Проектная работа по информатике " Основы 3D Графики" (11 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 41»

муниципального образования города Братска

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА

Основы 3D графики

Автор работы:

Недошивко Тимофей Александрович

Учащийся 11а класса

Руководитель работы:

Ковешникова Ольга Алексеевна

Братск

2022

Оглавление

Введение. 3

Актуальность: 3

Цель: 3

Задачи: 3

Этапы работы над проектом: 3

Основная часть. 4

Моделирование. 4

Назначение материалов: 6

Текстурирование. 6

Освещение (рис4) 7

Анимация. 8

Рендер (рис 15) 8

Основная тема исследования. 9

Создание окна ЗD вида. 10

Итоги работы.. 10

Литература. 11

Введение

Актуальность:

На сегодняшний день компьютеры прочно вошли в жизнь современного человека. Это привело к развитию множества новых технологий. Одна из таких является 3D-Моделирование. Уже сегодня для производства любого изделия инженеры всего мира изначально разрабатывают 3D модель своего продукта, затем печатают образец на 3D принтере, а уже потом пускают его в массовое производство.

Цель:

Ознакомить людей с основой 3D графики, показать возможности 3D моделирования на созданной мной 3D моделью, с целью популяризации 3D моделирования на практике.

Задачи:

·        Изучить основы 3D графики.

·        Разобраться в поэтапном процессе моделирования.

·        Создать собственную 3D модель в программе Cinema4D

Этапы работы над проектом:

·        Выбор программы для создания модели изделия.

·        Разработать модель двигателя.

·        Создать сцену со светом.

·        Преобразовать 3д сцену в 2д изображение или же сделать рендер.

 

Основная часть

Чтобы с помощью графики создать определённый объект нужно несколько узко направленных программ. Одни отвечают за построение сцены, в других можно делать ткань, взрывы, материалы. Существует огромное множество разного софта. В своём проекте я пользовался программой Cinema 4D, которая объединяет в себе все вышеперечисленные функции. (Рис. 1)

В сфере 3D границ практически нет. Например, дизайнеры занимаются моделированием объектов, по изображению которых .в будущем создадут:

·        предмет мебели или декора помещения (Рис. 2);

·        интерьеры (Рис. 3);

·        примеры экстерьеров или ландшафтного дизайна (Рис. 4);

·        украшения;

·        одежда (Рис. 5).

Создать в 3D можно практически любой предмет. Более того, в основном дизайнеры работают не просто над отдельным объектом, а рисуют целые интерьеры, ландшафты, прорабатывают образ и движения какого-либо персонажа. Так сложный проект, содержащий множество объектов, материалов, света называют сценой. (Рис. 6)

Практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D–моделирования. Естественно, не все разбираются в 3D-программах и умеют моделировать объемные объекты. Отсюда и востребованность профессии в области 3D моделирования.

 

 

Моделирование:

Объем, качество и детализация объекта получается за счёт полигонов. Это — основные элементы 3D-моделей, из которых и состоит любой объект.
Полигоны образуют полигональному сетку, которая сочетает в себе все рёбра и грани предмета, а они в свою очередь состоят из точек. Чем больше таких точек, граней и полигонов в целом — тем более детализированный получается объект. (Рис. 7), (Рис. 8)

Однако 3D-дизайнеры стараются уменьшить их количество, поскольку возникают сложности при моделировании, файл занимает много места и в результате ещё и программа начинает слегка тормозить.
Поэтому дизайнеры стараются применить ретопологию — упрощение объекта путем удаления или изменения полигональной сетки. (Рис. 9)

В частности, это особенно важно, если для создания модели применяется метод скульптирования — «вылепливания» объекта из заданной геометрической формы. Его основной недостаток заключается в том, что полигональная сетка в итоге будет очень густой. (Рис. 10), (Рис. 11)

После того как модель готова, специалисты  применяют текстурирование или же накладывают материалы на объект и играют со светом. В результате объект получит нужную вам поверхность, даже если при ретопологии модель утратила часть объема. Текстуры весят намного меньше, зачастую компенсируют недостаток детализации, поэтому визуальный эффект ничем не уступает (а порой и превосходит) работе с полигональной сеткой.

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования в котором находятся все обьекты, источники света) включает в себя несколько категорий объектов:

·                   Геометрия, то есть модель, например, здание. (Рис. 12)

·                   Материалы (информация о зрительных свойствах модели, или же цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон); (Рис. 13)

·                   Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения); (Рис. 14)

·                   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.) (Рис. 15)

Задача трёхмерного моделирования — создать эти объекты и разместить их в сцене с помощью преобразований геометрии.

