A geometriai modellek olyan objektumokat és jelenségeket írnak le, amelyek geometriai tulajdonságokkal rendelkeznek. A térbeli objektumok leírásának igénye számos probléma megoldása során merül fel számítógépes grafika.
Általános esetben egy valós objektum természetesen nem egyezhet pontosan a leírásával. Ehhez végtelen számú koordináta hármasára lenne szükség ( x, y, z) – egyet az objektum felületének minden pontjához.
Jelenleg az objektumok modellezésekor többféle geometriai modellt használnak.
Leíráshoz keret(huzal)modellek elsőrendű geometriai objektumokat használnak - vonalakat vagy éleket. A drótváz modelleket általában olyan objektumok meghatározására használják, amelyek poliéderek, pl. tetszőleges alakú zárt poliéderek, amelyeket lapos lapok határolnak. Ebben az esetben a drótváz modell tartalmazza a poliéder csúcsok koordinátáit, jelezve a köztük lévő kapcsolatokat (azaz a megfelelő csúcsok által határolt éleket).
Ha drótvázas modellt használunk az elsőrendűnél nagyobb felületekkel határolt objektumok leírására, az ilyen felületeket lapos felületek interpolálják.
Egy objektum drótvázas ábrázolását gyakran nem modellezésben, hanem modellek megjelenítésében használják vizualizációs módszerként.
A drótvázas modell előnye a számítási erőforrásokkal szembeni alacsony igény, a hátránya a rendkívül valósághű képek készítésének lehetetlensége, mivel a szegmensek halmaza nem adekvát leírás az objektumról - maguk a szegmensek nem határoznak meg felületeket (7.1. ábra). .
Rizs. 7.1. Ugyanaz a drótváz modell (a) leírhat egy kockát (b) és egy nyitott dobozt (c).
A drótvázas modell fejlesztése az darabonként elemző arcmodell, amelyet az összes egyéni arc felsorolásával adunk meg. Az objektumot határoló lapok halmaza és az objektumból kifelé irányított normális határozza meg; minden felületet határoló éleinek ciklusa határoz meg; minden él - egy pár pont (csúcs) korlátozza azt; minden pont a háromdimenziós tér koordinátáinak hármasa. Azok. az arcmodell egy háromdimenziós tárgyat ábrázol zárt felület formájában.
Kialakul a lapos sokszögekkel ábrázolt és egyenes élekkel határolt lapok halmaza sokszögűrács. A lapok bármilyen alakúak lehetnek, de az esetek túlnyomó többségében konvex sokszögeket használnak minimális csúcsszámmal (háromszögek és négyszögek). könnyebb a számításuk.
A sokszögű háló fő hátránya egy tárgy alakjának hozzávetőleges ábrázolása az íves felületek leírásánál. Az ilyen objektumok darabonkénti lineáris közelítésének javítása érdekében a lapok számát növelik, ami további memóriaköltségekhez és a számítások mennyiségének növekedéséhez vezet.
Az arcmodell keretében az arcok görbe vonalú bordákkal határolt íves felületek is lehetnek. Leggyakrabban élként használják parametrikusbikubikos darabok, amelyet paraméteres köbös görbék határolnak.
Ha bikubikus darabokat használunk egy objektum adott pontosságú ábrázolására, lényegesen kisebb számú lapra van szükség, mint sokszöghálóval történő közelítéskor. A két köbös felületekkel végzett munka során végzett számítások azonban sokkal bonyolultabbak, mint a lapos felületekkel végzett munka során.
Az arcmodelltől eltérően térfogat--parametrikusmodell szilárd testként kezeli a tárgyat. Egy objektumot néhány alapvető térfogati formaelem (volumetrikus primitív) halmazaként írunk le. A modellben minden primitívet két paramétercsoport határoz meg:
méretparaméterek - a primitív geometriai méreteinek meghatározása;
pozícióparaméterek - állítsa be a primitív helyzetét és tájolását a világkoordináta-rendszerhez képest.
Primitívként egyszerű geometriai testeket használnak: henger, kúp, csonka kúp, paralelepipedon, golyó, tórusz.
Pozícióparaméterként általában a primitív középpontjának koordinátáit és a primitív magassága mentén irányított egységvektor koordinátáit használják.
Ezeken a paramétereken kívül a primitívekre vonatkozó műveletek is megadásra kerülnek, amelyek a halmazelmélet három fő művelete - egyesülés, metszés és kivonás. A két primitív egyesülése olyan objektum, amely magában foglalja az eredeti primitívek összes pontját. Két primitív metszéspontja egy objektum, amelynek minden pontja egyszerre tartozik az első és a második primitívhez. Két primitív kivonásának eredménye egy objektum, amely az első primitív azon pontjaiból áll, amelyek nem tartoznak a második primitívhez.
