Тривимірна графіка та моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поліський національний університет

ТРИВИМІРНА ГРАФІКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ

Маєвський О.В.



Вступ

3D моделювання відіграє значну роль у сучасному суспільстві. Сьогодні воно широко застосовується в маркетингу, архітектурному дизайні, кінематографії та промисловості. Завдяки 3D моделюванню можна створити об'ємний прототип майбутніх споруд або комерційних продуктів. Це також грає важливу роль при презентації і демонстрації продуктів та послуг.

З появою та поширенням 3П-друку, 3D моделювання перейшло на новий рівень і стало надзвичайно важливим. Кожна людина тепер може надрукувати 3D-об'єкт, який вона сама намалювала або завантажила з Інтернету, будь то дизайнерська модель або персонаж з улюбленого мультфільму. Зрозуміло, що не всі володіють навичками 3Dмоделювання, тому професія 3D-моделіста стала надзвичайно популярною в останні десятиліття. Інтернет-революція і широке поширення нових комп'ютерних технологій надають безліч нових можливостей для збереження об'єктів культурної спадщини у цифровому форматі та забезпечення вільного доступу до них не тільки дослідникам, але й широкій аудиторії.

Один з актуальних напрямків співпраці між представниками гуманітарних наук (істориків, археологів, архітекторів, культурологів та ін.) і фахівцями в галузі інформаційно-комунікаційних технологій полягає у використанні 3D-сканування для створення віртуальних моделей різноманітних тривимірних об'єктів - від орнаментованих глиняних черепків до старовинних соборів і навіть цілих міст. Цифрові об'єкти набагато зручніше вивчати і інтерпретувати, ніж двовимірні зображення, а 3П-копії полегшують створення баз даних для проектів про реконструкцію, збереження та відтворення пам'яток архітектурної, археологічної та історико-культурної спадщини. За допомогою тривимірних моделей можна будувати віртуальні простори, в яких можна роздивитися репліки музеїв, галерей та інших культурних об'єктів.

3D моделювання відкриває нові можливості для творчості та інновацій. Воно використовується для розробки нових продуктів, створення вражаючих візуальних ефектів у фільмах і відеоіграх, а також для вирішення складних завдань в наукових дослідженнях. 3D моделювання стає все більш необхідним у багатьох галузях, сприяючи розвитку інновацій, творчості та покращенню якості життя. Узагалі, 3D моделювання відіграє надзвичайно важливу роль у сучасному світі, дозволяючи нам легше уявити, створити та взаємодіяти з об'єктами та ідеями у тривимірному просторі. Воно продовжує розвиватися і забезпечує безліч можливостей для новаторських досягнень і впровадження у життя неймовірних концепцій.



Мистецтво інформаційного проектування

Дизайн, в тому числі комп'ютерний, (від англ. Design проект, малюнок) представляє собою специфічну область проектної діяльності, яка знаходиться на межі мистецтва, науки і техніки. Вона(область) спрямована на організацію інформаційної взаємодії між людьми. Комп'ютерний дизайн (КД) є основою візуального спілкування і передбачає зв'язок між змістом і формою інформаційного повідомлення. Задача дизайну - красиво, естетично відобразити суть повідомлення.

Комп'ютерний графічний дизайн суттєво відрізняється від ''предметного” конструювання тим, що він зв'язаний з мистецьким (художнім) проектуванням світу інформації. Тому його можна розглядати як напрямок сучасного прикладного мистецтва. Сьогодні КД використовується в різноманітних областях діяльності людини рекламному бізнесі, видавничій діяльності, телебаченні, кіно та інших областях масової інформації. Засобами КД створюються візуальні повідомлення різного складу та призначення. Підготовка інформаційних повідомлень методами КД виконується за допомогою графічних образів, компонування яких в єдине ціле повинна надати уявлення про об'єкти, явища, процеси реального світу.

Таким чином, дизайнер виконує задачу “візуального інтерпретатора”, перекладача інформації (даних) на мову, зрозумілу багатьом людям. Результатами творчої праці дизайнера можуть бути листівки, інформаційні проекти, рекламні об'яви, плакати, буклети, візитні картки, журнали, газети, книги та ін. Іншою областю КД є створення малоформатної друкованої продукції: марки, етикетки, ярлики та ін. Особливою областю КД є розробка динамічних об'єктів (транспарантів, показників, агітаційних установок, інформаційних табло, екранів тощо), кіно - й теледизайн (заставки, титри кінофільмів, кінцівки, телепередачі, TV - об'яви, відео програми та ін.).

Задача, яку виконує дизайнер, накладає на його творчість суттєві специфічні обов'язки: уміти проектувати, бути маркетологом (добре орієнтуватись на ринку інформації), а також психологом, володіти знанням законів зорового сприйняття.

Таким чином, підготовка візуальної інформації сьогодні - є результат тісної взаємодії графічного дизайну і сучасної техніки, це творча діяльність, яка основується на синтезі мистецтва і науки.

Дизайн, як реалізація ідеї візуального повідомлення починається з макету.

Макетування - це один з головних методів художньо - проектної діяльності, який використовується для створення оригінал - макетів візуальних повідомлень (тобто закінченої композиції - рекламної об'яви, рядка на екрані монітора, телевізора, логотип та ін.).

Техніка створення оригіналу макету залежить від багатьох факторів: змісту і призначення інформаційного повідомлення, майстерності дизайнера - графіка, матеріально - технічних засобів. Сьогодні основним методом створення оригінал - макетів є комп'ютерне макетування.

Незалежно від техніки і технології виконання оригінал - макет створюється послідовно в декілька етапів: отримання завдання, на основі якого необхідно визначити концепцію наступної роботи; етап аналізу, де дизайнер з'ясовує призначення завдання, суть інформаційного повідомлення, вибирає можливу форму рішення та необхідні засоби його реалізації; етап попередньої розробки оригінал - макету, тобто виконання перших нарисів та ескізів; етап вибору оптимального варіанту за критерієм найкращої відповідності поставленій задачі; етап виконання макету.

Кінцева мета створення оригінал - макету є отримання копій для масового розповсюдження. Копія повинна достатньо точно відповідати авторському замислу. Тому використовують метод фізичного макетування, мета якого - дати повну уяву про інформаційне повідомлення. Використання віртуального комп'ютерного макетування значно зменшує час проектування об'єктів дизайну і дозволяє відмовитись від підготовки реальних фізичних макетів.

