Рефераты и сочинения для учащихся

Содержание:

1. Введение
2. Краткая история развития 3D-технологий
3. Технология 3D-принтера
4. Трехмерная графика или 3D
5. Моделирование
6. Рендеринг
7. Возможности и области применения 3D-технологий
8. Перспективы развития 3D-технологий
9. Программные ресурсы
10. Заключение
11. Список литературы

Если вы хотите научиться сами правильно выполнять и писать рефераты по любым предметам, то на странице “что такое реферат и как его сделать” я подробно написала.

Введение

В нашей жизни есть много вещей, на которые изменения не влияют часто. Но это явно не включает передовые технологии. Постоянно обновляясь, они падают на жизнь человека, заставляя все больше и больше удивляться и восхищаться.  

Современный мир невозможно представить без информационных технологий. Они все глубже и глубже проникают в нашу жизнь, захватывая все больше и больше наук – информатики и информационных технологий, математики, физики. Совершенствуются широко используемые информационные технологии – в образовании, бизнесе, развлечениях.  

Информационному обществу нужны новейшие разработки, альтернатива прошлому веку. На помощь приходят 3D-технологии. Все чаще их можно встретить в печати, телевизорах, принтерах.  

Сфера развлечений не обходится без новинок 3D – большинство премьер фильмов показывают в формате 3D.

Тема моего очерка «Перспективы развития 3D-технологий» выбрана не случайно. Они занимают все большее место не только в производственной, но и в повседневной жизни человека. Использование таких технологий упрощает многие жизненные процессы.  

Краткая история развития 3D-технологий

1984: Американец Чарльз Халл разрабатывает технологию “стереолитографии” (SLA) для печати трехмерных объектов по цифровым моделям из фотополимеризуемых композитных материалов (FPC).

1985 – Михайло Фейген предложил формировать послойные 3D модели из листового материала: пленки, полиэстера, композитов, пластика, бумаги и др., Скрепляя слои между собой нагретым валиком. Эта технология получила название «Производство ламинированных объектов» (LOM). 

В основном листы приклеиваются друг к другу, и лазер вырезает контур.

1986 – Получен патент на технологию “стереолитографии” (SLA), разработанную в 1984 году.

В том же году Чарльз Халл основал 3D Systems и разработал первое коммерческое устройство для 3D-печати. Называлось это просто – «установка для стереолитографии». 

1986 – Доктор Карл Декарт и Джо Биман из Техасского университета в Остине разработали и запатентовали метод селективного лазерного спекания (SLS).

1987 – Израильская компания Cubital разработала технологию уплотнения слоев (SGC).

1988 г. – компания 3D Systems разработала модель SLA-250, запущенную в серийное производство для широкого круга пользователей.

1988 – Скотт Крамп изобретает FDM (моделирование разложения плавящихся материалов). Самая распространенная технология на сегодняшний день. Используется в большинстве «домашних» 3D-принтеров.  

1989 – Скотт Крамп основал Stratasys.

1991 – Stratasys запускает первый 3D-принтер Dimension с экструдированной печатающей головкой (FDM).

1991 – Helisys продала свою первую машину для производства изделий из ламината (LOM)

1992 – Stratasys продала свою первую машину на основе FDM, «3D Modeler».

1992 – DTM продала свою первую систему селективного лазерного зажигания (SLS).

1993 – Основание Solidscape. Сейчас один из ведущих производителей. 

1995 – Термин «3D-печать» был изобретен в Массачусетском технологическом институте.

1995 – Z Corporation получила эксклюзивную лицензию от MIT на использование технологии 3DP (адгезивная порошковая печать).

1996 – Компания Stratasys представила Genisys.

1996 – Z Corporation представила Z402.

1996 – Компания 3D Systems представила Actua 2100. Это устройство для быстрого прототипирования впервые было названо 3D-принтером.

1997 г. – EOS была продана компании 3D Systems, конкуренту стереолитографии. И они стали монополистами. 

2005 – Корпорация Z выпустила Spectrum Z510. Это был первый на рынке 3D-принтер с высококачественной цветной печатью (3DP). 

2006 – Открытие проекта Reprap под Стандартной общественной лицензией GNU.

2008 – Выпущена первая версия Reprap, «принтера, который может производить сам себя». В то время он мог производить около 50% необходимых деталей. 

2008 – Компания Objet Geometries Ltd, разработала мульти-материальный принтер Connex500 (3DP). Сейчас количество материалов перевалило за 100. 

2010 – Urbee: первый автомобиль, построенный с использованием гигантских 3D-принтеров Dimension и Fortus 3D Production Systems.

2010 г. – медицинская компания Органово. Inc. объявила о создании технологии печати искусственных кровеносных сосудов. 

2010 г. – группа ученых из Fluid Interfaces Group из Массачусетского технологического института представила первый 3D-принтер для создания продуктов – «Рог изобилия». На данный момент разработка не получила значительного развития. 

2011 – Голландский производитель 3D-принтеров Ultimaker достиг скорости 3D-печати до 350 мм в секунду. Действительно неплохо, хотя точность пострадала от скорости. Теперь эта цифра уже настолько удивительна.  

2011 – Исследователи под руководством Университета Эксетера и Университета Брунеля и компании Delcam создают первый шоколадный 3D-принтер. По сути, это снова FDM, сложность была только в разработке композиции. 

Технология 3D-принтера

2011 – Первый 3D-печатный самолет создан инженерами Саутгемптонского университета. Сложность заключалась скорее в том, чтобы спроектировать модель таким образом, чтобы ее можно было распечатать. Модель прекрасно полетела.  

2011 – Венский технологический университет представил самый маленький, легкий и дешевый 3D-принтер. Работаем над аддитивной технологией фотополимеризации светочувствительной смолы весом 1,5 килограмма и стоимостью около 1200 евро. 

2012 – 3D Systems представила 3D Cube, персональный 3D-принтер для домашнего использования. FDM. 

2012 г. – В Венском технологическом университете создан трехмерный принтер, который печатает микроскопические объекты с разрешением до 100 нм со скоростью 5 мм в секунду.

Трехмерная графика или 3D

Трехмерная графика – это раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для выполнения действий над объектами в трехмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Чаще всего он используется для создания изображений в архитектурной визуализации, кино, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке. Трехмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трехмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.  

Чтобы получить 3D-изображение, нужно пройти два этапа:

1. Моделирование – создание математической модели и создание в ней объектов.
2. Рендеринг – это концепция компьютерной графики, которая означает создание модели с помощью компьютерной программы.

Моделирование

«Три кита» моделирования:

1. Создание модели. 
2. Изучите модель. 
3. Применение результатов исследования на практике, а также формулирование теоретических выводов.  

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

• Геометрия – это модель, построенная с использованием различных приемов, например дом.
• Материалы – информация о визуальных свойствах модели, таких как цвет стен, толщина фундамента.
• Источники света – настройки направления, мощности, спектра освещения.
• Виртуальные камеры – выбор точки и угла проекции.
• Силы и действия – настройки динамического искажения объектов, используемых в основном в анимации.
• Дополнительные эффекты – объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облаках, огне и т. д.

Рендеринг

Модель в процессе рендеринга – это любой объект или явление, описанное на строго определенном языке или с использованием структурных данных.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую картинку. Если вы хотите создать фильм, будет отображаться последовательность таких изображений, по одному для каждого кадра. В качестве структуры данных изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определяется как минимум тремя числами: интенсивностью красного, синего и зеленого. Таким образом, рендеринг преобразует трехмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если вы хотите создать иллюзию реальности.    

Методы рендеринга:

• Растеризация.
• Метод метания лучей.
• Глобальное освещение.
• Трассировка лучей.

У рендеринга есть собственное уравнение ниже. Все модели представляют собой своего рода приближенное решение этого уравнения.

Наиболее популярные системы рендеринга.

PhotoRealistic Render Man (PR Man) – это стандартный программный пакет для рендеринга 3D-анимации. В частности, он существует как стандарт для описания трехмерных данных для их последующей визуализации, а также как автономный рендер, выпущенный недавно под тем же именем. 

Mental Ray – это профессиональная система визуализации и визуализации изображений, разработанная компанией mental images (Германия). Интегрирован в Softimage | XSI (с 1996 года тогда Softimage называлась Sumatra), Autodesk Maya (с 2002 года), Autodesk 3ds Max (с 1999 года), Houdini, SolidWorks, есть еще и отдельная версия. Это мощный инструмент визуализации, поддерживающий рендеринг сегментов.  

V-Ray – система рендеринга (визуализации изображений), разработанная Chaos Group (Болгария). V-Ray работает как плагин для Autodesk 3ds Max, Cinema 4D, SketchUp, Rhino, TrueSpace7.5, Autodesk Maya (бета-версия с 2005 года), как отдельный модуль, Blender (через автономный модуль). 

BusyRay – это бесплатная версия средства визуализации для 3ds Max. Рендерер имеет следующие возможности: управление ресурсами памяти для рендеринга сложных сцен; отсутствие настроек – рендерер подстраивается под каждую сцену; не нужно настраивать сцены для рендеринга.   

Maxwell Render – это программный движок рендеринга, разработанный компанией Next Limit Technologies, основанной разработчиками Виктором Гонселсом и Игнасио Варгосом в 1998 году в Мадриде. Maxwell Render – первая (с точки зрения выпуска) система рендеринга, использующая так называемый. физическая парадигма. Вся система основана на математических уравнениях, описывающих поведение света. По этой причине визуализация объектов выполняется по принципу «без предположений».    

Indigo Renderer – это физически корректная система рендеринга (это означает, что все вычисления света / энергии / каустики и т. д. Происходят взаимозависимо, что отличает его от других рендереров, где все обрабатывается отдельно и определяется самим пользователем).

LuxRender – это средство визуализации, а не приложение для 3D-моделирования. Создание сцен для рендеринга, включая настройку материалов и камер, зависит от других программ. Благодаря использованию экспортеров вся соответствующая информация о сцене записывается в файл LuxRender. После открытия этого файла LuxRender будет выполнять только рендеринг сцены.   

YafRay – это бесплатная программа с открытым исходным кодом для трассировки лучей, которая использует XML для описания сцены. В феврале 2004 года модуль управления YafRay был интегрирован в программу 3D-моделирования Blender. Программа распространяется под лицензией GNU Lesser General Public License (LGPL).  

POV-Ray – это программа трассировки лучей, доступная для многих компьютерных платформ. Первоначально основан на DKBTrace Дэвида Кирка Бака и Аарона А. Коллинза. Также было влияние раннего трассировщика лучей Polyray, внесенного его автором Александром Энцманном. POV-Ray – это бесплатное программное обеспечение (Freeware) с доступным исходным кодом.    

SketchUp – это программа для моделирования относительно простых трехмерных объектов – зданий, мебели, интерьеров.

Возможности и области применения 3D-технологий

По статистике за 2012 год в мире насчитывается более 1000 различных 3D-принтеров, и их количество стремительно растет. Поскольку перечислить их очень и очень сложно, предлагаю остановиться на некоторых моделях, которые важны в самых разных областях – от военной до аэрокосмической. 

Существующие на данном этапе развития 3D-принтеры способны создавать не только вкусные блюда, но и всякие приятные мелочи. Например, выяснилось, что таким способом получить ракетные двигатели экономически выгодно. Таким проектам есть место, особенно если учесть, что у НАСА уже есть такой принтер. Но нужно учитывать, что такой 3D-принтер пока используется только для создания компонентов таких двигателей. Эксперты единодушно подтверждают, что через 4-6 лет такие принтеры будут использоваться повсеместно.    

Было успешно проведено несколько экспериментов по созданию полностью эффективного оружия.

Если в 2010-2011 годах такие образцы были достаточно показными, то новейшее «печатное» оружие становится более точным и практичным.

В Японии сейчас настоящий ажиотаж вокруг 3D-принтеров и печати – вездесущие печатные фотографии постепенно заменяются 3D-печатью. Например, в Токио, Осака, есть 3D-фотобудки, которые позволяют вместо обычного бумажного фото получить трехмерную фигурку-фотографию с превосходной точностью исполнения даже мелких деталей. 

Также набирает популярность услуга «объемный фотошоп», когда вы «облачены» в виртуальную одежду какой-то исторической эпохи или изображаете отважного рыцаря, получив при предварительном сканировании трехмерную модель своей внешности.

Этот симбиоз завоевывает все большее место в искусстве. Так, на проходившей в Лондоне выставке 3D Print Show 2012 были продемонстрированы самые невероятные экспонаты, полученные в результате 3D-печати: от необычных музыкальных инструментов до удивительных решений мебели, компьютерных гаджетов и даже человеческих органов. 

По словам британских дизайнеров, 3D-печать разрабатывается для создания офисного дизайна для самых разных исторических эпох и для точного воспроизведения обстановки из научно-фантастических фильмов, таких как «Аватар».

Голливуд переживает настоящий бум технологий 3D-моделирования. Например, в фильме «Агент 007» машина главного героя настолько совершенна, что ее просто не существует. Это еще одно детище 3D-печати и связанных с ней технологий. Традиционное производство во много раз дороже, наукоемче и медленнее, чем 3D-печать. Например, в мультфильме «Гадкий я» большая часть его была создана с помощью 3D-печати. Все гениальное – просто: создать сценарий мультфильма, спроектировать его главных героев и окружение в 3D, а затем … распечатать и снимать как обычный фильм.      

