Методическая разработка на тему лекции: "ЗD - моделирование"

Лекция № 32. ЗD - моделирование

Цель работы: знать определение и применение трехмерной графики и трехмерного моделирования, программы для работы с трехмерной графикой.

Задачи:

Образовательная: познакомиться с этапами получения трехмерного изображения, программными пакетами, позволяющими создавать трёхмерную графику.

Развивающая: развитие интереса к предмету; формирование приёмов логического мышления; развитие способность анализировать и обобщать, делать выводы.

Воспитательная: воспитание аккуратности, точности, самостоятельности.

Здоровьесберегающая: соблюдение санитарных норм при работе с компьютером, соблюдение правил техники безопасности, оптимальное сочетание форм и методов, применяемых на занятии.

Литература:

1. Учебник И.Г. Семакин, Е. К. Хеннер, «Информатика», 11 класс. БИНОМ, 2018.

2. Босова Л. Л., Босова А. Ю. Информатика. 11 класс. Базовый уровень. — М.: БИНОМ, 2016.

3. Семакин И. Г., Е. К. Хеннер. Информатика и ИКТ. 10—11 класс/ М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.

4. К. Ю. Поляков, Е. А. Еремин. Информатика. 11 класс. Базовый и углубленный уровни: учебник в 2 ч. Ч. 1 / М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2016

План

1. Трёхмерная графика.

2. Проекции.

3. Сеточные модели.

1. Трёхмерная графика

Раньше, говоря о компьютерной графике, мы имели в виду двумерные («плоские») изображения. Невозможно «повернуть» автомобиль, изображённый на таком рисунке, и посмотреть на него с другой стороны. В то же время реальный автомобиль — это трёхмерный объект, поэтому при решении многих задач его «плоской» модели (рисунка, фотографии) недостаточно.

Трёхмерная графика (ЗD-графика, от англ. З-Dimensions — 3 измерения)— это раздел компьютерной графики, который занимается созданием моделей и изображений трёхмерных объектов. 

В программах для работы с ЗD-графикой строятся трёхмерные (пространственные) модели объектов, в которых каждая точка имеет три координаты (а не две, как на «плоском» рисунке). Затем пользователь может выбрать в пространстве точку наблюде­ния и получить плоское изображение, т. е. построить проекцию трёхмерной сцены на плоскость. Многие программы позволяют создавать анимацию, показывающую движение трёхмерных объ­ектов в пространстве.

ЗD-модели применяются не только для построения двумерных изображений. Их используют для различных вычислений, например. для расчёта прочности деталей. В последние годы активно разрабатываются    ЗD принтеры, которые позволяют методом послойной печати построить объёмный физический объект (чаще всего из пластика) по его трёхмерной модели.

Перечислим важнейшие области применения трёхмерной гра­фики:

• компьютерное     проектирование     машин     и     механизмов (САПР — системы автоматизированного проектирования);

• компьютерные тренажёры и обучающие программы;

• построение трёхмерных моделей в науке, промышленности, медицине;

• дизайн зданий и интерьера (внутренней обстановки);

• компьютерные эффекты в кино и телевидении; существуют даже полнометражные фильмы, которые полностью созданы с помощью трёхмерной графики и анимации;

• телевизионная реклама;

• интерактивные игры.

Создание изображений с помощью ЗD-графики включает не­сколько этапов:

1)моделирование — создание трёхмерных объектов, персонажей;

2)текстурирование (раскраска) — наложение на модели рисунков (текстур), которые имитируют реальный материал (дерево, мрамор, металл, кожу и пр.);

3)освещение — установка и настройка источников света;

4)анимация — описание изменения объектов во времени (изменение положения, углов поворота, свойств);

5)съёмка — установка камер (выбор точек съёмки), перемещение камер по сцене;

6)рендеринг (визуализация)  —  построение фотореалистичного изображения или анимации.

Среди профессиональных программ ЗD-моделирования наиболее популярны продукты фирмы Autodesk (www.autodesk.com):  3D Studio МАХ,   Maya и  AutoCAD, а также программа   Cinema4D фирмы MAXON (www.maxon.net). Мы будем ис­пользовать для иллюстраций свободно распространяемый пакет ;   Blender (www.blender.org), версии которого существуют для операционных систем Windows, Linux, Mac OS и других,

Для работы с программами трёхмерной графики нужен компьютер с мощным процессором и большим объёмом оперативной и дисковой памяти. Построение качественных фотореалистичных изображений (которые выглядят как фотографии) занимает огромное время, иногда несколько часов расчётов на один кадр.Во многих программах есть возможность сетевого  рендеринга, когда для рассчёта изображения используются   мощности несколь­ких компьютеров, объединённых в сеть (англ. render farm — рен-дер-фермы).