Розглянемо особливості макетування різноманітної друкованої продукції.

Друковану продукцію поділяють на: листівки, газетні, журнальні, книжкові, карточні та комплектні видання, а також плакати і буклети. На дизайн і конструкцію видання також впливає його цільове призначення: офіціальне, наукове, науково - популярне, навчальне, нормативне, літературно - художнє, довідкове, рекламне, інформаційне та ін.

Макетування листівок, як правило, не передбачає розробки фізичного проекту, оскільки їх конструкція достатньо проста. До листівок відносять: газети, плакати, афіші, об'яви, візитні картки, етикетки, марки, ярлики, наклейки, прайс - листи, прейскуранти, проспекти, упаковки.

Особливість макетування багато сторінкової продукції (брошур, журналів, книг) зв'язана з її конструкцією. Тому дизайн такої продукції більш складний і зв'язаний із щепленням сторінок в єдиний блок, виконанням переплітно - брошурованих та інших робіт.

Як особливий вид комп'ютерного дизайну можна виділити створення Web - сторінок. Таким чином, сучасний комп'ютерний дизайн представляє собою творчу діяльність, яка базується на фундаменті мистецтва графіки, науки і техніки.

Визначення поняття «3D - моделювання» і «візуалізація»

Цікаві ідеї завжди знаходили своє втілення спершу на папері, а потім оживали в реальності. Раніше нам доводилося уявляти, як будуть виглядати будинки або інтер'єри кімнат за допомогою креслень і малюнків, але з появою комп'ютерного тривимірного моделювання стало можливим створити реалістичне об'ємне зображення задуманих споруд. Воно має фотографічну точність і дозволяє набагато краще уявити собі, як буде виглядати проект, коли він буде втілений у життя, і навіть внести необхідні зміни. 3D - модель зазвичай залишає більш сильне враження, ніж будь - який інший спосіб презентації майбутнього проекту. Сучасні передові технології дозволяють досягати захоплюючих результатів [29].

Тривимірна графіка, або 3D - графіка (від 3 Dimensions -- «3 виміри») -- розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів. Найбільше застосовується для створення зображень, які в подальшому використовуватимуться на екрані або роздруківках в архітектурній візуалізації, кінематографі, телебаченні, відеоіграх, друкованій продукції, а також у науці та промисловості.

Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі(сцени) на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм. При цьому модель може як відповідати об'єктам з реального світу (автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною (проекція чотиривимірного фрактала).

Для одержання тривимірного зображення на площині потрібні такі кроки:

• Моделювання -- створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній.

• Рендеринг (візуалізація) -- побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделі.

• Виведення отриманого зображення на пристрій виведення -- дисплей або принтер.

Однак, у зв'язку зі спробами створення 3D - дисплеїв і 3D - принтерів, тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину [27].



Рис. 1.1 Приклад тривимірної моделі

У комп'ютерній графіці 3D - моделювання -- це процес розробки математичного представлення будь - якої тривимірної поверхні об'єкта за допомогою спеціалізованого ПЗ. Продукт моделювання є 3D - модель. Вона може бути представлена у вигляді програмного коду або відображена у вюпорті чи вювері, як 3D - модель, а також за допомогою двовимірного зображення, що створюється за допомогою процесу рендерингу. 3D - моделі можуть створюватись вручну або автоматично, у тому числі за допомогою 3D - сканера. Виготовлення моделей вручну є подібним до створення скульптури в пластичному мистецтві [29].

3D - зображення не складно відрізнити від двовимірного, бо вона включає створення геометричної проекції 3d - моделі сцени на площину, за допомогою спеціалізованих програмних продуктів. Отримана модель може бути об'єктом з реальної дійсності, наприклад модель будинку, автомобіля, комети, або ж бути абсолютно абстрактної. Процес побудови такої тривимірної моделі отримав назву 3d моделювання і спрямований, перш за все, на створення візуального об'ємного образу об'єкта, що моделюється.

3D - моделі представляють 3D - об'єкт використовуючи набір точок в 3D - просторі, поєднаних між собою різноманітними геометричними об'єктами, як от трикутниками, лініями тощо [20].

Для створення реалістичної моделі об'єкта використовуються геометричні примітиви (куб, куля, конус і ін.) І гладкі, так звані сплайнові поверхні. Вид поверхні визначається розташованої в просторі сіткою опорних точок. Кожній точці присвоюється коефіцієнт, величина якого визначає ступінь її впливу на частину поверхні, що проходить поблизу точки. Від взаємного розташування крапок і величини коефіцієнтів залежить форма і гладкість поверхні в цілому.

Деформація об'єкта забезпечується переміщенням контрольних точок, розташованих поблизу. Кожна контрольна точка пов'язана з найближчими опорними точками, ступінь її впливу на них визначається віддаленістю. Інший метод називають сіткою деформації. Навколо об'єкта або його частини розміщується тривимірна сітка, переміщення будь - якої точки якої викликає пружну деформацію як самої сітки, так і оточеного об'єкту.

Ще одним способом побудови об'єктів з примітивів служить твердотільне моделювання. Об'єкти представлені твердими тілами, які при взаємодії з іншими тілами різними способами (об'єднання, віднімання, злиття і ін.) Зазнають необхідну трансформацію.

Все різноманіття властивостей в комп'ютерному моделюванні зводиться до візуалізації поверхні, тобто до розрахунку коефіцієнта прозорості поверхні і кута заломлення променів світла на кордоні матеріалу і навколишнього простору. Властивості поверхні описуються в створюваних масивах текстур, в яких містяться дані про ступінь прозорості матеріалу, коефіцієнті заломлення, кольорі в кожній точці, кольорі відблиску, його ширині і різкості та ін [22].

Сьогодні на основі тривимірної графіки можна створити високоточну копію реального об'єкта, створити щось нове, втілити в життя самі нереальні дизайнерські задумки.

