3D моделирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина»

Реферат

3D моделирование

Выполнила: Перегудова

Студентка 1 курса группы Д

специальности «Английский язык»

института иностранных языков

Проверила:

Роговая Анна Михайловна

Рязань 2016

Содержание

1. Основы 3D моделирования и визуализации

1.1 Моделирование

1.2 Текстурирование

1.3 Освещение

1.4 Визуализация

1.5 Трассировка лучей и метод фотонных карт

1.6 Анимация

1.7 Виртуальная студия

2. Классификация моделей

2.1 Материальный

2.2 Абстрактные или нематериальные

2.3 Мысленные и вербальные

2.4 Информационные

Список литературы

1. Основы 3D моделирования и визуализации

Компьютерное моделирование требуется во многих областях жизнедеятельности человека. Создание разных моделей, строительство, дизайн, телевидение, кино, тренажеры для подготовки кадров, компьютерные игры -- во всех этих сферах компьютерное моделирования стало необходимом атрибутом.

Трехмерное моделирование и анимации постоянно развивается и совершенствуется и предоставляет нам все большие возможности, чтобы реализовать нужные нам замыслы.

Есть пять этапов с трехмерной графикой, которые помогут вам создать готовый продукт:

1. Моделирование -- это способ создания объектов находящихся на сцене.

2. Текстурирование-- определение свойств поверхностей объектов, чтобы имитировать различные свойства физических предметов (цвет, фактура, прозрачность, яркость и т. д.).

3. Освещение -- добавление и размещение источников света по аналогии с театральной студии или на съемочной площадке.

4. Анимация -- создание движения по ключевым кадрам.

5. Визуализация -- является окончательным созданием изображения или анимации.

В эти этапы входят также визуальные и звуковые эффекты. И завершающим этапом мы можем считать редактирование и создание готового продукта.

1.1 Моделирование

Чтобы моделирование было успешным нужно заранее рассчитать, каким образом наблюдаемые (или воображаемые) объекты окружающего мира можно будет превратить в компьютерные модели.

Без внимательного наблюдения и визуального изучения окружающего мира невозможно создание верных образов. Одно дело просто смотреть на предмет, и совсем другое -- смотреть, подразумевая воссоздание его в виде трехмерной невозможно создание верных образов. Одно дело просто смотреть на модели.

Чтобы моделировать объекты, нужно рассматривать создаваемый мир глазами художника, скульптора, архитектора или инженера. И при этом исследовать объекты в терминах того, как они создавались. Нужно уметь выделять из объектов сложной формы простые элементы, которые значительно проще моделировать. Все это позволит создавать качественные модели и сложные объекты в сценах виртуального мира.

В программе 3ds Max можно использовать несколько различных типов трехмерного моделирования, которые можно применять в самых разнообразных ситуациях.

??Моделирование на основе примитивов. Примитивы -- это простейшие параметрические формы, такие как кубы, сферы и пирамиды. В визуализации такие объекты, как сфера, преобразуются в многоугольники, но получаемая поверхность выглядит намного более гладкой. Эффект сглаживания поверхности мы получаем за счет специальных алгоритмов закраски.

??Моделирование на основе сечений.

Объекты на основе сечений называются по аналогии со способом, который используется в судостроении, заключающимся в "натягивании" поверхности на произвольные сечения. Сечения или плоские формы -- двумерные объекты. При создании трехмерных объектов несколько форм располагаются вдоль некоторого пути.

??Моделирование, которое основано на использовании булевых операций. Булевы объекты (Booleans) создаются с помощью добавления, вычитания и пересечения перекрывающихся поверхностей

??Поверхностное моделирование основывается на создании произвольных поверхностей. При создании поверхностей используют разные математические модели и, соответственно, свои виды моделирования.

? многоугольные каркасы, редактируемые сетки -- сложные модели, которые созданны из множества разнообразных многоугольных поверхностей, сглаженных в процессе визуализации Полигональное моделирование основано на манипулировании непосредственно вершинами, ребрами и гранями. Плоскости, образующие многогранник, называются гранями (Polygon). Линии пересечения граней называются ребрами (Edges). Точки пересечения ребер называются вершинами (Vertex). Три вершины в пространстве образуют треугольную грань (Face);

· Лоскутки (Patches) строятся на основе сплайнов (гладких кривых) и могут изменяться с помощью контрольных точек. Образующие сплайны располагаются по краям создаваемой поверхности .

