Практичні аспекти вивчення полігонального 3D моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практичні аспекти вивчення полігонального 3D моделювання

Мосіюк Олександр Олександрович

кандидат педагогічних наук,

доцент кафедри комп'ютерних наук та інформаційних технологій Житомирського державного університету імені Івана Франка

Створення та застосування сучасних тривимірних моделей в освіті є важливим трендом сьогодення. Особливо він проявляються у все частішому впровадженні технологій віртуальної та доповненої реальності з навчальною метою. Як наслідок, необхідною умовою підготовки майбутніх вчителів та викладачів інформатики є набуття компетенцій та компетентностей, важливих для створення освітнього 3D контенту. Саме тому в статті розкривається важливі методичні аспекти полігонального тривимірного моделювання. Зокрема, акцентується на завданнях, які дозволяють студентам здобути необхідні знання, уміння та навички для створення тривимірних полігональних моделей із коректною сіткою полігонів. Важливі моменти доповнюються ілюстраціями. У підсумку зауважується на важливості подальшого удосконалення методичних підходів до вивчення тривимірної графіки загалом та вказуються перспективи подальших наукових пошуків.

Ключові слова: 3D графіка, полігональне моделювання, правила полігонального моделювання, Blender, коректна сітка полігонів.

PRACTICAL ASPECTS OF LEARNING POLYGONAL 3D MODELING

Mosiyuk Oleksandr Oleksandrovych - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Computer Science and Information Technologies at Ivan Franko Zhytomyr State University

An article describes the practical aspects of studying polygonal modeling. To substantiate the topic's relevance, the author points out the importance of modernization in the education sphere. In particular, the using three-dimensional graphics and virtual and augmented reality technologies are one of the significant trends of today. That is why the studying of approaches to the creation and use of digital three-dimensional educational content is necessary for the training of future teachers and lecturers. The author considers the works of both Ukrainian and English-speaking researchers. His analysis of scientific research shows that scientists mainly describe the general issues of implementing 3D graphics, as well as VR and AR, in the educational process. However, they don't sufficiently reveal the topics that are related to the vital problematic moments of studying the process of creating 3D content. Usually, students master them very hard. These include polygonal three-dimensional modeling, animation, and rendering. That is why the author focuses his attention on one of such problematic points - the studying of polygonal modeling. In particular, he aimed to reveal practical aspects of learning based on the analysis of polygon modeling rules, which are directed at helping students to improve their skills in creating surfaces of virtual digital objects. In the main part of the article, the author notes the importance of observing the rules of high-quality construction of the polygon mesh on the object, which is modeled in the three-dimensional editor. Based on the analysis of the presented rules, he gives examples of educational tasks. They allow students to improve their skills in polygonal 3D modeling. The presented tasks can also be used by other teachers to create their system of practical tasks for studying 3D modeling. The article contains the necessary images of three-dimensional models that complement the text material. The models presented in the images are made in the freely distributed 3D graphics editor Blender. This choice is due to the fact that this program is used for teaching three-dimensional graphics both in the study of informatics in schools and institutions of higher and professional education. The conclusions summarize the presented material and point to further prospects for scientific research.

Keywords. 3D graphics, polygonal modeling, rules of polygonal modeling, Blender, correct polygon mesh.

Постановка та обґрунтування актуальності проблеми

тривимірне полігональне моделювання

Технології віртуальної і доповненої реальності все більше використовуються у різноманітних сферах суспільного життя. Особливо вони є актуальними для освітньої галузі, оскільки дозволяють продемонструвати такі процеси, які неможливо відтворити в умовах навчальних лабораторій через їх потенційну небезпеку або ж інші вагомі причини. Прямим наслідком цього є зростання попиту на фахівців, які здатні створювати необхідний контент за допомогою редакторів тривимірної графіки і інтегрувати його у відповідні VR або AR програми. Саме тому, важливим є набуття майбутніми педагогами (вчителями та викладачами інформатики) необхідних компетенцій і компетентностей для якісного створення та використання освітнього 3D контенту.

