Grafică 3D
Metode de modelare 3D.
· Modelarea spline este modelarea cu linii netede din punct de vedere matematic - spline.
· Modelarea poligonală este aranjarea colțurilor, vârfurilor poligoanelor în spațiul tridimensional.
O imagine tridimensională pe un plan diferă de una bidimensională prin faptul că implică construirea unei proiecții geometrice a unui model de scenă tridimensional pe un plan (de exemplu, un ecran de computer) folosind programe specializate. În acest caz, modelul poate fie să corespundă obiectelor din lumea reală (mașini, clădiri, un uragan, un asteroid), fie să fie complet abstract (o proiecție a unui fractal cu patru dimensiuni).
Pentru a obține o imagine tridimensională pe un plan, sunt necesari următorii pași:
· modelare - realizarea unui model matematic tridimensional al scenei și al obiectelor din aceasta.
· Redare (vizualizare) - construirea unei proiecții în conformitate cu modelul fizic selectat. (Sisteme de randare: V-Ray, FinalRender, Brazil R/S, BusyRay).
Avantajele și dezavantajele graficii 3D.
Dezavantaje:
Volum mare de fișiere
Dependența de software
Costul ridicat al diferitelor editoare 3-D
Avantaje:
Realism
· Abilitatea de a utiliza obiecte 3D pentru a crea aplicații (jocuri etc.)
· Libertatea transformărilor obiectelor
Unde este folosit
Folosit la crearea de jocuri, filme etc.
Software
3D Studio Max, MAYA, Blender, Solid Age, Busolă.
Grafică 3D- o secțiune de grafică pe computer, un set de tehnici și instrumente (atât software, cât și hardware) concepute pentru a reprezenta obiecte tridimensionale.
O imagine tridimensională pe un plan diferă de una bidimensională prin faptul că include construcția unei proiecții geometrice a unui model tridimensional scene pe un plan (de exemplu, un ecran de computer) folosind programe specializate (cu toate acestea, odată cu crearea și implementarea de afișaje 3D și imprimante 3D, grafica tridimensională nu include neapărat proiecția pe un plan). În acest caz, modelul poate fie să corespundă obiectelor din lumea reală (mașini, clădiri, un uragan, un asteroid), fie să fie complet abstract (o proiecție a unui fractal cu patru dimensiuni)
Metode de modelare 3D.
Modelele 3D sunt create în sisteme CAD (sau în sisteme CAD/CAM) folosind instrumentele de modelare geometrică disponibile în acestea. Modelul este stocat în sistem ca o descriere matematică și afișat pe ecran ca obiect spațial.
Construirea unui model geometric spațial al unui produs este o sarcină centrală a proiectării computerelor. Acest model este utilizat pentru a rezolva în continuare problemele de generare a documentației de desen și proiectare, proiectarea echipamentelor tehnologice, dezvoltarea programelor de control pentru mașinile CNC. În plus, acest model este transferat în sistemele de analiză inginerească (sisteme SAE) și utilizat acolo pentru calcule inginerești. Conform unui model computerizat, folosind metode și mijloace de prototipare rapidă, se poate obține o probă fizică a produsului. Un model 3D nu poate fi construit numai folosind acest sistem CAD, dar, într-un caz particular, poate fi primit de la un alt sistem CAD printr-una dintre interfețele convenite sau format pe baza rezultatelor măsurării unui produs fizic prototip pe o coordonată. masina de masurat.
Modalități de prezentare a modelelor.
Există modelare de suprafață (cadru-suprafață) și modelare solidă. În modelarea suprafeței, se construiește mai întâi un cadru - o structură spațială constând din segmente de linie, arce circulare și spline. Cadrul joacă un rol auxiliar și servește drept bază pentru construcția ulterioară a suprafețelor care sunt „întinse” pe elementele cadrului.
În funcție de metoda de construcție, se disting următoarele tipuri de suprafețe: riglate; rotație; cinematic; conjugare file; trecerea prin secțiuni longitudinale și transversale; suprafețe pentru „strângerea ferestrelor” între trei sau mai multe suprafețe adiacente; Suprafețele NURBS definite prin specificarea punctelor de control ale secțiunilor longitudinale și transversale; suprafețe plane.
Deși suprafețele definesc limitele corpului, conceptul de „corp” în sine nu există în modul de modelare a suprafețelor, chiar dacă suprafețele limitează un volum închis. Aceasta este cea mai importantă diferență dintre modelarea suprafeței și modelarea solidă.
O altă caracteristică este că elementele modelului wireframe-suprafață nu sunt legate între ele în niciun fel. Schimbarea unuia dintre elemente nu le schimbă automat pe celelalte. Acest lucru oferă mai multă libertate în modelare, dar în același timp face lucrul cu modelul mult mai dificil.
Avantajele și dezavantajele graficii tridimensionale
Grafica 3D va ajuta în cazurile în care doriți să încorporați o scenă imaginară într-o imagine a lumii reale. Această situație este tipică pentru problemele de proiectare arhitecturală. În acest caz, grafica 3D elimină necesitatea creării unui aspect și oferă opțiuni flexibile pentru sintetizarea imaginii scenei pentru orice condiții meteorologice și din orice unghi de vedere.
Mai poate fi imaginată și o altă situație: nu un obiect imaginar este încorporat într-un fundal real, ci, dimpotrivă, o imagine a unui obiect real este încorporată într-o scenă tridimensională ca parte integrantă. Acest mod de utilizare a graficii 3D este folosit, de exemplu, pentru a crea săli de expoziție sau galerii virtuale, pe pereții cărora sunt atârnate imagini cu tablouri reale.
Jocuri pe calculator- una dintre cele mai extinse și dovedite domenii de aplicare a graficii 3D. Pe măsură ce software-ul de modelare 3D se îmbunătățește, performanța crește și resursele de memorie ale computerului cresc, lumile 3D virtuale devin mai complexe și mai realiste.
Grafica tridimensională ajută, de asemenea, acolo unde fotografia reală este imposibilă, dificilă sau necesită costuri materiale semnificative și, de asemenea, vă permite să sintetizați imagini cu evenimente care nu au loc în viața de zi cu zi. Programul 3D Studio MAX 3.0 are instrumente care vă permit să simulați acțiunea forțelor fizice precum gravitația, frecarea sau inerția asupra obiectelor tridimensionale, precum și să reproduceți rezultatele coliziunilor obiectelor.
