Трехмерное моделирование

Задачи трёхмерного моделирования. Технологии рендеринга, часто комбинируемые вместе: Z-буфер, сканлайн, трассировка лучей и глобальное освещение. Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику. Виды трёхмерных дисплеев. Технология 3D-печати.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ТРЁХМЕРНАЯ ГРАФИКА

1.1 Моделирование

1.2 Рендеринг

1.3 Программное обеспечение

2 ТРЁХМЕРНЫЕ ДИСПЛЕИ

2.1 Виды трёхмерных дисплеев

2.2 Стереоскопические дисплеи

2.3 Голографические дисплеи

2.4 Объёмные дисплеи

3 3D-ПРИНТЕР

3.1 Технология

4 3D-СКАНЕР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Шаг вправо, шаг влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях. Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D-дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошел еще дальше. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. А команда исследователей Токийского Университета создали систему позволяющую почувствовать изображение. Излучатель фокусируется на точке где находится палец человека и в зависимости от его положения меняет силу акустического давления. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметами.

Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.

Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).


1 ТРЁХМЕРНАЯ ГРАФИКА

Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации,кинематографе,телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерноеизображениена плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной моделисценына плоскость (например, экранкомпьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили,здания,ураган,астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерногофрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

1. моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

2. рендеринг(визуализация) — построениепроекциив соответствии с выбранной физической моделью;

3. вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.

Однако, в связи с попытками создания3D-дисплееви3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

1.1 Моделирование

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

1. Геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание)

2. Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон)

3. Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения)

4. Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции)

5. Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации)

6. Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

1.2 Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок — кадров. 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. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

1. Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);

2. Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) — расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

3. Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;

4. Глобальное освещение (англ. globalillumination, radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing — к прямой.

Вследствие большого объема однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:

- Refractive Software Octane Render

- AAA studio FurryBall

- RandomControl ARION (гибридная)

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.

1.3 Программное обеспечение

Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo или ZBrush. Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет создавать 3D модели, c последующим рендерингом (компьютерной визуализацией)), K-3D и Wings3D.

трёхмерный графика дисплей печать


2 ТРЁХМЕРНЫЕ ДИСПЛЕИ

Трёхмерный дисплей — название для устройства визуального отображения информации (дисплея), позволяющего создавать у зрителя иллюзию наличия реального объёма у демонстрируемых объектов и иллюзию частичного либо полного погружения в сцену, за счёт стереоскопического эффекта.

2.1 Виды трёхмерных дисплеев

1. Стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в стереоскопах, известных ещё с начала XIX века.

2. Автостереоскопические 3D-дисплеи воспроизводят трёхмерное изображение без каких-либо дополнительных аксессуаров для глаз или головы (таких как стереоочки или шлемы виртуальной реальности).

3. Голографические 3D-дисплеи имитируют пространственное размещение световых волн в таком виде, как они располагались бы при отражении света от реального трёхмерного объекта.

4. Объёмные дисплеи используют различные физические механизмы для показа светящихся точек в пределах некоторого объёма.

2.2 Стереоскопические дисплеи

Стереоскопические дисплеи делятся на два типа:

1. Автостереоскопические дисплеи — дисплеи, не нуждающиеся в дополнительных аксессуарах, и способные самостоятельно формировать стереоэффект путём направления нужного пучка света в нужный глаз. Как правило, для этого применяются микролинзы Френеля, выполняющие роль светоделителей, и специальные барьерные сетки, так чтобы каждый глаз зрителя видел только тот столбец пикселей, который предназначен для него (у данного метода имеются множественные недостатки. В частности, выход зрителя из нужного ракурса или выход из ограниченной «зоны безопасного просмотра» приводит к разрушению эффекта стерео, а разрешение изображения по горизонтали автоматически уменьшается вдвое).
Производители стереодисплеев продолжают разрабатывать технологии, позволяющие уменьшить эти недостатки. Philips и NewSight разработали свои технологии многоракурсных дисплеев — WOWvx и MultiView. Компания SeeReal Technologies, в свою очередь, встраивает в свои дисплеи подвижный светоделитель и детектор положения головы зрителя, перестраивая изображение под нужный угол зрения.

2. Дисплеи, требующие использования вспомогательных устройств (очков) для создания зрительного стереоэффекта. В свою очередь вспомогательные очки делятся на две категории — пассивные и активные:

1. Пассивные:

a. Анаглифические, использующие метод получения стереоэффекта для стереопары обычных изображений при помощи цветового кодирования изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Вместо диоптрийных стёкол в такие очки вставлены специальные светофильтры, как правило, для левого глаза — красный, для правого — голубой или синий.

b. Поляризационные очки, через эффект поляризации формирующие разные изображения для разных глаз. Снижение яркости изображения для поляризационных очков составляет примерно 50 %, разрешение остается тем же (для систем с двумя ЖК-панелями: Planar, StereoPixel) или снижается вдвое (Zalman). Поляризационные очки применяются также в кинотеатрах IMAX.

