3D моделирование в графическом редакторе

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Российский государственный

профессионально-педагогический университет»

Факультет электроэнергетики и информатики

Кафедра информационных систем и технологий

Реферат

по дисциплине

«ИНФОРМАТИКА»

3D МОДЕЛИРОВАНИЕ В ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРАХ

Выполнила:

Студентка группы ТГС-114    Ю.В. Сотникова

Проверил:

ст. преподаватель      Н. С. Толстова

Екатеринбург

2014

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 ВВЕДЕНИЕ

С появлением новых мощных компьютеров, с помощью которых возможно не только решать математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности. Такие продукты как 3D Studio MAX, Autodesk maya, ZBrush позволяют с помощью изобразительных средств воплотить самые фантастические идеи и мечты в жизнь. Компьютерное 3D-моделирование, анимация и графика позволяют человеку освободить творческую мысль от физических усилий, максимально настроившись на плод своего творения. Конечно, пока невозможно заниматься графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно, в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли. 
 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 3D ГРАФИКИ

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

 

1. Отличия 3D изображения от 2D

Для начала хотелось бы сказать что же такое 2D или двухмерная графика. Двухмерная(XY)(2D — от англ. twodimensions— «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений. Примеры двухмерной графики представлены в Приложении 1. [15]

Трёхмерное изображение(XYZ) 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, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала). Примеры трехмерной графики представлены в Приложении 2. [16]

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. [14]

2. Применение трёхмерной графики

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. 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 трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стерео очки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи. Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики. Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (вексельная модель). [14]

 

2. Этапы создания 3D модели

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

• Моделирование— создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
• Текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур(подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
• Освещение— установка и настройка источников света;
• Анимация(в некоторых случаях) — придание движения объектам;
• Рендеринг(визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

 

1. Моделирование сцены

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

Рис. 1.Моделированиесцены

 

• Геометрия(построенная с помощью различных техник (напр., 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 фотокамеры 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. [14]

 

2. Текстурирование модели

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

 

Рис. 2.Текстурирование модели

 

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

 

3. Освещение сцены

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:

 

Название	Описание
Omnilight (Pointlight)	Всенаправленный
Spotlight	Конический (прожектор), источник расходящихся лучей
Directionallight	Источник параллельных лучей
Arealight (Planelight)	Световой портал, излучающий свет из плоскости
Photometric	Источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала

 

 

Рис. 3. Освещение сцены

 

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному предназначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Spherelight) или объемного освещения (Volumelight), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы. [14]

 

4. Создание анимации

Компью́терная анима́ция— вид мультипликации, создаваемый при помощи компьютера. В отличие от более общего понятия «графика CGI», относящегося как к неподвижным, так и к движущимся изображениям, компьютерная анимация подразумевает только движущиеся. На сегодня получила широкое применение как в области развлечений, так и в производственной, научной и деловой сферах. Являясь производной от компьютерной графики, анимация наследует те же способы создания изображений:

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

• Autodesk Motion Builder
• PMG Messiah Studio

Создание анимации – длительный процесс который невозможно описать с помощью нескольких шагов

 

5. Рендеринг модели

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, как показано выше. 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).

 

Рис. 4. Рендеринг модели

 

1. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Программное обеспечение (допустимо также произношение обеспече́ние) (ПО)— все или часть программ, процедур, правил и соответствующей документации системы обработки информации (ISO/IEC 2382-1: 1993. Information technology — Vocabulary — Part 1: Fundamentalterms).

 

1. Программы 3Dмоделирования и расширения 3D моделей

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, а также сравнительно новые, например ZBrush.  Примеры программного обеспечения представлены в Приложении 3. [17]

 

У файлов 3D моделирования есть и свои расширения: .3df 3D-изображение, .anm 3D-анимация, .m3d файл 3D модели

Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет создавать 3D модели, c последующим рендерингом), K-3DиWings3D. [14]

 

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трехмерная графика нужна для более реального изображения предметов, более яркого представления реального мира, изображения предметов, объектов, приближая их к реальности.

Создание трехмерного изображения включает в себя основных два этапа: моделирование и непосредственно визуализацию. На этапе моделирования происходит проектирование модели (основная цель моделирования, есть то, что проектируются объекты и в дальнейшем редактируется с помощью геометрических преобразований, для создания более реальной модели с определенными требованиями), а на последующем этапе выполняется построение проекции, и в дальнейшем оживление созданной модели с помощью разных методов и приемов.

Трехмерная графика и анимация занимает сейчас важную нишу, и в дальнейшем планирует свое все большее развитие и внедрение во многих областях. 
 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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. Г. Снук. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9. — 2-е изд. — М.: Кудиц-пресс, 2007. — 368 с. — ISBN 5-9579-0090-7
5. 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