Principalele argumente în favoarea graficii 3D apar atunci când vine vorba de crearea animației pe computer. 3D Studio MAX 3.0 vă permite să simplificați semnificativ lucrul la videoclipurile animate prin utilizarea metodelor de animare a scenelor 3D. Mai sus, am examinat caracteristicile graficii tridimensionale, care pot fi atribuite avantajelor sale în comparație cu grafica bidimensională convențională. Dar, după cum știți, nu există avantaje fără dezavantaje. . Dezavantajele graficii tridimensionale, care ar trebui luate în considerare atunci când alegeți instrumente pentru dezvoltarea viitoarelor proiecte grafice, pot fi luate în considerare condiționat:
Cerințe crescute asupra hardware-ului computerului, în special în ceea ce privește cantitatea de RAM, disponibilitatea spațiului liber pe hard disk și viteza procesorului;
Este nevoie de multă muncă pregătitoare, dar crearea de modele ale tuturor obiectelor din scenă care pot cădea în câmpul vizual al camerei și atribuirea materialelor acestora. Cu toate acestea, această muncă de obicei plătește cu rezultatul;
Mai puțin decât atunci când utilizați grafică bidimensională, libertate în formarea imaginii. Aceasta înseamnă că atunci când desenați o imagine cu un creion pe hârtie sau folosiți grafică bidimensională pe ecranul unui computer, aveți posibilitatea de a distorsiona liber orice proporție a obiectelor, de a încălca regulile perspectivei etc., dacă este necesar pentru realizarea o intenţie artistică. În 3D Studio MAX 3.0 acest lucru este posibil, dar necesită efort suplimentar;
Necesitatea de a controla poziția relativă a obiectelor din scenă, mai ales atunci când se realizează animație. Datorită faptului că obiectele graficii tridimensionale sunt „incorporale”, este ușor de admis pătrunderea eronată a unui obiect în altul sau lipsa eronată a contactului necesar între obiecte.
Grafica tridimensională nu include neapărat proiecția pe un plan...
YouTube enciclopedic
1 / 5
✪ Teoria graficii 3D, lecția 01 - Introducere în grafica 3D
✪ Grafică pe computer în cinema
✪ Cursul 1 | Grafică pe computer | Vitaly Galinsky | Lectorium
✪ 12 - Grafică pe computer. Concepte de bază de grafică pe computer
✪ Cursul 4 | Grafică pe computer | Vitaly Galinsky | Lectorium
Subtitrări
Aplicație
Grafica tridimensională este utilizată în mod activ pentru a crea imagini pe planul unui ecran sau a unei foi de material imprimat în știință și industrie, de exemplu, în sistemele de automatizare pentru lucrări de proiectare (CAD; pentru crearea de elemente solide: clădiri, piese de mașini, mecanisme). ), vizualizarea arhitecturală (aceasta include așa-numita „arheologie virtuală”), în sistemele moderne de imagistică medicală.
Cea mai largă aplicație se află în multe jocuri moderne de calculator, precum și un element de cinematografie, televiziune și produse tipărite.
Grafica 3D se ocupă de obicei cu un spațiu tridimensional virtual, imaginar, care este afișat pe o suprafață plană, bidimensională a unui afișaj sau a unei foi de hârtie. În prezent, există mai multe moduri de a afișa informații tridimensionale într-o formă tridimensională, deși majoritatea dintre ele reprezintă caracteristici tridimensionale mai degrabă condiționat, deoarece funcționează cu o imagine stereo. Din această zonă se remarcă ochelari stereo, căști virtuale, afișaje 3D capabile să demonstreze o imagine tridimensională. Mai mulți producători au demonstrat afișaje 3D gata pentru producția de masă. Cu toate acestea, afișajele 3D încă nu vă permit să creați o copie fizică cu drepturi depline, tangibilă a unui model matematic creat prin metode grafice 3D. Tehnologiile de prototipare rapidă, care s-au dezvoltat încă din anii 1990, completează acest gol. Trebuie remarcat faptul că tehnologiile de prototipare rapidă folosesc reprezentarea unui model matematic al unui obiect sub forma unui corp solid (modelul voxel).
Creare
Pentru a obține o imagine tridimensională pe un plan, sunt necesari următorii pași:
- modelare- realizarea unui model matematic tridimensional al scenei și al obiectelor din aceasta;
- texturare- atribuirea de texturi raster sau procedurale suprafețelor modelelor (implică și stabilirea proprietăților materialelor - transparență, reflexii, rugozitate etc.);
- iluminat- instalare si configurare;
- animaţie(în unele cazuri) - darea de mișcare obiectelor;
- simulare dinamică(în unele cazuri) - calculul automat al interacțiunii particulelor, corpurilor tari / moi etc. cu forțele simulate de gravitație, vânt, flotabilitate etc., precum și între ele;
- redare(vizualizare) - construirea unei proiecții în conformitate cu modelul fizic selectat;
- compoziţie(layout) - finalizarea imaginii;
- ieșirea imaginii rezultate pe un dispozitiv de ieșire - un afișaj sau o imprimantă specială.
Modelare
Cele mai populare pachete de modelare sunt:
- Robert McNeel & Asoc. Rinocer 3D ;
Pentru a crea un model tridimensional al unei persoane sau creaturi, Sculpture poate fi folosită ca prototip (în cele mai multe cazuri).
Texturare
schițați
Vizualizarea graficii tridimensionale în jocuri și aplicații
Există o serie de biblioteci de software pentru redarea graficelor 3D în programele de aplicație - DirectX, OpenGL și așa mai departe.
Există o serie de abordări pentru prezentarea graficii 3D în jocuri - 3D complet, pseudo-3D.
Astfel de pachete nici măcar nu permit întotdeauna utilizatorului să opereze direct un model 3D, de exemplu, există un pachet OpenSCAD, în care modelul se formează prin executarea unui script generat de utilizator scris într-un limbaj specializat.
Afișări 3D
Afișaje tridimensionale sau stereoscopice, (afisaje 3D, ecrane 3D) - afiseaza, prin stereoscopic sau orice alt efect, creand iluzia de volum real in imaginile afisate.
