Полигональное моделирование.

На сегодня использование трехмерной графики вышло далеко за пределы сферы. Кинематограф, компьютерные игры, машиностроение, архитектура и строительство - это далеко не полный перечень областей, в которых широко применяется 3D-графика.

За кулисами 3D спрятан очень серьезный математический аппарат, реализованный в ядре графической системы и производящий трехмерные изображения. Математические зависимости, описывающие формирование цифровой модели реальных объектов, а также алгоритмы для просчета освещения трехмерных сцен (областей виртуального пространства, содержащих трехмерные объекты и источники света), были разработаны еще в 1960-х годах. Однако слабые возможности аппаратного обеспечения не позволяли в то время создавать даже совсем несложные 3D-изображения. Первые компьютерные программы, формирующие простые трехмерные модели на основе эскизов, были созданы в 1960-х годах в университете города Юты (США) Иваном Сазерлендом и Дэвидом Эвансом. Начиная с середины 1970-х годов их последователи Эд Катмулл, Джим Блинн, Би Тюн Фонг (все трое были студентами все той же кафедры компьютерной графики в Юте) продолжили развивать технологии работы с 3D-графикой и анимацией. Сначала мало кто воспринимал всерьез студенческие и аспирантские работы по формированию объемных изображений на экране компьютера. Однако фундаментальные исследования, проведенные в этот период, стали началом развития мощнейшей технологии, которая коренным образом изменила представление о возможностях применения компьютерной графики.

Таким образом, получив свое начало в не таком далеком прошлом, компьютерная графика успела освоить большой и тернистый путь. Все началось с банальных или весьма экзотических мотивов, которые легли в основу и положили важнейшие инструментарии настоящего компьютерной графики, без которой уже немыслима цивилизация. Началось все с проектов некоторых энтузиастов из области науки и применении компьютера при проектировании в целом для бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, а закончилось проникновением во все сферы деятельности человека, даж е в простую жизнь человека.

                                   

                               

                                 Виды 3 D -моделирования.

Полигональное моделирование.

Полигональное моделирование дает возможность производить различные манипуляции с сеткой 3d объекта на уровне подобъектов: вершин, ребер, граней. Сам полигон состоит из граней, но в системах, которые поддерживают многосторонние грани, полигоны и грани будут равнозначны.

Это самый первый и основной вид моделирования, так как при помощи его можно создать объект любой сложности путем соединения групп полигонов.

Полигональное моделирование подразделяется на три типа: низкополигональное, среднеполигональное и высокополигональное.

1. Низкополигональное моделирование (Low-Poly) предназначено для создания объектов с небольшим числом полигонов, обычно, для экономии ресурсов, когда не требуется высокая детализация, а так же для создания низкополигональных иллюстраций, которые набирают большую популярность в последнее время;

2. Среднеполигональное моделирование (Mid-Poly) ориентировано, обычно, только на необходимый результат при рендеринге, то есть при моделировании нужной геометрии, например, с применением булевых операций; над полигональной сеткой никакие работы по её оптимизации не производят, или они минимальны;

Высокополигональное моделирование (High-Poly) представляет собой создание                                    объекта с большим числом полигонов, обычно, точной его копии.

Стандартная схема High-Poly моделирования происходит с постепенным наращиванием уровня детализации 3d объекта:

. первый уровень является базовым, и представляет собой общую форму объекта;

На втором уровне происходит уточнение базовой формы, обычно, путём добавления фасок;

Сплайновое моделирование.

Сплайновое моделирование представляет собой создание 3d объектов при помощи кривых линий (сплайнов). Сплайнами могут выступать линии различной формы: окружности, прямоугольники, дуги и т.д. Объекты при этом получаются плавной формы, в связи с чем, данный метод получил широкое применение в создании органический моделей, таких как растения, люди, животные и т.д.

