Трёхмерная графика

Содержание Введение………………………………………………………………………...…3

1.1.Трёхмерная графика…………………………………………………………..4

1.2.Моделирование………….…………...………………………………………..4

1.3.Рендеринг……………………………………………………………………...5

1.4.Использование 3D графики………………………………………………......6

1.5.Программные ресурсы……………………………………………………......8

2.1.3D-принтеры………………………………………………………………....11

2.2.Виды 3D-печати………………………………………………….…………..11

2.3.Где применяется трехмерная  печать?……………………………………....12

2.4.Коммерциализация трехмерной  печати…………………………………....14

2.5.Доступность и перспективы  трехмерной печати………………………….15

Приложения…………………………………………………………..………….17

Информационные ресурсы………………………………………………...……21

 
Введение

Представьте себе ситуацию, что вам срочно нужно приобрести стул или стол на кухню. Сейчас вы, скорее всего, направились бы в обычный магазин за этой покупкой. В лучшем случае посмотрели бы товары в сети интернет. Но уже недалек тот день, когда вы сможете получить уникальный стул или стол не просто, не выходя из дома, но даже без какого-либо посредничества со стороны продавцов или службы доставки магазина. Главное, чтобы у вас дома был 3D-принтер.

Вам нужно будет только перевести деньги за продукт с помощью вашей кредитной карты на счет магазина, после чего можно будет смело ... распечатать изделие. А при желании вы сможете даже загрузить в компьютер свою 3D-модель стола, сделав его уникальным. Чем не настоящий hand-made?

Все это может вам показаться фантастикой. Тогда приготовьтесь. Все это уже функционирует. Это реальность, которая пока используется для решения узкого спектра задач. Но массовое внедрение технологии в повседневную жизнь уже не за горами.

 
 
1.1. Трёхмерная графика или 3D

Трёхмерная графика или 3D — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), призванных обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира, так и быть полностью абстрактной.

Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:

1. Моделирование — создание  математической модели сцены  и объектов в ней.

2. Рендеринг (русск. визуализация) —  построение проекции в соответствии  с выбранной физической моделью.

 

1.2. Моделирование

 

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

Геометрия - построенная с помощью различных техник 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.

 
1.3. Рендеринг

Рендеринг (англ. rendering — русск. визуализация) термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

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. 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);

2. Сканлайн (scanline) — 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.

3.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;

4. Глобальная иллюминация (англ. global illumination, radiosity) — расчёт взаимодействия  поверхностей и сред в видимом  спектре излучения с помощью  интегральных уравнений и другие.

 

Наиболее популярными системами рендеринга можно назвать:

PhotoRealistic RenderMan (PRMan)

Mental ray

V-Ray

FinalRender

Brazil R/S

BusyRay

Turtle

Maxwell Render

Fryrender

Indigo Renderer

LuxRender

YafRay

POV-Ray

 
1.4. Использование 3D графики

3D графика очень часто встречается  в различных областях нашей  жизни. Порой мы не замечаем  того, что фотография, опубликованная  в рекламе, на самом деле является  искусной трехмерной моделью, которую  сложно отличить от реально  сфотографированного объекта.

 

3D графика появляется в играх, интернет, на телевидении, рекламных  щитах. 3D графика дизайн становится  всё более востребованной услугой. Современные технологии в области  трехмерной графики позволяют  применять 3D графику в дизайне  не только отдельных объектов, но и целых миров, что открывает  новые возможности как перед  исполнителями, так и перед заказчиками  рекламы.

 

3D графика является незаменимым  средством при необходимости  демонстрации каких-либо сложных  технических узлов, многоступенчатых  производств, архитектурных сооружений. Трехмерность наглядно отображает  все особенности строения объекта, его мельчайшие элементы, скрытые  от глаз наблюдателя части  конструкции сооружения. Трехмерная  визуализация куда удобнее и  нагляднее, чем чертежи и схемы. Это связано с тем, что трехмерное  представление куда более наглядный  способ демонстрации всех преимуществ  Вашего продукта или услуги, чем  плоские схемы или графики.

 

3D графика находит широкое применение  в техногенных сферах. Основные  потребители 3D - это компании-производители  различного оборудования и организации, занимающиеся строительством крупной  недвижимости. Производителям оборудования  трехмерная графика позволяет  очень наглядно продемонстрировать  принципы работы технологических  линий и отдельных станков.

 

"Объемный" дизайн позволяет  подчеркнуть преимущества и тонкости  производственного процесса. С помощью 3D графики есть возможность показать  всё оборудование и заглянуть "внутрь" технологического процесса. Эффектная визуализация концентрирует  внимание зрителя на ключевых  моментах демонстрации. Качественный  трехмерный дизайн имеет идеальный  вид, что способствует позитивному  восприятию презентации в целом.

 
1.5. Программные ресурсы

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:

3DS Max — полнофункциональная профессиональная  программная система для работы  с трёхмерной графикой, разработанная  компанией Autodesk. Работает в операционных  системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32-битных, так и в 64-битных). Весной 2009 года  выпущена двенадцатая версия  этого продукта под названием  «3ds Max 2010».

