XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роль 3Dмоделирования в современном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование - это динамично развивающаяся область деятельности человека,которая,как и он сам,не стоит на месте.
Когда-то все начиналось с папирусных пергаментов и краски из организмов животных. Мы уже вспоминаем с улыбкой те времена, когда использовали кульманы и карандаши.
Сейчас без использования высокотехнологичных решений на основе вычислительной техники трудно представить процесс проектирования. Поэтому, можно сказать, что 3D моделирование является одним из передовых направлений информационных технологий.
Трехмерноемоделированиевесьмапопулярноинаходитбольшоеприменениев различных отраслях человеческой деятельности. Также ЗD-модель является более информативным источником информации, нежели ее двумерный аналог, так как обладает большими возможностями. ЗD-модель является эффективным средствомдля представления и отображения пространственной информации на экране компьютера и может использоваться для решения широкого круга задач. Преимущество такой модели состоит в том, что она позволяет моделировать не только существующие объекты, нои проектируемые. Это обосновывает актуальность выбранной темы.
Объектданнойработы– Blender, ZBrush, SketchUp.
Предметисследования–современные3Dмодели.
Тема роли 3D-моделирования в современном мире является чрезвычайно актуальной, поскольку эта технология перестала быть узкоспециализированной и сегодня интегрирована практически во все сферы человеческой деятельности – от промышленного производства и архитектуры до медицины, образования, развлечений и даже моды. Оно стало мощным двигателем инноваций и экономического роста, позволяя значительно сокращать сроки разработки новых продуктов, оптимизировать производственные процессы и существенно снижать затраты, что жизненно важно для глобальной конкурентоспособности. Кроме того, 3D-моделирование выступает в качестве фундамента для развития таких прорывных направлений, как 3D-печать, виртуальная и дополненная реальность, мета вселенные и искусственный интеллект, что делает его понимание критически важным для прогнозирования будущего технологического ландшафта. Спрос на специалистов, владеющих этими навыками, неуклонно растёт, подчеркивая необходимость их подготовки и актуальность глубокого изучения самой технологии.
Цель работы состоят в том, чтобы изучить роль 3D моделирования в современном мире и создать макет культурных мест Астраханской Области
Длядостиженияцелибылипоставленыследующиезадачи:
-
Изучитьпонятие3Dмоделирования;
-
Познакомитьсясисторией3Dмодели;
-
Рассмотретьсферыиспользования3Dмоделей и сделать макет культуры Астраханской области.
-
Датькраткоеописаниепрограмм,предназначенныхдля3Dмоделирования;
-
Определитьперспективыразвития.
В ходе работы были использованы теоретические и эмпирические методы. Рабочая гипотеза: 3D-моделирование — ключевой инструмент для ускорения прогресса и повышения эффективности в различных сферах (от проектирования до обучения), но его развитие сдерживается недостаточной доступностью технологий и квалифицированных специалистов.
Глава I. Обзор литературы по теме.
-
-
СУЩНОСТЬ3DМОДЕЛИРОВАНИЯ
-
3D моделирование – это процесс формирование виртуальных моделей, позволяющий с максимальной точностью продемонстрировать размер, форму, внешний вид объекта и другие его характеристики. По своей сути это создание трехмерных изображений и графики при помощи компьютерных программ (приложение 1). Современная компьютерная графика позволяет воплощать очень реалистичные модели, кроме того создание 3D-объектов занимает меньше времени, чем их реализация. 3D технологии позволяют представить модель со всех ракурсов и устранить недостатки выявленные в процессе её создания.
Визуализация объектов с помощью компьютерных программ позволяет лучше представить будущий проект в реальности. Такие модели производят глубокое впечатление, и дают возможность добиться потрясающих результатов (приложение 2). Моделирование с помощью 3D технологий отличное решение для многих промышленных, строительных, ювелирных предприятий, а в особенности дизайнерских студий и развлекательной индустрии. 3D моделирование, визуализация и анимация объектов занимают главное место в реализации многих бизнес-проектов. Одним из отцовой трехмерной графики считают И. Сазерленда, который, будучи аспирантом, написал программу Sketchpad, которая позволяла создавать простые трехмерные объекты. В 1969 Сазерленд и К. Эванс открыли первую компанию, которая занималась производством компьютерной графики. Изначально компьютерная графика и анимация использовались преимущественно в рекламе и на телевидении.