Назначение материалов:

Для реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам, задаётся соответствие свойств реальных материалов — прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр. (Рис. 16)

Текстурирование:

За точную передачу геометрии 3D-объекта отвечает количество полигонов — тех самых векторных многоугольников, из которых состоит модель и с которыми работает дизайнер при её создании. Но когда смоделировать объект слишком сложно, в ход идут текстуры. Разбираемся, как с их помощью создают реалистичные модели, не тратя ресурсов.

Допустим, нам нужно визуализировать деревянный куб. Для этого мы можем создать простой объект, допустим куб или лучше всего параллелепипед и изменить его геометрию, чтобы придать ему вид дерева. (Рис. 17) После этого, чтобы сократить время на моделирование трещин, веток и пр. лучше добавить карту цвета (англ. color map) (Рис. 18)- растровое изображение, которое будет наложено на полигоны. Именно её чаще всего имеют в виду, когда говорят о текстурах. Изображение будет наложено на модель, а геометрия останется неизменной. Так мы создадим видимость рельефа, не тратя много ресурсов на моделирование и компьютерную отрисовку. Готовая модель выглядит неплохо, но на ней нет микрорельефа — небольших трещин, впадин и выпуклостей, которые видны на текстуре. Особенно сильно это заметно, если взглянуть на углы — они абсолютно прямые. (Рис. 19)

Исправить это — придать рельефность — можно, добавив больше полигонов и менять геометрию, но гораздо быстрее и проще будет воспользоваться картой высот (англ. height map), которую также иногда называют картой рельефа. Это чёрно-белая текстура, которая позволяет сделать рельеф реалистичным.

Существует несколько видов карт высот, у каждой свои особенности:

Bump map (англ. bump — кочка, выпуклость) (Рис. 20)

Создаёт иллюзию рельефа, но не меняет геометрию объекта. Для этого на цветовую текстуру компьютер накладывает небольшие искажения, чтобы создать иллюзию неровностей.

Displacement map (англ. displacement — смещение) (Рис. 21)

Изменяет текстуру, «выдавливая» её из обычного объекта и изменяя геометрию, но не меняя количество полигонов.

На объект можно накладывать не только готовые текстуры, но и генерируемые компьютером. Например, можно создать текстуру шума (англ. noise texture) — изображение, содержащее визуальный мусор (шум). Шум появляется при сложности вычисления визуализации. Из-за большого количества неровностей на объектах, из-за сложно настроенных материалов сцена становится всё нагруженнее и нагруженнее. Чем тяжелее в конечном итоге будет сцена, тем больше времени уходит на визуализацию. Для примера покажу одну из своих работ. (Рис. 22)

Текстура шума нужна, чтобы поверхность модели не выглядела слишком идеальной — в реальной жизни практически не встречаются безупречно ровные или идеально окрашенные предметы. Всегда есть какие-то потёртости, пятна, шероховатости и другие небольшие дефекты. Использование шума помогает добиться различных визуальных эффектов. Например, если наложить его на цветовую карту, можно создать эффект разводов, мазков кистью, выцветания или потёртости. Эту фишку я применил в одной из своих недавних работ. (Рис. 23), (Рис. 24)

Практически любые поверхности можно имитировать с помощью шума, если подобрать правильные параметры.

Освещение

      Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. один из самых важных факторов освещения. Цвет — один из самых важных факторов освещения. Он может полностью изменить настроение и эмоциональный окрас картины. Тем не менее до сих пор очень сложно найти достоверную информацию о распределении цвета. Например, в Сети есть такая таблица. (Рис. 25) (Рис. 26)

 

Анимация

Одно из главных призваний трёхмерной графики — придание движения модели, либо имитация движения трёхмерных объектов.

Выделяют несколько направлений трехмерной анимации. К основным можно отнести два:

·        3D-риг представляет собой анимирование трехмерных моделей людей или персонажей с помощью костей. Такой объект можно оживить с помощью скелетной анимации – условного каркаса, то есть модель накладывается на «кости» и «суставы», после чего любое движение анимируется программой. (Рис. 27)

·        3D-визуализация (рендер) с анимацией. Представляет собой создание тщательно проработанной реалистичной модели какого-либо объекта и ее последующее анимирование. Используется для наглядной демонстрации чего-либо. (Рис. 28)

·        3D-симуляция: создание поведения жидкости, огня, дыма, взрыва и т.д. (Рис. 29)

Создание 3D-анимации в чем-то схож с 2D-анимацией. Процесс начинается с написания сценария, далее следуют наброски 3D-персонажей, настройка фона и подготовка к процессу анимации. Весь процесс создания анимации очень долгий и сложный.

Рендер

Рендер (Визуализация) — это процесс создания финального изображения или видео из трехмерной сцены. В процессе создания изображения рендер обрабатывает массу данных, таких как освещение, отражение, текстуру, цвет и материал объекта. За скорость рендера отвечают мощности компьютера. (Рис. 30)

По сути, 3D рендеринг похож на фотографию. Например, программа рендеринга эффективно направляет камеру на объект для создания фотографии. Таким образом, освещение очень важно для создания детального и реалистичного рендера.

