Инженерно-технические программные средства компьютерного моделирования в России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Институт строительства, архитектуры и искусства

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В РОССИИ

Землянский Илья Александрович,

Гусева Елена Николаевна

В статье рассматривается история создания компьютерного 3D моделирования в России, а также инженерно-технические программы для 3D моделирования.

Ключевые слова: инженерно-технические программные средства, малая электронно-счётная машина, моделирование 3D, скульптинг

Мир постоянно меняется, постепенно нас окружают всё новые и новые технологии. В двадцать первом веке, невозможно представить жизнь без компьютерных технологий. При создании любого объекта, важно учитывать его основные параметры. На помощь приходит компьютерное моделирование, которое помогает оценить масштабы модели, возможные риски при разработке проекта. Компьютерное моделирование ориентированно на создание различных видов объектов и систем. Это позволяет нам правильно сформировать структуру будущему проекту на подготовительном этапе, снизить риски дополнительных затрат, уменьшить сроки создания.

В основе 3D графики было обычное плоское изображение. Развитие компьютерной графики за десятилетие достигло небывалых результатов. В результате исследований и наработок ученых и конструкторов, мы можем создавать и редактировать трехмерное изображение реальных и виртуальных объектов. Двумерное изображение имеет две оси координат: ширину и высоту. В 90-х годах прошлого века появилась возможность создания третьего измерения - объема. Третье измерение назвали осью глубины «Z». Это открытие взбудоражило многие умы того столетия, несмотря на то, что компьютеры были очень массивными, это не только не подавило исследовательскую деятельность, но привлекло многих ученых к разработке технологий 3D моделирования.

Впервые компьютерное моделирование в России появилось благодаря Лебедеву С. А. - основателю вычислительной техники в СССР. Впервые под его руководством в СССР в 1948--1950 годах была создана первая Малая электронно-счётная машина. Данная машина обладала такими параметрами: тактовая частота: 5 кГц, быстродействие 3000 операций в минуту, энергопотребление 25кВт, занимаемая площадь 60 квадратных метров. Она предназначалась для решения систем линейных алгебраических уравнений и вычислении корреляционных функций. Прогресс не стоял на месте и вскоре в 1985 году на серийном производстве оказался первый бытовой компьютер СССР, имеющий название «Электроника БК -- 0010», надо сказать что, идея создания компьютеров в СССР лежала на плечах электротехников энтузиастов, так как государство не особо интересовалось разработкой таких проектов.

Постепенное развитие микрокомпьютеров в СССР, дало возможность создавать новые программы для компьютерного моделирования. Безусловно лидерами по программному исследованию были американские ученые, но и отечественные разработки в некоторых случаях не уступали аналогам из-за границы. В ходе нескольких лет разработок лучшими учеными СССР, были созданы такие проекты как:

1. 1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, первый отечественный растровый дисплей с видеопамятью на магнитном барабане;

2. 1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей “Символ”;

3. 1973, ИАиЭ, векторный дисплей “Дельта”;

4. 1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400;

5. 1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316, 4096 символов, разрешение 2048/2048;

6. 1979-1984, Институт прикладной физики, серия растровых цветных полутоновых дисплеев “Гамма”. Дисплеи имели таблицу цветов и возможность масштабировать в окне.

При усовершенствовании микрокомпьютеров, моделирование поделилось на несколько типов.

«Выделяются следующие типы систем автоматизированного проектирования:

- CAD (Computer Aided Design) -- конструирование с использование компьютерных технологий и программ в зависимости от одного из трех уровней их сложности: Первый уровень: решение программами задач плоского черчения; Второй уровень: решение задач пространственного моделирования; Третий уровень: здесь программные продукты, представляющие собой сложные многофункциональные системы, которые позволяют создавать полный комплект технической документации, имеющий возможности параметрического моделирования.

- CAM (Computer Aided Modeling) -- создание производственных процессов систем компьютерного моделирования и дальнейшего использования программных пакетов, для генерации кодов станков с числовым программным управлением.

- PDM (Product Data Management) -- концепция единого информационного пространства между всевозможными производственными подразделениями, которое призвано для оптимизации общего управления производственным процессом.

- CAE (Computer Aided Engineering) -- проведение компьютерными программами инженерных расчётов. К ним имеют отношение программы для кинематического и динамического анализа, а также программы, используемые для расчёта различных параметров сплошных сред (напряжённые состояния, деформации, теплообмен, потоки жидкости и другое).

