Трехмерная графика
Методы 3D-моделирования.
· Сплайновое моделирование - это моделирование математически гладкими линиями - сплайнами.
· Полигональное моделирование - это расстановка углов, вершин многоугольников в трёхмерном пространстве.
Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Для получения трехмерного изображения на плоскости требуются следующие этапы:
· моделирование - создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.
· рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью. (Системы рендеринга: V-Ray, FinalRender, Brazil R/S, BusyRay).
Достоинства и недостатки трехмерной графики.
Недостатки:
· Значительный объем файлов
· Программная зависимость
· Высокая стоимость различных 3-D редакторов
Достоинства:
· Реалистичность
· Возможность использования трехмерных объектов для создания приложений (игр и т.д.)
· Свобода трансформаций объектов
Где используется
Используется при создании игр, фильмов и т.д.
Программные средства
3D Studio Max, MAYA, Blender, Solid Age, Компас.
Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.
Трёхмерное изображение 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)
Методы 3D моделирования.
3D модели создаются в CAD-системах (или в CAD/CAM-системах) имеющимися в них средствами геометрического моделирования. Модель хранится в системе как некоторое математическое описание и отображается на экране в виде пространственного объекта.
Построение пространственной геометрической модели изделия является центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта модель используется для дальнейшего решения задач формирования чертежно-конструкторской документации, проектирования средств технологического оснащения, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. Кроме того, эта модель передается в системы инженерного анализа (САЕ-системы) и используется там для проведения инженерных расчетов. По компьютерной модели с помощью методов и средств быстрого прототипирования может быть получен физический образец изделия. 3D модель может быть не только построена средствами данной CAD-системы, но, в частном случае, принята из другой CAD-системы через один из согласованных интерфейсов, или сформирована по результатам обмера физического изделия-прототипа на координатно-измерительной машине.
Способы представления моделей.
Различают поверхностное (каркасно-поверхностное) и твердотельное моделирование. При поверхностном моделировании сначала строится каркас - пространственная конструкция, состоящая из отрезков прямых, дуг окружностей и сплайнов. Каркас играет вспомогательную роль и служит основой для последующего построения поверхностей, которые «натягиваются» на элементы каркаса.
В зависимости от способа построения, различают следующие виды поверхностей: линейчатые; вращения; кинематические; галтельного сопряжения; проходящие через продольные и поперечные сечения; поверхности для «затягивания окон» между тремя и более смежными поверхностями; NURBS-поверхности, определяемые заданием контрольных точек продольных и поперечных сечений; планарные поверхности.
Хотя поверхности и определяют границы тела, но самого понятия «тело» в режиме поверхностного моделирования не существует, даже если поверхности ограничивают замкнутый объем. Это наиболее важное отличие поверхностного моделирования от твердотельного.
Другая особенность состоит в том, что элементы каркасно-поверхностной модели никак не связаны друг с другом. Изменение одного из элементов не влечет за собой автоматического изменения других. Это дает большую свободу при моделировании, но одновременно значительно усложняет работу с моделью.
Достоинства и недостатки трехмерной графики
ЗD-графика поможет в случаях, когда требуется встроить воображаемую сцену в изображение реального мира. Такая ситуация типична для задач архитектурного проектирования. В данном случае ЗD-графика устраняет необходимость создания макета и обеспечивает гибкие возможности синтеза изображения сцены для любых погодных условий и под любым углом зрения.
Можно представить и иную ситуацию: не воображаемый объект встраивается в реальный фон, а наоборот, изображение реального объекта встраивается в трехмерную сцену как ее составная часть. Такой способ использования ЗD-графики применяют, например, для создания виртуальных выставочных залов или галерей, по стенам которых развешаны изображения реальных картин.
Компьютерные игры - одна из наиболее широких и испытанных областей применения ЗD-графики. По мере совершенствования программных средств моделирования трехмерной графики, роста производительности и увеличения ресурсов памяти компьютеров виртуальные трехмерный миры становятся все более сложными и похожими на реальную действительность.
Трехмерная графика помогает и там, где выполнение реальной фотосъемки невозможно, затруднительно или требует значительных материальных затрат, а также позволяет синтезировать изображения событий, которые не встречаются в обыденной жизни. В программе 3D Studio MAX 3.0 имеются средства, позволяющие имитировать действие на трехмерные объекты таких физических сил, как тяжесть, трение или инерция, а также воспроизводить результаты столкновений объектов.