Парк существующих устройств для 3D-печати необычайно велик. Теперь даже домашний принтер может сделать модель из разных материалов, например, пластика, точность которого составит порядка 100 микрон. Другими словами, это будет полная копия оригинала, которую человек просто не сможет отличить.  

Модели для 3D-принтеров могут создавать только специалисты, и этот процесс занимает достаточно времени. Но теперь, в связи с быстрым формированием и улучшением коммуникаций, шаблоны стали доступны каждому. Еще одно преимущество в производстве с использованием 3D-принтеров – это снижение роли человеческого фактора практически до нуля. Каждый полученный продукт будет в точности повторять характеристики исходного объекта.   

В 3D-принтерах и печати не используются вредные материалы и процессы, они безопасны. Например, Z Corporation использует материалы на водной основе в качестве строительных материалов. Для увеличения прочности модели существующие пустоты заполняются жидким воском. Высокая скорость – вот что отличает это концептуальное устройство от других, ведь оно работает быстрее, чем конкуренты.   

Возможности 3D-печати безграничны. На британском авиасалоне в Фарнборо был представлен большой беспилотный самолет, большая часть которого была воспроизведена с помощью 3D-печати. Самолет Polecat – это летающий прототип, способный продемонстрировать возможности новой технологии 3D-печати. К преимуществам получения таких деталей можно отнести не только скорость, но и невысокую цену таких деталей, а это основная цель.   

Мы находимся на пороге очередной революции, до сих пор скорость передачи информации значительно превышала скорость транспортировки самого вещества. Была высказана мысль, что мы никогда не сможем преодолеть этот барьер. Однако если предположить, что в недалеком будущем любой желающий сможет скачать 3d модель любого устройства и сразу же распечатать ее, то барьер преодолен.  

Самыми важными (и почти единственными) источниками, пригодными для продажи, останутся запасы энергии и универсальное сырье для производства вещей, а также 3D-принтеры.

По данным IDC, к 2017 году поставки 3D-принтеров увеличатся в 10 раз, а годовой темп роста составит 29%. Благодаря положительной статистике многие компании и фирмы начинают осваивать 3D-технологии. В 2014 году Hewlett-Packard начнет производство промышленных и потребительских 3D-принтеров.  

Также стало известно, что с января 2014 года немецкая ассоциация Siemens будет использовать 3D-печать для производства деталей и узлов своих газовых турбин в промышленных масштабах.

Еще есть отрасль, в которой 3D-печать может полностью реализовать свой потенциал – это пищевая промышленность.

Сегодня уже есть принтеры, которые могут готовить фаст-фуд. Но наибольший потенциал имеет кондитерская промышленность. И лидерство в этой области занял ChefJet – 3D-принтер, который легко производит различные сладости. По оценкам экспертов, он поступит в продажу во второй половине 2014 года.   

Форма изделий легко задается параметрами, что позволяет изготавливать сладости даже в виде любимых киногероев, например, в виде руки-ножницы Эдварда, даже в форме розового атомного корабля. Также ChefJet Pro обязательно станет незаменимым помощником при изготовлении украшений для свадебных тортов – фигурок жениха и невесты с реалистичными лицами. 

Перспективы развития 3D-технологий

Перспективы развития 3D-печати

Согласно недавнему исследованию «Рынок 3D-печати (2013-2020)», опубликованному Markets and Markets («M&M»), в период с 2013 по 2020 год рынок 3D-печати будет расти на 23% ежегодно, а к 2020 году вырастет до 8,4 долларов США. миллиард.

На быстрый рост спроса на 3D-печать влияют такие факторы, как инновационные технологии, широкий спектр материалов, от полимеров до живых тканей, государственное финансирование, новое законодательство, поддерживающее технологическое развитие, и огромный неиспользованный рынок. Кроме того, ожидается, что в 2014 году истечет срок действия патентов на избирательное лазерное спекание (SLS), что будет способствовать дальнейшему росту рынка 3D-печати. Географический анализ рынка 3D-печати показывает, что большая часть его находится в Соединенных Штатах, за которыми следует Европа. К 2020 году ожидается, что Европа превзойдет Америку по доходам на рынке 3D-печати.   

Программные ресурсы

Программные пакеты, позволяющие создавать трехмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать изображения на основе этих моделей, очень разнообразны. В последние годы коммерческие продукты являются явными лидерами в этой области: 

3DSMax – это полнофункциональная профессиональная программная система для 3D-графики, разработанная Autodesk. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как 32-битных, так и 64-битных). Весной 2009 года была выпущена двенадцатая версия этого продукта под названием «3ds Max 2010».  

Maya – это редактор трехмерной графики. Теперь он стал стандартом для 3D-графики в кино и на телевидении. Первоначально разработан для Irix OS (платформа SGI), затем перенесен на GNU / Linux, Microsoft Windows и Mac OS. В настоящее время существует как для 32-, так и для 64-битных систем.   

NewtekLightwave – это простая в использовании система 3D-анимации с невероятной мощностью. LightWave 3D предоставляет все, от плавающих логотипов до высококачественной анимации для фильмов и телевидения. Интуитивно понятный интерфейс, мощный редактор моделей, превосходное управление анимацией, превосходное качество рендеринга.  

SoftImageXSI – это программное обеспечение для 3D-анимации, используемое при разработке игр, фильмов и телевизионного производства. SOFTIMAGE XSI имеет полный набор инструментов для 3D-моделирования, анимации и рендеринга. Основанный на новой чрезвычайно гибкой архитектуре, XSI предоставляет профессионалам в области 3D беспрецедентную мощность и гибкость для их самых невероятных творческих идей.  

Rhinoceros 3D – это коммерческое программное обеспечение для 3D-моделирования NURBS, разработанное Robert McNeel & Associates. В основном используется в промышленном дизайне, архитектуре, дизайне судов, ювелирных изделиях и автомобильном дизайне, проектировании CAD / CAM, быстром прототипировании, обратном инжиниринге, мультимедийном и графическом дизайне.  

CINEMA 4D – это универсальная комплексная программа для создания и редактирования трехмерных эффектов и объектов. Позволяет моделировать объекты с помощью метода Гуро. Поддержка анимации и качественного рендеринга.  

Zbrush – это программа для 3D-моделирования, созданная Pixologic. Отличительной особенностью данной программы является моделирование процесса «лепки» 3D-скульптуры, усиленное движком 3D-рендеринга в реальном времени, что значительно упрощает процедуру создания необходимого 3D-объекта. Каждая точка содержит информацию не только о ее координатах XY и значениях цвета, но также о ее глубине Z, ориентации и материале. Это означает, что вы можете не только «лепить» трехмерный объект, но и «раскрашивать» его, рисуя штрихами с глубиной. То есть вам не нужно рисовать тени и блики, чтобы они выглядели естественно – ZBrush сделает это автоматически.    

Blender – это пакет компьютерной 3D-графики, который включает моделирование, анимацию, рендеринг, постобработку видео и интерактивные игры. Пакет имеет небольшой размер, высокую скорость рендеринга, версии для многих операционных систем – FreeBSD, GNU / Linux, Mac OS X, SGI Irix 6.5, Sun Solaris 2.8 (SPARC), Microsoft Windows, SkyOS, MorphOS и Pocket PC. В пакете есть такие возможности, как динамика твердых тел, жидкостей и мягких тел, система горячих клавиш, большое количество легкодоступных расширений, написанных на Python.  

Это бесплатное программное обеспечение для 3D-моделирования с открытым исходным кодом, доступное для всех основных операционных систем под Стандартной общественной лицензией GNU. Программа была разработана по заказу голландской анимационной студии NaN. 

K-3D – это программное обеспечение, система 3D моделирования и компьютерной анимации. По мнению журнала «Компьютер» система может рассматриваться как хорошая альтернатива профессиональным пакетам. 

Он поставляется в комплекте с процедурным движком на основе плагинов, что делает K-3D очень универсальным и мощным пакетом. K-3D ориентирован на моделирование полигонов и включает базовые инструменты для работы с кривыми и анимацией. 

Wings 3D – это бесплатная программа для 3D-моделирования с открытым исходным кодом, созданная под влиянием программного обеспечения Nendo и Mirai от Izware. Программа была названа в честь технологии обработки полигонов, использованной в программе. Большинство пользователей называют это просто Wings. Wings 3D доступен для многих платформ, включая Windows, Linux и Mac OS X. Программа использует среду и язык программирования Erlang. В программе нет поддержки анимации крыльев.    

Заключение

В настоящее время технология 3D-печати больше не воспринимается как узконаправленная и дорогая услуга. Доступность и использование различных материалов позволяет проводить самые неожиданные эксперименты. Например, голландская архитектурная студия Universe Architecture собирается построить первое в мире здание, секции которого печатаются на гигантском 3D-принтере. Это далеко не единственный, хотя и впечатляющий пример необычного использования 3D-печати.   

Запроектированный ландшафтный дом будет состоять из блоков 6х9 м. Для их производства планируется использовать гигантский D-образный принтер. В качестве строительного материала используется смесь песка и ряда полимерных добавок. 

Общий дизайн дома основан на одностороннем листе – ленте Мебиуса. Помимо архитекторов и дизайнеров, в команду входят инженеры и математики. На реализацию проекта отведено всего полтора года.  

В последние годы 3D-печать используется не только и не столько для моделирования.

С помощью 3D-принтеров они решают все более сложные инженерные задачи на Земле и за ее пределами. Из них делают протезы, детали для штурмовых винтовок и миниатюрных самолетов. 

Директор лаборатории синтеза Корнельского университета Ход Липсон продолжает работать над 3D-принтером, способным печатать ткани и органы человека. Неожиданно органично соединились высокие технологии и высокая мода. В начале 2011 года студенты двух шведских художественных колледжей стали известны благодаря созданию Melonia, первой модной обуви, напечатанной на 3D-принтере. При их изготовлении не только точно измеряются размеры, снятые со скана стопы, но и учитываются все ее индивидуальные характеристики.   

Усилия по улучшению всеядности принтеров позволяют использовать их уже сейчас для создания достаточно прочных изделий из разнородных материалов с требуемым набором свойств. В будущем количество компонентов, которые можно использовать в качестве сырья, увеличится, как и качество создаваемых предметов. 

По мере удешевления дизайна и снижения стоимости будет происходить типичное замещение продаж функций продажами устройств. Все больше и больше людей осознают, что лучше покупать персональный принтер, чем размещать заказы в Интернете и отдавать их на аутсорсинг. 

Оптимисты предсказывают технологический рай, в котором доминирует концепция индивидуализма. Большинство изделий создается самостоятельно или по частным заказам. Рисование снова в почете, и азы дизайна есть практически у всех. Люди любят и постепенно учатся творить, что положительно влияет на их мышление и личные качества. Еще до появления доступных 3D-принтеров российский писатель-фантаст Сергей Лукьяненко описал расу геометров со схожими чертами и направлениями развития.    

Пессимисты, которых в данном случае хотели бы назвать реалистами, воспринимают доступную 3D-печать как социально опасную технологию двойного назначения. Несомненно, это заставит правительства изобретать много новых запретов, поскольку ряд людей в первую очередь намереваются применять его в не совсем законных областях. 

3D-принтеры сделают мечты реальностью, и их природа часто пугает. Однако сначала можно обойтись существующими законами, интерпретируя их в соответствии с новыми возможностями. 

Как и любая новая технология, 3D-печать упрощает реализацию творческих способностей любого человека, независимо от его склонностей. Остается надеяться, что определенные злоупотребления не приведут к жестким ограничительным мерам, как это уже произошло со многими другими нововведениями. 

Список литературы

1. Стыренко А.С. 3ds Max 2009 / 3ds Max Design 2008, Самостоятельное обучение – М .: ДМК Пресс, 2008, – 544 с. 
2. Келли Д. Анимация персонажей в 3ds Max 8 – СП .: Диалектика, 2008. – 553 с.
3. Верстак V. 3ds Max 9. Секреты мастерства – СПб: Питер, 2008, – 736 с.
4. Workbench V. 3ds Max 2008. Трюки и эффекты – СПб .: Питер, 2008, – 480 с.
5. Робертс С. Анимация трехмерных персонажей – М .: IT Press, 2007 – 264 с.
6. Маров М. Тонкости настройки и работы в 3ds max – М .: НТ Пресс, 2007 – 1072 с.
7. Чумаченко И.Н. 3ds Max 9 на 200% – М .: НТ Пресс, 2007 – 592 с. 
8. Вильямс, 3ds Max 2010. Пользовательская Библия, Диалектика, 2012 -1312 стр.

РЕФЕРАТ

на тему: «3 D графика и моделирование»

Преподаватель:           
                                               

                                                                                                              
_{(подпись)}

Студент:                      

                                                                                                             
_{(подпись)}

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………2

Что
такое трехмерная графика и моделирование?…………………………….3

История
возникновения…………………………………………………………3

Как
создается модель?…………………………………………………………..4

Какие
есть виды 3д моделирования?……………………………………………5

Где
можно применить 3д графику?……………………………………………………………7

Преимущества
и недостатки у 3д графики…………………………………….8

Заключение……………………………………………………………………….9

Список
литературы……………………………………………………………..10

ВВЕДЕНИЕ

На
сегодняшний день трехмерная графика прочно вошла в нашу жизнь, и встречается
почти во всех сферах: реклама, кинематограф, программирование и даже наука,
техника, и т. д.

Разглядывая рекламный щит с изображением
интерьера комнаты или рекламный ролик в интернете, наблюдая за кадрами остросюжетного
фильма, мы и не догадываемся, что за всем этим стоит кропотливая работа мастера
3d графики.

