Визуализации 3-D моделирования как универсальный инструмент проектирования объектов

 

Современное производство невозможно представить без производственного моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D-моделирования дизайнеры–графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс–форм и прототипов объекта [12].

Компьютерная техника дала возможность автоматизированного проектирования: создание на экране компьютера виртуального мира, в котором изделие уже существует, как оно есть (Рисунок 18) [23].

Рисунок 18 – Проект автомобиля Bugatti

 

Методы 3D-визуализации (рендеринг)

1. Растеризация

Наложение сетки, каждая из ячеек которой обрабатывается особым образом. В простейшем случае одна ячейка – один пиксель. Однако применяется и неоднотонная заливка ячейки, а по сложным алгоритмам – заливка оттенками цвета от одного края до другого, так называемая градиентная. В зависимости от выбора алгоритма заливки ячейки, становится возможным улучшение качества старых или поврежденных изображений [27].

Один из самых простых методов рендеринга. При его использовании не учитываются дополнительные визуальные эффекты (например, цвет и тень объекта относительно точки наблюдения) (Рисунок 19) [10].

 

Рисунок 8 – Растеризация наковальни

 

2. Рейкастинг

Один из методов рендеринга в компьютерной графике, при котором сцена строится на основе замеров пересечения лучей с визуализируемой поверхностью. 3D-модель осматривается с определенной, заранее заданной точки – с высоты человеческого роста, высоты птичьего полета и т.д. Из точки наблюдения направляются лучи, которые определяют светотени объекта, когда происходит его рассмотрения в привычном формате 2D (Рисунок 20) [19].

Рисунок 20 – Рейкастинг наковальни

 

3. Трассировка лучей

Трассировка лучей – это технология рендеринга (то есть отрисовки, создания) трехмерной графики, где используется этот принцип. Специальный алгоритм отслеживает путь луча от объекта освещения, а затем создает симуляцию того, как он взаимодействует с объектами: отражается, преломляется и так далее [9].

Данный метод рендеринга подразумевает то, что, при попадании на поверхность, луч разделяется на три компонента: отраженный, теневой и преломленный. Собственно это и формирует цвет пиксела. Помимо этого, от количества разделений напрямую зависит реалистичность изображения (Рисунок 21) [20].

Рисунок 22 – Трассировка лучей у наковальни

 

4. Трассировка пути

Один из самых сложных методов 3D-визуализации. При использовании данного метода 3D-рендеринга распространение световых лучей максимально приближено к физическим законам распространения света. Именно это и обеспечивает высокую реалистичность конечного изображения. Стоит отметить, что данный метод отличается ресурсоемкостью [9].

 

2.2 Программные средства визуализации проектируемых объектов на примере программы «Blender»

 

Анализ программы 3-D моделирования «Blender» показал, что он является полнофункциональным программным обеспечением. Он разрабатывается сообществом разработчиков Свободного Программного Обеспечения, где люди со всего мира вносят свой вклад в развитие программы для общего успеха. Blender является свободно распространяемой средой рендеринга (анимации и создания игр) с открытым исходным кодом и поддерживается организацией Blender Foundation.

По мнению большинства программистов, Blender является сложной для изучения программой с неограниченными возможностями. Blender развивается усилиями отдельных людей со всего мира, вкладывающих в разработку свое свободное время.

К основным понятиям Рендера относятся:

Рендеринг – это процесс графического построения 2D изображения по 3D сцене или объекту. Такие свойства как материалы, освещение, число лучей на точку oversampling и тени контролируют эффекты и качество рендеринга. Чем больше этих элементов вы добавляете, тем более реалистичной становится ваша сцена, но это также увеличивает время создания изображения.

 

 

Материалы и текстуры

Вы можете изменять внешний вид объекта, применяя цвет и текстуру. Материалы придают объекту реализм с помощью различных эффектов. Вы можете управлять блеском (specularity), характером светового излучения, прозрачностью, а также параметрами повторения образца материала. Просчет пути лучей (ray–tracing) дает возможность получить эффекты отражения (mirror) и преломления (refraction). Текстуры могут быть сделаны из любой отсканированной фотографии или нарисованного объекта в любом графическом редакторе. Могут быть использованы изображения практически в любом формате (jpeg, bitmap, png). Blender также имеет большое количество встроенных генераторов текстур, которые симулируют различные типы поверхностей, например: дерево (wood), мрамор (marble), облака (clouds), волны (waves) и различные неровности (Рисунок 23) [9].