Данный вид моделирования часто сравнивают с полигональным, как векторную графику с растровой. Преимущество векторной графики в том, что при увеличении объекта, его качество не изменяется, в отличие от растрового, где становятся видны пиксели. Так же и при увеличении объекта, созданного сплайнами, его качество останется неизменным, а при полигональном моделировании будут уже видны полигоны.

На рисунке показан пример построения бейсбольной биты при помощи сплайнов с последующей конвертацией в полигональную сетку.

NURBS моделирование.

NURBS расшифровывается как «Non-Uniform Rational B-Spline», и представляет собой технологию создания 3d объектов при помощи специальных кривых, которые называются B-сплайнами. Некоторые специалисты выделяют данный вид моделирования в отдельный, а некоторые – в подвид сплайнового моделирования.

D-скульптинг.

D-скульптинг он же «цифровая скульптура» представляет собой имитацию процесса «лепки» 3d модели, то есть деформирование её полигональной сетки специальными инструментами – кистями. Можно провести аналогию с лепкой фигур руками из пластилина или глины. Только в программах 3d моделирования пальцы заменены на инструмент «кисть», а «пластилином» является полигональная сетка.

На рисунке представлен интерфейс бесплатной программы для скульптингового 3d моделирования «Sculptris». Примером подобной техники моделирования может послужить 3D-модель персонажа Тролль.

Промышленное моделирование.

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР) и или по-английски CAD (Computer-Aided Design) применяют для создания 3d моделей в первую очередь промышленного назначения. Они предназначены для создания точных копий реальных объектов.

При данном виде моделирования учитываются не только малейшие зазоры, но и свойства материала моделируемого объекта. В связи, с чем данный вид моделирования нашел широкое применение в инженерном деле. Особенность этого моделирования в том, что для создания модели не используют полигоны, а цельные формы.

Параметрическое моделирование осуществляется путем введения требуемых параметров элементов модели, а так же соотношение между ними. Иными словами создается математическая модель с нужными параметрами, изменяя которые можно создать различные комбинации модели и тем самым избежать ошибок, внеся необходимые корректировки.

Если при полигональном моделировании куб разрезать пополам, то там внутри будет пустота. При твердотельном моделировании, если разрезать куб, то там не будет пустоты, как если бы разрезали реальный твердый предмет.

При построении модели работают сразу со всей оболочкой, а не с отдельными поверхностями. Сначала создается простая форма оболочки, например, сферы, а затем к ней применяют различные операции: резка, объединение с другими телами, булевые операции и др.

Примерами программ для промышленного моделирования являются: «Compas-3D», «SolidWorks», «Solid Edge» и т.п.

Моделирование метасферами.

Аналогично сплайновому или NURBS моделированию данный вид позволяет создавать модели сглаженной формы. Его особенность в том, что модель строится из 3d объектов сглаженной замкнутой формы (метасфер), которые при соприкосновении друг с другом автоматически

Примером программы, в которой возможно моделирование метасферами является Blender3 D.

        Моделирование при помощи 3 D принтера.

Возьмём для примера 3D-принтер-сканер da Vinci 1.0 AiO.

Его производитель, тайваньская компания XYZprinting, молода даже по меркам не столь уж долгой истории 3D-принтеров: она основана в 2013 году. Правда, возникла она не на пустом месте, а при поддержке одного из ведущих игроков электронной промышленности Тайваня — компании Kinpo Group, имеющей многомиллиардные обороты, развитую производственную базу, собственные исследовательские лаборатории и немалое количество квалифицированных сотрудников, занимающихся НИОКР.

Задачей XYZprinting является разработка экономичных, но эффективных 3D-принтеров для бизнеса и персонального использования. Первая же коммерческая модель, аппарат da Vinci 1.0, в 2014 году был отмечен Editors' Choice Award как самый доступный 3D-принтер на рынке.

Параметры, комплектация.

В комплекте с принтером поставляется:

Фиксатор картриджа,

Внешний вид.

Подготовка к работе.