1. Проекции

Хотя программы трёхмерной графики предназначены для со­здания трёхмерных моделей объектов, пользователь видит только плоское (двухмерное) изображение на мониторе или бумажном от­печатке, т. е. проекцию. На рисунке 1 показаны четыре проек­ции модели головы обезьянки Сюзанны (объект Monkey), которая включена в набор стандартных объектов программы Blender. Вы видите три стандартные проекции этой модели (виды спереди, сверху и справа) и одну произвольную проекцию (проекцию поль­зователя)

Рисунок1

Программа Blender позволяет видеть четыре проекции одно­временно или оставить только одну проекцию пользователя, кото­рая занимает всю рабочую область. Для переключения между этими режимами используется комбинация клавиш Ctrl+Alt+Q.

Обычно работают с одним видом, который занимает всю рабо­чую часть окна. Для быстрого перехода к стандартным проекциям (видам спереди, сверху, справа и др.) используется меню Вид (View) или дополнительная цифровая клавиатура (англ. numpad), расположенная в правой части стандартной клавиатуры (рис. 2)

Рисунок 2

Далее для обозначения этих клавиш будем использовать «приставку» Num., например Numl обозначает клавишу «1» на дополнительной цифровой клавиатуре.

Существует два типа проекций: перспективные и ортогональные (их также называют прямоугольные или ортографические). На рисунке 3 показаны перспективная и ортогональная проекций куба.

Рисунок 3

Наш взгляд привык к перспективе: удалённые предметы кажутся меньше по размеру, параллельные линии «сходятся» в бесконечной точке (вспомните, как выглядит уходящее вдаль шоссе). Однако при трёхмерном моделировании такие проекции не совсем удобны, потому что искажают форму и размеры объектов.

Для ортогональной проекции все по-другому: размеры не зависят от расстояния до предмета, а параллельные грани остаются параллельными и на проекции. Ортогональные проекции очень полезны, потому что делают трёхмерную сцену проще и позволяют оценить истинные размеры объектов.

В редакторе Blender тип проекции показывается в левом верхнем углу рабочего окна. Например, надпись Top Ortho означает «вид сверху» (англ. top view), ортогональная проекция (англ. orthograpgic). Надпись Front Persp означает «вид спереди» (англ. front view), перспективная проекция (англ. perspective).

Чтобы переключиться с ортогональной проекции на перспективную или наоборот, нужно нажать кнопку «5» на дополнительной клавиатуре (Num5).

Вращая колесико мыши, пользователь может уменьшать и увеличивать масштаб изображения в окне, над которым находится курсор мыши (размеры самого объекта при этом не меняются). Для вращения произвольной проекции нужно перемещать мышь при нажатой средней кнопке (колесике). Нажав одновременно колесико мыши и клавишу Shift, можно перемещать изображение в окне, не поворачивая его.

Для вращения и перемещения удобно использовать клавиши-стрелки на дополнительной цифровой клавиатуре (Num2, Num4, Numfi и NumS): в обычном режиме они вращают сцену, а при нажатой клавише Ctrl перемещают точку наблюдения.

Примитивы

Построение трёхмерных моделей обычно начинается с прими­тивов — простейших объектов. К ним относятся плоскость (точ­нее, её прямоугольная часть), куб, сфера, цилиндр, конус, тор и некоторые другие (рис. 4).

Рисунок 4

При создании объекта ему автоматически присваивается имя. Например, первый куб будет называться Cube, второй — Cube.001 и т. д. Это имя можно изменить на панели свойств объекта, кото­рая расположена в правой части окна программы Blender . (рис. 5)

Рисунок 5

Выделение объектов

Для того чтобы работать с объектом, например изменять его свойства, предварительно нужно выделить его. В программе Blender для этого используется правая кнопка мыши (а не левая, как в других программах).

При нажатой клавише Shift можно выделить правой кнопкой мыши несколько объектов одновременно. Если повторно щёлк­нуть на объекте, выделение снимается.

С помощью клавиши А (от англ. all — всё) снимается выделе­ние со всех объектов, а если ни один объект не был выделен, все они выделяются.