Главные аргументы в пользу 3D-графики появляются тогда, когда речь заходит о создании компьютерной мультипликации. 3D Studio MAX 3.0 позволяет существенно упростить работу над мультипликационными видеофрагментами за счет использования методов анимации трехмерных сцен. Выше мы рассмотрели особенности трехмерной графики, которые можно отнести к ее достоинствам по сравнению с обычной двумерной графикой. Но, как известно, не бывает достоинств без недостатков. Недостатками трехмерной графики, которые следует учитывать при выборе средств для разработки ваших будущих графических проектов, можно условно считать:
Повышенные требования к аппаратной части компьютера, в частности к объему оперативной памяти, наличию свободного места на жестком диске и быстродействию процессора;
Необходимость большой подготовительной работы но созданию моделей всех объектов сцены, которые могут попасть в поле зрения камеры, и по присвоению им материалов. Впрочем, эта работа обычно окупается полученным результатом;
Меньшую, чем при использовании двумерной графики, свободу в формировании изображения. Имеется в виду, что, рисуя картину карандашом на бумаге или средствами двумерной графики на экране компьютера, вы имеете возможность совершенно свободно искажать любые пропорции объектов, нарушать правила перспективы и т. п., если это необходимо для воплощения художественного замысла. В 3D Studio MAX 3.0 это также возможно, но требует дополнительных усилий;
Необходимость контроля за взаимным положением объектов в составе сцены, особенно при выполнении анимации. В связи с тем, что объекты трехмерной графики «бестелесны», легко допустить ошибочное проникновение одного объекта в другой или ошибочное отсутствие нужного контакта между объектами.
Трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.....
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Теория 3D Графики, урок 01 - Введение в 3D Графику
✪ Компьютерная графика в кино
✪ Лекция 1 | Компьютерная графика | Виталий Галинский | Лекториум
✪ 12 - Компьютерная графика. Основные понятия компьютерной графики
✪ Лекция 4 | Компьютерная графика | Виталий Галинский | Лекториум
Субтитры
Применение
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 , а 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 трёхмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трёхмерное 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 трёхмерной 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 (воксельная модель).
Создание
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 ;
- 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.
Моделирование
Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:
- Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D ;
Для создания трёхмерной модели человека или существа может быть использована как прообраз (в большинстве случаев) Скульптура .
Текстурирование
SketchUp
Визуализация трёхмерной графики в играх и прикладных программах
Есть ряд программных библиотек для визуализации трёхмерной графики в прикладных программах - DirectX, OpenGL и так далее.
Есть ряд подходов по представлению 3D-графики в играх - полное 3D, псевдо-3D.
Такие пакеты даже не всегда дают пользователю оперировать 3D-моделью напрямую, например, есть пакет OpenSCAD , модель в котором формируется выполнением формируемого пользователем скрипта, написанного на специализированном языке.
Трёхмерные дисплеи
Трёхмерные, или стереоскопические дисплеи , (3D displays, 3D screens) - дисплеи, посредством стереоскопического или какого-либо другого эффекта создающие иллюзию реального объёма у демонстрируемых изображений.
В настоящее время подавляющее большинство трёхмерных изображений показывается при помощи стереоскопического эффекта, как наиболее лёгкого в реализации, хотя использование одной лишь стереоскопии нельзя назвать достаточным для объёмного восприятия. Человеческий глаз как в паре, так и в одиночку одинаково хорошо отличает объёмные объекты от плоских изображений [ ] .
Трехмерная графика
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Трехмерная графика |
| Рубрика (тематическая категория) | Технологии |
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчёты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов.
Изображение плоской фигуры на чертеже не представляет большой сложности, так как двумерная геометрическая модель является подобием изображаемой фигуры, также являющейся двумерной.
Трехмерные геометрические объекты изображаются на чертеже в виде совокупности проекций на различные плоскости, что дает лишь приближенное условное представление об этих объектах как о пространственных фигурах. При крайне важно сти отражения на чертеже каких-либо подробностей, деталей объекта необходимы дополнительные сечения, разрезы и т. п. Учитывая, что проектирование имеет, как правило, дело с пространственными объектами, то их изображение на чертеже не всегда представляется простым делом.
При конструировании объекта с помощью компьютера в последнее время развивается подход, основанный на создании трехмерных геометрических представлений – моделей.