Рендеринг, комп'ютерна візуалізація (англ. rendering -- візуалізація, проявлення, відмальовування, подання) -- в комп'ютерній графіці -- це процес отримання зображення за моделлю з допомогою комп'ютерної програми. Тут модель -- це опис тривимірних об'єктів (3D, 3Д) на визначеній мові програмування і у вигляді структури даних. Такий опис може містити геометричні дані, положення точки спостерігача, інформацію про освітлення. А зображення -- це цифрове растрове зображення.

Слово рендеринг в Україні вживають для вказування процесу візуалізації, що виконується за допомогою програмного забезпечення, а рендер -- для позначення готового зображення, тобто як синоніми до словосполучень: комп'ютерна візуалізація -- комп'ютерний рендеринг, візуалізований об'єкт -- рендер

Рис. 1.2 Приклад рендеру в Blender

Комп'ютерна візуалізація -- один з найважливіших розділів в комп'ютерній графіці, і на практиці він найтіснішим чином пов'язаний з іншими. Для візуалізації створюються самостійні програмні пакети -- рендери, поряд із інтеграцією їх з програмами тривимірного моделювання, анімації, відеомонтажу, 2D малювання та фоторедагування. [23].

Часто в комп'ютерній графіці (художньої та технічної) під рендерингом розуміють створення плоскогоізображенія (картинки) за розробленою 3D - сцені. Зображення - це цифрове растрове зображення. Синонімом в даному контексті є Візуалізація.Візуалізація - один з найбільш важливих розділів в комп'ютерній графіці, і на практиці він тісним образомсвязан з іншими. Зазвичай програмні пакети тривимірного моделювання та анімації включають в себе також і функцію рендеринга. Існують окремі програмні продукти, що виконують рендерінг.В залежності від мети, розрізняють пре - рендеринг, як досить повільний процес візуалізації, що застосовується в основному при створенні відео, і рендеринг в реальному режимі, застосовуваний в комп'ютерних іграх. Останній часто використовує 3D - прискорювачі [24].

Наступні різновиди комп'ютерної візуалізації створені через велику різноманітність сфери її застосувань: фотореалістична візуалізація; нефотореалістична візуалізація;

Ці різновиди отримуються за допомогою використання одного чи скупності наступних методів: High Dynamic Range Rendering (високодинамічне відображення діапазону); Алгоритм «Scanline»; Об'ємний рендеринг (англ. volume rendering); Z - буферизація та ін.

Залежно від мети, розрізняють пре - рендеринг, як досить повільний процес візуалізації, що застосовується в основному при створенні відео, і рендеринг у режимі реального часу, застосовуваний у комп'ютерних іграх. [23].

Види рендеринга

Залежно від можливості зробити обчислення паралельними існують:

Багатопотоковий рендеринг - обчислення виконуються паралельно в кілька потоків, на декількох ядрах процесора, однопотоковий рендеринг - в цьому випадку обчислення виконуються в одному потоці синхронно [29].

Методи рендеринга (візуалізації) На поточний момент розроблено безліч алгоритмів візуалізації. Існуюче програмне забезпечення може використовувати різні алгоритми для отримання кінцевого зображення. Трасування кожного променя світла в сцені непрактично і займає неприйнятно довгий час. Навіть трасування малої кількості променів, достатнього, щоб отримати зображення, займає надто багато часу, якщо не застосовується апроксимація (семплерування).

Семпл, семпл (англ. Sample [sa: mpal] - «зразок») - відносно невеликий оцифрований звуковий фрагмент. Як семпли частіше виступає звук акустичного інструменту (наприклад, рояля Steinway, литавр, флейти і тому подібних), але також і звуки заварних інструментів (наприклад, Родос - піано). Електронний музичний інструмент, в основі якого лежать семпли (у багатьох випадках - з подальшою обробкою обвідної і додатковими звуковими ефектами), називається семплером (семплером) [26].

Внаслідок цього, було розроблено чотири групи методів, більш ефективних, ніж моделювання всіх променів світла, які висвітлюють сцену:

Растерізація (англ.rasterization) спільно з методом сканування рядків (Scanline rendering (англ.)). Візуалізація проводиться проектуванням об'єктів сцени на екран без розгляду ефекту перспективи щодо наблюдателя.

Ray casting (рейкастінг) (англ.^ casting). Сцена розглядається, як спостережувана з певної точки. З точки спостереження на об'єкти сцени прямують промені, за допомогою яких визначається цветпікселана двовимірному екрані. При цьому промені припиняють своє поширення (на відміну від методу зворотного трасування), коли досягають будь - якого об'єкта сцени або її фону. Можливе використання будь - яких дуже простих способів додавання оптичних ефектів. Ефект перспективи виходить природним чином в разі, коли кидають промені запускаються під кутом, що залежать від положення пікселя на екрані і максимального кута огляду камери [25].

Трасування променів (англ.raytracing) схожа наметод кидання променів. З точки спостереження на об'єкти сцени прямують промені, за допомогою яких визначається колір пікселя на двовимірному екрані. Але при цьому промінь не припиняє своє поширення, а розділяється на три промені - компонента, кожен з яких вносить свій внесок в колір пікселя на двовимірному екрані: відбитий, тіньовий і переломлених.

Кількість таких компонентів визначає глибину трасування і впливає на якість і фотореалістичність зображення. Завдяки своїм концептуальним особливостям, метод дозволяє отримати дуже фотореалістичні зображення, проте через велику ресурсоємності процес візуалізації займає значний час [27].

Рис. 1.3 Загальна схема роботи алгоритму: уявні промені проходять крізь піксел екрана і йдуть у сцену, взаємодіючи з нею

Трасування шляху (англ.раійітасіпд) використовує схожий принцип трасування поширення променів, однак цей метод є найбільш наближеним до фізичним законам поширення світла.



Рис. 1.3 Зображення рендериться за допомогою трасування шляху, демонструючи примітні особливості цього методу

Передовое програмне забезпечення зазвичай поєднує в себенесколько технік, щоб отримати достатньо якісне і фотореалістичне зображення за прийнятні витрати обчислювальних ресурсов. Математіческое обоснованіе Реалізація механізму рендеринга завжди ґрунтується на фізичній моделі. Продукція, що обчислення відносяться до тієї чи іншої фізичної або абстрактної моделі. Основні ідеї прості для розуміння, але складні для застосування. Як правило, кінцеве елегантне рішення або алгоритм більш складні і містять в собі комбінацію різних технік. [25; 28].

