Презентация по труду (технология) модуль «3D-моделирование, прототипирование, макетирование», тема урока "3D-моделирование как технология создания визуальных моделей", 8 класс

Модуль «3D-моделирование, прототипирование, макетирование»

3D-моделирование как технология создания визуальных моделей, 8 класс

Учитель Пивоваров В.Л.

Цели урока:

• познакомить учащихся с историей развития 3D-моделирования как технологии создания визуальных моделей, с основными принципами и видами 3D-моделирования, с методами визуализации в 3D-моделировании;
• научить практически создавать 3D-модели в программе Paint 3D;
• сформировать представление о популярных видах программного обеспечения для 3D-моделирования;
• воспитывать усидчивость, развивать художественно-эстетические навыки, креативность.

Технология изображения в 3D

Постоянное совершенствование компьютерного оборудования и программного обеспечения сделало 3D-технологии доступными.

Сегодня 3D-модели повсеместно используют вместо обычных макетов в проектировании для проработки крупных или миниатюрных деталей, а «объемная» визуализация становится одним из инструментов маркетинговых мероприятий, интерактивных тренингов, презентаций и тд.

3D-моделирование - это процесс разработки математического, основанного на координатах, трехмерного представления анимированных или живых объектов и поверхностей.

3D-моделирование представляет собой набор точек, соединенных линиями, треугольников, криволинейных поверхностей и других геометрических образований в трехмерном пространстве.

Историческая справка

Некоторые из основных постулатов 3D-моделирования и визуализации были сформулированы Евклидом в еще III веке до нашей эры, которого иногда называют «основателем геометрии».

Созданная в 1600-х годах Рене Декартом система координат и аналитическая геометрия, заложила основы алгоритмам расчетов.

В середине XVIII века математики Джеймс Сильвестр и Артур Кэли разработали матричную систему исчисления, которая теперь используется для создания компьютерных изображений

В начале XX века Борис Делоне создал метод триангуляции, ставший основой для разработки современной методики разбиения сложных поверхностей трехмерных объектов на полигоны.

В 1960-х годах Иван Сазерленд создал проект, который назывался Sketchpad или «Робот-рисовальщик» . Sketchpad – это первое устройство, которое показало возможности использования компьютера для художественной деятельности в интерактивном режим

В 1968 году, Иван Сазерленд и Дэвид Эванс основали первую компанию 3D-графики «Evans & Sutherland», которая наладила производство специализированного оборудования для создания программного обеспечения.

Своего рода культовым предметом стала модель чайника, созданная в университете Юты. Он стал символом трехмерной компьютерной графики после того, как Мартин Ньюэлл использовал его для проверки своих исследований. Он выбрал 3D-модель чайника идеальной для тестирования формы по структуре, разнообразию поверхностей и способностью отбрасывать тени, в том числе и на свое изображение.

2 принципа 3D-моделирования

Информативность

Наглядность

– это свойство изображения, состоящее в правильном и четком представлении о моделируемом объекте.

– это свойство трехмерных изображений, зависящее, в первую очередь, от количества содержащихся в них различных пространственных характеристик.

Наглядность достигается путем внешнего оформления трехмерной модели, которое включает в себя цвета, обозначения, форму и размер элементов, текстуру, то есть наглядность предполагает возможность восприятия зрителем форм, размеров и содержания трехмерной модели.

Наибольшая информативность трехмерного изображения достигается при всестороннем представлении внешнего вида, положения в пространстве, размеров и форм всех значимых элементов модели.

Виды 3D-моделирования

Создание фотореалистичных изображений, проецируемых на обычный компьютерный монитор или экран. Отдельные программы позволяют осуществлять печать созданной модели на 3D-принтере.

Создание стереоизображений для просмотра на обычном компьютерном мониторе (экране) через специальные поляризационные очки или на специализированном 3D-мониторе со стереоскопическим эффектом.

Создание компьютерных голограмм.

Виды 3D-моделирования

полигональное

параметрическое

Полигональное 3D-моделирование

Полигональное моделирование заключается в построении трехмерной фигуры на основе плоской поверхности, которая размечается сеткой. Сетка состоит из линий, называемых ребрами, которые пересекаются в точках, называемых вершинами. Ребра делят поверхность на отдельные полигоны .