Под геометрическим моделированием понимают создание моделей геометрических объектов, содержащих информацию о геометрии объекта. Под моделью геометрического объекта принято понимать совокупность сведений, однозначно определяющих его форму. К примеру, точка должна быть представлена двумя (двумерная модель) или тремя (трехмерная модель) координатами; окружность – координатами центра и радиусом и т. д. Трехмерная геометрическая модель, сохраняемая в памяти компьютера, дает достаточно исчерпывающее (в меру крайне важно сти) представление о моделируемом объекте. Такая модель принято называть виртуальной или цифровой.
При трехмерном моделировании чертеж играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отображения пространственной модели. При таком подходе геометрическую модель объекта можно использовать не только для создания графического изображения, но и для расчета некоторых его характеристик, к примеру, массы, объёма, момента инерции и др., а также для прочностных, теплотехнических и других расчетов.
Технология трехмерного моделирования состоит в следующем:
· проектирование и создание виртуального каркаса (ʼʼскелетаʼʼ) объекта͵ наиболее полно соответствующего его реальной форме;
· проектирование и создание виртуальных материалов, по физическим свойствам визуализации похожим на реальные;
· присвоение материалов различным частям поверхности объекта (проектирование текстуры на объект);
· настройка физических параметров пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей, задание траектории движения объектов;
· расчет результирующей последовательности кадров;
· наложение поверхностных эффектов на итоговый анимационный ролик.
Модель. Для изображения трехмерных объектов на экране монитора требуется проведение серии процессов (обычно называемых конвейром) с последующей трансляцией результата в двумерный вид. Первоначально объект представляется в виде набора точек, или координат, в трехмерном пространстве. Трехмерная система координат определяется тремя осями: горизонтальной, вертикальной и глубины, обычно называемых, соответственно, осями X, Y и Z. Объектом должна быть дом, человек, машина, самолет или целый 3D мир и координаты определяют положение вершин (узловых точек), из которых состоит объект, в пространстве. Соединив вершины объекта линиями мы получим каркасную модель, называемую так из-за того, что видимыми являются только края поверхностей трехмерного тела. Каркасная модель определяет области, составляющие поверхности объекта͵ которые бывают заполнены цветом, текстурами и освещаться лучами света.
Разновидности 3D-графики. Существуют следующие разновидности 3D-графики: полигональная, аналитическая, фрактальная, сплайновая.
Полигональная графика является наиболее распространенной. Это объясняется прежде всего высокой скоростью ее обработки. Любой объект полигональной графики задается набором полигонов. Полигон - ϶ᴛᴏ плоский многоугольник. Простейшим вариантом являются треуголные полигоны, ибо, как известно, через любые три точки в пространстве можно провести плоскость. Каждый полигон задается набором точек. Точка задается тремя координатами – X, Y, Z. Таким образом можно задать 3-мерный объект как массив или структуру.
Аналитическая графика состоит по сути в том, что объекты задаются аналитически, т. е. формулами. К примеру: шар радиуса r с центром в точке (x 0 , y 0 , z 0) описывается формулой (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 . Комбинируя различные формулы друг с другом, можно получить объекты сложной формы. Но вся сложность состоит в нахождении формулы требуемого объекта.
Другой способ создания аналитических объектов - ϶ᴛᴏ создание тел вращения. Так, вращая круг вокруг некоторой оси, можно получить тор, а вращая одновременно сильно вытянутый эллипс вокруг собственной и внешней осей, можно получить достаточно красивый рифленый тор.
Фрактальная графика основана на понятии фрактала - самоподобия. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. К ʼʼсамоподобномуʼʼ классу относится местность. Так зазубренный край сломанного камня похож на горный хребет на горизонте. Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является математическая формула, в связи с этим никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.
Таким образом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Алгоритмы фракталов могут создавать невероятные трехмерные изображения.
Сплайновая графика основана на понятии сплайна. Термин ʼʼсплайнʼʼ от английского spline. Так принято называть гибкая полоска стали, при помощи которой чертежники проводят через заданные точки плавные кривые. В былые времена подобный способ плавных обводов различных тел (корпус корабля, кузов автомобиля) был широко распространен в практике машиностроения. В результате форма тела задавалась при помощи набора очень точно изготовленных сечений-плазов. Появление компьютеров позволило перейти от этого, плазово-шаблонного, метода к более эффективному способу задания поверхности обтекаемого тела. В корне этого подхода к описанию поверхностей лежит использование сравнительно несложных формул, позволяющих воспроизводить облик изделия с крайне важно й точностью.