În prezent, marea majoritate a imaginilor 3D sunt afișate folosind efectul stereoscopic, care este cel mai ușor de implementat, deși utilizarea stereoscopiei singură nu poate fi numită suficientă pentru percepția tridimensională. Ochiul uman, atât în perechi, cât și singur, distinge la fel de bine obiectele tridimensionale de imaginile plate. ] .
Grafică 3D
| Nume parametru | Sens |
| Subiect articol: | Grafică 3D |
| Rubrica (categoria tematica) | Tehnologie |
Grafica tridimensională și-a găsit o aplicație largă în domenii precum calculele științifice, proiectarea inginerească și modelarea pe computer a obiectelor fizice.
Imaginea unei figuri plate din desen nu este foarte dificilă, deoarece un model geometric bidimensional este o asemănare a figurii descrise, care este și bidimensională.
Obiectele geometrice tridimensionale sunt descrise în desen ca un set de proiecții pe diferite planuri, ceea ce oferă doar o idee condițională aproximativă a acestor obiecte ca figuri spațiale. Cu reflectarea extrem de importantă în desen a oricăror detalii, sunt necesare detalii ale obiectului, secțiuni suplimentare, tăieturi etc.. Având în vedere că designul se ocupă de obicei cu obiecte spațiale, imaginea acestora în desen nu este întotdeauna o chestiune simplă.
La proiectarea unui obiect cu ajutorul unui computer, recent a fost dezvoltată o abordare bazată pe crearea de reprezentări geometrice tridimensionale - modele.
Modelarea geometrică este înțeleasă ca crearea de modele de obiecte geometrice care conțin informații despre geometria obiectului. Sub modelul unui obiect geometric, se obișnuiește să se înțeleagă totalitatea informațiilor care îi determină în mod unic forma. De exemplu, un punct trebuie reprezentat prin două (model 2D) sau trei (model 3D) coordonate; cercul este dat de coordonatele centrului și ale razei etc. Un model geometric tridimensional stocat în memoria computerului oferă o idee destul de exhaustivă (în măsura în care este extrem de importantă) despre obiectul modelat. Un astfel de model se numește virtual sau digital.
În modelarea tridimensională, desenul joacă un rol auxiliar, iar metodele de creare a acestuia se bazează pe metode de grafică pe computer, metode de afișare a unui model spațial. Cu această abordare, modelul geometric al unui obiect poate fi folosit nu numai pentru a crea o imagine grafică, ci și pentru a calcula unele dintre caracteristicile sale, de exemplu, masa, volumul, momentul de inerție etc., precum și pentru rezistență, inginerie termică și alte calcule.
Tehnologia de modelare 3D este următoarea:
· proiectarea și crearea unui cadru virtual (ʼʼscheletulʼʼ) al unui obiect ͵ cel mai pe deplin corespunzător formei sale reale;
proiectarea și realizarea de materiale virtuale similare celor reale din punct de vedere al proprietăților fizice de vizualizare;
atribuirea de materiale diferitelor părți ale suprafeței unui obiect (proiectarea unei texturi pe un obiect);
stabilirea parametrilor fizici ai spațiului în care va funcționa obiectul - pentru a seta iluminarea, gravitația, proprietățile atmosferice, proprietățile obiectelor și suprafețelor care interacționează, stabilirea traiectoriei mișcării obiectelor;
calculul secvenței de cadre rezultate;
· Suprapunerea efectelor de suprafață pe clipul final de animație.
Model. Pentru a afișa obiecte tridimensionale pe un ecran de monitor, este necesară o serie de procese (numite de obicei conductă), urmate de traducerea rezultatului într-o vedere bidimensională. Inițial, un obiect este reprezentat ca un set de puncte, sau coordonate, în spațiul tridimensional. Un sistem de coordonate 3D este definit de trei axe: orizontală, verticală și adâncime, denumite de obicei axele X, Y și respectiv Z. din care constă obiectul, în spațiu. Prin conectarea vârfurilor obiectului cu linii, obținem un model wireframe, numit așa deoarece doar marginile suprafețelor unui corp tridimensional sunt vizibile. Modelul wireframe definește zonele care alcătuiesc suprafața unui obiect, care sunt umplute cu culoare, texturi și iluminate de raze de lumină.
Varietăți de grafică 3D. Există următoarele tipuri de grafică 3D: poligonală, analitică, fractală, spline.
Grafica poligonală este cea mai comună. Acest lucru se datorează în primul rând vitezei mari de procesare a acestuia. Orice obiect grafic poligon este definit de un set de poligoane. Poligon - poligon plat ϶ᴛᴏ. Cea mai simplă opțiune sunt poligoane triunghiulare, deoarece, după cum știți, un plan poate fi trasat prin orice trei puncte din spațiu. Fiecare poligon este definit de un set de puncte. Un punct este specificat de trei coordonate - X, Y, Z. Astfel, puteți specifica un obiect tridimensional ca matrice sau structură.
Grafica analitică constă în esență în faptul că obiectele sunt specificate analitic, adică prin formule. De exemplu: o bilă cu raza r centrată în punctul (x 0, y 0, z 0) este descrisă prin formula (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 . Prin combinarea diferitelor formule între ele, se pot obține obiecte de formă complexă. Dar toată dificultatea constă în găsirea formulei obiectului cerut.
O altă modalitate de a crea obiecte analitice este de a crea solide de revoluție. Deci, rotind un cerc în jurul unei axe, puteți obține un tor, iar prin rotirea simultană a unei elipse puternic alungite în jurul axelor proprii și externe, puteți obține un tor ondulat destul de frumos.
Grafica fractală se bazează pe conceptul de fractal - auto-asemănarea. Un obiect se numește auto-similar atunci când părțile mărite ale obiectului seamănă cu obiectul însuși și între ele. Terenul aparține clasei ʼʼauto-similareʼʼ. Deci marginea zimțată a unei pietre sparte arată ca un lanț de munți la orizont. Grafica fractală, ca și grafica vectorială, se bazează pe calcule matematice. Elementul de bază al graficii fractale este o formulă matematică, în acest sens, nu sunt stocate obiecte în memoria computerului, iar imaginea este construită exclusiv pe baza de ecuații.
În acest fel, sunt construite atât cele mai simple structuri regulate, cât și ilustrații complexe care imită peisaje naturale și obiecte tridimensionale. Algoritmii fractali pot crea imagini 3D incredibile.
