Разработка модели автомобиля в 3D Studio Max

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский технический колледж

Допущен к защите

Директор АТК С.Д. Мусралиев

Дипломная работа

тема: «Разработка модели автомобиля в 3D Studio Max»

Руководитель:

Бектемысова Г.У.

Учащийся Костенко С.В.

Специальность 3704002

«Автоматизированные системы обработки

информации и управления»

Группа АСУ-05-11

Алматы, 2008

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский технический колледж

Пояснительная записка

к дипломной работе

тема: «Разработка модели автомобиля в 3D Studio Max»

Консультанты:

по охране труда Алтыбаев А.Н.

по экономике Алшембаева Л.Т.

Руководитель: Бектимисова Г.У.

Учащийся Костенко С.В.

Специальность 3704002

«Автоматизированные системы обработки

информации и управления»

Группа АСУ - 05 - 11

Алматы, 2008

Содержание

Определения, обозначения и сокращения

Введение

1 Компьютерная графика

1.1 Растровая графика

1.2 Векторная графика

1.3 Основные понятия трехмерной графики

2 Разработка 3D-объектов с использованием алгоритмов машинной графики

2.1 Преобразования, связанные с системой координат

2.2 Алгоритмы удаления невидимых ребер и граней

2.3 Модели расчета освещенности граней трехмерных объектов

2.4 Преобразование над заданной фигурой

3 Создание модели автомобиля

4 Охрана труда

4.1 Техника безопасности работы за ПК

4.2 Организация рабочего места

4.3 Требования, которые необходимо соблюдать для нормального функционирования персонального компьютера и его периферии

4.4 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы

4.5 Требования к ПК

4.6 Требования к помещениям для работы с ПК

4.7 Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПК

4.8 Правильная посадка во время работы за компьютером

Заключение

Список использованных источников

Приложение А Чертеж автомобиля

Приложение Б Создание материала

Приложение В Конечный результат

Определения, обозначения и сокращения

Ambient color (окружающий цвет) -- цвет объекта в его затененной части либо в том месте, где один объект находится в тени другого объекта.

Ambient light (окружающий свет) -- свет общего характера, который освещает всю сцену. Он обладает равномерной яркостью и равномерным рассеянием. У него нет видимого источника и определенного направления.

Animation controller (контроллер анимации). Контроллеры представляют собой подключаемые модули, которые выполняют все задачи анимации в 3DS МАХ 7. По умолчанию у всех объектов имеются контроллеры в той или иной форме.

Diffuse color (рассеяний цвет) -- цвет, который объект отражает при нормальном освещении, когда он освещен прямым солнечным светом или искусственным источником света.

Direct light (прямой свет) -- направленные источники света излучают прямые лучи света внутри цилиндра подобно тому, как солнце освещает поверхность земли.

Edge (ребро) -- ребро трехмерной грани или лоскута служит границей треугольной грани, которая соединяет две вершины.

Face (грань) -- ровная треугольная плоскость, которая служит в качестве стандартного блока поверхностей каркаса.

Maps (карты) -- изображения, назначаемые для материалов в виде определенных рисунков. В 3DS МАХ 7 имеется несколько типов карт. К ним относятся стандартные растровые изображения (формата .bmp, .gif или .tga), процедурные карты (в частности, Checker или Marble), а также такие системы обработки изображений, как объединители и системы маскирования.

Material libraries (библиотеки материалов) -- файлы на жестком диске, используемые для хранения определений карт и материалов. Доступ к ним осуществляется из любого файла 3DS МАХ 7.

Materials (материалы) -- данные, которые назначаются для поверхности или граней объекта, что придает ему определенный вид после визуализации. Материалы оказывают влияние на окраску объектов, их блеск, непрозрачность и т.п.

Modifier stack (стек модификаторов) -- иерархический список модификаторов, в котором представлена предыстория изменений объекта.

Modifier (модификатор) -- изменяет геометрическую структуру объекта, деформируя его определенным образом. Модификаторы вносят изменения в геометрическую форму объекта, которые остаются до тех пор, пока модификатор не будет настроен или удален.

Omni light (всенаправленный источник света) -- точечный источник света, излучающий свет во всех направлениях и в бесконечность.

Opacity (Непрозрачность) -- способность материала препятствовать прохождению света, в отличие от прозрачности.

Polygon (плоскость) -- совокупность пары треугольных граней, образующая прямоугольник и ограниченная ребрами.

Rendering (визуализация) - процесс формирования двумерного изображения с учетом материалов и таких параметров настройки окружающей среды, как фон и атмосфера.

Segment (отрезок) -- часть двумерной формы, которая соединяет две вершины.

Shader (тип тонирования) -- компонент материала, позволяющий настраивать форму и краевой переход зеркальных подсветок.

Shape (форма) -- объект, состоящий из одного или более сплайнов.

Spline (сплайн) -- совокупность вершин и соединяющих их отрезков, образующих линию.

Spotlight (прожектор) -- источник света, излучающий сфокусированный луч света в форме конуса подобно фонарику, театральному прожектору или фаре.

Toolbar (панель инструментов) -- стыкуемый или плавающий набор командных и редактирующих кнопок.

Vertex (вершина) -- не безразмерная точка в пространстве. Вершины имеются как у двумерных, так и у трехмерных объектов.

