Содержание

      ВВЕДЕНИЕ

     Сегодня компьютерные технологии предоставляют обширный инструментарий для визуализации в трехмерном пространстве событий прошлого и дают возможность воссоздавать внешний вид, смоделировать технологии постройки и пространственную ориентацию объектов культурного наследия. Трехмерное моделирование как пространственное изображение объекта в трехмерной системе координат дает возможность максимально информативно, точно и реалистично представить его форму, текстуру, размер и цвет, позволяет рассмотреть объект с любого интересующего ракурса.

     3D-технологии  позволяет создавать не только  цифровые копии уже существующих  объектов культуры, но и восстанавливать  утраченные объекты по сохранившимся чертежам, изображениям и описаниям. Можно сказать, что на основе подлинного материала появляется возможность проводить своего рода реконструкции, но в цифровом, виртуальном виде. Так на стыке информационных технологий и архитектуры, культурологии и других наук возникает самостоятельное направление – виртуальные реконструкции.

     Виртуальная реконструкция – это воссоздание какого-либо объекта или события, которое в конечном итоге предстает перед пользователем в виде компьютерного виртуального воссоздания, близкого к реальному.

     В настоящее время виртуальные  реконструкции являются широко распространенным способом визуализации, прежде всего  архитектурных памятников, ансамблей  и городских ландшафтов. На западе технология 3D-моделирования применяется  в архитектуре уже почти 15 лет. Создаются не только объемные модели отдельных памятников, но и целые исторические ансамбли и модели городов различных исторических эпох.

     Полученные  модели обладают не только историко-культурной значимостью, но могут эффективно использоваться в образовательном процессе.

     На  современном этапе развития технологии 3D-моделирования выделяется проблема недостаточной разработанности методов визуального представления и реконструкции с точки зрения алгоритма, стандартизации и научности.

     Объект  исследования: методики моделирования в трехмерном пространстве.

     Предмет исследования: методы трехмерного моделирования объектов культурного наследия.

     Целью курсовой работы является определение методов трехмерного моделирования объектов культурного наследия.

     Достижение  цели требует решения следующих  задач:

     1. Изучить методики трехмерного моделирования;

     2. Определить методы моделирования объектов культурного наследия в трехмерном пространстве.

      1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

     Развитие компьютерных технологий дало новый импульс развитию моделирования. Стало возможным создание максимально похожих, реалистичных трехмерных моделей, которые нашли применение в различных сферах жизнедеятельности человека.

     1.1 Технологии трехмерного моделирования

     Под технологией создания трехмерной модели подразумевается программное обеспечение, некий софт, необходимый для создания какого-либо объекта. Понятие технологии трехмерного моделирования чаще всего используется для обозначения инструментария создания виртуальных моделей.

     Правильный  подбор программного софта для создания 3D-модели является важным моментом на пути реализации трехмерного моделирования. Для создания правильного и максимально реалистичного объекта можно выделить два направления программ: 2d редакторы (двухмерные) и 3d редакторы (трёхмерные).

     2d редакторы. 

     Построение  любой простейшей трёхмерной модели невозможно без использования графических редакторов, которые используются для обработки изображений. Полученные изображения (текстуры) служат основой для построения моделей, выступая в качестве материала для трёхмерной модели. В качестве одних из наиболее распространённых программ используемых как техническими, так и гуманитарными специалистами при создании виртуального представления объекта можно выделить Adobe Photoshop и Corel Draw. Данные программы не являются уникальными, существует много других аналогов графических редакторов.

     3d редакторы.

     Существует  большое разнообразие программ, которые  применяются для визуализации, построения трёхмерных моделей и их обработки. Основными являются: Autodesk Maya, ArchiCAD, Milk Shape, Silo, ZBrush и, конечно, Autodesk 3ds Max, на примере которого и будут рассмотрены основные методы 3D – моделирования.

     1.2 Способы моделирования 3D-объектов

     3ds Max располагает разными средствами для создания 3d-моделей различной степени сложности и детализированности.

     Существуют  различные способы трехмерного  моделирования:

• моделирование на основе примитивов

     Примитивы служат инструментами построения и  моделирования при создании составных объектов.

