МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Мордовский государственный педагогический институт

имени М.Е. евсевьева»

 

 

 

 

Физико-математический факультет

Кафедра информатики и вычислительной техники

 

 

Реферат

Онлайн визуализация объемных объектов

по дисциплине

Визуализация решений математических задач

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы МДМ-112

Косолапова Ю.С.

Проверила: доцент, канд. физ.-матем. наук

Кормилицына Т. В.

 

 

 

 

 

Саранск 2017

Содержание

Введение. 3

Классификация средств КГиА.. 4

Трёхмерная графика. 4

Моделирование. 5

Рендеринг. 6

Программное обеспечение. 8

Заключение. 16

Список используемых источников. 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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).

Классификация средств КГиА

По своему "профессиональному" назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы: пакеты компьютерной графики для полиграфии; программы двумерной компьютерной живописи; презентационные пакеты; программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино; программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок; пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов; комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спецэффектов на видеозапись; программы для научной визуализации. Программы компьютерной графики и анимации представляют профессиональный интерес для художников и дизайнеров, полиграфистов и кинематографистов, разработчиков компьютерных игр и создателей образовательных программ, клип-мейкеров и ученых, а также любых специалистов, которым необходимо создавать, использовать и обрабатывать самые разнообразные изображения.

Трёхмерная графика

Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения, 3 Dimensions) — 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.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

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

·                     рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

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

Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

Моделирование

Сцена (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.)

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

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:

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

·                     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.);

·                     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;

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

Наиболее популярными системами рендеринга являются:

·                     PhotoRealistic RenderMan(PRMan)

·                     mental ray

·                     V-Ray

·                     FinalRender

·                     Brazil R/S

·                     BusyRay

·                     Turtle

·                     Maxwell Render

·                     Fryrender

·                     IndigoRenderer

·                     LuxRender

·                     YafaRay

·                     POV-Ray

Вследствие большого объёма однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование много процессорных 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.

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: 3Ds Max, Maya, Cinema 4D, Modo, Houdini, Softimage. 

Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет создавать 3D модели, c последующим рендерингом (компьютерной визуализацией), K-3D и Wings3D.

Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) — полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32‑битных, так и в 64‑битных). Весной 2011 года выпущена четырнадцатая версия этого продукта под названием «Autodesk 3ds Max 2012».

3ds Max располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей, реальных или фантастических объектов окружающего мира, с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие:

·                     полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) — это самый распространённый метод моделирования, используется для создания сложных моделей и низко полигональных моделей для игр.

Как правило, моделирование сложных объектов с  последующим преобразованием в Editable poly начинается с построения параметрического объекта «Box», и поэтому способ моделирования общепринято называется «Box modeling»;

·                     моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS);

·                     моделирование на основе т. н. «сеток кусков» или поверхностей Безье (Editable patch)— подходит для моделирования тел вращения;

·                     моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.

Возможности:

·                     моделирование на основе полигонов, сплайнов и NURBS,

·                     мощная система частиц,

·                     модуль волосы/шерсть,

·                     расширенные шейдеры Shader FX,

·                     поддержка новых и усовершенствованных механизмов Iray и mental ray.

·                     анимация толпы,

·                     импорт из Revit и SketchUp,

·                     интеграция композитинга.

Плюсы: огромный функционал, множество плагинов и обучающей информации.

Минусы: не так прост в освоении, «старожилу» требуются серьезные обновления.Официальный сайт 

Maya – промышленный стандарт 3D графики в кино и телевидении.  Maya популярна среди крупных студий и масштабных проектов в рекламе, кино, игровой индустрии. Пакет идеален для создания анимации.

Возможности:

·                     полный набор инструментов для NURBS- и полигонального моделирования;

·                     мощные средства общей и персонажной анимации;

·                     развитая система частиц;

·                     технология Maya Fur (создание меха, волос, травы);

·                     технология Maya Fluid Effects (моделирование жидкостей, атмосферы);

·                     динамика твердых и мягких тел;

·                     широкий набор средств создания динамических спецэффектов;

·                     UV-текстуры, нормали и цветовое кодирование;

·                     многопроцессорный гибкий рендеринг.

Плюсы: огромный функционал и возможности.

Минусы: длительное и сложное обучение, высокие требования к системе, высокая цена.Официальный сайт 

Cinema 4D – один из самых лучших и удобных 3D пакетов на сегодняшний день. Огромный функционал: от моделирования, анимации, эффектов до «лепки» и модуля BodyPaint 3D.  У Cinema 4D более понятный и удобный интерфейс нежели у 3Ds Max и Maya. Широко используется в моушен-дизайне, киноиндустрии и рекламе.

Возможности:

·                     полигональное и NURBS-моделирование;

·                     BodyPaint 3D (модуль для создания разверток UV и текстурных карт);

·                     генерация и анимация объектов;

·                     персонажная анимация;

·                     динамика мягких и твердых тел;

·                     модуль для создания реалистичных волос;

·                     система частиц Thinking Particles;

·                     неплохой встроенный визуализатор.

Плюсы: легкость в освоении, интуитивный интерфейс, отличный функционал, множество обучающих материалов, тесная связь с Adobe After Effects, Houdini и т.д.