Viewport controls (элементы управления видовыми окнами) -- навигационные инструменты, расположенные в правой нижней части экрана и предназначенные для настройки точки наблюдения в видовых окнах.

Viewports (видовые окна) -- прямоугольные окна, предназначенные просмотра сцен в 3DS МАХ.

Пиксел - минимальный графический элемент, генерируемый видео адаптером, обычно размером с точку. Пикселы могут быть почти любого цвета, в зависимости от способностей адаптера.

Блиттинг - копирование массива данных из основной памяти компьютера в память видеокарты. Скорость этого процесса (Blit Rate) - важная характеристика для оценки видеокарт.

Сетка - термин, применяемый для описания структуры 3D-объекта или изображения. Назван так потому, что имеет сходство со скульптурой сделанной из проволочной сетки.

Призрак - объект (часто буква или курсор) движущийся поверх фоновой картинки.

Освещение - объемность, реалистичность трехмерных объектов часто достигается за счет игры света и тени, а, следовательно, и от источников света, огней, которые освещают объект. При создании трехмерных образом используются четыре типа источников света:

Превращения - операции изменения позиции, размера, или ориентации объекта в пространстве. В общем случае - перемещение, масштабирование и вращение.

Деформации - операции подобные превращениям, однако, более сложные, так как их исполнение приводят к перемене внешнего вида объекта. К деформациям можно отнести искривление, поворот, рассогласование и т. п.

Отсечение - отсечение тех многоугольников, которые не попадают в поле зрения пользователя.

Дизеринг - механизм получения изображения в HiColor-режимах.

Мультитекстурирование - метод рендеринга с использованием нескольких текстур за минимальное число проходов. Мультитекстурирование позволяет конвейеризировать наложение текстур с использованием нескольких (обычно двух) блоков текстурирования.

Коррекция перспективы - способность корректировать текстуры таким образом, чтобы у наблюдателя создавалось впечатление перспективы.

Мипмэппинг - текстура, нарисованная с несколькими уровнями детализации. Чем дальше от наблюдателя накладывается текстура, тем меньший уровень детализации используется.

Введение

Машинная графика в настоящее время уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных изображений - от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов.

Машинная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Знание её основ в наше время необходимо любому ученому или инженеру.

Машинная графика властно вторгается в бизнес, медицину, рекламу, индустрию развлечений. Применение во время деловых совещаний демонстрационных слайдов, подготовленных методами машинной графики и другими средствам автоматизации конторского труда, считается нормой. В медицине становится обычным получение трехмерных изображений внутренних органов по данным компьютерных томографов.

В наши дни телевидение и другие рекламные предприятия часто прибегают к услугам машинной графики и компьютерной мультипликации. Использование машинной графики в индустрии развлечений охватывает такие несхожие области как видеоигры и полнометражные художественные фильмы.

На сегодняшний день создано большое количество программ, позволяющих создавать и редактировать трёхмерные сцены и объекты. Среди наиболее популярных можно назвать такие как 3D studio Max, которая позволяет трёхмерные компьютерные ролики. Область её применения в основном реклама, мультипликация и оформление телевизионных передач. Другой не менее популярный пакет программ это Auto-CAD. Он применяется в основном инженерами и проектировщиками для создания чертежей и пространственных моделей.

Целью данного дипломного проекта является разработка 3D - объектов с использованием алгоритмов машинной графики.

1 Компьютерная графика

Задачи компьютерной графики

1) Представление изображения в компьютерной графике;

2) Подготовка изображения к визуализации;

3) Создание изображения;

4) Осуществление действий с изображением.

Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью ЭВМ.

Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения.

Интерактивная компьютерная графика - это так же использование ЭВМ для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени.

Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.

Достоинства графики

- Наиболее естественные средства общения с ЭВМ;

- Хорошо развитый двухмерный и трехмерный механизм распознавания образов позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных. Как гласит старинная китайская пословица: "Одна картинка стоит 1000 слов";

- Она позволяет значительно расширить полосу пропускания при общении человека с ЭВМ за счет использования разумного сочетания текста, статических и динамических изображений по сравнению со случаями, когда можно работать только с текстами. Это расширение существенно влияет на возможность понимать данные, выявлять тенденции и визуализировать существующие или воображаемые объекты при обработке.

Основные направления при обработке графической информации

При обработке информации, связанной с изображением, выделяют три основных направления:

Распознавание образов;

Обработка изображений;

Машинная и компьютерная графика.

Основная задача распознавания образов состоит в распознавании имеющегося изображения на формально понятном на языке символов. Распознавание образов есть совокупность методов, позволяющих получать изображения поданные на вход, либо отнесение некоторых изображений к некоторому классу.

Обработка изображений рассматривает задачи, в которых и входные, и выходные данные являются изображениями. Примерами обработки изображений могут служить:

1. Передача изображений вместе с удалением шумов и сжатием данных;

2. Переход от одного вида изображений к другому;

3. Контрастирование различных снимков.

Компьютерная или машинная графика применяется, когда исходной является информация не изобразительной природы, например, визуализация экспериментальных данных в виде графиков или гистограмм, вывод графики в компьютерных играх или синтез сцен для тренажеров. Можно сказать, что компьютерная графика рисует, опираясь на формульные представления, и имеет набор средств.

