Основные понятия 3-мерной графики

Занятие 4. Основные понятия 3-мерной графики

Тема занятия: Основные понятия 3-мерной графики.

Тип занятия: сообщение новых знаний

Цели занятия:

1)      Образовательные: знакомить учащихся с основными понятиями 3х-мерной графики; формировать навыки работы с формой

2)      Воспитательные: сформировать мотивацию к обучению;

3)      Развивающие: развивать познавательные умения;

Планируемые результаты обучения на занятии:

1)      Личностные: сформированность мотивации к обучению и целенаправленной познавательной деятельности;

2)      Метапредметные:

a.       Регулятивные УУД: развитие навыков целеполагания и планирования деятельности;

b.       Познавательные УУД: развитие навыков практического использования полученных знаний;

c.       Коммуникативные УУД: развитие навыков беседы;

3)      Предметные: наличие у учащихся первичных представлений о возможностях программы Blender; развитие первоначальных навыков работы с интерфейсом программы.

Методы: объяснение, практическая работа

Оборудование: проектор, компьютеры с программой Blender, 3d-принтер.

Ход занятия

1)      Организационный этап: приветствие, сообщение цели занятия, дисциплинарные моменты.

2)      Актуализация имеющихся знаний:

Что мы знаем о программе Blender?

Что мы научились делать в прошлый раз?

Как мы это делаем?

3)      Изучение новой темы и текущий контроль усвоения.

Трёхмерная графика или 3D - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), призванных обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира, так и быть полностью абстрактной.

Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:

Моделирование — создание математической модели сцены и объектов в ней.

Рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

3D моделирование - это процесс создания виртуальных объёмных моделей любых объектов в трёхмерной системе координат, позволяющий максимально точно представить форму, размер, текстуру объекта, а также позволяющий увидеть объект с любого ракурса.

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

Геометрия - построенная с помощью различных техник 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.

Рендеринг (англ. rendering — русск. визуализация) термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

4)      Практическая работа.

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 пикселей. 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).

Рассмотрим основы работы с графическими объектами.

Когда запускается Blender, по умолчанию в сцене уже присутствует один из примитивов Mesh - куб. Это сделано не зря, т. к. именно куб чаще всего используют для создания модели. Трудно представить, что из него можно сделать реалистичную фигуру человека, предмета обихода или техники. Причем без добавления иных объектов, просто достраивая и редактируя исходный примитив. Путем несложных изменений кубу можно придать совершенно иную форму - например, сферы. Но иногда все же выгоднее воспользоваться другими примитивами Mesh, благо Blender предлагает на выбор добрый десяток заготовок. Все они расположены в меню Add - Mesh (Добавить - Mesh).

-          Plane (Плоскость) — простейший двумерный примитив, имеющий четыре вершины. Путем применения специальной функции ему можно придать объем. Пример использования: модели стекла, зеркала, стены.

-          Cube (Куб)— полноценный трехмерный объект, который создается программой по умолчанию при первом запуске. Широко используется для моделирования самых разных объектов: от коробок до фигур человека.

-          Circle (Окружность) — двумерный объект. При создании можно указать количество вершин (Verticles), размер радиуса (Radius), использовать ли заливку (Fill).

-          UV Sphere (Сфера UV)— сфера, состоящая из сегментов (Segments) и колец (Rings) с равномерно изменяющимся размером к полюсам. Популярный примитив для создания сферичных объектов — например, человеческой головы.

-          Ico Sphere (Сфера) — в отличие от UV Sphere, этот примитив состоит из треугольных плоскостей одинакового размера.

-          Cylinder (Цилиндр)— имеет свойство Cap Ends (Закрыть концы), позволяющее создавать полые либо сплошные объекты.

-          Cone (Конус)— имеет круглую основу, при его генерации на панели Tool Shelf (Панель инструментов) можно изменять количество вершин. Большее значение — более гладкий объект.

-          Torus (Тор) — этот примитив по форме больше напоминает пончик. Его особенность — наличие двух переменных Radius (Радиус), которые позволяют управлять размерами внутренней и наружной стенки.