A térfogat-paraméteres modell hátránya, hogy a primitívek áthatolása esetén a lapok rekeszeinek nincsenek kifejezett határai.
Részeként kinematikai A modellben egy objektumot háromdimenziós elemek halmaza határozhat meg, amelyek mindegyike egy térben „kivágott” térfogat, amikor egy zárt lapos kontúr bizonyos pályáján mozog. A kontúrmozgás pályája lehet egyenes vagy íves.
Az elem típusát a kontúr alakja és mozgásának pályája határozza meg. Például egy henger egy kinematikai modell keretein belül úgy írható le, mint egy kör mozgása a henger magasságát jelző szegmens mentén.
Összetett alakú elemek modellezéséhez használhatja a kontúr méretének vagy a pályához viszonyított helyzetének mozgás közbeni változását.
A modell előnye, hogy a kialakítandó objektum összetettségére vonatkozó korlátozások gyakorlatiasan hiányoznak. A hátrányok közé tartozik az elemek megadásának bonyolultsága.
3D grafika a grafikus 3D objektumok optikai vizuális reprodukciója, vizuális-matematikai formák formájában, számítógép-monitoron reprodukálva a feldolgozott komponensek és a velük végzett további manipulációk valósághű megjelenítése érdekében.
A háromdimenziós geometriai objektumok felépítése egy téglalap alakú koordinátarendszeren alapul, amelyet " Derékszögű koordinátarendszer» a francia tudós tiszteletére René Descartes (1596 – 1650).
A 3D rövidítése szimbólum háromdimenziós grafika, amely egy számból és egy betűből áll, ami kiterjesztett formában azt jelenti " háromdimenziós"- három dimenzióval.
A háromdimenziós modellek funkcionális céljuk szerint három típusra oszthatók:
Az első és a legtöbb egyszerű típus, objektum-orientált tervezés, alacsony szintű drótváz modellezésre utal. Eredményobjektumok ebből a típusból A vizuális reprodukciót drótváznak vagy drótnak nevezik, amelyek viszont egymáshoz kapcsolódó alakító vonalak, szegmensek és ívek halmazaiból állnak. Az ilyen típusú modellek nem tartalmaznak információt egy szerkezeti objektum felületéről, térfogatáról, és többnyire a vizualizációs módszerek egyikeként használják őket. A drótvázas 3D modellek egyik előnye az minimális hangerő megszállt véletlen hozzáférésű memória számítógép. A drótvázas vizualizációt gyakran használják a szerszámpálya szimulálására speciális CAM-rendszerekben numerikus vezérlésű gépek vezérlési algoritmusainak elkészítésére.
A felületmodellezés – a drótvázas konstrukcióval ellentétben – az objektum alapelemeinek részét képező pontokon és vonalakon kívül olyan felületeket is tartalmaz, amelyek a megjelenített ábra vizuális kontúrját alkotják. Az ilyen formák kidolgozásakor feltételezzük, hogy a geometriai objektumokat az objektum külső oldalai korlátozzák, amelyek elválasztják őket a környező tértől.
A szilárd modellezés egy valós objektum legteljesebb és legmegbízhatóbb felépítése. Ezzel a módszerrel egy geometriai test megalkotásának eredménye egy új termék monolitikus mintája, amely olyan elemeket tartalmaz, mint a vonalak, lapok, és ami a legfontosabb, az objektum geometriai alakján belül felület jön létre fontos paramétereket mint a testsúly és a térfogat.
3D-s modellekkel való munkához használták speciális programok számítógépes támogatás biztosítása a tervezéshez.
Ezen eszközök egyike az AutoCAD. Kezdetben ennek a szoftverterméknek a verziói támogatták a kétdimenziós geometriai konstrukciót, de idővel egy amerikai cég szakemberei Autodesk integrálta a háromdimenziós objektumok kialakításának lehetőségét a környezetben AutoCAD eltekintve a program főáramától.
Paraméteres modellező programok, mint pl megbízható munkák, Autodesk Inventor, Profi/mérnök, CATIA eredetileg háromdimenziós modell alapján történő tervezésre készültek, utólagos tervezéssel, hatósági dokumentációval.
A fenti programok által kapott modellek lényegében megegyeznek. A szilárd modell vagy a hálómodell a szoftverterméktől függetlenül az marad, de az objektumról információt hordozó fájlformátumok különbségei miatt nem mindig nyitható meg harmadik féltől származó programon.
Vizuális-térbeli objektumok cseréje a különböző szoftverplatformok, léteznek speciális fájlformátumok, amelyekbe a fő formátumok tartalma exportálva lesz, majd megnyithatók más olyan tolmácsokban, amelyek támogatják. 3D- grafika.
