Создание компьютерных 3D моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Компьютерное моделирование -- это процесс создания компьютерных моделей. Компьютерная модель -- компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере или множестве взаимодействующих компьютеров, реализующая абстрактную модель некоторой системы. Компьютерные модели стали обычным инструментом математического моделирования и применяются в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике, социологии и других науках. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем, слишком сложных для аналитического исследования. Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала, в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании то конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов:

· создание качественной модели;

· создание количественной модели;

Компьютерное моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся:

· Постановка задачи, определение объекта моделирования;

· разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;

· формализация, то есть переход к математической модели, создание алгоритма и написание программы;

· планирование и проведение компьютерных экспериментов;

· анализ и интерпретация результатов.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются математические модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма, воспроизводящего функционирование исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Сегодня, в XXI веке, компьютерное моделирование применяют для широкого круга задач.

Таким образом, актуальность данной темы очевидна: в связи с ускоренным развитием компьютерной техники, компьютерное моделирование стало неотъемлемой частью жизнедеятельности людей в современном мире.

Объект исследования:

3D моделирование;

Предмет исследования:

программа Sweet Home 3D;

Цель моей работы:

· создание 3D модели современных школьных кабинетов.

Задачи, которые необходимо выполнить для достижения поставленной цели: компьютерный моделирование программа школьный

· изучение необходимой литературы;

· изучение интернет -- ресурсов;

· освоение программы Sweet Home 3D;

Методы исследования:

· анализ полученной информации;

· обобщение полученной информации;

Глава 1. Теоретические аспекты создания 3D-моделей

1.1 Историческая справка

Прежде чем начать исследование хотелось бы немного рассказать об истории 3D-графики.

История данной индустрии начинается с 1960-1970годов. Одним из основателей 3D-графики считается Иван Сазерленд, который, будучи аспирантом, написал программу Sketchpad, позволявшую создавать ппростейшие трехмерные объекты. После защиты диссертации на тему «Наука компьютерной графики» Иван Сазерленд и доктор Дэвид Эванс (David Evans) открывают в университете города Юты первую кафедру компьютерной графики. Молодые и амбициозные друзья-коллеги ставят перед собой цель: привлечение талантливых ученых-энтузиастов для разработки перспективной области высоких технологий. Среди студентов оказался и Эд Катмулл (Еd Catmull), ныне технический директор корпорации Pixar. Именно Эд Катмул впервые смоделировал объект. В качестве предмета для моделирования выступила кисть его собственной руки. Джим Блинн (Jim Blinn), создатель bump mapping и environment mapping, первых компьютерных анимаций для NASA и, конечно же, знаменитого материала blinn, являлся студентом Ивана Сазерленда. Иван Сазерленд с большим уважением относится к своему ученику, и в одном из интервью прославленный ученый заметил: « В мире существует не больше дюжины истинных творцов компьютерной графики и Джим - это ровно половина от общего числа». Техника Phong shading была разработана вьетнамским ученым Би Тюн Фонгом (Bui Tuong Phong), который также являлся студентом кафедры компьютерной графики в Юте. А принцип Gouraud shading родился в голове французского ученого Анри Гюра (Henri Gouraud), преподававшего в университете Юты.

В 1969 году Сазерленд и Эванс открыли первую компанию, которая занималась производством компьютерной графики, назвали просто - "Evans & Sutherland". Изначально компьютерная графика и анимация использовалась преимущественно в рекламе и на телевидении. К примеру, компьютерной компании MAG принадлежит заслуга в создании первой в истории коммерческой компьютерной анимации: вращающийся логотип IBM на одном из мониторов в офисе компании появился в начале 1970-х годов.

Компания Mathematics Application Group, Inc была открыта в 1966 году группой ученых-физиков, которые собирались изучать радиационное поле. Позднее их программное решение Synthavision, изначально ориентированное именно для изучения радиационных лучей, будет адаптировано и применено в области рендеринга, в качестве фундаментальной системы для технологии ray-tracer. Именно MAGI разработала метод "трассировки лучей", суть которого заключается в отслеживании обратного хода, который попадал в камеру луча и был проложен от каждого элемента изображения. Этим методом хорошо просчитываются отражения, тени, блики, геометрические объекты. Среди многочисленных сотрудников компании наиболее выдающимися были: Евгений Трубецкой и Карл Людвиг (Carl Ludwig). Именно они внесли наибольший вклад в разработку технологии ray-tracer. На сегодняшний день Карл Людвиг возглавляет отдел R&D студии Blue Sky, а Евгений Трубецкой руководит кафедрой компьютерной графики при Колумбийском университете. Система моделирования являлась процедурной: модели создавались путем комбинирования 25 геометрических фигур, имевшихся в библиотеке программы. Из простейших фигур, вроде пирамиды, сферы и цилиндра создавались более сложные, которые впоследствии становились основой для конечной 3D-модели. Программа Synthavision разрабатывалась в течение пяти лет и была использована при создании знаменитого киношедевра «Трон» в 1982.