Grafica spline se bazează pe conceptul de spline. Termenul ʼʼsplineʼʼ provine din limba engleză spline. Acesta este numele unei benzi flexibile de oțel, cu ajutorul căreia desenatori desenează curbe netede prin puncte date. Pe vremuri, o metodă similară de contururi netede ale diferitelor corpuri (coca unei nave, caroseria unei mașini) era larg răspândită în practica ingineriei mecanice. Ca urmare, forma corpului a fost stabilită folosind un set de secțiuni-plazate realizate foarte precis. Apariția computerelor a făcut posibilă trecerea de la această metodă de șablon plaza la o metodă mai eficientă de specificare a suprafeței unui corp raționalizat. La baza acestei abordări a descrierii suprafețelor se află utilizarea unor formule relativ simple, care fac posibilă reproducerea aspectului unui produs cu o acuratețe extrem de importantă.
La modelarea cu spline, cel mai des este folosită metoda B-spline raționale bicubice pe o plasă neuniformă (NURBS). Aspectul suprafeței este determinat de grila de puncte de referință situate în spațiu. Fiecărui punct i se atribuie un coeficient, a cărui valoare determină gradul de influență asupra părții suprafeței care trece în apropierea punctului. Forma și ʼʼnetezimeaʼʼ suprafeței depind de poziția relativă a punctelor și de valoarea coeficienților.
Deformarea obiectului este asigurată prin deplasarea punctelor de control. O altă metodă se numește plasă warp. O plasă tridimensională este plasată în jurul obiectului sau al părții sale, mișcarea oricărui punct provoacă deformarea elastică atât a plasei în sine, cât și a obiectului înconjurat.
După ce se formează ʼʼscheletulʼʼ unui obiect, este extrem de important să-i acoperiți suprafața cu materiale. Întreaga varietate de proprietăți în modelarea pe computer se reduce la vizualizarea suprafeței, adică la calculul coeficientului de transparență a suprafeței și unghiul de refracție a razelor de lumină la limita materialului și spațiul înconjurător. Pentru a construi suprafețele materialelor, sunt utilizate cinci modele fizice de bază:
Bouknight - o suprafață cu reflexie difuză fără strălucire (de exemplu, plastic mat);
Phong - o suprafață cu microsuprafețe structurate (de exemplu, metal);
Blinn - o suprafață cu o distribuție specială a microrugozităților, ținând cont de suprapunerile reciproce (de exemplu, luciu);
· Whitted - un model care permite suplimentar să se ia în considerare polarizarea luminii;
Hall - un model care vă permite să reglați direcția de reflexie și parametrii de refracție a luminii.
Umbrirea suprafețelor se realizează prin metode Gouraud (gouraud) sau Phong (Phong). În primul caz, culoarea primitivei este calculată la vârfurile sale și apoi interpolată liniar pe suprafață. În al doilea caz, se construiește o normală a obiectului ca întreg, vectorul său este interpolat pe suprafața primitivelor constitutive și se calculează iluminarea pentru fiecare punct.
Lumina care părăsește suprafața într-un anumit punct către privitor este suma componentelor înmulțită cu un factor asociat cu materialul și culoarea suprafeței în acel punct. Aceste componente includ:
· Lumină care vine de pe reversul suprafeței, adică lumină refractată (Refracted);
· Lumină împrăștiată uniform de suprafață (difuză);
Lumină reflectată (Reflectată);
Stralucire, adică surse de lumină reflectată (Specular);
· Strălucire proprie de suprafață (Auto-iluminare).
Proprietățile suprafeței sunt descrise în tablourile generate de texturi (două sau tridimensionale). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, tabloul conține date despre gradul de transparență al materialului; indicele de refracție; coeficienții de deplasare a componentelor (enumerati mai sus); culoarea în fiecare punct, culoarea evidențierii, lățimea și claritatea acesteia; culoarea luminii difuze (de fundal); abaterile locale ale vectorilor de la normală (adică se ia în considerare rugozitatea suprafeței).
Următorul pas este impunerea (ʼʼdesignʼʼ) texturilor pe anumite părți ale cadrului obiectului. În acest caz, este extrem de important să se țină cont de influența lor reciprocă asupra granițelor primitivilor. Proiectarea materialelor pentru un obiect este o sarcină dificil de oficializat, este asemănătoare unui proces artistic și necesită cel puțin abilități creative minime din partea interpretului.
Dintre toți parametrii spațiului în care operează obiectul care se creează, din punct de vedere al vizualizării, cel mai important este definirea sursei de lumină. În grafica 3D, se obișnuiește să se utilizeze echivalente virtuale ale surselor fizice:
· Lumină dizolvată (Ambitnt Light), care este un analog al unui fundal luminos uniform. Nu are parametri geometrici și se caracterizează doar prin culoare și intensitate.
· O sursă non-punctivă la distanță se numește lumină îndepărtată (Lumină îndepărtată). I se atribuie parametri specifici (coordonate). Analogul în natură este Soarele.
· O sursă de lumină punctuală emite lumină uniform în toate direcțiile și are, de asemenea, coordonate. Un analog în tehnologie este un bec electric.
· Sursa de lumină directă (Sursa de lumină directă), în plus față de locație, se caracterizează prin direcția fluxului de lumină, unghiurile de deschidere a întregului con de lumină și punctul său cel mai luminos. Un analog în tehnologie este un reflector.
Procesul de calcul al imaginilor realiste se numește randare (vizualizare). Majoritatea programelor moderne de randare se bazează pe metoda back ray tracing. Esența sa este următoarea:
· Din punctul de observare al scenei, un fascicul virtual este trimis în spațiu de-a lungul traiectoriei căreia imaginea trebuie să ajungă în punctul de observație.
· Pentru a determina parametrii fasciculului de intrare, toate obiectele din scenă sunt verificate pentru intersecția cu calea de observare. Dacă suprimarea nu are loc, atunci se consideră că fasciculul a lovit fundalul scenei, iar informațiile primite sunt determinate de parametrii de fundal. Dacă traiectoria se intersectează cu un obiect, atunci în punctul de contact, lumina care merge la punctul de observare este calculată în conformitate cu parametrii materialului.