     Простыми  геометрическими примитивами (категория Standard Primitives (Простые примитивы)) в 3ds Max являются следующие объекты:

Box (Параллелепипед), Sphere (Сфера), Cylinder (Цилиндр), Torus (Top), Teapot (Чайник), Cone (Конус), GeoSphere (Геосфера), Tube (Труба), Pyramid (Пирамида), Plane (Плоскость).

     В число сложных примитивов (категория Extended Primitives (Улучшенные примитивы)) входят следующие объекты: Hedra (Многогранник),ChamferBox (Параллелепипед с фаской), OHTank (Цистерна), Spindle (Веретено), Gengon (Многогранная призма), RingWave (Круговая волна), Prism (Призма), Torus Knot (Тороидальный узел), ChamferCyl (Цилиндр с фаской), Capsule (Капсула), L-Extrusion (L-тело экструзии), C-Extrusion (С-тело экструзии), Hose (Рукав).

     Любой примитив, созданный в 3ds Max, характеризуется  набором параметров, которые определяют его геометрическую форму. Изменяя  настройки объекта, тем самым  изменяется и его форма. Каждый из примитивов имеет свой уникальный набор  параметров.

     Одна  из характеристик, присущих любому примитиву – Segments (Количество сегментов). Этот параметр определяет количество полигонов в структуре объекта. Чем большее значение принимает параметр Segments, тем точнее отображается поверхность трехмерной модели. Количество сегментов может определяться не одним, а несколькими настройками. Например, объект Box (Параллелепипед) имеет три таких параметра – Length Segs (Количество сегментов по длине), Width Segs (Количество сегментов по ширине) и Height Segs (Количество сегментов по высоте).

     В настройках большинства примитивов также присутствует параметр Generate Mapping Coords (Создавать систему проекционных координат). Он обеспечивает создание системы проекционных координат, что  необходимо в том случае, если необходимо в дальнейшем текстурировать объект.

     Примитивы – инструменты построения и моделирования при создании составных объектов. Такие примитивы, как L-тело экструзии и С-тело экструзии являются базовым материалом для моделирования архитектурных конструкций.

• использование модификаторов

     Модификатор – это программная функция  изменения формы и внешнего вида трехмерного объекта. Выделяются следующие  модификаторы: Surface (Поверхность), Lathe (Вращение вокруг оси), Sweep (Выгнутость), Extrude (Выдавливание) и BeveL (Выдавливание со скосом), а также составной объект Loft (Лофтинг).

• сплайновое моделирование

     Моделирование сплайнами – это один из эффективных  способов создания трехмерных моделей. Сплайн (Spline) – это особая кривая, которая описывается некоторыми математическими уравнениями. Сплайновые формы – это так или иначе различного рода линии. Инструментарий программы включает в себя следующие фигуры: line (Линия), circle (Окружность), arc (Дуга), ngon (Многоугольник), text (Онлайновый текст), section (Сечение), rectangle (Прямоугольник), ellipse (Эллипс), donut (Кольцо), star (Многоугольник «звезда»), helix (Спираль).

     Также в 3ds Max доступны дополнительные сплайновые объекты, которые отличаются сложной  формой и гибкими настройками. Благодаря  этому, изменяя значения параметров, можно получать объекты самой разнообразной формы. Объекты такой формы часто используются в архитектуре.

• WRectangle (Прямоугольник за стеной) – позволяет создавать закрытые сплайны, состоящие из двух концентрических прямоугольников.
• Channel (С-образный) – позволяет создавать закрытые сплайны в форме буквы С.
• Angle (L-образный) – позволяет создавать закрытые сплайны в форме буквы L, напоминающие углы.

     Сами  по себе сплайновые формы не визуализируются, а используются как вспомогательные  объекты для создания моделей со сложной геометрией. Однако любой примитив может выступать в сцене как самостоятельный объект. За отображение объекта в окне проекции и на этапе визуализации отвечает свиток настроек Rendering (Визуализация). А свиток настроек Interpolation (Интерполяция) определяет количество шагов интерполяции сплайна (количество сегментов между вершинами объекта).

