Трехмерное моделирование. 2

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ  
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический  факультет

Кафедра аналитической химии

 

 

 

Трехмерное моделирование

(реферат)

 

 

Выполнила студентка

5 курса 681 группы

________________

(подпись)

Шишлова Елизавета

Анатольевна

Проверил:

Старший преподаватель

_________С.А. Аутлов

(подпись)

Оценка____________

 

 

 

 

 

 

 

 

Барнаул 2013

Содержание

Введение 3

1 Трёхмерная графика 4

1.1 Моделирование 4

1.2 Рендеринг 7

1.3 Программное обеспечение 8

2 Трёхмерные дисплеи 10

2.1 Виды трёхмерных дисплеев 10

2.2 Стереоскопические дисплеи 10

2.3 Голографические дисплеи 12

2.4 Объёмные дисплеи 12

3 3D-Принтер 14

3.1 Технология 14

4 3D-Сканер 16

Заключение 17

Список литературы 18

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Трёхмерная графика обычно имеет  дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности  дисплея или листа бумаги. В  настоящее время известно несколько  способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство  из них представляет объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области  можно отметить стереоочки, виртуальные  шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать  трехмерное изображение. Несколько  производителей продемонстрировали готовые  к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться  строго по центру. Шаг вправо, шаг  влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное  изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях. Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D-дисплей, при помощи двух камер  отслеживающий положение глаз зрителя  и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошел еще  дальше. Теперь отслеживается положение  не только глаз, но и пальца, которым  можно «нажимать» трехмерные кнопки. А команда исследователей Токийского Университета создали систему позволяющую  почувствовать изображение. Излучатель фокусируется на точке где находится  палец человека и в зависимости  от его положения меняет силу акустического  давления. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать  с изображенными на ней предметами.

Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной  физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.

1 Трёхмерная графика

Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и  инструментов (как программных, так  и аппаратных), предназначенных для  изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции  в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке  и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости  отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения  на плоскости требуются следующие  шаги:

1. моделирование - создание трёхмерной  математической модели сцены  и объектов в ней;

2. рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

3. вывод полученного изображения  на устройство вывода - дисплей  или принтер.

Однако, в связи с попытками  создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

1. Моделирование

Трехмерное моделирование — это пространственное изображение любого объекта в трехмерной системе координат, дающее возможность максимально информативно, точно и реалистично представить его форму, текстуру, размер и цвет. Трехмерная модель объекта позволяет рассмотреть его с любого интересующего ракурса.

Двумерные чертежи изделия, различные  технические документы в бумажной форме не могут дать столь точное и наглядное представление об изделии, как его 3D модель. 3D моделирование изделия помогает оценить внешний вид и эргономику изделия, а также определить компоновочные схемы узлов и агрегатов изделия.

В развитых компаниях различных  отраслей промышленности, таких как Boeing, Airbus, Saab, Rolls Royce и многих других, 3D моделирование стало неотъемлемой частью процессов прототипирования, разработки и производства сложных наукоемких изделий. Примером изделий, полной цикл создания которых осуществлен с использованием такого подхода, служат проекты по разработке авиалайнеров Boeing 777 и Superjet-100.

Кроме того, уровень развития современных  информационных технологий позволяет  использовать полученные 3D модели для оценки ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности проектируемых изделий.

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий  объектов:

1. Геометрия (построенная с помощью  различных техник модель, например  здание)

2. Материалы (информация о визуальных  свойствах модели, например цвет  стен и отражающая/преломляющая  способность окон)

3. Источники света (настройки  направления, мощности, спектра освещения)

4. Виртуальные камеры (выбор точки  и угла построения проекции)

5. Силы и воздействия (настройки  динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации)

6. Дополнительные эффекты (объекты,  имитирующие атмосферные явления:  свет в тумане, облака, пламя и  пр.)