Основные направления компьютерной графики

- Иллюстративное - это направление можно понимать, расширенно, начиная с представления результатов эксперимента, и кончая созданием рекламных роликов;

- Стремительно развивающаяся компьютерная графика должна обслуживать свои потребности, расширяя и совершенствуя их;

- Исследования, в которых инструментарий компьютерной графики начинает играть роль во многом подобную той, которую в свое время сыграл микроскоп.

Вывод изображения на экран компьютера является неотъемлемым, но всего лишь первым шагом на пути становления машинной графики. Довольно стремительно пройдя иллюстративный отрезок пути своего развития, компьютерная графика сосредоточилась как бы на двух генеральных направлениях: придание изображению необходимой динамики и придание изображению необходимой реалистичности. Достижения компьютерной графики мы видим на экранах телевизоров, на рекламных заставках. Реклама в этом случае выступает как мощный стимул к развитию все более совершенного графического инструментария. Он существует в виде разнообразных графических пакетов, начиная от простеньких графических редакторов и заканчивая специальным программным обеспечением.

Развитие компьютерной графики создало новый изобразительный инструментарий, привлекающий внимание дизайнеров и архитекторов.

1.1 Растровая графика

Термин растровая графика достаточно очевиден, если усвоить понятия, относящиеся к растровым изображениям.

Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение.

Существует коэффициент прямоугольности изображения, который введен специально для изображения количества пикселов матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали. Существуют следующие коэффициенты прямоугольности для экранов: 320х200, 320х240, 600х400, 640х480, 800х600 и др. Этот коэффициент часто называют размером изображения. Произведение этих двух чисел дает общее количество пикселов изображения.

Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов, используемых компьютером для любого пиксела, называется битовой глубиной пиксела. Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселов имеющих только два возможных цвета черный и белый, и поэтому изображения, состоящие из пикселов этого вида, называются однобитовыми изображениями. Число доступных цветов или градаций серого цвета равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

Пиксел сам по себе не обладает никаким размером, он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете, поэтому коэффициент прямоугольности изображения не соответствует никакой реальной размерности. Зная только коэффициент прямоугольности изображения с некоторой разрешающей способностью можно определить настоящие размеры рисунка. Поскольку размеры изображения хранятся отдельно, пиксели запоминаются один за другим, как обычный блок данных. Компьютеру не приходится сохранять отдельные позиции, он всего лишь создает сетку по размерам заданным коэффициентом прямоугольности изображения, а затем заполняет ее пиксел за пикселом. Это самый простой способ хранения данного растрового изображения, но не самый эффективный с точки зрения использования компьютерного времени и памяти. Более эффективный способ состоит в том, чтобы сохранить только количество черных и белых пикселов в любой строке. Этот метод сжимает данные, которые используют растровые изображения. В этом случае они занимают меньше памяти компьютера.

Наибольшее влияние на количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:

1. Размер изображения;

2. Битовая глубина цвета;

3. Формат файла, используемого для хранения изображения.

Многие файлы изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут содержать дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного просмотра. В табл. 1 приведены размеры файлов в различных графических форматах. Полужирным шрифтом выделены исходные файлы. Для сохранения в другом формате использовалась программа Adobe Photoshop CS2. При сохранении в формате JPEG использовались различные степени сжатия JPG 2 (JPG 4, JPG 8), чем больше число, тем выше качество и соответственно размер файлов.

Достоинства растровой графики

Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества - изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий. Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек.

Недостатки растровой графики

Как уже говорилось, растровые изображения занимают большое количество памяти. Существует так же проблема редактирования растровых изображений, так как большие растровые изображения занимают значительные массивы памяти, то для обеспечения работы функций редактирования таких изображений потребляются так же значительные массивы памяти и другие ресурсы компьютера.

1.2 Векторная графика

В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов, окружностей и линий. Хотя на первый взгляд это может показаться сложнее, чем использование растровых массивов, но для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

Ключевым моментом векторной графики является то, что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов. Такая особенность векторной графики дает ей ряд преимуществ перед растровой графикой, но в тоже время является причиной ее недостатков. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.

Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы и тому подобное называется примитивами, и используются при создании более сложных объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различных объектов. Для создания объектов примитивов используются простые описания. Прямая линия, дуги, окружности, эллипсы и области однотонного или изменяющегося света - это двухмерные рисунки, используемые для создания детализированных изображений. В трехмерной компьютерной графике для создания сложных рисунков могут использоваться такие элементы как сферы, кубы. Команды, описывающие векторные объекты большинству пользователей возможно никогда не придется увидеть. Определять, как описывать объекты будет компьютерная программа, которая используется для подготовки векторных объектов. Для создания векторных рисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационных пакетов.

Достоинство векторной графики в том, что описание является простым и занимает мало памяти компьютера. Однако недостатком является то, что детальный векторный объект может оказаться слишком сложным, он может напечататься не в том виде, в каком ожидает пользователь или не напечатается вообще, если принтер неправильно интерпретирует или не понимает векторные команды.