-          Grid (Решетка)— двумерный примитив, наподобие Plane, с возможностью указания дробления структуры на ячейки.

-         

Monkey (Манки) — во всех популярных ЗЭ-редакторах имеется объект, не несущий практического значения, но являющийся своего рода традиционным (к примеру, в 3ds Мах— это чайник). В Blender таким примитивом стала модель головы обезьянки, названная Манки.

Рисунок 4. Примитивы Mesh

Запустите Blender и обратите внимание на объекты, находящиеся в окне 3D View. По умолчанию их должно быть три: камера, источник света и куб.

Чтобы управлять объектом, его необходимо предварительно выделить. Для этого служит правая кнопка мыши. При этом края активного объекта отмечаются оранжевым цветом. Кроме того, появляются вспомогательные элементы в виде разноцветных стрелок с окружностью. Так Blender отмечает центр объекта (окружность) и по умолчанию включает манипулятор перемещения. Попробуйте выделить куб, затем ухватиться за любую из стрелок и, нажав левую кнопку мыши, осторожно переместить ее в сторону - объект послушно последует за курсором. Заметьте, что в этом случае перемещение осуществляется строго по выделенной координатной оси. Для произвольного перемещения вне отдельной оси наведите курсор на объект и, нажав правую кнопку мыши, двигайте манипулятор.

На заголовке окна 3D View имеется специальная группа кнопок, активирующих разные типы манипуляторов:

-          Включение или отключение визуального отображения в окне активного манипулятора. Это не значит, что объект нельзя будет перемещать или масштабировать. Просто придется использовать горячие клавиши.

-          Режим перемещения (Grab).

-          Режим вращения (Rotate).

-          Режим масштабирования (Scale).

-          Выбор координатной системы.

При выборе режима вид вспомогательных элементов у объекта соответствующим образом изменится. Также имеется возможность включения сразу нескольких манипуляторов. Просто выбирайте нужные из них, удерживая нажатой клавишу <Shift>.

В большинстве случаев работать с манипуляторами эффективнее, если использовать горячие клавиши:

ü  <G>—перемещение;

ü  <S> — масштабирование;

ü  <R> — вращение.

Причем имеется возможность движения объекта строго по нужной координатной оси:

ü  <Х> — координата X;

ü  <Y> — координата Y;

ü  <Z> — координатах.

Например, необходимо переместить объект по координате Z. Соответственно, нажимаем клавишу <G>, затем <Z> и перемещаем объект. Для закрепления результата служит левая кнопка мыши. Чтобы отменить действие, достаточно щелкнуть правой кнопкой мыши или нажать клавишу <Esc>.

Совет.

Вы можете использовать клавишу <Shift> для замедления движения объекта при перемещении, масштабировании или ротации. А вот если нажать клавишу <Ctrl>, то движение объекта будет привязано к вспомогательной сетке окна 3D View.

Немаловажным моментом является выбор подходящей координатной системы. По умолчанию Blender работает в глобальной системе, т. е. в такой, где координатные оси объектов совпадают с осями самой сцены. Для выбора иной ориентации служит соответствующее меню на панели манипуляторов. Всего программа предлагает пять вариантов:

1)      View (Оконная) — зависит от текущей проекции окна 3D View (Front, Top, Right);

2)      Normal (Нормали) — ориентация по нормалям объекта;

3)      Gimbal (Джимбал) — используется при скелетной анимации;

4)      Local (Локальная) — собственная координатная система выделенного объекта;

5)      Global(Глобальная) — ориентация по осям сцены.

Теория без практики ничто, не так ли? А ведь даже того, что вы узнали на этом этапе, вполне достаточно для начала работы над простейшей моделью - например, кувалды.

Итак, кувалда состоит из двух деталей: рукояти и бойка. Blender уже имеет подходящие примитивы для создания этих объектов. Для рукояти подойдет Cylinder (Цилиндр), а роль бойка возьмет на себя обычный куб.