     В основном с помощью сплайнового  моделирования создаются предметы с гладкой поверхностью: бокалы, пули, вазы и т.д., а так же различного рода декоративные элементы. Чаще всего сплайновый метод моделирования используется как вспомогательный для полигонального моделирования.

• полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон)

     Такой способ является основным методом моделирования, используется для создания сложных моделей и низкополигональных моделей для компьютерных игр.

     При полигональном моделировании объект разбивается на полигоны. Полигон  – это треугольник, задаваемый в  пространстве координатами трех точек. Моделирование сводится к редактированию вершин и ребер полигонов, какого-нибудь стандартного примитива. Например, для создания модели драгоценного украшения можно сделать стандартный примитив box (куб), сконвертировать его в Editable Poly и редактируя вершины и ребра полигонов, добавляя новые вершины, ребра и полигоны постепенно добиться необходимой формы. В объектах типа Editable Mesh модель состоит из треугольных граней. Для работы можно использовать режимы редактирования Vertex (Вершина), Edge (Ребро), Face (Грань), Polygon (Полигон) и Element (Элемент). В объектах типа Editable Poly модель состоит из многоугольников. Для работы с такими объектами можно использовать режимы редактирования Vertex (Вершина), Edge (Ребро), Border (Граница), Polygon (Полигон) и Element (Элемент).

     С помощью данного метода моделирования  делают модели различной сложности: начиная простыми и заканчивая очень  сложными. Полигональное моделирование  универсальное средство. С его  помощью, создается большинство моделей начиная от простых предметов быта и заканчивая высокодетализированными моделями людей, архитектуры, техники.

• моделирование на основе порций поверхностей Безье (Editable patch)

     В объектах типа Editable Patch модель состоит  из лоскутов треугольной или четырехугольной формы, которые создаются сплайнами Безье.

     Patch Grids (Сетки патчей) – это поверхности  Безье, состоящие из четырехугольных  (реже треугольных) фрагментов (лоскутов), основанных на сплайнах, которые управляются при помощи манипуляторов Безье.

     Моделирование при помощи фрагментов Безье имеет  следующие преимущества перед другими  способами создания объектов:

• автоматическое сглаживание стыков между фрагментами, при котором получается плавный переход от одного фрагмента к другому;
• управление фрагментами при помощи манипуляторов Безье;
• возможность управления топологией (плотностью) фрагментов Безье, что позволяет при незначительных затратах получить сглаженную модель;
• окончательная модель представляет собой полностью бесшовный каркас, который легко поддается анимированию.

     Однако  такое моделирование обладает и  определенными недостатками:

• автоматическое сглаживание стыков из преимущества превращается в недостаток, когда необходимо выполнить моделирование излома поверхности;
• фрагменты Безье слишком велики, поэтому работать с маленькими элементами или деталями объекта неудобно.

• создание объектов при помощи булевых операций;
• NURBS-моделирование

     NURBS (Non Uniform Rational B-Splines – неоднородные нерациональные В-сплайны) – это поверхности или кривые, форма которых описывается неоднородными рациональными В-сплайнами. Такие поверхности хорошо подходят для создания органических поверхностей, дают возможность неплохого интерактивного контроля над объектом, хотя и не так просты в использовании. Применение NURBS-поверхностей позволяет достичь лучших результатов при моделировании объектов со сглаженными формами, нежели приемы полигонального моделирования.

     NURBS-объекты  представлены двумя видами поверхностей и кривых:

• CV-кривые (кривые с контрольными вершинами) – содержат управляющую решетку с вершинами, с помощью которых можно изменять форму отдельной кривой или всей поверхности.
• Точечные кривые – подобно обычным кривым, строятся по контрольным точкам, которые позволяют более тонко, чем в случае с обычными сплайнами, управлять формой кривой или поверхности.

     Точно так же поверхности NURBS подразделяются на точечные и CV (с контрольными вершинами), сохраняя свои свойства аналогично кривым. Они состоят из набора NURBS-кривых, связанных между собой. В NURBS-объекты можно преобразовывать сплайны и стандартные примитивы 3ds Max.

