Виды программ для 3d моделирования

Содержание

Статья посвящена актуальному и стремительно развивающемуся в наши дни направлению IT-индустрии, а именно 3D-графике и возможности применения инструментов разработки объемных объектов в образовательном процессе. Изложенный в статье материал дает понимание о возможностях, которые предоставляет 3D-графика в повседневной жизни, и содержит ответ на вопрос, почему в наше время так важно изучать эту сферу.

Также информация, представленная в статье, дает представление об этапах разработки модели и важности правильной постановки основной задачи. Важно отметить и тот факт, что работа с 3D включает в себя не один, а сразу несколько различных видов трехмерного моделирования, речь о которых пойдет в этой статье. Разделение на разные области применения позволяет покрывать широкий спектр задач в самых разных видах деятельности, а также дает дополнительную возможность будущему специалисту определить наиболее подходящее направление для развития и реализации в выбранной сфере. Кроме того, статья содержит информацию о наиболее часто используемых программах для создания и изменения трехмерных моделей, применяемых в каждом конкретном направлении.

Советы для новичков | Как правильно изучать 3D моделирование | Что такое 3D? | Римский меч

3D-моделирование
трехмерная графика
направления моделирования
объемные объекты
виды моделирования

1. Инженерная и компьютерная графика: учебник и практикум для вузов / под общей редакцией Р.Р. Анамовой, С.А. Леоновой, Н.В. Пшеничновой. М.: Юрайт, 2022. 246 с.

2. Хейфец А.Л., Логиновский А.Н., Буторина И.В., Васильева В.Н. Инженерная 3D-компьютерная графика в 2 т. Том 1: учебник и практикум для вузов / под редакцией А.Л. Хейфеца. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2022. 328 с.

3. Боресков А.В., Шикин Е.В. Основы компьютерной графики: учебник и практикум для вузов. М.: Юрайт, 2022. 219 с.

4. Blender 3.3 Reference Manual. [Электронный ресурс]. URL: https://docs.blender.org/manual/en/latest/ (дата обращения: 19.10.2022).

В настоящее время технологии виртуальной и дополненной реальности доступны практически на всех мобильных устройствах с доступом в Интернет (смартфон, планшет) или на специальных компьютерах с встроенными дисплеями (очки и шлемы). Взаимодействовать с объектами виртуальной и дополненной реальности достаточно просто.

В различных приложениях можно примерить разные маски, фоны, подобрать мебель для своего дома или спланировать интерьер, побывать в недоступных или отдаленных местах, изучить флору и фауну разных регионов планеты и многое другое. Благодаря сервисам виртуальной и дополненной реальности можно визуализировать различные процессы и явления, увидеть то, что недоступно для изучения по разным причинам (из-за скорости протекания, опасности, недоступности). Образовательные учреждения оснащаются оборудованием виртуальной и дополненной реальности, которое можно применять для проведения исследований, реализации проектной деятельности, визуализации сложных в изучении объектов. Высшие учебные заведения педагогической направленности в рамках комплексной программы по модернизации и стратегическому развитию педагогических вузов «Учитель будущего поколения России» были оснащены высокотехнологичными площадками – технопарками универсальных педагогических компетенций.

Виды моделирования. Основы скульптинга, ретопологии и развертки

В создании моделей реальных или фантастических объектов помогает 3D-визуализация средствами различных приложений. В настоящее время таких приложений разработано очень много. Эти приложения отличаются по предоставляемым возможностям, области применения, сложности освоения и другим параметрам.

Целью исследования является проведение сравнительного анализа приложений для 3D-моделирования с точки зрения применения в образовательном процессе.

Для достижения цели использовались следующие методы исследования: теоретические (анализ технической, методической литературы, нормативных документов, учебных программ, методических материалов); общенаучные (систематизация, педагогическое моделирование, проектирование и конструирование).

Моделирование как метод исследования изучается или применяется во многих дисциплинах школьной программы, а также широко используется при освоении дисциплин, включенных в образовательные программы подготовки будущих педагогов (например, на уроках окружающего мира, когда ученики моделируют объекты и явления вокруг себя). Однако существует совсем другая сфера моделирования, которая до сих пор слабо распространена как в школьной программе, так и в программах высшего образования, а именно компьютерное 3D-моделирование.