Начнем с чистого листа. Создайте новый проект, нажав <Ctrl>+<N> или выбрав пункт меню File - New (Файл - Новый). На запрос программы Reload StartUp File (Перезагрузить начальный файл) нажмите клавишу <Enter>.

Blender предлагает начать работу с примитивом куба. В данный момент он нам пока не нужен, поэтому удалим его. Для этого выделите куб, нажмите клавишу <Х> и подтвердите решение в появившемся окошке.

Сейчас нужно добавить в сцену примитив Cylinder. Этот объект появится в месте, на которое указывает вспомогательный элемент 3D Cursor. Для его установки щелкните левой кнопкой мыши в нужной части сцены.

После того как вы определились с местом, настало время добавить свой первый примитив. Это можно сделать как из общего меню Add - Mesh - Cylinder (Добавить - Сетка - Цилиндр) верхнего окна программы, так и с помощью «умного меню».

Теперь обратите внимание на левую часть окна 3D View, а именно - на вспомогательную панель с названием последней команды Add Cylinder.

Панель содержит настройки, характерные для созданного примитива Cylinder. Особенностью ее является то, что она показывает опции, связанные с последней вызванной командой. Понятно, что при выборе другой функции содержимое панели утратится. Причем некоторые настройки объекта можно выполнить только на этапе его создания. Рассмотрим их подробнее.

-          Vertices (Вершины) — значение этого параметра влияет на внешний вид примитива. Так, если вписать цифру 6, то вы получите заготовку шестигранника. Увеличение этого параметра приведет к более гладкой фигуре, но не переусердствуйте! Blender имеет немало инструментов для сглаживания объектов без увеличения количества их элементов.

-          Radius (Радиус) - радиус объекта.

-          Depth (Глубина) - размер объекта по координате Z.

-          Меню Cap Fill Туре (Способ заливки) - важный параметр, отвечающий за закрытие примитива. Здесь есть три пункта:

-          Triangle Fan (Треугольниками);

-          Ngon (Единой плоскостью);

-          Nothing (Ничем).

-          Align to View (Выравнивание)- очень полезная функция, которая позволяет ориентировать объект по координате Z в оконной системе координат. Проще говоря, как бы вы ни повернули сцену, установка этой «галочки» заставит объект «смотреть» вершиной на вас.

-          Location (Размещение) - размещение объекта.

-          Rotation (Вращение) - поворот объекта.

Не будем пока менять эти параметры и оставим их как есть. Итак, первый примитив - основа рукояти - создан.

Теперь придадим ему более подходящую форму. Нужно вытянуть объект по вертикали (координате Z) и немного сузить в диаметре. Конечно, можно воспользоваться манипуляторами, описанными ранее, и вручную придать форму примитиву, но давайте познакомимся с еще одной панелью. С ее помощью можно точно настраивать размещение, масштаб, ротацию объекта и многое другое. Она располагается в правой части окна 3D View. Если ее нет, то нажмите клавишу <N>.

Подправим немного масштаб модели в пункте Scale (Масштаб). Для изменения параметра можете воспользоваться стрелками или, щелкнув левой кнопкой мыши в нужном поле, вписать иное значение:

1)      Х = 0.295;

2)      Y = 0.295;

3)      Z = 4.700.

С рукоятью разобрались, настало время добавить боек. В качестве заготовки послужит обычный куб. Добавьте его в сцену командой Add - Mesh - Cube (Добавить - Сетка - Куб).

Для подгонки его расположения на рукояти будет удобнее работать с ракурсом Front View (Вид спереди) в ортогональной проекции. Нажмите клавиши <NumPad 1> и <NumPad 5>.

Рисунок 5. Кувалда в ортогональной проекции

6)      Проверка и самопроверка

Выполнение серии заданий: создание и изменение формы простых примитивов.

7)      Анализ полученных результатов

О чём мы сегодня узнали? Чему научились? Что понравилось на сегодняшнем занятии? Что не понравилось? О чём бы вы хотели услышать на следующем занятии?

Домашнее задание: создать примитив по собственному выбору.