După finalizarea construcției și vizualizarea obiectului, se procedează la ʼʼanimațiaʼʼ, adică la setarea parametrilor de mișcare. Animația pe computer se bazează pe cadre cheie. În primul cadru, obiectul este setat în poziția inițială. După un anumit interval (de exemplu, în al optulea cadru), se setează o nouă poziție a obiectului și așa mai departe până la poziția finală. Pozițiile intermediare sunt calculate de program conform unui algoritm special. În acest caz, nu are loc doar o aproximare liniară, ci și o schimbare lină a poziției punctelor de referință ale obiectului în conformitate cu condițiile specificate. Aceste condiții sunt determinate de ierarhia obiectelor (adică, legile interacțiunii lor între ele), planurile permise de mișcare, unghiurile limitative de rotație și mărimile accelerațiilor și vitezelor.
Această abordare se numește metoda cinematicii inverse a mișcării. Funcționează bine pentru modelarea dispozitivelor mecanice. In cazul imitarii obiectelor vii se folosesc asa numitele modele scheletice. Adică se creează un anumit cadru, mobil în puncte caracteristice obiectului modelat. Mișcările punctelor sunt calculate prin metoda anterioară.
Metoda de modelare geometrică tridimensională este implementată în multe produse software, inclusiv. asemenea populare precum AutoCAD și ArchiCAD.
Grafică tridimensională - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Grafică tridimensională” 2017, 2018.
Grafică pe computer- o știință care studiază metodele și modalitățile de creare, formare, stocare și prelucrare a imaginilor folosind sisteme de calcul software și hardware.
Grafică tridimensională (grafică 3D) - o secțiune de grafică pe computer, un set de tehnici și instrumente software și hardware concepute pentru reprezentarea spațială a obiectelor într-un sistem de coordonate tridimensional.
Model - un obiect care reflectă trăsăturile esențiale ale obiectului, fenomenului sau procesului studiat.
Modelare 3D - studiul unui obiect, fenomen sau proces prin construirea și studierea modelului acestuia.
Editori de grafică 3D- programe și pachete software concepute pentru modelare tridimensională.
plasă poligonală - un set de vârfuri, muchii, fețe care determină forma unui obiect poliedric în grafica tridimensională.
Poligon- cel mai mic element al unei grile poligonale, poate fi un triunghi, patrulater sau alt poligon simplu convex.
Splina- un obiect geometric bidimensional care poate servi drept bază pentru construcția obiectelor tridimensionale.
Motor grafic („vizualizator”; uneori „redare”)- sub-software, a cărui sarcină principală este vizualizarea (redarea) graficii computerizate bidimensionale sau tridimensionale.
Metode de creare a obiectelor 3D
După forma lor, obiectele lumii reale sunt împărțite în simple și complexe. O cărămidă este un exemplu de obiect simplu, iar o mașină este un exemplu de obiect complex. Pentru orice obiect din lumea reală, indiferent de complexitatea și natura acestuia, puteți crea un model tridimensional. Există diferite metode de modelare 3D:
modelare bazată pe primitive;
· modelare spline;
Utilizarea modificatorilor
modelare cu suprafete editabile: Plasă editabilă(suprafață editabilă), Poly editabil(Suprafață poligonală editabilă), Patch editabil
Crearea de obiecte folosind operații booleene;
crearea de scene tridimensionale folosind particule;
· NURBS-modelare (modelare bazată pe B-spline neomogene iraționale).
Atunci când creați un obiect pe scenă, este necesar să luați în considerare caracteristicile geometriei acestuia. De regulă, același obiect poate fi modelat în mai multe moduri, dar există întotdeauna o modalitate care este cea mai convenabilă și petrece mai puțin timp.
În această teză, obiectele sunt create pentru un sistem interactiv, ceea ce impune unele restricții asupra complexității acestora. Este imposibil să se creeze obiecte fotorealiste (obiecte high-poly), deoarece necesită o mulțime de resurse computerizate pe care va fi lansat programul final și, de asemenea, cu cât mai multe obiecte pe scenă, cu atât este mai mare sarcina motorului grafic. Atunci când lucrați la obiecte 3D pentru sisteme interactive, aceste limitări trebuie luate în considerare și este necesar să se creeze obiecte cât mai optimizate, dar nu în detrimentul calității aspectului. Echilibrul dintre calitate și complexitate optimă este una dintre principalele provocări atunci când se creează obiecte pentru sisteme interactive.
Modelare bazată pe primitive
Această metodă este folosită în acele cazuri când puteți împărți mental un obiect în mai multe primitive simple conectate între ele. Este necesar să aveți o gândire spațială bună, să vă imaginați în mod constant obiectul, toate detaliile sale principale și locația lor unul față de celălalt. Folosind primitive, puteți descrie aproape orice obiect, dar atunci când modelați obiecte complexe, după un anumit număr mare de primitive, folosirea acestei metode este inadecvată.
Orez. unu.
Procesul de creare a obiectelor bazate pe primitive poate fi împărțit în etape:
divizarea mentală a obiectului original în primitive;
crearea de primitivi;
aranjarea primitivelor unele față de altele în funcție de forma obiectului creat;
Ajustarea dimensiunilor primitivelor;
texturarea, adică impunerea materialului.
Primitivele sunt cel mai bine folosite atunci când înfățișează obiecte relativ simple. Folosirea lor pentru a afișa obiecte complexe nu este de dorit.
Modelare spline
Una dintre modalitățile eficiente de a crea modele tridimensionale. Crearea unui model folosind spline se reduce la construirea unui cadru spline, pe baza căruia se creează o suprafață geometrică tridimensională.
În majoritatea editorilor de grafică 3D, există posibilitatea modelării spline, iar setul de instrumente al acestor programe include următoarele figuri:
Orez. 2.
· Linie (Linie);
· Cercul (Cercul);
· Arc (Arc);
· Ngon (Poligon);
· Text (Teks);
· Sectiunea (Sectiunea);
· Dreptunghi (Dreptunghi);
· Elipsa (Elipsa);
· Gogoasa (Inel);
· Steaua (Poligon sub forma unei stele);
· Helix (spirală)
· Ou (Ou).
În mod implicit, primitivele spline nu sunt afișate în etapa de randare și sunt folosite ca obiecte de ajutor, dar pot fi făcute redabile dacă este necesar.
Pe baza figurilor spline, puteți crea obiecte tridimensionale geometrice complexe. Această metodă este folosită cel mai adesea la modelarea obiectelor simetrice, prin rotirea profilului spline în jurul unor axe, precum și a obiectelor nesimetrice, prin adăugarea de volum la secțiunea figurii spline selectate.