У процесі навчання студенти мають засвоїти принципи генерації тривимірних об'єктів за допомогою твердотільного, полігонального та процедурного підходів. Кожен з них є надзвичайно важливим для розуміння суті сучасної 3D графіки і концепцій створення цифрових моделей для віртуальної та доповненої реальності.

Зупинимося детальніше на полігональному. Цей напрям передбачає створення каркасної поверхні об'єкта, що моделюється, на основі зв'язаних між собою просторових багатокутників. Чим більша кількість таких складових буде задіяна у створенні поверхні тим краще деталізованою буде й майбутня модель. І саме на цьому важливому моменті у студентів найчастіше виникають проблемні ситуації в навчанні. Зокрема найбільш поширеним помилками є втрата форми створюваної фігури, а також похибки у розподілі світла та тіней на поверхні, небажані спотворення самої поверхні тощо. Все це виправляється, у переважній більшості, формуванням правильної рівномірної полігональної сітки. Тому цьому питанню варто приділяти більше уваги при вивчені класичних редакторів тривимірної графіки.

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Питання, пов'язані із вивченням 3D графіки, моделювання та візуалізації цифрових віртуальних об'єктів у межах бакалаврських освітніх програм спеціальностей, пов'язаних з інформаційними технологіями, є важливою частиною сучасної дискусії педагогів-науковців. Загальні аспекти вивчення комп'ютерної графіки досліджували Брюханова Г. В. [1], Гевко І., Колеса П. [2], Горобець С. М. [3], Карпенко О., Острога М. [4], Корчевський Д. О. [6]. Окремі питання методики навчання 3D моделюванню у закладах вищої освіти та загальноосвітніх школах розкривають Кириченко О. [5], Носаченко Д, Удовиченко О., Шершень О., Юрченко А. [7, 9].

Англомовні джерела більшою мірою розкривають теми, пов'язані із 3D технологіями. Так Сусело Т., Вунше Б. і Лакстон-Рейлі А. описють важливі технології та засоби підтримки навчання загалом комп'ютерної графіки [15], а також вказують на проблеми із засвоєння студентами просторових перетворень [16]. Бруцман Д. Описує досвід викладання 3D моделювання та симуляції для аспірантів [12].

Надзвичайно актуальними є роботи, у яких досліджується використання тривимірних редакторів у студентських і учнівських STEM / STEAM проектах [10, 13, 17]. Вплив технологій просторового комп'ютерного моделювання та 3D друку при інноваційному навчанні біології досліджували Бонорден М., Папенброк Дж. [11].

Як видно із представлених джерел більшість дослідників не достатньою мірою розкривають саме методичні питання навчання студентів роботи із 3D редакторами, а переважно зосереджуються на узагальнених педагогічних технологіях вивчення комп'ютерної графіки та впровадженню новітніх засобів у освітній процес.

У той же час окремі проблемні ситуації у вивченні тривимірного моделювання, які викликають у студентів труднощі, оминаються та не висвітлюються певною мірою. Серед таких варто виокремити теми, пов'язані із навчанням полігонального моделювання, анімації або ж процесу візуалізації 3D об'єктів.

Розглянемо більш докладніше вивчення саме полігонального моделювання, через що метою статті є розкриття важливих практичних аспектів навчання на основі аналізу завдань, виконання яких дозволить студентам повною мірою засвоїти необхідні знання, уміння та навички з тривимірного полігонального моделювання.

Методи дослідження. При дослідженні поставленого питання використовувалися загальнонаукові та теоретичні методи. Зокрема аналізувалася, систематизувалася та класифікувалася інформації, порівнювалися результати та узагальнювався досвід як вітчизняних, так і закордонних фахівців з тривимірного моделювання, педагогів, науковців.

Виклад основного матеріалу дослідження

Перш ніж розкрити основні приклади завдань для напрацювання студентами необхідних навичок варто окреслити самі правила (або ж, більшою мірою, рекомендації), яких слід дотримуватися при полігональному моделюванні. Найкраще вони охарактеризовані у статті «How to understand topology in 3D modeling?» [14]. Наведемо їх короткий опис.