И.Сазерленд К. Эванс
Отметим также систему моделирования, разработанную компанией MAGI. Система моделирования являлась процедурной – модели создавались путем комбинирования 25 геометрических фигур, имевшихся в библиотеке программы. Из простейших фигур, вроде пирамиды, сферы и цилиндра создавались более сложные, которые впоследствии становились основой для конечной 3D модели
В 1962 году была открыта компания Triplel, которая также внесла огромный вклад в развитие 3D технологий. Изначально она специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериалов. В 1975 году руководство компании приняло решение об открытии отделения компьютерной графики и анимации. В отличии от компании MAGI, использовавшей для моделирования различные геометрические фигуры, Triplel задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты
На сегодняшний день рынок 3D пакетов отличается большим разнообразием. Цены на софт упали в десятки раз, поэтому лицензионное программное решение могут позволить себе многие. Изначально не было комплексных программных решений, которые бы соединяли в себе функции по моделированию, анимации и рендерингу. Один из первых комплексных пакетов такого типа был выпущен в 1990 году компанией Lightwave 3D. И начиная с этого момента, можно считать, начинается интенсивное развитие данной отрасли
Рассмотрисуществующиенаданныймоментвидымоделирования.
Трехмерное изображение на плоскости отличается от двухмерного тем, что включаетпостроениегеометрическойпроекциитрехмерноймоделисценына плоскость (например – экран компьютера) с помощью специализированных программ. Однако, созданием и внедрением 3D дисплеев и 3D принтеров трехмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган астероид) так и быть полностью абстрактной (Приложение 3) Абстрактная модель, выполненная при помощи 3D печати Трехмерная модель– это модель объектов трехмерной графики,
представляющая собой совокупность вершин и ребер, которая определяет форму отображаемого многогранного объекта.
Существует 3 метода создания 3D моделей:
- Poly/Mesh (Полигональное моделирование);
- ShapesandSpline;
-NURBS
При полигональном моделировании объект разбивается на полигоны. Полигон - это треугольник, задаваемый в пространстве координатами 3 точек. Моделирование сводится к редактированию вершин и ребер полигонов какого-нибудь стандартного примитива, например, для создания моделей автомобиля можно сделать стандартный примитив box куб конвертировать его в EditablePoly и редактируя вершины и ребра полигонов, добавляя новые вершины, ребра и полигоны, и постепенно добиваются необходимой формы. С помощью данного метода моделирования делают модели различной сложности, начиная простыми и заканчивая очень сложными, полигональное моделирование – это универсальное средство. с его помощью создается большинство моделей, начиная от простых ювелирных изделий и заканчивая высоко детализированными моделями персонажей.
Следующий метод моделирования – это ShapesandSpline(формы и сплайны). Работая в 3D, часто приходится сталкиваться с плоскими двухмерными объектами. Самые элементарные двухмерные объекты сплайны. Сплайн (Spline) – это особая кривая, которая описывается некоторыми математическими уравнениями.
Сплайновые формы - это так или иначе различного рода линии в 3D сплайны используется для создания всех видов фигуры, в частности, окружностей. Эллипсов, прямоугольников, которые являются двухмерными фигурами при помощи различных модификаторов на основе сплайновых фигур можно получать по различным законам разные объекты, имеющие визуализируемую поверхность. Чаще всего к сплайну применяется модификаторы Extrude (Выдавливание) или Lathe (Вращение). В основном с помощью сплайнавого моделирования создаются предметы с гладкой поверхностью
-
-
ПРИМЕНЕНИЕ3DМОДЕЛЕЙВ21ВЕКЕ
-
Трехмерная графика сегодня пользуется большим спросом, особенно в таких областях как кинематография, анимация и мультипликация, компьютерные игры. Сложно представить современный фильм без 3D эффектов.Что касается мультипликации, то сегодня редко какой мультфильм обходится без трехмерной графики.
Применение3Dмоделированиявмедицине
В стоматологию трехмерная графика пришла гораздо раньше, чем в область медицинского исследования. Сегодня с помощью сканирования внутренних органовв 3D формате появилась возможность выявить только начинающую развиваться патологию органа и вовремя среагировать. То есть, если раньше человеканеобходимо было прооперировать, чтобы выявить заболевание, то сегоднядостаточно 3D сканирования. В стоматологии с помощью 3D принтеров, создают имплантаты. Возможность создать протез любой конечности, сухожилия, кровеносного сосуда и даже органа сердечной мышцы стала реальностью. Биопечать стремительно развивается, в конструировании органов используются живые ДНК. Компьютерные программы демонстрируют в реальном времени то, как будут двигаться будущие модели, например, протезы рук или ног (приложение 4)
Применение3Dмоделированиявнавигации
Разработчики навигационных карт часто применяют 3D моделирование для более удобного показа объекта. Действительно, не все могут читать карты и схемы проезда, но возможность увидеть почти как в реальности улицу, дом, вход в помещение - значительно упрощает задачу поиска (Приложение 5). С помощью трехмерного изображения можно построить модели здания, моста, путепровода, любых городских достопримечательностей, а также устроить экскурсию внутри помещения, музея, выставки, торговых центров и т.д.