Достоинства векторной графики

Самая сильная сторона векторной графики в том, что она использует все преимущества разрешающей способности любого устройства вывода. Это позволяет изменять размеры векторного рисунка без потери его качества. Векторные команды просто сообщают устройству вывода, что необходимо нарисовать объект заданного размера, используя столько точек сколько возможно. Другими словами, чем больше точек сможет использовать устройство вывода для создания объекта, тем лучше он будет выглядеть. Растровый формат файла точно определяет, сколько необходимо создать пикселов и это количество изменяется вместе с разрешающей способностью устройства вывода. Вместо этого происходит одно из двух либо при увеличении разрешающей способности, размер растровой окружности уменьшается, так как уменьшается размер точки составляющих пиксел; либо размер окружности остается одинаковым, но принтеры с высокой разрешающей способностью используют больше точек для любого пикселя. Векторная графика обладает еще одним важным преимуществом, здесь можно редактировать отдельные части рисунка не оказывая влияния на остальные.

Недостатки векторной графики

Природа избегает прямых линий. К сожалению, они являются основными компонентами векторных рисунков. До недавнего времени это означало, что уделом векторной графики были изображения, которые никогда не старались выглядеть естественно, например, двухмерные чертежи и круговые диаграммы, созданные специальными программами САПР, двух и трех мерные технические иллюстрации, стилизованные рисунки и значки, состоящие из прямых линий и областей, закрашенных однотонным цветом. Векторные рисунки состоят из различных команд посылаемых от компьютера к устройствам вывода (принтеру). Принтеры содержат свои собственные микропроцессоры, которые интерпретируют эти команды и пытаются их перевести в точки на листе бумаги. Иногда из-за проблем связи между двумя процессорами принтер не может распечатать отдельные детали рисунков. В зависимости от типов принтера случаются проблемы, и у вас может оказаться чистый лист бумаги, частично напечатанный рисунок или сообщение об ошибке.

1.3 Основные понятия трехмерной графики

В большинстве приложений использующих трехмерную графику 3D-объекты состоят из множества многоугольников размещенных таким образом, что создается реалистичный образ. Сотни или тысячи многоугольников необходимых для единственного 3D-объекта, образуют огромный массив данных, которые надо создать и которыми необходимо управлять.

3D- программы

API (Application Programming Interface) - это программы связи аппаратных средств (таких, как, например, видеопроцессор) с приложениями, например, играми. Разработчики игры пишут ее код согласуясь с API, что позволяет ей работать с любыми аппаратными средствами, на любых компьютерах. 3D API позволяет программисту создавать трехмерное программное обеспечение использующее все возможности 3D-ускорителей. Использование 3D API предполагает применение драйверов для этого API. На сегодняшний день наличие драйверов Direct3D и OpenGL для Windows 95/ 98 является обязательным требованием ко всем 3D-уcкopитeлям.

DirectX - API для Microsoft® Windows® сфокусированный на разработке мультимедийных приложений. По словам Microsoft, DirectX обеспечивает разработчиков программного обеспечения гибкостью необходимой для работы в Internet и открывает путь к использованию мощнейших возможностей современных персональных компьютеров в работе с мультимедийными приложениями. DirectX 6.0 был оптимизирован для работы с технологией 3DNow! и стал доступен пользователям в июле 1998 года.

Direct3D - Часть DirectX ориентированная на исполнение трехмерной графики. Direct3D предлагается компанией Microsoft как важное дополнение к API для игр и других 3D-приложений. Direct3D, как часть DirectX 6.0, оптимизирован для технологии 3DNow! Direct3D существует только в Windows 95, в скором будущем появится и в Windows NT 5.0.

OpenGL - открытый 3D API, созданный компанией SGI и контролируемый ассоциацией OpenGL Architecture Review Board (ARB), в которую входят DEC, E&S, IBM, Intel, Intergraph, Microsoft и SGI. OpenGL реализует широкий диапазон функций от вывода точки, линии или полигона до рендеринга кривых поверхностей NURBS, покрытых текстурой. OpenGL долгое время использовался для работы с трехмерной графикой на компьютерах профессионального уровня. Сейчас многие разработчики игр используют этот API.

VRML - язык описания трехмерных миров. Лидером среди разработчиков программного обеспечения для работы с VRML считается Cosmo Software (одно из подразделений SGI). Эта компания также активно разрабатывает новые стандарты VRML. Ее программа CosmoPlayer предназначена для просмотра сцен, созданных на VRML. CosmoPlayer поддерживает OpenGL, что при наличии OpenGL-ускорителя дает прирост скорости и повышает качество 3D.

AGP (Advanced Graphics Port) - Новая технология призванная повысить качество воспроизведения мультимедийных программ, скорость их воспроизведения и интерактивные возможности сохранив, однако, невысокую стоимость. Главное свойство AGP - возможность быстрого обращения к оперативной памяти компьютера. Это означает, что фрейм-буфер (более важна функция кэширования фрейм-буфера) может сохраняться в основной памяти, а не в памяти видеокарты, что, кстати, значительно уменьшает стоимость последней.

DiME (Direct Memory Execution) - главное преимущество AGP. AGP-платы без DiME недалеко ушли от РСI. DiME (или, как его еще называют, AGP-текстурирование) дает возможность 3D-ускорителю брать текстуры напрямую из системной памяти, а не из локальной видеопамяти. DiME - ключ к использованию большого количества больших текстур. DiME превращает системную память в своего рода расширение видеопамяти. 3D-ускоритель с поддержкой DiME уже сейчас без проблем справляются с 16 Мбайт текстур на один кадр.