Компания Triple-I также внесла огромный вклад в создание 3D технологий. Компания была открыта в 1962 году и изначально специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериала. В 1975 году руководство компании открывает отделение компьютерной графики и анимации. В отличие от компании MAGI, использовавшей геометрические фигуры, Triple-I задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты. Такой метод моделирования получил название «полигонального». Компания Triple-I также принимала участие в работе над фильмом «Трон».

В 1980-1990 годах продолжилось развитие 3D технологий. Первые компьютеры были невероятно большими, а компьютерная графика, производимая ими, неуклюжей и тяжеловесной. К счастью, этап эволюции компьютерных технологий не растянулся на миллионы лет, и этому в значительной степени способствовало изобретение микропроцессора. Маленькая деталь позволила уменьшить компьютер до вполне разумных размеров. Начали появляться первые микрокомпьютеры, в народе именуемые домашними - прообразы современных персональных компьютеров. Компания Intel в 1974 году выпускает 8 битный процессор Intel 8080. В том же году компания Motorola выпускает процессор 6800. Настоящим хитом продаж становится домашний компьютер Apple II, представленный публике в 1977 году. В 1981 году известный журнал «Тime» помещает на обложку персональный компьютер IBM и присваивает ему титул «Лучший товар года».

Первые персональные компьютеры отличались малой мощностью, что немало препятствовало работе с 3D графикой. Для качественной и быстрой работы необходимы были усиленные рабочие станции. В роли спасителя выступил профессор Стэнфордского университета Джим Кларк (Jim Clark), который, оставив кафедру компьютерной графики, открывает вместе с Эбби Сильверстоуном (Abbey Silverstone) компанию Silicon Graphics в ноябре 1981 года. Джим Кларк также является одним из основателей компании Netscape (1992). Первым детищем SGI стал IRIS 1000 - серия машин SGI, работающих с процессором Motorola 68000 и материнской платой Sun-1. Вскоре SGI начинает выпускать машины, работающие под операционной системой Unix. Преимуществом SGI в сравнении с моделями компьютеров других производителей являлся программно-аппаратный комплекс Geometry Pipelines, который увеличивал скорость работы с 3D.

С распространением 3D технологий и их внедрением в развлекательную индустрию наибольшего успеха добиваются графические станции SGI серии IRIS 4D, которые оснащаются мощными системами визуализации Onyx, способными уместить до 64 процессоров. Графические станции оснащаются 64 битными микропроцессорами MIPS. Этими машинами оснащаются крупнейшие голливудские 3D студии: ILM и Digital Domain. Графические станции SGI обладали большой производительностью и невероятно высокой стоимостью. Таким образом, рабочие станции SGI были ориентированы на небольшую целевую аудиторию, состоящую из одних профессионалов.

1.2 Что такое 3D-графика?

До появления трехмерных изображений в художественных фильмах, мультипликации, компьютерных играх, телевизионных приставках вплоть до начала 90-х гг. использовалась 2D-графика. В ее основу легли две оси координат: X и Y - широта и высота. Когда начали создавать спецэффекты в фильмах и играх, стали использовать еще одну ось - Z, которая выражала глубину изображения. Позже трехмерную графику начали применять и в мультипликации.