При моделировании сплайнами чаще всего применяется метод бикубических рациональных B-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и ʼʼгладкостьʼʼ поверхности.
Деформация объекта обеспечивается перемещением контрольных точек. Другой метод называют сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещается трехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформацию как самой сетки, так и окруженного объекта.
После формирования ʼʼскелетаʼʼ объекта крайне важно покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, т. е. к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства. Для построения поверхностей материалов используют пять базовых физических моделей:
· Bouknight – поверхность с диффузным отражением без бликов (к примеру матовый пластик);
· Phong – поверхность со структурированными микроповерхностями (к примеру, металлические);
· Blinn – поверхность со специальным распределением микронеровностей с учетом взаимных перекрытий (к примеру, глянец);
· Whitted – модель, позволяющая дополнительно учитывать поляризацию света;
· Hall – модель, позволяющая корректировать направления отражения и параметры преломления света.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
· Свет, пришедший с обратной стороны поверхности, т. е. преломленный свет (Refracted);
· Свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
· Зеркально отраженный свет (Reflected);
· Блики, т. е. отраженный свет источников (Specular);
· Собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Свойства поверхности описываются в создаваемых массивах текстур (двух или трехмерных). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в массиве содержатся данные о степени прозрачности материала; коэффициенте преломления; коэффициентах смещения компонентов (их список указан выше); цвете в каждой точке, цвете блика, его ширине и резкости; цвете рассеянного (фонового) освещения; локальных отклонениях векторов от нормали (т. е. учитывается шероховатость поверхности).
Следующим этапом является наложение (ʼʼпроектированиеʼʼ) текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом крайне важно учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Пректирование материалов на объект – задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
Из всех параметров пространства, в котором действует создаваемый объект, с точки зрения визуализации самым важным является определение источника света. В трехмерной графике принято использовать виртуальные эквиваленты физических источников:
· Растворенный свет (Ambitnt Light), являющийся аналогом равномерного светового фона. Он не имеет геометрических параметров и характеризуется только цветом и интенсивностью.
· Удаленный не точечный источник называют удаленным светом (Distant Light). Ему присваивают конкретные параметры (координаты). Аналог в природе – Солнце.
· Точечный источник света (Point Light Source) равномерно испускает свет во всех направлениях и также имеет координаты. Аналог в технике – электрическая лампочка.
· Направленный источник света (Direct Light Source) кроме местоположения характеризуется направлением светового потока, углами раствора полного конуса света и его наиболее яркого пятна. Аналог в технике – прожектор.
Процесс расчета реалистичных изображений называют ренедерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей. Его суть состоит в следующем:
· Из точки наблюдения сцены посылается в пространство виртуальный луч по траектории которого должно прийти изображение в точку наблюдения.
· Для определения параметров приходящего луча все объекты сцены проверяются на пересечение с траекторией наблюдения. В случае если пресечения не происходит, то считается, что луч попал в фон сцены и приходящая информация определяется параметрами фона. В случае если траектория пересекается с объектом, то в точке сопорикосновения рассчитывается свет, уходящий в точку наблюдения в соответствии с параметрами материала.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его ʼʼоживлениюʼʼ, т. е. заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (к примеру, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные положения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями. Эти условия определяются иерархией объектов (т. е. законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей.
Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хоршо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. Т. е. создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом.
Метод трехмерного геометрического моделирования реализован во многих программных продуктах, в т.ч. таких популярных, как AutoCAD и ArchiCAD.
Трехмерная графика - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Трехмерная графика" 2017, 2018.
Компьютерная графика - наука, изучающая методы и способы создания, формирования, хранения и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов.
Трехмерная графика (3D графика) - раздел компьютерной графики, совокупность программных и аппаратных приемов и инструментов, предназначенных для пространственного изображения объектов в трехмерной системе координат.
Модель - объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.
Трехмерное моделирование - исследование объекта, явления или процесса путем построения и изучения его модели.
Редакторы трехмерной графики - программы и программные пакеты, предназначенные для трехмерного моделирования.
Полигональная сетка - совокупность вершин, ребер, граней, определяющих форму многогранного объекта в трехмерной графике.
Полигон - мельчайший элемент полигональной сетки, может быть треугольником, четырехугольником или другим простым выпуклым многоугольником.