Рисунок 23 – Примеры материалов в Blender

 

Освещение добавляет реализм вашей сцене, создавая различного типа отражения и тени. Вы можете управлять типом, интенсивностью, а также цветом освещения. Некоторые лампы могут создать иллюзию 'тумана' или 'пыли' при использовании эффекта ореола (halo) или объемного свечения. Или заставить их объемно светиться. Также вы сможете настроить дистанцию освещения.

Камера – это ваша точка наблюдения сцены. Вы можете управлять ею как настоящей камерой: менять фокусное расстояние, чтобы увидеть объект крупным планом или под широким углом. Также можно настроить дальность видимости камеры (clipping distance), которая определит, как близко и как далеко камера может видеть. Глубина резкости (depth-of-field) теперь изменяется с помощью нодов. (Рисунок 24) [34].

з

Рисунок 24 – Камера в Blender

Анимация – это серия отрендеренных изображений, формирующих видеоряд. На качество вашего фильма влияют все вышеперечисленные пункты, включая количество кадров в секунду (FPS), размер изображения, тип файла и способ сжатия видео. Наиболее распространенный метод анимации называется key-framing. Ключевые кадры создаются в различные моменты анимации. Все промежуточные переходные кадры между созданными ключами компьютер просчитывает автоматически. Основными способами анимации являются изменение размера, вращение и перемещение объектов.

Фактор времени – при создании анимации первое, что вам нужно сделать, – установить длину вашей анимации в кадрах, а также определить частоту кадров (fps). Определившись с этими параметрами, вы сможете рассчитать длину анимации в секундах.

Варианты Частоты Кадров (fps):

1) видео стандарт в США и Японии 30 fps – TSC;

2) кино–стандарт 24 fps – ilm

3) европейский видео стандарт 25 fps – AL.

Как правило частоту кадров используют в 25–30 fps, в зависимости от быстродействия компьютера или от необходимости сохранить анимацию на DVD. Для определения частоты кадров в вашей анимации используйте кнопки установки видео–стандарта «PAL» или «NTSC».

Создание ключевых кадров анимации

Ключевые кадры устанавливаются в начале и в конце желаемого перемещения, вращения или изменения размера объекта. Подумайте, как долго должен перемещаться (изменяться в размере, вращаться) ваш объект и соотнесите это время с количеством кадров. Так, например, если вы хотите чтобы объект переместился из пункта А в пункт B за 2 секунды и у вас частота кадров равна 30 fps, установите 2 Ключа Анимации на расстоянии 60 кадров друг от друга.

Следование по пути и за объектом

В большинстве программ для анимации камера может следовать по определенному пути или за объектом (иногда и то и другое). Эта возможность сильно экономит время на создание анимации и уменьшает количество необходимых Ключей Анимации.

Параметры и настройки вывода

Мы обычно сохраняем видео в формате MPEG для Windows. Этот формат легко проигрывается большинством медиаплееров с сохранением высокого качества изображения. В зависимости от того, как вы планируете использовать ваше видео (размещать в интернете, записать на DVD, проигрывать в презентации), возможно, вам потребуется выбрать другой формат. Примеры к книге представлены как в Apple Quicktime, так и в Windows AVI форматах. Некоторые форматы позволят вам контролировать различные параметры качества. Например, AVI позволяет произвести сжатие различными компрессорами, называемыми кодеки (CODECs).

Анимация в реальном времени (только для Blender)

Анимация в реальном времени позволяет вам присваивать объектам физические свойства и управлять ими с помощью клавиатуры. В ней можно создавать действующих лиц (actors), изменять массу объекта (mass), силу трения (friction), настраивать прилагаемые силы и моменты вращения в плоскостях х, у, и z и создавать связи с другими объектами в сцене. Со временем и опытом вы сможете создавать интересные 3D-игры и интерактивные архитектурные приложения.

Blender позволяет использовать физический движок для создания анимации. С его помощью вы можете создавать реалистичные анимации падения, вращения и т.д., а также использовать их в ваших видеороликах [28].

Система рендеринга Blender

Рендер (Render) – это система визуализации проекта и сохранение результата в виде графических или видеофайлов. В то же время рендером называется собственно результат обработки [9].