Export Import 3D-modellek a következő kiterjesztésű fájlokkal készíthetők:
- ACIS *.sat
- LÉPÉS AP203/214 *.step,*.stp
- IGES *.igs,*.iges
A háromdimenziós grafika nem feltétlenül tartalmazza a síkra vetítést.....
Enciklopédiai YouTube
1 / 5
✪ A 3D grafika elmélete, 01. lecke – Bevezetés a 3D grafikába
✪ Számítógépes grafika a moziban
✪ 1. előadás | Számítógépes grafika | Vitalij Galinszkij | Lectorium
✪ 12 - Számítógépes grafika. A számítógépes grafika alapfogalmai
✪ 4. előadás | Számítógépes grafika | Vitalij Galinszkij | Lectorium
Feliratok
Alkalmazás
A háromdimenziós grafikát aktívan használják képek készítésére képernyőn vagy nyomtatott termékek lapján a tudományban és az iparban, például a tervezési munka automatizálási rendszereiben (CAD; szilárd elemek létrehozásához: épületek, gépalkatrészek, mechanizmusok). ), építészeti vizualizáció (ide tartozik az úgynevezett "virtuális régészet"), in modern rendszerek orvosi képalkotás.
A legszélesebb körben alkalmazható számos modern számítógépes játékban, valamint a filmművészet, a televízió és a nyomtatott termékek egyik elemében.
A 3D grafika általában egy virtuális, képzeletbeli háromdimenziós térrel foglalkozik, amely egy kijelző vagy papírlap sík, kétdimenziós felületén jelenik meg. Jelenleg számos módszer létezik a háromdimenziós információ háromdimenziós formában történő megjelenítésére, bár ezek többsége meglehetősen feltételesen reprezentálja a háromdimenziós jellemzőket, mivel sztereó képpel működnek. Erről a területről sztereó szemüvegek, virtuális sisakok, háromdimenziós kép bemutatására alkalmas 3D kijelzők figyelhetők meg. Számos gyártó mutatott be tömeggyártásra kész 3D-s kijelzőket. A 3D-s kijelzők azonban továbbra sem teszik lehetővé teljes értékű fizikai, kézzelfogható másolat létrehozását. matematikai modell 3D grafikával készült. Az 1990-es évek óta fejlődő gyors prototípus-készítési technológiák pótolják ezt a hiányt. Meg kell jegyezni, hogy a gyors prototípuskészítési technológiák egy objektum matematikai modelljének szilárd test (voxel modell) formájában történő ábrázolását használják.
Teremtés
Ahhoz, hogy egy síkon háromdimenziós képet kapjunk, a következő lépések szükségesek:
- modellezés- háromdimenziós matematikai modell készítése a jelenetről és a benne lévő tárgyakról;
- textúra- raszteres vagy procedurális textúrák hozzárendelése a modellek felületeihez (ez magában foglalja az anyagok tulajdonságainak beállítását is - átlátszóság, tükröződés, érdesség stb.);
- világítás- telepítés és konfiguráció;
- élénkség(egyes esetekben) - mozgás adása tárgyaknak;
- dinamikus szimuláció(egyes esetekben) - a részecskék, kemény / puha testek stb. kölcsönhatásának automatikus kiszámítása a szimulált gravitációs erőkkel, széllel, felhajtóerővel stb., valamint egymással;
- renderelés(vizualizáció) - a kiválasztott fizikai modellnek megfelelő vetület készítése;
- összeállítás(elrendezés) - a kép véglegesítése;
- a kapott kép kiadása egy kimeneti eszközre - egy kijelzőre vagy egy speciális nyomtatóra.
Modellezés
A legnépszerűbb tisztán modellező csomagok a következők:
- Robert McNeel & assoc. Orrszarvú 3D ;
Egy személy vagy lény háromdimenziós modelljének létrehozásához a Sculpture prototípusként használható (a legtöbb esetben).
Textúra
felvázolni
Háromdimenziós grafika megjelenítése játékokban és alkalmazásokban
Számos szoftverkönyvtár létezik a 3D grafikák alkalmazási programokban történő megjelenítésére – DirectX, OpenGL stb.
Számos megközelítés létezik a 3D-s grafika játékokban való bemutatására - teljes 3D, pszeudo-3D.
Az ilyen csomagok még csak nem is mindig teszik lehetővé a felhasználó számára a 3D modell közvetlen kezelését, például létezik olyan OpenSCAD csomag, amelyben a modell egy speciális nyelven írt, felhasználó által generált szkript végrehajtásával jön létre.
