Геометричните модели описват обекти и явления, които имат геометрични свойства. Необходимостта от описание на пространствени обекти възниква при решаването на много проблеми компютърна графика.
В общия случай обектът от реалния живот не може, разбира се, да отговаря точно на неговото описание. Това ще изисква безкраен брой тройки координати ( х, г, z) – по един за всяка точка от повърхността на обекта.
В момента при моделиране на обекти се използват няколко основни типа геометрични модели.
За описание кадър(тел)моделиизползват се геометрични обекти от първи ред - линии или ръбове. Рамковите модели се използват, като правило, за определяне на обекти, които са полиедри, т.е. затворени полиедри с произволна форма, ограничени от плоски лица. В този случай каркасният модел съдържа списък с координати на върховете на полиедъра, указващи връзките между тях (т.е. указващи ръбовете, ограничени от съответните върхове).
Когато се използва каркасен модел за описание на обекти, ограничени от повърхности от повече от първи ред, такива повърхности се интерполират от плоски лица.
Рамковото представяне на обект често се използва не при моделиране, а при показване на модели като метод за визуализация.
Предимствата на каркасния модел са ниските изисквания за изчислителни ресурси, недостатъкът е невъзможността за конструиране на силно реалистични изображения, тъй като наборът от сегменти не е адекватно описание на обекта - самите сегменти не определят повърхности (фиг. 7.1) .
Ориз. 7.1. Същият каркасен модел (a) може да опише както куб (b), така и отворена кутия (c).
Развитието на каркасния модел е частично аналитичен модел на лицето, което се дава чрез изброяване на всички отделни лица. Един обект се определя от набор от гранични лица и нормала, насочена извън обекта; всяко лице се дефинира от цикъл от неговите гранични ръбове; всяко ребро - двойка точки (върхове), които го ограничават; всяка точка е тройка координати в триизмерното пространство. Тези. моделът на лицето представлява триизмерен обект под формата на затворена повърхност.
Наборът от лица, представени от плоски многоъгълници и ограничени от прави ръбове, се образува многоъгълнарешетка. Лицата могат да бъдат с всякаква форма, но в по-голямата част от случаите се използват изпъкнали многоъгълници с минимален брой върхове (триъгълници и четириъгълници). изчисляването им е по-лесно.
Основният недостатък на многоъгълната мрежа е приблизителното представяне на формата на обект при описване на извити повърхности. За да се подобри частично линейното приближение на такива обекти, броят на лицата се увеличава, което води до допълнителни разходи за памет и увеличаване на количеството на изчисленията.
В рамките на модела на лицето лицата могат да бъдат и извити повърхности, ограничени от криволинейни ребра. Най-често се използва като ръбове параметриченбикубични парчета, ограничени от параметрични кубични криви.
Когато се използват бикубични парчета за представяне на обект с дадена точност, е необходим значително по-малък брой лица, отколкото при апроксимиране с многоъгълна мрежа. Въпреки това изчисленията при работа с бикубични повърхности са много по-сложни, отколкото при работа с плоски лица.
За разлика от модела на лицето, обемен-параметриченмоделтретира обекта като твърдо тяло. Един обект се описва като набор от някои основни обемни елементи на формата (обемни примитиви). Всеки примитив в модела се определя от две групи параметри:
размерни параметри - определят геометричните размери на примитива;
параметри на позицията - задайте позицията и ориентацията на примитива спрямо световната координатна система.
Като примитиви се използват прости геометрични тела: цилиндър, конус, пресечен конус, паралелепипед, топка, тор.
Като параметри на позицията обикновено се използват координатите на централната точка на примитива и координатите на единичен вектор, насочен по височината на примитива.
В допълнение към тези параметри са посочени операции върху примитиви, които са трите основни операции на теорията на множествата - обединение, пресичане и изваждане. Обединението на два примитиви е обект, който включва всички точки на оригиналните примитиви. Пресечната точка на два примитиви е обект, всички точки от който принадлежат едновременно на първия и втория примитив. Резултатът от изваждането на две примитивни е обект, състоящ се от тези точки на първата примитивна, които не принадлежат на втората примитивна.