В программе имеются три встроенных обработчика для визуализации:

1) Blender Render – это самый первый и примитивный визуализатор программы, он используется по умолчани. акже известный как «Blender Internal» (или BI), это оригинальный движок рендеринга Blender, исходный код которого был написан еще в 90–х. Это смесь новых и старых технологий рендеринга, включающих в себя трассировку лучей, подповерхностное рассеивание, глянцевые отражения и даже примитивная система глобального освещения

Данный движок рендеринга считается очень быстрым для большинства его функций и он очень хорошо себя проявляет в создании фотореалистичных рендеров. Но у него есть проблемы с фотореализмом. BI был создан в те времена, когда реализм мог быть достигнут только за счет иллюзий или трюков имитирующих эффекты реального мира (Рисунок 25) [2].

Рисунок 25 – Визуализация в Blender Render

 

2) Cycles Render – В 2011 году в Blender появился новый, передовой движок рендеринга в версии программы 2.61. Это огромный шаг вперед в плане реалистичного рендеринга, с полноценным глобальным освещением и физически точными расчетами. Разработчики пророчат ему великое будущее и в дальнейшем предполагают использовать его по умолчанию. [32].

Cycles оказался очень популярным и приобрел заметное уважение со стороны индустрии компьютерной графики. Другие разработчики программного обеспечения даже портировали его для своих приложений, таких как Cinema 4D и Rhino. Движок имеет очень хорошие возможности, но требует для рендеринга больше времени, чем Blender Render (Рисунок 26) [2].

Рисунок 26 – Визуализация в Cycles Render

 

3) Blender Game – это не только программа для создания 3D, но и мощный игровой конструктор, объединяющий движение в реальном времени с физикой и логическими блоками. Выбирайте этот пункт, если вы создаете игру или приложение реального времени. Логические блоки состоят из контроллеров, активаторов и сенсоров.

Сенсоры ассоциируются с органами чувств живых организмов; они реагируют на нажатие кнопок, на столкновения, на контакты с материалами (прикосновение), на разовые события или значения свойств.

Контроллеры воспринимают события сенсоров и направляют их значения. Например, если выбрана пункт «AND» то все время наблюдается передача. Если выбран «OR» контроллер, то вы также можете использовать скрипты на языке программирования Python.

Активаторы выполняют действия над объектами. Например, активатор движения можно представить себе как мышцу. Эта мышца может применять силу к объекту для его передвижения или переворота. Есть также активаторы для проигрывания определённой анимации (Рисунок 27) [29].

Рисунок 27 – Визуализация в Blender Game

 

Текстурирование и наборы шейдеров. Программа позволяет накладывать несколько текстур на один объект, и оснащена рядом инструментов для текстурирования, включая UV–маппинг и частичное настраивание текстур. Ряд настраиваемых шейдеров добавляет гибкости в работе с материалами.

Возможность рисования. Эта программа для 3D моделирования предоставляет возможность создавать наброски различными типами кистей прямо в окне приложения. Текущее назначение такой функции – помощь в создании 2D анимации, для чего эта функция также оснащена возможностью гибкой настройки, в частности, работы со слоями.

Раздел «Рендер» (Render) – это то место, где можно указать программе каким образом отрисовывать конкретную сцену. Ряд вопросов, на которые можно найти ответ:

1) Что вы хотите получить в итоге: изображение в формате.jpeg или видеоролик?

2) Какого размера изображение вы хотите получить?

3) Хотите ли вы получить изображение высокого качества или же вам нужен быстрый черновой вариант?

4) Как на счет эффекта быстрого перемещения Motion Blur?

5) Хотите ли вы использовать обычный метод расчета теней или получить все оптические эффекты с Ray–tracing?

6) Если вы делаете видео, сколько кадров за секунду видео должно проигрываться?

7) И последнее, но не менее важное, где вы хотите сохранить файл?

Все это возможном настроить в разделе Render в Окне Свойств. Естественно, чем выше качество установить, тем больше времени займет процесс рендеринга и тем большего размера будет результирующий файл. За справкой об основах анимации и рендеринга необходимо обращаться к руководству и учебникам – Blender. Все эти параметры расположены в двух разделах Окна Свойств – разделе Scene и разделе Render.

Для сохранения работы в формате изображения или видео потребуется сделать достаточно большое количество настроек. Некоторые из них будут подробно описаны в руководстве. Мы приводим основные настройки для сохранения сцены в формате изображения JPEG (.jpg) и видео в формате mpg – для Windows и.avi – для Linux.