Применение3Dмоделированиявархитектуреидизайне
Дизайнеры и архитекторы, одни из первых, по достоинству оценили трехмерную графику (приложение 6.). Демонстрация будущего объекта строительства или квартиры после ремонта заказчику устраняет все недочеты, несогласованности и повышает продуктивность задачи, а значит, гарантирует, что результат всегда будет на высоте (приложение 7.).Также применение 3D моделей незаменимо в сложных климатических условиях, например, в пустыне, на крайнем севере или для строительства на морских глубинах. Кроме того,3D моделирование используется для изготовления предметов мебели и интерьера для предварительного согласования с заказчиками внешнего вида будущего изделия
Еще одна важна сфера. 3D моделирование широко применяется в промышленности: атомной, космической, машиностроении. А также и в более обыденных видах промышленности, например, при изготовлении посуды и фаянса, игрушек.
Вывод по главе I. В ходе изучения литературы по теме мы узнали, что в современном мире 3D-моделирование является универсальным и незаменимым инструментом. Используя методы, такие как сплайновое моделирование специалисты могут воплощать самые разные идеи. Так же 3D-моделирование широко используется в промышленности, от машиностроения до производства повседневных товаров и Архитектуры.
Глава II. Практическая часть.
2.1. Программы для 3D моделирования
На сегодняшний момент разработаны различные программы для 3D моделирования. Их список постоянно пополняется, ведь компании создающие данное ПО хотят охватить как можно большую аудиторию потребителей, поэтому с появлением новых потребностей к специфике программы, они создают новые приложения. Среди них существуют как платные, так и бесплатные программы для 3D моделирования. К лидерам первой категории относятся 3D max, Maya, AutoCad, Cinema 4D, Компас 3D, Rinoceros, а ко второй стоит отнести Blender 3D моделирование, Wings3D и GoogleSketchUp. Рассмотрим более детально каждый из этих продуктов
3D max – популярнейшая программ, является профессиональной и имеет полноценный функционал. Используется для создания мультипликационного монтажа, анимации и трехмерной графики. Имеет ряд инструментов для создания моделей различной сложности. С её помощью можно получить любой виртуальный объект с точностью до мелочей и в последствии применить к нему анимацию. Есть платная и бесплатная студенческая версии программы
Cinema 4D – универсальная программа, разработанная для трехмерного моделирования и анимации. Имеет различный функционал и обладает простым интерфейсом, к тому же он имеет русский язык, что несомненно делает ее очень популярной среди русскоязычных потребителей
Компас 3D – ПО для объемного моделирования. Она имеет математическое ядро и замечательно подходит для реализации инженерных проектов. Программа может не только построить модель, но и выполнит расчеты и анализ для дальнейшего её изготовления. Имеет поддержку русского языка
Blender – программа для 3D моделирования, рендеринга, анимации, монтажа и постобработки. Кроме имеющего функционала, она сможет поддерживать другие плагины, которые помогают увеличить её возможности. Имеет файл для начинающих обучение 3D моделированию
GoogleSketchUp – позволяет создавать и редактировать различные варианты моделей. При мощи данной программы к ним можно добавлять новые элементы и текстуры. Обладает широким набором инструментов для создания объектов различной сложности.
Представленный список программ является далеко не полным и при желании профессионально заниматься и получить необходимые уроки 3D моделирования вы можете самостоятельно, подобрав подходящее ПО. Трехмерное моделирование – это поистине уникальная технология, за которой лежит будущее многих бизнес-проектов. Оно предоставляет всему человечеству потрясающие возможности воплощения в полной мере будущего объекта. Внедрение таких технологий ведет к экономии ресурсов, упрощению работ и расширению возможностей.
2.2. Создание макетов в системе 3D моделировании
При помощи 3D -моделирования мы создали цифровые прототипы Астраханского театра оперы и балета (приложение 8) и Астраханского кремля. (приложение 9)
Работа велась в программе Google SketchUp 2025 – это интуитивное и мощное приложение для трехмерного проектирования, установленное на нашем компьютере.
На каждую из моделей ушло примерно по два часа: это время включило в себя построение базовой геометрии, детализацию и настройку материалов для реалистичного визуального представления.
Выводы по главе II: мы создал макет таких достопримечательностей Астраханской области как: Астраханский кремль и Театр оперы и балета. Они получились интересные. С использованием Google SketchUp, так как он обеспечивает доступность для начинающих и выполняет потребности в базовом моделирование и рендеринге, но отстаёт от своих платных аналогов, таких как: 3D max, Maya и AutoCAD. Они уже предоставляют более профессиональные функции для сложного моделирования и анимации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенного исследования можно сказать, что поставленная гипотеза верна и можно сделать ряд следующих выводов.