На программном уровне осуществляются действия с ребрами и вершинами до тех пор, пока объект не примет нужную форму, при этом происходит смещение полигонов относительно друг друга под различными углами. Число полигонов может достигать огромных значений. По мере его увеличения сетка все сильнее напоминает контуры создаваемого объекта, и он все более становится таким, как задумывалось.

Параметрическое 3D-моделирование

В ходе параметрического моделирования вначале создается эскиз, с которым впоследствии происходят изменения. В основе лежит математическая модель с подходящими параметрами, меняя значения которых, можно создать множество фигур. С помощью изменения параметров можно добиться необходимого вида модели.

В зависимости от информационной насыщенности можно выделить три основных вида геометрических моделей, используемых

в 3D- моделировании:

каркасные поверхностные твердотельные

далеки от реальности, конструкция состоит только из таких элементов как точки, линии или дуги различной конфигурации, соединенные для создания определенных форм

это наиболее требовательный в техническом отношении тип 3D-проектирования

имеют более реалистичный вид и приближенную к реальности текстуру поверхности

Подготовка и планирование создания 3D модели

Исследование и сбор референсов:

Найдите изображения, чертежи или фотографии объекта, который вы собираетесь моделировать. Это поможет вам лучше понять его форму и детали. Референсы могут быть как реальными фотографиями, так и рисунками.

1

Создание концепт-арта:

Если нет готовых референсов, нарисуйте концепт-арт. Это может быть простой эскиз, который даст вам общее представление о том, как будет выглядеть модель. Концепт-арт помогает визуализировать идею и служит основой для дальнейшей работы.

2

Определение технических требований:

Узнайте, какие требования предъявляются к вашей модели. Технические требования могут варьироваться в зависимости от проекта, поэтому важно заранее узнать все ограничения и особенности.

3

Как создаются 3D-модели

Этапы 3D-моделирования

Создание геометрии модели

На первом этапе создается пространственная геометрическая модель объекта, не учитывающая его физические характеристики. Производятся расчет размеров и построение формы предмета. Используются методы вращения, выдавливания, наращивания, полигонального моделирования.

Создание текстуры объекта

На данной стадии определяется, из каких материалов будет построен объект, разрабатывается его текстура. Именно в этот момент задается степень реалистичности создаваемой модели.

Выбор освещения

На данном этапе возникают сложности, поскольку от указанных параметров зависит восприятие модели, насколько она будет правдоподобной. Указываются тон освещения, степень яркости, резкости, насыщенность теней.

3D-визуализация или рендеринг

На заключительной стадии 3D-моделирования осуществляется уточнение настроек отображения модели, в частности, добавление специальных эффектов вроде бликов, тумана и т.д. При наличии анимации корректируются ее параметры. Также определяются параметры визуализации (число кадров в секунду, формат конечного видео). Если в результате получается двухмерное изображение, следует выбрать его формат и разрешение.

Постпродакшн

По окончании процесса 3D-моделирования в готовый материал можно включить спецэффекты с использованием программных средств, таких как Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro, Adobe Illustrator и т.д. Другими словами, происходит постпродакшн, когда итоговый результат улучшается с применением различных технологий.

Методы визуализации в 3D-моделировании

Scanline

Сканлайн рендер благодаря своей скорости применяется в видеоиграх и интерактивных сценах. При наличии мощного видеоадаптера с его помощью можно получить четкое изображение с частотой больше 30 кадров в секунду. Действие рендера основано на реализации принципа «ряд за рядом». Вначале необходимые полигоны располагаются по наибольшей вертикальной координате. После этого каждый ряд изображения формируется посредством пересечения с ближайшим к виртуальной камере полигоном. В процессе перехода между рядами происходит удаление полигонов, которые исчезают из поля зрения.

Raytrace (метод трассировки лучей)

Целью данного метода является получение изображения с максимальным разрешением подробной детализацией. При этом рендеринг занимает много времени и не подходит для создания анимированной графики в реальном времени.