1. Створення будь-якого об'єкта необхідно розпочинати із найпростішого меша (або їх композиції), який максимально наближено описує його форму.

2. Розподіл багатокутників на поверхні створюваного об'єкта має бути упорядкованим та рівномірним (на скільки це дозволяє складність модельованого об'єкта у 3D редакторі).

3. Для якісного відображення необхідних деталей створюваного об'єкта слід додавати підтримуючі групи ребер.

4. Контроль умовного «потоку» підтримуючих груп ребер дозволяє вчасно виявити проблемні моменти у побудові сітки та виправити їх.

Керуючись цими правилами представимо приклади завдань, які дозволяють сформувати у студентів необхідне уявлення про правильну полігональну сітку та закріпити відповідні навички моделювання.

Тут варто зробити зауваження. Всі завдання базуються на розробці технологічних об'єктів, оскільки створення органіки, природних ландшафтів, водних поверхонь кардинально відрізняється підходами і вимогами до організації самого процесу.

Для відпрацювання першого правила студентам варто навчитися аналізувати форму майбутньої моделі на основі креслень або ж референсів та виокремлювати в уяві базові геометричні форми (до них відносяться звичні просторові фігури: багатогранна призма, піраміда, куб, циліндр, конус, сфера тощо). Таке розбиття дозволяє сформувати план самого моделювання, створити необхідну композицію, налаштувати ракурс віртуальної камери та визначити позиції для джерел освітлення. Серед завдань, які варто запропонувати студентам слід назвати такі.

1. Проаналізуйте речі навколо Вас. Назвіть базові геометричні фігури, які необхідні для формування зовнішнього вигляду кожного з предмета.

Просте, на перший погляд, завдання дозволяє структурувати та розвивати абстрактне візуальне мислення; навчити студентів оперувати предметами в їх уяві, аналізувати форму.

Більш складною версією попереднього завдання є його переосмислення у такий спосіб.

2. Виберіть певний предмет. Проаналізуйте його форму. Користуючись програмою Blender та базовими мешами сформуйте композицію геометричних фігур, які максимально просто і водночас найбільш повно повторюють форму модельованого об'єкта.

Розуміння другого правила є не менш важливим для набуття студентами необхідних компетенцій та компетентностей у 3D моделюванні. Більше того, це правило необхідно розглядати у комплексі із наступною - третьою рекомендацією.

При цьому зауважимо на ряді важливих моментів, переш ніж перейти до розгляду прикладу завдання. По-перше, для формування коректної сітки полігонів необхідно використовувати як основу просторовий замкнутий чотирикутник. Це пов'язано із тим, що збільшення кількості полігонів на моделі відбуваються (у переважній більшості) за допомогою модифікатора Subdivision Surface (саме така функція реалізована к програмі Blender) або аналогічних у інших програмах. Допускається використання трикутників, але лише в тому випадку, якщо створювана модель готується до тривимірного дуку на 3D принтері.

По-друге викладач має продемонструвати студентам різні варіанти розміщення багатокутників на поверхні для того, щоб вони вміли створювати необхідну деталізацію і при цьому не порушувати структуру сітки полігонів.

По-третє, формування циліндричних поверхонь або ж отворів має відбуватися за допомогою багатогранних призм - зазвичай це 8- кутні, 16-кутні або 32-кутні прямі призми.

По-четверте, модифікатор Subdivision Surface не тільки збільшує кількість полігонів, а й значною мірою деформує форму створюваного об'єкта. Через що необхідно додавати підтримуючі групи ребер або ж фаски, які забезпечують збереження форми об'єкта навіть при застосуванні уже згадуваного модифікатора. На рисунку 1 представлено приклад циліндру (в його основі міститься 32-кутник) із застосованим модифікатором Subdivision Surface, але без використання утримуючих груп ребер (рис. 1, а); з використанням утримуючих груп ребер (рис. 1, б) та застосуванням спеціальних фасок (рис. 1, в). Всі моделі виконані у Blender [8]. Це пов'язано із тим, що цей редактор є одним із основних для вивчення тривимірної графіки як у шкільному курсі інформатики так і у закладах вищої освіти, які готують педагогів-інформатиків.

