главных призваний трёхмерной графики – придание движения (анимация) трёхмерной модели, либо имитация движения среди трёхмерных объектов. Универсальные пакеты трёхмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

·       Autodesk MotionBuilder

·       PMG Messiah Studio

5.                 Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок – кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена, по крайней мере, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности.

Самый простой вид рендеринга – это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции. Обычно этого недостаточно, и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).

Наиболее популярными системами рендеринга являются:

PhotoRealistic RenderMan (PRMan)

Mental ray

V-Ray

FinalRender

Brazil R/S

BusyRay

Turtle

Maxwell Render

Fryrender

Indigo Renderer

LuxRender

YafaRay

POV-Ray

Программное обеспечение

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

сравнительно новые 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.

SketchUp

Бесплатная программа SketchUp компании Google позволяет создавать модели, совместимые с географическими ландшафтами ресурса Google Планета Земля, а также просматривать в интерактивном режиме на компьютере пользователя несколько тысяч архитектурных моделей, которые выложены на бесплатном постоянно пополняемом ресурсе Google Cities in Development (выдающиеся здания мира), созданные сообществом пользователей.

Blender

Свободный, профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), а также для создания интерактивных игр. В настоящее время пользуется наибольшей популярностью среди бесплатных 3D редакторов в связи с его быстрым и стабильным развитием, которому способствует профессиональная команда разработчиков.

Области применения 3D   моделирования

-                   Реклама и маркетинг. 3D модель объекта незаменима при подготовке презентации нового продукта, а также для создания 3D визуализации объекта, используемой в рекламе продукции, при разработке дизайна упаковки, дизайна выставочных стендов и POS-материалов.

-                   Промышленность. Производственное моделирование продукции позволяет обнаружить и устранить недостатки продукции до непосредственного запуска производства, что существенно сокращает финансовые затраты производителя. 

-                   Компьютерные игры и кинематограф. 3D моделирование позволяет создать трехмерные ландшафты, анимированных персонажей, модели 3D героев, окружение для компьютерных игр и видеоигр. В кинематографии 3D технологии используются как инструмент создания ландшафтов и отдельных 3D объектов.

-                   Архитектура и дизайн. 3D модели зданий и сооружений – неотъемлемая часть современного процесса проектирования, на основе которых можно изготовить прототип объекта, в случае необходимости с максимальной степенью детализации. 3D-моделирование в дизайне интерьеров позволяет заказчику увидеть, как будет выглядеть готовый дизайн-проект комнаты или офиса, еще до проведения ремонтных работ.

-                   Анимация. Создание анимированных персонажей, способных двигаться, а также создание анимированного видеоролика на основе проектирования анимационных сцен.

Требования к 3D моделям

Прежде чем приступить к созданию прототипа по полученной трехмерной модели, необходимо провести анализ модели и ее адаптацию:

1.                 Провести анализ геометрической фигуры: определение, свойства, данные из условия задачи и т.п.

2.                 Проверка всех параметров, размеров и допусков на соответствие их техническим данным оборудования, которое будет использовано для создания прототипа.

3.                 Адаптация 3D модели под используемое оборудование.

Особенности 3D моделирования

          Изображения кажутся реалистичными, по сравнению с 2D-изображением. В компьютерной графике различные объекты существуют исключительно в памяти персонального компьютера. У них нет никакой физической формы, и это как бы большие наборы чисел и всевозможных математических формул, или, например, электроны, которые перемещаются внутри компьютера.

Так как подобные объекты не существуют вне компьютера, единственным способом их зафиксировать является добавление ряда специальных формул для того, чтобы определить освещение и камеры. Программное обеспечение компьютера при проведении 3 D моделирования в основном берёт на себя всю обработку различных математических операций, в итоге пользователь видит перед собой несуществующую сцену на мониторе ПК, и даже может внести в неё те или иные необходимые изменения при помощи использования кнопок мыши, либо клавиш клавиатуры.

Литература

1.                 Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2002. — 640 с.

2.                 Д. Херн, М. П. Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL. — 3-е изд. — М., 2005. — 1168 с.

3.                 Э. Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2001. — 592 с.

4.                 В. П. Иванов, А. С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г. М. Полищука. — М.: Радио и связь, 1995. — 224 с. — ISBN 5-256-01204-5.