После нажатия клавиши В (от англ. border select — выделить рамкой) можно с помощью мыши обвести прямоугольной рамкой все объекты, которые нужно выделить. Если объект хотя бы час­тично попал в рамку, он будет выделен. Кроме того, можно на­жать левую кнопку мыши и, удерживая нажатой клавишу Ctrl, «обвести» все нужные объекты произвольным контуром.

Для мелких объектов удобно использовать круговое выделе­ние. Этот инструмент включается при нажатии клавиши С: появ­ляется окружность, размер которой регулируется колесиком мыши. Затем щелчком (или «протаскиванием») левой кнопкой мыши выделяются все элементы, попадающие внутрь окружнос­ти. Если в этом режиме случайно выделен лишний объект, выде­ление можно снять, нажав на колесико мыши.

Существуют и другие, более сложные способы выделения объ­ектов, которые доступны через меню Select.

С помощью клавиши Num. (точка на цифровой клавиатуре) можно приблизить выделенный объект, а клавиша Num/ времен­но скрывает остальные объекты (кроме выделенных).

Преобразования объектов

Любой объект можно перемещать, вра­щать и масштабировать (изменять размеры). Эти операции называются преобразованиями объектов или трансформациями (англ. trans­formations).

В опорной точке (англ. origin — начало координат) выделенного объекта появляется так называемый манипулятор с тремя стрел­ками, параллельными осям координат (рис. 6) Ось Z (синяя стрелка в Blender) направлена вверх, а оси X (красная стрелка в Blender) и Y (зелёная стрелка в Blender) находятся в горизонтальной плоскости.

Рисунок 6

За эти стрелки объект можно перетаскивать левой кнопкой мыши, меняя его положение только по одной выбранной оси. Центральный круг дает возможность произвольно перемещать объект в плоскости проекции.

Объекты можно вращать как в плоскости проекции (нажав клавишу R, от англ. rotate — вращение), так и вокруг одной вы­бранной оси (для этого после нажатия клавиши R нужно нажать клавишу с названием оси — X, Y или Z). Можно использовать специальный манипулятор вращения, позволяющий вращать фи­гуру за выделенные части окружностей (рис. 7)

Рисунок 7

Чтобы изменить размеры объекта, нужно нажать клавишу S (от англ. scale — изменить масштаб) и перемещать мышь. Чтобы изменять размер только по одной из осей, нужно после нажатия клавиши S нажать клавишу с названием оси. Манипулятор изме­нения размеров содержит небольшие кубики на концах указателей осей (см. рис. 7). Перетаски­вая один из них, можно менять соответствующий размер.

Координаты, углы поворота и размеры объек­тов можно задавать с клавиатуры в числовой фор­ме. В программе Blender для этого используют па­нель Преобразование (Transform) — рис. 8, ко­торая появляется при нажатии клавиши N. Числовые свойства можно также изменять с по­мощью мыши (перетаскивая влево и вправо стрел­ки рядом со значениями).

Рисунок 8

Копия выделенного объекта создаётся с по­мощью    клавиш    Shift+D.    Затем    объект-копию нужно переместить мышью в нужное место и зафиксировать щелчком левой кнопкой. Если предварительно нажать клавишу X, Y или Z, объект-копия будет перемещаться только вдоль указанной оси.

Удалить выделеннный объект со сцены можно с помощью клавиши Delete.

Системы координат

По умолчанию используется глобальная («мировая») система координат, начало которой находится в точке с координатами (0,0,0) пространства сцены, она не зависит от положения объекта. Иногда бывает удобно перейти к локальной системе координат, ко­торая связана с объектом. Её центр находится в опорной точке об­ъекта, а оси меняют направление при его вращении, показывая, где у объекта «верх» (локальная ось Z_лок), «право» (локальная ось Х_лок) и т. д. На рисунке 9 показаны направления осей глобаль­ной и локальной систем координат для повёрнутого конуса.

Рисунок9

В программе Blender можно выбрать нужную в данный мо­мент систему координат с помощью выпадающего списка в ниж­ней части рабочего окна. Именно эти оси будут использоваться при перемещении, вращении и изменении размеров объекта.

Слои

Трёхмерная сцена в Blender может состоять из нескольких слоев. В рабочем окне видны только те объекты, которые располо­жены на активном слое. Активный слой можно выбрать щелчком мышью на специальной панели в нижней части рабочего окна (рис. 10).