Цель: познакомить вас с 3D графикой и
моделированием (понятием, процессом создания и применением)

Задачи:

1.    
Выяснить
что такое трехмерная графика

2.    
Узнать
в чем её преимущество перед 2д графикой

3.    
Выяснить,
где применяется 3д графика

4.    
Оформить
интерактивный плакат по собранному матерьалу

ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Что такое трехмерная графика и моделирование?

Трёхмерная
графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений
или видео путём моделирования объектов в трёх измерениях.

3D-моделирование — процесс создания
трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать зрительный
объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать
объектам из реального мира, так и быть полностью абстрактной.

История возникновения

Появлению 3D предшествовало двухмерное
изображение, которое имело две оси координат, формирующих ширину и высоту
рисунков. И только в 90-х годах 20-го века стало известно о возможности
создания третьего измерения- объема.

Одним из гениальнейших исследователей был Айван
Сазерленд. Он, будучи всего лишь аспирантом, разработал программу, которая
являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем — Sketchpad. С
её помощью которой можно было конструировать простейшие трёхмерные изображения.
Именно он впервые создал кафедру компьютерной графики в родном университете.
Эти события открыли миру путь в 3D моделирование. Помогали аспиранту его лучшие
студенты Эд Катмулл и Джим Блинн. Катмулл, под руководством своего руководителя
Айвана Сазерленда, смоделировал первый в истории объемный объект, которым была
его собственная рука.

Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл
— впоследствии технический директор и президент Pixar Animation Studios.

В середине 1980-х появились первые
стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики — MGA, CGA, EGA. Но время
шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя,
отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по
классу устройства объединились в одно — видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-,
и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились
специальные обработчики шейдеров — микропрограмм, которые сейчас отвечают за
обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма,
отражений).

Как создается модель?

Для получения трёхмерного изображения на
плоскости требуются следующие шаги:

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

·                  
текстурирование
— назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур. Уровень
реалистичности будущей модели напрямую зависит от выбора материалов при
создании текстур.

·                  
освещение
— установка и настройка источников света;

·                  
анимация
— придание движения объектам;

·                  
динамическая
симуляция— автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и
пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг
с другом;

·                  
визуализация
или рендеринг — детализация настроек отображения
3D-модели. То есть добавление графических спецэффектов, таких, как блики,
туман, сияние и т.д. В случае видео-рендеринга, определяются точные параметры
3D-анимации персонажей, деталей, ландшафтов и т.п.;

·       
композитинг
— это объединение нескольких визуальных элементов в одно целостное изображение.
В случае 3д моделирования — это совмещение нескольких 3д моделей в одно.

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

Какие есть виды 3д
моделирования?

Параметрическое моделирование

моделирование с использованием параметров
элементов модели и соотношений между этими параметрами.

Для данного вида моделирование используют
САПР — Системы Автоматизированного Проектирования. Они приспособлены для
проектирования деталей, двигателей, автомобилей, вертолётов и ракет, зданий, и
применяются в основном в промышленности, строительстве и 3D-печати.  В
CAD-программах мы получаем не только визуальный образ, а точный
электронно-геометрический прототип изделия. Он сохраняет измеримую и рабочую
информацию, что позволяет: получать расчёты, чертежи, производить изделие на
3D-принтерах. К программам параметрического моделирования можно отнести AutoCAD,
Компас 3D и SolidWorks.

Воксельное моделирование

Создание модели с помощью вокселей. Воксель—
это 3D-кубик, из которых сложен объект в 3D-пространстве. Это аналог двухмерных
пикселей, только воксель имеет 6 квадратных граней. Воксельное моделирование
используют в науке, применяют и в разработке игр и в медицине: компьютерная
томография, УЗИ и МРТ. К программам воксельного моделирования относятся MagicaVoxel,
Qubicle и Voxel Max.

Полигональное моделирование

Полигоны — это треугольники и
четырехугольники, которые составляют сетку на поверхности объекта, выполнение
действий с вершинами и рёбрами полигонов изменяется форма модели. Понятно, что
хорошо детализированная модель потребует больших ресурсов. С помощью этого
моделирования создается виртуальная среда и персонажи в играх, анимационных
роликах и кино.

Наиболее популярные 3D-редакторы: 3Ds Max,
Maya и Blender.

Сплайновое моделирование

Вид моделирования, модели которого,
состоят из трёхмерных кривых (сплайнов), из которых строится каркас 3D-объекта.
Для его создания применяют редактируемые сплайновые примитивы, такие как линия,
окружность, дуга, многоугольник, текст и др. Сплайновые модели, как и векторные
изображения, при увеличении масштаба не теряют в качестве. Отсюда ещё один плюс
сплайнового моделирования — более высокая точность.

Отличительная особенность сплайновых
моделей — это плавность формы, возможность сгладить острые края. Поэтому
сплайновое моделирование применяют при создании биологических объектов: людей,
животных, а также органических объектов; ещё в архитектуре и машиностроении —
везде, где требуются плавные формы.

Используется в CAD-программах, 3Ds Max,
Maya, а также в программе Rhinoceros

Скульптинг

Цифровая скульптура или скульптинг — вид
моделирования, модели которого имеют объём и выполняются с помощью специального
программного обеспечения, посредством которого возможно производить различные
манипуляции над 3d-моделями.

Это тоже самое, что и полигональное
моделирование, но наличие дополнительных инструментов позволяет создавать
персонажи и сцены с высокой детализацией и фотореалистичностью. В программах
для скульптинга можно заметно улучшить внешний вид низкополигональных моделей,
созданных в сторонних 3D-редакторах.

К программам для 3D
скульпинга относятся: Zbrush, 3D Coat и Mudbox.

Где можно применить 3D
графику?

3d технологии графики и технологии 3d
печати проникли во многие сферы человеческой деятельности, и приносят
колоссальную прибыль.

Достижения современного 3д графики
используются в следующих отраслях

Наука и Техника В данной сфере
3D-визуализация используется в основном для проектирования технических изделий.
Современные технологии позволяют создать визуализацию проектируемого объекта,
максимально приближенного к реальному устройству, оценить его наглядно.
Трехмерная модель будущего механизма ускоряет и облегчает работу
инженера-конструктора, избавляя его от процесса черчения.

Кинематограф и мультипликация – создание
трехмерных персонажей и реалистичных спецэффектов.

Создание компьютерных игр – разработка
3d-персонажей, виртуальной реальности окружения, 3д-объектов для игр.

Реклама – возможности 3d графики позволяют
выгодно представить товар рынку.

Дизайн интерьеров- 3d технологии дают
возможность создать реалистичные 3д-макеты мебели, точно повторяя геометрию
объекта и создавая имитацию материала. При помощи трехмерной графики можно
создать ролик, демонстрирующий все этажи проектируемого здания, который
возможно еще даже не начал строиться.

Преимущества и недостатки
у 3д графики

1. Высокая информативность отдельных зон
экрана. Сложные геометрические построения в 3D-фомате легко читаемы и вполне
понятны.

2. Преимущества при вращении объекта.
Объект разворачивается под другим углом, так что можно увидеть его расположение
и местонахождение других объектов относительно главной фигуры.

3. Новые возможности перспективы. В
3D-формате зритель сразу улавливает реальные пропорции предметов, их
расположение в пространстве – и для этого ему требуется только раз взглянуть на
картинку. Этот закон действует даже на объекты, размещенные хаотично на разном
удалении друг от друга.

4. Новые формы диаграмм. В 3D-графике
можно добавлять новые переменные в большом количестве, не теряя при этом
информативности и читабельности самой диаграммы.

5. Влияние на физические реакции зрителя.
При правильном моделировании сцены в 3D можно создать эффект дезориентации
зрителя в пространстве: например, эффект головокружительной гонки, падения,
резкого опрокидывания и т.д. Человек примеряет на себя эту реальность и
становится как бы частью ее, воспринимая как действительность.

Несмотря на все плюсы трехмерных
изображений, они не лишены и некоторых минусов, которые нужно учитывать при
разработке графических проектов. К недостаткам 3D-графики можно отнести:

– высокие требования к аппаратной
составляющей компьютера: к его оперативной памяти, быстроте работы процессора и
т.д.,

– необходимость больших временных затрат
на создание моделей всех объектов сцены, могущих оказаться в поле зрения
камеры. Конечно, такая работа стократно окупается результатом,

– меньшая свобода в создании изображения,
чем в двухмерной графике. Создавая объект карандашом на бумаге или средствами
2D-графике на экране, можно совершенно свободно искажать пропорции объектов,
пренебрегать законами перспективы и пр. В 3D-формате это возможно только в
наиболее мощных пакетах, но даже в них это требует дополнительных усилий и
изобретательности,

– необходимость постоянно отслеживать
взаимное положение объектов в составе сцене, в частности, при создании
3D-анимации. Так как объекты 3D-графики «бестелесны», они легко проникают друг
в друга и важно контролировать отсутствие ненужного контакта между ними.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы узнали, что такое 3д моделирование и 3д графика,
как строится 3д модель, какие виды 3д моделирования существуют и какие есть
преимущества и недостатки у трёхмерной графики. Надеюсь мой реферат помог вам
узнать больше об этом виде графики. Спасибо за внимание!

Список
литературы

·       
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхмерная_графика

·       
https://foxinterfilm.ru/grafika-i-3d-modelirovanie-trehmernaya-grafika-grafika-bez-kompromisov/

·       
https://klona.ua/blog/3d-modelirovanie/sfery-primeneniya-3d-vizualizacii

·       
https://koloro.ua/3d-modelirovanie-i-vizualizaciya.html

·       
http://cpu3d.com/allgraphics/

·       
http://cpu3d.com/nedostatki-3d-grafiki/

·       
http://cpu3d.com/preimushestva-3d-grafiki-pered-2d-obektami/

·       
https://webmastersam.ru/3d-modelirovanie-vidy.html

·       
https://www.google.com/search?q=3D+%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0+%D0%B8+%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5&client=opera&hs=KbF&sxsrf=ALeKk030KpukBxbfHYiw3VVOm62OPaL6Bg:1618134263904&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=2ahUKEwi6rf7v8_XvAhU_AxAIHQEqBqAQ_AUoAXoECAEQAw&biw=1240&bih=579

·       
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiWr6b8wNzwAhWBDmMBHRBtD9UQFjAEegQIFRAD&url=http%3A%2F%2Fweb-lance.net%2Fistoriya-3d-grafiki.html&usg=AOvVaw0BaWoTrCO5jbrQVtFNZzYU

·       
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiWr6b8wNzwAhWBDmMBHRBtD9UQFjAAegQIAxAD&url=https%3A%2F%2Fwww.hse.ru%2Fnews%2Fcommunication%2F150125816.html&usg=AOvVaw2uUjZMzTcjWLtRVl26H6Fa

·       
https://klona.ua/blog/3d–modelirovanie/trehmernaya–grafika–v–sovremennom–mire

Скачано с www.znanio.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

I
ТЕОРИТЕЧСКАЯ ЧАСТЬ

I.1
Где сегодня используется 3D
моделирование

I.2
Графический интерфейс программы CINEMA 4D

I.3.
Основы 3D моделирования и
визуализации

I.4
Моделирование

I.5
Текстурирование

I.6
Освещение

1.4
Визуализация

I.8
Анимация

II
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

II.1
Создание 3D модели

II.2
Создание анимации и рендеринг

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Применение компьютерной техники в современной
жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные
машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная
техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил
различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед
человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее,
испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических
станций, а также компьютеров, способных решать не только математические задачи,
но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается
новая эра в компьютерной промышленности. Компьютерное трёхмерное моделирование,
анимация и графика в целом не уничтожают в человеке истинного творца, а
позволяют ему освободить творческую мысль от физических усилий, максимально
настроившись на плод своего творения. Конечно, пока невозможно заниматься
графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно,
в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли.

На самом деле 3D моделирование играет важную
роль в жизни современного общества. Актуальность выбранной темы
заключается в широком использовании трехмерного моделирования в сфере
маркетинга, архитектурного дизайна и кинематографии, не говоря уже о
промышленности. 3Д-моделирование позволяет создать прототип будущего
сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D
моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо
продукта или услуги.

Благодаря появлению и популяризации 3D-печати
трехмерное моделирование перешло на новый уровень и стало востребовано как никогда.
Каждый человек уже может вывести на печать нарисованный им самим или
загруженный из интернета 3D-объект, будь то дизайнерская модель или персонаж
любимого мультфильма.

Объект исследования. Изучение основных приемов трехмерного моделирования.

Предмет исследования. Создание 3D моделей в программе 4D Cinema.

Целью исследовательской работы: изучить программу, и применить на практике основные приемы создания 3D моделей в программе 4D Cinema, для дальнейшего
создания более качественной модели.

Гипотеза. Мы
предполагаем, что 3D моделирование может освоить каждый
человек.

Для достижения
поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.         Изучить
литературу по работе с программой.

2.         Изучить
интерфейс программы.

3.         Создать
модели.

4.         Нанести
на каждый объект текстуру.

5.         Создать
для сцены освещение.

6.         Создать
анимацию объектов.

7.        
Выполнить рендеринг.

I ТЕОРИТЕЧСКАЯ ЧАСТЬ

I.1 Где сегодня используется 3D
моделирование

·                    
Создание различных моделей персонажей. Обычно это используется при создании мультфильмов и
при проектировании современных компьютерных видеоигр.