Сегодня, чтобы создавать объемные изображения достаточно хорошо овладеть одной из программ по созданию 3D-графики. Благодаря развитию программного обеспечения самостоятельно изготовить видеоролик или какую-нибудь объемную картинку может даже новичок в этом деле. Выбирая нужную программу, стоит обратить внимание на следующие моменты:

- наличие простых в понимании и высокопроизводительных по результату инструментов моделирования трехмерных объектов. Они должны быть удобны настолько, что даже начинающий специалист сможет создать с их помощью нечто впечатляющее;

- выход последней версии программы. Чем ближе к настоящему моменту программа обновлялась, тем больше новых возможностей она открывает. Кроме того, в каждую последующую версию обновления добавляются пожелания многотысячных пользователей, а значит, она отвечает требованиям творцов 3D-графики;

- наличие различных приложений. Во многих программах заложено до 100 и выше приложений - это дает возможность разнообразить процесс моделирования и добавить те эффекты, которые необходимы. В ряде программ можно также создавать собственные приложения - и это также является положительным качеством.

1.3 Анализ программ для создания 3D моделей

Прежде чем начать моделирование необходимо выбрать наиболее оптимальное программное обеспечение. Для начала хотелось бы перечислить ряд основных функций и возможностей 3D программ:

· создание трёхмерной модели сцены и объектов в ней;

· рендеринг или визуализация, то есть построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

· обработка и редактирование изображений;

· вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер;

Сейчас существует огромное число программ для 3D моделирования с большим количеством различных возможностей.

· Программа для 3D-визуализации Autodesk® 3ds Max® Design 2010 позволяет архитекторам, инженерам и дизайнерам всесторонне исследовать творческие идеи, обосновывать и демонстрировать их на всех стадиях работы -- от создания концептуальных моделей до презентаций студийного качества. Autodesk 3ds Max Design повышает эффективность рабочего процесса, а также обеспечивает тесное взаимодействие с семействами продуктов AutoCAD®, Revit® и Autodesk Inventor®.

· ArCon - современное, динамично развивающееся программное средство в области архитектурного проектирования и дизайна, предназначенное для архитекторов, дизайнеров, производителей готовых домов и мебели, строителей, одним словом, для всех, кто связан с проектированием, дизайном и строительством.

· Blender -- бесплатный пакет для создания трехмерной компьютерной графики, содержащий средства моделирования, анимации, рендеринга, обработки видео, а также создания игр. Функций программы Blender вполне достаточно для работы как обычным пользователям, так и профессионалам. В программе есть все основные инструменты, используемые в профессиональных 3D-редакторах.

· MeshLab - портативная, и расширяемая система для обработки и редактирования неструктурных треугольных сеток 3D. Программа помогает в обработке типичных моделей, созданных в 3D, сканированных, обеспечивает набор инструментальных средств для редактирования, сглаживания, исправления, конвертации в различные форматы 3D.

Из всего многообразия программ для 3D моделирования свой выбор я остановила на программе Sweet Home 3D.

Глава 2. Использование программы Sweet Home 3D для построения трехмерной модели жилого дома

2.1 Характеристика программы Sweet Home 3D

Sweet Home 3D- удобная программа с открытым исходным кодом для создания дизайна интерьера, с возможностью просмотра в 3D. С помощью Sweet Home 3D можно легко создавать детальные планы как отдельной комнаты, так и всего дома, а затем размещать мебель и различные объекты, такие как: двери, окна, лестницы, ограждения и многие другие по своему усмотрению. С каждым изменением 2D плана обновляется и 3D вид. В программе присутствует каталог образцов мебели, упорядоченный по категориям. Модели интерьера постоянно обновляются и их можно бесплатно скачивать с официального сайта разработчика. Основные возможностиSweet Home 3D:

· Каталог образцов мебели по категориям;

· Список образцов мебели, используемых в проекте;

· Подробный план дома;

· Настройка 3D просмотра (вид сверху и глазами виртуального посетителя, как будто Вы находитесь внутри комнаты);

· Возможность импорта как плана дома, так и отдельных 3D объектов;

· Редактирование фурнитуры;

· Создание фотографий 3D окна;

· Возможность печати Вашего проекта;

· Поддержка плагинов;

· Экспорт в формате OBJ;

2.2 Планирование и построение проекта жилого дома с использованием программы Sweet Home 3D

Каждое окно программы Sweet Home 3D разделено на четыре, изменяющие размер, рабочие области с панелью инструментов наверху.

1. Каталог образцов мебели.Это каталог образцов мебели, расположенных по категориям, содержит все образцы мебели, которые Вы можете добавить в дизайн Вашего дома. Образцы мебели, входяшие в категорию, отображаюся при нажатии на трегольник слева от названия категории.