2. Активные — затворные очки (жидкокристаллические или поляризационные), синхронизированные с дисплеем и поочерёдно затемняющиеся с той же частотой, с которой дисплей выводит изображения (кадры) для каждого глаза. За счёт эффекта инерции зрения в мозгу зрителя формируется цельное изображение (при этом требуется дисплей с частотой развёртки 120 Гц, так, чтобы для каждого глаза частота обновления изображения составляла 60 Гц). Снижение яркости изображения для затворных составляет примерно 80 %, разрешение остаётся тем же.

2.3 Голографические дисплеи

Голографические 3D дисплеи воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D сцены.

Принцип: Разделение объема воспроизведения множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены.

Обычно, когда речь заходит о H3D, имеют в виду устройство, способное воспроизводить на некотором материале подобие традиционной голограммы, то есть вычислять и отображать фиксируемую ей в виде дифракционных структур интерференционную картину светового поля, причем делать это в реальном времени.

Плюс: самое реалистичное 3D изображение, обладающее всеми оптическими свойствами отображаемого реального объекта;

Минусы: техническая сложность на пределе современных возможностей аппаратуры; вычислительных мощностей хватает только для статических изображений.

2.4 Объёмные дисплеи

Термин «3D-дисплей» употребляется и в отношении т. н. объёмных или воксельных дисплеев, где объёмное изображение формируется (при помощи различных физических механизмов) из светящихся точек в пределах некоторого объёма. Такие дисплеи вместо пикселов оперируют вокселами.

Объёмные дисплеи строятся на разных принципах. Например, могут состоять из множества плоскостей, формирующих изображение, которые расположены одна над другой, одной качающейся плоскости, или же вращающихся плоских, или криволинейных панелей. Дисплеи на основе качающихся плоскостей и вращающихся панелей используют эффект зрительной инерции для достижения 3D-эффекта. За цикл своего движения движущаяся (качающаяся или вращающаяся) поверхность весь объём, в котором располагается изображение, зритель же воспринимает все положения поверхности как одновременные, в результате и видит вместо одной поверхности сплошное тело.

Сейчас получают распространение подобные дисплеи низкого разрешения на основе светодиодов (в том числе трёхцветных (RGB), позволяющих получить до 16 млн. цветовых оттенков), как простейших, разрешением 3х3х3 (монохром), так и значительного размера и разрешения.


3 3D-принтер

3D-принтер — устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.

3.1 Технология

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Применяются две принципиальные технологии:

1. Лазерная

1. Лазерная печать — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик

2. Лазерное спекание — при этом лазер выжигает в порошке из легкосплавного пластика, слой за слоем, контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали

3. Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали

2. Струйная

1. Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта

2. Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета

3. Склеивание или спекание порошкообразного материала — то же самое что и лазерное спекание, только порошок склеивается клеящим веществом, поступающим из специальной струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя связующие вещества различных цветов


4 3D-сканер

3D-сканер — устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D-модель.

3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:

1. Контактный, такой метод основывается на непосредственном контакте сканера с исследуемым объектом.

2. Бесконтактный

Неконтактные устройства в свою очередь можно разделить на отдельные категории:

1. Активные сканеры

2. Пассивные сканеры

Активные сканеры излучают на объект некоторые направленные волны (чаще всего свет, луч лазера) и обнаруживают его отражение для анализа. Возможные типы используемого излучения включают свет, ультразвук или рентгеновские лучи.

Пассивные сканеры не излучают ничего на объект, а вместо этого полагаются на обнаружение отраженного окружающего излучения. Большинство сканеров такого типа обнаруживает видимый свет — легкодоступное окружающее излучение.

Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть обработаны средствами САПР и, в дальнейшем, могут использоваться для разработки технологии изготовления (CAM) и инженерных расчётов (CAE). Для вывода 3D-моделей могут использоваться такие средства, как 3D-монитор и 3D-принтер.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для чего задумали трехмерную графику? Прежде всего, она создана, для более реального изображения предметов, для более яркого представления реального мира, для изображения предметов, объектов, которые максимально будут соответствовать реальным.

Создание трехмерного изображения (естественно с помощью специальных программ) включает в себя основных два этапа: моделирование и непосредственно визуализацию. На этапе моделирования происходит проектирование модели (основная цель моделирования, есть то, что проектируются объекты и в дальнейшем редактируется с помощью геометрических преобразований, для создания более реальной модели с определенными требованиями), а на последующем этапе выполняется построение проекции, и в дальнейшем оживление созданной модели с помощью разных методов и приемов. Трехмерная графика и анимация занимает сейчас важную нишу, и в дальнейшем планирует свое все большее развитие и внедрение во многих областях.