Рис. 1. Вплив підтримуючих груп ребер та фасок на збереження загальної форми об'єкта при застосуванні модифікатора Subdivision Surface

Для відпрацювання необхідних навичок створення рівномірної коректної сітки студентам варто запропонувати завдання подібне до наступного.

За допомогою інструментарію для полігонального моделювання в графічному редакторі Blender виконайте побудову, наприклад, наступних фігур (рис. 2). Всі моделі мають відповідати таким вимогам.

· Основою для полігональної поверхні має бути лише просторовий чотирикутник.

· Всі рельєфні елементи на об'єкті мають бути повністю реалізовані.

·

· При застосуванні модифікатора Subdivision Surface об'єкт не має втрачати форму і проявляти дефекти

Останнє, четверте правило, є певним контролем якості створюваного полігонального об'єкта, керуючись яким студент може виявити певні проблемні ситуації у створюваній сітці та завчасно виправити їх. Для відпрацювання навичок його застосування студентам варто представити ряд прикладів «сітки» вже змодельованих об'єктів та запропонувати їм віднайти на них проблемні ситуації і пояснити можливі наслідки таких помилок. Це дозволить тим, хто вивчає 3D графіку, навчитися їх виокремлювати і передбачати.

Рис. 2. Варіанти завдань для відпрацювання навичок полігонального 3D моделювання

Висновки та перспективи подальших розвідок напряму

Вивчення тривимірної графіки є важливою частиною становлення педагога- інформатика. Це пов'язано із тим, що все більше технології 3D графіки проникають у навчальних процес різних предметів.

Аналізуючи сучасні науково-методичні праці, пов'язані із тематикою тривимірної графіки зауважимо, що у літературі виокремлюються ряд важливих напрямів: загальний опис можливостей використання цифрових об'ємних зображень при вивченні різних дисциплін; значення 3D моделювання при створенні учнівських та студентських STEM / STEAM проектів; перспективи використання інструментарію віртуальної та доповненої реальності з навчальною метою. Разом із тим відмітимо, що значною мірою оминаються питання, пов'язані методикою навчання освітніх компонент, на яких розкривається сутність сучасної 3D графіки. У контексті чого, запропоновані у статті приклади завдань, дозволяють педагогам-практикам на основі представлених матеріалів напрацювати свій підхід до викладання тривимірного моделювання як у школі так і закладах професійної і вищої освіти.

Серед подальших перспектив наукових пошуків варто назвати такі напрями: удосконалення методичної системи вивчення тривимірного моделювання як у закладах вищої освіти так і для курсу інформатики у загальноосвітній школі; напрацювання методичних рекомендацій із цієї тематики; створення комплексу завдань для якісного освоєння предмету тощо.

СПИСОК ДЖЕРЕЛ

1. Брюханова Г. В. Основні аспекти підготовки майбутніх учителів комп'ютерної графіки з використанням комп'ютерних технологій. Проблеми підготовки сучасного вчителя, 2012. № 6, Ч. 2. С. 86-92.

2. Гевко І., Коляса П. Методика навчання комп'ютерної графіки студентів закладів вищої освіти. Молодь і ринок. 2019, № 3 (170), С. 6 - 11. DOI: https://doi.org/10.24919/2308-4634.2019.165988.

3. Горобець С. М. Методичні підходи щодо навчання комп'ютерній графіці студентів ВНЗ засобами інформаційно-комунікаційних технологій. Вісник Житомирського державного університету імені Івана Франка. Педагогічні науки. 2018, Випуск № 1, № 92, С. 75-79.

4. Карпенко О., Острога М. Спеціалізоване програмне забезпечення в галузі комп'ютерної графіки та його вивчення на уроках інформатики. Освіта. Інноватика. Практика, 2020. Том 7, № 1. С. 13-19.

5. Кириченко О.С. Критерії формування готовності до професійної діяльності інженерів на основі 3D-моделювання. Освітологічний дискурс, 2017. № 3-4. С. 296-308. DOI: https://doi.org/10.28925/2312- 5829.2017.3-4.2938.