Во-первых, 3D моделирование – это процесс формирования виртуальных моделей, позволяющий с максимальной точностью продемонстрировать размер, форму, внешний вид объекта и другие его характеристики. По своей сути это создание трехмерных изображений и графики при помощи компьютерных программ. Моделирование с помощью 3D технологий отличное решение для многих промышленных, строительных, ювелирных предприятий, а в особенности дизайнерских студий и развлекательной индустрии. 3D моделирование, визуализация и анимация объектов занимают главное место в реализации многих бизнес-проектов.
Во-вторых, человеком, создавшим первый прототип современных программ 3D моделирования для можно считать И. Сазерленда. Так же он одним из первых со стоим другом в 1969 году открыли компанию, занимающуюся производством компьютерной графики. В 1962 году была открыта компания Triplel, которая также внесла огромный вклад в развитие 3D технологий. Так же изначально не было комплексных программных решений, которые бы соединяли в себе функции по моделированию, анимации и рендерингу. Один из первых комплексных пакетов такого типа был выпущен в 1990 году компанией Lightwave 3D. И начиная с этого момента, можно считать, начинается интенсивное развитие данной отрасли.
В-третьих, на данный момент существует три вида моделирования: Poly/Mesh (Полигональное моделирование), ShapesandSpline, NURBS. Каждая из них имеет ряд преимуществ и, зачастую, они используются комплексно.
В-четвертых, 3D моделирование нашло широкое применение в разных областях человеческой деятельности, так оно используется в медицине, навигации, архитектуре и дизайне, легкой и тяжелой промышленности, науке и образовании.
В-пятых, Трехмерная печать при ее должном развитии и изучении в будущем будет более доступна. Так как 3D-принтеры будут распространены в качестве рабочей единицы во многих сферах. Большая востребованность трехмерной печати повлечет за собой разработку новых видов 3D-принтеров и материалов для создания изделий. Также для более объемной 3D-печати будет создаваться крупногабаритное оборудование, которое позволит печатать изделия очень больших размеров для строительных нужд, машиностроительной и других видов промышленности. Помимо стандартного создания трехмерных объектов, на 3D-принтере также доступна разработка и 3D-печать уникальных и индивидуализированных изделий. Их форма, структура и особенности конструкции ограничиваются только фантазией пользователя. Можно производить необычные изделия. Например, нетающие ледяные скульптуры, фигурные идеально пожаренные блинчики или ювелирные изделия тонкой работы.
Подтверждение Гипотезы:
мы Считаем что наша гипотеза подтвердилась т.к 3D моделирование позволяет проводить виртуальные испытания, выявлять ошибки на ранних стадиях и оптимизировать процессы, что сокращает сроки и затраты (примеры: архитектура, медицина и машиностроение). Для эффективной работы требуются не только навыки владения ПО, но и глубокое понимание предметной области, такие как инженерия, дизайн, анатомия, которые создают дефицит кадров. Гипотеза подтверждается преимуществами технологии и существующими рыночными барьерами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
-
История создания 3D-моделирования и его актуальность [электронный ресурс].–Режим доступа: https://studwood.ru/1648194/informatika/istoriya_sozdaniya_modelirovaniya_aktualnost
(датаобращения:23.01.2022).
-
Ланг Н.В., Шляхова М.М., Новые направления использования 3D- моделирования // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2020. №1. С. 205-206.
-
Области применения 3D моделирования [электронный ресурс]. – Режим доступа:https://3d-stl.store/articles/stati_12.html (дата обращения: 23.01.2022).
-
Области применения 3D-технологий в современном мире моделирования [электронный ресурс]. – Режим доступа:https://ucvt.org/blog/oblasti-primeneniya-3d- tehnologij-v-sovremennom-mire (дата обращения: 23.01.2022).
-
Перспективы 3D-моделирования как профессии. Программы для 3D- моделирования [электронный ресурс]. –Режим доступа: https://sansans.ru/blog/3ds- max-i-v-ray/perspektivy-3d-modelirovaniya-kak-professii-programmy-dlya-3d-
modelirovaniya.html(датаобращения:23.01.2022).
-
Перспективные направления развития 3D-печати[электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vektorus.ru/blog/aktualnost-3d-pechati.html (дата обращения: 23.01.2022).
-
Роль 3D моделирования в современном мире печати [электронный ресурс]. – Режим доступа: https://kratko-news.com/2018/03/08/rol-3d-modelirovaniya-v- sovremennom-mire/ (дата обращения: 23.01.2022).
Приложения
Приложение 1.
Примертрехмернойграфики
Приложение 2.
Скриншотизпрограммы ZBrush
Приложение 3.
Абстрактная модель
Приложение 4. Протезруки,созданныйна 3DпринтереПриложение 5.
Трехмерноеизображениеместности
Приложение 6.
Макет Здания
Приложение 7.
Визуализацияинтерьера
Приложение 8.
Приложение 9.