3D-моделирование – это процесс создания изображений, видео или анимации в трехмерном пространстве путем моделирования реальных и вымышленных объектов в трех измерениях. В настоящее время мир с самого детства окружает человека различными 3D-объектами: это персонажи игр и фильмов с компьютерной графикой, привлекательные яркие объекты необычной формы из рекламных роликов, картинки с кинематографическим качеством, созданные в специальных редакторах с помощью технологий трехмерного моделирования. Все это способно заинтересовать ребенка и побудить его к изучению чего-то нового, например того, как создаются различные эффекты, изображения и анимации.

Сложно не отметить положительные стороны работы в направлении 3D-моделирования: обучение этим навыкам способствует формированию отдельных компонентов универсальных компетенций педагога по использованию инструментов и техник цифрового моделирования для реализации образовательных процессов, а также позволяет развивать как творческие, так и технические возможности, достигать новых результатов. Использование 3D-моделирования на уроках дает возможность учителям расширить список имеющихся инструментов обучения.

Не менее важным является и тот факт, что в таком образовательном процессе результатом работы ученика будет являться конкретная видимая модель создаваемого объекта или персонажа, а не набор абстрактных и не всегда понятных знаний. В обычной форме урока ученики по большей части имеют лишь лекционную форму восприятия информации, что негативно сказывается на конечном усвоении материала. Моделирование в 3D лишено этого недостатка, позволяя сразу проверять и закреплять полученные знания на практике в процессе создания объектов.

Кроме того, есть и другие преимущества обучения, основанного на работе с трехмерной графикой. В отличие от плоских изображений модель, созданная в 3D-редакторе, интерактивна, это значит, что ученик в конечном итоге может не только посмотреть на свой результат, но и взаимодействовать с ним. Можно добавлять новые объекты на сцену, расширяя и дополняя изначально задуманную картину, можно несколькими движениями значительно изменить вид объектов, просто сменив ракурс наблюдения. Кроме того, есть возможность «оживить» проект путем создания анимации выбранных объектов; все это положительно сказывается на заинтересованности учеников в изучении инструмента по созданию 3D-объектов. Именно активное взаимодействие с результатами работы – это то, чего не хватает многим обучающимся и из-за чего некоторые не видят пользы в изучении того или иного материала.

Акцентируя внимание на плюсах работы с трехмерной графикой, важно понимать, что создание даже достаточно простых 3D-объектов реализуется в несколько этапов [1]. Для начала необходимо определиться с целью создания модели и с тем, что она будет представлять собой: будет ли это точная копия чего-то существующего в реальном мире или же это совершенно новая разработка; должен ли создаваемый образец удовлетворять инженерным критериям точности или это реализация художественной идеи автора. Разрабатываемый объект может быть точным с точки зрения масштаба, при этом внешний вид не будет играть особой роли. И наоборот, модель может иметь очень высокий уровень графической проработки и детализации, отражать мельчайшие шероховатости, но при этом иметь расхождения по форме или габаритам в сравнении с исходным объектом.

После постановки цели следует определиться, какие ресурсы понадобятся для создания модели (дополнительное оборудование или сторонние исходники). Некоторые детали, например, могут быть частично реализованы другими авторами, или изначальную «грубую» модель можно получить при помощи трехмерного сканирования реального предмета [2]. В обоих случаях потребуется первоначальная обработка полученных образцов, после чего будет производиться основная работа по достижению поставленной цели.

На следующем этапе выбирается программный инструмент для основного рабочего процесса. Выбор инструмента во многом зависит от первоначальной задачи и того, какой должна быть конечная модель. Художественная визуализация, будь то статичная картинка, Game-ready модель или кинематографичный видеофайл, требует знания одного вида программных средств, в то время как разработка физически достоверных и геометрически точных объектов предполагает знание совершенно иного функционала в других программных продуктах.

Основной этап (работа над моделью) включает в себя огромное количество самых разных моментов и предполагает наличие большого объема знаний и навыков, различающихся у профессионалов разных направлений.