Задача трёхмерного моделирования - описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Трехмерное  моделирование объектов:

1. Позволяет визуализировать пространственную информацию в трехмерные модели объектов для решения задач проектирования, реконструкции, ремонта конкретных объектов инфраструктуры на территории промышленных предприятий, заводов, участках градостроительной деятельности.
2. Является инструментом визуально-ландшафтного анализа для определения возможностей и путей адаптации планируемых градостроительных вмешательств.
3. Позволяет выполнить мониторинг объектов во времени: современное состояние, неосуществленные проектные решения или перспективные проектные предложения.

Трехмерное моделирование территорий:

1. Позволяет визуализировать пространственную информацию в трехмерные модели местности для наглядного представления. Цифровые модели рельефа полезны для выполнения пространственного анализа, оценки территорий.
2. Используется для оценки уровня эрозии почв и образования лавин, расчета зон видимости при проектировании радиорелейных сетей.
3. Является инструментом визуализации для проектирования автомобильных дорог, линий электропередач, нефте- и газопроводов, инвентаризации и управления инженерными сетями и т. д.

Трехмерное моделирование  процессов используется при решении задач прогнозирования и оценки рисков последствий чрезвычайных ситуаций, определении зон затопления и заражения, площадей водосборных бассейнов, лавиноопасных участков, уровня эрозии почв и т.д.

1.2 Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок - кадров. Как структура данных, изображение  на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена, по крайней мере, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом, рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга - это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

1. Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);

2. Сканлайн (scanline) - он же Ray casting («бросание  луча», упрощенный алгоритм обратной  трассировки лучей) - расчёт цвета  каждой точки картинки построением  луча из точки зрения наблюдателя  через воображаемое отверстие  в экране на месте этого  пикселя «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пикселя будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

3. Трассировка лучей (рейтрейсинг,  англ. raytracing) - то же, что и сканлайн, но цвет пикселя уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;

4. Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) - расчёт взаимодействия  поверхностей и сред в видимом  спектре излучения с помощью  интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами трассировки  лучей в настоящее время практически  стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный  визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета  самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке  лучей, а Raytracing - к прямой.

Вследствие большого объема однотипных вычислений рендеринг можно разбивать  на потоки (распараллеливать). Поэтому  для рендеринга весьма актуально  использование многопроцессорных  систем. В последнее время активно  ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня  их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:

1. Refractive Software Octane Render

2. AAA studio FurryBall

3. RandomControl ARION (гибридная)

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и  обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.

1.3 Программное обеспечение

Программные пакеты, позволяющие создавать  трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей  изображения, очень разнообразны. Последние  годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo или ZBrush. Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет  создавать 3D модели, c последующим рендерингом (компьютерной визуализацией)), K-3D и Wings3D.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Трёхмерные дисплеи

Трёхмерный дисплей - название для  устройства визуального отображения  информации (дисплея), позволяющего создавать  у зрителя иллюзию наличия  реального объёма у демонстрируемых  объектов и иллюзию частичного либо полного погружения в сцену, за счёт стереоскопического эффекта.

2.1 Виды трёхмерных дисплеев

1. Стереоскопические 3D-дисплеи  формируют отдельные изображения  для каждого глаза. Такой принцип  используется в стереоскопах, известных  ещё с начала XIX века.

2. Автостереоскопические 3D-дисплеи  воспроизводят трёхмерное изображение  без каких-либо дополнительных  аксессуаров для глаз или головы (таких как стереоочки или шлемы  виртуальной реальности).

3. Голографические 3D-дисплеи имитируют  пространственное размещение световых  волн в таком виде, как они  располагались бы при отражении  света от реального трёхмерного  объекта.

4. Объёмные дисплеи используют  различные физические механизмы  для показа светящихся точек  в пределах некоторого объёма.

2.2 Стереоскопические дисплеи

Стереоскопические дисплеи делятся  на два типа:

1. Автостереоскопические дисплеи  - дисплеи, не нуждающиеся в  дополнительных аксессуарах, и  способные самостоятельно формировать  стереоэффект путём направления  нужного пучка света в нужный  глаз. Как правило, для этого  применяются микролинзы Френеля,  выполняющие роль светоделителей, и специальные барьерные сетки,  так чтобы каждый глаз зрителя  видел только тот столбец пикселей, который предназначен для него (у данного метода имеются множественные  недостатки). В частности, выход зрителя из нужного ракурса или выход из ограниченной «зоны безопасного просмотра» приводит к разрушению эффекта стерео, а разрешение изображения по горизонтали автоматически уменьшается вдвое.