3D kijelzők
Háromdimenziós vagy sztereoszkópikus kijelzők, (3D-s kijelzők, 3D-képernyők) - sztereoszkópikus vagy bármilyen más effektuson keresztüli megjelenítések, amelyek a megjelenített képek valódi térfogatának illúzióját keltik.
Jelenleg a 3D-s képek túlnyomó többsége a legkönnyebben megvalósítható sztereoszkópikus effektussal jelenik meg, bár önmagában a sztereoszkópia használata nem nevezhető elegendőnek a háromdimenziós érzékeléshez. Az emberi szem párban és egyedül is egyformán jól megkülönbözteti a háromdimenziós tárgyakat a lapos képektől [ ] .
3D grafika
3D modellezési módszerek.
· A spline modellezés matematikailag sima vonalakkal - spline-ekkel történő modellezés.
· A sokszögmodellezés a sokszögek sarkainak, csúcsainak elrendezése háromdimenziós térben.
A síkon lévő háromdimenziós kép abban különbözik a kétdimenzióstól, hogy egy háromdimenziós jelenetmodell geometriai vetítését egy síkra (például számítógép képernyőjére) speciális programok segítségével építik fel. Ebben az esetben a modell vagy megfelelhet a való világból származó objektumoknak (autók, épületek, hurrikán, aszteroida), vagy teljesen absztrakt (egy négydimenziós fraktál vetülete).
Ahhoz, hogy egy síkon háromdimenziós képet kapjunk, a következő lépések szükségesek:
· modellezés - háromdimenziós matematikai modell létrehozása a jelenetről és a benne lévő tárgyakról.
· Renderelés (vizualizáció) - vetítés készítése a kiválasztott fizikai modellnek megfelelően. (Renderelő rendszerek: V-Ray, FinalRender, Brazil R/S, BusyRay).
A 3D grafika előnyei és hátrányai.
Hibák:
Nagy mennyiségű fájl
Szoftverfüggőség
A különféle 3D szerkesztők magas költsége
Előnyök:
Realizmus
· 3D objektumok használatának képessége alkalmazások (játékok stb.) létrehozásához
· Tárgyátalakítások szabadsága
Hol használják
Játékok, filmek stb. készítésekor használatos.
Szoftver
3D Studio Max, MAYA, turmixgép, Solid Age, iránytű.
3D grafika- számítógépes grafikai rész, háromdimenziós objektumok ábrázolására tervezett technikák és eszközök (szoftver és hardver egyaránt) összessége.
A síkon lévő háromdimenziós kép abban különbözik a kétdimenzióstól, hogy magában foglalja egy háromdimenziós modell geometriai vetületének felépítését jelenetek síkra (például számítógép képernyőjére) speciális programok segítségével (a 3D-s kijelzők és a 3D-nyomtatók létrehozásával és megvalósításával azonban a háromdimenziós grafika nem feltétlenül tartalmazza a síkra vetítést). Ebben az esetben a modell megfelelhet a való világból származó objektumoknak (autók, épületek, hurrikán, aszteroida), vagy teljesen absztrakt (egy négydimenziós fraktál vetülete)
3D modellezési módszerek.
A 3D modellek CAD rendszerekben (vagy CAD/CAM rendszerekben) készülnek a bennük elérhető geometriai modellező eszközökkel. A modellt a rendszer valamilyen matematikai leírásként tárolja és térbeli objektumként jeleníti meg a képernyőn.
Egy termék térbeli geometriai modelljének felépítése a számítógépes tervezés központi feladata. Ezt a modellt használják a rajz- és tervdokumentáció generálásának, a technológiai berendezések tervezésének, a CNC gépek vezérlőprogramjainak fejlesztésének problémáinak további megoldására. Ezenkívül ez a modell átkerül a mérnöki elemző rendszerekbe (SAE rendszerek), és ott használják a mérnöki számításokhoz. Számítógépes modell szerint a gyors prototípuskészítés módszereivel és eszközeivel a termék fizikai mintája nyerhető. Ezzel a CAD rendszerrel 3D-s modell nem csak megépíthető, hanem adott esetben egy másik CAD-rendszerből is fogadható az egyeztetett interfészek valamelyikén, vagy egy fizikai prototípus termék koordinátán történő mérésének eredményei alapján alakítható ki. mérőgép.
A modellek bemutatásának módjai.
Létezik felületi (keret-felület) és tömör modellezés. A felületmodellezés során először egy keretet építenek - egy térbeli struktúrát, amely vonalszakaszokból, körívekből és spline-ekből áll. A keret segéd szerepet tölt be, és a keret elemeire „feszített” felületek későbbi felépítésének alapjául szolgál.