Технологія обробки об'єктів векторної графіки

Інструменти векторно орієнтованих графічних програм подібні до інструментів растрової графіки, але мають суттєві відмінності як у своєму функціоналі, так і в технології обробки об'єктів. Багато інструментів векторної графіки працюють в інтерактивному режимі і дозволяють швидко створювати та змінювати геометричні фігури. Наприклад, лінії, прямокутники, еліпси, багатокутники, спіралі та сітки. Також доступні спеціальні інструменти, такі як градієнт (як у растрових програмах, але з додатковою можливістю заливки узорами та текстурами) та інтерактивні ефекти прозорості та перетікання (для створення переходів між елементами).

Процес виділення об'єктів (ліній, плоских фігур) відрізняється і виконується набагато простіше: необхідно виділити об'єкт за допомогою миші та фіксувати його. Видалення об'єктів виконується шляхом виділення об'єкта та натискання клавіші "Del" або за допомогою команди "Вирізати" для переміщення його в буфер обміну.

Режим роботи з текстом (піктограма з буквою "А" або "Т"): окрім звичайних літер, можна вводити символічні зображення (картинки, графічні символи), бібліотеку яких можна розширити будь-яким малюнком. Щоб розмістити текст по довільній траєкторії або вздовж контуру лінії, необхідно виконати наступні кроки:

Ввести текст з використанням заданого шрифту, розміру шрифту та інших параметрів.

Накреслити лінію (контур або траєкторію), вздовж якої потрібно розмістити текст.

Виділити текст та лінію.

За допомогою меню тексту вибрати команду "Розмістити текст вздовж траєкторії" та задати додаткові параметри, такі як "Відображення дзеркального відображення" та інші.

Змінювання конфігурації окремих компонентів зображення здійснюється за допомогою спеціальних інструментів "Форма". При виборі цього інструменту на об'єкті з'являються характерні точки-вузли, які визначають форму об'єкта. Початковий вузол (більший за розміром) вказує початок об'єкта, а кінцевий вузол - його кінець. Всередині можуть бути точки (вузли) перегину. Виділений вузол змінює колір на чорний і дозволяє подальшу трансформацію фігури. Крім того, подвійне натискання кнопки "миші" викликає додаткову панель "Редагування вузлів", яка дає можливість додавати або видаляти вузли, розбивати лінію на відрізки, з'єднувати їх та надавати інші параметри вузлам.Тиражування векторного об'єкта - примітива виконується його переміщенням та фіксацією правої кнопки „миші”.

Об'єкт можна вирівняти за допомогою панелі "Вирівняти і розподілити". Розташування елементів векторного малюнка можна змінювати за допомогою команд меню "Упорядкувати", "Порядок", а також застосувати ефект "перспективи" з розділу "Ефекти" (перспективу можна налаштовувати, переміщаючи вузли за умови натискання клавіш Ctrl і Shift).

Засоби та методи дизайну не обмежуються вищезазначеними і постійно поповнюються в процесі практичної діяльності.

Оцінювання програм із 3D моделювання

Розвиток нових технологій постійно ставить перед сучасним інженером-конструктором все більш високі вимоги. Вже давно минули часи, коли усі розрахунки, креслення і документація виконувалися вручну, а головними інструментами були олівець і кульман. Точність таких креслень та документації залежала від багатьох суб'єктивних факторів, таких як ретельність графічного зображення та кваліфікація проектувальника. Більше того, вони були малоредагованими, що часто призводило до віддаленості проекту від досконалості.

Протягом останніх двох десятиліть інформаційні технології радикально змінили принципи конструювання, прискоривши процес розробки, підвищивши його точність і надійність вдесятеро. Поширена помилка полягає в тому, що графічні та розрахункові системи розглядаються лише як цифрова альтернатива ручному проектуванню. На самому початку це дійсно було так. Перші версії програм для інженерної двомірної графіки були просто електронною версією олівця і кульмана. Однак завдяки високим технологіям галузь конструювання розвивалася, і з'явилася окрема самостійна галузь - автоматизоване проектування. Поступово графічні редактори надали можливість повторного використання раніше створених виробів, швидко створювати типові елементи та легко оформлювати креслення та документацію. Також був введений механізм параметризації графічних зображень.

Переворотом у промисловому проектуванні стало застосування в тривимірної графіки графіки. Спочатку в будівництві, потім у важкому машинобудуванні, а за ними і в інших галузях почали активно шукати застосування можливостям об'ємної комп'ютерної графіки. Не можна сказати, що перехід на тривимірну графіку був безболісним. По - перше, через вимоги стандартів (ГОСТ, СНИП і т. п. ), що стосуються тільки плоскої графіки і, по - друге, через негнучкості мислення багатьох інженерів, вперто заперечуючих все нове. Однак іншого шляху не було. Проектна організація, що активно використовує сучасні системи автоматизованого проектування (САПР) та розрахункові комплекси, встигала виконати і представити кілька повноцінних рішень певного проекту, тоді як за той же час інша організація, що не застосовує САПР, навряд чи встигала підготувати один ескізний проект. Крім іншого візуального представлення проектованих виробів, 3Играфіка на порядок підвищує точність проектування особливо складних (складових) об'єктів, дозволяє легко редагувати тривимірну модель.

Асоціативний зв'язок, що встановлюється в інженерних 3D - системах між моделлю виробу, його кресленнями, а також документацією на виріб (наприклад, специфікацією), дозволяє при внесенні змін до 3D - моделі автоматично відобразити всі ці зміни в інших документах, пов'язаних з моделлю. Саме за рахунок цього і досягається колосальна економія часу і витрат праці на проектування. Подальший розвиток САПР дав можливість зібрати воєдино всі дані про проектований об'єкт в системах управління життєвим циклом і інженерними даними, а також гнучко управляти цими даними в залежності від потреб кожного конкретного підприємства.