Недостатъкът на обемно-параметричния модел е липсата на ясни граници на отделенията на лицата в случай на взаимно проникване на примитиви.
Като част от кинематиченмодел, обектът може да бъде определен от набор от триизмерни елементи, всеки от които е обем, „изрязан“ в пространството при движение по определена траектория на затворен плосък контур. Траекторията на движение на контура може да бъде права или извита.
Видът на елемента се определя от формата на контура и траекторията на неговото движение. Например цилиндър в рамките на кинематичен модел може да се опише като движение на окръжност по сегмент, представляващ височината на цилиндъра.
За да моделирате елементи със сложна форма, можете да използвате промяната в размера на контура или неговата позиция спрямо траекторията по време на движение.
Предимството на модела е практическата липса на ограничения върху сложността на формирания обект. Недостатъците включват сложността на определяне на елементи.
3D графикие оптично визуално възпроизвеждане на графични 3D обекти, под формата на визуално-математически форми, възпроизведени на компютърен монитор с цел реалистично изобразяване на обработваните компоненти и последващи манипулации с тях.
Изграждането на триизмерни геометрични обекти се основава на правоъгълна координатна система, наречена " Декартова координатна система» в чест на френския учен Рене Декарт (1596 – 1650).
Съкращението за 3D е символтриизмерна графика, състояща се от число и буква, което в разширен вид означава " триизмерен"- имащ три измерения.
Триизмерните модели се разделят на три вида според функционалното им предназначение:
Към първия и най прост тип, обектно-ориентиран дизайн, се отнася до каркасно моделиране на ниско ниво. Резултатни обекти от този типвизуално възпроизвеждане се наричат телена рамка или тел, които от своя страна се състоят от взаимосвързани набори от оформящи линии, сегменти и дъги. Моделите от този тип не съдържат информация за повърхността, обема на структурния обект и се използват в по-голямата си част като един от методите за визуализация. Едно от предимствата на телените 3D модели е минимален обемзаети оперативна паметкомпютър. Wireframe визуализацията често се използва за симулиране на траекторията на инструмента в специални CAM системи за изготвяне на алгоритми за управление за машини с цифрово управление.
Повърхностното моделиране, за разлика от телената конструкция, в допълнение към точките и линиите, които са част от основните елементи на обекта, включва повърхности, които формират визуалния контур на показаната фигура. При разработването на такива форми се приема, че геометричните обекти са ограничени от външните страни на обекта, които ги отделят от околното пространство.
Солидно моделиране е най-пълното и надеждно изграждане на реален обект. Резултатът от конструирането на геометрично тяло по този метод е монолитен образец на нов продукт, който включва такива компоненти като линии, лица и най-важното, създава се повърхностна площ в рамките на геометричната форма на обекта с такива важни параметрикато телесно тегло и обем.
Използва се за работа с 3D модели специални програмипредоставяне на компютърна поддръжка за проектиране.
Един от тези инструменти е AutoCAD. Първоначално версиите на този софтуерен продукт поддържаха двумерна геометрична конструкция, но с течение на времето специалисти от американска компания Autodeskинтегрирана възможността за формиране на триизмерни обекти в околната среда AutoCADосвен основния поток на програмата.
Програми за параметрично моделиране като напр solidworks, Autodesk Inventor, Професионалист/Инженер, КАТИЯпървоначално са създадени за проектиране на базата на триизмерен модел с последващ дизайн, нормативна документация.
Моделите, получени от горните програми, са по същество еднакви. Солиден модел или мрежест модел остава такъв независимо от софтуерния продукт, но въпреки това поради разликата във файловите формати, които носят информация за обект, той не винаги може да бъде отворен в програма на трета страна.
За обмен на визуално-пространствени обекти между различни софтуерни платформи, има специални файлови формати, към които се експортира съдържанието на основните формати, след което те могат да бъдат отворени в други интерпретатори, които поддържат 3D- графики.