 

Maya — редактор трёхмерной графики. В настоящее время стала стандартом 3D графики в кино и телевидении. Первоначально разработана для  ОС Irix (платформа SGI), затем была портирована  под ОС GNU/Linux, Microsoft Windows и Mac OS. В настоящее  время существует как для 32, так  и для 64-битных систем.

 

Newtek Lightwave - легкая в применении  трехмерная анимационная система, обладающая невероятной мощью. LightWave 3D обеспечивает все: от парящих  логотипов до высококачественной  анимации для кино и телевидения. Интуитивный интерфейс, мощный моделлер, превосходное управление анимацией, высочайшее качество рендеринга.

 

SoftImage XSI – это 3D анимационное программное  обеспечение применяемое при  разработке игр, создании фильмов  и телевизионных программ. В арсенале SOFTIMAGE XSI имеется полный набор  инструментов для 3D моделирования, анимации и рендеринга. Базирующаяся  на новой, чрезвычайно гибкой  архитектуре, XSI обеспечивает 3D профессионалов  беспрецедентной мощью и гибкостью  для реализации самых невероятных  творческих задумок.

 

Rhinoceros 3D - это коммерческое программное  обеспечение для трехмерного NURBS моделирования разработки Robert McNeel & Associates. Преимущественно используется  в промышленном дизайне, архитектуре, корабельном проектировании, ювелирном  и автомобильном дизайне, в CAD/CAM проектировании, быстром прототипировании, реверсивной  разработке, а также в мультимедиа  и графическом дизайне.

 

CINEMA 4D - является универсальной  комплексной программой для создания  и редактирования трёхмерных  эффектов и объектов. Позволяет моделировать объекты по методу Гуро. Поддержка анимации и высококачественного рендеринга.

 

Zbrush — программа для трёхмерного  моделирования, созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью  данного ПО является имитация  процесса «лепки» 3d-скульптуры, усиленного  движком трёхмерного рендеринга  в реальном времени, что существенно  упрощает процедуру создания  требуемого 3d-объекта. Каждая точка  содержит информацию не только  о своих координатах XY и значениях  цвета, но также и глубине Z, ориентации  и материале. Это значит, что вы  не только можете "лепить" трёхмерный  объект, но и "раскрасить" его, рисуя штрихами с глубиной. То  есть вам не придётся рисовать  тени и блики, чтобы они выглядели  натурально — ZBrush это сделает  автоматически.

Blender — пакет для создания  трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства  моделирования, анимации, рендеринга, постобработки видео, а также  создания интерактивных игр. Особенностями  пакета являются малый размер, высокая скорость рендеринга, наличие  версий для множества операционных  систем — FreeBSD, GNU/Linux, Mac OS X, SGI Irix 6.5, Sun Solaris 2.8 (SPARC), Microsoft Windows, SkyOS, MorphOS и Pocket PC. Пакет имеет такие функции, как  динамика твёрдых тел, жидкостей  и мягких тел, систему горячих  клавиш, большое количество легко  доступных расширений, написанных  на языке Python.

 

K-3D — программное обеспечение, система 3D-моделирования и компьютерной  анимации. По оценке журнала «Компьютера»  система может рассматриваться  как хорошая альтернатива профессиональным  пакетам.

Wings 3D - это бесплатная программа 3D-моделирования с открытым исходным  кодом, на которую повлияли программы Nendo и Mirai от компании Izware. Программа  получила название по названию  технологии обработки полигонов, примененной в программе. Большинство  пользователей называют её просто Wings. Wings 3D доступна для многих  платформ, включая Windows, Linux и Mac OS X. Программа  использует окружение и язык  программирования Erlang.

 

Современный мир уже не может обходиться без компьютерной графики. Она движется и развивается очень быстро и стремительно. И возможно в скором будущем мы с Вами будем ходить в магазины, школу, работу, улицу не выходя из дома! А будем это делать в трехмерных мирах.

З

З

 
2.1. 3D-принтеры

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

 

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

 

«В профессиональной среде все уже привыкли к 3д-печати, но широкие массы в большинстве просто не знают, что это такое. При этом применений для бизнеса, не относящегося к конструкторской или дизайнерской среде - масса - от архитектурных макетов до эксклюзивных сувениров. Думаю, в ближайшее время ситуация кардинально не изменится и единственный выход - точечно общаться с потенциальными клиентами», - говорит Александр Скрынник, генеральный директор рекламного агентства ItLooks, имеющего в Санкт-Петербурге свою компанию по 3D-печати. Он отмечает, что бум данной технологии уже не за горами: «Бум наступит тогда, когда технологии сделают еще 1-2 шага вперед, повысив качество, точность, «глянцевость» и снизив себестоимость продукции. Тогда 3д-принтеры действительно совершат революцию, произойдет это, полагаю, уже через 3-5 лет.»