·                    
3Д визуализация зданий. Этим занимаются проектные организации, которые
желают оценить для заказчика конструктивные особенности будущего объекта.

·                    
Создание 3Д моделей предметов интерьера. В большинстве случаев их выполняют дизайнерские
компании с целью демонстрации эстетических свойств представленных экспозиций.

·                    
Реклама и маркетинг. Часто требуются нестандартные объекты для
рекламирования. Важную составляющую трехмерная графика играет при демонстрации
какой-либо услуги. Это позволяет произвести более эффектное впечатление на
заинтересованных лиц.

·                    
Изготовление эксклюзивных украшений. Профессиональные художники и ювелиры используют
специальные программы, которые позволяют создать оригинальный и неповторимый
эскиз.

·                    
Производство мебели и комплектующих. Производственные мебельные компании нередко
используют разработку трехмерной модели для размещения своей продукции в
электронных каталогах.

·                    
Промышленная сфера. Современное производство невозможно представить без
моделирования продукта компании. Каждую деталь или полноценный объект проще
собирать по готовой и продуманной 3D-модели.

·                    
Медицинская сфера. Например, при проведении пластической операции или
же хирургическом вмешательстве, все чаще используют трехмерную графику для
того, чтобы наглядно продемонстрировать пациенту, как будет проходить
процедура, и каким будет результат.

I.2
Графический интерфейс программы CINEMA 4D

В новой версии программы R15 появились
новые функции, которые значительно облегчают и позволяют ускорить работу по
моделированию. После запуска программы перед нами будет предоставлен
графический интерфейс по аналогии с расположенным ниже изображением.

За маленьким и светло-голубом значком
куба скрывается командная группа (Конвертировать примитив). Она содержит все
имеющиеся в программе CINEMA 4D и поставляемые в её комплекте объекты
примитивы. Объект такого типа вы можете создать посредством простого клика
курсором мыши на одном из объектов. Простым кликом мы создали один из наиболее
часто используемых объектов примитивов – параметрический объект (Куб). Клик на
панели примитивов с нажатой кнопкой мыши и перемещении курсора позволяет вам
выбрать один из необходимых объектов такого типа. Достаточно выбрать
необходимый примитив, который вы впоследствии будете использовать как начальную
форму для своего проекта при моделировании.

В программе есть возможность изменения
или перемещения отдельных точек и поверхностей для конвертированного объекта.
Второй значок на центральной панели (слева направо – чёрный каркас с белыми
точками и расположенным внутри объектом) скрывает за собой серию объектов из
группы (Генераторы).

Основным и наиболее часто используемым
объектом в этой группе является бесспорно объект (Subdivision Surface). Если вы
располагаете полигональный объект как подобъект для объекта (Subdivision
Surface) (создать объект Subdivision Surfaceи в окне (Менеджер объектов)
перетащить курсором мыши на него полигональный объект), в этом случае его
поверхность будет подвергнута виртуальной разбивке (оптически видимой, но в
действительности не создаваемой). На основе этого объект получает плавные формы
внешней геометрии без изменения действительной разбивки.

В правом верхнем углу в окне редактора
программы находятся 4 маленьких значка, которые позволяют производить изменение
вида в окне редактора программы.

Первый значок (клик мыши; фиксация
кнопки мыши; перемещение мыши) производит перемещение вида в окне редактора.
Второй значок (обоюдная стрелка вверх / вниз) позволяет производить
масштабирование в окне редактора программы (клик мыши на значке; перемещение
мыши вправо-влево – приближение или удаление вида в окне редактора). Третий
значок (окружность из двух стрелок с точкой по центру) позволяет производить
вращение в окне редактора. Если кликнуть на маленький прямоугольник (4-ый
значок и самый крайний справа), в этом случае вид в окне редактора
автоматически переключается на 4 составных вида, что позволяет вам значительно
улучшить визуальное восприятие сцены, а также облегчает работу с ней. Сейчас
для каждого окна редактора имеется свой собственный значок прямоугольника, при
клике на котором вы можете увеличить необходимый для вас вид редактора
(необходимый вид при этом должен быть активным и предварительно выделенным).
Для создания новой сцены необходимо выполнить следующие действия: Основное меню
/ Файл /. В окне редактора будут указаны оси для созданного вами объекта.
Каждую из осей вы можете фиксировать курсором мыши и при необходимости
перемещать в соответствующем направлении. Это позволяет вам в окне редактора
программы избегать неправильное смещение объектов, так как не всегда можно
действительно определить в окне 3D направление, в котором был перемещён объект.
Аналогичная функция предоставлена на центральной панели программы и позволяет
производить необходимую блокировку осей. После блокировки оси не имеет
значение, в каком направлении вы намерены произвести перемещение объектов, так
как это является возможным только в направлении осей, которые не имеют активной
блокировки.

I.3. Основы 3D моделирования и визуализации

Мы выделили пять этапов, пройдя которые, каждый желающий
может создать готовый продукт:

1.                 
Моделирование – это способ
создания объектов, находящихся на сцене.

2.                 
Текстурирование – определение
свойств поверхностей объектов, чтобы имитировать различные свойства физических
предметов (цвет, фактура, прозрачность, яркость и т. д.).

3.                 
Освещение – добавление и
размещение источников света по аналогии с театральной студии или на съемочной
площадке.

4.                 
Анимация – создание движения
по ключевым кадрам.

5.                 
Визуализация – является
окончательным созданием изображения или анимации.

В
эти этапы входят также визуальные и звуковые эффекты. И завершающим этапом мы
можем считать редактирование и создание готового продукта.

I.4 Моделирование

Чтобы моделирование
было успешным нужно заранее рассчитать, каким образом наблюдаемые (или
воображаемые) объекты окружающего мира можно будет превратить в компьютерные
модели.

Без внимательного наблюдения и визуального изучения
окружающего мира невозможно создание верных образов. Одно дело просто смотреть
на предмет, и совсем другое — смотреть, подразумевая воссоздание его в виде
трехмерной невозможно создание верных образов. Одно дело просто смотреть на
модели.

Чтобы моделировать объекты, нужно рассматривать создаваемый
мир глазами художника, скульптора, архитектора или инженера. И при этом
исследовать объекты в терминах того, как они создавались. Нужно уметь выделять
из объектов сложной формы простые элементы, которые значительно проще
моделировать. Все это позволит создавать качественные модели и сложные объекты
в сценах виртуального мира.

Моделирование на основе примитивов. Примитивы — это
простейшие параметрические формы, такие как кубы, сферы и пирамиды. В
визуализации такие объекты, как сфера, преобразуются в многоугольники, но
получаемая поверхность выглядит намного более гладкой. Эффект сглаживания
поверхности мы получаем за счет специальных алгоритмов закраски.

При создании трехмерных объектов
несколько форм располагаются вдоль некоторого пути.

Моделирование, которое основано на использовании булевых
операций. Булевы объекты создаются с помощью добавления, вычитания и
пересечения перекрывающихся поверхностей

Поверхностное
моделирование основывается на создании произвольных поверхностей. При создании
поверхностей используют разные математические модели и, соответственно, свои
виды моделирования.

многоугольные
каркасы, редактируемые сетки — сложные модели, которые созданы из множества
разнообразных многоугольных поверхностей, сглаженных в процессе визуализации
Полигональное моделирование основано на манипулировании непосредственно
вершинами, ребрами и гранями. Плоскости, образующие многогранник, называются гранями
(Polygon). Линии пересечения граней называются ребрами (Edges). Точки
пересечения ребер называются вершинами (Vertex). Три вершины в пространстве
образуют треугольную грань (Face);

Лоскутки (Patches) строятся на основе сплайнов (гладких
кривых) и могут изменяться с помощью контрольных точек. Образующие сплайны
располагаются по краям создаваемой поверхности.

Неоднородные рациональные B-сплайны (NURBS) — технология,
предназначенная для создания плавных форм и моделей. Она основана на
специальном математическом аппарате. С помощью управляющих вершин, в отличие от
лоскутного моделирования, можно воздействовать на любую локальную область
поверхности. Технология с успехом применяется для моделирования моделей
животных и людей

В
моделировании поверхности по сплайновой сетке создается совокупность сплайнов,
своеобразный каркас, на основе которого формируется поверхность (Surface).

Кроме
базовых, существует также несколько усложненных типов, которые подходят для
создания таких специальных объектов, как, например, рельеф или морфируемые
модели.

Создаваемые
трехмерные модели, по сути, являются набором координат в пространстве. Для того
чтобы их можно было увидеть, должны быть закрашены их грани — многоугольные
плоскости, образуемые ребрами. Только после этого модель становится видимой.

I.5 Текстурирование

В
этом этапе мы придаем поверхностям моделей вид реальных материалов. Только
тогда модели будут выглядеть как можно максимально реалистично. Они приобретут
вид дерева, металла, пластика или любого материала, из которого будет сделано
ваше изделие. Поверхность превратится в зеркальную или прозрачную. Специально
для этого в любой программе трехмерного моделирования есть редакторы
материалов, где есть готовые наборы материалов, с помощью которых можно
разработать собственные материалы.

Цвет
– это один из самых простых свойств материала. Однако даже в использовании
цвета есть свои подводные камни. Цвет может быть основным, который определяет
покрытие всего объекта, обтекающим, который определяет влияние фонового
освещения, зеркальным, определяющим цветом наиболее ярких участков блестящей
поверхности объекта и т. д.

В
процессе создания материалов очень широко используют карты текстур, в
простейшем виде растровые изображения реальных объектов. Помимо этого,
используются процедурные карты – изображения, генерирующиеся программным путем.
В процессе создания материала вы можете использовать несколько карт текстур.

Точное
размещение материала на поверхности объекта достигается с помощью так
называемых координат проецирования, когда растровое изображение интерактивно
размещается на поверхности объекта.

Умение грамотно
использовать материалы может позволить нам сохранить много времени и добиться
отличных результатов. Для примера мы можем взять окно или балконную решетку,
которые можно смоделировать при помощи полигонов или других способов, либо
использовать материал, основанный на растровых изображениях.

Чтобы создать материал, необходимы следующие свойства
объекта: отражение, преломление и прозрачность. Кроме этого, вы можете задать
не только то, как поверхность реагирует на свет, но и все необходимые свойства
отраженного света и его силу. Во многом это определяется математическими
алгоритмами, реализующие эти эффекты.

При создании прозрачные объекты при помощи материалов, вы
можете управлять свойствами преломленного света.

Умелое использование материалов позволяет добиться
прекрасных результатов. Для этого необходимы навыки не только инженера, но и
художника.

I.6 Освещение

Свет – такой как мы его знаем из
реальной жизни, имеет способность распространения. Он отражается от объектов,
на поверхности которых он попадает в большей или меньшей степени, в зависимости
от свойств данной поверхности. Представьте себе простую комнату, на одной из
стен которой имеется окно. Через это окно свет падает на пол в комнате. При
этом свет не остаётся только на этом участке, а будет отражён на другие
объекты, от поверхности которых он в свою очередь будет отражён далее. Комната
при этом является достаточно освещённой на основе [диффузного] – рассеянного
освещения. Направление [Raytracing] не учитывает рассеянный свет. То есть, при
одном имеющемся в сцене источнике света, всё расположенное в тени будет
невидимым.  Возможно, вы же создавали раннее виртуальную комнату, которая имела
на одной из стен проём, используемый для источника света. В виртуальном мире
свет падающий на объект производит его освещение – и на этом всё заканчивается!
Практически не происходит последующее распространение света. Ситуация выглядит
иначе при использовании для этого процесса функции [Глобальное освещение (GI)]
в программе. В данном случае каждый объект сцены может функционировать как
источник света. То есть для создания освещения GI сцены, у нас нет
необходимости наличия в ней дополнительных источников освещения.

Наилучшее освещение должно являться почти подсознательным:
это когда оно присутствует, но не является навязчивым. Оно подчеркивает
свойства сцены, которые выполнены в результате моделирования и использования
материалов. Освещение является определяющим фактором для настроения всей сцены.
Специалисты могут изучать различные свойства освещения в архитектуре, но
определенные навыки оно могут получит только в процессе изучения художественной
фотографии и кинематографии.

1.4 Визуализация

В области трехмерного моделирования очень важной задачей
является задача получить реалистичное и правдоподобное конечное изображение.
Главным критерием фотореалистичности и правдоподобности трехмерного изображения
является точное отображение освещения, теней, отражающих и поглощающих свойств
материалов объектов.

Визуализация – это заключительный
этапом работы над моделируемой сценой. В этом этапе компьютер превращает
математическую модель сцены в форму, которая будет доступна для визуального
восприятия. Этот процесс мы называем рендерингом. В английском языке существует
слово visualization (визуализация), но оно имеет более широкое значение. Сцены,
созданные нами, могут быть визуализированы с различной степенью точности. Для
этого мы используем разные механизмы визуализации, они и позволят нам получить
различное качество, но выполняться будут, соответственно, с разной скоростью.
Также в этом этапе важную роль играет быстродействие компьютера и параметры
видеокарты.

I.7 Трассировка лучей и метод фотонных карт

Пожалуй, один из самых распространенных методов для
построения реалистических изображений является трассировка лучей. При
построении изображения луч посылается в заданном направлении, чтобы оценить
приходящую оттуда световую энергию. Эта энергия определяется освещенностью
первой поверхности, что выветрилась на пути луча.