Іншою гілкою розвитку комп'ютерних систем для проектування є інженерні розрахунки. Цей клас програм почав бурхливо розвиватися з появою 3D в конструюванні і на даний момент дуже затребуваний. Тривимірне представлення напружень від діючих навантажень, тривимірний розподіл (поле) температур, міцнісний, кінематичний, динамічний аналіз і багато іншого стали доступні інженеру, котрі використовують такі системи. Дуже багато розрахунки, які раніше навряд чи можна було виконати або які вимагали суперкваліфіковані фахівців, зараз легко вирішуються за допомогою таких додатків. Як малюнки (растрові зображення), так і креслення (векторні зображення) мають свої переваги і недоліки. Перевага растрових програм - у природному способі створення зображень. Недолік -- в обмеженій щільності піклелів (російською - „разрешение”, англійською - „resolution”, адекватного українського терміну не існує, дослівний переклад: аналіз, розподіл на складові частини).

Оскільки бітова карта складається з фіксованого числа пікселів, дозвіл зображення (число пікселів на дюйм - dpi) залежить від розміру, в якому зображення роздруковується. У роздруківці невеликого розміру пікселі маленькі і дозвіл високий; роздруківка великого розміру збільшує пікселі й знижує дозвіл. Зображення на повний екран 800х600 пікселів дає безупинну зміну кольору лише в роздруківці розміром близько 2х1,5 см. При збільшенні чітко проявляються окремі пікселі, що утворять зазублини на місці гладких ліній. Поліпшити ситуацію можна, збільшивши число пікселів у зображенні, але це різко збільшить об'єм файла. Наприклад: цифрове фото 1200х800 у tiff - форматі займає близько 3 МБ на диску.

В основу програм малювання закладені методи, характерні для традиційного образотворчого мистецтва. Засоби ж креслярських програм не мають аналогів у реальному світі. Процес векторного креслення можна назвати конструюванням. Кожний об'єкт можна редагувати незалежно від інших, це одна з переваг об'єктного підходу, проте зображення доводиться будувати поетапно.

У креслярській програмі лінії, фігури і текст задаються математичними вираженнями, що дає можливість автоматично настроювати їх на максимальний дозвіл пристрою виведення. У результаті роздруковане зображення буде гладким і контрастним, незалежно від розміру. Ще одна перевага креслень полягає в тому, що для них не потрібно багато місця на диску. Об'єм файла з кресленням залежить тільки від кількості і складності об'єктів, що складають це креслення, тому розмір креслення, на відміну від малюнка, практично не впливає на цей об'єм.

Так, що користувачу варто мати на комп'ютері програми обох видів. Конкретний вибір програмного забезпечення залежить від виконуваних задач та особистих уподобань, але для професійної інженерної діяльності, для створення різноманітних креслень можна рекомендувати застосовувати пакети Компас або AutoCAD.

На сьогодні всі існуючі програмні пакети, які призначені для інженерного моделювання, можна розділити на три категорії.

• Системи важкого класу. Вони містять могутні гібридні тривимірні редактори (такі, в яких реалізовано як твердотельное, так і поверхневе моделювання), а також вбудовані функції для різних інженерних розрахунків. Вельми складні для освоєння, вимагають спеціальних знань і навичок, дуже дорогі, однак дозволяють створювати і розраховувати моделі практично будь - яких форм. Це системи класу Pro \ ENGINEER, CATIA і пр.

• Системи середнього класу. Такі системи зараз найбільш поширені і популярні. Вони дозволяють вирішувати більшість завдань проектування на основі, як правило, твердотільного моделювання, приділяючи при цьому чимало уваги і плоскому креслення. Можуть мати невеликі модулі, вирішальні типові розрахункові завдання. Порівняно недорогі, легкі в освоєнні, орієнтовані на користувача (тобто на звичайного інженера) і не настільки вимогливі до апаратних засобів, як системи важкого класу. До цих систем можна віднести Autodesk Inventor,

SolidWorks, Solid Edge і т. д.

• Вузькоспеціалізовані модулі. Це, як правило, невеликі програми, що автоматизують рішення нетипової вузькопрофільної завдання конкретної галузі промисловості або людської діяльності. Ці програми можуть як бути самостійними, так і базуватися на яких програмних пакетах важкого або середнього класів (так звані модулі, що підключаються або бібліотеки).

Радує той факт, що в області інженерного проектування серед систем середнього класу є представники не тільки західних IT - компаній. Хорошим прикладом тому служить російська система тривимірного твердотільного моделювання КОМПАС - 3D, якої і присвячена ця книга. Всього за останні кілька років КОМПАС - 3D з плоского креслярського редактора виріс у багатофункціональну систему 3D - CAD з власним математичним ядром. Великим плюсом цієї програми є підтримка як західних, так і вітчизняних стандартів виконання креслень і підготовки документації. Крім того, власні ноу - хау у сфері тривимірного моделювання, зручний креслярськографічний редактор, велика кількість допоміжних додатків можуть зробити проектування не тільки швидким і точним, але й приємним.

КОМПАС - 3D - це додаток багатодокументного інтерфейсу (Multiple Document Interface, MDI). Що це означає? Додатки MDI дозволяють відкривати декілька файлів (документів) одночасно, а також використовувати для відображення даних одного документа кілька подань (окремих вікон). Таким чином, при виконанні складних проектів можна одночасно працювати з декількома документами в одному сеансі.

Важливою особливістю таких додатків є підтримка файлів різних типів. Це означає, що в рамках одного і того ж програмного пакету ви можете працювати з різними документами, представленими файлами різних форматів (наприклад, файлів креслень відповідають документи КОМПАС - 3D - КОМПАС - Креслення та КОМПАС - Фрагмент, а файлам 3D - моделей - КОМПАС - Деталь і КОМПАС - Збірка). Фактично, більшість найбільш популярних сучасних додатків створено на базі інтерфейсу MDI, що забезпечує користувачеві найбільшу гнучкість в поданні даних і зручність в роботі з документами.

Програмний пакет КОМПАС - 3D можна умовно розділити на три великі складові:

• КОМПАС - 3D - модуль для роботи з тривимірними моделями;

• КОМПАС - Графік - креслярсько - графічний редактор; * редактор специфікацій і текстових документів.

Ця система забезпечує можливість:

? Автоматизації процесу розробки вироби шляхом параметричного моделювання;

? Управління взаємним розташуванням елементів конструкції з автоматичним оновленням моделі і креслення в процесі внесення до них змін;

? Роботи з тривимірними поверхнями, які дозволяють створювати складні моделі з довільними просторовими формами;

? Генерації плоских проекцій, формування креслень вироби;

? Створення специфікацій в напівавтоматичному режимі;

? Автоматизації розрахунку геометричних і масоцентрувальних характеристик об'єктів;

? Автоматичної проставляння допусків і підбору квалітету по заданих граничних відхилень;

? Автоматизації процесу оформлення різних документів;

? Управління розмірами деталей і вузлів і ряд інших можливостей.