Сплайн - двумерный геометрический объект, который может служить основой для построения трехмерных объектов.
Графический движок ("визуализатор"; иногда "рендер") - подпрограммное обеспечение, основной задачей которого является визуализация (рендеринг) двухмерной или трехмерной компьютерной графики.
Методы создания 3D объектов
По своей форме, объекты реального мира делятся на простые и сложные. Примером простого объекта может служить кирпич, а сложного - автомобиль. Для любого объекта реального мира, независимо от его сложности и природы, можно создать трехмерную модель. Существует различные методы трехмерного моделирования:
· моделирование на основе примитивов;
· сплайновое моделирование;
· использование модификаторов;
· моделирование при помощи редактируемых поверхностей: Editable Mesh (Редактируемая поверхность), Editable Poly (Редактируемая полигональная поверхность), Editable Patch
· создание объектов при помощи булевых операций;
· создание трехмерных сцен с использованием частиц;
· NURBS -моделирование (моделирование на основе неоднородных нерациональных B-сплайнов).
Создавая объект на сцене, необходимо учитывать особенности его геометрии. Как правило, один и тот же объект можно смоделировать несколькими способами, но всегда существует способ, который наиболее удобен и расходует меньше времени.
В данной дипломной работе объекты создаются для интерактивной системы, что накладывает на них некоторые ограничения по сложности. Нельзя создавать фотореалистичные объекты (высокополигональные объекты), так как они требуют много ресурсов компьютера, на котором будет производиться запуск финальной программы, а так же, чем больше объектов на сцене, тем больше нагрузки на графический движок. При работе над трехмерными объектами для интерактивных систем нужно учитывать данные ограничения и необходимо создавать объекты максимально оптимизированными, но не в ущерб качеству внешнего вида. Баланс между качеством и оптимальной сложностью, одна из главных проблем при создании объектов для интерактивных систем.
Моделирование на основе примитивов
Данный метод применяется в тех случаях, когда можно мысленно разбить объект на несколько простых примитивов, соединенных между собой. Необходимо иметь хорошее пространственное мышление, постоянно представлять объект, все его основные детали и их расположение относительно друг друга. Используя примитивы, можно изобразить практически любой объект, но при моделировании сложных объектов, после некоторого большого количества примитивов, использование данного метода нецелесообразно.
Рис. 1.
Процесс создания объектов на основе примитивов можно разбить на этапы:
· мысленное разбиение исходного объекта на примитивы;
· создание примитивов;
· расположение примитивов относительно друг друга по форме создаваемого объекта;
· корректировка размеров примитивов;
· текстурирование, то есть наложение материала.
Примитивами лучше всего пользоваться при изображении относительно простых объектов. Применение их для отображения сложных объектов нежелательно.
Сплайновое моделирование
Один из эффективных способов создания трехмерных моделей. Создание модели при помощи сплайнов сводится к построению сплайнового каркаса, на основе которого создается трехмерная геометрическая поверхность.
В большинстве редакторов трехмерной графики присутствует возможность сплайного моделирования, а инструментарий данных программ включает в себя следующие фигуры:
Рис. 2.
· Line (Линия);
· Circle (Окружность);
· Arc (Дуга);
· Ngon (Многоугольник);
· Text (Текс);
· Section (Сечение);
· Rectangle (Прямоугольник);
· Ellipse (Эллипс);
· Donut (Кольцо);
· Star (Многоугольник в виде звезды);
· Helix (Спираль)
· Egg (Яйцо).
По умолчанию сплайновые примитивы не отображаются на этапе визуализации и используются как вспомогательные объекты, но при необходимости их можно сделать визуализируемыми.
На основе сплайновых фигур можно создавать сложные геометрические трехмерные объекты. Данный метод наиболее часто используется при моделировании симметричных объектов, вращением сплайнового профиля вокруг некоторой оси, а так же несимметричных объектов, приданием объема сечению выбранной сплайновой фигуры.
Использование модификаторов
Модификатором называются специальные операции, которые можно применить объекту, в результате чего свойства объекта изменяются. Во всех редакторах трехмерной графики имеется большое количество модификаторов, которые по-разному воздействуют на объект, к примеру, изгибая, вытягивая, сглаживая или скручивая его. Модификаторы также могут служить для управления положением текстуры на объекте или изменять его физические свойства.
Рис. 3.