Метод трассировки лучей позволяет получить нам неплохие
результаты и рассчитывать отражение и преломление. Несмотря на его популярность
и эффективность, мы имеем множество физических явлений, которые он реализует
плохо или не реализует вовсе. Для примера, такие эффекты, как рассеивающие
отражения (цветовой оттенок от комода из красного дерева на белом ковре) и
сфокусированный свет (блики от воды на дне бассейна).

Метод фотонных карт — это расширение
метода трассировки лучей, предлагающий решения для таких ситуаций. Расширение
метода трассировки лучей использованием фотонных карт предоставляет нам метод,
который способен эффективно симулировать все типы прямого и непрямого
освещения. Более того, метод фотонных карт помогает нам учитывать влияние
среды, в которой свет распространяется. Метод фотонных карт работает согласно
следующему алгоритму: сначала из источников света испускаются фотоны, после
этого происходит трассировка фотонов с последующим сохранением информации на
фотонной карте.

После того, как фотон испущен, происходит начало его
трассировки: отслеживание пути фотона через сцену. Если фотон сталкивается с
объектом, то может быть отражен, поглощен или “пропущен”. Что именно
случится с ним, вычисляется вероятностно, судя по параметрам материала
поверхности. Также при попадании на поверхность разных цветов результат должен
быть различным. Для примера, если частица попала на зеленую рассеивающую
поверхность, то будет отражаться только зеленая составляющая, а синяя и красная
поглотятся.

Несколько
слов о терминологии в описании материалов, которая используется для
визуализатора mental ray. Так, шейдером (shader) в mental ray мы называем
алгоритм расчета того или иного конкретного простого свойства поверхности
объекта. Сложное сочетание шейдеров, которые разносторонне описывают свойства
поверхности объекта, в mental ray называют phenomena.

I.8 Анимация

Анимация — один из самых сложных
этапов трехмерного моделирования. Для трехмерной анимации мы должны иметь
широкие знания математики и физики, актерского и балетного ремесла. Кроме
этого, нужно быть одновременно сценаристом и режиссером.

Чтобы создать плавное и логически правильное движение, нам
нужно намного больше усилий, чем те сферы, которые требуют другие элементы
трехмерного моделирования. Создание реальных характеров усложняет задачу
многократно.

Анимация — это иллюзия движения, которая создано с помощью
просмотра кадров, быстро сменяющих друг друга. В трехмерной анимации мы
используем трехмерные модели, материалы и освещение. Для создания движения,
автор определяет только ключевые кадры (key frames), а программное обеспечение
создает или интерполирует движение между ними. В заключительном этапе, при
визуализации, это трехмерное действие представляется как двумерное изображение,
последовательность которого и создает иллюзию движения.

I.9 Виртуальная студия

В моделировании мы часто используем понятие виртуальной
студии — это аналог простой трехмерной комнаты. У этой комнаты есть две стены и
потолок. Все это сделано из элементарных ячеек, на которые накладываются
изображения проекций создаваемой нами модели (виды сбоку, сверху, спереди). Эти
изображения в дальнейшем пригодятся нам для

использования в
качестве шаблонов при работе. Рисунки могут быть и нарисованные от руки, с
помощью компьютерных программ или взятые из Интернета. Если ваш рисунок
выполнен вручную, то вам следует сделать контур изображения достаточно темным
(например, черной ручкой). После этого выполняется сканирование изображения.
Так же вы можете использовать фотографии в качестве осевых проекций. Основная
задача — сохранение пропорции изображений и выполнение масштабирования, если
это необходимо.

II ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

II.1 Создание 3D модели

Перед созданием модели, необходимо было
изучить модель солнечной системы. Внимательно рассмотрев особенности композиции
солнечной системы, приступил к работе. Прежде чем начать проект, нужно
настроить рабочее пространство.

Первый этап.

Каждую планету делал в отдельном
проекте. В качестве формы планеты была выбрана идеальная сфера, создал её с
помощью примитива “Объект Сфера”. Размер планеты оставил стандартным. При
объединении всех моделей в один проект, все размеры планет будут реальными. Для
планет Сатурн, Уран создал кольца. Для этого мы выбрали примитив “Объект
Плоскость” и выбрал готовый сплайн “Сплайн Окружность”. C
помощью деформатора “Обернуть сплайн”, обернул сплайн в плоскость, тем самым
создав кольцо. Подкорректировав радиус сплайна и плоскости, добился
необходимого размера кольца.

Второй этап.

Чтобы придать планетам необходимый
окрас, нашёл в интернете текстуры, карты рельефа, карты нормалей планет в
высоком разрешении и создал новый материал. В настройках материала, в пункте
цвет выбрал заливку текстурой и выбрал необходимую текстуру для планеты.
Добавил отражение, и в пункте “Рельеф” загрузил карту рельефа, для придания
неровностей на сфере. Данный материал применил для планеты. Некоторые планеты
имеют облака и сферу, поэтому создал две копии сферы и сделал их немного больше
самой планеты. Для них так же нужны новые материалы. Настраивая материал для
облаков, в пункте цвет выбираю белый. В пункте альфа загружаю текстуру облаков,
при этом вырезается чёрный фон. Для полной реалистичности создал отражение. В
настройках материала для сферы, создал накал, в пункте прозрачность центральную
область сделал прозрачной. Материал для кольца был создан подобно материалу
облаков.

Третий этап.

Следующим шагом работы, было создание
пояса астероидов. мы выбрал примитив “Объект Сфера” и в настройках объекта
убрал галочку “Идеальная сфера”, сделано это было для того, чтобы можно было
придать астероиду форму. Форму для астероида мы сделал с помощью материала. Для
этого в настройках материала, в пункте смещение, создал текстуры выдавливания.

Для астероида так же сделал текстуру.
Чтобы сделать копии астероида, выбрал в MoGraph “Объект
Клон” и клонировал объект радиальным способом. Так же, чтобы придать
случайность размеров астероидов, применил к “Объект клон” эффектор “Эффектор
случая”.

Четвёртый этап.

Для каждой планеты сделал орбиту из
примитива “Объект Тор” и добавил сплайны, повторяющие радиус примитивов “Объект
Тор”.

Солнце сделал источником света.

После того, как все объекты готовы, объединяю проекты в
один. Настраиваю размер каждой планеты, пояса астероидов, Солнца, орбит. Каждую
планету с помощью тега “Выровнять по сплайну”, ставлю в сплайн. Редактирую
наклон планет и орбит.

II.2
Создание анимации и рендеринг

После вызова основного окна с
настройками рендера (Основное меню / Рендеринг / Настройки рендера…) для вас
будут показаны все установки. При клике курсором мыши на кнопке (Эффекты) для
вас будет показано контекстное меню, в котором при необходимости вы можете
выбрать необходимую функцию, к примеру, (Глобальное освещение (GI)). 

При активной записи, название функции в
левой части окна настроек рендера будет иметь оранжевый цвет и в правой части
окна будут показаны соответствующие настройки данной функции. Они позволяют вам
определить необходимые качества для функции глобального освещения. С этим
участком является тесно связанным канал материала (Подсветка). В нём вы можете
для каждого материала назначить его просчёт / исключение для производимого в
сцене процесса рендера. 

Дополнительные настройки и
индивидуальные качества вы можете определить для объектов (на отдельном уровне
объекта независимо от других) при использовании для этого тега (Композитинг).  

Аналогично ситуация выглядит с темой
(Каустика) (имеется в версиях программы CINEMA 4D Visualize и Studio).
Глобальные настройки для этого эффекта вы можете найти в настройках рендера.
Здесь вы можете по раздельности определить необходимые настройки для обоих
видов каустики (поверхностная и объёмная). При этом для каустики появляется
возможность изменения дополнительных настроек. Она имеется в настройках
источника света. Для просчёта каустики в сцене необходимо наличие как минимум
одного источника освещения.

На закладке (Каустики) используемого
источника света вы можете также независимо определять тип создаваемого вида
каустики – поверхностные или объёмные. Таким образом, источники света вы можете
исключать из производимого просчёта каустики автоматически. 

(Глубина резкости), (Светофильтры),
(Накал) и так далее являются так называемыми пост эффектами (и имеются в
версиях программы CINEMA 4D Visualize и Studio). Вы найдёте все эти эффекты в
настройках рендера (Основное меню / Рендеринг / Настройки рендера). При клике
курсором мыши в показанном при этом окне на кнопке (Эффекты…)  для вас будет
показано контекстное меню со всеми пост эффектами, которые имеются в программе.
При активном состоянии используемого эффекта, расположенного в левой части окна
настроек рендера, в правой части окна будут показаны соответствующие для него
настройки и параметры. Просчёт активного пост эффекта производится всегда после
полного и окончательного просчёта изображения (сцены). Такой пост эффект вы
можете себе представить, как дополнительную плоскость (или слой), который будет
расположен над просчитанным изображением.  

Если просчёт изображения закончен, в
меню (Файл) выберите команду (Сохранить как). При этом будет открыто
дополнительное окно. Выберите необходимый формат и

кликните затем на кнопке (ОК).

Естественно вы можете производить
просчёт и сохранение секвенции изображений как анимации. Для этого измените тип
в упомянутом выше диалоге с режима (Статичное изображение) на (Выделенные
кадры) и для параметра (Формат) установите режиме, к примеру, (Система клипов
AVI). Просчёт в окне менеджера изображений имеет преимущество, так как вы
можете продолжать работать с вашей сценой во время просчёта.

В настройках рендера (основное меню /
Рендеринг / Настройки рендера) мы определяем внешний вид нашего изображения при
его финальном просчёте. Высокое качество, отдельное изображение или система
клипов и так далее, все эти настройки мы можем назначить в пределах этого
окна. 

Если ваше изображение по краям имеет
видимые пиксели, это напрямую связано с параметром (Сглаживание). За этим
понятием скрывается методика, позволяющая производить сглаживание линий
геометрии. Для проведения теста в настройках рендера определите для параметра
(Сглаживание) режим (Нет) и произведите затем просчёт сцены.

Установите теперь для параметра
(Сглаживание) режим на (Максимальное). Края геометрии при этом будут показаны
более плавными без потери их внешнего вида. При необходимости быстрой оценки
сцены, является вполне достаточным установить для параметра (Сглаживание) режим
на (Нет) или (Геометрия). Режим (Нет) производит просчёт рёбер без эффекта
сглаживания и с максимальной скоростью. 

Режим (Геометрия) для большинства
случаев приводит к достаточному сглаживанию рёбер и является хорошим
компромиссом между качеством изображения и временем, необходимым для его
просчёта. Для окончательного просчёта вы всегда можете определять режим на
(Максимальное). На основе расположенного ниже параметра (Фильтр) вы можете
выбирать различные типы для процесса сглаживания. 

Естественно все установки, которые вы
определяете в настройках рендера, являются, прежде всего зависимыми от
создаваемой сцены и её предназначения. Поэтому мы намерены предложить для вас
пару дополнительных советов. Если вы намерены просчитать только одно
изображение, которое вы впоследствии намерены распечатать на бумаге (DIN A4) с
разрешением печатного изображения = (300 dpi), в этом случае вам необходимо,
как минимум установить размер для просчитываемого изображения на 2400х3600
пикселей. 

Если вы намерены произвести распечатку
с размером 9х13 см, в этом случае размер 1000х1444 является достаточным.
Незначительно по-другому ситуация выглядит для анимации. Основное значение
здесь имеет параметр (Частота кадров), который вы также можете определить на
закладке (Вывод) в окне (Настройки рендера). 

Этот параметр определяет скорость для
воспроизводимой анимации.  Частота кадров = (25) означает, что за 1 секунду
будут воспроизведены / показаны (25) кадров из секвенции изображений. Если вы
создаёте анимацию для определённых языковых регионов, в этом случае необходимо
придерживаться правил (PAL), которые предписывают использование выходного
изображения с размером 768х576 пикселей и частотой кадров = (25), если при этом
не будет необходимым формат (HDTV).  Если вы создаёте кинофильм, в этом случае
частота кадров составляет (25), но разрешение при этом является более высоким
по сравнению с продукцией, создаваемой для телевидения.

Чтобы создать анимацию движения планет
и солнца вокруг своей оси, создали ключ в 0 кадре, где координата вращения “H” равна нулю, а к 1080 кадру меняется на определённое значение для
каждой планеты.

Создали камеру и перешли в режим
просмотра от лица камеры. Создали ключи на разных кадрах, тем самым задали путь
перемещения для камеры. В настройках рендера выбрали сохранение формата в MP4, выставили разрешение FullHD (1920×1080),
выбрали количество кадров в секунду – 30. Указали диапазон кадров с 0 до 1080
К. Сохранили проект и запустили рендеринг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная
работа была выполнена в полном соответствии поставленной цели. Для
моделирования существует много различных направлений. Мы выбрали 3D моделирование,
так как моя будущая специальность связанна именно с этим направлением. Исходя
из этого, выбор пал на создание математических и физических моделей. Программа
4D Cinema являлась
основным инструментом для создания модели «Солнечная система».  Работа с данным
продуктам ранее была не знакома. В ходе выполнения исследовательской работы
были изучены основы работы по созданию различных трехмерных объектов.

В
качестве дальнейшего развития есть три идеи по применению данной программы.
Первая идея создание «Мультимедийной лаборатории по физике». Вторая идея
создание 3D мультфильма. Третья идея создания «Виртуального тура по
Марсу». Кроме этого продолжая изучать данное направление хочется остановиться
на более подробном изучении 3D моделей, которые используются в архитектуре,
дизайне, медицине, промышленности, образовании, мультипликации и т.д. Это
является перспективным направлением в моделировании.