· Неоднородные рациональные B-сплайны (NURBS) -- технология, предназначенная для создания плавных форм и моделей. Она основана на специальном математическом аппарате. С помощью управляющих вершин, в отличие от лоскутного моделирования, можно воздействовать на любую локальную область поверхности. Технология с успехом применяется для моделирования моделей животных и людей

В моделировании поверхности по сплайновой сетке создается совокупность сплайнов, своеобразный каркас, на основе которого формируется поверхность (Surface).

Кроме базовых, существует также несколько усложненных типов, которые подходят для создания таких специальных объектов, как, например, рельеф или морфируемые модели.

Создаваемые трехмерные модели, по сути, являются набором координат в пространстве. Для того чтобы их можно было увидеть, должны быть закрашены их грани -- многоугольные плоскости, образуемые ребрами. Только после этого модель становится видимой.

1.2 Текстурирование

В этом этапе мы придаем поверхностям моделей вид реальных материалов. Только тогда модели будут выглядеть как можно максимально реалистично. Они приобретут вид дерева, металла, пластика или любого материала, из которого будет сделано ваше изделие. Поверхность превратится в зеркальную или прозрачную. Специально для этого в любой программе трехмерного моделирования есть редакторы материалов, где есть готовые наборы материалов, с помощью которых можно разработать собственные материалы. В 3ds Max редактор материалов (Material Editor) является, пожалуй, самым важным модулем программы.

Цвет -- это один из самых простых свойств материала. Однако даже в использовании цвета есть свои подводные камни. Цвет может быть основным, который определяет покрытие всего объекта, обтекающим, который определяет влияние фонового освещения, зеркальным, определяющим цветом наиболее ярких участков блестящей поверхности объекта и т. д.

В процессе создания материалов очень широко используют карты текстур, в простейшем виде растровые изображения реальных объектов. Помимо этого используются процедурные карты -- изображения, генерирующиеся программным путем. В процессе создания материала вы можете использовать несколько карт текстур.

Точное размещение материала на поверхности объекта достигается с помощью так называемых координатов проецирования, когда растровое изображение интерактивно размещается на поверхности объекта.

Умение грамотно использовать материалы может позволить нам сохранить много времени и добиться отличных результатов. Для примера мы можем взять окно или балконную решетку, которые можно смоделировать при помощи полигонов или других способов, либо использовать материал, основанный на растровых изображениях.

Чтобы создать материал, необходимы следующие свойства обьекта: отражение , преломление и прозрачность . Кроме этого, вы можете задать не только то, как поверхность реагирует на свет, но и все необходимые свойства отраженного света и его силу. Во многом это определяется математическими алгоритмами, реализующие эти эффекты.

При создании прозрачные объекты при помощи материалов, вы можете управлять свойствами преломленного света.

Умелое использование материалов позволяет добиться прекрасных результатов. Для этого необходимы навыки не только инженера, но и художника.

1.3 Освещение

Наилучшее освещение должно являться почти подсознательным: это когда оно присутствует, но не является навязчивым. Оно подчеркивает свойства сцены, которые выполнены в результате моделирования и использования материалов. Освещение является определяющим фактором для настроения всей сцены. Специалисты могут изучать различные свойства освещения в архитектуре, но определенные навыки оно могут получит только в процессе изучения художественной фотографии и кинематографии.

1.4 Визуализация

В области трехмерного моделирования очень важной задачей является задача получить реалистичное и правдоподобное конечное изображение. Главным критерием фотореалистичности и правдоподобности трехмерного изображения является точное отображение освещения, теней, отражающих и поглощающих свойств материалов объектов.

Визуализация - это заключительный этапом работы над моделируемой сценой. В этом этапе компьютер превращает математическую модель сцены в форму, которая будет доступна для визуального восприятия. Этот процесс мы называем рендерингом. В английском языке существует слово visualization (визуализация), но оно имеет более широкое значение. В 3ds max только на этапе рендеринга мы можем видеть все свойства материалов объектов, источников света, здесьпроявляются эффекты внешней среды, использованные в составе сцены.

Сцены, созданные нами, могут быть визуализированы с различной степенью точности. Для этого мы используем разные механизмы визуализации, они и позволят нам получить различное качество, но выполняться будут, соответственно, с разной скоростью. Также в этом этапе важную роль играет быстродействие компьютера и параметры видеокарты.