Система КОМПАС - 3D дозволяє автоматизувати процес розробки виробів шляхом параметричного моделювання, яке управляє взаємним розташуванням елементів конструкції і автоматично оновлює моделі і креслення в процесі внесення до них змін. Маючи такі потужні можливості, система дозволяє підвищити продуктивність проектування в кілька разів.

Параметрична технологія системи дозволяє швидко одержувати моделі типових виробів на основі одного разу спроектованого прототипу.

Основні завдання, які вирішуються системою:

? Моделювання виробів з метою створення конструкторської та технологічної документації, необхідної для їх випуску (складальних креслень, специфікацій, деталювання і т.д.);

? Моделювання виробів з метою розрахунку їх геометричних і массоцентровочних характеристик;

? Моделювання виробів для передачі геометрії в розрахункові пакети;

? Моделювання деталей для передачі геометрії в пакети розробки керуючих програм для обладнання з ЧПУ;

? Створення ізометричних зображень виробів (наприклад, для складання каталогів, створення ілюстрацій до технічної документації тощо).

Модель деталі в КОМПАС - 3D створюється шляхом виконання булевих операцій над об'ємними елементами. Об'ємні елементи утворюються шляхом заданого користувачем переміщення в просторі плоскої фігури («ескізу»). Ескіз зображається на площині стандартними засобами креслярсько-графічного редактора КОМПАС - ГРАФІК. У нього можна перенести зображення з раніше підготовленого графічного документа. Це дозволяє при створенні тривимірної моделі спиратися на існуючу креслярсько - конструкторську документацію.

Система дозволяє оперувати:

- Елементами обертання;

- Елементами видавлювання;

- Кінематичними елементами; - Елементами по перетинах.

Додаткові операції спрощують завдання параметрів поширених конструктивних елементів - фасок, заокруглень, круглих отворів, ливарних ухилів, ребер жорсткості. На будьякому етапі роботи можна сформувати тонкостінну оболонку, а також видалити частину тіла по межі, що представляє собою площину або криволінійну поверхню.

У KOMHAC - 3D доступні різноманітні способи копіювання елементів: копіювання по сітці, по колу, уздовж кривої, дзеркальне копіювання, а також створення «дзеркальних» деталей.

Крім твердотільних об'єктів, в KOMHAC - 3D можуть бути побудовані просторові криві:

? Циліндричні спіралі;

? Конічні спіралі;

? Ламані по точках і координатами (у тому числі із завданням радіусів заокруглень в кутах); ? Сплайни по точкам і координатам.

Ці об'єкти можуть використовуватися, наприклад, в якості направляючих при моделюванні пружин, різьблень і подібних об'єктів.

Якщо існуючих в моделі ортогональних площин, граней і ребер недостатньо для виконання побудов, користувач може створювати допоміжні площині, осі і просторові криві, задаючи їх положення різними способами. Застосування допоміжних конструктивних елементів значно розширює можливості побудови моделі. Модель складання в KOMHAC - 3D складається з окремих компонентів - деталей і підзборок (які, в свою чергу, також можуть складатися з деталей і підзборок). Проектування збірки ведеться «зверху вниз» - кожна нова деталь моделюється на основі вже наявних деталей (обстановки) з використанням параметричних взаємозв'язків.

Деталі й підзборки можуть створюватися безпосередньо в збірці або вставлятися в неї з існуючого файлу. Крім розроблених користувачем (унікальних) моделей, компонентами збірки можуть бути стандартні вироби (кріплення, опори валів і т.д.), бібліотека яких входить в комплект поставки системи. Взаємне положення компонентів збірки задається шляхом зазначення сполучень між ними. В системі доступні різноманітні типи сполучень: збіг, паралельність або перпендикулярність граней і ребер, розташування об'єктів на відстані або під кутом один до одного, концентричність, торкання. Для створення копій компонентів використовуються ті ж операції, що і для копіювання формотворчих елементів деталі - копіювання по сітці, по колу, уздовж кривої, дзеркальне копіювання. Крім того, можливе створення масиву копій за зразком; в цьому випадку параметри нового масиву збігаються з параметрами існуючого.

Можливе виконання різних операцій з компонентами збірки: об'єднання двох деталей, віднімання однієї деталі з іншої (у деталі утворюється порожнина, відповідна формі іншої деталі, при цьому можливе завдання коефіцієнта масштабування віднімається деталі). Деталь також можна розділити на дві частини (площиною або поверхнею). Крім команд, що безпосередньо відносяться до побудови тривимірної моделі, в розпорядженні користувача є численні сервісні можливості. Їх використання дозволяє керувати відображенням моделі, виробляти різноманітні вимірювання, розрахунок масоцентрувальних характеристик (об'єму, маси, координат центру ваги, осьових і відцентрових моментів інерції). Збірка може відображатися в «розібраному» вигляді (це може знадобитися, наприклад, при створенні зображення для каталогу). Напрямок та величина зсуву при рознесенні задаються користувачем.

У звичайному кресленні системи КОМПАС можуть бути автоматично створені асоціативні зображення тривимірної моделі (деталі або збірки):

- Стандартний вигляд; - Проекційний вигляд;.

- Вид по стрілці;

- Розріз / перетин (простий, ступінчастий,

ламаний); - Місцевий вид; - Виносний елемент.

Стандартні та проекційні види автоматично будуються в проекційної зв'язку (користувач може зруйнувати цей зв'язок в будь - який момент роботи з документом). Всі зазначені зображення пов'язані з моделлю: зміни в моделі призводять до зміни зображення в асоціативному вигляді.

Є можливість синхронізувати дані в основному написі креслення (позначення, найменування, масу) з даними з файлу моделі. За розробленої моделі збірки можна автоматично отримати її специфікацію. Отримана специфікація має асоціативний зв'язок як з складальної моделлю, так і зі складальним кресленням (зокрема, із тривимірної моделі в специфікацію передаються позначення, найменування і кількість компонентів).