Моделирование
становится все более востребованным методом, для решения наиболее актуальных
проблем человечества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     
http://videotuts.ru/cinema-4d/

2.     
https://www.youtube.com/playlist?list=PL2315FB52472105CF

3.     
http://cinema4d.su/lessons/

4.     
Корсаков С.В. Cinema 4D. – НТ
Пресс, 2005. – 475 c.

5.     
Кенигсмарк А. Мастерская CINEMA 4D 10:
“МК-Пресс”, 2008. – 448 с.

6.     
Зеньковский В. А. Cinema 4D. Практическое
руководство. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 376 с.

7.     
Бордовский Г.А. Физические основы моделирования:
Учеб.

8.     
Бочков А., Большаков В. Основы 3D-моделирования.
Изучаем работу в AutoCAD, КОМПАС-3D, SolidWorks, Inventor.  – М: Питер, 2013. –
304 с.

9.     
Прахов А. Blender. 3D моделирование и анимация.
Руководство для начинающих БХВ-Петербург, 2009. – 368 с.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Актуальность: на сегодняшний день компьютеры и компьютерные технологии прочно вошли в жизнь современного человека. Каждый день мы контактируем с различными гаджетами, используем в речи специальные компьютерные термины. Словосочетание 3D – программирование (моделирование) и 3D-печать – неотъемлемые части нашей жизни. Сегодня для производства любого изделия инженеры и технологи всего мира изначально разрабатывают 3D модель изделия, затем печатают образец на 3D принтере, а уж после пускают его в массовое производство.

Практическая значимость: практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D–моделирования и 3D-печати. Естественно, не все разбираются в 3D-программах и умеют моделировать объемные объекты. Отсюда и востребованность профессии в области 3D моделирования. Внимательно изучив мою работу любой человек научится азам 3D–моделирования и 3D-печати.

Разработанность проблемы:

Насколько развито промышленное применение данной технологии в нашей стране, можно понять на основании Приложения 1. Доля России на мировом рынке промышленного применения АМ-технологии в 2016 г. составляет всего 1,4%. [1].

Отдельные ведущие отечественные предприятия авиационной, автомобильной промышленности, энергетики и предприятия Росатома и многие другие уже имеют опыт практического использования 3D печати в различных отраслях промышленности, однако широкого распространения эти технологии не пока получили. Но при всем этом, можно заметить большой интерес со стороны различных организаций и предприятий. Например, активное развитие можно увидеть у Минпромторгом России, Минобрнауки России, Роскосмосом, Государственной корпорацей «Ростех», Госкорпорацией «Росатом», ОАО «Объединенная авиастроительная корпорация», ОАО «Объединенная двигателестроительная корпорация», научными организациями ФАНО России [2; c 124].

На мой взгляд, в России 3D-моделирование используют лишь в некоторых профессиях, хотя люди могут использовать его для многих целей, от творчества до практической работы.

Цель: спроектировать и распечатать на 3D-принтере модель корпуса для электроприборов.

Задачи:

Изучить работу с программой Autodesk Inventor (система трёхмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования компании Autodesk, предназначенная для создания цифровых прототипов промышленных изделий).

Спроектировать в программе модель корпуса для электроприборов.

Создание новых устройств, при помощи 3D – моделирования.

Распечатать модель корпуса для электроприборов на 3D-принтере.

Этапы работы над проектом:

Выбор программы для создания модели изделия.

Изучить работу с программой Autodesk Inventor.

Разработать макет модели корпуса для электроприборов.

Распечатать чертеж для печати на 3D –принтере.

Распечатать и обработать изделие.

I этап – подготовительный (сбор информации, систематизация материала, ознакомление с инструментами работы). Сентябрь – октябрь 2017 года.

Сделать выбор (программы и макета изделия).

Изучить программу.

Разработать макет и чертеж модели корпуса для электроприборов при помощи карандаша.

Потренироваться в обработке изделий на объектах, изготовленных ранее.

II этап – реализация проекта. Ноябрь 2017 – февраль 2018 г.

Сбор информации.

Разработка макета модели корпуса для электроприборов.

Обсуждение макета c учителем, окончательная обработка.

Разработка чертежа.

Печать на 3D-принтере.

Размещение фотографий и проекта на сайт лицея и в социальные сети (http://licey-6.odinedu.ru/school_life/photo/)

Тренировка изготовления других изделий.

III этап – организационно-обобщающий. Март – апрель 2018.

Анализ работы по реализации проекта.

Отчет о проделанной работе.

Наличие результата на каждом этапе:

I этап: поставлены задачи и цели, получены первоначальные знания.

II этап: изучена программа для работы Autodesk Inventor, создан чертеж модели корпуса для электроприборов, распечатано изделие на 3D-принтере Form 1, на сайт размещены лицея фотографии работы.

III этап: проанализирована работа, подведены итоги по реализации проекта.

Материально-техническое обеспечение проекта: компьютер, 3D-принтер Form 1 от американской компании Formlabs, Autodesk Inventor.

Результат проекта: распечатанная на 3D-принтере модель корпуса для электроприборов, чертеж этого изделия для производства.

Общий итог:

Спроектированная и распечатанная модель корпуса для электроприборов.

Ссылка на фотографии: (http://licey-6.odinedu.ru/school_life/photo/).

Возможные области применения: возможно применение в домашних условиях и в промышленности.

Введение.

3D моделирование играет важную роль в жизни современного общества. Сегодня оно широко используется в сфере маркетинга, архитектурного дизайна и кинематографии, не говоря уже о промышленности. 3Д-моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо продукта или услуги.

Благодаря появлению и популяризации 3D-печати 3D-моделирование перешло на новый уровень и стало востребовано как никогда. Каждый человек уже может напечатать нарисованный им самим или загруженный из интернета 3D-объект, будь то дизайнерская модель или персонаж любимого мультфильма или просто необходимый ему в быту предмет.

Я решил научиться работать в программе для 3D-моделирования и печатать на 3D-принтере, чтобы иметь возможность в будущем стать профессионалом в этой области.

Актуальность:

На сегодняшний день компьютеры и компьютерные технологии прочно вошли в жизнь современного человека. Каждый день мы контактируем с различными гаджетами, используем в речи специальные компьютерные термины. Словосочетание 3D – программирование (моделирование) и 3D-печать – неотъемлемые части нашей жизни. Сегодня для производства любого изделия инженеры и технологи всего мира изначально разрабатывают 3D модель изделия, затем печатают образец на 3D принтере, а уж после пускают его в массовое производство.

Практическая значимость:

Практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D–моделирования и 3D-печати. Естественно, не все разбираются в 3D-программах и умеют моделировать объемные объекты. Отсюда и востребованность профессии в области 3D моделирования. Внимательно изучив мою работу любой человек научится азам 3D–моделирования и 3D-печати.

Разработанность проблемы:

Технологии 3D-моделирования относят к технологиям XXI века. Несмотря на многие положительные особенности 3D-Печати, внедрение этой технологии в России ещё не достигло значительного уровня. Это можно объяснить тем, что существует ряд проблем, как при создании российских разработок, так и физическими особенностями самой технологии производства. Существует потребность в создании моделей отечественных устройств 3D-печати, в разработке методов контроля и общей системе национальных стандартов.

Насколько развито промышленное применение данной технологии в нашей стране, можно понять на основании Приложения 1. Доля России на мировом рынке промышленного применения АМ-технологии в 2016 г. составляет всего 1,4%. [1].

Большинство специалистов в области инновационных технологий также отмечают, слабое развитие АМ-технологии в России. Отдельные ведущие отечественные предприятия авиационной, автомобильной промышленности, энергетики и предприятия Росатома и многие другие уже имеют опыт практического использования 3D печати в различных отраслях промышленности, однако широкого распространения эти технологии не пока получили. Но при всем этом, можно заметить большой интерес со стороны различных организаций и предприятий. Например, активное развитие можно увидеть у Минпромторгом России, Минобрнауки России, Роскосмосом, Государственной корпорацей «Ростех», Госкорпорацией «Росатом», ОАО «Объединенная авиастроительная корпорация», ОАО «Объединенная двигателестроительная корпорация», научными организациями ФАНО России [2; c 124].

Научно-технические проблемы развития аддитивных технологий в России неоднократно рассматривались научно-техническим советом Военно-промышленной комиссии Российской Федерации, мероприятия по развертыванию аддитивного производства и развитию системы непрерывного образования в этой области закреплены решением Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России [3].

На мой взгляд, в России 3D-моделирование используют лишь в некоторых профессиях, хотя люди могут использовать его для многих целей, от творчества до практической работы.

Цель: спроектировать и распечатать на 3D-принтере модель корпуса для электроприборов.

Задачи:

Изучить работу с программой Autodesk Inventor (система трёхмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования компании Autodesk, предназначенная для создания цифровых прототипов промышленных изделий).

Спроектировать в программе модель корпуса для электроприборов.

Создание новых устройств при помощи 3D – моделирования.

Распечатать модель корпуса для электроприборов на 3D-принтере.

Этапы работы над проектом:

Выбор программы для создания модели изделия.

Изучить работу с программой Autodesk Inventor.

Разработать макет модели корпуса для электроприборов.

Распечатать чертеж для печати на 3D –принтере.

Распечатать и обработать изделие.

I этап – подготовительный (сбор информации, систематизация материала, ознакомление с инструментами работы). Сентябрь – октябрь 2017 года.

Сделать выбор (программы и макета изделия).

Изучить программу.

Разработать макет и чертеж модели корпуса для электроприборов при помощи карандаша.

Потренироваться в обработке изделий на объектах, изготовленных ранее.

II этап – реализация проекта. Ноябрь 2017 – февраль 2018 г.

Сбор информации.

Разработка макета модели корпуса для электроприборов.

Обсуждение макета c учителем, окончательная обработка.

Разработка чертежа.

Печать на 3D-принтере.

Размещение фотографий и проекта на сайт лицея и в социальные сети (http://licey-6.odinedu.ru/school_life/photo/)

Тренировка изготовления других изделий.

III этап – организационно-обобщающий. Март – апрель 2018.

Анализ работы по реализации проекта.

Отчет о проделанной работе.

Наличие результата на каждом этапе:

I этап: поставлены задачи и цели, получены первоначальные знания.

II этап: изучена программа для работы Autodesk Inventor, создан чертеж модели корпуса для электроприборов, распечатано изделие на 3D-принтере Form 1, на сайт размещены лицея фотографии работы.

III этап: проанализирована работа, подведены итоги по реализации проекта.

Материально-техническое обеспечение проекта: компьютер, 3D-принтер Form 1 от американской компании Formlabs, Autodesk Inventor.

Результат проекта: распечатанная на 3D-принтере модель корпуса для электроприборов, чертеж этого изделия для производства.

Общий итог:

Спроектированная и распечатанная модель корпуса для электроприборов.

Ссылка на фотографии: (http://licey-6.odinedu.ru/school_life/photo/).

Возможные области применения: возможно применение в домашних условиях и в промышленности.

Глава 1. Теоретический раздел.

1.1. Что такое 3D-моделирование и с чем его «едят».

Плоды технической фантазии всегда стремились вылиться на бумагу, а затем и воплотиться в жизнь. Если раньше, представить то, как будет выглядеть дом или интерьер комнаты мы могли лишь по чертежу или рисунку, то с появлением компьютерного трехмерного моделирования стало возможным создать объемное изображение спроектированного сооружения.  Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша к современным трехмерным компьютерным программам.

Методы трехмерного моделирования нужны там, где нужно показать в объеме уже готовые объекты или те объекты, которые существовали когда-то давно. Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации [4].

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Вы можете изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Ваша фантазия практически ничем не ограничена, и вы сможете быстро выбрать именно тот вариант, который подойдет вам наилучшим образом. Передовые технологии позволяют добиваться потрясающих результатов.

3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала, давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.

Можно выделить 4 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:

Индустрия развлечений.

Строительство.

Медицина (хирургия).

Промышленность.

С первой мы сталкиваемся почти каждый день. Это фильмы, анимация и 90% компьютерных игр. Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования [5].

Полигонами называются треугольники и четырехугольники с вершинами, гранями и ребрами. Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д. Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный образ. В основном, полученные образы используются для финальной визуализации изображения в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.

Полигональное моделирование незаменимо в производстве фильмов, игр, сайтов и других сферах индустрии развлечений, но оно не подойдет для сферы промышленного производства. В нем невозможно учесть физические свойства материала и технологию изготовления, контролировать необходимые зазоры, сечения. Для таких целей применяются методы промышленного проектирования.

Правильное название: САПР (Система Автоматизированного Проектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление [6].

Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.

Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.

Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудозатратный процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки [7].

Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.

В САПР мы получаем электронно-геометрическую модель изделия (при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ) при помощи САПР можно:

Сделать чертеж

По ней можно написать программу для станков с ЧПУ 

Ее можно параметризировать (это когда изменяя 1 параметр можно изменить модель без переделки) 

Можно проводить прочностные и другие расчеты. 

Ее так же можно послать на 3д печать

Сегодня существует огромное количество программ САПР. Я выбрал для своего проекта программу Autodesk Inventor.

1.2. Программа AutodeskInventor.