Кнопки Render и Animation: Нажатие горячей клавиши «F12» аналогично нажатию кнопки Render. Для создания видео нажмите кнопку Animation. Панель Layers (Слои): Параметры, указывающие рендеру какие слои и группы использовать при просчете финального изображения. Панель Dimensions: Здесь вы указываете размер изображения, диапазон кадров, масштаб и скорость финального видео в кадрах в секунду. Панель Anti–Aliasing: Количество образцов, используемых при сглаживании объектов на финальном изображении. По умолчанию установлено значение 8. Панель Motion Blur: Используется для симуляции смазывания при быстром движении. Панель Shading: Здесь вы можете выбрать элементы сцены, которые хотите рендерить. Отключение элементов, которые вам не нужны, значительно ускоряет процесс рендеринга. Панель Output: Здесь вы можете выбрать тип конечного файла и место его сохранения. Также здесь вы можете настроить параметры сжатия изображения. Будет хорошей идеей указывать расширение файла, когда вы печатаете его имя. При создании видео здесь будут параметры кодирования потока. Панель Performance: Параметры производительности рендера. Панель Post Processing: Если вы делаете композитинг или sequence (обсуждается чуть позже в этой книге) параметры их применения будут находиться здесь. Панель Stamp: Добавление пометок и дополнительной информации на кадры видеоряда. Панель Bake: Запекание (baking) – это возможность сохранить и повторно использовать определенный процесс для ускорения рендера [28].

Выводы по второму разделу

Во втором разделе главе изучены технологические аспекты проблемы визуализации проектируемых объектов в техническом творчестве. Нами рассмотрена визуализация 3-D моделирования как универсальный инструмент проектирования объектов.

Современное производство невозможно представить без производственного моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D-моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс-форм и прототипов объекта. Компьютерная техника дала возможность автоматизированного проектирования: создание на экране компьютера виртуального мира, в котором изделие уже существует, как оно есть

Анализ программы 3-D моделирования «Blender» показал, что он является полнофункциональным программным обеспечением. Он разрабатывается сообществом разработчиков Свободного Программного Обеспечения, где люди со всего мира вносят свой вклад в развитие программы для общего успеха. Blender является свободно распространяемой средой рендеринга (анимации и создания игр) с открытым исходным кодом и поддерживается организацией Blender Foundation.

По мнению большинства программистов, Blender является сложной для изучения программой с неограниченными возможностями. Blender развивается усилиями отдельных людей со всего мира, вкладывающих в разработку свое свободное время. Процесс графического построения 2D изображения по 3D сцене или объекту называется рендеринг. Такие свойства как материалы, освещение, число лучей на точку oversampling и тени контролируют эффекты и качество рендеринга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В настоящее время проблемы технического творчества и конкретно способов визуализации проектируемых объектов находятся в процессе активного изучения. Развитие науки и техники, внедрение в жизнь достижений научно–технического прогресса способствует доказательству самых современных теорий и выдвижению новых гипотез в этой области. Успехи в изучении способов визуализации проектируемых объектов дают дополнительные возможности в процессе развития технического творчества человеческой личности и общества в целом.

Изучение технического творчества, творчествоведение на современном этапе в условиях непростой экономической и социальной обстановки особенно актуально и способно придать человечеству новые силы на пути самосовершенствования и дальнейшего экономического, социального и духовного развития.

Современное производство невозможно представить без производственного моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D-моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс–форм и прототипов объекта. Компьютерная техника дала возможность автоматизированного проектирования: создание на экране компьютера виртуального мира, в котором изделие уже существует, как оно есть

Анализ программы 3-D моделирования «Blender» показал, что он является полнофункциональным программным обеспечением. Он разрабатывается сообществом разработчиков Свободного Программного Обеспечения, где люди со всего мира вносят свой вклад в развитие программы для общего успеха. Blender является свободно распространяемой средой рендеринга (анимации и создания игр) с открытым исходным кодом и поддерживается организацией Blender Foundation.

Таким образом, анализ литературы по проблеме изучения современных тенденций в техническом творчестве, в общем, и способов визуализации проектируемых объектов в частности, показал актуальность и своевременность данной темы. Цель курсовой работы достигнута, задачи выполнены.

При написании курсовой работы было использовано 34 литературных источников, 27 рисунков, 1 таблица.