Трехмерное моделирование позволяет наилучшим образом описывать
реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение. Эту задачу решает технология построения трехмерной модели. Технология позволяет создавать трехмерные модели местности, модели архитектурных ансамблей, интерьера внутренних помещений, надземных и подземных коммуникаций.
Двухмерное изображение не создаст такого полного представления об объекте, как трехмерная модель. Именно поэтому трехмерное моделирование эффективно и успешно используются на производстве и в рекламе. Трехмерное моделирование можно использовать для более эффектного представления поле боя с учетом рельефа реальной местности, также 3D моделирование успешно применяют в конструкторских проектах при создании различных моделей.
Использование моделирования позволяет провести оптимизацию различных технологических процессов. Трехмерное моделирование легко заменит натуральное макетирование, например, позволит создать 3D модель узла
связи или элемента системы связи.
Трехмерное моделирование открывает доступ к быстрому процессу
проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий
любого назначения и сложности.
Трёхмерное изображение на плоскости в отличие от двумерного включает построение геометрической проекции объёмной модели на плоскость с
помощью специализированных программ. Трехмерную графику активно
используют в телевидении, кинематографе, печатной продукции, компьютерных играх, в науке, промышленности, системах автоматизации проектных работ (САПР), в архитектурной и медицинской визуализации.
Основные функции и возможности 3D программ:
- Моделирование трёхмерной графики;
- Создание трёхмерной модели сцены и 3D объектов в ней;
- Рендеринг (визуализация);
- Построение проекции модели;
- Обработка и редактирование изображений;
3D графика – вид компьютерной графики, визуальное отображение трехмерной сцены или объекта на экране монитора или какого - либо другого устройства. Процесс построения 3D – изображения можно разделить на три последовательных этапа. На первом этапе объект преобразуется в модель, разделенную на множество многоугольников (полигонов). Следующий этап включает в себя геометрические преобразования с полигонами и установки освещения. Заключительный этап - рендеринг, на котором, создается двумерное изображение из полученных на предыдущих этапах многоугольников. Финальное изображение получается из визуализирования (рендеринга) предварительно смоделированной трехмерной сцены.
Как правило, каждая сцена представляет собой набор следующих элементов:
- Набор различных объектов, обладающих разными свойствами;
- Набор источников света;
- Набор текстур для объектов;
- Как минимум одну камеру или несколько камер.
Каждая сцена в 3D графике состоит из объектов. Каждый объект может состоять из:
Вершин (вершина – точка в трехмерном пространстве, где могут соединятся несколько линий. Положение вершины в трехмерном пространстве определяется своими 3D координатами по трем осям (высота, ширина, глубина или X,Y,Z);
Набора ребер (ребро – 2 вершины, образующие прямую линию);
Набора полигонов (полигон – как минимум 3 вершины, образующие плоскость. Как правило полигон состоит из 3 или 4 вершин, но в некоторых программах 3D моделирования полигоны могут состоять из большего количества вершин).
Объект может обладать различными свойствами и поведением (свойствами своего материала – например, такими как прозрачность, зеркальность, особенностями отражения текстур и т.д.; поведение объекта определяется его расположением в пространстве (смещением, осью поворота, углом поворота, коэффициентом масштабирования, и т.д.).
Каждый источник света в сцене задается следующими параметрами :
- Положение источника света в пространстве;
- Ориентация (точка, в которую направлен этот источник);
- Тип источника света (фоновый/направленный/ненаправленный);
- Цветовая схема (обычно RGB).
Все редакторы 3D графики обладает своим набором источников освещения и различными особенностями по управлению ими.Текстуры в сцене представляют собой двумерную картинку, различного формата, которая проецируется на трехмерную модель.Камера в трехмерной сцене используется для определения нужного для визуализирования участка сцены.
Каждая камера задается следующим основными параметрами:
- Положение в пространстве;
- Направление (точнее, точкой, в которую направлена эта камера);
- Угол зрения;
- Угол поворота относительно своей оси.
Программы для моделирования:
AutoCAD
AutoCAD – система автоматизированного проектирования и черчения в режимах 2D и 3D, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. Программа выпускается на 18 языках.
В данной программе можно с помощью 2D инструментов можно создать эскиз сложной детали, а затем перевести её в трёхмерное пространство. В AutoCAD можно моделировать, как отдельные здания, так и целые комплексы.
Основным форматом файла Auto CAD является DWG – закрытый формат, изначально разрабатываемый Autodesk. Для обмена данными с пользователями других САПР предлагается использовать открытый формат DXF. Следует отметить, что файлы с расширениями DWG и DXF может читать большинство современных САПР.
Для публикации чертежей и 3D-моделей (без возможности редактирования) используется формат DWF, также созданный компанией Autodesk.
Программа поддерживает запись и чтение (посредством импорта/
экспорта) файлов, формата 3DS, DGN, SAT и некоторых других. Начиная с версии 2012, Auto CAD позволяет преобразовывать файлы, полученные из трёхмерных САПР (таких как Inventor, SolidWorks, CATIA, NX и т. п.) в формат DWG.
3DCrafter
3DCrafter–это популярная бесплатная программа, предназначенная для 3D-моделирования и построения анимации в режиме реального времени
Данным редактором применяется технология Drag&Drop, поэтому даже начинающие пользователи не почувствуют сильного затруднения в построении трехмерных моделей любой сложности.
Процесс создания анимации очень прост - нужно просто указать позицию объекта в каждый конкретный (нужный) момент времени, а программа сама, автоматически подровняет (сгладит) указанные траектории. Стоит добавить, что ранее программа 3DCrafter называлась - 3D Canvas.