6. Корчевський Д.О. Теоретико-методичні основи інтеграції змісту практично-технічної підготовки фахівців з комп'ютерної графіки і дизайну : автореф. дис. ... доктора. пед. наук : 13.00.02. Київ, 2017. 40 с.

7. Носаченко Д., Юрченко А. Організація гурткових занять з 3D-моделювання в середовищі Cinema 4D. Освіта. Інноватика. Практика, 2020. Том 7, № 1. С. 39-47.

8. Офіційний сайт Blender : веб-сайт. URL: https://www.blender.org/ (дата звернення: 11.01.2023).

9. Юрченко А., Удовиченко О., Шершень О. Особливості вивчення 3D-графіки в умовах неформальної освіти. Освіта. Інноватика. Практика, 2022. Том 10, № 5. С. 48-57. DOI: https://doi.org/10.31110/2616-650X-vol10i5-007.

10. Bicer A., Nite S. B., Capraro R. M., Barroso L. R., Capraro M. M., Lee Y. Moving from STEM to STEAM: the effects of informal STEM learning on students' creativity and problem solving skills with 3D printing. 2017 IEEE Frontiers in Education Conference (FIE). Indianapolis, IN, USA. October 18 - 21, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/FIE.2017.8190545.

11. Bonorden M., Papenbrock J. Evidence-based optimization of classroom teaching units using 3D printers for designing models--from the 2D Picture to the 3D flower model. Education Sciences, 2022. Vol. 12, №. 11. DOI: https://doi.org/10.3390/educsci12110831.

12. Brutzman D. Teaching 3D modeling and simulation: virtual kelp forest case study. Web3D '02: Proceedings of the seventh international conference on 3D Web technology. February, 2002. P. 93-101. DOI: https://doi.org/10.1145/504502.504518.

13. Earle M. T., Wyatt J. E. Preparing to teach STEM in middle school using understanding by design framework: focus on using CAD in creative arts. 2014 IEEE Integrated STEM Education Conference. Princeton, NJ, USA. March 8, 2014.DOI: https://doi.org/10.1109/ISECon.2014.6891017.

14. How to understand topology in 3D modeling? : web-site. URL: https://elementza.com/how-to-understand- topology-in-3d-modeling/ (дата звернення: 11.01.2023).

15. Suselo T., Wьnsche B., Luxton-Reilly A. Technologies and tools to support teaching and learning computer graphics: a literature review. ACE '19: Proceedings of the Twenty-First Australasian Computing Education Conference, January, 2019. P. 96-105. DOI: https://doi.org/10.1145/3286960.3286972.

16. Suselo T.; Wьnsche B., Luxton-Reilly A. Teaching and learning 3d transformations in introductory computer graphics: A User Study. In Proceedings of the 17th International Joint Conference on Computer Vision, Imaging and Computer Graphics Theory and Applications - GRAPP, 2022. P. 126-135. DOI: https://doi.org/10.5220/ 0011003100003124.

17. Yagli S., Hsieh S.-J. Maker: designing and building a prosthetic hand for a high school engineering design course. 2018 ASEE Annual Conference & Exposition. Salt Lake City, Utah, USA. June 23, 2018. URL: https://www.asee.org/public/conferences/106/papers/2 2050/view (дата звернення: 11.01.2023).

REFERENCES

1. Briukhanova, H.V. (2012) Osnovni aspekty pidhotovky maibutnikh uchyteliv kompiuternoi hrafiky z vykorystanniam kompiuternykh tekhnolohii. [Basic aspects of training future teachers of computer graphics using computer technologies]. Problemy pidhotovky suchasnoho vchytelia, 6(2), 86 - 92. [in Ukrainian].

2. Hevko, I., Koliasa, P. (2019) Metodyka navchannia kompiuternoi hrafiky studentiv zakladiv vyshchoi osvity [Methods of teaching computer graphics to students of higher education institutions]. Molod i rynok, 3 (170), 6 - 11. [in Ukrainian].