Минусы: неотлаженная система перехода между версиями.Официальный сайт

Modo – полноценный продукт для моделирования, рисования, анимации и визуализации. Включает также инструменты скульптинга и текстурного окрашивания. Благодаря удобству пользования и высокой производительности, у Modo репутация одного из самых быстрых инструментов моделирования. Modo популярен в сфере рекламы, разработки игр, спецэффектов и архитектурной визуализации.

Возможности:

·                     полигональное и моделирование SDS;

·                     современные инструменты анимации;

·                     динамика твердых и мягких тел;

·                     система рисования;

·                     материал Fur (мех) для создания волос, травы и меха;

·                     инструменты лепки;

·                     быстрая и качественная визуализация.

Плюсы: мощный и понятный инструментарий, высокая производительность.

Минусы: мало информации.Официальный сайт

Houdini – мощный профессиональный пакет для работы с 3D графикой, в его основе процедурная, нодовая система. Houdini идеально подходит для создания сложной динамики, симуляции: частиц, жидкости, дыма, огня, имитации природных явлений и т.д. А также это отличный инструмент для создания впечатляющих визуальных эффектов. Основная область применения Houdini – киноиндустрия.

Возможности:

·                     полигональное и NURBS-моделирование,

·                     анимация (ключевая, процедурная),

·                     персонажная анимация,

·                     система частиц,

·                     динамика твердых и мягких тел, тканей, шерсти/волос, газов и жидкостей,

·                     работа с объемным звуком,

·                     мощный рендер движок Mantra,

·                     встроенный инструмент композитинга.

Плюсы: высококлассные спецэффекты и анимация.

Минусы: мало информации, высокая цена.Официальный сайт

Softimage (Autodesk Softimage, ранее Softimage/XSI) - программа для  3D анимации и создания визуальных эффектов в game-индустрии, кино и телевидении.

У Softimage была одна из самых лучших систем анимации. Благодаря уникальной системе ICE (Interactive Creative Environment — платформе визуального программирования, основанной на нодах) пакет предлагал широкую функциональность, гибкость, высокую производительность и качество.

Возможности:

·                     мощное полигональное, а также процедурное моделирование в среде ICE;

·                     физика и динамика частиц и геометрии;

·                     нелинейная анимация;

·                     инструменты лицевой анимации Autodesk Face Robot; 

·                     встроенный MentalRay.

В 2008 году компания Autodesk выкупила Softimage у Avid за 35 млн. долларов. В 2015 Autodesk объявила о прекращении продаж лицензий на Softimage и фактически избавилась от одного из самых сильных игроков на рынке. На официальном сайте предлагается перейти на 3Ds Max или Maya. 

Lightwave 3D - инструмент для 3D анимации и визуальных эффектов от компании NewNek. С давних пор является промышленным стандартом в кино и телевидении.

Новый усовершенствованный пакет LightWave 2015  предлагает огромные возможности: от динамического моделирования, персонажной анимации,  визуальных эффектов до разработки игр и архитектурной визуализации.

Возможности:

·                     интуитивный двойной интерфейс (modeler и layout);

·                     мощное полигональное моделирование;

·                     развитая система анимации;

·                     система частиц;

·                     система снаряжения персонажа Genoma 2;

·                     усовершенствованный рендеринг;

·                     интерактивное динамическое наследование (Interactive Dynamic Parenting);

·                     гибкая система Bullet Dynamics;

Плюсы: огромный функционал, удобный двойной интерфейс.

Минусы: не так популярен в нашей стране и странах СНГ, мало информации.  Официальный сайт

Blender

Единственный в списке бесплатный 3D пакет, который практически не уступает по функционалу платным приложениям. Blender включает в себя средства для 3D моделирования, анимации, а также набор опций для создания игр, визуальных эффектов и скульптинга. Отличная альтернатива «монстрам» 3D анимации. Благодаря поддержке Blender Foundation, программа очень быстро и стабильно развивается.

Возможности:

·                     полигональное моделирование, сплайны, NURBS-кривые и поверхности;

·                     режим лепки;

·                     система частиц;

·                     динамика твердых и мягких тел: жидкость, шерсть/волосы и т.д.;

·                     скелетная анимация;

·                     встроенные механизмы рендеринга и интеграция со сторонними визуализаторами;

·                     редактор видео;

·                     функции создания игр и приложений (Game Blender).

Плюсы: доступность, открытый код, кроссплатформенность, небольшой размер (около 50 мегабайт), широкий функционал, возможность создания игр. 

Минусы: отсутствие документации в базовой поставке.Официальный сайт

 Итак, если коротко:

·                   3Ds Max – компьютерные игры, интерьеры, визуализация.

·                   Maya – анимация, киноиндустрия, телевидение, клипы.

·                   Cinema 4D – спецэффекты в кино и телевидении, моушен-дизайн, реклама.

·                   Modo – реклама, игры, спецэффекты в кино.

·                   Houdini – визуальное программирование, спецэффекты в кино.

·                   Softimage – анимация и спецэффекты в кино, телевидении, играх.

·                   LightWave – спецэффекты в кино, телевидении.

·                   Blender – персонажная анимация, создание игр.

 

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.

 

Список используемых источников

 

1.                http://3d.demiart.ru

2.                https://videosmile.ru/lessons/read/obzor-samyih-populyarnyih-3d-redaktorov.html

3.                http://algolist.manual.ru

4.                http://bourabai.kz

5.                 http://postupim.ru

6.                 http://ru.wikipedia.org

7.                 http://works.tarefer.ru/