Производители стереодисплеев продолжают разрабатывать технологии, позволяющие  уменьшить эти недостатки. Philips и NewSight разработали свои технологии многоракурсных дисплеев - WOWvx и MultiView. Компания SeeReal Technologies, в свою очередь, встраивает в свои дисплеи подвижный светоделитель  и детектор положения головы зрителя, перестраивая изображение под нужный угол зрения.

2. Дисплеи, требующие использования  вспомогательных устройств (очков)  для создания зрительного стереоэффекта.  В свою очередь вспомогательные  очки делятся на две категории  - пассивные и активные:

1) Пассивные:

a. Анаглифические, использующие метод  получения стереоэффекта для  стереопары обычных изображений  при помощи цветового кодирования  изображений, предназначенных для  левого и правого глаза. Вместо  диоптрийных стёкол в такие  очки вставлены специальные светофильтры, как правило, для левого глаза  - красный, для правого - голубой или синий.

b. Поляризационные очки, через эффект  поляризации формирующие разные  изображения для разных глаз. Снижение яркости изображения  для поляризационных очков составляет  примерно 50 %, разрешение остается  тем же (для систем с двумя  ЖК-панелями: Planar, StereoPixel) или снижается  вдвое (Zalman). Поляризационные очки  применяются также в кинотеатрах  IMAX.

2) Активные - затворные очки (жидкокристаллические или поляризационные), синхронизированные с дисплеем и поочерёдно затемняющиеся с той же частотой, с которой дисплей выводит изображения (кадры) для каждого глаза. За счёт эффекта инерции зрения в мозгу зрителя формируется цельное изображение (при этом требуется дисплей с частотой развёртки 120 Гц, так, чтобы для каждого глаза частота обновления изображения составляла 60 Гц). Снижение яркости изображения для затворных составляет примерно 80 %, разрешение остаётся тем же.

2.3 Голографические дисплеи

Голографические 3D дисплеи воспроизводят  непрерывное световое поле, соответствующее  световому полю реальной 3D сцены.

Принцип: Разделение объема воспроизведения  множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих через центр экрана. В  каждой части разбитого плоскостями  пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены.

Обычно, когда речь заходит о 3D, имеют в виду устройство, способное  воспроизводить на некотором материале  подобие традиционной голограммы, то есть вычислять и отображать фиксируемую  ей в виде дифракционных структур интерференционную картину светового  поля, причем делать это в реальном времени.

Плюс: самое реалистичное 3D изображение, обладающее всеми оптическими свойствами отображаемого реального объекта;

Минусы: техническая сложность  на пределе современных возможностей аппаратуры; вычислительных мощностей  хватает только для статических  изображений.

2.4 Объёмные дисплеи

Термин «3D-дисплей» употребляется  в отношении объёмных или воксельных дисплеев, где объёмное изображение  формируется (при помощи различных  физических механизмов) из светящихся точек в пределах некоторого объёма. Такие дисплеи вместо пикселей оперируют векселями.

Объёмные дисплеи строятся на разных принципах. Например, могут состоять из множества плоскостей, формирующих  изображение, которые расположены  одна над другой, одной качающейся плоскости, или же вращающихся плоских, или криволинейных панелей. Дисплеи на основе качающихся плоскостей и вращающихся панелей используют эффект зрительной инерции для достижения 3D-эффекта. За цикл своего движения движущаяся (качающаяся или вращающаяся) поверхность весь объём, в котором располагается изображение, зритель же воспринимает все положения поверхности как одновременные, в результате и видит вместо одной поверхности сплошное тело.

Сейчас получают распространение  подобные дисплеи низкого разрешения на основе светодиодов (в том числе  трёхцветных (RGB), позволяющих получить до 16 млн. цветовых оттенков), как простейших, разрешением 3х3х3 (монохром), так и  значительного размера и разрешения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3D-Принтер

3D-принтер - устройство, использующее  метод создания физического объекта  на основе виртуальной 3D-модели.