Рисунок 10

Всего можно использовать 20 слоев, в данном случае (см. рис. 10) какие-то объекты есть на слоях 1, 2 и 4. Активный слой — слой 2, его клетка выделена тёмно-серым фоном. Щёлкая мышью на клетках панели при нажатой клавише Shift, можно сделать активными несколько слоев, чтобы показать все связан­ные с ними объекты.

Объект может принадлежать не только одному, но и несколь­ким слоям. Для этого их нужно выделить в аналогичном элемен­те управления на панели свойств объекта. Здесь же можно пере­вести объект с одного слоя на другой. Для этих операций можно также использовать всплывающее окно, которое появляется при нажатии клавиши М.

Связывание объектов

Представим себе, что мы построили трёхмерную модель стола, на котором размещены тарелки, чашки и столовые приборы. Те­перь нужно передвинуть стол в другое место сцены и немного раз­вернуть его. При этом точно так же должны переместиться и все объекты, стоящие на столе. Чтобы проще решить эту задачу, нужно «привязать» к столу все стоящие на нем предметы, т. е. на панели свойств установить для них так называемый родитель­ский объект (англ. parent — родитель). Можно поступить иначе: выделить, удерживая клавишу Shift, все нужные объекты (тарел­ки, чашки и т. д.), последним выделить родительский объект (стол) и нажать клавиши Ctrl+P,

После этого при всех преобразованиях объекта-родителя (пе­ремещении, вращении, масштабировании) те же самые преобразо­вания применяются и к объекту-потомку. В то же время объ­ект-потомок по-прежнему можно перемещать независимо от роди­теля, т. е. мы можем свободно двигать чашку по столу.

Обратите внимание на отличие группы в Blender от аналогич­ных средств в большинстве программ, работающих с графикой: объекты в такой связанной группе неравноправны — среди них есть один родительский объект и несколько потомков.

Всю структуру сцены (иерархию объ­ектов) можно посмотреть в специальном окне Структура проекта (Outliner) — рис. 11. Здесь видно, например, что объект Cube — родительский для объек­та Cube.001.

Справа от имени объекта в окне Структура проекта показаны три знач­ка: щелчок мышью на изображении гла­за   скрывает объект; если щёлкнуть на значке   , то объект будет нельзя выде­лить (иногда это не нужно), а щелчком на значке   можно запретить показ объекта при рендеринге.

Рисунок 11

1. Сеточные модели

Как строятся объекты?

По умолчанию объекты в Blender изображаются как объёмные твердые тела (англ. solid — сплошной). При этом не сразу понят­но, как же программа может быстро перестраивать изображение при изменении точки наблюдения. Для того чтобы понять внут­реннее устройство объектов, нужно с помощью списка   пере­ключиться в другой режим, который называется Каркас (англ. wireframe). Мы увидим, что каркас куба включает (рис. 12):

• 8 вершин: А, В, С, D, E, F, G и H;

• 12 рёбер, соединяющих вершины: AB, AD, ВС, CD, EF, EH, FG, GH, AE, BF, CG и DH​

​

Рисунок 12

Вершина (англ. vertex) — это точка в трёхмерном простран­стве, которая задается тремя координатами. Ребро (англ. edge) — это отрезок, соединяющий две вершины. Рёбра ограничивают гра­ни (англ. face) — участки поверхностей. У куба 6 граней: ABCD, EFGH, ABFE, CDHG, ADHE и BCGF.

Такие модели называются сеточными (англ. mesh), потому что они представляют собой поверхности, которые строятся на сетке из рёбер. Чаще всего используются треугольные и че­тырёхугольные грани, однако последние версии Blender могут ра­ботать с гранями, состоящими из большего числа рёбер, — так называемыми N-угольниками или полигонами. Поэтому часто применяют выражение «полигональная модель» (от англ. poly­gon — многоугольник, полигон). Сфера и другие криволинейные поверхности тоже строятся из плоских граней, но их значительно больше, чем у куба.

Трёхмерные модели хранятся в векторном формате, для по­строения поверхности достаточно запомнить координаты вершин каркаса. По ним можно рассчитать координаты всех точек рёбер и граней. Каждая грань обрабатывается отдельно, поэтому чем больше граней, тем большее время требуется для расчётов

Редактирование сетки

Для изменения положения элементов сетки нужно перейти в режим редактирования (англ. Edit mode). В программе Blender для этого используется клавиша Tab.