Перед подключением нового принтера надо ознакомиться с соответствующей страницей руководства пользователя, но не краткого, имеющегося в комплекте, а полного, которое есть на прилагаемом диске или на сайте производителя, где процедура удаления всего лишнего — этого лишнего там немало — расписана очень подробно и с картинками.

После распаковки можно приступать к подключению. В кратком руководстве, доставшемся вместе с принтером, перепутана последовательность действий: в общем случае для USB-устройства сначала устанавливается ПО, и лишь затем можно физически подключать его кабелем к компьютеру и включать питание, именно так написано в полном руководстве. На данном этапе картридж с нитью можно не вставлять.

На диске доступны обучающие видеоролики — без слов, но с субтитрами на четырех языках, в том числе на английском. На русском видеоматериалов на диске нет, ссылка на них в русскоязычном разделе сайта присутствует, однако открывающаяся страница пустая (по крайней мере, для нашей модели).

Инсталляция XYZware даже на не очень мощном компьютере проходит довольно быстро, еще чуть быстрее происходит установка драйверов после подключения принтера. По окончании процесса в диспетчере устройств появляется 3D-принтер da Vinci AiO, подключенный к виртуальному COM-порту, а также две камеры XYZprinting — правая и левая.

На рабочем столе можно разместить соответствующую иконку.

Теперь можно загрузить нить, пользуясь в качестве инструкции наклейкой на внутренней стороне верхней крышки. Сориентировавшись по чипу и соответствующей контактной площадке отсека, вставляем картридж и пытаемся просунуть нить в специальное отверстие между отсеком и рабочим объемом принтера.

Опаньки… вот и первая неудача: нить сломалась прямо на уровне выходного отверстия картриджа, кончик провалился внутрь него. Хорошо еще, что этот картридж из числа легкоразборных — поправить дело не составило труда.

Вставляем обрезанный наискосок кончик нити во входную трубку экструдера и выбираем в меню «Utilities – Change Cart – Load Filament». Сначала начался прогрев хот-энда, потом зажужжал двигатель экструдера, но нить не двинулась с места — оказалось, на ее пути есть какой-то переход-ступенька, в которую и уперся срез.

При анализе конструкции хот-энда выяснилось, что это не ступенька, а рычажок микропереключателя датчика наличия нити. Надо лишь с небольшим усилием просунуть нить подальше, и тогда механизм экструдера подхватит ее и начнет продвигать к хот-энду; через некоторое время из сопла покажется ниточка расплавленного пластика — готово!

А теперь проверим функции чипа: «Info – Cartridge Stats». Экран отобразил, что изначально на катушке было 120 метров нити, из которых на данный момент осталось 52. С одной стороны, удобно — слайсеры обычно отображают потребное для изготовления данной модели количество нити в метрах (но нам еще надо будет убедиться, что используемый в XYZware слайсер это делает), а с другой — по окончании нити в картридже чип наверняка заблокирует его дальнейшее использование, и перезаправка «чужой» нитью станет невозможной.

По достижении нужных температур платформа поднялась вверх, а печатающая головка пришла в движение. Первым действием стала очистка сопла: на правой кромке платформы есть вертикальная пластинка из упругого тугоплавкого материала, через которую головка прошла несколько раз. В результате свисавшая из сопла нитка пластика упала за пределы рабочего стола.

Затем печатаются две линии у правого края платформы (вероятно, это дополнительная очистка), и лишь потом начинается печать самой модели.

Во время печати экран отображает состояние печати — прогресс-индикатор с процентами выполнения задания и два значения времени: прошедшее с момента старта и оставшееся до конца печати. Но можно перейти и к управляющему меню: приостановить печать с возможностью возобновления или вовсе отменить ее. Какие-то другие действия не предусмотрены.

D-ручка — инструмент для рисования пластиком, позволяющий создавать трёхмерные объекты. Используется для творчества, развивающих занятий с детьми, коррекции изделий, напечатанных с помощью 3D-принтера, и мелкого бытового ремонта пластиковых предметов. Благодаря распространению 3D-ручек появился новый вид искусства – 3D pen art (перевод: искусство, созданное с помощью 3D-ручки).