По завершении основного этапа следует еще раз свериться с изначальным техническим заданием и внимательно проверить разрабатываемый объект на наличие возможных проблем и ошибок. В случае расхождений с изначальным планом необходимо внести корректировки в работу, после чего результат можно считать полностью достигнутым.

Стоит понимать, что существуют различные виды моделирования. Некоторые отличаются друг от друга способом создания модели, другие различны по конечным целям (например, создание моделей для игр, где точность и размеры не имеют особого значения, либо раздел промышленного моделирования, где важен каждый миллиметр виртуальной модели). Далее будут рассмотрены наиболее распространенные виды 3D-моделирования, а также их особенности.

Полигональное моделирование [3] – основной и наиболее универсальный вид моделирования, позволяющий создать объект любой сложности путем изменений элементов полигональной сетки. Такое моделирование предполагает, что дизайнер производит изменения в 3D-сетке объекта, настраивая положение и размеры вершин, ребер и граней. Стоит отметить, что такой вид моделирования наиболее часто применяется в работе над проектами, не требующими ювелирной точности, потому некоторые программы, нацеленные именно на такое моделирование, могут не иметь поддержки инструментов точного измерения либо не использовать их как основополагающий фактор при создании модели. Самые яркие примеры программ, применяемых для полигонального моделирования: Blender 3D, Autodesk 3DsMax, Autodesk Maya, Cinema 4D. Существуют три основных подвида описываемого типа моделирования: низкополигональное, среднеполигональное и высокополигональное.

1. Low-poly, или низкополигональное моделирование, используется на начальных этапах создания объектов и предполагает получение результата в виде прототипа модели с небольшим числом полигонов. Также такой тип используется для экономии времени разработчика и ресурсов компьютера и применяется при разработке популярных в последнее время низкополигональных иллюстраций.

2. Mid-poly, или среднеполигональное моделирование, наиболее часто применяется в разработке игр [4] – такой метод позволяет получить достаточно четкую сетку полигонов, при этом не перегружая сцену и позволяя пользователю даже с не самым лучшим ПК запустить итоговый проект. В случае работы над статичным объектом этот этап является промежуточным между самой грубой заготовкой и конечным высокодетализированным результатом.

3. High-poly, или высокополигональное моделирование, является процессом создания объекта с большим числом полигонов. Данный результат можно получить путем доработки модели, созданной на предыдущем этапе. Для этого увеличивают число полигонов для повышения четкости изображения и плавности линий, исправляют проблемы полигональной сетки и оптимизируют расположение вершин и граней.

Третий тип наиболее часто применяется в создании постеров к фильмам (если они содержат компьютерную графику) и играм. Можно дополнительно дать краткое описание процесса получения high-poly модели:

− первый этап является основным – по завершении этого этапа на выходе получают общую форму объекта;

− на втором этапе дизайнер производит уточнение полученной ранее грубой формы – в основном это происходит при помощи инструмента «фаска»;

− на третьем этапе завершается общая картина и добавляется четкая детализация объекта, дорабатывается геометрия до идеального состояния, сглаживаются все мелкие неровности и итоговой сцене придается целостный вид.

Следующий вид моделирования (промышленный) предполагает использование особых программ, которые имеют отличие от прочих систем 3D-моделирования. Именуют их как САПР – Системы Автоматизированного Проектирования (англ. CAD – Computer-Aided Design). Они позволяют наиболее точно спроектировать детали, узлы, части механизма, крупные агрегаты и даже технику.

При создании модели таким способом учитываются не только все характеристики создаваемого объекта, но и свойства материалов, из которых этот объект состоит. В связи с этой особенностью данный вид моделирования нашел широкое применение в области инженерии и по большей части применяется в промышленности, строительстве и 3D-печати. Также особенностью является и то, что создаваемые объекты не имеют в своем составе полигонов, вместо них применяют цельные формы, что позволяет избежать проблем с конечным отображением объекта.