Az építési módtól függően a következő típusú felületeket különböztetjük meg: vonalas; forgás; kinematikai; filé ragozás; hosszanti és keresztirányú metszeteken áthaladva; három vagy több szomszédos felület közötti "ablakszorító" felületek; A hossz- és keresztmetszet ellenőrzési pontjainak megadásával meghatározott NURBS felületek; sík felületek.
Bár a felületek határozzák meg a test határait, maga a „test” fogalma nem létezik a felületmodellezési módban, még akkor sem, ha a felületek egy zárt térfogatot korlátoznak. Ez a legfontosabb különbség a felületmodellezés és a szilárdtestmodellezés között.
További jellemző, hogy a drótváz-felület modell elemei semmilyen módon nem kapcsolódnak egymáshoz. Az egyik elem megváltoztatása nem változtatja meg automatikusan a többi elemet. Ez nagyobb szabadságot ad a modellezésben, ugyanakkor sokkal nehezebbé teszi a modellel való munkát.
A háromdimenziós grafika előnyei és hátrányai
A 3D grafika segít abban az esetben, ha egy képzeletbeli jelenetet szeretne beágyazni a való világ képébe. Ez a helyzet jellemző az építészeti tervezési problémákra. Ebben az esetben a 3D-grafika szükségtelenné teszi az elrendezés létrehozását, és rugalmas lehetőségeket biztosít a jelenet képének szintetizálására bármilyen időjárási körülményhez és bármilyen látószögből.
Elképzelhető egy másik helyzet is: nem egy képzeletbeli tárgy van beágyazva a valós háttérbe, hanem éppen ellenkezőleg, egy valós tárgy képe van beágyazva egy háromdimenziós jelenetbe annak szerves részeként. A 3D-s grafika ilyen felhasználási módját használják például virtuális kiállítótermek vagy galériák létrehozására, amelyek falára valós festmények képeit akasztják.
Számítógépes játékok - a 3D grafika egyik legkiterjedtebb és legbeváltabb alkalmazási területe. Ahogy fejlődsz szoftver eszközök A háromdimenziós grafika szimulációja, a termelékenység növekedése és a számítógépek memória erőforrásainak növelése a virtuális háromdimenziós világok egyre összetettebbé és a valósághoz hasonlóvá válnak.
A háromdimenziós grafika ott is segítséget nyújt, ahol a valódi fotózás lehetetlen, nehéz vagy jelentős anyagköltséget igényel, és lehetővé teszi a mindennapi életben nem előforduló események képeinek szintetizálását is. A 3D Studio MAX 3.0 program olyan eszközökkel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik fizikai erők, például gravitáció, súrlódás vagy tehetetlenség háromdimenziós tárgyakra gyakorolt hatásának szimulálását, valamint az objektumok ütközésének eredményeinek reprodukálását.
A fő érvek a 3D-s grafika mellett a számítógépes animáció készítésénél merülnek fel. A 3D Studio MAX 3.0 lehetővé teszi, hogy jelentősen leegyszerűsítse az animált videoklipekkel kapcsolatos munkát a 3D jelenetek animálására szolgáló módszerek használatával. Fentebb a háromdimenziós grafika sajátosságait vizsgáltuk, ami a hagyományos kétdimenziós grafikával szembeni előnyeinek tudható be. De mint tudod, nincsenek előnyök hátrányok nélkül. . A háromdimenziós grafika hátrányai, amelyeket figyelembe kell venni a jövőbeni grafikai projektek fejlesztéséhez szükséges eszközök kiválasztásakor, feltételesen figyelembe vehetők:
Fokozott követelmények a számítógépes hardverrel szemben, különös tekintettel a RAM mennyiségére, a rendelkezésre állásra szabad hely a merevlemezen és a processzor sebességén;
Sok előkészítő munka szükséges, de a jelenetben lévő összes objektumról, amely a kamera látómezejébe kerülhet, modelleket kell készíteni, és anyagokat hozzárendelni hozzájuk. Ez a munka azonban rendszerint megtérül az eredménnyel;
Kevesebb, mint kétdimenziós grafika használatakor, szabadság a képalkotásban. Ez azt jelenti, hogy ha ceruzával képet rajzol papírra, vagy kétdimenziós grafikát használ számítógép képernyőjén, lehetőség van a tárgyak tetszőleges arányának teljesen szabad eltorzítására, a perspektíva szabályainak megszegésére stb., ha a megvalósításhoz szükséges. művészi szándékú. A 3D Studio MAX 3.0-ban ez is lehetséges, de további erőfeszítést igényel;
Az objektumok egymáshoz viszonyított helyzetének szabályozása a jelenetben, különösen animáció végrehajtása során. Tekintettel arra, hogy a háromdimenziós grafika tárgyai "testtelenek", könnyű beismerni az egyik tárgy hibás behatolását a másikba, vagy az objektumok közötti szükséges érintkezés hibás hiányát.