2. Список образцов мебели, используемых в проекте.Этот список содержит все образцы мебели, используемые в проекте, отображая название, размер и прочие характеристики образцов. Список может быть отсортирован при нажатии на название необходимой характеристики.

3. План домаЭта область плана дома. Именно в этой области нужно рисовать стены и расставлять мебель.

4. 3D просмотр.Эта область 3D просмотра моделируемого дома. Возможно рассмотреть свой дом как сверху, так и используя виртуального посетителя (приложение 1).

Каждая из четырех рабочих областей может иметь фокус, от которого зависит список возможных действий. Фокус рабочей области отображается прямоугольным выделением вокруг нее.

В программе Sweet Home 3D предлагается следующая последовательность действий:

1. Импорт сканированного плана дома, как фонового рисунка;(приложение 2,3).

2. Возведение стен поверх фонового рисунка;(приложение 4).

3. Редактирование стен: толщина, цвет, текстура;(приложение 5).

4. Добавление дверей и окон к плану дома, редактирование их характеристик;(приложение 6).

5. Добавление мебели к плану дома, её редактирование;(приложение 7).

6. Проектирование комнат: изменение цвета и текстуры пола и потолка;(приложение 8).

7. Вывод чертежа на печать.

2.3 Достоинства и недостатки программы Sweet Home 3D

Проведя анализ работы программы Sweet Home 3D, мне удалось сделать выводы о сильных и слабых сторонах данного программного обеспечения.

Достоинства программы Sweet Home 3D:

· Программа обладает простым и понятным интерфейсом, с которым сможет справится любой человек.

· Программа позволяет смоделировать практически все, от стен в квартире и до мелких деталей интерьера.

· В программе можно добавлять текстуру пола, обоев, а также есть возможность импортировать в качестве таких текстур любое изображение.

· Sweet Home 3D позволяет просматривать полученный макет в 3D, при этом сцена в 3D рисуется интерактивно, то есть сразу же вслед за добавлением нового элемента.

· В Sweet Home 3D есть встроенная библиотека моделей, которую можно расширить простым импортированием 3D-моделей популярных форматов OBJ, DAE, 3DS или LWS. Помимо это на сайте разработчика есть дополнительная база моделей.

· В Sweet Home 3D можно ставить один объект интерьера на другой.

· Есть возможность задать вручную размеры каждого элемента модели.

· После создания модели Вы можете просмотреть на нее как бы от первого лица, используя режим просмотра"виртуальный посетитель". Для наглядного удобства можно сделать несколько снимков или записать видеоролик.

· Русский интерфейс. Помимо русского интерфейса программы, Sweet Home 3D имеет полную русскоязычную документацию, которую можно найти на сайте разработчика.

· Sweet Home 3D - это кросс-платформенное приложение, которое можно запустить на таких операционных системах как Linux, MacOS и Windows.

Недостатком пограммы Sweet Home 3D является лишь невозможность создавать многоэтажные здания, что не удобно для профессиональных дизайнеров и архитекторов.

Проведя исследование программы Sweet Home 3D, мне удалось создать модель жилого дома (приложение 9).

Заключение

Повсеместное внедрение 3D-графики вызвало увеличение мощности компьютеров без какого-либо существенного увеличения их цены. Пользователи ошеломлены открывающимися возможностями и стремятся попробовать их у себя на компьютерах. Множество новых 3D-карт позволяют пользователям видеть трехмерную графику в реальном времени на своих домашних компьютерах. Эти новые акселераторы позволяют добавлять реализм к изображениям и ускорять вывод графики в обход центрального процессора, опираясь на собственные аппаратные возможности.

В настоящее время трехмерные возможности используются в основном в играх. В современном мире деловые приложения также смогут извлечь из них выгоду. Например, средства автоматизированного проектирования уже нуждаются в выводе трехмерных объектов. Теперь создание и проектирование возможно и на персональном компьютере благодаря открывающимся возможностям. Трехмерная графика, возможно, сможет также изменить способ взаимодействия человека с компьютером. Использование трехмерных интерфейсов программ должно сделать процесс общения с компьютером еще более простым, чем в настоящее время.

Список литературы

1. compgraphics.info;

2. www.3dgraphics.ru;

3. wikipedia.org;

4. www.news3d.biz;

5. cpu3d.com;

6. www.mir3d.ru;

7. descreet-3dsmax.narod.ru;

8. www.sweethome3d.com;

Размещено на Allbest.ru