ISRPO/Лекции/3d_Modeling/3d_Modeling_LVS.md

3D-Моделирование

3D-моделирование -- это построение модели объекта в трехмерном пространстве. Данный способ представления объектов начал применяться в 1960-х годах, когда этим занимались специалисты компьютерной инженерии. Современные технологии 3D-моделирования позволяют конструировать сложные и объемные модели, проводить тестирование и вносить в них изменения на различных уровнях.

Хотя программное обеспечение для 3D-моделирования основано на сложных математических расчетах, все вычисления проводятся автоматически с предоставлением удобного пользовательского интерфейса. Создание трехмерной модели довольно затруднительно и представляет собой своего рода искусство. Для достижения реалистичности необходимо разбираться в особенностях моделирования и правильно проводить расчеты в течение всего процесса моделирования.

Преимущества 3D-Моделирования

Системы 3D-моделирования позволяют получить модель объекта еще до изготовления пробных образцов и, следовательно, разглядеть слабые стороны проекта и определить его соответствие первоначальной задумке.

Еще одним, но также довольно существенным плюсом 3D-моделирования является крайняя степень убедительности и наглядности трехмерных картинок и видео. Если следовать утверждению, что лучше один раз увидеть, чем тысячу раз услышать, то презентация в 3D длительностью 30 секунд дает тот же результат, что и двухчасовое выступление.

Чтобы получить представление о внешнем виде будущего здания на основе одних лишь зарисовок, нужно иметь хорошее воображение. Намного большего эффекта можно достичь благодаря технологиям трехмерной графики, которые позволяют увидеть итоговый результат проекта еще на стадии разработки.

Сферы применения 3D-Моделирования

Создание виртуальных миров и вымышленных персонажей стало возможным благодаря особой технике использования полигонов. Они представляют собой простые геометрические фигуры с тремя или четырьмя гранями, образующие путем соединения под разными углами один объект.

Чем меньшую площадь занимает каждый отдельный сегмент, тем их больше в совокупности, а значит, больше четкость изображения. Здесь используется такое понятие как качество графики -- в различных играх ее можно регулировать. Это имеет смысл тогда, когда компьютер не обладает достаточными ресурсами для быстрого отображения всех фрагментов.

- Сфера медицины:

Благодаря 3D-сканированию сейчас удается обнаружить повреждения органов и тканей, которые невидимы для обычного рентгеновского аппарата. Подобные технологии дают возможность установить точный диагноз тогда, когда это не получалось сделать при предыдущих обследованиях. Они находят широкое применение в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. В дополнение к виртуальным макетам при внедрении новых технологий многие учреждения здравоохранения приобретают также специальные 3D-принтеры.

- Промышленное проектирование

Основная потребность в этом возникает у специалистов из технических областей -- инженеров, электриков, строителей и т.д. Они работают с твердотельными или полыми объектами, характеристики которых имеют строго определенное значение.

Соответственно, для этой группы пользователей важно в первую очередь не изобразить модель, а тщательно все рассчитать с применением формул, разработать чертежи и осуществлять контроль в ходе всего проектирования. Другими словами, их основная цель -- не визуальное представление объекта, а получение конкретных сведений о нем.

Поэтому необходимое программное обеспечение с широким функционалом и большим набором инструментов компании приобретают с расчетом на весь отдел. Также оно используется для обучения в технических и архитектурных вузах, чтобы выработать у студентов навыки конструирования в комфортной среде.

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.

Модули 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.

Освоение трехмерной графики приводит в движение целые направления в промышленности, а также приносит динамику в нашу жизнь. Нельзя сомневаться, что будущее 3D-моделирования ничем не ограничено, что эти передовые технологии скоро увеличат свою доступность, востребованность и незаменимость!