Особливості 3Д–моделювання

Особливості 3Д–моделювання

Особливості 3Д - моделювання

Дробот Олександр Олександрович

бакалавр,

Київский Політехнічний Іститут ім. Ігоря Сікорского

Стаття присвячена висвітленню и розкриттю поняття 3д - моделювання, його видів та особливостей. Були проаналізовані види моделювання, їхнє практичне використання, переваги та недоліки кожного виду. Розглянуті найпоширеніши програми для створення 3 -д зображень та їх головні функції.

Ключові слова: 3д - моделювання, анімація, візуалізація, дизайн, полігон, сітка, сплайн.

Статья посвящена освещению и раскрытию понятия 3д - моделирование, его видов и особенностей. Были проанализированы виды моделирования, их практическое использование, преимущества и недостатки каждого вида. Рассмотрены самые известные программы для создания 3-д изображений и их главные функции.

Ключевые слова: 3д - моделирование, анимация, визуализация, дизайн, полигон, сетка, сплайн.

The article is devoted to disclosure of the concept of 3D modeling, its types and features. Analyzed the types of simulation, their practical use, advantages and disadvantages of each type. Considered popular programs to create 3-d images of those of their main functions.

Key words: 3D modeling, animation, visualization, design, polygon, mesh, and spline.

Однією з перспективних професій зараз є професія 3д -дизайнера. В даній статті ми розкриємо головні особливості 3д - моделювання та структуру програм для нього.

Програми для тривимірного моделювання допоможуть перетворити цікаві нариси в красиві прототипи і моделі, які можна буде потім використовувати в найрізноманітніших цілях. Суть моделювання в тому, щоб розробити вигаданий об'єкт в об'ємному вигляді. Така робота кожен день набуває все більше популярності. І недарма, адже робота цікава і високооплачувана. Щоб створити придатну модель потрібно слідувати певним планом [3, а15]

1.            Моделювання (модель розглядається виключно з математичної сторони).

2.            Текстурування (визначення текстур, які будуть присутні в моделі).

3.            Освітлення (установка світла).

4.            Анімація (надаємо рух об'єкту, це вже право вибору автора).

5.            Динамічна симуляція (розрахунок взаємодії структур один з одним).

7.            Компонування (доробка всіх недоліків) і виведення зображення (перегляд кінцевого результату).

Для того, щоб краще розібратися з особливостями тримірного моделювання, треба розглянути найбільш популярні види моделювання.

Полігональне моделювання. Полігональне моделювання дає можливість проводити різні маніпуляції з сіткою 3d об'єкта на рівні підоб'єктів: вершин, ребер, граней. Сам полігон складається з граней, але в системах, які підтримують багатосторонні межі, полігони і межі будуть рівнозначні. Це перший і основний вид моделювання, так як з його допомогою можна створити об'єкт будь-якої складності шляхом з'єднання груп полігонів. Полігональне моделювання поділяється на три типи: низькополігональне, середньополігональне і високо полігональне [2, c.34].

Перше з них, Low-Poly призначене для створення об'єктів з невеликим числом полігонів, зазвичай, для економії ресурсів, коли не потрібна висока деталізація, а також для створення низькополігона- льних ілюстрацій, які набирають велику популярність останнім часом;

Іншим чином, Mid-Poly орієнтоване, зазвичай, тільки на необхідний результат при рендерінгу, тобто при моделюванні потрібної геометрії, наприклад, із застосуванням булевих операцій; над полігональної сіткою ніякі роботи по її оптимізації не проводять, або вони мінімальні.

Навпаки, моделювання High-Poly являє собою створення об'єкта з великим числом полігонів, зазвичай, точної його копії Стандартна схема High- Poly моделювання відбувається з поступовим нарощуванням рівня деталізації 3d об'єкту:

перший рівень є базовим, і являє собою загальну форму об'єкта;RRr"-;j щ

1.            на другому рівні відбувається уточнення базової форми, зазвичай, шляхом додавання фасок;

2.            третій рівень завершальний, тобто на ньому виробляється чітка деталізація об'єкта, зазвичай, шляхом застосування плагінів згладжування.

Сплайнове моделювання. Сплайновое моделювання являє собою створення 3d об'єктів за допомогою кривих ліній (сплайнів). Сплайнами можуть виступати лінії різної форми: кола, прямокутники, дуги і т. д. Об'єкти при цьому виходять плавної форми, в зв'язку з чим, даний метод отримав широке застосування в створення органічних моделей, таких, як рослини, люди, тварини і т. д.

Перевага даного методу в гнучкості зміни форми сплайна.

Цей вид моделювання часто порівнюють з полігональними, як векторну графіку з растровою. «Перевага векторної графіки в тому, що при збільшенні об'єкта, його якість не змінюється, на відміну від растрового, де стають видні пікселі» [6, с.87]. Так само і при збільшенні об'єкта, створеного сплайнами, його якість залишиться незмінним, а при полігональному моделюванні будуть вже видно полігони.