     NURBS-поверхности  предпочтительнее полигональных  при моделировании плавных поверхностей  объектов, таких, как растения, животные, цветы и т.д.

      2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОВ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ

     Современные информационные технологии позволяют воссоздавать внешний вид, смоделировать технологии постройки, пространственную ориентацию объектов культурного наследия.

     Создание  компьютерных трехмерных моделей возможно для любого памятника культуры, существующего, частично сохранившегося  или полностью утраченного. Рассматривая трехмерное моделирование в контексте реставрационной деятельности, стоит отметить важность и необходимость такой работы, ведь полученные объекты обладают не только историко-культурной значимостью, но могут эффективно использоваться в образовательном процессе.

     2.1 Методы 3D моделирования объектов культурного наследия

     При работе с реально существующими объектами первая задача состоит в воссоздании в виртуальном пространстве реального объекта – памятника архитектуры – в его текущем состоянии. Точность определяется заданными целями проекта и качеством исходных материалов.

     Чтобы получить визуальное сходство необходимо использовать в качестве основы высококачественные фотографии. Более высокую точность модели можно получить, опираясь на подлинные материалы и непосредственно на чертежи. Для получения фотореалистичного изображения используются фототекстуры – фрагменты реальных фотографий объекта (Рисунок 1).

a)      b)

Староместская площадь, Прага: a) Фотография; b) Скриншот

Рисунок 1(a,b).

     Для объектов, где точность имеет первостепенное значение, используется лазерное сканирование.

     2.1.1 Лазерное сканирование объектов

     Лазерное  трехмерное сканирование – это метод, позволяющий создать цифровую модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. В результате сканирования на поверхности объекта полностью бесконтактно определяется положение от сотен тысяч до десятков миллионов точек (Рисунок 2).

a)   b)   c)

Фарфоровая  ваза ”Сплетницы” из экспозиции Государственного Эрмитажа

a) сканируемый объект; b) облако точек; c) 3D-модель

Рисунок 2(a-c)

     В большинстве случаев с одной точки стояния прибора невозможно отсканировать весь объект и для получения полной картины приходится производить измерения с разных точек. Труднодоступные части поверхности объекта могут быть отсканированы с помощью специального метрологического зеркала. Параметры сканирования (шаг и точность) выбираются в зависимости от характера рельефа (орнамента) фактуры поверхности обмеряемого объекта.

     Полученные  с разных точек стояния прибора  облака точек (так называемые сканы) сводятся в единую систему координат  и в дальнейшем обрабатываются совместно. Сведенные в единую систему координат сканы редактируются. Из них удаляются грубые промахи и уточняется положение еще не отсканированных участков поверхности. В дальнейшем на этой основе формируется высокоточная полигональная модель.

     Современное программное обеспечение и оригинальная технология позволяют выполнить построение 3D-модели реставрируемого объекта с высочайшей точностью. Специализированный пакет программ позволяет рассмотреть объект под разными углами и с разных сторон; виртуально восстановить недостающие детали и даже рассчитать количество необходимых для проведения работ материалов.

     Лазерное  сканирование и 3D-моделирование при  создании копий предметов культурного  наследия даёт следующие преимущества по сравнению с традиционными методами:

• высочайшая точность и достоверность результатов измерений;
• отсутствие контакта с объектом сканирования;
• существенное сокращение времени на создание прототипа;
• возможность многократного создания прототипа в любом масштабе;
• виртуальная реставрация и воссоздание произведений искусства;
• использование 3D-моделей для компьютерной анимации.

     2.1.2 Примеры моделирование объектов на базе 3ds Max

     3D редакторы предоставляют возможность максимально точно смоделировать объект культурного значения. На сегодняшний день существует несколько способов создания трехмерной модели, подробные описания которых находятся в первой главе.

     В этой главе будут проанализированы примеры моделирования, ранее созданные на базе 3ds Max.

     Первый объект – модель фарфоровой вазы XIX века, созданная способом наращивания (Рисунок 3).