- PLM (Product Lifecyle Management) -- единое информационное пространство, образованное на основе функциональных возможностей PDM и ERP (организация системы электронного документооборота). Кроме выше перечисленных, заслуживают внимание также: CALS, SDM, CIM-- Computer Integrated Manufacturing, CAPP-- Computer Aided Process Planning, CRM-- Customer Relationship Management и другие» [1]. Рынок перешел к более продвинутым программам, и первым продуктом стал «Autodesk»

«Первым продуктом компании стал разработанный в 1982 году AutoCAD -- система автоматизированного проектирования, предназначенная для работы на устройствах, известных, в то время как «микрокомпьютеры», включая восьмиразрядную операционную систему CP/M и новые шестнадцатиразрядные IBM PC. Она позволяла создавать детализированные чертежи и была доступна для многих небольших компаний.
АutoCAD -- система автоматизированного проектирования для двухмерного и трехмерного проектирования и черчения (рис 1). Ранние версии AutoCAD оперировали элементарными объектами, такими как круги, линии, дуги и др., из которых составлялись более сложные объекты. Однако на современном этапе программа включает в себя полный набор средств, обеспечивающих комплексное трёхмерное моделирование, в том числе работу с произвольными формами, создание и редактирование 3D-моделей тел и поверхностей, улучшенную 3D-навигацию и эффективные средства выпуска рабочей документации. Начиная с версии 2010, в AutoCAD реализована поддержка параметрического черчения, то есть возможность накладывать на объект геометрические или размерные зависимости. Это гарантирует, что при внесении любых изменений в проект, определённые параметры и ранее установленные между объектами связи сохраняются» [2]. (рис1)

Рисунок 1 Модель здания в программе AutoCAD

В 1989 году на торговый рынок по продажам программ для компьютерного моделирования, вышла компания именуемая «Аскон», предлагаемая продукт «Компас» - система автоматизированного проектирования. В 1997 году вышла первая версия под Windows - «Компас 5.0». На данный момент компания выпускает различные редакции программ 3D моделирования, к примеру «Компас - 3D» (рис 2) и «Компас - График».

Рисунок 2 Объемная модель в программе Компас 3D

Lego Digital Designer

Рисунок 3 Интерфейс программы Lego Digital Designer

Lego Digital Designer -- это игровая программа, благодаря которой вы можете создать лего-конструктор на своем компьютере. Это приложение можно лишь условно отнести к программам для 3D моделирования. Эта программа развивает пространственное мышление, а так же воображение у человека. Данную программу можно условно отнести к 3D программам.

Резкий скачек развития компьютерных технологий привел к совершенствованию программного обеспечения. Разработчики не только создают полнофункциональные программы для компьютерной графики и 3D моделирования, но и программы которые соответствуют высоким требованиям пользователя. С такими программами очень трудно работать, так как каждый набор команд, имеет свои исходные данные. В некоторых программах всего одна клавиша на клавиатуре, может иметь три или даже пять команд исполнения.

Cinema 4D

Рисунок 4 Интерфейс программы Cinema 4D

моделирование программа компьютерный редактирование

Cinema 4D - универсальная программа для создания и редактирования 3D моделей. Представление о работе этой программы у вас будут такими же как, с работой в Autodesk, но логический набор функций кардинально различается, к тому же данная программа имеет более совершенный вид в создании видео анимации в режиме реального времени, а так же данная программа идет с поддержкой русского языка, безусловно это является огромным плюсом в 3D моделировании, но из-за того, что ранняя версия этой компании набрала широкий спектр использования 3D моделей, то Cinema 4D осталась в тени своего предшественника

Мы провели обзор ряда программ направления 3D моделирования. Резкий скачек интереса пользователей в мире к различным компьютерным играм и видеофильмам, привел к совершенствованию не только сценария, произведения, но и более качественной детализации картины, к четкой прорисовке персонажей. Такие программы сложны в разработке, но в конечном результате появляются шедевры компьютерных игр, а также различные кино-проекты.

«Цифровая скульптура (скульптурное моделирование или 3d скульптинг) - вид изобразительного искусства, произведения которого имеют объёмную форму и выполняются с помощью специального программного обеспечения, посредством инструментов которого возможно производить различного рода манипуляции над 3d моделями, как если бы скульптор работал над обычной глиной или камнем» [3].

Blender Foundation -- некоммерческая организация, занимающаяся разработкой программного пакета трёхмерного моделирования с открытым исходным кодом под названием Blender [4].

Blender -- профессиональный комплекс трехмерного моделирования. В пакет входят такие функции как: анимация, рендернг, монтаж со звуком и видео и компоновка с помощью узлов Node Compositing. Данная программа имеет безграничные возможности по созданию трехмерной графики.