Внос износ 3D-моделите могат да бъдат направени с помощта на файлове със следните разширения:
- ACIS *.sat
- STEP AP203/214 *.step,*.stp
- IGES *.igs,*.iges
Триизмерната графика не включва непременно проекция върху равнина.....
Енциклопедичен YouTube
1 / 5
✪ Теория на 3D графиката, урок 01 - Въведение в 3D графиката
✪ Компютърна графика в киното
✪ Лекция 1 | Компютърна графика | Виталий Галински | Лекториум
✪ 12 - Компютърна графика. Основни понятия на компютърната графика
✪ Лекция 4 | Компютърна графика | Виталий Галински | Лекториум
субтитри
Приложение
Триизмерната графика се използва активно за създаване на изображения в равнината на екран или лист печатни продукти в науката и промишлеността, например в системи за автоматизация на проектирането (CAD; за създаване на твърди елементи: сгради, машинни части, механизми ), архитектурна визуализация (това включва т.нар. „виртуална археология“), в модерни системимедицинско изображение.
Най-широко приложение има в много съвременни компютърни игри, както и като елемент от кинематографията, телевизията и печатните продукти.
3D графиките обикновено се занимават с виртуално, въображаемо триизмерно пространство, което се показва на плоска, двуизмерна повърхност на дисплей или лист хартия. В момента има няколко метода за показване на триизмерна информация в триизмерна форма, въпреки че повечето от тях представят триизмерни характеристики доста условно, тъй като работят със стерео изображение. От тази област могат да се отбележат стерео очила, виртуални шлемове, 3D дисплеи, способни да демонстрират триизмерно изображение. Няколко производители демонстрираха 3D дисплеи, готови за масово производство. Въпреки това, 3D дисплеите все още не ви позволяват да създадете пълноценно физическо, осезаемо копие. математически моделсъздаден от 3D графика. Технологиите за бързо създаване на прототипи, които се развиват от 90-те години на миналия век, запълват тази празнина. Трябва да се отбележи, че технологиите за бързо създаване на прототипи използват представянето на математически модел на обект под формата на твърдо тяло (воксел модел).
Създаване
За да получите триизмерно изображение в равнина, са необходими следните стъпки:
- моделиране- създаване на тримерен математически модел на сцената и обектите в нея;
- текстуриране- присвояване на растерни или процедурни текстури на повърхностите на моделите (предполага и настройка на свойствата на материалите - прозрачност, отражения, грапавост и др.);
- осветление- монтаж и конфигурация;
- анимация(в някои случаи) - придаване на движение на предмети;
- динамична симулация(в някои случаи) - автоматично изчисляване на взаимодействието на частици, твърди/меки тела и др. със симулираните сили на гравитация, вятър, плаваемост и др., както и помежду си;
- изобразяване(визуализация) - изграждане на проекция в съответствие с избрания физически модел;
- композиране(layout) - финализиране на изображението;
- извеждане на полученото изображение на изходно устройство - дисплей или специален принтер.
Моделиране
Най-популярните пакети за чисто моделиране са:
- Робърт Макнийл и доц. Носорог 3D ;
За да създадете триизмерен модел на човек или създание, скулптурата може да се използва като прототип (в повечето случаи).
Текстуриране
скица нагоре
Визуализация на триизмерна графика в игри и приложения
Има редица софтуерни библиотеки за изобразяване на 3D графики в приложни програми - DirectX, OpenGL и т.н.
Има редица подходи за представяне на 3D графики в игрите - пълно 3D, псевдо-3D.
Такива пакети дори не винаги позволяват на потребителя да работи директно с 3D модел, например има пакет OpenSCAD, в който моделът се формира чрез изпълнение на генериран от потребителя скрипт, написан на специализиран език.
3D дисплеи
Триизмерни или стереоскопични дисплеи, (3D дисплеи, 3D екрани) - дисплеи, чрез стереоскопичен или друг ефект, създаващи илюзията за реален обем в показваните изображения.
