Пояснительная записка (1215675), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Формы модели, созданные с полигональным моделированием, имеют различную степень детализации между плоскостями. Некоторое изделие с 260 полигонами имеет степень детализации 35 градусов, а это же самое изделие с 1280 полигонами – 10 градусов между гранями. Несмотря на то, что издалека изделие может выглядеть гладким, а количество полигонов более 1000, при изготовлении такого объекта будут небольшие шероховатости, поскольку даже на маленьком объекте заметен угол в 10 градусов между плоскостями. Причем количество полигонов кратно увеличивается с увеличением степени детализации, так же кратно увеличивается необходимое количество вычислительных ресурсов на обработку, поэтому важно оптимально выбирать соотношения качества и скорости обработки в зависимости от поставленой задачи.
Полигональное и сплайновое моделирование можно сравнить с помощью растрового и векторного изображений: векторное изображение свободно масштабируется в любых пределах и его качество не будет теряться, а при увеличении растрового изображения будет теряться качество линий.
Трехмерные объекты, созданные с помощью сплайнового или полигонального моделирования, сохраняются, как правило, в двух форматах: форматы IGES и STL соответственно. Как правило на установках прототипирования используются форматы STL, но с помощью специальных программ формат IGES можно перевести в STL. Обратное преобразование невозможно.
Частным случаем сплайнового моделирования, который уже стал отдельным видом трехмерного моделирования, является NURBS моделирование.
NURBS моделирование или технология Non-Uniform Rational B-Spline – это технология неоднородных рациональных В-сплайнов, создание плавных форм и моделей, у которых нет острых краев, как у полигональных моделей. Именно из-за этой отличительной черты технологию NURBS применяют для построения органических моделей и объектов таких как растения, животные или люди.
NURBS-кривые, используемые в данном моделировании, бывают двух видов: Р (Point) кривые и CV (Control Vertex) кривые. Point кривые управляются вершинами, находящимися непосредственно на самой линии или объекте, а Control Vertex кривые управляются точками, лежащими за пределами линии или объекта. Разницу наглядно видно на иллюстрации:
Рисунок 2 – типы NURBS-кривых
Виртуальное пространство моделирования включает в себя несколько категорий объектов:
– геометрия - построенная с помощью различных техник модель, например здание;
– материалы – информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон;
– 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, пламя и пр. [9].
Визуализация – термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.
На этом этапе математическая векторная пространственная модель превращается в двухмерную растровую картинку. Если нужно создать фильм, то производится визуализация нескольких таких картинок - кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где все точки определены, как минимум, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цветов. Визуализация преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если нужно создать иллюзию реальности. Самый простой вид визуализации – заключается в построении контуров объектов на экране при помощью проекции. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых сделаны объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред.
Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе:
1) Z-буфер. Используется в OpenGL и DirectX;
2) сканлайн – 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;
3) трассировка 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 уточняется за счёт построения дополнительных лучей от точки пересечения луча взгляда;
4) глобальная иллюминация – расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений и другие.
В зависимости от требований к получаемому изображению и необходимой скорости его визуализации выбирается тот или иной метод рендеринга. Время обработки изображения может варьироваться от нескольких секунд до нескольких дней. Если это моделирование архитектурного сооружения или технического устройства, то подойдет менее качественный, но гораздо более быстрый рендер. При создании анимационных мультфильмов используется максимально возможное качество рендеринга, но такая обработка изображения занимает огромное количество вычислительных ресурсов и времени. Время рендеринга таких изображений может доходить до нескольких дней даже при использовании мощной вычислительной техники.
1.1.3 Технологии трехмерной печати
3D-принтер – устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.
3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания твёрдого объекта.
В наши дни в 3D-печати господствует две принципиально разных технологии – это лазерная и струйная печать. При этом они также делятся на виды. Так, лазерная печать делится на три вида: лазерная печать, лазерное спекание и ламинирование. Во всех этих способах используется своя технология при производстве продукции. При лазерной печати принтер использует жидкий фотополимер, который засвечивается специальной ультрафиолетовой лампой при помощи фотошаблона. Затем все это превращается в твердый материал.
Лазерное спекание работает по следующему принципу: лазер слой за слоем выжигает контур будущей детали на специальном порошке. То есть получается, что производство идет слой за слоем.
Ламинирование – процесс производства состоит из того, что готовый объект создается из большого количества слоев, накладываемых друг на друга. Соединение слоев происходит при помощи лазера.
В струйной печати присутствует два основных способа печати - это застывание материала при охлаждении и спекание порошкообразного материала. В первом случае происходит выдавливание термопластика по каплям на основу будущего продукта, второй способ во многом схож с лазерным спеканием. Единственное отличие в том, что в данном случае порошок склеивается с помощью специально предназначенного для этой операции клея.
На сегодняшний день основным применение 3D-принтеров является быстрое прототипирование. При разработке какой-то сложной модели ее прототип позволяет сократить вероятность появления ошибок в конечном продукте. Многие крупные компании имеют в своих конструкторских подразделениях 3D-принтеры для разработки быстрых прототипов.