История.

Первая в мире 3D-ручка, получившая название 3Doodler, была разработана американской компанией WobbleWorks. Идея пришла в голову основателям компании, Максу Боугу и Питеру Дилворту, когда сломался 3D-принтер и потребовалось заделать брешь в напечатанной модели. Инженеры создали прототип ручки, рисующей пластиком, и представили свой проект на Kickstarter в 2013 году с целью собрать 30 000 $ для начала производства. В результате краудфандинга удалось привлечь 2,3 миллиона долларов, что стало свидетельством большого интереса аудитории к проекту.

Виды 3D-ручек.

Подача материала осуществляется при нажатии соответствующей кнопки. Некоторые модели оснащаются регулятором скорости подачи пластика, регулятором температуры нагрева и дисплеем, на котором отображается информация о выбранном режиме.

К преимуществам «горячих» 3D-ручек относятся небольшой вес, компактность, простота использования, прочность поделок, доступная стоимость расходных материалов. В качестве недостатков пользователи отмечают наличие проводов и нагревание сопла ручки до высокой температуры.

Пример сделанной «горячей» 3 D -ручкой:

«Холодные» 3D-ручки.

Принцип действия «холодной» 3D-ручки основан на экструзии жидкой фотополимерной смолы, затвердевающий на выходе под воздействием ультрафиолетового излучателя. В таком устройстве нет нагревательных элементов, и материал для рисования не имеет высокой температуры. Гаджет работает без проводов, энергопотребление происходит за счет встроенного аккумулятора. В ручку вставляется картридж с жидким полимером. Для большинства «холодных» 3D-ручек доступны разные виды смол: обычные, эластичные, магнитные, светящиеся, меняющие цвет в зависимости от температуры и даже чернила для бодиарта.

К преимуществам «холодных» 3D-ручек относят отсутствие горячих элементов, бесшумность, работа без проводов, возможность использования большого количества фотополимерных смол с различными свойствами. Среди недостатков – высокая стоимость ручки и материалов, хрупкость поделок.

«холодная» 3 D -ручка:

D ручка

Трафарет

Шаг 1.

Шаг 2.

Шаг 3.

Шаг 4.

Шаг 5.

Шаг 6.

Шаг 7.

Нарисуйте мачты.

Шаг 8.

Шаг 9.

Во внутренней части корпуса нарисуйте 3D ручкой жирную «кляксу» и пока она не успела застыть, установите мачту с парусом. Повторите эти же действия для второй мачты. Установите на нос кораблика бушприт и закрепите на нем последний парус.

Шаг 10.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. При создании моделей не сложной формы лучше использовать полигональное моделирование. Для получения гладкой формы несложных объектов – сплайновое или NURBS моделирование, либо полигональное с использованием инструментов сглаживания.

При создании сложных биологических организмов удобнее использовать 3d-скульптинг. Когда же необходимо создать точную модель с необходимыми зазорами и учетом физических свойств материала, то здесь наиболее подходят методы промышленного моделирования.

При создании сложных моделей вышеописанные методы моделирования часто используются совместно, так как это ускоряет процесс моделирования. Так, например, при создании персонажа для игр используется 3d-скульптинг, с помощью которого прорисовываются необходимые мелкие детали, а затем на её основе создается Low-Poly модель полигональным моделированием.

Во многих пакетах 3d моделирования есть инструменты почти для всех видов моделирования, например, в «Blender», «Modo». Но, «На вкус и цвет товарищей нет», поэтому встречаются и такие специалисты, кто моделирует в одной программе, скульптинг делает в другой, а ретопологию в третьей и т.д.

В роли 3D-принтера da Vinci 1.0 AiO какими-то выдающимися возможностями и особенностями не блещет, однако нет у него и существенных недостатков (пожалуй, кроме очень большого размера да муторной процедуры калибровки платформы, которую приходится проводить достаточно часто). Одним словом, крепкий середнячок.