Понастоящем по-голямата част от 3D изображенията се показват с помощта на стереоскопичния ефект, който е най-лесният за изпълнение, въпреки че използването само на стереоскопия не може да се нарече достатъчно за триизмерно възприятие. Човешкото око, както по двойки, така и самостоятелно, еднакво добре разграничава триизмерните обекти от плоските изображения [ ] .
3D графики
Методи за 3D моделиране.
· Сплайн моделирането е моделиране с математически гладки линии – сплайнове.
· Полигоналното моделиране е подреждането на ъгли, върхове на многоъгълници в триизмерното пространство.
Триизмерното изображение в равнина се различава от двуизмерното по това, че включва изграждането на геометрична проекция на триизмерен модел на сцена върху равнина (например екран на компютър) с помощта на специализирани програми. В този случай моделът може или да съответства на обекти от реалния свят (коли, сгради, ураган, астероид), или да бъде напълно абстрактен (проекция на четириизмерен фрактал).
За да получите триизмерно изображение в равнина, са необходими следните стъпки:
· моделиране – създаване на тримерен математически модел на сцената и обектите в нея.
· Рендиране (визуализация) – изграждане на проекция в съответствие с избрания физически модел. (Системи за изобразяване: V-Ray, FinalRender, Brazil R/S, BusyRay).
Предимства и недостатъци на 3D графиката.
недостатъци:
Голям обем файлове
Софтуерна зависимост
Висока цена на различни 3-D редактори
Предимства:
Реализъм
· Възможност за използване на 3D обекти за създаване на приложения (игри и др.)
· Свобода на обектни трансформации
Къде се използва
Използва се при създаване на игри, филми и др.
Софтуер
3D Studio Max, MAYA, Blender, Solid Age, Compass.
3D графики- раздел на компютърната графика, набор от техники и инструменти (както софтуер, така и хардуер), предназначени за изобразяване на триизмерни обекти.
Триизмерното изображение в равнина се различава от двуизмерното по това, че включва изграждането на геометрична проекция на триизмерен модел сценивърху равнина (например компютърен екран) с помощта на специализирани програми (обаче, при създаването и внедряването на 3D дисплеи и 3D принтери, триизмерната графика не включва непременно проекция върху равнина). В този случай моделът може или да съответства на обекти от реалния свят (коли, сгради, ураган, астероид), или да бъде напълно абстрактен (проекция на четириизмерен фрактал)
Методи за 3D моделиране.
3D моделите се създават в CAD системи (или в CAD / CAM системи) с помощта на инструментите за геометрично моделиране, налични в тях. Моделът се съхранява в системата като някакво математическо описание и се показва на екрана като пространствен обект.
Изграждането на пространствен геометричен модел на продукт е основна задача на компютърния дизайн. Именно този модел се използва за по-нататъшно решаване на проблемите с генерирането на чертежна и проектна документация, проектиране на технологично оборудване, разработване на програми за управление на машини с ЦПУ. Освен това този модел се прехвърля в системи за инженерен анализ (SAE системи) и се използва там за инженерни изчисления. По компютърен модел с помощта на методи и средства за бързо прототипиране може да се получи физически образец на продукта. 3D модел може не само да бъде изграден с помощта на тази CAD система, но в конкретен случай може да бъде получен от друга CAD система чрез един от договорените интерфейси или формиран въз основа на резултатите от измерването на физически прототип на продукт по координата измервателна машина.
Начини за представяне на модели.
Има повърхностно (рамково-повърхностно) и твърдо моделиране. При повърхностното моделиране първо се изгражда рамка - пространствена структура, състояща се от линейни сегменти, кръгови дъги и сплайни. Рамката играе спомагателна роля и служи като основа за последващо изграждане на повърхности, които се „опъват“ върху елементите на рамката.