Со временем был разработан ряд различных методов рендеринга. Тем не менее, цель каждого рендера состоит в том, чтобы сделать изображение, основанное на том, как свет попадает на объекты, как в реальной жизни.

Основная тема проектной работы.

Все трехмерные модели начинаются с примитивов – самых простых объектов, которые уже заложены в программу. (Рис. 31)

После добавления примитива пользователь может использовать различные способы моделирования, чтобы получить желаемый объект.

Для реализации проекта мне нужно было решить следующие задачи: освоить принцип работы двигателя внутреннего сгорания, найти схему отдельных деталей, создать 3D-модель и попробовать его анимировать. В своих целях я использовал Cinema 4D, потому что так же программа мне уже знакома и в ней будет проще всего сделать эту модель. Так как модель оказалась достаточно сложной, пришлось создавать каждую делать отдельно. Процесс создания ЗD объектов в программе Cinema 4D можно условно разделить на 6 основных этапов:

·                   1 этап — создание окна ЗD вида. (Рис. 32)

·                   2 этап — создание и редактирование объектов. (Рис. 33-35)

·                   3 этап — добавление анимации и спецэффектов.

·                   4 этап — украшение фона. (Рис. 36) (Рис. 37)

·                   5 этап — сохранение объекта и визуализация. (Рис. 38)

Создание модели

Для начала работы в программе Cinema 4D необходимо создать окна ЗD вида для правильного расположения объекта в трех измерениях. Окна можно разделить по вертикали и горизонтали без ограничений сколько угодно раз. В своей работе я создавал 4 окна ЗD вида: видом сверху, спереди, сбоку и с видом из камеры.  

После создания модели объекта следует применить к нему анимацию. Движение, вращение и масштабирование это три основных модификатора, используемые при анимации. При работе с этими модификаторами необходимо указать только положение объекта в начальном и конечном кадрах, при этом положение в остальных кадрах рассчитается автоматически. Когда необходимо анимировать вращение, необходимо создать цикл движения. Иными словами, зафиксировать положение объекта на первом кадре, и в последнем.

Для украшения фона объекта Cinema 4D предоставляет множество вариантов. В моем случае, я использовал специальное студийное освещение. Создал подобие комнаты, в которую поместил 4 источника освещения, а также небо, которое выполняет роль параметра отражения.

Вывод

В ходе выполнения данной проектной работы я полностью разобрался, в том, как работает 3D графика. Мной была создана модель моторного двигателя, которую я выложил на два сайта: На одном показана её визуализация, то есть рендер, а на другом её можно осмотреть.

Также этот проект я выложил на сайт infourok.ru чтобы другие люди, не понимающие и не знающие как устроена 3д графика, смогли разобраться в ней и понять, как она работает.

 

Литература

·                   https://infourok.ru/kompyuternaya-grafika-v-kinematografe-1347040.html

·                   https://habr.com/ru/post/409317/

·                   https://school-science.ru/6/4/36380

·                   https://proudalenku.ru/3d-modelirovanie/

·                   https://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхмерная_графика#Текстурирование

·                   https://skillbox.ru/media/gamedev/chto_takoe_tekstury_i_kak_oni_rabotayut_v_3d_grafike/

·                   https://skillbox.ru/media/gamedev/rabota-so-svetom-v-3d-tsvet-schityvaemost-i-aktsenty/

·                   https://www.adobe.com/ru/products/substance3d/discover/3d-lighting.html

·                   https://blitz-group.ru/blog/chto-takoe-3d-animatsiya

·                   https://3dradar.ru/post/47789/

·                   https://zen.yandex.ru/media/sharaut/render-rendering--chto-eto-takoe-kak-rabotaet-i-zachem-nujen-v-3d-video-i-igrah-60c9b0709831dd461abcc48f

·                   https://habr.com/ru/post/588372/

Приложение:

(Рис. 1)

(Рис. 2)

(Рис. 3)

(Рис. 4)

(Рис. 5)

(Рис. 6)

(Рис. 7)

(Рис. 8)

(Рис. 9)

(Рис. 10)

(Рис. 11)

(Рис. 12)

(Рис. 13)

(Рис. 14)

(Рис. 15)

(Рис. 16)

(Рис. 17)

(Рис. 18)

(Рис. 19)

(Рис. 20)

(Рис. 21)

(Рис. 22)

(Рис. 23)

(Рис. 24)

(Рис. 25)

(Рис. 26)

(Рис. 27)

(Рис. 28)

(Рис. 29)

(Рис. 30)

(Рис. 31)

(Рис. 32)

(Рис. 33)

(Рис. 34)

(Рис. 35)

(Рис. 36)

(Рис. 37)

(Рис. 38)