3.1 Технология

3D-печать может осуществляться  разными способами и с использованием  различных материалов, но в основе  любого из них лежит принцип  послойного создания (выращивания)  твёрдого объекта.

Применяются две принципиальные технологии:

1) Лазерная

1. Лазерная печать - ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик

2. Лазерное спекание - при этом  лазер выжигает в порошке из  легкосплавного пластика, слой за  слоем, контур будущей детали. После этого лишний порошок  стряхивается с готовой детали

3. Ламинирование - деталь создаётся  из большого количества слоёв  рабочего материала, которые постепенно  накладываются друг на друга  и склеиваются, при этом лазер  вырезает в каждом контур сечения  будущей детали

2) Струйная

1. Застывание материала при охлаждении - раздаточная головка выдавливает  на охлаждаемую платформу-основу  капли разогретого термопластика.  Капли быстро застывают и слипаются  друг с другом, формируя слои  будущего объекта

2. Полимеризация фотополимерного  пластика под действием ультрафиолетовой  лампы - способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием  ультрафиолета

3. Склеивание или спекание порошкообразного  материала - то же самое что  и лазерное спекание, только порошок  склеивается клеящим веществом,  поступающим из специальной струйной  головки. При этом можно воспроизвести  окраску детали, используя связующие  вещества различных цветов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 3D-Сканер

3D-сканер - устройство, анализирующее  физический объект и на основе  полученных данных создающее  его 3D-модель.

3D-сканеры делятся на два типа  по методу сканирования:

1. Контактный, такой метод основывается  на непосредственном контакте  сканера с исследуемым объектом.

2. Бесконтактный

Неконтактные устройства в свою очередь можно разделить на отдельные  категории:

1. Активные сканеры

2. Пассивные сканеры

Активные сканеры излучают на объект некоторые направленные волны (чаще всего свет, луч лазера) и обнаруживают его отражение для анализа. Возможные  типы используемого излучения включают свет, ультразвук или рентгеновские  лучи.

Пассивные сканеры не излучают ничего на объект, а вместо этого полагаются на обнаружение отраженного окружающего  излучения. Большинство сканеров такого типа обнаруживает видимый свет -- легкодоступное окружающее излучение.

Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть обработаны средствами САПР и, в дальнейшем, могут использоваться для разработки технологии изготовления (CAM) и инженерных расчётов (CAE). Для вывода 3D-моделей  могут использоваться такие средства, как 3D-монитор и 3D-принтер.

 

 

 

 

 

Заключение

Для чего задумали трехмерную графику? Прежде всего, она создана, для более  реального изображения предметов, для более яркого представления  реального мира, для изображения  предметов, объектов, которые максимально  будут соответствовать реальным.

Создание трехмерного изображения (естественно с помощью специальных  программ) включает в себя два основных этапа: моделирование и непосредственно визуализацию. На этапе моделирования происходит проектирование модели (основная цель моделирования, есть то, что проектируются объекты и в дальнейшем редактируется с помощью геометрических преобразований, для создания более реальной модели с определенными требованиями), а на последующем этапе выполняется построение проекции, и в дальнейшем оживление созданной модели с помощью разных методов и приемов. Трехмерная графика и анимация занимает сейчас важную нишу, и в дальнейшем планирует свое все большее развитие и внедрение во многих областях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Сазонов А.А. Трехмерное моделирование в AutoCAD / А.А. Сазонов. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 384 с.

2. Литинский П.Ю. Трехмерное моделирование структуры и динамики таежных ландшафтов / П.Ю. Литинский. — Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. — 149 с.

3. Прахов А. Blender. 3D-моделирование и анимация. Руководство для начинающих / А. Прахов. – Спб.: БХВ-Петербург, 2009. – 266 с.

4. http://referats.allbest.ru

5. http://itorum.ru/uslugi/trexmernoe-modelirovanie-i-vizualizaciya/

6. http://ru.wikipedia.org

7. http://www.ugi.ru/services/3d