2 Разработка 3D-объектов с использованием алгоритмов машинной графики

Постановка задачи

Целью данного дипломного проекта разработка 3D-объектов с использованием алгоритмов машинной графики, изучение методов геометрических преобразований графических объектов, приобретение навыков использования средств геометрических преобразований при составлении графических программ.

При геометрических преобразованиях графических объектов не изменяется само пространство, меняется только положение, направление и масштаб координатной системы, в которой определяется положение точек в пространстве. То есть при геометрических преобразованиях не затрагивается прежняя структура изображения - сохраняются отношения типа принадлежности прямой, дуге, поверхности и т. д. Поэтому тип графических объектов не влияет на выполнение геометрического преобразования и, следовательно, преобразованию подвергаются только данные точки.

2.1 Преобразования, связанные с системой координат

Необходимо научиться управлять изображением на экране, вносить изменения в его положение, форму, ориентацию, размер. Для этих целей существуют специальные геометрические преобразования, которые позволяют изменять эти характеристики объектов в пространстве.

Два из них - операции вращения и масштабирования - описываются в виде произведения матрицы на вектор, а третья - операция переноса - описывается как сумма двух векторов. В случае последовательного выполнения любой комбинации операций вращения и масштабирования результат легко можно записать в виде произведения матриц соответствующих преобразований. Это будет матрица результирующего поворота и масштабирования. Очевидно, что удобнее применять результирующую матрицу вместо того, чтобы каждый раз заново вычислять произведение матриц. Однако таким способом нельзя получить результирующую матрицу преобразования, если среди последовательности преобразований присутствует хотя бы один перенос.

Трехмерные преобразования могут быть представлены матрицами размером . Тогда трехмерная точка записывается в однородных координатах как , где .

Матрицы преобразований будем записывать в правосторонней системе координат. При этом положительный поворот определяется следующим образом. Если смотреть из положительной части оси вращения (например, оси ) в направлении начала координат, то поворот на против часовой стрелки будет переводить одну положительную полуось в другую (ось в , в соответствии с правилом циклической перестановки).

Матрица трехмерного переноса.

, при этом

.

Операция масштабирования:

Операция поворота вокруг оси записывается так:

.

Матрица поворота вокруг оси имеет вид:

,

Результатом нескольких последовательных поворотов будет матрица

.

Еще один тип преобразований объекта - масштабирование, увеличивающее или уменьшающее его размеры. Самое интересное заключается в том, что для каждой оси модно выбрать свои коэффициенты масштабирования.

Масштабированием объектов называется растяжение объектов вдоль соответствующих осей координат относительно начала координат.

2.2 Алгоритмы удаления невидимых ребер и граней

Алгоритмы удаления невидимых граней могут быть условно поделены на два класса в зависимости от принципов, заложенных для их реализации. Первый класс - это алгоритмы работающие в пространстве объекта. Это означает, что для определения видимости данной грани сравнивается ее взаимное расположение со всеми остальными гранями в трехмерной сцене.

Другой класс алгоритмов - работающих в пространстве изображения, основан на нахождении точки ближайшей грани которую пересекает луч зрения, проходящий через заданную точку на растре. Поскольку число точек на растровом экране фиксировано, то алгоритмы этого класса менее чувствительны к увеличению количества объектов в трехмерной сцене.

2.3 Модели расчета освещенности граней трехмерных объектов

Основной характеристикой света в компьютерной графике является яркость. Поскольку яркость является субъективным понятием, основанным на человеческом восприятии света, то для численных расчетов применяется термин интенсивность, что соответствует яркости и является энергетической характеристикой световой волны. В расчетах интенсивность обычно принимает значения от 0 до 1. При этом интенсивность равна нулю при полном отсутствии света, а значение 1 соответствует максимальной яркости.

В компьютерной графике для расчета освещенности граней объектов зачастую применяется трехкомпонентная цветовая модель “Красный, Зеленый, Синий”, что в английском варианте записывается RGB (Red, Green, Blue). Эта модель позволяет задавать любой цвет в виде трех компонент интенсивностей базовых цветов: красного, зеленого и синего. Интенсивность отраженного света точек пространственных объектов вычисляют отдельно для каждой их трех составляющих цветовых компонент, а затем объединяют в результирующую тройку цветов. Далее будем считать, что примеры расчета интенсивностей отраженного света применяются к каждому их трех базовых цветов.

Механизм визуализации VRML поддерживает три типа освещения:

DirectionalLight (направленный параллельный свет);

Освещение параллельными лучами в указанном направлении.

PointLight (точечный источник)

Для размещения в сцене точечного источника света, который излучает по всем направлениям.

SpotLight (направленный расходящийся свет)

Является расширенной комбинацией двух предыдущих способов освещения.

2.4 Преобразование над заданной фигурой

Пусть задана трехмерная фигура (рис2.1). Требуется выполнить следующие преобразования: перемещение (рис. 2.3), вращение (рис. 2.4, 2.5), освещение (рис. 2.6, масштабирование объекта (рис. 2.7, 2.8) и создание тени (рис. 2.9).