Folosind modificatori
Un modificator este o operație specială care poate fi aplicată unui obiect care modifică proprietățile obiectului. Toate editoarele de grafică 3D au un număr mare de modificatori care afectează obiectul în moduri diferite, de exemplu, îndoirea, întinderea, netezirea sau răsucirea acestuia. Modificatorii pot servi și pentru a controla poziția unei texturi pe un obiect sau pentru a modifica proprietățile fizice ale acestuia.
Orez. 3.
În produse profesionale cu caracteristici complete pentru 3D modelarea, de exemplu Autodesk 3ds Max este posibil să accesați rapid setările obiectului și modificatorii aplicați acestuia, să dezactivați sau să activați acțiunile modificatorilor, precum și să schimbați ordinea impactului acestora asupra obiectului.
Modelare cu suprafețe editabile
Mod comun de a crea 3D modele. Majoritatea editoarelor de grafică 3D moderne vă permit să lucrați cu următoarele tipuri de suprafețe editabile:
· Plasă editabilă(Suprafață editabilă);
· Poly editabil(Suprafață poligonală editabilă);
· Patch editabil(Suprafața patch-ului editabilă);
Toate metodele de mai sus pentru construirea suprafețelor sunt similare între ele, iar diferențele constau în setările de modelare la nivel de subobiect. În obiecte de tip Poly editabil modelul este format din poligoane, în Plasă editabilă- din fețele triunghiulare, și în Patch editabil- din petice de formă triunghiulară sau patruunghiulară, care sunt create de spline Bezier.
Orez. 4.
Un exemplu de pachet software care are capacitatea de a modela folosind suprafețe editabile este Autodesk 3ds Max. Când lucrați cu obiecte de tip Poly editabil, utilizatorul poate edita vârfuri ( Vertex), margini ( margine), limite ( Frontieră), poligoane ( Poligon) și elemente ( element) a obiectului care se editează. Capacitățile de editare ale obiectelor Editable Mesh diferă prin capacitatea de a schimba fețele ( față) și lipsa modului de editare a frontierei. A lucra cu Patch editabil puteți folosi moduri de editare pentru vârfuri, margini, patch-uri ( Plasture), elemente și vectori ( Mâner).
Orez. cinci. Opțiuni de editare a suprafeței Poly editabil De exemplu Autodesk 3ds Max
Este demn de remarcat faptul că „Poly editabil”- cea mai comună metodă de modelare, utilizată pentru a crea atât modele complexe, cât și modele low-poli pentru sisteme interactive.
Crearea de obiecte cu operații booleene
Una dintre cele mai convenabile și mai rapide metode de modelare este crearea 3D obiecte folosind operații booleene. Esența acestei metode este că atunci când două obiecte se intersectează, puteți obține un al treilea, care va fi rezultatul adunării ( Uniune), scădere ( Scădere) sau intersecții ( Intersecție) a obiectelor originale.
Orez. 6. Aplicarea unei operații booleene Scădere
Această metodă este potrivită pentru lucrul cu elemente arhitecturale și tehnice, dar nu este de dorit pentru lucrul cu obiecte organice, cum ar fi oameni, animale și plante.
În ciuda prevalenței operațiilor booleene, acestea au dezavantaje care duc la erori în construcția modelului rezultat (distorsiune a proporțiilor și formei obiectelor originale). Din acest motiv, mulți utilizatori folosesc module suplimentare pentru a evita erorile în geometria obiectelor finale.
Crearea de scene 3D cu particule
Sistem de particule - mod de reprezentare 3D obiecte care nu au limite geometrice clare. Folosit pentru a crea fenomene naturale precum nori, ceață, ploaie, zăpadă. Mijloacele de animare a proprietăților sistemelor de particule disponibile în produsele software puternice fac posibilă simplificarea semnificativă a creării diferitelor fenomene atmosferice, efecte speciale, care ar fi impracticabile și ineficient de realizat prin metode non-procedurale. Un sistem de particule constă dintr-un număr fix sau arbitrar de particule. Fiecare particulă este reprezentată ca un punct material cu atribute precum viteza, culoarea, orientarea în spațiu, viteza unghiulară și altele. În timpul lucrului programului de modelare a particulei, fiecare particulă își schimbă starea conform unei anumite legi comune tuturor particulelor din sistem. Este de remarcat faptul că o particulă poate fi afectată de gravitație, poate schimba dimensiunea, culoarea, viteza. După efectuarea calculelor necesare, particula este vizualizată. O particulă poate fi redată ca punct, triunghi, sprite sau chiar un model 3D complet. Particulele au adesea o durată de viață maximă, după care particula dispare.
Orez. 7.
Modelarea sistemelor de particule necesită performanțe ridicate ale computerului. ÎN 3D aplicații, se presupune de obicei că particulele nu aruncă umbre unele asupra altora și asupra geometriei înconjurătoare și că nu absorb, ci emit lumină, altfel sistemele de particule vor necesita mai multe resurse datorită unui număr mare de calcule suplimentare: în în caz de absorbție a luminii, va fi necesară sortarea particulelor în funcție de distanța față de cameră, iar în cazul umbrelor, fiecare particulă va trebui desenată de mai multe ori.
Modelare NURBS
NURBS (raport neuniform B-spline) - formă matematică utilizată în grafica computerizată pentru a genera și reprezenta curbe și suprafețe. NURBS curbele sunt întotdeauna netede. Cel mai adesea, această metodă este folosită pentru modelarea obiectelor organice, animarea fețelor personajelor. Este cea mai dificilă metodă de stăpânit, dar în același timp și cea mai personalizabilă. Prezent în pachete profesionale 3D modelare, cel mai adesea aceasta este implementată prin includerea în aceste aplicații NURB- motor grafic dezvoltat de o firma specializata.
Orez. 8. NURB-curba
Grafica tridimensională și-a găsit o aplicație largă în domenii precum calculele științifice, proiectarea inginerească, modelarea pe computer a obiectelor fizice.
Imaginea unei figuri plate din desen nu este foarte dificilă, deoarece un model geometric bidimensional este o asemănare a figurii descrise, care este și bidimensională.