В профессиональных полнофункциональных продуктах для 3D моделирования, например "Autodesk 3ds Max" есть возможность быстро перейти к настройкам объекта и примененным к нему модификаторам, отключить или включить действия модификаторов, а так же поменять очередность их воздействия на объект.
Моделирование при помощи редактируемых поверхностей
Распространенный способ создания 3D моделей. Большинство современных редакторов трехмерной графики позволяют работать со следующими типами редактируемых поверхностей:
· Editable Mesh (Редактируемая поверхность);
· Editable Poly (Редактируемая полигональная поверхность);
· Editable Patch (Редактируемая патч-поверхность);
Все перечисленные методы построения поверхностей схожи между собой, а различия заключаются в настройках моделирования на уровне подобъектов. В объектах типа Editable Poly модель состоит из многоугольников, в Editable Mesh - из треугольных граней, а в Editable Patch - из лоскутков треугольной или четырехугольной формы, которые создаются сплайнами Безье.
Рис. 4.
В качестве примера программного пакета, имеющего возможности моделирования при помощи редактируемых поверхностей может выступать "Autodesk 3ds Max". При работе с объектами типа Editable Poly , пользователю доступна возможность редактировать вершины (Vertex ), ребра (Edge ), границы (Border ), полигоны (Polygon ) и элементы (Element ) редактируемого объекта. Возможности редактирования Editable Mesh объектов отличаются возможностью изменять грани (Face ) и отсутствием режима редактирования границ. Для работы с Editable Patch можно использовать режимы редактирования вершин, ребер, патчей (Patch ), элементов и векторов (Handle ).
Рис. 5. Возможности редактирования поверхности Editable Poly на примере "Autodesk 3ds Max"
Стоит отметить, что "Editable Poly" - самый распространенный метод моделирования, используется для создания, как сложных моделей, так и низкополигональных моделей для интерактивных систем.
Создание объектов при помощи булевых операций
Одним из наиболее удобных и быстрых способов моделирования является создание 3D объектов при помощи булевых операций. Суть данного метода заключается в том, что при пересечении двух объектов, можно получить третий, который будет являться результатом сложения (Union ), вычитания (Subtraction ) или пересечения (Intersection ) исходных объектов.
Рис. 6. Применение булевской операции Substraction
Данный метод хорошо подходит для работы с архитектурными и техническими элементами, но не желателен в работе с органическими объектами, такими как люди, животные и растения.
Несмотря на распространенность булевских операций, они имеют недостатки, приводящие к ошибкам построения результирующей модели (искажение пропорций и формы исходных объектов). По этой причине многие пользователи используют дополнительные модули, позволяющие избежать ошибки в геометрии финальных объектов.
Создание трехмерных сцен с использованием частиц
Система частиц - способ представления 3D объектов, не имеющих четких геометрических границ. Используется для создания природных явлений, таких как облака, туман, дождь, снег. Доступные в мощных программных продуктах средства анимации свойств систем частиц позволяют существенно упростить создание разнообразных атмосферных явлений, спецэффектов, добиться которых непроцедурными методами было бы непрактично и неэффективно. Система частиц состоит из фиксированного или произвольного количества частиц. Каждая частица представляется как материальная точка с атрибутами, такими как, скорость, цвет, ориентация в пространстве, угловая скорость, и другими. В ходе работы программы моделирующей частицы, каждая частица изменяет своё состояние по определенному, общему для всех частиц системы, закону. Стоит отметить, что частица может подвергаться воздействию гравитации, менять размер, цвет, скорость. После проведения необходимых расчётов, частица визуализируется. Частица может быть визуализирована точкой, треугольником, спрайтом, или даже полноценной трехмерной моделью. Часто у частиц задана максимальная продолжительность жизни, по истечении которого частица исчезает.
Рис. 7.
Моделирование систем частиц требует высокую производительность компьютера. В 3D приложениях, обычно считается, что частицы не отбрасывают тени друг на друга и на окружающую геометрию, и что они не поглощают, а излучают свет, иначе системы частиц будут требовать больше ресурсов из-за большого количества дополнительных вычислений: в случае с поглощением света потребуется сортировать частицы по удалённости от камеры, а в случае с тенями каждую частицу придётся рисовать несколько раз.