В режиме редактирования можно работать с вершинами, рёбрами и гранями. Нужный тип объектов выбирается с помощью показанного на рис. 13 элемента управления, который располо­жен в нижней части рабочего окна, или с помощью всплывающе­го меню, которое вызывается нажатием клавиш Ctrl+Tab. На ри­сунке 13 первая кнопка выделена тёмным фоном, это означает, что включён режим работы с вершинами.

Рисунок 13

При нажатой клавише Shift можно включить несколько ре­жимов выделения сразу, например выделять рёбра и грани.

Для выделения элементов сетки используются те же методы, что и при выделении объектов. Затем их можно перемещать, вра­щать и масштабировать. Очень удобно использовать круговое вы­деление.

По умолчанию при работе с рёбрами и гранями выделяются не только видимые, но и невидимые элементы, расположенные на задней поверхности объекта. Чтобы этого не происходило, нужно ограничить выделение только видимыми элементами, щёлкнув на кнопке   в нижней части рабочего окна.

В режиме работы с вершинами щелчок левой кнопкой мыши при нажатой клавише Ctrl создаёт новую вершину, которая со­единяется с уже выделенной вершиной. Если выделить две вер­шины (используя клавишу Shift) и нажать клавишу F, между ними строится новое ребро.

Чтобы создать новую грань, нужно выделить все вершины замк­нутого многоугольника и нажать клавишу F.

Для доступа к другим операциям с элементами сеточной модели  можно использовать всплывающие меню, которые появляются при нажатии клавиш Ctrl+У (меню для вершин), Ctrl+£ (меню для рёбер) и Ctrl+f (меню для граней).

В Blender существует особый режим пропорционального ре­дактирования (англ. proportional editing). В этом режиме перемещаемая вершина, ребро или грань увлекает за собой соседние. В примере, показанном на рис. 14, перемещалась вверх только центральная вершина сетки.

Рисунок 14

Деление рёбер и граней

Часто требуется разделить ребро или грань на несколько час­тей. Для этой цели проще всего использовать инструмент Подраз­делять (Subdivide), который делит выделенные рёбра или грани на несколько равных частей. Примеры его использования показа­ны на рис.15.       

Рисунок 15

Существует также инструмент Нож (Knife), который позволя­ет «разрезать» выделенные рёбра. Для этого нужно при нажатой клавише К нажать и не отпускать левую кнопку мыши, после чего курсор становится похожим на нож. Теперь остаётся провес­ти мышь через точки деления рёбер. Если нажимать Shift+K вместо К, рёбра, через которые проходит нож, делятся ровно пополам.

Инструмент Разрезать петлёй со сдвигом (Loop Cut and Slide), который вызывается нажатием клавиш Ctrl+R, позволяет рассечь грани по контуру вокруг объекта и сдвинуть сечение в нужное место

Рисунок 16

(рис. 16). Колесиком мыши можно увеличивать число се­чений.

Выдавливание

Один из самых полезных инструментов при работе с сеточны­ми моделями — Выдавить участок (Extrude). Выдавливание со­стоит в том, что выбранная грань перемещается вдоль нормали (перпендикуляра к этой грани) и вокруг неё создаются новые гра­ни. На рисунке 17 показаны два типа выдавливания централь­ной верхней грани куба.

Рисунок 17

Для того чтобы выполнить выдавливание, нужно выделить грань, нажать клавишу Е и мышью переместить грань в нужное положение.

Выдавливание можно применять также к выделенным рёбрам и вершинам. Чтобы они перемещались только по одной оси, нуж­но после клавиши Е нажать клавишу с названием этой оси (X, Y или Z)

Сглаживание

Вы уже знаете, что модель любой поверхности в программах трёхмерного моделирования строится из отдельных плоских гра­ней. Однако во многих случаях реальный объект моделирова­ния — гладкий, и на картинке нужно получить сглаженную поверхность (рис. 18).

Рисунок 18

Для сглаживания стыков между гранями используют инстру­мент Сгладить (Smooth), который может применяться как ко все­му объекту, так и к отдельным граням. При этом важно, что гео­метрия объекта (количество граней, способ разбивки на грани) не изменяется. Обратите внимание на контур объекта — он остался угловатым. Программа выполняет сглаживание ("скругление») граней только при выводе изображения на экран, используя спе­циальные алгоритмы затенения.

Есть и другой способ сглаживания — дополнительная разбив­ка на более мелкие грани, мы рассмотрим его в следующем параграфе.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

1. Проработайте лекционный материал.

2. Составьте презентацию:

«Программы для 3D-моделирования»