Рисунок 5 Работа над моделью в программе Blender

В 2009 году на коммерческий рынок вышел продукт компании Pixologic «ZBrush» - программа которая в режиме реального времени создавала объекты трехмерного измерения. Новшеством этой программы было в том, что процесс проходил путем создания «лепки» трехмерной скульптуры, теперь каждая точка имела не только координаты XYZ, но и глубину, и цвет. Теперь пользователь мог сразу раскрасить объект, а так же пользователю не нужно больше делать тени либо блики, ZBrush сделает это за вас самостоятельно.

Компьютерное моделирование прочно вошло в нашу жизнь. Оно позволяет существенно сократить и автоматизировать те или иные процессы жизни, снизить затраты на работу, улучшить представление об объекте. В современном мире мы постоянно сталкиваемся с 3D моделированием, выйдя на улицу мы видим рекламу нарисованную 3D программой, мы смотрим видео фильм и там тоже видим работы с помощью 3D программ. Каждый человек желает, чтобы его окружало все самое лучшее, поэтому разработчики 3D ПО вкладывают огромные усилия по разработке и индивидуальности своих продуктов.

Библиографический список

1. Молодой учёный №21 ноябрь-1 2016 г. // Компьютерное моделирование в России. URL: http://moluch.ru/archive/125/34919/(дата обращения: 3.1.2017).

2. История создания AutoCAD // Autodesk. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk(дата обращения: 29.12.2016).

3. 3D скульптинг // Blender Foundation. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Blender_Foundation(дата обращения: 27.12.2016).

4. Астафьева В. В. Компьютерное моделирование в России // Молодой ученый. 2016. №21. С. 747-750.

5. Верстак В. А. 3ds Max 8. Секреты мастерства. СПб.: Питер, 2006. 672 с.

6. Гусева Е. Н. Дидактические условия использования педагогических программных средств в процессе профессиональной подготовки будущих учителей/дис. канд. пед. наук:13.00.08/Гусева Елена Николаевна; МГПИ: Магнитогорск, 1999, 168 с.

7. Гусева Е. Н. Математика и информатика: [электронный ресурс] учеб. пособие/ Е. Н. Гусева, И.Ю. Ефимова, И.Н. Мовчан, Л.А. Савельева. 3-е изд., стереотип. М.: Флинта, 2015. 400 с. URL: lf5.com/Knigi/Nauka-Obrazovanie/Matematika/Matematika-i-informatika-148-103807.

8. Гусева Е.Н. Имитационная модель «Центра социальной помощи семье и детям» //Перспективы развития информационных технологий. 2014. № 17. С. 17-22.

9. Гусева Е.Н. Имитационная модель строительной фирмы / Е.Н. Гусева // Вестник науки и образования Северо-Запада России. Том 1 № 4. Экономические и педагогические науки, 2015. С. 1-6.

10. Гусева Е.Н. Имитационное моделирование как среда компьютерной визуализации знаний/ Новые информационные технологии в образовании/ Материалы VII международной научно-практической конференции. Российский государственный профессионально-педагогический университет. 2014. С. 395-399.

11. Гусева Е.Н. Имитационное моделирование разработки рудника по добыче меди// Научные труды SWorld. 2013. Т. 11. № 4. С. 73-76.

12. Гусева Е.Н., ДружкинаИ.Ю. Проблемы формирования и развития навыков моделирования у учащихся среднего звена в рамках кружка по робототехнике/ Е.Н. Гусева, И.Ю. Дружкина //Современная педагогика. 2014. № 6 (19). С. 11.

13. Кулагин Б.Ю. 3ds Max 7.5. Актуальное моделирование, визуализация и анимация. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 496 с.

14. Процесс создания 3D-графики в фильмах и играх.-URL: https://videosmile.ru/lessons/read/protsess-sozdaniya-3d-grafiki-v-filmah-i-igrah.html.

15. Робертс С. Анимация 3D-персонажей. М.: НТ Пресс, 2006. 264 с.

16. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Практикум. М.: Высшая школа, 1999. 224 с.

17. Флеминг Б. Создание трехмерных персонажей. Уроки мастерства: пер. с англ. / М.: ДМК, 1999. 448 с.: ил.

18. Чекмарев А. Средства визуального проектирования: учеб. пособ.: [электронный ресурс]/ А. Чекмарев.- СПб.: BHV, 1998. 400 с. URL: https://www.ozon.ru/context/detail/id/89835/.

Размещено на Allbest.ru