Вбудований в систему креслярсько - графічний редактор КОМПАС - ГРАФІК забезпечує ефективну автоматизацію проектно - конструкторських робіт в різних галузях діяльності. У машинобудуванні, архітектурі, будівництві, складанні планів і схем - скрізь, де необхідно розробляти і випускати графічні і текстові документи. Графічний редактор дозволяє розробляти і випускати різні документи - ескізи, креслення, схеми, плакати і т.д. КОМПАС - ГРАФІК дозволяє працювати з усіма типами графічних примітивів, необхідних для виконання будь - якого побудови. До них відносяться точки, прямі, відрізки, окружності, еліпси, дуги кіл та еліпсів, багатокутники, ламані лінії, криві NURBS (у тому числі криві Безьє). Різноманітні способи і режими побудови примітивів (наприклад, команди створення фасок, заокруглень, еквідістанту, побудови відрізків і кіл, дотичних до об'єктів і т.п.) позбавляють користувача від необхідності робити складні допоміжні побудови. Для прискорення побудов можна використовувати локальні системи координат, різномасштабних сітку і механізм глобальних і локальних об'єктних прив'язок.

У графічний документ може бути вставлено растрове зображення формату BMP, PCX, PCX, JPEG, TIFF і т.д. Однією з найсильніших сторін КОМПАС - ГРАФІК традиційно є повна підтримка ЕСКД. Підтримуються стандартні (відповідні ЕСКД) і призначені для користувача стилі ліній і штрихувань. Реалізовано всі типи лінійних, кутових, радіальних і діаметральні розмірів (включаючи похилі розміри, розміри висоти і розміри дуги). Автоматично виконуються простановка допусків і підбір квалітету по заданих граничних відхилень. Серед об'єктів оформлення - всі типи шорсткостей, лінійвиносок, позначення баз, допусків форми і розташування поверхонь, лінії розрізу / перерізу, стрілки напрямку погляду, штрихування, тексти, таблиці.

Реалістичний режим заповнення граф основного напису і тексту технічних вимог полегшує оформлення документа. У комплект поставки КОМПАС - ГРАФІК входить бібліотека стандартних основних написів графічних документів; можливе створення користувацьких основних написів. КОМПАСГРАФІК забезпечує користувача всіма інструментами, необхідними для редагування креслення. Можна використовувати операції зсуву, копіювання, повороту, масштабування, симетричного відображення, деформації, видалення, вирівнювання. Підтримується перенесення і копіювання об'єктів через буфер обміну, перетягування мишею характерних точок об'єктів.

Можливе створення макроелементів та іменованих груп об'єктів. При формуванні та зміні креслення можна використовувати посилання на пов'язані з ним зовнішні зображення, які можуть зберігатися як в окремих файлах, так і в спеціальних бібліотеках. Система містить набір сервісних команд для виміру довжин, відстаней і кутів, обчислення масоцентрувальних характеристик плоских фігур, тіл видавлювання і обертання.

У системі можуть створюватися параметричні зображення, в яких існують взаємозв'язки між об'єктами. Прикладами взаємозв'язків можуть служити паралельність, торкання об'єктів, збіг їх характерних точок, рівність довжин відрізків і т.д. Взаємозв'язки формуються як при введенні об'єктів (автоматично), так і шляхом виклику спеціальних команд. Можливо завдання аналітичних залежностей (рівнянь і нерівностей) між змінними і між параметрами об'єктів. Текстовий редактор системи дозволяє випускати різні текстові документи - розрахунково - пояснювальні записки, технічні умови, інструкції і т. д.

При роботі з текстовим документом доступні всі основні можливості, які є де - факто стандартом для сучасних текстових редакторів: робота з растровими і векторними шрифтами Windows, вибір параметрів шрифту (розмір, нахил, накреслення, колір і т.д.), вибір параметрів абзацу ( відступи, міжрядковий інтервал, вирівнювання і т.д.), введення спеціальних знаків і символів, надрядкових і підрядкових символів, індексів, дробів, вставка малюнків (графічних файлів КОМПАС), автоматична нумерація списків (у тому числі з різними рівнями вкладеності) і сторінок, пошук і заміна тексту, формування таблиць.

Функції текстового редактора доступні не тільки при створенні окремих текстових документів, але і при введенні будь - якого тексту в графічному документі (наприклад, при створенні технічних вимог, таблиць, технологічних позначень). Модуль проектування специфікацій системи дозволяє випускати різноманітні специфікації, відомості та інші табличні документи. При заповненні документа на екрані користувач бачить стандартну таблицю специфікації і може вводити дані безпосередньо в її графи. Специфікація також може бути асоціативно пов'язана зі складальним кресленням і тривимірною моделлю збірки.

Можлива автоматична передача даних з креслення або моделі в специфікацію або із специфікації в підключені до неї документи. Зі специфікації в креслення передаються номери позицій компонентів збірки (стандартних виробів, деталей і т.д.). З складального креслення в специфікацію передаються номери зон, в яких розташоване зображення відповідних компонентів збірки. З моделей деталей і складальних одиниць в специфікацію передаються найменування, позначення, маса та інші дані. Якщо в складальне креслення вставлені зображення стандартних елементів з машинобудівної бібліотеки системи, то інформація про них передається в специфікацію.

Рядки специфікації можуть бути пов'язані з графічними об'єктами в складальному кресленні і компонентами тривимірної моделі збірки. При наявності таких зв'язків у специфікації можна включити режим, в якому система виділяє в кресленні або моделі об'єкти, що відносяться до виділеної рядку специфікації. Специфікацію можна налаштувати таким чином, щоб при видаленні її рядки відбувалося і автоматичне видалення відповідних об'єктів із складального креслення або моделі збірки. Комбінуючи різні настройки специфікації, можна створювати відомості специфікацій, відомості документів документів, відомості покупних виробів, таблиці з'єднань та інші документи.

Було підібрано наступний список найбільш популярних програм для моделювання:

Cinema 4D

Cinema 4D (скорочено C4D) фірми MAXON - пакет для створення тривимірної графіки і анімації. C4D - універсальна комплексна програма для створення і редагування 3d об'єктів і ефектів. Також ця програма підтримує анімацію і високоякісний рендеринг. Вона відрізняється більш зрозумілим інтерфейсом, ніж у інших подібних програм, а також має вбудовану підтримку російської мови, що робить її більш затребуваною серед російськомовної аудиторії.