При использовании рейтрейс-метода от виртуальной камеры для каждого пикселя на воображаемом экране проводятся лучи до ближайшего трехмерного объекта. Цвет точки определяется исходя из того, с каким объектами сталкивается воображаемый луч.

Raycasting (метод бросания лучей)

При этом способе происходит то же самое, что и в предыдущем случае, но здесь рассчитывается только первая поверхность, на которую упадет луч. В зависимости от характеристик объекта и освещенности определяется цвет пикселя изображения. Дальнейшая обработка отраженных от объекта лучей в таком случае не происходит.

Radiosity

Смысл такого рендеринга состоит в том, что поверхность объекта освещается не только прямыми источниками света, но и остальными поверхностями, отражающими свет. При этом точка обзора не имеет значения, что увеличивает нагрузку, но полученное изображение характеризуется высоким качеством и реалистичностью. Наилучшего результата можно достичь, используя для рендеринга методы Radiosity и Raytrace одновременно.

Преимущества 3D-моделирования

1.Точность: можно детализировать каждый необходимый план с точностью до микрона.

2.Визуализация в реальном мире

3. Высокая скорость выполнения

5. Быстрый производственный цикл: несложно предположить, что с течением времени эти устройства выйдут на новый качественный уровень и появятся у миллионов пользователей.

4. Доступность

Популярное программное обеспечение для 3D-моделирования

3D Slash представляет собой простое в использовании программное обеспечение для 3D-моделирования, которое позволяет создавать проекты, используя блочную концепцию, характерную для Minecraft.

Clara.io - это программное обеспечение для 3D- моделирования в онлайн режиме с использованием браузера. Эта программа включает в себя большинство распространенных инструментов для создания базовых трехмерных проектов.

Moment of Inspiration - это программное обеспечение для 3D- моделирования и визуализации ориентированное на художников и дизайнеров. Цель разработчика состояла в том, чтобы создать программу, которая имеет полную функциональность инженерного программного 3D CAD обеспечения, но без технических сложностей, которые этому сопутствуют.

Программный продукт SelfCAD включает в себя все этапы технологического процесса от создания дизайна изделия до его печати на 3D-принтере. Такая значительная функциональность SelfCAD объясняется мощным графическим приложением, взятым за основу для создания детализированных трехмерных проектов.

SketchUp изначально разрабатывался и распространялся среди пользователей на безвозмездной основе компанией Google, чем и объясняется высокая степень его известности. В основном этот редактор популярен своими инструментами, с помощью которых проектируются архитектурные 3D-объекты. SketchUp используется для визуализации и планирования в разных сферах, включая дизайн интерьера, мебели, ландшафтную архитектуру и т.д.

TinkerCAD комбинирует простые формы, как это делается в конструкторах, но используя базовые операции моделирования, TinkerCAD позволяет объединять примитивы с достаточно сложными объектами. В этом программном обеспечении реализована опция выполнения булевых операций, то есть можно объединять и вычитать любые фигуры и их элементы.

Blender предназначен для создания авторских моделей, анимационных фильмов, визуальных эффектов, интерактивных приложений, видеоигр и 3D-макетов для принтеров и т.д. Богатый функционал Blender включает в себя 3D- моделирование, рендеринг, текстурирование, преобразование растровой графики, создание разнообразных эффектов, анимацию, редактирование видео и др. Также Blender имеет встроенный игровой движок.

3DS Max - это классический бренд среди программных продуктов для 3D-моделирования, принадлежащий гигантской корпорации Autodesk. Он особенно популярен среди разработчиков видеоигр, художников и дизайнеров, нацеленных на визуальные эффекты, а также у архитектурных студий.

LibreCAD - содержит основные инструменты, которые понадобятся для проектирования и модификации трехмерных проектов. Поскольку LibreCAD показывает только упрощенные виды, то размер файлов составляет всего около 30 МБ. Но отображение изометрических изображений тоже имеется. LibreCAD удовлетворяет обычные потребности в художественно-творческой деятельности, но опция рисования 3D-моделей явно не перегружена функциональностью

Практическая работа.

Работа в программе Paint 3D