Самым главным достоинством аппарата является цена: дешевле либо «малыши» типа UP! Mini с очень маленькой областью печати, либо бесчисленные изделия с сомнительной надежностью, в основе которых чаще всего лежат разработки RepRap, бюджетные по самой своей сути, либо еще более бюджетные наборы DIY, которые к тому же придется долго доводить до ума, что потребует не только времени, но и соответствующих навыков.

Таким образом, можно сказать, что принтер-сканер da Vinci 1.0 AiO будет неплохим выбором для тех, кто хочет не только печатать, но и опробовать 3D-сканирование. Просто надо реально оценивать возможности имеющегося в нем сканера и понимать, что за сравнимые деньги вы не найдете ничего, что годилось бы для сколь-нибудь профессионального использования. Если же подобный сканер вас совсем не устраивает, то в серии da Vinci есть вполне приемлемые по цене альтернативы — принтеры без сканера.

D-ручки нагревательного типа являются электроприборами, поэтому работать с ними можно только после изучения инструкции по эксплуатации. Поскольку 3D-ручки нагревательного типа имеют горячие элементы, при обращении с ними требуются определённые меры предосторожности. Во время работы с данным оборудованием дети должны быть под присмотром взрослых.

D-ручки, работающие по технологии фотополимеризации, позиционируются как безопасные за счет отсутствия горячих элементов, однако их использование также требует соблюдения мер предосторожности. Поскольку застывание материала происходит под воздействием ультрафиолета, вредного для глаз, необходимо делать перерывы в работе и строго следовать инструкциям производителей.

3D – моделирование имеет ряд преимуществ:

На сегодня использование трехмерной графики вышло далеко за пределы сферы. Кинематограф, компьютерные игры, машиностроение, архитектура и строительство - это далеко не полный перечень областей, в которых широко применяется 3D-графика.

За кулисами 3D спрятан очень серьезный математический аппарат, реализованный в ядре графической системы и производящий трехмерные изображения. Математические зависимости, описывающие формирование цифровой модели реальных объектов, а также алгоритмы для просчета освещения трехмерных сцен (областей виртуального пространства, содержащих трехмерные объекты и источники света), были разработаны еще в 1960-х годах. Однако слабые возможности аппаратного обеспечения не позволяли в то время создавать даже совсем несложные 3D-изображения. Первые компьютерные программы, формирующие простые трехмерные модели на основе эскизов, были созданы в 1960-х годах в университете города Юты (США) Иваном Сазерлендом и Дэвидом Эвансом. Начиная с середины 1970-х годов их последователи Эд Катмулл, Джим Блинн, Би Тюн Фонг (все трое были студентами все той же кафедры компьютерной графики в Юте) продолжили развивать технологии работы с 3D-графикой и анимацией. Сначала мало кто воспринимал всерьез студенческие и аспирантские работы по формированию объемных изображений на экране компьютера. Однако фундаментальные исследования, проведенные в этот период, стали началом развития мощнейшей технологии, которая коренным образом изменила представление о возможностях применения компьютерной графики.

Таким образом, получив свое начало в не таком далеком прошлом, компьютерная графика успела освоить большой и тернистый путь. Все началось с банальных или весьма экзотических мотивов, которые легли в основу и положили важнейшие инструментарии настоящего компьютерной графики, без которой уже немыслима цивилизация. Началось все с проектов некоторых энтузиастов из области науки и применении компьютера при проектировании в целом для бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, а закончилось проникновением во все сферы деятельности человека, даж е в простую жизнь человека.

                                   

                               

                                 Виды 3 D -моделирования.

Полигональное моделирование.

Полигональное моделирование дает возможность производить различные манипуляции с сеткой 3d объекта на уровне подобъектов: вершин, ребер, граней. Сам полигон состоит из граней, но в системах, которые поддерживают многосторонние грани, полигоны и грани будут равнозначны.