Инструментальные средства 3d моделирования
Миниахметова Р.Д.
Тобольский педагогический институт им. Д.И. Менделеева (филиал) ТюмГУ
Тобольск, Россия
В процессе моделирования объектов, создаются объекты-модели, цель которых заместить объект-оригинал при его изучении. При этом модель должна содержать значимые для данного исследования свойства оригинала. В настоящее время широко применяется компьютерное моделирование, когда описание объекта или явления сохраняется в памяти компьютера. Как и любое другое моделирование, компьютерное моделирование может быть различным. Следует выделить графическое моделирование, когда решается задача визуализации явления или процесса. Такое моделирование бывает необходимо, когда существует потребность в наглядном представлении явления из-за его сложности.
3D графика - это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. Объемное изображение создаётся на основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.
Трехмерная графика может быть любой сложности. Можно создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы. Или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее).
Программы трехмерного моделирования и визуализации открывают большие возможности создания объектов, позволяя смоделировать не только простые модели молекул, состоящие из нескольких атомов, но и модели, состоящие из нескольких сотен и даже тысяч атомов.
Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.
К основным преимуществам трехмерного моделирования можно отнести:
• улучшенное конструктивное оформление. Трехмерная модель - более удобный и эффективный способ воспроизведения замысла. Одним из наиболее очевидных отличий трехмерного моделирования от двумерных изображений является построение точной по размерам 3D-модели. Благодаря графическим возможностям современных компьютеров модель можно рассматривать на экране со всех сторон, манипулируя ею, как реальным предметом;
• простота изменения объекта. Программы 3D-моделирования позволяют легко модифицировать уже существующие модели или явления. При задании объектам новых размеров программа пересчитает все изменения, касающиеся их, и автоматически обновит всю модель;
• интеграция с другими программами. Полученные при использовании технологии трехмерного моделирования результаты могут быть обработаны с помощью других программ;
• сокращенный цикл проектирования позволяет значительно повысить эффективность применения.
На сегодняшний день существует довольно большое количество самых различных программ 3D моделирования, начиная с узкоспециализированных, и заканчивая пакетами, дающими возможность интеграции с любым другим программным обеспечением.
Так, одной из популярных программ, лидера рынка программного обеспечения трёхмерного моделирования, анимации и визуализации, которая специально разработана для создания трехмерной графики, является программа Autodesk 3ds Max. Полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk (рис. 1). Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах как в 32-битных, так и в 64-битных [1].
Рис. 1. Интерфейс программы Autodesk 3ds Max
Это объектно-ориентированная программа. В ней имеется обширная библиотека трехмерных объектов - сюда входят как стандартные, так и расширенные примитивы. Построение простых геометрических форм занимает считанные секунды - необходимо лишь выбрать нужную модель и ввести необходимые параметры (такие, как длина, высота, радиус и т.д.). Имеются инструменты для работы со сплайнами (моделирование на основе сплайнов) - создание и редактирование которых не составит особого труда благодаря дружественному интерфейсу программы. Удобна работа с командами для полигонального моделирования, а также с инструментами для создания поверхностей Безье. Возможность редактирования сетчатых поверхностей на разных уровнях (будь то вершины, сегменты и т.д.) облегчает работу со сложными поверхностями и позволяет добиться максимальной наглядности в их представлении. Большое количество модификаторов с легко настраиваемыми параметрами для работы с геометрией модели помогут воплотить разные модификации объекта [2].
Autodesk 3ds Max позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того, эта программа дает возможность компоновать их, задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа требует серьезных навыков пользователя, а также больших компьютерных ресурсов, в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора. Пакет 3ds Max достаточно сложен в освоении и имеет огромное число настроек, инструментов, меню и т.п. Даже простое перечисление его инструментов займет немало времени и вместе с тем не даст ни малейшего представления о нюансах работы.
Открытая архитектура 3ds Max позволяет воспользоваться преимуществами использования более чем ста подключаемых приложений, чтобы быстро и легко добавлять эффекты визуализации. Более того, с помощью этой программы можно создавать собственные приложения-модули, чтобы придавать оригинальный вид объектам [1].
Еще одной популярной программным пакетом трехмерного моделирования, разработанной фирмой Autodesk является программа Autodesk Maya (рис. 2). Это аналог 3ds Max, но она предназначена в первую очередь для анимации, и работает на всех распространенных сегодня компьютерных платформах: Windows, Mac OS, Linux.
