Моделирование деталей и механизмов для производства

Применение

Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например, в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.

Самое широкое применение — во многих современных компьютерных играх, а также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги.

Несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде

· стереоочки,

· виртуальные шлемы,

· 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение.

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

Создание

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

· моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

· текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);

· освещение — установка и настройка источников света;

· анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;

· динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;

· рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

· композитинг (компоновка) — доработка изображения;

· вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.

Моделирование

Схема проецирования сцены на экран компьютера

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

Геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например, здание);

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

Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);

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

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.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов — прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

· Pixologic Zbrush;

· Autodesk Mudbox, Autodesk 3D max;

· Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;

· Google SketchUp.

· Blender

 

Текстурирование

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.

Освещение заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D-графики предоставляют следующие типы источников освещения:

· Omni light (Point light) — всенаправленный;

· Spot light — конический (прожектор), источник расходящихся лучей;

· Directional light — источник параллельных лучей;

· Area light (Plane light) — световой портал, излучающий свет из плоскости;

· Photometric — источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма.

Анимация

Одно из главных призваний трехмерной графики анимация — придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

· Autodesk MotionBuilder

· PMG Messiah Studio

 

Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. 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:

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

· 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 пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

· Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела 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;

· 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.

 

Наиболее популярными системами рендеринга являются:

· mental ray

· V-Ray

· BusyRay

· Fryrender

· LuxRender

· YafaRay

· POV-Ray

Программное обеспечение

3D-моделирование фотореалистичных изображений

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:

· Autodesk 3ds Max

· Autodesk Maya

· Autodesk Softimage

· Blender

· Cinema 4D

· Houdini

· Modo

· LightWave 3D

· Caligari Truespace

а также сравнительно новые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo и ZBrush.

Среди открытых продуктов, распространяемых свободно, числится пакет Blender (позволяет создавать 3D-модели, анимацию, различные симуляции и др. c последующим рендерингом), K-3D и Wings3D.

Бесплатная программа SketchUp компании Google позволяет создавать модели, совместимые с географическими ландшафтами ресурса Google Планета Земля, а также просматривать в интерактивном режиме на компьютере пользователя несколько тысяч архитектурных моделей, которые выложены на бесплатном постоянно пополняемом ресурсе Google Cities in Development (выдающиеся здания мира), созданные сообществом пользователей.

 

Визуализация трёхмерной графики в играх и прикладных программах

Есть ряд программных библиотек для визуализации трёхмерной графики в прикладных программах — DirectX, OpenGL и так далее.

Есть ряд подходов по представлению 3D-графики в играх — полное 3D, псевдо-3D.

Есть множество движков, используемых для создания трёхмерных игр, отвечающих не только за трёхмерную графику, но и за расчёты физики игрового мира, взаимодействия пользователя с игрой и связь пользователей в игре при многопользовательском режиме и многое другое.

Моделирование деталей и механизмов для производства

Существуют конструкторские CAD/CAE/CAM пакеты, предполагающие создание моделей деталей и конструкций, их расчёт и последующее формирование программ для станков ЧПУ и 3D-принтеров.

Такие пакеты даже не всегда дают пользователю оперировать 3D-моделью напрямую, например, есть пакет OpenSCAM, модель в котором формируется выполнением формируемого пользователем скрипта, написанного на специализированном языке.

Трёхмерные дисплеи

Экран 3D-телевизора

Трёхмерные, или стереоскопические дисплеи, (3D displays, 3D screens) — дисплеи, посредством стереоскопического или какого-либо другого эффекта создающие иллюзию реального объёма у демонстрируемых изображений.

В настоящее время подавляющее большинство трёхмерных изображений показывается при помощи стереоскопического эффекта, как наиболее лёгкого в реализации, хотя использование одной лишь стереоскопии нельзя назвать достаточным для объёмного восприятия.

Стереоскопические дисплеи

Методы технической реализации стереоэффекта включают использование в комбинации со специальным дисплеем поляризованных или затворных очков, синхронизированных с дисплеем, анаглифических фильтров в комбинации со специально адаптированным изображением.

Ещё одна проблема стереодисплеев — это малая величина зоны «комфортного просмотра» (диапазон расстояний от зрителя до дисплея, в котором изображение сохраняет четкость). В среднем она ограничена диапазоном от 3 до 10 метров.

Стереодисплеи сами по себе не имеют прямого отношения к трёхмерной графике.

Существует также технология WOWvx, с помощью которой можно получить эффект 3D без использования специальных очков. Используется технология лентикулярных линз. Слой прозрачных линз закрепляется перед жидкокристаллическим дисплеем. Мозг, обрабатывая комбинацию этих картинок, создает эффект объемного изображения. Прозрачность линзового слоя обеспечивает полную яркость, четкий контраст и качественную цветопередачу картинки.

Существует технология отображения трехмерного видео на светодиодных экранах.

Прочие дисплеи

По состоянию на июнь 2010 г., существуют несколько экспериментальных технологий, позволяющих добиться объёмного изображения без стереоскопии. Эти технологии используют быструю развёртку луча лазера, рассеивающегося на частицах дыма (аэрозольный экран) или отражающихся от быстро вращающейся пластины.

Существуют также устройства, в которых на быстро вращающейся пластине закреплены светодиоды.

Такие устройства напоминают первые попытки создать механическую телевизионную развёртку. Видимо, в будущем стоит ожидать появление полностью электронного устройства, позволяющего имитировать световой поток от объёмного предмета в разных направлениях, чтобы человек мог обойти вокруг дисплея и даже смотреть на изображение одним глазом без нарушения объёмности изображения.

 

Кинотеатры с 3D

Использование для обозначения стереоскопических фильмов терминов «трёхмерный» или «3D» связано с тем, что при просмотре таких фильмов у зрителя создаётся иллюзия объёмности изображения, ощущение наличия третьего измерения — глубины и новой размерности пространства уже в 4D. Кроме того, существует ассоциативная связь с расширяющимся использованием средств компьютерной трехмерной графики при создании таких фильмов (ранние стереофильмы снимались как обычные фильмы, но с использованием двухобъективных стереокамер).

На сегодняшний день просмотр фильмов в формате «3D» стал очень популярным явлением.

Основные используемые в настоящее время технологии показа стереофильмов:

Dolby 3D

XpanD

RealD

IMAX