В CAD-программах результатом является не столько внешний вид моделируемого изделия, сколько набор точных параметров, отображенных в виртуальном прототипе этого изделия. Как правило, работа с САПР (Компас 3D, AutoCAD, Fusion 360) подразумевает наличие профильного инженерного образования, однако это правило не является обязательным для работы с программой подобного профиля.

Промышленное моделирование можно разделить на следующие виды: параметрическое, твердотельное и поверхностное.

1. Первый и самый простой вид промышленного моделирования – параметрическое моделирование. Данный вид моделирования осуществляется путем введения параметров модели и характеристик соотношения этих параметров. Не будет ошибкой назвать такой процесс создания объекта математической моделью с набором поддающихся корректировке параметров.

Этот вид моделирования является достаточно старым способом проектирования промышленных механизмов и деталей.

2. Второй вид – твердотельное моделирование. Отличается оно от прочих видов тем, что придает создаваемым объектам плотность и наполнение [5]. Например, если в полигональном моделировании разрезать объект пополам, то внутри мы увидим пустоту. В твердотельном моделировании такого не наблюдается – при разрезании объекта наблюдатель увидит часть того материала, из которого создан объект.

Модель в таком виде моделирования создается не от поверхностей, а от всей оболочки: сначала прорабатывается простая форма с базовым материалом, а уже позже к ней применяются модификаторы и операции: объект разрезается, изменяется по размерам и форме, соединяется с другими объектами и пр. Такой вид моделирования не годится для создания мягких объектов (одежды), но подходит для создания несложных твердых объектов (деталей, агрегатов, узлов).

Наше маленькое «Содружество»

3D-моделирование – это настоящее искусство, сегодня оно является одним из перспективных направлений в области новых техноло3D-моделирование – это настоящее искусство, сегодня оно является одним из перспективных направлений в области новых технологий.

Больше информации вы найдёте на сайте Таскаевой Алисы

https://sites.google.com/view/alice-project3d/%D0%B3%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0?authuser=0

Краткая история

Авторство термина «компьютерная графика» приписывается проектировщику Уильяму Феттеру, который в 1960 году дал такое определение своей работе в корпорации Boeing (рус. Боинг). Как он отметил в одном из интервью Boeing остро нуждался в компьютерной модели человеческой фигуры, которую можно было применять в различных исследованиях, и в 1964 году Феттер создал первую графическую модель, получившую неофициальное название «Человек Боинга».

Компьютерная графика в начальный период своего возникновения была далеко не столь эффектной, какой она стала в настоящие дни. В те годы компьютеры находились на ранней стадии развития и были способны воспроизводить только самые простые линии. Идея компьютерной графики не сразу была подхвачена, но ее возможности быстро росли, вместе с развитием компьютеров и увеличением их мощности, и постепенно она стала занимать одну из важнейших позиций в информационных технологиях.

Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объектов в трёх измерениях.

3D-моделирование — процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать зрительный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира ( автомобили , здания ), так и быть полностью абстрактной (не существовавшей ранее).

Виды 3D-моделирования.

Есть три вида 3D-моделирования :

Первый из них, наиболее простой вид – это каркасное моделирование . Модели, получаемые при создании этого типа воспроизведения, будут называться каркасными или «проволочными». Состоят они из линий, дуг и сегментов. Изображения такого типа не передают полную информацию об объекте: ни об объеме, ни о структуре поверхности из такой модели узнать невозможно, зато можно изучить его устройство и функциональность. Главным преимуществом каркасного моделирования является то, что на хранение трехмерных моделей, созданных этим способом, не требуется много оперативной памяти компьютера, а сами файлы, в которых можно сохранить эти модели небольшие.

Второй вид 3D-моделирования – это поверхностное моделирование . В отличие от каркасного, здесь имеются не только сегменты, линии и дуги, но и поверхности, образующие контур отображаемого объекта.

Третий, самый точный и достоверный тип 3D-моделирования, называется твердотельное моделирование . Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. В результате его использования можно получить настоящий образец готового объекта, который передает все данные о нем. Модель, созданная благодаря этому способу визуального воспроизведения, содержит линии, грани, текстуру и данные об объеме и массе тела. Хотя изображения и занимают наибольший объем памяти компьютера по сравнению с остальными, но он полностью описывает готовый объект. Твердотельное моделирование используется повсюду: при создании техники, промышленных деталей, мебели, ювелирных изделий, кино и компьютерных игр .