3. Horobets, S.M. (2018) Metodychni pidkhody shchodo navchannia kompiuternii hrafitsi studentiv VNZ zasobamy informatsiino-komunikatsiinykh tekhnolohii [Methodical approaches to teaching computer graphics for university students by means of information and communication technologies]. Visnyk Zhytomyrskoho derzhavnoho universytetu imeni Ivana Franka. Pedahohichni nauky, 1 (92), 75 - 79. [in Ukrainian].

4. Karpenko, O., Ostroha, M. (2020) Spetsializovane prohramne zabezpechennia v haluzi kompiuternoi hrafiky ta yoho vyvchennia na urokakh informatyky [Specialized computer graphics software and its study in computer science classes]. Osvita. Innovatyka. Praktyka, 7(1), 13-19. [in Ukrainian].

5. Kyrychenko, O.S. (2017) Kryterii formuvannia hotovnosti do profesiinoi diialnosti inzheneriv na osnovi 3D- modeliuvannia [Criteria for the formation of readiness for the professional activity of engineers based on 3D modeling]. Osvitolohichnyi dyskurs, (3-4), 296-308. [in Ukrainian].

6. Korchevskyi, D.O. (2017) Teoretyko-metodychni osnovy intehratsii zmistu praktychno-tekhnichnoi pidhotovky fakhivtsiv z kompiuternoi hrafiky i dyzainu [Theoretical and methodological basis of content integration practical technical training of specialists in computer graphics and design]. Kyiv. [in Ukrainian].

7. Nosachenko, D., Yurchenko, A. (2020). Orhanizatsiia hurtkovykh zaniat z 3D-modeliuvannia v seredovyshchi Cinema 4D [Organization of group classes on 3d modeling in the Cinema 4D environment.]. Osvita. Innovatyka. Praktyka, 7 (1), 39 - 47. [in Ukrainian].

8. Offisial site Blender : web-site. URL: https://www.blender.org/ (11.01.2023).

9. Yurchenko, A., Udovychenko, O., Shershen, O. (2022). Osoblyvosti vyvchennia 3D-hrafiky v umovakh neformalnoi osvity [Peculiarities of studying 3D graphics in informal education]. Osvita. Innovatyka. Praktyka, 10 (5), 48 - 57. [in Ukrainian].

10. Bicer, A., Nite, S. B., Capraro, R. M., Barroso, L.R., Capraro M. M., Lee Y. (October 18 - 21, 2017). Moving from STEM to STEAM: the effects of informal STEM learning on students' creativity and problem solving skills with 3D printing. IEEE Frontiers in Education Conference (FIE). Indianapolis, IN, USA.

11. Bonorden, M., Papenbrock, J. (2022). Evidence- based optimization of classroom teaching units using 3D printers for designing models - from the 2D Picture to the 3D flower model. Education Sciences, 12 (11).

12. Brutzman, D., (February, 2002). Teaching 3D modeling and simulation: virtual kelp forest case study. Web3D '02: Proceedings of the seventh international conference on 3D Web technology, 93-101.

13. Earle, M.T., Wyatt, J.E. (March 8, 2014) Preparing to teach STEM in middle school using understanding by design framework: focus on using CAD in creative arts. 2014 IEEE Integrated STEM Education Conference. Princeton, NJ, USA.

14. How to understand topology in 3D modeling? URL: https://elementza.com/how-to-understand-topology-in- 3d-modeling/.

15. Suselo, T., Wьnsche, B., Luxton-Reilly, A. (January, 2019). Technologies and tools to support teaching and learning computer graphics: a literature review. ACE '19: Proceedings of the Twenty-First Australasian Computing Education Conference, 96-105.

16. Suselo, T.; Wьnsche, B., Luxton-Reilly, A. (2022) Teaching and learning 3d transformations in introductory computer graphics: A User Study. In Proceedings of the 17th International Joint Conference on Computer Vision, Imaging and Computer Graphics Theory and Applications - GRAPP, 126-135.

17. Yagli, S., Hsieh, S.-J., (June 23, 2018.) Maker: designing and building a prosthetic hand for a high school engineering design course. 2018 ASEE Annual Conference & Exposition. Salt Lake City, Utah, USA.

Размещено на Allbest.ru