Главная > Информатика, программирование > Тривимірне моделювання
Тривимірне моделювання25-01-2012, 11:04. Разместил: tester2 |
|
ЗМІСТ ВСТУП 1 тривимірної графіки 1.1 Моделювання 1.2 Рендеринг 1.3 Програмне забезпечення 2 тривимірний дисплей 2.1 Види тривимірних дисплеїв 2.2 стереоскопічні дисплеї 2.3 Голографічні дисплеї 2.4 Об'ємні дисплеї 3 3D-ПРИНТЕР 3.1 Технологія 4 3D-СКАНЕР ВИСНОВОК ВСТУП Тривимірна графіка зазвичай має справу з віртуальним, уявним тривимірним простором, яке відображається на плоскій, двомірної поверхні дисплея або аркуша паперу. В даний час відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість з них представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють зі стереообладнанням. З цій області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Кілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Але щоб насолодитися об'ємної картинкою, глядачеві необхідно розташуватися строго по центру. Крок вправо, крок вліво, так само як і необережний поворот голови, карається перетворенням тривимірності в несимпатичне зазубрене зображення. Вирішення цієї проблеми вже визріло в наукових лабораторіях. Німецький Інститут Фраунгофера демонстрував 3D-дисплей, за допомогою двох камер відслідковує положення очей глядача і відповідним чином підлаштовує зображення, в Цього року пішов ще далі. Тепер відстежується положення не тільки око, але і пальця, яким можна В«натискатиВ» тривимірні кнопки. А команда дослідників Токійського Університету створили систему що дозволяє відчути зображення. Випромінювач фокусується на точці де знаходиться палець людини і в залежності від його положення змінює силу акустичного тиску. Таким чином, стає можливим не тільки бачити об'ємну картинку, але й взаємодіяти з зображеними на ній предметами. Однак і 3D-дисплеї і раніше не дозволяють створювати повноцінної фізичної, відчутної копії математичної моделі, створюваної методами тривимірної графіки. розвиваються з 1990-х років технології швидкого прототипування ліквідують цей пробіл. Слід зауважити, що в технологіях швидкого прототипування використовується уявлення математичної моделі об'єкта у вигляді твердого тіла (Воксельні моделі). 1 тривимірної графіки Тривимірна графіка - розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів. Найбільше застосовується для створення зображень на площині екрана або листа друкованої продукції в архітектурній візуалізації, кінематографі, телебаченні, комп'ютерних іграх, друкованої продукції, а також у науці і промисловості. Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі сцени на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм. При цьому модель може як відповідати об'єктам з реального світу (автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною (проекція чотиривимірного фрактала). Для отримання тривимірного зображення на площині потрібні наступні кроки: 1. моделювання - створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній; 2. рендеринг (візуалізація) - побудова проекції в Відповідно до обраної фізичною моделлю; 3. висновок отриманого зображення на пристрій виведення - дисплей або принтер. Однак, у зв'язку із спробами створення 3D-дисплеїв і 3D-принтерів, тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину.
1.1 Моделювання Сцена (віртуальне простір моделювання) включає в себе кілька категорій об'єктів: 1. Геометрія (побудована за допомогою різних технік модель, наприклад будівля) 2. Матеріали (інформація про візуальних властивостях моделі, наприклад колір стін і відображає/переломлюються здатність вікон) 3. Джерела світла (налаштування напрямки, потужності, спектра освітлення) 4. Віртуальні камери (Вибір точки та кута побудови проекції) 5. Сили і впливу (Налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації) 6. Додаткові ефекти (Об'єкти, що імітують атмосферні явища: світло в тумані, хмари, полум'я і пр.) Завдання тривимірного моделювання - описати ці об'єкти і розмістити їх в сцені за допомогою геометричних перетворень у відповідності до вимог до майбутнього зображенню.