Obiectele geometrice tridimensionale sunt descrise în desen ca un set de proiecții pe diferite planuri, ceea ce oferă doar o idee condițională aproximativă a acestor obiecte ca figuri spațiale. Dacă este necesară reflectarea asupra desenului sunt necesare orice detalii, detalii ale obiectului, secțiuni suplimentare, tăieturi etc.. Având în vedere că proiectarea se ocupă de obicei de obiecte spațiale, reprezentarea acestora în desen nu este întotdeauna o chestiune simplă.
La construirea unui obiect cu ajutorul unui calculator, recent a fost dezvoltată o abordare bazată pe crearea de reprezentări geometrice tridimensionale - modele.
Modelarea geometrică este înțeleasă ca crearea de modele de obiecte geometrice care conțin informații despre geometria obiectului. Un model al unui obiect geometric este înțeles ca un set de informații care îi determină în mod unic forma. De exemplu, un punct poate fi reprezentat prin două (model 2D) sau trei (model 3D) coordonate; un cerc - cu coordonatele centrului și razei etc. Un model geometric tridimensional stocat în memoria computerului oferă o idee destul de cuprinzătoare (dacă este necesar) despre obiectul modelat. Un astfel de model se numește virtual sau digital.
În modelarea tridimensională, desenul joacă un rol auxiliar, iar metodele de creare a acestuia se bazează pe metode de grafică pe computer, metode de afișare a unui model spațial. Cu această abordare, modelul geometric al unui obiect poate fi folosit nu numai pentru a crea o imagine grafică, ci și pentru a calcula unele dintre caracteristicile sale, de exemplu, masa, volumul, momentul de inerție etc., precum și pentru rezistență, inginerie termică și alte calcule.
Tehnologia de modelare 3D este următoarea:
proiectarea și crearea unui cadru virtual („schelet”) al unui obiect care corespunde cel mai pe deplin formei sale reale;
proiectarea și realizarea de materiale virtuale similare celor reale din punct de vedere al proprietăților fizice de vizualizare;
atribuirea de materiale diferitelor părți ale suprafeței unui obiect (proiectarea unei texturi pe un obiect);
stabilirea parametrilor fizici ai spațiului în care va funcționa obiectul - pentru a seta iluminarea, gravitația, proprietățile atmosferice, proprietățile obiectelor și suprafețelor care interacționează, stabilirea traiectoriei mișcării obiectelor;
calculul secvenței de cadre rezultate;
· Suprapunerea efectelor de suprafață pe clipul final de animație.
Model. Pentru a afișa obiecte tridimensionale pe un ecran de monitor, este necesară o serie de procese (numite de obicei conductă), urmate de traducerea rezultatului într-o vedere bidimensională. Inițial, un obiect este reprezentat ca un set de puncte, sau coordonate, în spațiul tridimensional. Un sistem de coordonate 3D este definit de trei axe: orizontală, verticală și adâncime, denumite în mod obișnuit axele X, Y și, respectiv, Z. din care constă obiectul, în spațiu. Prin conectarea vârfurilor obiectului cu linii, obținem un model wireframe, numit așa deoarece doar marginile suprafețelor unui corp tridimensional sunt vizibile. Un cadru sârmă definește zonele care alcătuiesc suprafața unui obiect care pot fi umplute cu culoare, texturi și iluminate de raze de lumină.
Varietăți de grafică 3D. Există următoarele tipuri de grafică 3D: poligonală, analitică, fractală, spline.
Grafica poligonală este cea mai comună. Acest lucru se datorează în primul rând vitezei mari de procesare a acestuia. Orice obiect grafic poligon este definit de un set de poligoane. Un poligon este un poligon plat. Cea mai simplă opțiune sunt poligoane triunghiulare, deoarece, după cum știți, un plan poate fi trasat prin orice trei puncte din spațiu. Fiecare poligon este definit de un set de puncte. Un punct este specificat de trei coordonate - X, Y, Z. Astfel, puteți specifica un obiect tridimensional ca matrice sau structură.
Grafica analitică constă în faptul că obiectele sunt specificate analitic, adică formule. De exemplu: o bilă de rază r centrată în punctul (x 0 , y 0 , z 0) este descrisă prin formula (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 . Prin combinarea diferitelor formule între ele, se pot obține obiecte de formă complexă. Dar toată dificultatea constă în găsirea formulei obiectului cerut.
O altă modalitate de a crea obiecte analitice este de a crea solide de revoluție. Deci, rotind un cerc în jurul unei axe, puteți obține un torus și, rotind simultan o elipsă puternic alungită în jurul axelor proprii și externe, puteți obține un torus ondulat destul de frumos.
Grafica fractală se bazează pe conceptul de fractal - auto-asemănarea. Un obiect se numește auto-similar atunci când părțile mărite ale obiectului seamănă cu obiectul însuși și între ele. Terenul aparține clasei „auto-similare”. Deci marginea zimțată a unei pietre sparte arată ca un lanț de munți la orizont. Grafica fractală, ca și grafica vectorială, se bazează pe calcule matematice. Elementul de bază al graficii fractale este o formulă matematică, astfel încât niciun obiect nu este stocat în memoria computerului, iar imaginea este construită exclusiv pe baza ecuațiilor.
În acest fel, sunt construite atât cele mai simple structuri regulate, cât și ilustrații complexe care imită peisaje naturale și obiecte tridimensionale. Algoritmii fractali pot crea imagini 3D incredibile.
Grafica spline se bazează pe conceptul de spline. Termenul „spline” din limba engleză spline. Acesta este numele unei benzi flexibile de oțel, cu ajutorul căreia desenatori desenează curbe netede prin puncte date. Pe vremuri, o metodă similară de contururi netede ale diferitelor corpuri (coca unei nave, caroseria unei mașini) era larg răspândită în practica ingineriei mecanice. Ca urmare, forma corpului a fost stabilită folosind un set de secțiuni-plazate realizate foarte precis. Apariția computerelor a făcut posibilă trecerea de la această metodă de șablon plaza la o metodă mai eficientă de specificare a suprafeței unui corp raționalizat. Această abordare a descrierii suprafețelor se bazează pe utilizarea unor formule relativ simple care fac posibilă reproducerea aspectului unui produs cu acuratețea necesară.