A háromdimenziós grafika széles körben alkalmazható olyan területeken, mint a tudományos számítások, a mérnöki tervezés, a fizikai objektumok számítógépes modellezése.
A rajzon egy lapos alak képe nem túl nehéz, hiszen egy kétdimenziós geometriai modell az ábrázolt alak hasonlósága, amely szintén kétdimenziós.
A háromdimenziós geometriai objektumok a rajzon különböző síkra vetítések halmazaként vannak ábrázolva, ami csak hozzávetőleges feltételes képet ad ezekről az objektumokról, mint térbeli alakokról. Ha a rajzon tükröződni kell, akkor szükség van bármilyen részletre, tárgyrészletre, további metszetekre, vágásokra stb.. Tekintettel arra, hogy a tervezés általában térbeli objektumokkal foglalkozik, ezek ábrázolása a rajzon nem mindig egyszerű feladat.
Egy objektum számítógépes megkonstruálásakor a közelmúltban háromdimenziós geometriai ábrázolások - modellek - létrehozásán alapuló megközelítést dolgoztak ki.
A geometriai modellezés alatt olyan geometriai objektumok modelljeinek létrehozását értjük, amelyek az objektum geometriájára vonatkozó információkat tartalmaznak. Egy geometriai objektum modelljén olyan információhalmaz értendő, amely egyedileg meghatározza annak alakját. Például egy pont ábrázolható két (2D modell) vagy három (3D modell) koordinátával; egy kör - a középpont és a sugár koordinátáival stb. A számítógép memóriájában tárolt háromdimenziós geometriai modell meglehetősen átfogó (ha szükséges) képet ad a modellezett objektumról. Az ilyen modellt virtuálisnak vagy digitálisnak nevezik.
A háromdimenziós modellezésben a rajz segéd szerepet tölt be, elkészítésének módszerei számítógépes grafikai módszereken, térmodell megjelenítési módszereken alapulnak. Ezzel a megközelítéssel egy objektum geometriai modellje nem csak létrehozásra használható grafikus kép, hanem egyes jellemzőinek kiszámításához is, például tömeg, térfogat, tehetetlenségi nyomaték stb., valamint szilárdsági, hőtechnikai és egyéb számításokhoz.
A 3D modellezési technológia a következő:
egy objektum virtuális keretének ("csontvázának") tervezése és létrehozása, amely a leginkább megfelel a valós formájának;
a valóságoshoz hasonló virtuális anyagok tervezése és létrehozása a vizualizáció fizikai tulajdonságait tekintve;
anyagok hozzárendelése egy tárgy felületének különböző részeihez (textúra kivetítése egy tárgyra);
beállítás fizikai paraméterek az a tér, amelyben az objektum működni fog - állítsa be a megvilágítást, a gravitációt, a légkör tulajdonságait, az egymással kölcsönhatásban lévő tárgyak és felületek tulajdonságait, beállítja a tárgyak mozgásának pályáját;
a kapott képkockák sorozatának kiszámítása;
· Felületi hatások átfedése a végső animációs klipre.
Modell. A háromdimenziós objektumok monitor képernyőn való megjelenítéséhez folyamatok sorozatára van szükség (ezt általában csővezetéknek nevezik), majd az eredményt kétdimenziós nézetbe kell fordítani. Kezdetben egy objektumot pontok vagy koordináták halmazaként ábrázolunk a háromdimenziós térben. A 3D koordinátarendszert három tengely határozza meg: vízszintes, függőleges és mélység, amelyeket általában X, Y és Z tengelyeknek neveznek, amelyekből az objektum áll a térben. Az objektum csúcsait vonalakkal összekötve drótváz modellt kapunk, amit azért hívnak, mert egy háromdimenziós test felületeinek csak a szélei látszanak. A drótváz meghatározza az objektum felületét alkotó területeket, amelyek színekkel, textúrákkal megtölthetők és fénysugarakkal megvilágíthatók.
Változatos 3D grafika. A következő típusú 3D-s grafika létezik: sokszögű, analitikus, fraktál, spline.
A poligon grafika a leggyakoribb. Ez elsősorban a feldolgozás nagy sebességének köszönhető. Bármely sokszög grafikus objektumot sokszögek halmaza határoz meg. A sokszög egy lapos sokszög. A legegyszerűbb lehetőség a háromszög alakú sokszögek, mivel, mint tudod, a tér bármely három pontján át lehet húzni egy síkot. Minden sokszöget egy pontkészlet határoz meg. Egy pontot három koordináta határoz meg – X, Y, Z. Így egy 3-dimenziós objektumot megadhat tömbként vagy szerkezetként.