1.2 Рендеринг На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на плоску (растрову) картинку. Якщо потрібно створити фільм, то рендерится послідовність таких картинок - Кадрів. Як структура даних, зображення на екрані представлене матрицею крапок, де кожна точка визначена принаймні трьома числами: інтенсивністю червоного, синього і зеленого кольору. Таким чином рендерінг перетворить тривимірну векторну структуру даних в плоску матрицю пікселов. Цей крок часто вимагає дуже складних обчислень, особливо якщо потрібно створити ілюзію реальності. Найпростіший вид рендеринга - це побудувати контури моделей на екрані комп'ютера за допомогою проекції, як показано вище. Зазвичай цього недостатньо і потрібно створити ілюзію матеріалів, з яких виготовлені об'єкти, а також розрахувати спотворення цих об'єктів за рахунок прозорих середовищ (наприклад, рідини у склянці). Існує декілька технологій рендеринга, часто поєднуваних разом. Наприклад: 1. Z-буфер (використовується в OpenGL і DirectX 10); 2. Сканлайн (scanline) - він же Ray casting (В«Кидання променяВ», спрощений алгоритм зворотного трасування променів) - розрахунок кольору кожної точки картинки побудовою променя з точки зору спостерігача через уявне отвір в екрані на місці цього піксела В«в сценуВ» до перетину з першої поверхнею. Колір піксела буде таким же, як колір цієї поверхні (іноді з урахуванням освітлення і т. д.); 3. Трасування променів (рейтрейсінг, англ. raytracing) - те ж, що і сканлайн, але колір піксела уточнюється за рахунок побудови додаткових променів (відображених, заломлених і т. д.) від точки перетину променя погляду. Незважаючи на назву, застосовується тільки зворотна трасування променів (тобто якраз від спостерігача до джерела світла), пряма вкрай неефективна і споживає занадто багато ресурсів для отримання якісної картинки; 4. Глобальне освітлення (англ. global illumination, radiosity) - розрахунок взаємодії поверхонь і середовищ у видимому спектрі випромінювання за допомогою інтегральних рівнянь. Грань між алгоритмами трасування променів в даний час практично стерлася. Так, в 3D Studio Max стандартний візуалізатор називається Default scanline renderer, але він вважає не тільки внесок дифузного, відбитого та власного (кольори самосвеченія) світла, але і згладжені тіні. З цієї причини, частіше поняття Raycasting відноситься до зворотного трасуванні променів, а Raytracing - до прямої. Внаслідок великого обсягу однотипних обчислень рендеринг можна розбивати на потоки (распараллелівать). Тому для рендеринга вельми актуальне використання багатопроцесорних систем. Останнім часом активно ведеться розробка систем рендеринга використовують GPU замість CPU, і вже сьогодні їх ефективність для таких обчислень набагато вище. До таких систем відносяться: - Refractive Software Octane Render - AAA studio FurryBall - RandomControl ARION (гібридна) Багато виробників систем візуалізації для CPU також планують ввести підтримку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray). Найбільш передові досягнення та ідеї тривимірної графіки (і комп'ютерної графіки взагалі) доповідаються і обговорюються на щорічному симпозіумі SIGGRAPH, традиційно проводиться в США.