NURBS моделювання. NURBS розшифровується як «Non-Uniform Rational B-Spline» [5, с.67], і являє собою технологію створення 3d об'єктів за допомогою спеціальних кривих, які називаються B- сплайнами. Деякі фахівці виділяють цей вид моделювання в окремий, а деякі - в підвид сплайнового моделювання.

Принцип моделювання полягає в наступному: за допомогою B-сплайнів, розташованих по вертикалі і горизонталі, будується потрібна форма об'єкта, а потім все це з'єднується за допомогою полігонів.

Існують два різновиди цього моделювання:

1.            за допомогою P-кривих (Point), форму яких можна змінювати за допомогою вершин, які розташовані безпосередньо на самій лінії;

2.            за допомогою CV-кривих (Control Vertex), форму яких можна змінювати за допомогою вершин, які розташовані за межами лінії.

NURBS моделювання застосовується майже у всіх популярних програмах 3d моделювання спільно з іншими видами.

Як приклад програм, які використовують моделювання кривими як основний метод, можна навести «Rhinocéros», «Autodesk Alias», «MOI 3D».

й-скульптинг. 3d-скульптинг він же «цифрова скульптура» являє собою імітацію процесу «ліплення» 3d моделі, тобто деформування її полігональної сітки спеціальними інструментами - кистями [5, с.81]. Можна провести аналогію з ліпленням фігур руками з пластиліну або глини. Тільки в програмах 3d-моделювання пальці замінені на інструмент «кисть», а «пластиліном» є полігональна сітка.

Промислове моделювання. Системи Автоматизованого Проектування (САПР) і чи по-англійськи CAD (Computer-Aided Design) застосовують для створення 3d моделей в першу чергу промислового призначення [8, с. 91]. Вони призначені для створення точних копій реальних об'єктів.

При даному виді моделювання враховуються не тільки найменші зазори, але і властивості матеріалу модельованого об'єкта. У зв'язку, з чим даний вид моделювання знайшов широке застосування в інженерній справі. Особливість моделювання в тому, що для створення моделі не використовують полігони, а цілісні форми.

Параметричне моделювання. Параметричне моделювання здійснюється шляхом введення необхідних параметрів елементів моделі, а так само співвідношення між ними [1, с.99]. Іншими словами створюється математична модель з потрібними параметрами, змінюючи які можна створити різноманітні комбінації моделі і тим самим уникнути помилок, внісши необхідні корективи.

Є досить старим і найпростішим способом проектування промислових деталей і механізмів.

Твердотільне моделювання. Якщо при полігональному моделюванні куб розрізати навпіл, то там всередині буде порожнеча. При твердотільному моделюванні, якщо розрізати куб, то там не буде порожнечі, як якщо б розрізали реальний твердий предмет [4, с.72].

При побудові моделі працюють відразу з усією оболонкою, а не з окремими поверхнями. Спочатку створюється проста форма оболонки, наприклад, сфери, а потім до неї застосовують різні операції: різання, об'єднання з іншими тілами, булеві операції та ін. Твердотільне моделювання ідеально підходить для створення твердих 3d моделей нескладної форми: шестерень, двигунів, і т. д., але не застосуємо до створення м'яких: м'ятого одягу, тварин і т. д.

Поверхневе моделювання. Поверхневе моделювання, зазвичай, використовується для створення поверхонь складних форм: автомобілів, літаків і т. д.

Модель будується з різних поверхонь, яким надають потрібну форму, а потім з'єднують між собою, наприклад, плавними переходами, а зайве обрізають. Таким чином, форма потрібної оболонки об'єкта збирається з декількох поверхонь.

Прикладами програм для промислового моделювання є: «Compas 3D», «SolidWorks», «Solid Edge» і т. п.

Моделювання мета сферами. Так само слід згадати про таке моделювання як «Metaball», тобто моделювання метасферами.

Аналогічно сплайновому або NURBS моделювання даний вид дозволяє створювати моделі згладженої форми. Його особливість в тому, що модель будується з 3d об'єктів згладженої замкнутої форми (метасфер), які при зіткненні один з одним автоматично зливаються частинами дотичних поверхонь. Метасфери як би притягуються один до одного подібно краплях води або ртуті [7, с.28]. За допомогою «Metaball» легко створювати, наприклад, краплі роси на листках дерев, різні купини або прищі на шкірі персонажа.

Прикладом програми, в якій можливе моделювання метасферами є Blender.

Таким чином, при створенні моделей не складної форми краще використовувати полігональне моделювання. Для отримання гладкої форми нескладних об'єктів - сплайнове або NURBS моделювання, або полігональне з використанням інструментів згладжування.

При створенні складних біологічних організмів зручніше використовувати 3d-скульптинг. Коли ж необхідно створити точну модель з необхідними зазорами урахуванням фізичних властивостей матеріалу, то тут найбільш підходять методи промислового моделювання.