Cinema 4D Studio має спеціальні інструменти, які значно спрощують створення ріггінга і анімації персонажів. Потужний набір інструментів дозволяє легко додати волосся і хутро для персонажів, наростити, причесати, анімувати і стилізувати волосся. Фізичний двигун легко дозволяє реалізувати складні зіткнення і взаємодії між об'єктами не дивлячись на їх кількість. Для того, щоб швидше прорахувати анімацію, можна використовувати рендеринг по мережі.

Zbrush

Zbrush - редактор, який відрізняється від звичних програм. Він використовує тільки одну техніку 3d моделювання - «тривимірне ліплення». Суть цього методу в тому, що художник, за допомогою віртуальних пензлів, надає потрібну форму об'єкту, вдавлюючи або видавлюючи конкретні ділянки моделі. Цей метод дуже схожий на ліплення з глини, він дуже практичний і ефективний, а також давно використовується в сучасній продакшн - індустрії. Zbrush дозволяє не тільки моделювати об'єкт, але також надавати йому колір, малюючи штрихами з глибиною. Програма дозволяє автоматично малювати тіні і відблиски так, що вони виглядають абсолютно натурально.

Autodesk Maya

Autodesk Maya - потужний редактор тривимірної графіки та комп'ютерної тривимірної анімації. В даний час широко застосовується в кінематографії, телебаченні та мультиплікації. Одна з важливих особливостей даної програми в тому, що вона відкрита для сторонніх розробників, які можуть перетворити її в версію, яка підходить під конкретні потреби студії. У Maya вбудоваа незалежна мова: Maya Embedded Language (MEL), дуже схожа на Tcl і С.

Ця мова дозволяє налаштувати і доопрацювати основний функціональність Maya. Наприклад, аніматори можуть доповнювати Maya створеним ними функціоналом навіть не володіючи мовою MEL. Файли проектів, а також всі дані про геометрію і анімацію, зберігаються як послідовності операцій MEL. Ці файли можуть бути збережені в текстовому файлі (.ma - Maya ASCII), який може бути відредагований в будь - якому текстовому редакторі, що забезпечує чудовий рівень гнучкості при роботі із зовнішніми інструментами. Програма має все необхідне для створення 3d графіки. Maya дозволяє реалізувати всі етапи створення тривимірної графіки - від моделювання та анімації до текстурування, композитинга і пошарового рендеринга. Цей 3d редактор може моделювати фізику твердих і м'яких тіл, розраховувати поведінку тканини, симулювати текучі ефекти, дозволяє ретельно налаштовувати зачіску персонажів, створювати сухий і мокрий хутро, анімувати волосся і т.д. Модуль Paint Effects дає можливість малювати віртуальної пензлем такі тривимірні об'єкти, як квіти, траву, об'ємні візерунки та ін. Програма не проста в освоєнні, але це компенсується великою кількістю уроків з даного редактору.

Autodesk 3ds Max

Autodesk 3ds Max - повнофункціональна професійна найбільш популярна програма для створення і редагування 3d графіки та анімації. Вона містить найсучасніші засоби для художників і фахівців в області мультимедіа. В 3ds Max є величезна кількість інструментів, необхідних при моделюванні різних архітектурних проектів - від заготовок дверей і вікон різних форм до рослинності, сходів і огорож. Крім цього, в тривимірному редакторі присутні засоби для аналізу і настройки освітленості тривимірного проекту. Також в програму вбудований фотореалістичний визуализатор, що дає можливість досягти високої правдоподібності прораховувати зображення. 3ds Max володіє великими засобами для створення різних за формою і складністью тривимірних комп'ютерних моделей, реальних або фантастичних об'єктів навколишнього світу, c застосуванням різних технік і механізмів, які включають в себе: - Полігональне моделювання, що включає в себе Editable mesh. Редагована поверхня) і Editable poly (редагований полігон) - найбільш поширений метод моделювання, використовуваний для створення складних моделей і нізкополігональних моделей для ігор.

- Моделювання, оенован на неоднорідних раціональних Всплайнах.

- Моделювання на основі так званих «сіток шматків» або поверхонь Безьє - підходить для моделювання тіл обертання.

- Моделювання з використанням вбудованих бібліотек примітивів і модифікаторів.

- Моделювання на основі еплайнов з подальшим застосуванням модифікатора Surface.

- Моделювання на основі сплайнів з подальшим застосуванням модифікаторів Extrude, Lathe, Bevel Profile або

створення на основі сплайнів об'єктів Loft. Цей метод широко застосовується для архітектурного моделювання.

Методи моделювання можна легко поєднувати один з одним. Моделювання, засноване на стандартних об'єктах, як правило, є основним способом моделювання і служить відправною точкою для створення об'єктів складної структури, що пов'язано з використанням примітивів в поєднанні один c іншому як найпростіших частин складових об'єктів. Стандартний об'єкт «Чайник» входить в набір примітивів в силу історичних причин: він необхідний для тестування матеріалів і освітлення в сцені, і, крім того, давно стал евоеобразним символом 3d графіки.

При всій своїй складності, 3ds Max досить легкий у вивченні, а нестача якого - небудь епеціфіческого інструменту компенсується великою базою доповнень - плагінів, які значно розширюють стандартні можливості програми. Крім цього, у користувача 3d Max завжди є можливість пользоватьея альтернативними алгоритмами візуалізації. Крім вбудованого движка mental ray, для 3ds Max можна використовувати більш швидкі і точні системи рендеринга, такі як finalrender, V - ray і Maxwell render. 3ds Max здатний дуже гнучко управляти частками, створюючи при цьому найрізноманітніші ефекти - від моделювання анімованих масивів об'єктів до імітації усіляких природних явищ, наприклад, бризки накочуються хвиль, дим і т.д. Про великі можливості модуля Particle Flow говорить і те, що ще до того, як в програмі з'явилися інструменти для імітації тривимірних волосся і вовни, створенням волосся могли займатися тільки професіонали, які мали колосальний досвід роботи з тривимірною графікою і знають секрети імітації вовни з допомогою текстур і власноруч написаних скриптів.

...