NURBS-моделирование
NURBS (Non-uniform ration B-spline) - математическая форма, применяемая в компьютерной графике для генерации и представления кривых и поверхностей. NURBS -кривые всегда имеют гладкую форму. Чаще всего данный способ используется для моделирования органических объектов, анимации лица персонажей. Является самым сложным методом в освоении, но в тоже время самым настраиваемым. Присутствует в профессиональных пакетах 3D моделирования, чаще всего это реализуется включением в эти приложения NURB -графического движка, разработанного специализированной компанией.
Рис. 8. NURB -кривая
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов.
Изображение плоской фигуры на чертеже не представляет большой сложности, так как двумерная геометрическая модель является подобием изображаемой фигуры, также являющейся двумерной.
Трехмерные геометрические объекты изображаются на чертеже в виде совокупности проекций на различные плоскости, что дает лишь приближенное условное представление об этих объектах как о пространственных фигурах. При необходимости отражения на чертеже каких-либо подробностей, деталей объекта необходимы дополнительные сечения, разрезы и т. п. Учитывая, что проектирование имеет, как правило, дело с пространственными объектами, то их изображение на чертеже не всегда представляется простым делом.
При конструировании объекта с помощью компьютера в последнее время развивается подход, основанный на создании трехмерных геометрических представлений – моделей.
Под геометрическим моделированием понимают создание моделей геометрических объектов, содержащих информацию о геометрии объекта. Под моделью геометрического объекта понимается совокупность сведений, однозначно определяющих его форму. Например, точка может быть представлена двумя (двумерная модель) или тремя (трехмерная модель) координатами; окружность – координатами центра и радиусом и т. д. Трехмерная геометрическая модель, сохраняемая в памяти компьютера, дает достаточно исчерпывающее (в меру необходимости) представление о моделируемом объекте. Такая модель называется виртуальной или цифровой.
При трехмерном моделировании чертеж играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отображения пространственной модели. При таком подходе геометрическую модель объекта можно использовать не только для создания графического изображения, но и для расчета некоторых его характеристик, например, массы, объема, момента инерции и др., а также для прочностных, теплотехнических и других расчетов.
Технология трехмерного моделирования заключается в следующем:
· проектирование и создание виртуального каркаса («скелета») объекта, наиболее полно соответствующего его реальной форме;
· проектирование и создание виртуальных материалов, по физическим свойствам визуализации похожим на реальные;
· присвоение материалов различным частям поверхности объекта (проектирование текстуры на объект);
· настройка физических параметров пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей, задание траектории движения объектов;
· расчет результирующей последовательности кадров;
· наложение поверхностных эффектов на итоговый анимационный ролик.
Модель. Для изображения трехмерных объектов на экране монитора требуется проведение серии процессов (обычно называемых конвейром) с последующей трансляцией результата в двумерный вид. Первоначально объект представляется в виде набора точек, или координат, в трехмерном пространстве. Трехмерная система координат определяется тремя осями: горизонтальной, вертикальной и глубины, обычно называемых, соответственно, осями X, Y и Z. Объектом может быть дом, человек, машина, самолет или целый 3D мир и координаты определяют положение вершин (узловых точек), из которых состоит объект, в пространстве. Соединив вершины объекта линиями мы получим каркасную модель, называемую так из-за того, что видимыми являются только края поверхностей трехмерного тела. Каркасная модель определяет области, составляющие поверхности объекта, которые могут быть заполнены цветом, текстурами и освещаться лучами света.
Разновидности 3D-графики. Существуют следующие разновидности 3D-графики: полигональная, аналитическая, фрактальная, сплайновая.
Полигональная графика является наиболее распространенной. Это объясняется прежде всего высокой скоростью ее обработки. Любой объект полигональной графики задается набором полигонов. Полигон – это плоский многоугольник. Простейшим вариантом являются треуголные полигоны, ибо, как известно, через любые три точки в пространстве можно провести плоскость. Каждый полигон задается набором точек. Точка задается тремя координатами – X, Y, Z. Таким образом можно задать 3-мерный объект как массив или структуру.
Аналитическая графика заключается в том, что объекты задаются аналитически, т. е. формулами. Например: шар радиуса r с центром в точке (x 0 , y 0 , z 0) описывается формулой (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 . Комбинируя различные формулы друг с другом, можно получить объекты сложной формы. Но вся сложность заключается в нахождении формулы требуемого объекта.
Другой способ создания аналитических объектов – это создание тел вращения. Так, вращая круг вокруг некоторой оси, можно получить тор, а вращая одновременно сильно вытянутый эллипс вокруг собственной и внешней осей, можно получить достаточно красивый рифленый тор.