1.3 Програмне забезпечення ...Програмні пакети, дозволяють створювати тривимірну графіку, тобто моделювати об'єкти віртуальної реальності і створювати на основі цих моделей зображення, дуже різноманітні. Останні роки стійкими лідерами в цій області є комерційні продукти: такі як 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D і порівняно нові Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo або ZBrush. Крім того, існують і відкриті продукти, поширювані вільно, наприклад, пакет Blender (дозволяє створювати 3D моделі, c подальшим рендерингом (комп'ютерної візуалізацією)), K-3D і Wings3D. тривимірний графіка дисплей друк 2 тривимірний дисплей Тривимірний дисплей - назва для пристрою візуального відображення інформації (дисплея), що дозволяє створювати у глядача ілюзію наявності реального обсягу у демонстрованих об'єктів і ілюзію часткового або повного занурення в сцену, за рахунок стереоскопічного ефекту. 2.1 Види тривимірних дисплеїв 1. стереоскопічного 3D-дисплеї формують окремі зображення для кожного ока. Такий принцип використовується в стереоскопії, відомих ще з початку XIX століття. 2. автостереоскопічні 3D-дисплеї відтворюють тривимірне зображення без будь-яких додаткових аксесуарів для очей або голови (таких як стереоокуляри або шоломи віртуальної реальності). 3. Голографічні 3D-дисплеї імітують просторове розміщення світлових хвиль в такому вигляді, як вони розташовувалися б при віддзеркаленні світла від реального тривимірного об'єкту. 4. Об'ємні дисплеї використовують різні фізичні механізми для показу світяться точок в межах деякого об'єму. 2.2 Стереоскопічні дисплеї стереоскопічні дисплеї діляться на два типи: 1. Автостереоскопічні дисплеї - дисплеї, що не потребують в додаткових аксесуарах, і здатні самостійно формувати стереоефект шляхом направлення потрібного пучка світла в потрібний око. Як правило, для цього застосовуються мікролінзи Френеля, що виконують роль светоделітелей, і спеціальні бар'єрні сітки, так щоб кожне око глядача бачив тільки той стовпець пікселів, який призначений для нього (у даного методу є множинні недоліки. Зокрема, вихід глядача з потрібного ракурсу або вихід з обмеженою В«зони безпечного переглядуВ» призводить до руйнування ефекту стерео, а дозвіл зображення по горизонталі автоматично зменшується вдвічі). 2. Дисплеї, що вимагають використання допоміжних пристроїв (очок) для створення зорового стереоефекту. У свою чергу допоміжні очки діляться на дві категорії - пасивні і активні: 1. Пасивні: a. Анагліфічних, що використовують метод отримання стереоефекту для стереопари звичайних зображень за допомогою колірного кодування зображень, призначених для лівого і правого ока. Замість діоптрійність стекол в такі окуляри вставлені спеціальні світлофільтри, як правило, для лівого очі - червоний, для правого - блакитний або синій. b. Поляризаційні окуляри, через ефект поляризації формують різні зображення для різних очей. Зниження яскравості зображення для поляризаційних окулярів становить приблизно 50%, дозвіл залишається тим же (для систем з двома РК-панелями: Planar, StereoPixel) або знижується вдвічі (Zalman). Поляризаційні окуляри застосовуються також у кінотеатрах IMAX. 2. Активні - затворні окуляри (рідкокристалічні або поляризаційні), синхронізовані з дисплеєм і по черзі затемнює з тією ж частотою, з якою дисплей виводить зображення (кадри) для кожного ока. За рахунок ефекту інерції зору в мозку глядача формується цілісне зображення (при цьому потрібно дисплей з частотою розгортки 120 Гц, так, щоб для кожного ока частота оновлення зображення становила 60 Гц). Зниження яскравості зображення для затворних становить приблизно 80%, дозвіл залишається тим же. 2.3 Голографічні дисплеї Голографічні 3D дисплеї відтворюють безперервне світлове поле, відповідне світловому полю реальної 3D сцени. Принцип: Поділ обсягу відтворення безліччю умовних вертикальних площин, що проходять через центр екрану. У кожній частині розбитого площинами простору спостерігається свій вигляд (ракурс) об'ємної сцени. Зазвичай, коли мова заходить про H3D, мають на увазі пристрій, здатний відтворювати на деякому матеріалі подобу традиційної голограми, тобто обчислювати і відображати фиксируемую їй в вигляді дифракційних структур інтерференційну картину світлового поля, причому робити це в реальному часі. Плюс: саме реалістичне 3D зображення, що володіє всіма оптичними властивостями відображуваного реального об'єкта; Мінуси: технічна складність на межі сучасних можливостей апаратури; обчислювальних потужностей вистачає тільки для статичних зображень. 