Реферат: Перспективы развития 3D-технологий

Перспективы развития 3D-технологий

Содержание

Введение.

. Краткая история развития 3D технологии

. Трехмерная графика или 3D

.1 Моделирование

.2 Рендеринг

. Возможности и области применения 3D - технологий

. Перспективы развития 3D - технологий

.1 Перспективы развития 3D-печати

. Программные ресурсы

. Самые необычные применения 3D - технологий

Заключение

Список литературы

Введение

В нашей жизни существует много такого, чего изменения касаются не очень часто. Но к этому явно не относятся передовые технологии. Постоянно обновляющиеся, они обрушиваются на жизнь человека, заставляя удивляться и все больше восхищаться.

Современный мир невозможно представить без информационных технологий. Они все глубже проникают в нашу жизнь, захватывая все больше и больше наук - информатику и ИТ, математику, физику. Повсеместно используемые - в образовании, бизнесе, развлечениях - информационные технологии совершенствуются.

Информационное общество нуждается в новейших разработках, альтернативе прошлому веку. На помощь приходят 3D-технологии. Все чаще их можно встретить в печати, телевизорах, принтерах.

Не обходится без 3D-инноваций и сфера развлечений - большинство кинопремьер показаны в формате 3D.

Тема моего реферата «Перспективы развития 3D-технологий» выбрана не случайно. Все большее место они занимают не только в промышленной, но и в повседневной, бытовой жизни человека. Использование подобных технологий упрощает многие процессы жизнедеятельности.

1.Краткая история развития 3D-технологии

: Американец Чарльз Халл разработал технологию «стереолитографии» (SLA) для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов (ФПК).

- Михаило Фейген предложил послойно формировать объемные модели из листового материала: пленок, полиэстера, композитов, пластика, бумаги и т.д., скрепляя между собой слои при помощи разогретого валика. Такая технология получила название «производство объектов ламинированием» (LOM).

По сути, листы приклеиваются друг к другу, а лазер вырезает контур.

- получение патента на технологию «стереолитографии» (SLA), разработанную в 1984 году.

В этом же году Чарльз Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий прибор трехмерной печати. Который незатейливо назвали - «установка для стереолитографии».

- доктора Карл Декарт и Джо Биман в Университете штата Техас в Остине разработали и запатентовали метод селективного лазерного спекания (SLS).

- израильской компанией Cubital была разработана Технология послойного уплотнения (SGC).

1988 - 3D Systems разработала модель SLA-250, которая была запущена в серийное производство для широкого круга пользователей.

- Скотт Крамп изобрел FDM (моделирование путём декомпозиции плавящегося материала). Наиболее распространённая ныне технология. Она и используется в большинстве «домашних» 3D принтеров.

- Скотт Крамп основал комапнию Stratasys.

- Stratasys выпустила первый 3D-принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).

- Helisys продала свою первую машину на основе объектного ламинирования (laminated object manufacturing (LOM))

- Компания Stratasys продала свою первую машину на основе технологии FDM - «3D Modeler».

- Фирма DTM продала свою первую систему селективного лазерного обжига (SLS)

- Была создана компания Solidscape. Ныне один из ведущих производителей.

- в Массачусетском технологическом институте был придуман термин "3D-печать".

- Компания Z Corporation получила эксклюзивную лицензию от MIT использовать технологию 3DP (Печать склеиваемым порошком).

- Stratasys представила «Genisys».

- Компания Z Corporation представила Z402.

- 3D Systems представила Actua 2100. К данному устройству быстрого прототипирования было впервые применено название «3D-принтер».

- компания EOS была продана конкуренту по стереолитографии 3D Systems. И они стали монополистами.

- Компания Z Corporation выпустила Spectrum Z510. Это был первый на рынке 3D-принтер с высоким качеством цветной печати (3DP).

- Открыт проект Reprap при использовании лицензии GNU General Public Licence.

- Выпущена первая версия Reprap, «принтера, который может производить сам себя». На тот момент он мог изготавливать около 50% необходимых деталей.

2008 - Objet Geometries Ltd, разработала принтер Connex500, печатающий несколькими различными материалами сразу (3DP). Сейчас количество материалов перевалило за 100.

- Urbee: первый автомобиль, созданный при помощи гигантских 3D-принтеров Dimension 3D Printers и Fortus 3D Production Systems.