Компания Autodesk давно уже занимается производством программного обеспечения для черчения и трехмерного моделирования. Своеобразные мастодонты в данной сфере цифрового рынка. Не так давно появилась программа Autodesk Inventor, которая предназначена специально для трехмерного моделирования сложных деталей. Можно использовать ее для моделирования практически любых деталей, даже корпусов автомобилей [8].

Autodesk Inventor  — система  трёхмерного  твердотельного и поверхностного параметрического проектирования (САПР) компании Autodesk, предназначенная для создания цифровых прототипов промышленных изделий. Инструменты Inventor обеспечивают полный цикл проектирования и создания конструкторской документации:

2D-/3D-моделирование;

создание изделий из листового материала и получение их разверток;

разработка электрических и трубопроводных систем;

проектирование оснастки для литья пластмассовых изделий;

динамическое моделирование;

параметрический расчет напряженно-деформированного состояния деталей и сборок;

визуализация изделий;

автоматическое получение и обновление конструкторской документации (оформление по ЕСКД).

На самом деле, Invertor не первое программное обеспечение данной компании. Любой инженер знает их более известную программу под названием Auto CAD. Они часто используются для производства проектов строительства, машиностроения и даже проектирования различных цехов или блоков. Разница лишь в том, что Auto CAD предназначен для черчения двухмерных чертежей, а Autodesk Inventor предназначен для трехмерного моделирования. Но, если вам потребуется перенести чертеж из Auto CAD в третье измерение, вы можете импортировать чертеж в Autodesk Inventor, так как они могут взаимодействовать [9].

Если вы когда-либо пользовались другим программным обеспечением Autodesk, то вы без проблем освоите Inventor. Что самое главное, интерфейс очень схож и благодаря этому, любой инженер сможет очень быстро научиться работать в данной программе. Главное, если вы когда-либо работали в других программах похожего типа, вы так же сможете очень быстро научиться работать.

Программа Autodesk Inventor позволяет наделять электронные макеты изделий интеллектуальной составляющей, предоставляя инженерам средства для гибкой настройки их внутренней параметрической структуры и обеспечивая их единой точкой управления всей моделью.

Итак, для целей, которых я хочу достигнуть, а именно, научиться программировать в САПР и разработать 3D-модель изделия для дальнейшей печати этого изделия на 3D-принтере, программа Autodesk Inventor.

1.3. Технология 3D-печати и 3D-принтер Form 1 от Formlabs.

История установок для печати объемных образцов насчитывает уже почти три десятилетия, но долгое время они оставались экзотическими устройствами с запредельной ценой и очень ограниченной сферой применения. Однако в последние годы интерес к ним стал возрастать в геометрической прогрессии, причем не только у энтузиастов или узких специалистов. Компании, занимающиеся производством и проектированием самой различной продукции, активно используют 3D-принтеры, а правительства наиболее развитых стран делают или планируют в ближайшее время сделать инвестиции в создание центров развития технологий 3D-печати, способных сократить издержки производства сложной технической продукции. И не только: понимая, что в обозримом будущем потребуется немало специалистов в этой области, разрабатываются или уже внедряются планы обучения основам 3D-моделирования и печати в образовательных учреждениях с финансированием из госбюджета [10].

Новости из мира 3D-печати сегодня встречаются во всех новостных лентах, количество посвященных этому вопросу сайтов с трудом поддается исчислению; информации очень много, поэтому для начала сделаем краткий экскурс как в сами технологии печати, так и в их историю.

Начнем с технологических основ. Во многих привычных способах обработки материалов, особенно тех, которые используются на этапе моделирования и создания прототипов, чаще всего используется принцип «взять заготовку и удалить всё лишнее», при котором образуется большое количество отходов. В этом плане 3D-печать отличается радикально: процесс начинается с нуля и постепенно, последовательным добавлением слоев, «выращивается» будущее изделие. Отходов при этом может вообще не быть, хотя у некоторых из имеющихся технологий без них тоже не обходится, но в относительно небольших количествах.

Есть и еще один момент: в отличие от работы на привычных устройствах обработки (фрезерных, токарных и других станках), 3D-печать не требует глубоких познаний в области материаловедения и большого опыта в обработке материалов. Конечно, здесь тоже не обходится без тонкостей и хитростей, но научиться печатать образцы по готовым моделям на 3D-принтерах можно гораздо быстрее.

В настоящее время количество технологий объемной печати превысило десяток. Все они могут быть сведены к нескольким основным методикам.

Лазерная-стереолитография ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.

Лазерное сплавление— при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали.

Ламинирование— деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.

Биопринтеры — печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится стволовыми клетками. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта.

Лазерная стереолитография— объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего, объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.

Электронно-лучевая плавка — аналогична технологиям SLS/DMLS, только здесь объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме [12].

Полимеризацияфотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета.

Исторически первой была технология стереолитографии SLA (Stereolithography), разработанная в 1984-м и запатентованная в 1986-м году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull). В том же 1986 году было разработано первое коммерческое устройство объемной печати (термина «3D-печать» тогда еще не придумали и пользовались словом «прототипирование») и основана компания 3D Systems, ставшая в настоящее время одним из ведущих производителей 3D-принтеров и материалов к ним.

Термин «3D-печать» был придуман студентами Массачусетского технологического института гораздо позже, в 1995 году. Краткое и емкое название прижилось.

Для того, чтоб распечатать изделие на 3D-принтере я выбрал принтер Form 1 от американской компании Formlabs. Он является практически единственным персональным 3D принтером, который использует технологию SLA (Stereolithography, лазерная стереолитографии). Для создания модели Form 1 использует акрилатную фотополимерную смолу различных цветов и свойств.

Одним из самых главных преимуществ Form 1, является то, что он создает чрезвычайно гладкие модели с толщиной слоя всего в 25 микрон, а минимальный размер детали 300 мкм. Благодаря этому, существует возможность печатать объекты сложной конструкции с мелкими деталями высочайшего качества. Form 1 выдает стабильно отличные результаты даже на низких разрешениях.

Для работы с Form 1, используется очень простое и удобное программное обеспечение Preform.

Также к плюсам данной модели, можно отнести то, что не нужно проводить никакой подготовительной работы перед печатью: калибровка, настройка рабочей платформы. Достаточно подключить Form 1 к компьютеру и залить фотополимер. После печати, для удобства извлечения объекта, сделана вынимающаяся платформа, которая достается вместе с деталью. После извлечения, объект следует прополоскать в ванне с растворителем для удаления излишков.

Итак, 3D-принтер Form 1 от Formlabs идеально подойдет для того. Чтоб напечатать смоделированное мной в Autodesk Inventor изделие.

Глава 2. Практический раздел.

2.1. Проектирование в AutodeskInventor.

В качестве изделия для моделирования в программе Autodesk Inventor я выбрал корпус для электроприбора. Для того чтобы мое изделие можно было полноценно использовать по назначению выставляем следующие параметры:

корпус должен состоять из двух и более деталей;

в корпусе должны быть вентиляционные отверстия для доступа воздуха;

в корпусе должны присутствовать специальные отверстия для крепления деталей друг к другу;

прочность корпуса необходимо усилить специальными ребрами жесткости.

Начинаем моделирование. Вначале в программе Autodesk Inventor я создал эскиз с размерами корпуса (Приложение 2, рис. 1).

Далее из плоской фигуры выдавливаю объёмный параллелепипед для того, чтобы придать нашему корпусу полноценный объём (Приложение 2, рис. 2).

Сглаживаю или скругляю углы с помощью элемента «сопряжение». Острые углы не практичны, они откалываются и об них можно порезаться (Приложение 2, рис. 3).

Далее я разделяю по плоскости твёрдое тело на две части. Называю верхнюю крышкой, а нижнюю корпусом (Приложение 2, рис. 4).

Создавая оболочку, я придаю фигуре толщину стенок и полость внутри. Таким образом, у меня получается почти готовая коробка (Приложение 2, рис. 5).

Следующим пунктом, по наружной грани корпуса я сделал выступ, а на грани крышки – канавку. Это обеспечит плотное прилегание крышки к корпусу (Приложение 2, рис.6).

Для соединения двух частей нам необходимо разместить специальные трубы, которые называются – бобышки (Приложение 2, рис. 7.).

Для увеличения прочности корпуса внутри полости размещаю рёбра жёсткости (приложение 2, рис. 8).

Проецируя точки на наружную поверхность крышки, я создаёю отверстия для бобышек.

На поверхности крышки мы создаём эскиз решётки. Решётка предназначена для защиты электроники от перегрева (Приложение 2, рис. 9).

После того, как я сделаю эскиз, я вставляю болты. Болты проектировать не нужно, они есть в любом специализированном магазине. В программе есть специальный раздел, где представлены различные виды болтао, с учётом требований разных стран. Мы использовал болты по ГОСТу.

Фактически 3D моделирование закончено.

2.2. Чертеж изделия

Да, мое 3D моделирование закончено, но представим себе такую ситуацию. Прототип корпуса оказался удачным, и я хоту отправить его в серийное производство, в этом случае мне необходим чертёж. На заводах всего мира инженеры не принимают готовые изделия. Им нужны точные размеры и проекции (Приложение 2, рис. 10).

Этот чертеж можно свободно отдавать в производство. Подобные чертежи используют на всех производствах.

2.3. Печать на 3D принтере.

Осталось изготовить деталь. Я сделал это на 3D принтера Form 1 от Formlabs (Приложение 2, рис. 11).

Подключаем принтер к компьютеру и начинаем печать. Печать крышки нашего корпуса занимает приблизительно 3 – 5 часов в зависимости от выбранного качества. Как только деталь распечатана, ее кладут в специальный раствор, чтоб удалить лишний слой полимера. В нем наш корпус должен провести примерно 15 минут.

Корпус моего изделия будет изначально распечатан на поддержках, которые обеспечивают устойчивость детали во время печати. Мне эти поддержки больше не понадобятся, и я должен их убрать. Я обрезаю их специальными кусачками.

Теперь я обрабатываю получившийся корпус наждачной бумагой, чтобы придать гладкость поверхности. Мне понадобится несколько видов наждачной бумаги различной шероховатости. Начинаю с самой жесткой и заканчиваю самой мягкой. Далее полирую поверхность корпуса специальным устройством с мягкой губкой на конце. Фактически корпус готов, но при желании можно дополнительно покрыть его краской или украсить по желанию автора (Приложение 2, рис. 12).

2.4. Изготовление на 3D принтере различных изделий.

Кроме корпуса для электроприборов я также распечатал на 3D –принтере Form 1 от Formlabs другие изделия. В частности, кольца к 8 марта для моей мамы и сестры, а также кулон-бабочку для моей сестры. С помощью Autodesk Inventor я разработал макеты для этих изделий, в них я спроектировал на них дарственные надписи и выпуклые символы. Также после шлифовки этих изделий я их покрасил. Получилось очень красиво (Приложение 3).

Заключение

В процессе работы над проектом я изучил методы 3D-моделирования, рассмотрел различные программы для 3D-моделирования, узнал, как разработать чертеж для производств конкретного изделия, изучил историю возникновения 3D-принтера, а также их разновидности, научился работать на одном из 3D-принтеров.

Результатом проведенной мной работы стало смоделированное специализированной программе Autodesk Inventor модель корпуса для электроприборов, готовый чертеж корпуса для производства, а также распечатанный корпус на 3D-принтере Form 1 от компании Formlabs. Весь процесс (от изначальной идеи до распечатанного изделия) занял у меня несколько месяцев. Причем работа над каждым последующим изделием отнимало у меня все меньше времени.

Практическая значимость проделанной мной работы для меня огромна. Развиваясь дальше в этом направлении в будущем, я смогу более подробно изучить другие методы 3D-моделирования и другие 3D-принтеры, а возможно и посвятить этому свою профессию.

Список используемой литературы.

T.Wohlers. Cumulative Ind ustrial AM Machines, ’88–’12[Электронныйресурс]. Режим электронного доступа : http://www.tctmagazine.com/blogs/industry-snapshot/cumulative–industrial–am–machines-88-12/.

Федеральный справочник. Оборонно-промышленный комплекс России. Выпуск 11 [электронный ресурс]. Режим доступа : http://federalbook.ru/files/OPK/Soderjanie/OPK-11/III/Mihaylov.pdf .

Решения протокола заседания президиума Совета РФ от 16 сентября 2014 года No 5 [электронный ресурс]. Режим электронного доступа: http://government.ru/orders/14911/.

http://www.grandsoft.ru/3d_modelirovanie_v_programmah

https://otherreferats.allbest.ru/programming/00688917_0.html

https://habrahabr.ru/sandbox/103016/

http://www.profilgp.ru/article/preimushchestva-autodesk-inventor

https://cad.ru/ru/press-centre/publication/detail.php?ID=5698

https://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk_Inventor

https://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-pechat/

https://www.ixbt.com/printer/3d/3d_common.shtml

http://3dtoday.ru/blogs/top3dshop/review-3d-printer-formlabs-form-1/

https://formlabs.ru/

https://www.scienceforum.ru/2016/1438/17281

Приложение 1.

Рисунок 1. Доля России на мировом рынке промышленного применения АМ-технологии в 2016 г..

Приложение 2.

Рисунок 1. Эскиз с размерами корпуса.

Рисунок 2. Придаем корпусу полноценный объём.

Рисунок 3. Сглаживание или скругление углов с помощью элемента «сопряжение».

Рисунок 4. Разделение по плоскости твёрдого тела на две части.