1.5 Трассировка лучей и метод фотонных карт

Пожалуй, один из самых распространенных методов для построения реалистических изображений является трассировка лучей. При построении изображения луч посылается в заданном направлении, чтобы оценить приходящую оттуда световую энергию. Эта энергия определяется освещенностью первой поверхности, что выветрилась на пути луча.

Метод трассировки лучей позволяет получить нам неплохие результаты и рассчитывать отражение и преломление. Несмотря на его популярность и эффективность, мы имеем множество физических явлений, которые он реализует плохо или не реализует вовсе. Для примера, такие эффекты, как рассеивающие отражения (цветовой оттенок от комода из красного дерева на белом ковре) и сфокусированный свет (блики от воды на дне бассейна).

Метод фотонных карт -- это расширение метода трассировки лучей, предлагающий решения для таких ситуаций. Расширение метода трассировки лучей использованием фотонных карт предоставляет нам метод, который способен эффективно симулировать все типы прямого и непрямого освещения. Более того, метод фотонных карт помогает нам учитывать влияние среды, в которой свет распространяется. Метод фотонных карт работает согласно следующему алгоритму: сначала из источников света испускаются фотоны, после этого происходит трассировка фотонов с последующим сохранением информации на фотонной карте.

После того, как фотон испущен, происходит начало его трассировки: отслеживание пути фотона через сцену. Если фотон сталкивается с объектом, то может быть отражен, поглощен или "пропущен". Что именно случится с ним, вычисляется вероятностно, судя по параметрам материала поверхности. Также при попадании на поверхность разных цветов результат должен быть различным. Для примера, если частица попала на зеленую рассеивающую поверхность, то будет отржаться только зеленая составляющая, а синяя и красная поглотятся.

В 3ds max мы используем оба метода: трассировка лучей по умолчанию и специальный визуализатор mental ray, который дополнен методом фотонных карт.

Несколько слов о терминологии в описании материалов, которая используется для визуализатора mental ray. Так, шейдером (shader) в mental ray мы называем алгоритм расчета того или иного конкретного простого свойства поверхности объекта. Сложное сочетание шейдеров, которые разносторонне описывают свойства поверхности объекта, в mental ray называют phenomena.

1.6 Анимация

трехмерный графика моделирование

Анимация -- один из самых сложных этаов трехмерного моделирования. Для трехмерной анимации мы должны иметь широкие знания математики и физики, актерского и балетного ремесла. Кроме этого, нужно быть одновременно сценаристом и режиссером.

Чтобы создать плавное и логически правильное движение, нам нужно намного больше усилий, чем те сферы, котореы требуют другие элементы трехмерного моделирования. Создание реальных характеров усложняет задачу многократно.

Анимация -- это иллюзия движения, которая создано с помощью просмотра кадров, быстро сменяющих друг друга. В трехмерной анимации мы используем трехмерные модели, материалы и освещение. Для создания движения, автор определяет только ключевые кадры (key frames), а программное обеспечение создает или интерполирует движение между ними. В заключительном этапе, при визуализации, это трехмерное действие представляется как двумерное изображение, последовательность которого и создает иллюзию движения.

1.7 Виртуальная студия

В моделировании мы часто используем понятие виртуальной студии -- это аналог простой трехмерной комнаты. У этой комнаты есть две стены и потолок. Все это сделано из элементарных ячеек, на которые накладываются изображения проекций создаваемой нами модели (виды сбоку, сверху, спереди). Эти изображения в дальнейшем пригодятся нам для

использования в качестве шаблонов при работе. Рисунки могут быть и нарисованные от руки, с помощью компьютерных программ или взятые из Интернета. Если ваш рисунок выполнен вручную, то вам следует сделать контур изображения достаточно темным (например, черной ручкой). После этого выполняется сканирование изображения. Так же вы можете использовать фотографии в качестве осевых проекций. Основная задача -- сохранение пропорции изображений и выполнение масштабирования, если это необходимо.

2. Классификация моделей

Все модели мы можем разделить на две большие группы: модели материальные и абстрактные (нематериальные). Эти две группы классифицируются по типу того, «из чего сделаны» модели. Обе эти модели: и материальная, и абстрактная содержат информацию об исходном объекте, только в материальной модели эта информация имеет реальное воплощение -- цвет, форму, пропорции и т. п. Мы можем ее построить с помощью органов чувств: зрения, осязания, обоняния, а также мы можем воспользоваться измерительными приборами и инструментами. В нематериальной модели та же информация дается нам в абстрактной форме (мысль, формула, чертеж, схема).