Из-за того, что 3D-модели используются практически во всех сферах нашей жизни, можно выделить четыре уровня сложности объемных изображений:

· Первый — не содержит информации о структуре и мелких деталях объекта, например простые рамки.

· Второй — содержит более детальную информацию о модели. К такому уровню можно отнести тумбы, столы и другие несложные предметы.

· К третьему уровню можно отнести, например, гарнитуры мебели и технику для дома из-за многочисленных мелких деталей и сложной неоднородной структуры.

· Ну а четвертый чаще всего используется инженерами, примерами трехмерных моделей этого уровня могут служить модели станков, автомобилей и другой сложной техники.

Создание модели .

Для получения трехмерного 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;

· динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации , ветра , выталкивания и др., а также друг с другом;

· рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

· композитинг (компоновка) — доработка изображения;

· вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или специальный принтер.

Трехмерное моделирование в современном мире

Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:

С первой мы сталкиваемся почти каждый день. Это фильмы, анимация и большинство компьютерных игр. Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования.

Полигонами обычно бывают треугольники и четырехугольники из которых строится модель.

Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель.

Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет.

В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.

Еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно — хирургия. Например, можно изготовить зубной протез точно, который будет выглядеть и ощущаться во рту точно, как настоящий зуб.

Методы промышленного проектирования- САПР (Система Автоматизированного Проектирования). Это принципиально другой тип моделирования. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.

Базовым типом является твердотельное моделирование. Оно отлично подходит для проектирования зданий, самолётов, автомобилей, всего, что получается путем промышленного производства.

3D печать — это технология будущего. С каждым днем данная технология печати находит себя в новых областях. Интересной в области развлечений является такая услуга: любой желающий может сделать скан своего тела и получить свою миниатюрную копию. В области медицины постепенно входят в использование изготовление обуви, стелек, наушников, идеально повторяющих форму некоторых частей тела или же детальных частей для функционирования организма, например участок черепа человека. Постепенно увеличивается размер деталей, а также расширяется выбор материалов для печати.

Инструменты 3D моделирования

— инструмент для рисования пластиком, позволяющий создавать трёхмерные объекты — 3D-ручка

3D-ручка – это самый простой инструмент, способный «рисовать» разные объекты, а не просто линии на бумаге. Волшебство? Нет, это лишь очередной технологический прорыв в области 3D-моделирования. Гаджет, которому суждено навсегда изменить представление о том, что такое «рисование», ведь теперь можно рисовать не только на бумаге, но и в пространстве!

Принцип работы горячей 3D-ручки предельно прост. В отличие от обычных приспособлений для письма и рисования, вместо чернил заправляется пластиковая нить. Большинство ручек, продающихся в магазинах, используют обычный полимерный прут, который покупается для принтеров, работающих по технологии послойного наплавления ( FDM -печать).

В задней части корпуса предусмотрено специальное отверстие, в которое вставляется этот прут (ещё он называется «филамент»). Встроенный механизм автоматически подводит пластик к экструдеру, где он расплавляется и выдавливается в расплавленном виде наружу. Металлический «носик» ручки может нагреваться до температуры 240°С, поэтому при работе с устройством следует быть очень осторожным. Несмотря на то, что некоторые ручки даже оборудованы встроенным вентилятором для ускорения застывания пластика, неаккуратное использование может привести к ожогу.

Современные ручки весят от 40 грамм. Их легко удержит в руке даже ребенок.

— 3D-принтер – это устройство, которое способно создавать настоящие трехмерные объекты, которые можно потрогать, взять в руки или, например, использовать как детали конструктора, собирая более сложные вещи. Другими словами, такой принтер способен создавать объемные фигуры. Каждый знаком с обычным принтером, который способен распечатывать текст или картинки. Принцип действия трехмерного принтера схож с обычным, однако 3D-принтеры создают указанные в программе трехмерные объекты.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания («выращивания») твёрдого объекта.

Источник: nachalochka15.blogspot.com