Рис. 2. Интерфейс программы Autodesk Maya
Важная особенность Maya -- открытость для сторонних разработчиков, которые могут преобразовать её в версию, более удовлетворяющую их нуждам. В Maya встроен мощный интерпретируемый кросс-платформенный язык: Maya Embedded Language (MEL). Этот скриптовый язык, позволяет настроить основную функциональность Maya (большая часть окружения Maya и сопутствующих инструментов написана на нём). В частности, пользователь может записать свои действия как скрипт на MEL, из которого можно быстро сделать удобный макрос. Так аниматоры могут добавлять функциональность к Maya даже не владея языками C или C++, оставляя при необходимости такую возможность. Для написания расширений на языке C++ имеется подробно документированный C++ API. Так же для разработчиков теперь имеется возможность написания дополнений на языке Python. Язык MEL не привязан к платформе, поэтому код, написанный на нём, будет исполняться в любой операционной системе [2].
Файлы проектов, включая все данные о геометрии и анимации, сохраняются как последовательности операций MEL. Эти файлы могут быть сохранены в текстовом файле (.ma -- Maya ASCII), который может быть отредактирован в любом текстовом редакторе. Это обеспечивает непревзойденный уровень гибкости при работе с внешними инструментами [2].
Описанные выше программные продукты являются довольно востребованными, но их основным не достатком является высокая стоимость, не позволяющая большинству пользователей работать с этими продуктами. Альтернативой, к платным средствам работы с трехмерной графикой, являются свободно распространяемые программы трехмерного моделирования: Blender, Art of Illusion, K-3D, Bri-Cad, Bishop3D. Распространяясь под лицензией GPL, программы являются бесплатными для персонального и коммерческого использования.
Art Of Illusion -- свободный пакет для трехмерного моделирования. Невзирая на простой интерфейс, в Art of Illusion есть многие функции которые можно найти в дорогих программных пакетах 3D моделирования (рис. 3). Написан полностью на Java, для работы должна быть установлена Java Virtual Machine совместимая с J2SE 1.4 или позднее. Эта версия устойчива и достаточно мощная чтобы создавать серьезные, сложные и анимированные проекты [2].
Рис. 3. Интерфейс программы Art Of Illusion.
K-3D является полнофункциональным и мощным редактором для создания анимированных 3D моделей. Программа включает в себя много шаблонов и моделей, а также может расширять свои возможности моделирования с помощью установки различных плагинов (рис. 4). Система может рассматриваться как хорошая альтернатива профессиональным пакетам [2].
Рис. 4. Интерфейс программы K-3D
Bri-Cad -- мощная кроссплатформенная система для трехмерного моделирования, включающая интерактивный геометрический редактор, трассировщик лучей для геометрического анализа и рендеринга (рис. 5) [2].
Рис. 5. Интерфейс программы Bri-Cad
объемный модель компьютерный программа
Bishop3D -- инструмент для интерактивного создания моделей и анимации (рис. 6). Работает с популярным бесплатным трассировщиком POV-Ray. Программа позволяет интерактивно моделировать объекты и автоматически пишет POV-Ray SDL скрипт. Хороший редактор текстуры, возможность импорта в POV-Ray SDL делают это приложение исключительно полезным и функциональным [2].
Рис. 6. Интерфейс программы Bishop3D
Достаточно мощным и популярным на сегодняшний день из свободно распространяемых программных продуктов 3D моделирования по праву является Blender (рис. 7). Изучению некоторых основ работы с программой и моделированию в нём, посвящена данная дипломная работа. Blender, был выбран в связи с тем, что, по-сравнению с другими средами трёхмерного моделирования, обладает двумя видимыми преимуществами. Во-первых он распространяется под лицензией GNU General Public License, что для конечного пользователя означает бесплатность его распространения и свободу копирования. Во-вторых, существует большое количество руководств по его использованию. Вместе с тем Blender считается очень мощным и простым в использовании приложением [3].
Рис. 7. Интерфейс программы Blender
С помощью Blender можно создавать 3D модели, анимации, игры, а также осуществлять видеомонтаж и композинг. При помощи плагинов, реализованных на языке Python можно добавлять к Blender различные возможности. Blender постоянно обновляется и усовершенствуется. Он разрабатывается сообществом разработчиков open-source, где люди со всего мира вносят свой вклад в его развитие [3].
Рассмотренные выше программы считаются наиболее популярными пакетами трехмерного моделирования. От релиза к релизу совершенствуются функциональные возможности программ, позволяющие все с меньшими затратами времени и сил, но с большим качеством, воплощать в жизнь самые сложные модели. Расширяются стандартные библиотеки. Появление новых специализированных функций моделирования делает работу в программах более эффективной (функции полигонального моделирования, операции для создания сложных объектов, большое количество модификаторов для работы с геометрией модели, широкие возможности творческой работы с текстурами).