В зависимост от метода на изграждане се разграничават следните видове повърхности: линейни; завъртане; кинематичен; филе конюгиране; преминаване през надлъжни и напречни сечения; повърхности за "затягане на прозорец" между три или повече съседни повърхности; NURBS повърхности, определени чрез определяне на контролни точки на надлъжни и напречни сечения; равнинни повърхности.
Въпреки че повърхностите определят границите на тялото, самата концепция за „тяло“ не съществува в режима на повърхностно моделиране, дори ако повърхностите ограничават затворен обем. Това е най-важната разлика между повърхностното моделиране и моделирането на твърдо тяло.
Друга особеност е, че елементите на модела на телената повърхност не са свързани помежду си по никакъв начин. Промяната на един от елементите не променя автоматично останалите. Това дава повече свобода при моделирането, но същевременно прави работата с модела много по-трудна.
Предимства и недостатъци на триизмерната графика
3D графиките ще ви помогнат в случаите, когато искате да вградите въображаема сцена в изображение на реалния свят. Тази ситуация е типична за проблемите на архитектурния дизайн. В този случай 3D-графиката премахва необходимостта от създаване на оформление и предоставя гъвкави възможности за синтезиране на изображението на сцената за всякакви метеорологични условия и от всякакъв ъгъл на видимост.
Може да си представим и друга ситуация: не въображаем обект е вграден в реален фон, а напротив, изображение на реален обект е вградено в триизмерна сцена като негова неразделна част. Този начин на използване на 3D графики се използва например за създаване на виртуални изложбени зали или галерии, по стените на които са окачени изображения на реални картини.
Компютърни игри - една от най-обширните и доказани области на приложение на 3D графика. Докато се подобрявате софтуерни инструментисимулация на триизмерна графика, нарастване на производителността и увеличаване на ресурсите на паметта на компютрите, виртуалните триизмерни светове стават все по-сложни и подобни на реалността.
Триизмерната графика също помага там, където истинската фотография е невъзможна, трудна или изисква значителни материални разходи, а също така ви позволява да синтезирате изображения на събития, които не се случват в ежедневието. Програмата 3D Studio MAX 3.0 разполага с инструменти, които ви позволяват да симулирате действието на физически сили като гравитация, триене или инерция върху триизмерни обекти, както и да възпроизвеждате резултатите от сблъсъци на обекти.
Основните аргументи в полза на 3D графиката се появяват, когато става въпрос за създаване на компютърна анимация. 3D Studio MAX 3.0 ви позволява значително да опростите работата с анимирани видеоклипове чрез използването на методи за анимиране на 3D сцени. По-горе разгледахме характеристиките на триизмерната графика, които могат да бъдат приписани на нейните предимства в сравнение с конвенционалната двуизмерна графика. Но, както знаете, няма предимства без недостатъци. . Недостатъците на триизмерната графика, които трябва да имате предвид при избора на инструменти за разработване на вашите бъдещи графични проекти, могат да бъдат условно разгледани:
Повишени изисквания към компютърния хардуер, по-специално към количеството RAM, наличност свободно пространствовърху скоростта на твърдия диск и процесора;
Необходимостта от много подготвителна работа, освен създаване на модели на всички обекти в сцената, които могат да попаднат в зрителното поле на камерата, и присвояване на материали към тях. Тази работа обаче обикновено се отплаща с резултата;
По-малко, отколкото при използване на двуизмерна графика, свобода при формирането на изображението. Това означава, че когато рисувате картина с молив върху хартия или използвате двуизмерна графика на компютърен екран, имате възможност напълно свободно да изкривите всякакви пропорции на обекти, да нарушите правилата на перспективата и т.н., ако е необходимо за реализацията с художествено намерение. В 3D Studio MAX 3.0 това също е възможно, но изисква допълнителни усилия;
Необходимостта да се контролира относителната позиция на обектите в сцената, особено при изпълнение на анимация. Поради факта, че обектите на триизмерната графика са "безплътни", лесно може да се допусне погрешното проникване на един обект в друг или погрешната липса на необходимия контакт между обектите.