La modelarea cu spline, cel mai des este folosită metoda B-spline raționale bicubice pe o plasă neuniformă (NURBS). Aspectul suprafeței este determinat de grila de puncte de referință situate în spațiu. Fiecărui punct i se atribuie un coeficient, a cărui valoare determină gradul de influență asupra părții suprafeței care trece în apropierea punctului. Forma și „netezimea” suprafeței depind de aranjarea reciprocă a punctelor și de mărimea coeficienților.
Deformarea obiectului este asigurată prin deplasarea punctelor de control. O altă metodă se numește plasă warp. O plasă tridimensională este plasată în jurul obiectului sau al părții sale, mișcarea oricărui punct provoacă deformarea elastică atât a plasei în sine, cât și a obiectului înconjurat.
După formarea „scheletului” obiectului, este necesar să-i acoperiți suprafața cu materiale. Întreaga varietate de proprietăți în modelarea pe computer se reduce la vizualizarea suprafeței, adică la calculul coeficientului de transparență a suprafeței și unghiul de refracție a razelor de lumină la limita materialului și spațiul înconjurător. Pentru a construi suprafețele materialelor, sunt utilizate cinci modele fizice de bază:
Bouknight - o suprafață cu reflexie difuză fără strălucire (de exemplu, plastic mat);
· Phong - o suprafață cu microsuprafețe structurate (de exemplu, metal);
· Blinn – o suprafață cu o distribuție specială a microrugozităților, ținând cont de suprapuneri reciproce (de exemplu, luciu);
· Whitted - un model care permite suplimentar să se ia în considerare polarizarea luminii;
Hall - un model care vă permite să reglați direcția de reflexie și parametrii de refracție a luminii.
Umbrirea suprafețelor se realizează prin metode Gouraud (gouraud) sau Phong (Phong). În primul caz, culoarea primitivei este calculată la vârfurile sale și apoi interpolată liniar pe suprafață. În al doilea caz, se construiește o normală a obiectului ca întreg, vectorul său este interpolat pe suprafața primitivelor constitutive și se calculează iluminarea pentru fiecare punct.
Lumina care părăsește suprafața într-un anumit punct către privitor este suma componentelor înmulțită cu un factor asociat cu materialul și culoarea suprafeței în acel punct. Aceste componente includ:
· Lumină care vine de pe reversul suprafeței, adică lumină refractată (Refracted);
· Lumină împrăștiată uniform de suprafață (difuză);
Lumină reflectată (Reflectată);
Stralucire, adică surse de lumină reflectată (Specular);
· Strălucire proprie de suprafață (Auto-iluminare).
Proprietățile suprafeței sunt descrise în tablourile generate de texturi (două sau tridimensionale). Astfel, matricea conține date despre gradul de transparență al materialului; indicele de refracție; coeficienții de deplasare a componentelor (enumerati mai sus); culoare în fiecare punct, evidențiați culoarea, lățimea și claritatea; culoarea luminii difuze (de fundal); abaterile locale ale vectorilor de la normală (adică se ia în considerare rugozitatea suprafeței).
Următorul pas este aplicarea texturilor („proiect”) anumitor părți ale cadrului obiectului. În acest caz, este necesar să se țină cont de influența lor reciprocă asupra granițelor primitivilor. Proiectarea materialelor pentru un obiect este o sarcină dificil de oficializat, este asemănătoare unui proces artistic și necesită cel puțin abilități creative minime din partea interpretului.
Dintre toți parametrii spațiului în care operează obiectul creat, din punct de vedere al vizualizării, cel mai important este definirea sursei de lumină. În grafica 3D, se obișnuiește să se utilizeze echivalente virtuale ale surselor fizice:
· Lumină dizolvată (Ambitnt Light), care este un analog al unui fundal luminos uniform. Nu are parametri geometrici și se caracterizează doar prin culoare și intensitate.
· O sursă non-punctivă la distanță se numește lumină îndepărtată (Lumină îndepărtată). I se atribuie parametri specifici (coordonate). Analogul în natură este Soarele.
· O sursă de lumină punctuală emite lumină uniform în toate direcțiile și are, de asemenea, coordonate. Un analog în tehnologie este un bec electric.
· Sursa de lumină directă (Sursa de lumină directă), în plus față de locație, se caracterizează prin direcția fluxului de lumină, unghiurile de deschidere a întregului con de lumină și punctul său cel mai luminos. Un analog în tehnologie este un reflector.
Procesul de calcul al imaginilor realiste se numește randare (vizualizare). Majoritatea programelor moderne de randare se bazează pe metoda back ray tracing. Esența sa este următoarea:
· Din punctul de observare al scenei, un fascicul virtual este trimis în spațiu de-a lungul traiectoriei căreia imaginea trebuie să ajungă în punctul de observație.
· Pentru a determina parametrii fasciculului de intrare, toate obiectele din scenă sunt verificate pentru intersecția cu calea de observare. Dacă nu are loc o suprimare, atunci se consideră că raza a lovit fundalul scenei, iar informațiile primite sunt determinate de parametrii de fundal. Dacă traiectoria se intersectează cu un obiect, atunci în punctul de contact, lumina care merge la punctul de observație este calculată în conformitate cu parametrii materialului.
După ce construcția și vizualizarea obiectului sunt finalizate, încep să-l „animeze”, adică să stabilească parametrii de mișcare. Animația pe computer se bazează pe cadre cheie. În primul cadru, obiectul este setat în poziția inițială. După un anumit interval (de exemplu, în al optulea cadru), se setează o nouă poziție a obiectului și așa mai departe până la poziția finală. Pozițiile intermediare sunt calculate de program conform unui algoritm special. În acest caz, nu are loc doar o aproximare liniară, ci și o schimbare lină a poziției punctelor de referință ale obiectului în conformitate cu condițiile specificate. Aceste condiții sunt determinate de ierarhia obiectelor (adică, legile interacțiunii lor între ele), planurile permise de mișcare, unghiurile limitative de rotație și mărimile accelerațiilor și vitezelor.
Această abordare se numește metoda cinematicii inverse a mișcării. Funcționează bine pentru modelarea dispozitivelor mecanice. In cazul imitarii obiectelor vii se folosesc asa numitele modele scheletice. Adică se creează un anumit cadru, mobil în puncte caracteristice obiectului modelat. Mișcările punctelor sunt calculate prin metoda anterioară.
Metoda de modelare geometrică tridimensională este implementată în multe produse software, inclusiv în cele populare precum AutoCAD și ArchiCAD.