Рисунок 2.1 - Заданная фигура

Рисунок 2.2 - Исходное положение фигуры



Рисунок 23 - Перемещение фигуры

Рисунок 2.4 - Исходное положение фигуры

Рисунок 25 - Вращение фигуры

Рисунок 2. 6 - Освещение фигуры методом PointLight

Рисунок 2. 7 - Исходный размер фигуры



Рисунок 2. 8- Размер фигуры после масштабирования

Рисунок 2. 9 - Создание тени у объекта

Любой сложный объект состоит из более простых примитивов, рассмотрим пример:

Рисунок 2.10 - Создание объекта «Ракета» из примитивов(1-Конус, 2- усеченный конус, 3- призма)

3 Создание компьютерной модели автомобиля

Образцом для создания моего авто послужила модель автомобиля Bugati Veyron. Bugati Veyron - это спортивный автомобиль следовательно он обладает хорошей аэродинамикой, самым подходящим решением было сделать основные детали кузова из NURBS поверхностей.

Ниже приводятся некоторые советы по моделированию NURBS(поверхностей).

Гораздо легче будет нарисовать любой профиль для обрезки простым инструментом «линия» (Line) и затем присоединить (Attach) полученную форму к вашей NURBS поверхности. При этом кривая, для сохранения точной формы будет разбита на отрезки. Эти отрезки могут быть по очереди спроецированы на плоскость для получения формы выреза. Перед проекцией можно объединить отрезки методом Join, но при этом необходимо быть готовым к тому, что кривая потеряет первоначальную форму.

Вырезы выполняются инструментом Multicurve Trimmed Surface. Для этого кривая-шаблон, по которой производится обрез должна быть приаттачена к NURBS структуре и находиться на поверхности объекта. Для этого необходимо либо создать кривую прямо на плоскости (Point Curve on Surface), либо спроецировать на плоскость приаттаченую кривую (Normal Projected Curve или Vector Projected Curve).

При создании любых поверхностей NURBS необходимо следить за направлением нормалей (Normal), при необходимости выполняя операцию Flip Normals. Либо, если вы не хотите об этом задумываться - примените к объекту материал с пометкой “2 Sided”.

Самым сложным объектом действительно оказалась боковое зеркало. На него ушло больше половины всего времени. В результате, после многих экспериментов, боковое зеркало было создано инструментом “1 Sweep Rail”. Для этого я нарисовал сплайн, и затем разместил на ней профили шейки, которые тоже представляют собой замкнутые сплайны. При использовании этого метода необходимо следить, чтобы профили ОБЯЗАТЕЛЬНО пересекались с кривой пути, иначе результаты будут непредсказуемые. Также надо будет отрегулировать настройки по умолчанию полученной поверхности.

Для создания какой либо модели в 3ds Max принято разбивать любую модель разбивать на более простые детали. В моём случае автомобиль был разбит на основные части от более простого к сложному (рисунок 3.1):

капот

стёкла

крыша со стойками

крылья с дверьми

шасси

фары головного света



Рисунок 3.1- Основные части автомобиля

Моделирование автомобиля процесс трудоемкий, поэтому в дипломной работе описывается процесс создания капота автомобиля все остальные детали создаются аналогично.

Открываем 3D Studios Max (рисунок 3.2).Открываем файл капот(File/open/Капот)Создайте NURBS(поверхность) и поместите её над капотом водительской стороны капота (рисунок3.3).



Рисунок 3.2-интерфейс 3D Studios Max

Рисунок 3.3 Совмещение оригинала капота и NURBS

Теперь выравниваем точки, придавая форму идентичную данной (форме капота). Капот имеет своеобразные вырезы, они обозначены цифрой 1 на рисунке3

Рисунок 3.4- Изгиб NURBS(поверхности), повторяющий контур капота

Для создания этих вырезов мы создаём два цилиндра, которые были подгоняем с помощью инструмента неравномерное масштабирование(Select and non-Uniform Scale)(рисунок 3.5).



Рисунок 3.5- Вспомогательные фигуры

После чего вычитаем их из нашей заготовки с помощью Булевских функций (Boolean).Полученную фигуру конвертируем в Convert Edit Mesh.Затем применяем модификатор MeshSmothe (рисунок 3.6).

Стандартный модификатор MeshSmothe не очень сильно отличается от "subdivision surface", однако он позволяет более гибко работать с редактируемым объектом. Обычно значение итераций установлено в 0. Это ускоряет процесс моделирования, т.к. вы можете работать с низкополигональной моделью в окнах просмотра и получить высоко сглаженный объект при визуализации. Перед переходом к следующему шагу, зеркально отразите капот, так чтобы он стал целым. Установите флажок копирования (copy) в инструменте mirror и затем передвиньте копию в нужное место (рисунок 3.6).



Рисунок 6- Капот после MeshSmothe

Затем используя инструмент присоединить (attach) в свитке Редактирования геометрии (edit geometry) присоедините две половины капота вместе. Вершины в центре могут быть объединены инструментом weld. Когда Ваш объект готов, очень важно правильно установить его центр. Это сохранит Вам время позднее, когда Вы будете использовать точные и быстрые методы отражения. На закладке иерархии нажмите Воздействовать только на центр (affect pivot only) и затем установите его в центр объекта. Эта операция сделает работу безупречной.

Задаём материал

Одними из самых важных аспектов «натуральности» финального вида моделируемой сцены являются правильно подобранные и отлаженные материалы. Список свойств и зависимостей всех параметров, влияющих на конечный результат неограниченно велик, однако для получения вполне приличных результатов стоит лишь использовать немногие правила и приемы.