Триизмерната графика намери широко приложение в области като научни изчисления, инженерно проектиране, компютърно моделиране на физически обекти.
Изображението на плоска фигура в чертежа не е много трудно, тъй като двуизмерният геометричен модел е подобие на изобразената фигура, която също е двуизмерна.
Триизмерните геометрични обекти са изобразени на чертежа като набор от проекции върху различни равнини, което дава само приблизителна условна представа за тези обекти като пространствени фигури. Ако е необходимо да се отразят на чертежа някакви детайли, детайли на обекта, допълнителни секции, разфасовки и т. н. Като се има предвид, че дизайнът обикновено се занимава с пространствени обекти, тяхното представяне в чертежа не винаги е лесен въпрос.
При конструирането на обект с помощта на компютър наскоро беше разработен подход, основан на създаването на триизмерни геометрични изображения - модели.
Под геометрично моделиране се разбира създаването на модели на геометрични обекти, съдържащи информация за геометрията на обекта. Под модел на геометричен обект се разбира набор от информация, която еднозначно определя неговата форма. Например една точка може да бъде представена с две (2D модел) или три (3D модел) координати; кръг - с координатите на центъра и радиуса и т.н. Триизмерен геометричен модел, съхраняван в паметта на компютъра, дава доста изчерпателна (ако е необходимо) представа за моделирания обект. Такъв модел се нарича виртуален или цифров.
При триизмерното моделиране чертежът играе спомагателна роля, а методите за неговото създаване се основават на методите на компютърната графика, методите за изобразяване на пространствен модел. С този подход геометричният модел на обект може да се използва не само за създаване графично изображение, но и за изчисляване на някои от неговите характеристики, например маса, обем, инерционен момент и др., както и за якостни, топлотехнически и други изчисления.
Технологията за 3D моделиране е следната:
проектиране и създаване на виртуална рамка ("скелет") на обект, който най-пълно отговаря на реалната му форма;
проектиране и създаване на виртуални материали, подобни на реалните по отношение на физическите свойства на визуализацията;
присвояване на материали на различни части от повърхността на обект (проектиране на текстура върху обект);
настройка физически параметрипространството, в което обектът ще работи - задайте осветлението, гравитацията, свойствата на атмосферата, свойствата на взаимодействащи обекти и повърхности, задайте траекторията на движение на обектите;
изчисляване на получената последователност от кадри;
· Наслагване на повърхностни ефекти върху крайния анимационен клип.
Модел.За показване на триизмерни обекти на екрана на монитора е необходима поредица от процеси (обикновено наричани конвейер), последвани от транслиране на резултата в двуизмерен изглед. Първоначално обектът се представя като набор от точки или координати в триизмерното пространство. 3D координатната система се дефинира от три оси: хоризонтална, вертикална и дълбочина, обикновено наричани съответно оси X, Y и Z. от които се състои обектът в пространството. Чрез свързване на върховете на обекта с линии, ние получаваме каркасен модел, наречен така, защото се виждат само краищата на повърхностите на триизмерно тяло. Телената рамка определя областите, които изграждат повърхността на обект, който може да бъде запълнен с цвят, текстури и осветен от светлинни лъчи.
Разновидности на 3D графики.Има следните видове 3D графики: полигонална, аналитична, фрактална, сплайн.
Полигоналните графики са най-често срещаните. Това се дължи преди всичко на високата скорост на обработката му. Всеки многоъгълен графичен обект се определя от набор от многоъгълници. Многоъгълникът е плосък многоъгълник. Най-простият вариант са триъгълни многоъгълници, защото, както знаете, равнина може да бъде начертана през всеки три точки в пространството. Всеки многоъгълник се определя от набор от точки. Една точка се задава с три координати - X, Y, Z. Така можете да посочите триизмерен обект като масив или структура.