При створенні складних моделей вищеописані методи моделювання часто використовуються спільно, так як це прискорює процес моделювання. Так, наприклад, при створенні персонажа для ігор використовується 3d-скульптинг, з допомогою якого проступають необхідні дрібні деталі, а потім на її основі створюється Low-Poly модель полігональними моделюванням.

Компас-3Д. Дана платформа вкрай затребувана в колі вузьких фахівців: це виробництво автозапчастин, моделювання техніки, розрахунок тривимірних об'єктів для правильного свердління і т. п. За великим рахунком, створення 3D-моделей в «Компас» - це побудова тривимірних асоціативних моделей, починаючи з ізольованих вузлів і закінчуючи полномірної складальної одиницею [9, с. 27].

Daz Studio. Програма поширюється безкоштовно, але це не заважає їй бути досить потужною платформою для створення ЗД-моделей. Програма - далеко не легкий в освоєнні інструмент, тому новачкам доведеться довго і наполегливо вивчати 3D-

У багатьох пакетах 3d моделювання є інструменти майже для всіх видів моделювання, наприклад, в «Blender», «Modo». Але, «На смак і колір товаришів немає», тому зустрічаються і такі фахівці, хто моделює в одній програмі, скульптинг робить в інший, а ретопологию у третій і т. д.

Серед найпоширеніших програм використовують такі:

SketchUp. Вважається професійним софтом для практично будь-яких дій з тривимірними моделями. Програма має безліч шаблонів і вбудованих генераторів ефектів, що значною мірою полегшує роботу як новачкам, так і в деяких випадках професіоналам.

Уроки по цій платформі. Створення 3D-моделей в Daz Studio робить їх вкрай реалістичними завдяки роботі з GPU прискоренням і просунутим рендерингом.

AutoCAD. В якомусь особливому поданні ця платформа не потребує, бо вона знайома практично всім - від новачків-інженерів до професійних архітекторів, які працюють у великих компаніях. Якщо мати в арсеналі умілі руки і невеликий пакет знань, створення 3D-моделей в AutoCAD буде проходити швидко та порівняно просто.

. Розробник позиціонує платформу як візуалізатор інтерактивних тривимірних сцен, але розширена версія дозволяє аналізувати, редагувати і вносити будь-які зміни в побудовані ЗД-моделі. Однією з головних фішок програми є підтримка 3D- друку [10, с.64]. Також варто відзначити, що софт відрізняється винятковою простотою поряд з широкими функціональними можливостями. Платформа вкрай проста в освоєнні, легко встановлюється і підтримує більшість відомих ЗД-форматів.

Open SCAD. Цікава і безкоштовна платформа для ЗД-моделювання Open SCAD дозволяє серйозно зайнятися проектуванням інтер'єрів, промдизайном і архітектурою. Будь-які художні аспекти цікавили розробників набагато в меншій мірі, тому, на відміну від аналогічних програм, ця платформа не є інтерактивним інструментом. За великим рахунком, створення 3D-моделей в Open SCAD - це компіляція проектів, де вашій увазі показано найд- рібніші деталі і подробиці об'єкта в тривимірному просторі.

AutoDesk 123D. Платформа оснащена багатим функціоналом і має великий набір інструментів длятривимірного та CAD-моделювання. Софт дозволяє створювати, проектувати і візуалізувати будь-ЗД- проекти, за винятком, може бути, критично-геометричних конструкцій. Також варто відзначити, що платформа підтримує технологію 3Б-друку в повному обсязі.

. Платформа вважається ідеальним інструментом для компіляції і візуалізації декількох проектів або окремих ЗД-моделей. Буквально в два кліка можна вирізати частина з однієї моделі і вставити її на іншу. Також платформа підтримує ліплення, тобто можливість створення віртуальних скульптур і образів, причому формуючи і уточнюючи поверхню на будь-якому етапі побудови, як якщо б модель наживо ліпилася з глини. Причому весь процес можна поставити на «реальний час» і коректувати по візуальному ходу. Підтримка операційних систем: Windows, OS X.

D Crafter Ще одна безкоштовна платформа, яка дозволяє працювати з тривимірними моделями в режимі реального часу. Основна особливість, за яку програму полюбили новачки і фахівці, - це інтуїтивно зрозуміла функція «drag-and-drop».

моделювання програма зображення

Список використаної літератури

1.      Алексеева И.В. Сборник задач и упражнений по курсу «Информатика». - Обнинск: Обнинский институт атомной энергетики, 2007.

2.      Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2008 г.

3.      Информатика. - / Под ред. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2007. - 768 с.

4.      Информатика: Учебник для вузов. - / Под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2008.

5.      Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. - М.: Вуз и школа, 2009. - 636с.

6.      Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хен- нер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр "Академия", 2008

7.      Острейковский В.А. Информатика. - м.: Высшая школа, 2007.- 512с.

8.      Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. - 2-е изд. Доп. - М.: Финансы и статистика, 2008.

Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга. - М.: Финансы и статистика, 2008