- медицинская компания Organovo. Inc объявила о создании технологии, печати искусственных кровеносных сосудов.

- группа ученых Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института представила первый 3D принтер для создания продуктов - «Cornucopia». На данный момент разработка не получила существенного развития.

- голландский производитель 3D принтеров Ultimaker развил скорость трехмерной печати до 350 мм в секунду. Действительно неплохо, хоть и точность пострадала от скорости. Сейчас этот показатель уже так удивляет.

- под руководством Университета Эксетера и университета Брюнеля и фирмы Delcam, исследователи создали первый 3д-принтер, печатающий шоколадом. На самом деле это опять FDM, сложность была только в разработке состава.

- Инженерами Университета Саутгемптона создан первый самолёт, напечатанный на 3д-принтере. Сложность была скорее в проектировании модели таким образом, чтобы её можно было распечатать. Модель прекрасно летала.

- Венский Технологический Университет представил самый маленький, лёгкий и дешёвый по себестоимости печати 3д-принтер. Работающий по аддитивной технологии фотополимеризации светочувствительной смолы, весом 1,5 килограмма и стоимостью около 1200 евро.

- Компания 3D Systems выпустила на рынок персональный трехмерный принтер для домашнего использования 3D Cube. FDM.

- в Венском Технологическом Университете создали трехмерный принтер, печатающий микроскопические объекты разрешением до 100 нм со скоростью 5 мм в секунду.

. Трехмерная графика или 3D

Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, который охватывает алгоритмы и программное обеспечение для совершения действий над объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке. Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

Чтобы получить трехмерное изображение, необходимо пройти два этапа:

1.      Моделирование - создание математической модели и создание объектов в ней.

2.      Рендеринг - это понятие в компьютерной графике, означающее создание модели с помощью компьютерной программы.

.1 Моделирование

«Три кита» моделирования:

.Создание модели. 2.Изучение модели. 3.Применение результатов исследования на практике а также формулировка теоретических выводов.

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

Геометрия - построенная с помощью различных техник модель, например дом.

Материалы - информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен, толщина фундамента.

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, огонь и пр.

.2 Рендеринг

Моделью в рендеринге является любой объект или явление, описанный на строго определенном языке или с помощью структурных данных.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок, по одной для каждого кадра. 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 пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности.

Методы рендеринга

.Растеризация.

.Метод бросания лучей.

.Глобальная иллюминация.

.Трассировка лучей.

Рендеринг имеет свое собственное уравнение, представленное ниже:

Все модели представляют собой какое-то приближенное решение этого уравнения.

Наиболее популярными системами рендеринга можно назвать:

PhotoRealistic Render Man (PR Man) - пакет программ, промышленный стандарт рендерингa для 3D анимации. В частности существует как стандарт описания трехмерных данных для их последующей визуализации так и как отдельно стоящий рендер, выпущенный в последнее время под тем же названием.

Mental Ray - профессиональная система рендеринга и визуализации изображений, разработанной компанией mental images (Германия). Интегрирована в Softimage|XSI (с 1996 года, тогда Softimage назывался Sumatra) , Autodesk Maya (c 2002),Autodesk 3ds Max (c 1999), Houdini, SolidWorks, так же имеется версия standalone. Это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию.Ray- cистема рендеринга (визуализации изображения), разработанная компанией Chaos Group (Болгария). V-Ray работает как плагин для Autodesk 3ds Max , Cinema 4D, SketchUp, Rhino, TrueSpace7.5, Autodesk Maya (в бета-версии с 2005 года), как отдельный модуль Standalone, Blender (через Standalone - модуль).- бесплатная версия визуализатора для 3ds Max. Рендерер имеет следующие особенности: управление ресурсами памяти для просчета сложных сцен; отсутствие настроек - рендерер сам подстраивается под каждую сцену; отсутствие необходимости настройки сцен для рендеринга.Render - движок программной визуализации, разработанный компанией Next Limit Technologies, основанной разработчиками Виктором Гонселсом и Игнасио Варгосом в 1998 году в Мадриде. Maxwell Render является первой (по времени выпуска) системой визуализации, в которой принята т. н. физическая парадигма. В основу всей системы положены математические уравнения, описывающие поведение света. По этой причине визуализация объектов производится по принципу «без допущений».Renderer- физически корректная система рендеринга (имеется в виду, что все расчёты света/энергии/каустики и т.д. происходят взаимозависимо, что и отличает его от других рендереров, где всё обрабатывается раздельно и определяется самим пользователем).- программа-рендер , а не приложение 3D моделирования. Она зависит от других программ для создания сцен для рендеринга, в том числе настройка материалов и камер. Благодаря использованию экспортеров, вся соответствующая информация сцены записывается в файл формата LuxRender. После открытия этого файла, единственное, что будет делать LuxRender, это рендеринг сцены.- это бесплатная свободная программа трассировки лучей c открытым исходным кодом, использующая для описания сцены язык XML. В феврале 2004 года модуль управления YafRay'ем был интегрирован в программу 3D моделирования Blender. Программа распространяется под лицензией GNU Lesser General Public License (LGPL).Ray - программа трассировки лучей, доступная для множества компьютерных платформ. Первоначально основан на DKBTrace, написанном Дэвидом Керком Баком и Аароном А. Коллинзом. Также имело место влияние раннего трассировщика лучей Polyray, привнесённое его автором Александром Энзманном. POV-Ray - бесплатное программное обеспечение (Freeware) с доступным исходным кодом.- программа для моделирования относительно простых трёхмерных объектов - строений, мебели, интерьера.