Аналитичната графика се състои в това, че обектите са определени аналитично, т.е. формули. Например: топка с радиус r, центрирана в точката (x 0 , y 0 , z 0), се описва с формулата (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 . Комбиниране различни формулиедин с друг можете да получите обекти със сложна форма. Но цялата трудност се състои в намирането на формулата на необходимия обект.
Друг начин за създаване на аналитични обекти е създаването на въртящи се тела. Така че, завъртайки кръг около някаква ос, можете да получите торус и едновременно с това да завъртите силно удължена елипса около собствената си и външна ос, можете да получите доста красив гофриран торус.
Фракталната графика се основава на концепцията за фрактал - самоподобие. Един обект се нарича самоподобен, когато уголемените части на обекта приличат на самия обект и една на друга. Теренът принадлежи към класа "самоподобни". Така че назъбеният ръб на счупен камък изглежда като планинска верига на хоризонта. Фракталната графика, подобно на векторната графика, се основава на математически изчисления. Базов елементфракталната графика е математическа формула, така че в паметта на компютъра не се съхраняват обекти и изображението се изгражда единствено от уравнения.
По този начин се изграждат както най-простите правилни структури, така и сложни илюстрации, имитиращи природни пейзажи и триизмерни обекти. Фракталните алгоритми могат да създават невероятни 3D изображения.
Сплайн графиките се основават на концепцията за сплайн. Терминът "сплайн" от английски сплайн. Това е името на гъвкава стоманена лента, с помощта на която чертожниците изчертават плавни криви през дадени точки. В миналото подобен метод на гладки контури на различни тела (корпус на кораб, корпус на автомобил) беше широко разпространен в практиката на машиностроенето. В резултат на това формата на тялото беше зададена с помощта на набор от много прецизно изработени секции-плази. Появата на компютрите направи възможно преминаването от този метод на шаблона на площада към повече ефективен начиннастройка на повърхността на опростеното тяло. Този подход към описанието на повърхностите се основава на използването на сравнително прости формули, които позволяват да се възпроизведе външният вид на продукта с необходимата точност.
При моделиране със сплайни най-често се използва методът на бикубичните рационални В-сплайнове върху неравномерна мрежа (NURBS). Външният вид на повърхността се определя от мрежата от референтни точки, разположени в пространството. На всяка точка се задава коефициент, чиято стойност определя степента на нейното влияние върху частта от повърхността, минаваща близо до точката. Формата и "гладкостта" на повърхността зависи от взаимното разположение на точките и големината на коефициентите.
Деформацията на обекта се осигурява чрез преместване на контролни точки. Друг метод се нарича warp mesh. Около обекта или част от него се поставя триизмерна мрежа, движението на която и да е точка предизвиква еластична деформация както на самата мрежа, така и на околния обект.
След оформянето на "скелета" на обекта е необходимо повърхността му да се покрие с материали. Цялото разнообразие от имоти в компютърна симулациясе свежда до визуализация на повърхността, т.е. до изчисляване на коефициента на прозрачност на повърхността и ъгъла на пречупване на светлинните лъчи на границата на материала и околното пространство. За конструиране на повърхностите на материалите се използват пет основни физически модела:
Bouknight - повърхност с дифузно отражение без отблясъци (например матова пластмаса);
· Phong - повърхност със структурирани микроповърхности (например метал);
· Blinn – повърхност със специално разпределение на микронеравностите, като се вземат предвид взаимните припокривания (например гланц);
· Whitted - модел, който позволява допълнително да се вземе предвид поляризацията на светлината;
Хол - модел, който ви позволява да регулирате посоката на отражение и параметрите на пречупване на светлината.
Засенчването на повърхностите се извършва по методите на Gouraud (gouraud) или Phong (Phong). В първия случай цветът на примитива се изчислява в неговите върхове и след това се интерполира линейно върху повърхността. Във втория случай се изгражда нормала към обекта като цяло, нейният вектор се интерполира върху повърхността на съставните примитиви и се изчислява осветеността за всяка точка.