Фрактальная графика основана на понятии фрактала - самоподобия. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. К «самоподобному» классу относится местность. Так зазубренный край сломанного камня похож на горный хребет на горизонте. Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является математическая формула, поэтому никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.
Таким образом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Алгоритмы фракталов могут создавать невероятные трехмерные изображения.
Сплайновая графика основана на понятии сплайна. Термин «сплайн» от английского spline. Так называется гибкая полоска стали, при помощи которой чертежники проводят через заданные точки плавные кривые. В былые времена подобный способ плавных обводов различных тел (корпус корабля, кузов автомобиля) был широко распространен в практике машиностроения. В результате форма тела задавалась при помощи набора очень точно изготовленных сечений-плазов. Появление компьютеров позволило перейти от этого, плазово-шаблонного, метода к более эффективному способу задания поверхности обтекаемого тела. В основе этого подхода к описанию поверхностей лежит использование сравнительно несложных формул, позволяющих воспроизводить облик изделия с необходимой точностью.
При моделировании сплайнами чаще всего применяется метод бикубических рациональных B-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и «гладкость» поверхности.
Деформация объекта обеспечивается перемещением контрольных точек. Другой метод называют сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещается трехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформацию как самой сетки, так и окруженного объекта.
После формирования «скелета» объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, т. е. к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства. Для построения поверхностей материалов используют пять основных физических моделей:
· Bouknight – поверхность с диффузным отражением без бликов (например матовый пластик);
· Phong – поверхность со структурированными микроповерхностями (например, металлические);
· Blinn – поверхность со специальным распределением микронеровностей с учетом взаимных перекрытий (например, глянец);
· Whitted – модель, позволяющая дополнительно учитывать поляризацию света;
· Hall – модель, позволяющая корректировать направления отражения и параметры преломления света.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
· Свет, пришедший с обратной стороны поверхности, т. е. преломленный свет (Refracted);
· Свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
· Зеркально отраженный свет (Reflected);
· Блики, т. е. отраженный свет источников (Specular);
· Собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Свойства поверхности описываются в создаваемых массивах текстур (двух или трехмерных). Таким образом, в массиве содержатся данные о степени прозрачности материала; коэффициенте преломления; коэффициентах смещения компонентов (их список указан выше); цвете в каждой точке, цвете блика, его ширине и резкости; цвете рассеянного (фонового) освещения; локальных отклонениях векторов от нормали (т. е. учитывается шероховатость поверхности).
Следующим этапом является наложение («проектирование») текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Пректирование материалов на объект – задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
Из всех параметров пространства, в котором действует создаваемый объект, с точки зрения визуализации самым важным является определение источника света. В трехмерной графике принято использовать виртуальные эквиваленты физических источников:
· Растворенный свет (Ambitnt Light), являющийся аналогом равномерного светового фона. Он не имеет геометрических параметров и характеризуется только цветом и интенсивностью.
· Удаленный не точечный источник называют удаленным светом (Distant Light). Ему присваивают конкретные параметры (координаты). Аналог в природе – Солнце.
· Точечный источник света (Point Light Source) равномерно испускает свет во всех направлениях и также имеет координаты. Аналог в технике – электрическая лампочка.
· Направленный источник света (Direct Light Source) кроме местоположения характеризуется направлением светового потока, углами раствора полного конуса света и его наиболее яркого пятна. Аналог в технике – прожектор.
Процесс расчета реалистичных изображений называют ренедерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей. Его суть заключается в следующем:
· Из точки наблюдения сцены посылается в пространство виртуальный луч по траектории которого должно прийти изображение в точку наблюдения.
· Для определения параметров приходящего луча все объекты сцены проверяются на пересечение с траекторией наблюдения. Если пресечения не происходит, то считается, что луч попал в фон сцены и приходящая информация определяется параметрами фона. Если траектория пересекается с объектом, то в точке сопорикосновения рассчитывается свет, уходящий в точку наблюдения в соответствии с параметрами материала.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его «оживлению», т. е. заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные положения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями. Эти условия определяются иерархией объектов (т. е. законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей.
Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хоршо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. Т. е. создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом.
Метод трехмерного геометрического моделирования реализован во многих программных продуктах, в том числе таких популярных, как AutoCAD и ArchiCAD.