Обе модели: материальная и абстрактна, могут отражать один и тот же прототип и взаимно дополнять друг друга. Мы можем рассмотреть это на прмере: некоторым из вас наверняка доводилось видеть в цирке эффектный номер с мотоциклистом, который движется с большой скоростью по отвесной стене. В аттракционе «Сюрприз» в парке культуры и отдыха кабинки с людьми вращаются на большой скорости в вертикальной плоскости. Причины, по которым мотоциклист может удерживаться, катаясь по отвесной стене, а люди не выпадают из своих кабинок, могут быть обьяснены с помощью центробежных сил, котореы действуют на каждый объект при вращении. Мы можем изобразить их на чертеже и описать формулами. Это есть различные абстрактные формы представления информации. Не каждый человек сможет понять их. Однако этот процесс мы можем продемнострировать и на примере очень простого опыта. Вам нужно всего лишь взять ведро с водой и раскрутить его. Мы можем отметить, что вода не будет выливаться под действием тех же сил. С помощью этого опыта мы можем убедиться, что, действительно, при вращении возникают какие-то силы. На аттракционе вы можете почувствовать их на себе. Так материальная модель помогает понять суть сложного физического процесса.

2.1 Материальные модели

Материальные модели мы можем также назвать предметными, физическими, это физическое подобие объекта. Они всегда будут иметь реальное воплощение, которое передает и воспроизводит геометрические и физические свойства оригинала.

Эти модели могут отражать:

Различные внешние свойства изначальных объектов;

внутреннее устройство изначальных объектов;

суть процессов и явлений, которые происходят с объектами-оригиналами.

К простейшим примерам материальных моделей мы можем отнести детские игрушки. С помощью них ребенок изучает и познает свойства окружающих объектов. Он также получает первое представление о том, как устроен исходный объект и даже может понять принципы его работы тот момент, когда он разбирает некоторые игрушки в процессе игры.

Мы можем заменить процессы, в которых реальный объект принимает участие, процессами другой физической природы. Приведем пример, в той же детской машинке процесс движения будет обеспечиваться не работой двигателя внутреннего сгорания, а закрученной пружиной или инерционным механизмом. Но при этом соблюдается принцип преобразования вращательного движения колес в поступательное движение автомобиля.

Материальные модели могут быть и не похожи на свои прототипы. Например, робот, который заменяет людей на тяжелом и вредном производстве, будет совершенно не похож на человека. Это механическое устройство, манипулятор. Только люди будут представлять робота в детских книжках и мультиках уже как механического человека.

Модели могут помочь нам узнать о свойствах реальных объектов и также понять «механизм» сложных явлений, именно поэтому они часто используются и в процессе обучения. Как материальные модели здесь могут выступать скелет человека и чучело птицы в кабинете биологии, а также объемная модель Солнечной системы и макет многоступенчатой ракеты в кабинете астрономии.

К материальным моделям мы можем отнести не только школьные пособия, но и различные химические и физические опыты. В опытах моделируются действия над объектами, например реакция между водородом и кислородом (веществами, объектами исследования). Эта реакция даже при малых количествах исходных веществ происходит с оглушительным хлопком. Модель является предупреждением о последствиях возникновения «гремучей смеси» из безобидных и широко распространенных в природе веществ.

2.2 Абстрактные или нематериальные модели

Мы не можем потрогать абстрактные модели, так как у них нет материального воплощения. Как основу таких моделей мы считаем информацию, такой тип моделирования использует теоретический метод познания окружающей действительности.

Мы можем разделить абстрактные модели на несколько подклассов:

Вербальные и мысленные;

информационные.

2.3 Мысленные и вербальные модели

В результате раздумий, умозаключений, в виде некоторого образа в воображении человека формируются мысленные модели. Как пример можем привести модель поведения при переходе через дорогу. Снчала человек будет анализировать ситуацию на дороге и вырабатывать модель поведения. Если он смоделировал ситуацию правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти дорожно-транспортное происшествие. Такие модели существуют при каждой сознательной деятельности человека. Когда мы собираемся делать покупки, то мы мысленно представляем, что и сколько можем купить на имеющуюся сумму.

К таким моделям можно добавить также и идею, которая возникает у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в мыслях у композитора, и рифму, что родилась в голове поэта. Во всех этих примерах мы создаем модели перед созданием объекта, который был одним из этапов творческого процесса. Такие модели могут возникнуть у зрителя, слушателя, читателя как реакция на уже существующие объекты.