Преимуществ у быстрого прототипирования множество. В первую очередь это возможность изменения и доводки прототипов во время изготовления. Все это приводит к тому, что компании имеют возможность учесть все особенности товара еще во время разработки.
Сегодня 3D-принтеры востребованы при производстве деталей для малосерийного производства, мелких объектов для домашнего использования, сувениров. Например при помощи технологии трехмерной печати была изготовлена большая часть деталей беспилотного самолета Polecat от компании Lockheed.
Совсем недавно, а если быть точнее, то в мае 2008 года произошло знаковое научное событие. Профессор из Университета Бат (Великобритания) Эдриан Боуер и его научный партнер Вик Оливер представили миру новую версию своего самореплицирующегося робота - Replicating Rapid-prototyper, который в миру получил имя RepRap. Собственно, над этим проектом два сотрудника из Университета Бат работают уже много лет, постоянно представляя новые версии своего детища. В мае 2008 года была представлена знаковая версия RepRap. Все дело в том, что этот робот-3D-принтер научился самостоятельно воспроизводить себя. То есть он может создавать себе подобных без участия человека, а те в свою очередь будут производить подобных себе.
Компания Philips, открыла дочернее предприятие под названием Shapeways. Shapeways занимается трехмерной печатью.
Схема сотрудничества с Shapeways достаточно проста. Необходимо создать 3D-модель в одном из популярных 3D-редакторов, зарегистрироваться на сайте, и выслать ее в Shapeways. Далее, выбирав материал, из которого будет изготовлено изделие, заказ оплачивается и доставляется по почте клиенту. Материалом может быть пластик, бронза, гипс и некоторые другие. Подобные проекты запущены не только в Европе. В России тоже функционирует похожая компания. Рекламное агентство ITLOOKS, существующее с 2003 года, запустило свой центр по 3D-печати в Санкт-Петербурге, который получил имя «Инвент».
Свою деятельность «Инвент» начала с разработки различных макетов. Основная часть заказов заключалась в прототипировании коттеджей. Сегодня деятельность компании серьезно расширилась. Компания ко всем прочим услугам теперь предоставляет и трехмерную печать, в том числе и для физических лиц. При этом можно распечатать практически любую нужную модель.
До некоторого времени 3D-принтеры стоили очень дорого, и позволить себе их мог только крупный бизнес. Цены на самые дешевые модели были около 100 тысяч долларов. Сейчас такие модели так же пользуются спросом, но постепенно появляются и более массовые изделия. В частности, одним из таких трехмерных принтеров является модель Desktop Factory, которая стоит всего лишь 5 тысяч долларов. Конечно, у нее есть целый ряд ограничений. Так, она может воспроизводить модели не более 12,7 х 12,7 х 12,7 см. Вполне вероятно уже в ближайшие 10 лет в домах простых людей станут появляться личные 3D-принтеры.
Трехмерную печать ждет серьезный скачок уже в ближайшее время. Упростятся 3д-редакторы, удешевится 3д-печать, сами принтеры станут компактнее, улучшатся свойства используемых материалов и каждый человек сможет изготовить себе, например, уникальный корпус для телефона или брелок, обладающий всеми необходимыми свойствами - прочность, влагостойкость, гибкость и т.д. без грязи, химии и каких-то специальных навыков.
Таким образом трехмерную печать уже сейчас используют в малоэтажном строительстве, медицине и протезировании в частности, при создании прототипов разнообразных образцов техники или устройств, для изготовления сувенирной продукции, для создания запчастей.
Благодаря использованию трехмерной печати возможно создать деталь для замены в каком-либо устройстве просто распечатав ее на принтере, не заказывая ее у компании производителя, и сразу заменить.
Прототипирование позволяет продемонстрировать внешний вид, в том числе внутри, создаваемого объекта. При помощи прототипа можно значительно сэкономить средства, в том случае, если вдруг прототип не будет удовлетворять требованиям, возможно внести поправки в модель. Печать из пластика гораздо дешевле, чем создание реального объекта.
Это направление развивается уже достаточно давно. До некоторых пор оно было больше востребовано в промышленных и научных кругах. Но с 2008 года трехмерная печать начала активно внедряться и в повседневную жизнь людей. Данная технология стала интересна и физическим лицам. Сейчас о ней знают немногие, но это вопрос маркетинга и времени.
1.2 Обзор систем для создания компьютерной графики и анимации
1.2.1 AUTODESK 3Ds Max
Полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, доразработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Windows и Windows NT (как в 32‑битных, так и в 64‑битных). В марте 2014 года выпущена версия 17.0 этого продукта под названием Autodesk 3ds Max 2015.
Autodesk 3ds Max доступен в двух лицензионных версиях: студенческая – бесплатная (требуется регистрация на сайте Autodesk), которая предоставляет полную версию программы (однако, её нельзя использовать с целью получения прибыли), и полная (коммерческая) версия стоимостью в 3900 евро.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