3.      Возможности и области применения 3D - технологий

По данным статистики за 2012 год в мире насчитывается свыше 1000 самых различных 3D-принтеров, и их количество стремительно растет. Так как перечислить их очень и очень сложно, предлагаю остановиться на некоторых моделях, которые имеют важное значение в различных областях - начиная от военной, заканчивая аэрокосмической.

D-принтеры, существующие на данном этапе их развития, способны создавать не только вкусные блюда и всякие приятные мелочи. Например, выяснилось, что экономически выгодно получать таким методом ракетные двигатели. Такие проекты имеют место быть, тем более учитывая, что такой принтер уже существует и у NASA. Но необходимо учесть, что такой 3D-принтер применяют только пока для создания составных частей подобных двигателей. Эксперты единогласно подтверждают, что через 4-6 лет такие принтеры будут использоваться повсеместно.

Удачно проведено несколько экспериментов по производству полностью действенного оружия.

Если в 2010-2011 году подобные модели были скорее показными, то последние «печатные» экземпляры оружия получаются все более точными и практичными.

В Японии сейчас настоящий ажиотаж, связанный с 3D принтерами и печатью - повсеместные печатные фотографии постепенно заменяет 3D-печать. Например, в Токио, Осаке находятся 3D-фотобудки, позволяющие вместо обычной бумажной фотографии получить объемную, трехмерную статуэтку-фотографию с прекрасным точным исполнением даже мелких деталей.

Набирает популярность и сервис «объемного фотошопа», когда вас «нарядят» в виртуальную одежду какой-нибудь исторической эпохи или изобразят отважным рыцарем, получив трёхмерную модель вашего облика при предварительном сканировании.

Этот симбиоз завоевывает все большее место в искусстве. Так, на выставке 3D Print Show 2012, прошедшую в Лондоне, демонстрировались самые невероятные экспонаты, полученные в результате 3D печати: от необычайных музыкальных инструментов до удивительных решений мебели, компьютерных гаджетов, и даже человеческих органов.

По словам британских дизайнеров, 3D-печать развивается для создания дизайна офисов под самые различные исторические эпохи и для воспроизведения точной обстановки из фантастических фильмов, например «Аватара».

Голливуд испытывает настоящий «бум» в связи с использованием технологий 3D моделирования. Например, в фильме «Агент 007» машина главного героя настолько совершенна, что е просто не существует. Это очередное детище 3D печати и сопутствующих ей технологий. Традиционное производство в разы дороже, более наукоемкое и медлительнее 3D-печати. Например, в мультфильме «Гадкий я» большая часть создана методом 3D-печати. Все гениальное - просто: создать сценарий мультфильма, сконструировать его основных героев и окружающую обстановку в 3D, а потом... распечатать и снять как обычный фильм.

Запас ныне существующих устройств для 3D печати необычайно велик. Сейчас даже домашний принтер способен сделать модель из разного материала, например, пластика, точность воссоздания которой будет составлять около 100 микрон. Иначе говоря, это будет полная копия оригинала, отличить которую человек будет просто не способен.