Мы можем выразить мысленную модель и в разговорной форме. В этом случае иы часто зовем ее вербальной. Вербальную модель человек использует для передачи своих мыслей другим.

2.4 Информационные модели

У всех людей есть разные образы, которые возникают как реакция на одни и те же объекты и явления. Именно поэтому образная модель является индивидуальной и не моет отображать прототип точно. Мы не сможем получить впечатление от музыкального произведения, услышав не музыку, а рассказ о ней.

Мы должны выразить информацию при помощи системы знаков, чтобы ее можно было использовать для обработки на компьютере. Кроме того, вы должны предоставить информацию в такой виде, который бы отвечал поставленной цели исследования. Такую работу зовут формализацией задачи.

Поэтому вместе с вербальными и мысленными моделями необходимо использовать и более строгие -- информационные модели.

Информационная модель - это совокупность информации, которая характеризует свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Любая информационная модель содержит лишь существенные сведения об объекте с учетом той цели, для которой она создается. Информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными.

Существуют разнообразные системы условных обозначений и соглашений, относящихся к разным областям деятельности и пригодных для описания моделей. Подобную систему и правила использования ее элементов называют языком. Язык может быть разговорным, алгоритмическим, математическим, языком кодирования и пр.

Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разную форму представления, выражаться различными средствами. По степени формализации, строгости описания это многообразие можно условно разделить на образно-знаковые и знаковые модели.

Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное мышление. По цвету на карте можно сразу оценить рельеф. Например, с голубым цветом у человека ассоциируется вода, с зеленым -- цветущий луг, равнина. Карта изобилует условными обозначениями. Зная этот язык, человек может получить достоверную информацию об интересующем его объекте. Информационная знаковая модель в этом случае будет результатом осмысления сведений, полученных при помощи органов чувств и информации, закодированной в виде условных изображений.

То же можно сказать о живописи. Неискушенный зритель воспримет картину душой, в виде образной модели. Но существуют некоторые художественные языки, соответствующие различным живописным жанрам и школам: сочетание цветов, характер мазка, способы передачи воздуха, объема и т. д. Человеку, знающему эти условности, легче разобраться в том, что имел в виду художник, особенно если произведение не относится к реализму.

Еще один пример такой модели -- фотография. Фотоаппарат позволяет получить изображение оригинала. Обычно фотография дает нам довольно точное представление о внешнем облике человека. Существуют некоторые признаки (высота лба, посадка глаз, форма подбородка), по которым специалисты могут определить характер человека, его склонность к тем или иным поступкам. Этот специальный язык формируется из сведений, накопленных в области физиогномики и собственного опыта. Знающие врачи, взглянув на фото незнакомого человека, увидят признаки некоторых заболеваний. Задавшись разными целями, по одной и той же фотографии можно получить различные информационные модели. Они будут результатом обработки образной информации, полученной при разглядывании фотографии, и информации, сложившейся на основе знания специального профессионального языка.

По форме представления образно-знаковых моделей среди них можно выделить следующие группы:

геометрические модели, отображающие внешний вид оригинала (рисунок, пиктограмма, чертеж, план, карта, объемное изображение);

структурные модели, отображающие строение объектов и связи их параметров (таблица, график, схема, диаграмма);

словесные модели, зафиксированные (описанные) средствами естественного языка;

* алгоритмические модели, описывающие последовательность действий (нумерованный список, пошаговое перечисление, блок-схема).

* Знаковая модель -- информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка.

Знаковые модели можно разделить на следующие группы:

математические модели, представленные математическими формулами, отображающими связь различных параметров объекта, системы или процесса;

специальные модели, представленные на специальных языках (ноты, химические формулы и т. п.);

алгоритмические модели, представляющие процесс в виде программы, записанной на специальном языке.

Список литературы

1. Алексеева И.В. Сборник задач и упражнений по курсу «Информатика». - Обнинск: Обнинский институт атомной энергетики, 2007.

2. Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2008 г.

3. Информатика.- / Под ред. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2007. - 768 с.

4. Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2008.

5. Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. - М.: Вуз и школа, 2009. - 636с.

6. Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр "Академия", 2008

7. Острейковский В.А. Информатика. - м.: Высшая школа, 2007.- 512с.

8. Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. - 2-е изд. Доп. - М.: Финансы и статистика, 2008.

9. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователей. - М.: 2007.

10. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга.- М.: Финансы и статистика, 2008

Размещено на Allbest.ru