Светлината, излизаща от повърхност в определена точка към наблюдателя, е сумата от компонентите, умножени по фактор, свързан с материала и цвета на повърхността в тази точка. Тези компоненти включват:
Светлината, която идваше от обратна странаповърхности, т.е. пречупена светлина (Refracted);
· Светлина, равномерно разпръсната от повърхността (дифузна);
Отразена светлина (Reflected);
Отблясъци, т.е. източници на отразена светлина (Specular);
· Собствено повърхностно сияние (Self Illumination).
Свойствата на повърхността са описани в генерираните масиви от текстури (дву- или триизмерни). Така масивът съдържа данни за степента на прозрачност на материала; индекс на пречупване; коефициенти на изместване на компонентите (изброени по-горе); цвят във всяка точка, цвят на подчертаване, ширина и острота; цвят на дифузно (фоново) осветление; локални отклонения на векторите от нормалното (т.е. грапавостта на повърхността се взема предвид).
Следващата стъпка е да приложите („проектирате“) текстури към определени части от рамката на обекта. В този случай е необходимо да се вземе предвид тяхното взаимно влияние върху границите на примитивите. Проектирането на материали за обект е трудна задача за формализиране, тя е близка до артистичен процес и изисква поне минимални творчески способности от изпълнителя.
От всички параметри на пространството, в което работи създаденият обект, от гледна точка на визуализацията, най-важното е определянето на източника на светлина. В 3D графиките е обичайно да се използват виртуални еквиваленти на физически източници:
· Разтворена светлина (Ambitnt Light), която е аналог на равномерен светъл фон. Той няма геометрични параметри и се характеризира само с цвят и интензитет.
· Отдалечен неточков източник се нарича далечна светлина (Distant Light). Задават му се конкретни параметри (координати). Аналогът в природата е Слънцето.
· Точковият светлинен източник излъчва светлина равномерно във всички посоки и също има координати. Аналог в техниката е електрическата крушка.
· Директен източник на светлина (Direct Light Source) в допълнение към местоположението се характеризира с посоката на светлинния поток, ъглите на отваряне на пълния светлинен конус и най-ярката му точка. Аналог в техниката е прожектор.
Процесът на изчисляване на реалистични изображения се нарича рендиране (визуализация). Повечето съвременни програми за изобразяване се основават на метода за проследяване на обратни лъчи. Същността му е следната:
· От точката на наблюдение на сцената в пространството се изпраща виртуален лъч, по траекторията на който изображението трябва да достигне до точката на наблюдение.
· За да се определят параметрите на входящия лъч, всички обекти в сцената се проверяват за пресичане с пътя на наблюдение. Ако не настъпи потискане, тогава се счита, че лъчът е ударил фона на сцената и входящата информация се определя от параметрите на фона. Ако траекторията се пресича с обект, тогава в точката на контакт светлината, която отива към точката на наблюдение, се изчислява в съответствие с параметрите на материала.
След приключване на изграждането и визуализирането на обекта, те започват да го „анимират“, т.е. задават параметрите на движение. Компютърната анимация се основава на ключови кадри. В първия кадър обектът е настроен на начална позиция. След определен интервал (например в осмия кадър) се задава нова позиция на обекта и така до крайната позиция. Междинните позиции се изчисляват от програмата по специален алгоритъм. В този случай се получава не просто линейно приближение, а плавна промяна в позицията на референтните точки на обекта в съответствие с определените условия. Тези условия се определят от йерархията на обектите (т.е. законите на тяхното взаимодействие един с друг), разрешените равнини на движение, граничните ъгли на въртене и величините на ускоренията и скоростите.
Този подход се нарича метод на обратната кинематика на движението. Работи добре за моделиране на механични устройства. При имитация на живи обекти се използват така наречените скелетни модели. Тоест създава се определена рамка, подвижна в точки, характерни за моделирания обект. Движенията на точките се изчисляват по предишния метод.
Методът на триизмерното геометрично моделиране се прилага в много софтуерни продукти, включително такива популярни като AutoCAD и ArchiCAD.
Зареждане...