     Конечный результат моделирования

     Рисунок 3

     Принцип данного способа отражен в идеи преобразования простого объекта Cylinder (Цилиндр) в редактируемую полигональную модель. Для того, чтобы получить необходимую форм, все полигоны , кроме основания, у объекта Cylinder удаляются. Далее при помощи инструмента масштабирования и перетаскивания ребер объекту придается законченная форма (Рисунок 4).

     Рисунок 4

     Добиться  реалистичности объекта помогут различные модификаторы, такие как Chamfer (Размножение точек по соседним ребрам), Extrude (Выдавливание), MSmooth (Сглаживание). Последняя операция с объектом заключается в создании декоративного элемента горлышка вазы. Для этого выделенные точки (Рисунок 5) передвигаются вверх, после чего к объекту снова применяется модификатор сглаживания.

     Рисунок 5 

     Второй  объект создан с использованием технологии выдавливания (экструзии) сплайнов – создание одноэтажного дома методом выдавливания 2D плана помещения по толщине.

     Рассматривая  данный метод в контексте моделирования непосредственно архитектурных объектов, стоит отметить, что способ весьма удобен в тех случаях, когда имеются сложные проемы (например, сводчатые окна), или если у здания одинаковые стены.

     Первое действие – создание плоской фигуры Rectangle (Прямоугольник) по исходному размеру стены дома. Далее применяется модификатор Edit Spline и с помощью команды Refine добавляется точка по центру верхнего ребра прямоугольника. Следует приподнять добавленную вершину, чтобы образовался фронтон (Рисунок 6).

Рисунок 6

     Далее необходимо создать прямоугольники для оконных проемов. Применяя к полученному сплайну модификатор Extrude, выдавить его на толщину стены. Аналогично строятся остальные стены. Для моделирования крыши в проекции Front создается сплайн по форме сечения двускатной крыши и с помощью команды Extrude выдавливается на всю длину (Рисунок 7).

Рисунок 7

     Для завершения работы нужно повторить процедуру создания крыши, повернуть ее на 90 градусов, чтобы получить в итоге две пересекающиеся плоскости (Рисунок 8).

Рисунок 8

      ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Сегодня возможности компьютерных программ позволяют создавать как трехмерные модели отдельных культурных объектов, так и целых ансамблей. Для создания аутентичной трехмерной модели архитектурного памятника не нужно решать сложные задачи в техническом отношении, важно лишь иметь плановое решение, а также исторический материал, собранный исследователем архитектуры для создания модели, максимально приближенной к оригиналу.

     Использование технологий виртуального моделирования  в научной, образовательной деятельности открывает перед исследователями широкие возможности репрезентации материала, памятников культуры и архитектуры.

     3D модели объектов культурного наследия может послужить хорошим учебным пособием для образовательных учреждений средних и высших (школ, институтов, и т.д.), экскурсоводов, и основой для создания видео для научно-популярных фильмов и телепередач.

      БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бондаренко  С.В., Бондаренко М. Ю. 3ds max. Легкий старт / С. И. Бондаренко, М. Ю. Бондаренко. – CПб.: Питер, 2005. – 128 с.: ил.
2. Ковальченко И.Д. Методы исторического исследования / И. Д. Ковальченко. – М., 1987. – С. 281 – 357.
3. Московский государственный институт электроники и математики. Кафедра «Информационно-коммуникативные технологии» Методы и программы моделирования 3d – объектов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://wiki.auditory.ru/
4. Дизайн и компьютерная графика. Архитектурное моделирование в 3ds Max [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.3dray.ru/architecture.htm
5. Википедия. 3ds Max [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/3ds_Max
6. Юрий Ильин. 3D моделирование [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://mir3d.ru/learning/766/
7. Иллюстрированный самоучитель по 3ds Max [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://3d.demiart.ru/book/3D-Max-7/menu.html
8. Лазерное сканирование и 3D моделирование произведений искусства [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://new.bumtechno.ru/metrology/services/art
9. Географические информационные системы Gis-Lab.Основные стратегии создания 3D моделей зданий и городов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/3dcities.html