Google SketchUP
Google SketchUp – это бесплатное приложение, позволяющее создавать, редактировать и просматривать 3D-проекты домов, ангаров, различные варианты дизайна интерьера, ландшафтов, танков, самолётов и прочих объектов рис. 1.4.
С помощью Google SketchUp можно добавлять к своим моделям новые детали, текстуры и прочие всевозможные элементы, причём реалистичные текстуры находятся уже в комплекте.
Данный редактор обладает такими инструментами как: рисование и геометрическое моделирование; инструмент для создания простых и сложных форм – круги, овалы, квадраты; инструмент для построения пропорционально-уменьшенных копий объекта; измерительная рулетка, транспортир, расчёт площади, длины и многое другое.
Основные возможности и особенности Google SketchUp:
- Понятный и простой в использовании интерфейс;
- Поддерживает импорт и экспорт различных форматов двухмерной растровой и трёхмерной графики, в частности: *.3ds, *.dwg, *.ddf; *.jpg, *.png, *.bmp, *.psd;
- Дополнительно установленные плагины позволяют экспортировать в форматы *.mxs, *.atl, *.dae, *.b3d;
- Экспорт в формат *.jpg в качестве снимка с рабочей области окна приложения;
- Библиотеки компонентов, материалов и стилей рабочей области, которые можно пополнять своими элементами;
- Возможность устанавливать тени в соответствии с заданными широтой, долготой, временем суток и года;
- Возможность размещать свои творения в общедоступных онлайн коллекциях Google;
- Пополняемые библиотеки компонентов, материалов и стилей, бесплатные коллекции 3D-моделей;
- Возможность создавать макросы для повторяющихся действий;
Autodesk 3DS Max
Autodesk 3DS Max – профессиональная программная
система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации (рис. 1.2). Содержит современные средства для
художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows. Autodesk 3DS Max - доступен в 2 лицензионных версиях: студенческая - бесплатная которая предоставляет полную версию программы, но её нельзя использовать с целью получения прибыли.
Autodesk 3DS Max – популярный программный пакет, предназначенный для редактирования трех мерной графики и ее визуализации. Утилита великолепно подходит для создания простых и сложнейших структурированных трехмерных объектов – животных, людей, зданий. Программа также позволяет выполнять глубокое моделирование природной среды, включая освещение, воду, деревья, ветер. В приложение интегрирован мощный модуль анимации, предоставляющий огромные возможности касательно управления параметрами анимированного изображения.
Создаваемый при этом видеоряд обладает высокой реалистичностью. Графическая среда большинства компьютерных игр создана средствами Autodesk 3DS Max. Кроме этого, данный пакет широко используется в теле- и киноиндустрии.
Потребность в применении утилиты появляется тогда, когда необходимо получить изображение одной и той же сцены или предмета в разных проекциях. Стоит отметить, что прорисовка какой-либо сцены в 2D-редакторе займет меньше времени. Однако создав проект в Autodesk 3DS Max, пользователь получает возможность генерировать сцену в неограниченном числе проекций .
Немаловажен также тот факт, что процесс наложения теней и света в 3DS MAX осуществляется автоматически (главное правильно настроить источники света), в то время как в 2D-редакторах данная операция возлагается на пользователей.
Работа в программе осуществляется в четыре этапа:
- Моделирование – создание каркаса, структуры объектов, подлежащих
визуализации, их математических моделей; - Текстурирование – формирование текстуры, основных визуальных характеристик для объектов;
- Постановка света – отдельная и трудоемкая задача, для решения которой 3ds MAX предлагает широкий ассортимент разных типов источника света и немалые возможности по их настройке;
- Рендеринг – получение конечного результата – растрового изображения.
Математическая модель, созданная на предыдущих этапах, трансформируется в изображение, когда идет речь об анимации – в набор изображений.
Поддерживаются следующие форматы файлов: 3ds, max, lwo, jpg, png. Визуализация трехмерной сцены в Autodesk 3DS Max может осуществляться разными модулями рендеринга, предназначенными непосредственно для 3D-редакторов. Большой популярностью пользуется VRay – внешний визуализатор, характеризирующийся более реалистичными изображениями и огромным числом настроек, сравнительно со встроенным в Autodesk 3DS Max визуализатором Scanline.
Компас-3D
Компас-3D – это самый популярный российский САПР, которым ежедневно пользуются тысячи инженеров, конструкторов и проектировщиков в России и многих других странах. Благодаря мощному функционалу, простому не громоздкому интерфейсу, поддержке российских и международных стандартов и огромным набором отраслевых приложений.
С помощью данной системы можно реализовать проекты любой сложности – построение 3D-модели, расчет прочности этой модели, проведение кинематического и динамического анализов, подготовка конструкторской документации и её передача для изготовления деталей. Особенностью Компас-3D является, то что система использует собственное математическое ядро и параметрические технологии.
Blender
Blender – это бесплатный мощный редактор трехмерной графики и анимации. Программа обладает большим набором инструментов: 3D-моделирование, анимация, рендеринг, обработки видео, а также целый набор опций для создания интерактивных игр, различные визуальные 3D-эффекты и многое другое.
Актуально заметить, что такие действия как передвижение персонажей и движение губ при разговоре, мимика могут быть легко обработаны программой, так же программе не составить большого труда - управлять сложными динамическими объектами, которые взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Данный редактор может придать максимальной реалистичности таки эффектам, как развивающийся флаг, льющая вода и многим другим (многое зависит от фантазии и опыта пользователя).
Помимо всего выше перечисленного стоит добавить, что Blender обладает большим набором примитивов (кубы, кольца, сферы, цилиндры и т.д.) и всё это бесплатно.