2.4 Об'ємні дисплеї Термін В«3D-дисплейВ» вживається і у відношенні т. н. об'ємних або воксельних дисплеїв, де об'ємне зображення формується (За допомогою різноманітних фізичних механізмів) з світяться точок в межах деякого обсягу. Такі дисплеї замість пікселів оперують вокселів. Об'ємні дисплеї будуються на різних принципах. Наприклад, можуть складатися з безлічі площин, які формують зображення, які розташовані одна над іншою, однієї хитної площині, або ж обертаються плоских, або криволінійних панелей. Дисплеї на основі хитних площин і обертових панелей використовують ефект зорової інерції для досягнення 3D-ефекту. За цикл свого руху рухома (що коливається або обертова) поверхню весь обсяг, в якому розташовується зображення, глядач же сприймає всі положення поверхні як одночасні, в результаті і бачить замість однієї поверхні суцільне тіло. Зараз набувають поширення подібні дисплеї низького дозволу на основі світлодіодів (в тому числі триколірних (RGB), що дозволяють отримати до 16 млн. колірних відтінків), як найпростіших, дозволом 3х3х3 (монохром), так і значного розміру і дозволу. 3 3D-принтер 3D-принтер - пристрій, що використовує метод створення фізичного об'єкта на основі віртуальної 3D-моделі. 3.1 Технологія 3D-друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення (вирощування) твердого об'єкта. Застосовуються дві принципові технології: 1. Лазерна 1. Лазерний друк - ультрафіолетовий лазер поступово, піксель за пікселем, засвічує рідкий фотополімер, або фотополімер засвічується ультрафіолетовою лампою через фотошаблон, мінливий з новим шаром. При цьому він твердне і перетворюється на досить міцний пластик 2. Лазерне спікання - при цьому лазер випалює в порошку з легкосплавного пластику, шар за шаром, контур майбутньої деталі. Після цього зайвий порошок струшується з готової деталі 3. Ламінування - деталь створюється з великої кількості шарів робочого матеріалу, які поступово накладаються один на одного і склеюються, при цьому лазер вирізує в кожному контур перетину майбутньої деталі 2. Струминна 1. Застигання матеріалу при охолодженні - роздавальна головка видавлює на охолоджувану платформу-основу краплі розігрітого термопластика. Краплі швидко застигають і злипаються один з одним, формуючи шари майбутнього об'єкта 2. Полімеризація фотополімерного пластику під дією ультрафіолетової лампи - спосіб схожий на попередній, але пластик твердне під дією ультрафіолету 3. Склеювання або спікання порошкоподібного матеріалу - те ж саме що і лазерне спікання, тільки порошок склеюється речовиною, що клеїть, що надходять з спеціальної струменевого головки. При цьому можна відтворити забарвлення ...деталі, використовуючи зв'язувальні речовини різних кольорів
4 3D-сканер 3D-сканер - пристрій, аналізуюче фізичний об'єкт і на основі отриманих даних створює його 3D-модель. 3D-сканери діляться на два типу за методом сканування: 1. Контактний, такий метод грунтується на безпосередньому контакті сканера з досліджуваним об'єктом. 2. Безконтактний Неконтактні пристрої в свою чергу можна розділити на окремі категорії: 1. Активні сканери 2. Пасивні сканери Активні сканери випромінюють на об'єкт деякі спрямовані хвилі (найчастіше світло, промінь лазера) і виявляють його відображення для аналізу. Можливі типи використовуваного випромінювання включають світло, ультразвук або рентгенівські промені. Пасивні сканери не випромінюють нічого на об'єкт, а замість цього покладаються на виявлення відбитого навколишнього випромінювання. Більшість сканерів такого типу виявляє видиме світло - легкодоступне навколишній випромінювання. Отримані методом сканування 3D-моделі в подальшому можуть бути оброблені засобами САПР та, в подальшому, можуть використовуватися для розробки технології виготовлення (CAM) та інженерних розрахунків (CAE). Для виведення 3D-моделей можуть використовуватися такі засоби, як 3D-монітор і 3D-принтер. ВИСНОВОК Для чого задумали тривимірну графіком? Перш за все, вона створена, для більш реального зображення предметів, для більш яскравого уявлення реального світу, для зображення предметів, об'єктів, які максимально відповідатимуть реальним. |