Как любой «super car» мой авто состоит из сверхлёгких материалов чаще всего углепластик. Именно поэтому я в качестве основного материала использовал Dark Plastic синего (1) и черных цветов (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7- Редактируем материал - пластик (1- синий пластик)

Все остальные детали были выполнены аналогично за исключением шасси.

Для их создания использовались: метод лофтинга, булевские объекты, круговые массивы. После все детали скомпоновали расставил источники света.

Затем для реалистичности создал дополнительные объекты: мойка для автомобилей(1), асфальт(2), бордюры(3)смотрите на Рисунок3.8.



Рисунок 3.8- Осветители и камеры

4. Охрана труда

4.1 Техника безопасности работы за ПК

Основные правила по технике безопасности:

Вычислительные машины должны быть установлены в соответствии с требованиями инструкции по их эксплуатации.

Электропровода должны быть в исправном состоянии. Корпуса машин заземлены.

Рабочее место и проходы должны содержаться в чистоте и порядке, не загромождаться. Пол не должен иметь выбоин и скользких мест.

Перед работой проверить исправность машины, органов управления и электропроводящих устройств.

К работе на ЭВМ и их техническому обслуживанию допускаются лица прошедшие инструктаж по технике безопасности.

Правила работы на ПК:

Установить на экран фильтр.

Поместить подставку для черновых материалов ближе к экрану.

Экран должен находиться примерно на 20 градусов ниже уровня глаз и под прямым углом по отношению к окнам.

Экран должен быть на расстоянии 40-70см. от глаз.

Избегайте яркого потолочного света особенно флюминисцентного.

Освещённость экрана должна быть равна освещённости помещения. Каждые 10 минут отводить на 5-10 секунд взгляд в сторону от экрана.

Правильно организованное рабочее место, правильная поза при работе позволят минимизировать вредное воздействие компьютера на здоровье. Большинство пользователей компьютеров уделяет мало внимания своему рабочему месту. Часто рабочее место бывает неправильно организовано. Монитор установлен низко, неудачно относительно источников света, руки неудобно лежат на клавиатуре... В результате со временем пользователи начинают жаловаться на проблемы со здоровьем и повышенную утомляемость. Не экономьте на своем рабочем месте - это обернется экономией на своем здоровье.

4.2 Организация рабочего места

Правильно организованное рабочее место, правильная поза при работе позволят минимизировать вредное воздействие компьютера на здоровье. Большинство пользователей компьютеров уделяет мало внимания своему рабочему месту. Если появляются деньги, российский пользователь скорее купит современный процессор, чем новый стол или подставку для монитора. Часто рабочее место бывает неправильно организовано. Монитор установлен низко, неудачно относительно источников света, руки неудобно лежат на клавиатуре... В результате со временем пользователи начинают жаловаться на проблемы со здоровьем и повышенную утомляемость. Не экономьте на своем рабочем месте - это обернется экономией на своем здоровье.

4.3 Требования, которые необходимо соблюдать для нормального функционирования персонального компьютера и его периферии

Цепи питания должны быть заземлены согласно ГОСТу. В случае эксплуатации без заземления (или с неправильно выполненным заземлением) возможна нестабильная работа. Особенно остро это может проявиться в случае возникновения каких-либо проблем с электропитанием. Устройства типа сетевых фильтров или UPS не могут работать полноценно без заземления, т.е. выполнять возложенные на них функции защиты компьютерной техники от проблем с электропитанием!

Температура воздуха в помещениях с ПК должна быть от 20 до 25 градусов. Более высокая температура может повлечь за собой перегрев компонентов ПК, более низкая - приводит к увеличенным температурным напряжениям, что также может привести к резкому уменьшению срока службы ПК или его компонентов.

Относительная влажность воздуха в помещениях с ПК должна быть от 40% до 80%. В случае пониженной влажности необходимо пользоваться увлажнителями воздуха, в качестве которых может быть достаточно живых растений или аквариума. При повышенной влажности надлежит использовать осушители воздуха, например кондиционеры.

Градиент температуры, то есть скорость ее изменения для ПК, его компонентов и периферийных устройств должен быть не более 5 градусов в час. Более быстрое изменение температурного режима может привести к выходу из строя электронных и механических блоков изделий. Особо отметим что образование конденсата на поверхности недопустимо!

На одно рабочее место оператора ПК должно приходиться не менее 7 квадратных метров помещения и не менее 20 кубических метров объема.

Вышеуказанные требования являются выдержками из стандартов и рекомендаций производителей компьютерной техники. Несоблюдение этих требований означает нарушение условий эксплуатации ПК или его периферийных устройств, что может привести к невозможности осуществления производителем своих гарантийных обязательств.

4.4 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы

"Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы"

Требования Санитарных правил направлены на предотвращение неблагоприятного влияния на здоровье человека вредных факторов производственной среды и трудового процесса при работе с ПК.

Настоящие Санитарные правила определяют санитарно-эпидемиологические требования к:

проектированию, изготовлению и эксплуатации отечественных ПК, используемых на производстве, в обучении, в быту, в игровых автоматах на базе ПК; эксплуатации импортных ПК, используемых на производстве, в обучении, в быту и в игровых комплексах (автоматах) на базе ПК;

проектированию, строительству и реконструкции помещений, предназначенных для эксплуатации всех типов ПК, производственного оборудования и игровых комплексов (автоматов) на базе ПК; организации рабочих мест с ПК, производственным оборудованием и игровыми комплексами (автоматами) на базе ПК

4.5 Требования к ПК

Мощность экспозиционной дозы мягкого рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана и корпуса ЭЛТ (на электроннолучевой трубке) при любых положениях регулировочных устройств не должна превышать 1 мкЗв/час (100 мкР/час).