Az analitikus grafika abban rejlik, hogy az objektumok analitikusan vannak megadva, azaz képletek. Például: egy r sugarú golyót, amelynek középpontja az (x 0, y 0, z 0) pontban van, az (x-x 0) 2 + (y-y 0) 2 + (z-z 0) 2 = r 2 képlettel írjuk le. Kombinálás különféle képletek egymással összetett alakú tárgyakat kaphat. De az egész nehézség abban rejlik, hogy megtaláljuk a kívánt tárgy képletét.
Az analitikus objektumok létrehozásának másik módja a forradalom szilárdtesteinek létrehozása. Tehát valamilyen tengely körül kört forgatva kaphatunk egy tóruszt, és ezzel egyidejűleg egy erősen megnyúlt ellipszist a saját és a külső tengelye körül forgatva egy meglehetősen szép hullámos tóruszt.
A fraktálgrafika a fraktál fogalmán – az önhasonlóságon – alapul. Egy tárgyat önhasonlónak nevezünk, ha a tárgy kinagyított részei magára a tárgyra és egymásra hasonlítanak. A terep az „önhasonló” osztályba tartozik. Tehát egy törött kő szaggatott széle hegyláncnak tűnik a láthatáron. A fraktálgrafika, akárcsak a vektorgrafika, matematikai számításokon alapul. Alapelem A fraktálgrafika egy matematikai képlet, így nem tárolódnak objektumok a számítógép memóriájában, és a képet kizárólag egyenletek építik fel.
Ily módon mind a legegyszerűbb szabályos szerkezetek, mind a természeti tájakat és térbeli objektumokat imitáló összetett illusztrációk épülnek fel. A fraktál algoritmusok hihetetlen 3D képeket készíthetnek.
A spline grafika a spline fogalmán alapul. A "spline" kifejezés az angol spline szóból. Ez a neve egy rugalmas acélszalagnak, melynek segítségével a rajzolók sima görbéket rajzolnak adott pontokon keresztül. A régi időkben a különböző karosszériák (hajótest, autótest) sima kontúrjának hasonló módszere elterjedt a gépészet gyakorlatában. Ennek eredményeként a karosszéria formáját egy nagyon precízen elkészített metszet-terek segítségével határozták meg. A számítógépek megjelenése lehetővé tette, hogy erről a plázasablonos módszerről egy többre térjünk át hatékony mód az áramvonalas test felületének beállítása. A felületek leírásának ez a megközelítése viszonylag egyszerű képletek alkalmazásán alapul, amelyek lehetővé teszik a termék megjelenésének megfelelő pontosságú reprodukálását.
Spline-s modellezéskor leggyakrabban a bikubikus racionális B-spline-ok nem egységes hálón (NURBS) módszerét alkalmazzák. A felület megjelenését a térben elhelyezkedő referenciapontok rácsja határozza meg. Minden ponthoz hozzárendelünk egy együtthatót, melynek értéke meghatározza, hogy milyen mértékben befolyásolja a felületnek a pont közelében elhaladó részét. A felület alakja és „simasága” a pontok kölcsönös elrendezésétől és az együtthatók nagyságától függ.
A tárgy deformációját mozgó vezérlőpontok biztosítják. Egy másik módszer az úgynevezett warp mesh. A tárgy vagy része körül egy háromdimenziós hálót helyeznek el, amelynek bármely pontjának elmozdulása mind magának a hálónak, mind a körülvett tárgynak rugalmas deformációját okozza.
A tárgy "csontvázának" kialakítása után a felületét anyagokkal kell lefedni. Az ingatlanok sokfélesége számítógépes szimuláció a felület megjelenítésére redukálódik, vagyis a felület átlátszósági együtthatójának és a fénysugarak törésszögének kiszámítására az anyag és a környező tér határán. Az anyagok felületének megalkotásához öt alapvető fizikai modellt használnak:
Bouknight - diffúz visszaverődésű felület, tükröződés nélkül (például matt műanyag);
· Phong - strukturált mikrofelületekkel rendelkező felület (például fém);
· Blinn – speciális mikroérdesség-eloszlású felület, figyelembe véve a kölcsönös átfedéseket (például fényesség);
· Whitted - olyan modell, amely lehetővé teszi a fény polarizációjának figyelembevételét;
Hall - olyan modell, amely lehetővé teszi a fény visszaverődési irányának és fénytörési paramétereinek beállítását.
A felületek árnyékolása Gouraud (gouraud) vagy Phong (Phong) módszerekkel történik. Az első esetben a primitív színét a csúcsaiban számítjuk ki, majd lineárisan interpoláljuk a felületen. A második esetben megszerkesztjük az objektum egészének normálisát, annak vektorát interpoláljuk az alkotó primitívek felületére, és minden pontra kiszámítjuk a megvilágítást.
A felületről egy adott ponton a megfigyelő felé szökő fény az összetevők összege, szorozva a felület anyagához és színéhez kapcsolódó tényezővel az adott ponton. Ezek az összetevők a következők:
A fény, amiből jött hátoldal felületek, azaz megtört fény (Refracted);
· A felületen egyenletesen szórt fény (diffúz);
Reflected light (Reflected);
Glare, azaz visszavert fényforrások (Specular);
· Saját felületi ragyogás (önvilágítás).
A felület tulajdonságait a generált textúrák (két- vagy háromdimenziós) tömbök írják le. Így a tömb az anyag átlátszóságának mértékére vonatkozó adatokat tartalmaz; törésmutató; alkatrész-elmozdulási együtthatók (fent felsorolva); szín minden ponton, kiemelés színe, szélessége és élessége; szórt (háttér) világítás színe; vektorok helyi eltérései a normáltól (azaz a felületi érdesség figyelembe vétele).
A következő lépés a textúrák („projekt”) alkalmazása az objektumkeret bizonyos részein. Ebben az esetben figyelembe kell venni kölcsönös befolyásukat a primitívek határaira. Egy tárgyhoz anyagok tervezése nehezen formalizálható feladat, művészi folyamathoz hasonlít, és legalább minimális alkotói képességeket igényel az előadótól.
Annak a térnek a paraméterei közül, amelyben a létrehozott objektum működik, a vizualizáció szempontjából a legfontosabb a fényforrás meghatározása. A 3D grafikában a fizikai források virtuális megfelelőit szokás használni:
· Oldott fény (Ambitnt Light), amely az egyenletes világos háttér analógja. Nincsenek geometriai paraméterei, és csak a szín és az intenzitás jellemzi.
· A távoli, nem pontszerű forrást távoli fénynek (Distant Light) nevezzük. Speciális paraméterek (koordináták) vannak hozzárendelve. A természet analógja a Nap.
· A pontszerű fényforrás minden irányba egyenletesen bocsát ki fényt, és koordinátái is vannak. A technológia analógja az elektromos izzó.
· Közvetlen fényforrás (Direct Light Source) a helyszín mellett a fényáram irányával, a teljes fénykúp nyílásának szögeivel és legfényesebb pontjával jellemzi. A technológia analógja a keresőlámpa.
A valósághű képek kiszámításának folyamatát renderelésnek (vizualizációnak) nevezik. A legtöbb modern renderelő program a hátsó sugárkövetési módszeren alapul. A lényege a következő:
· A jelenet megfigyelési pontjáról egy virtuális nyaláb kerül a térbe, melynek pályája mentén a képnek a megfigyelési pontba kell érkeznie.
· A bejövő sugár paramétereinek meghatározásához a jelenetben lévő összes objektumot ellenőrzik a megfigyelési útvonallal való metszéspontra. Ha nem történik elnyomás, akkor azt tekintjük, hogy a sugár a jelenet hátterébe ütközött, és a bejövő információt a háttér paraméterei határozzák meg. Ha a pálya egy tárggyal metszi, akkor az érintkezési pontban a megfigyelési ponthoz jutó fényt az anyag paraméterei szerint számítják ki.
Miután az objektum felépítése és megjelenítése befejeződött, elkezdik „animálni”, azaz beállítani a mozgási paramétereket. A számítógépes animáció kulcskockákon alapul. Az első keretben az objektum a következőre van állítva kezdő pozíció. Egy bizonyos idő elteltével (például a nyolcadik képkockában) az objektum új pozíciója kerül beállításra, és így tovább a végső pozícióig. A köztes pozíciókat a program egy speciális algoritmus szerint számítja ki. Ebben az esetben nem csak lineáris közelítés történik, hanem az objektum referenciapontjainak helyzetének zökkenőmentes megváltoztatása a megadott feltételeknek megfelelően. Ezeket a feltételeket az objektumok hierarchiája (azaz egymással való kölcsönhatásuk törvényei), a megengedett mozgássíkok, a forgás határszögei, valamint a gyorsulások és sebességek nagysága határozza meg.
Ezt a megközelítést a mozgás inverz kinematikájának módszerének nevezik. Jól használható mechanikus eszközök modellezéséhez. Élő tárgyak utánzása esetén úgynevezett csontváz modelleket alkalmaznak. Vagyis létrejön egy bizonyos keret, amely a modellezett objektumra jellemző pontokon mozgatható. A pontmozgások kiszámítása az előző módszerrel történik.
A háromdimenziós geometriai modellezés módszerét sokaknál alkalmazzák szoftver termékek, köztük olyan népszerűek, mint az AutoCAD és az ArchiCAD.
Betöltés...