Конструкция ПК должна обеспечивать возможность поворота корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскости с фиксацией в заданном положении для обеспечения фронтального наблюдения экрана ЭЛТ. Дизайн ПК должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеиванием света. Корпус ПК, клавиатура и другие блоки и устройства ПК должны иметь матовую поверхность с коэффициентом отражения 0,4 - 0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики.

Конструкция ЭЛТ должна предусматривать регулирование яркости и контрастности.

4.6 Требования к помещениям для работы с ПК

Помещения для эксплуатации ПК должны иметь естественное и искусственное освещение. Эксплуатация ПК в помещениях без естественного освещения допускается только при соответствующем обосновании и наличии положительного санитарно-эпидемиологического заключения, выданного в установленном порядке.

Естественное и искусственное освещение должно соответствовать требованиям действующей нормативной документации. Окна в помещениях, где эксплуатируется вычислительная техника, преимущественно должны быть ориентированы на север и северо-восток. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Не допускается размещение мест пользователей ПК во всех образовательных и культурно-развлекательных учреждениях для детей и подростков в цокольных и подвальных помещениях.

Площадь на одно рабочее место пользователей ПК с ЭЛТ на базе электроннолучевой трубки (ЭЛТ) должна составлять не менее 6 м2, в помещениях культурно-развлекательных учреждений и с ВДТ на базе плоских дискретных экранов (жидкокристаллические, плазменные) - 4,5 м2.

При использовании ПК с ВДТ на базе ЭЛТ (без вспомогательных устройств - принтер, сканер и др.), отвечающих требованиям международных стандартов безопасности компьютеров, с продолжительностью работы менее 4-х часов в день допускается минимальная площадь 4,5 м2 на одно рабочее место пользователя (взрослого и учащегося высшего профессионального образования).

Для внутренней отделки интерьера помещений, где расположены ПК, должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7-0,8; для стен - 0,5-0,6; для пола - 0,3-0,5.

Полимерные материалы используются для внутренней отделки интерьера помещений с ПК при наличии санитарно-эпидемиологического заключения.

Помещения, где размещаются рабочие места с ПК, должны быть оборудованы защитным заземлением (занулением) в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации.

Не следует размещать рабочие места с ПК вблизи силовых кабелей и вводов, высоковольтных трансформаторов, технологического оборудования, создающего помехи в работе ПК.

4.7 Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПК

Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы видеодисплейные терминалы были ориентированы боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ПК должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях, в случаях преимущественной работы с документами, следует применять системы комбинированного освещения (к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов).

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300-500 лк. Освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана. Освещенность поверхности экрана не должна быть более 300 лк.

Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м2.

Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения, при этом яркость бликов на экране ПЭВМ не должна превышать 40 кд/м2 и яркость потолка не должна превышать 200 кд/м2.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20. Показатель дискомфорта в административно-общественных помещениях не более 40, в дошкольных и учебных помещениях не более 15.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м2, защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов.

Светильники местного освещения должны иметь не просвечивающий отражатель с защитным углом не менее 40 градусов.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1-5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования 10:1.

4.8 Правильная посадка во время работы за компьютером

Вы сидите за компьютером с хорошим монитором. Устанут ли ваши глаза? Важно расположение монитора относительно глаз, источников освещения, высота кресла.

Освещение при работе с компьютером должно быть не слишком ярким, но и не отсутствовать совсем, идеальный вариант - приглушенный рассеянный свет.

Поставьте стол так, чтобы окно не оказалось перед вами. Если это неизбежно, купите плотные шторы или жалюзи, которые отсекут свет. Если окно сбоку, решение то же - шторы, жалюзи. Можно купить козырек, одевающийся на монитор (такими козырьками комплектуют некоторые профессиональные мониторы, продают их и отдельно) или сделать его самому: возьмите картонную коробку, вырежьте из нее угол и оденьте на монитор. Козырек экранирует свет, контрастность изображения повышается, цветопередача становится более естественной, глаза устают меньше.

Экран монитора должен быть абсолютно чистым; если вы работаете в очках, они тоже должны быть абсолютно чистыми. Протирайте экран монитора (лучше специальными салфетками и/или жидкостью для протирки мониторов) минимум раз в неделю, следите за кристальной прозрачностью очков каждый день.

Располагайте монитор и клавиатуру на рабочем столе прямо, ни в коем случае не наискосок.

Центр экрана должен быть примерно на уровне ваших глаз или чуть ниже. Держите голову прямо, без наклона вперед. Периодически на несколько секунд закрывайте веки, дайте мышцам глаз отдохнуть и расслабиться.

Иногда встречаются рекомендации использовать специальные очки, фильтры. Они действительно способны поднять какой-то из показателей видеосистемы, но только в ущерб другому показателю. Да и резонно ли платить 200 у. е. за очки (хорошие меньше не стоят), вместо того, чтобы купить за те же деньги приличный монитор?