Рисунок 5. Придаем фигуре толщину стенок и полость внутри.

Рисунок 6. Формирование выступа, а на грани крышки – канавку.

Рисунок 6а. Формирование выступа, а на грани крышки – канавку.

Рисунок 6. Формирование выступа, а на грани крышки – канавку.

Рисунок 7. Специальные трубы, которые называются – бобышки.

Рисунок 8. Размещение внутри полости рёбра жёсткости.

Рисунок 8а. Размещение внутри полости рёбра жёсткости.

Рисунок 9. На поверхности крышки создаётся эскиз решётки.

Рисунок 9а. На поверхности крышки создаётся эскиз решётки.

Рисунок 9б. На поверхности крышки создаётся эскиз решётки.

Рисунок 10. Готовый чертеж.

Рисунок 11. 3D принтера Form 1 от Formlabs.

Рисунок 12. Готовое изделие.

Приложение 3.

Рисунок 1. Изготовленная продукция.

Просмотров работы: 18234

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерная графика появилась достаточно давно – уже в 1960-ых годах существовали полноценные графические системы. Сегодня принято пользоваться терминами «компьютерная графика» и «компьютерная анимация». Понятие «компьютерная графика» включает все виды работ со статическими изображениями, «компьютерная анимация» имеет дело с динамически изменяющимися изображениями.

Трехмерная графика является неким симбиозом компьютерной графики и анимации, так как без особого труда можно заставить трехмерный объект двигаться (анимация), а также его можно оставить в статичном положении (графика).

Выбранная мною тема является достаточно актуальной, так как современные технологии (в отличие от тех, что были, например, в 1990-2000х годах) позволяют добиться максимальной детализации настолько, что порой какой-нибудь готовый рендер можно спутать с обычной фотографией. Помимо этого, трехмерная графика на данный момент охватывает очень большой список профессий.

Цель исследования в данной работе – это узнать многообразие программ для создания трехмерной графики.

Задачи исследования в данной работе – это разобраться какие есть различия в той или иной программе.

ГЛАВА 1. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ГРАФИКИ. ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА.

1.1. Назначение компьютерной графики

Как уже писалось ранее, компьютерная графика (в том числе и трехмерная) используется во многих сферах, связанных с художественным оформлением чего-либо. И чтобы дать объяснение термину «различные виды графики» необходимо понять какие программы для чего используются. По своему “профессиональному” назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы:

• пакеты компьютерной графики для полиграфии;
• программы двумерной компьютерной живописи;
• презентационные пакеты;
• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;
• программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;
• пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;
• комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спецэффектов на видеозапись;
• программы для научной визуализации.

1.2. Понятие «Трехмерная графика».

Перед тем, как описывать функционал и особенности программ, связанных с трехмерной графикой, необходимо понять, что это вообще такое и с чем это едят. И если с двухмерной (2D) графикой все более-менее понятно, то с трехмерной (3D) графикой идет уже сложнее, так как человеческий глаз видит двухмерное изображение. Мозг достраивает картинку, обрабатывая информацию и скрывая от нас, что это 2D изображение, он создает образы.

Если, например, поставить на стол яблоко и смотреть на него, не двигаясь, то человеческий глаз будет его воспринимать как двухмерное изображение (фотография). Как только человек начнет движение вокруг объекта, то он будет видеть его другие границы и понимать, что перед ним находится трехмерный объект. Но это будет происходить ровно до тех пор, пока он снова не остановится и не будет смотреть на яблоко статично.

То же самое происходит и в 3D программах, пока объект не движется, он является плоским. Но, как уже было описано ранее, мозг «дорисовывает» картинку и изображение выглядит трехмерно.

В качестве примера разницы между 2D изображением и 3D изображением можно привести старые мультипликационные фильмы компании Disney и новые (рис. 1.1). На первой картинке изображение плоское, на второй – объемное (за счет светотени и текстур), однако оно все равно является двухмерным.

Рис. 1.1. Сравнение старого м/ф компании Disney (Белоснежка и семь гномов, 1937 г.) и нового (Ральф против интернета, 2018 г.)

Итак, трехмерная графика – это раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве. Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги.

1.3. Основные функции и возможности 3D программ.

Программы компьютерной графики и анимации представляют профессиональный интерес для художников и дизайнеров, полиграфистов и кинематографистов, разработчиков компьютерных игр и создателей образовательных программ, ученых, а также любых специалистов, которым необходимо создавать, использовать и обрабатывать самые разнообразные изображения, но, в данной работе рассматриваются пакеты программ, разработанные исключительно для создания трехмерной графики (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Трехмерное моделирование.

Для получения трехмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

• моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
• текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
• освещение — установка и настройка источников света;
• анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
• динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
• рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
• композитинг (компоновка) — доработка изображения;
• вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или специальный принтер.

1.4. Трехмерная анимация

Ведя речь про трехмерную графику, на ум, в первую очередь, приходит именно трехмерная анимация, так как именно ее мы видим чаще всего. Человек, не связанный с дизайном или архитектурой, встречает ее обычно в рекламе, мультфильмах, видеоиграх и тд.

Трехмерная анимация по технологии напоминает кукольную (рис. 1.3): создается каркас объектов, на этот каркас накладываются материалы, компонуется все это в единую сцену, устанавливается освещение и камера, а затем задается количество кадров в фильме и движение предметов.

Рис. 1.3. Кукольная анимация в процессе съемки (м/ф Труп Невесты)

Посмотреть происходящее можно с помощью камеры, которая тоже может двигаться. Движение объектов в трехмерном пространстве задается по траекториям, ключевым кадрам и с помощью формул, связывающих движение частей сложных конструкций. Подобрав нужное движение, освещение и материалы, вы запускаете процесс визуализации. В течение некоторого времени компьютер просчитывает все необходимые кадры и выдает вам готовый фильм.

Недостаток, вытекающий из такой техники создания изображения — это чрезмерная гладкость форм и поверхностей (рис. 1.4), а также некоторая механистичность движения объектов.

Рис. 1.4. Кадр из м/ф «История игрушек» (1995, компания Pixar)

1.5. Технология создания реалистичных трехмерных изображений

В отличие от двумерной анимации, где многое может быть нарисовано от руки, в трехмерной объекты слишком гладкие, их форма слишком правильная и движутся они по слишком “геометрическим” траекториям. Правда, эти проблемы преодолимы.

В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов.

Для создания “неровных” объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц (рис. 1.5). Вводится инверсная кинематика и другие техники оживления, возникают новые методы совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными.

Рис. 1.5. Детализация в м/ф «История игрушек 4» (2019, компании Pixar/Disney)

Кроме того, технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать ее в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвертом. И, наконец, функции многих профессиональных пакетов можно сегодня расширить с помощью дополнительных приложений, написанных специально для базового пакета.

ГЛАВА 2. ПРОГРАММЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ 3D ГРАФИКИ.

2.1. 3D Studio и 3D Studio MAX (Autodesk)

Несомненно, один из самых известных пакетов 3D-анимации на IBM — это 3D Studio фирмы Autodesk (рис. 2.1). Программа обеспечивает весь процесс создания трехмерного фильма: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео.

Рис. 2.1. Интерфейс программы 3D Studio Max

Кроме того, существует широкий спектр прикладных программ, написанных специально для 3D Studio. Новая программа той же фирмы под названием 3D Studio MAX для Windows NT создавалась в течение нескольких последних лет и претендует на роль конкурента мощным пакетам для рабочих станций SGI. Интерфейс новой программы един для всех модулей и обладает высокой степенью интерактивности. 3D Studio MAX реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет создавать разнообразные световые эффекты, поддерживает 3D-акселераторы и имеет открытую архитектуру, то есть позволяет третьим фирмам включать в систему дополнительные приложения.

2.2. ZBrush (Pixologic)

ZBrush — программа для 3D моделирования, созданная компанией Pixologic (рис. 2.2.). Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» трёхмерной скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого трёхмерного объекта.

Рис. 2.2. Интерфейс программы ZBrush

Каждая точка (называемая пиксель) содержит информацию не только о своих координатах XY и значениях цвета, но также и глубине Z, ориентации и материале. Это значит, что можно не только «лепить» трёхмерный объект, но и «раскрасить» его, рисуя штрихами с глубиной.

Ещё одним неоспоримым преимуществом программы является то, что рисовать тени и блики, чтобы они выглядели натурально, не нужно — ZBrush это сделает автоматически. Также быстро работает со стандартными 3D объектами, используя кисти для модификации геометрии материалов и текстур. Позволяет добиться интерактивности при большом количестве полигонов.

Используя специальные методы, можно поднять детализацию до десятков миллионов полигонов. Также имеется множество подключаемых модулей (работа с текстурами, геометрией, множество новых кистей, быстрая интеграция с профессиональными пакетами 2d графики и многое другое)

2.3. LightWave 3D (NewTek)

Достаточно популярный пакет для создания трёхмерной графики, широко применяемый в производстве видео-, теле- и кинопродукции. Lightwave (рис. 2.3) содержит мощную систему полигонального моделирования, которая также создает основанные на полигонах поверхности подразделения (polygon-based subdivision), которым фирма Newtek дала имя «MetaNURBS» (несмотря на название, Lightwave не поддерживает NURBS-моделирование, MetaNURBS является торговой маркой, используемой Newtek’ом для своих поверхностей разбиения).

Рис. 2.3. Интерфейс программы LightWave 3D.

Пакет состоит из двух основных программных модулей — modeler для моделирования и layout для всего остального. Третья программа — Hub используется для автоматической синхронизации данных между модулями.

Lightwave содержит развитую систему анимации (кости, фреймовая и инверсная кинематика); высококачественный рендеринг, поддерживающий многопоточность, трассировку лучей, каустику, глобальное освещение, модуль предпросмотра VIPER; подсистему сетевого рендеринга Screamernet. Встроенный механизм для работы с частицами Hyper Voxels позволяет генерировать дым, огонь, любые жидкости, туман, облака, и т. д.Lightwave включает три разновидности редактора сцены: классический, современный и графический.

Редактор поверхностей (surface editor) служит для настройки свойств материалов (включая нодовые настройки), image editor имеет базовые средства для редактирования растровых изображений. Мощная система подключаемых модулей расширяет функциональность пакета, а язык программирования LScript позволяет писать собственные скрипты. Начиная с 11 версии как скриптовый язык добавлен Python.

Главной особенностью программы является разделение процесса моделирования и анимации-рендеринга на два отдельно запускаемых приложения, что особенно удобно при использовании рабочих станций с двумя мониторами (рис. 2.3). Также важной особенностью Lightwave являются кнопки управления с текстовыми надписями, то есть в пакете вообще не используются пиктограммы, что экономит место на экране, делает интерфейс строгим и лаконичным.

2.4. SketchUp (Trimble Navigation, Google)

SketchUp (рис. 2.4) – программа для моделирования относительно простых трёхмерных объектов — строений, мебели, интерьера.

Рис. 2.4. Интерфейс программы SketchUp.

По сравнению со многими популярными пакетами данный обладает рядом особенностей, позиционируемых её авторами как преимущества.

Основная особенность — почти полное отсутствие окон предварительных настроек. Все геометрические характеристики во время или сразу после окончания действия инструмента задаются с клавиатуры в поле Value Control Box (поле контроля параметров), которое находится в правом нижнем углу рабочей области, справа от надписи Measurements (панель измерений).

Ещё одна ключевая особенность — это инструмент Push/Pull («Тяни/Толкай»), позволяющий любую плоскость «выдвинуть» в сторону, создав по мере её передвижения новые боковые стенки. Утверждается, что этот инструмент запатентован.

Двигать плоскость можно вдоль заранее заданной кривой, для этого есть специальный инструмент Follow Me («Ведение»). Отсутствие поддержки карт смещения объясняется нацеленностью продукта на непрофессиональную целевую аудиторию.

2.5. Blender (Blender Foundation)

Blender (рис. 2.5) — профессиональное cвободное и открытое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), а также создания 2D-анимаций. В настоящее время пользуется большой популярностью среди бесплатных 3D-редакторов в связи с его быстрым стабильным развитием и технической поддержкой.

Рис. 2.5. Интерфейс программы Blender.

Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер по сравнению с другими популярными пакетами для 3D-моделирования. Документация в поставку не входит, но доступна онлайн. Демонстрационные сцены можно скачать на официальном сайте или на сайте открытых проектов «Blender Cloud».

До появления 2.x и особенно 2.3x-версии, единственный путь выполнять команды – это горячие клавиши. И это было самой большой причиной создания репутации Blender’у как сложной для изучения программы. Новая версия имеет более полное графическое меню.

2.6. Maya (Autodesk)

Autodesk Maya (рис. 2.6) — редактор трёхмерной графики, доступный на Windows, macOS и Linux. Maya обладает широкой функциональностью 3D-анимации, моделирования и визуализации. Программу используют для создания анимации, среды, графики движения, виртуальной реальности и персонажей. Широко применяется в кинематографии, телевидении и игровой индустрии. Изначально разработан Alias Systems Corporation, а затем выкуплен и поддерживается в настоящее время компанией Autodesk.

Рис. 2.6. Интерфейс программы Maya.

Важная особенность Maya — её открытость для сторонних разработчиков, которые могут преобразовать её в версию, оптимальную для каждой студий, предпочитающей писать код, специфичный для своих нужд. Даже невзирая на присущую Maya мощь и гибкость, эта особенность достаточна для того, чтобы повлиять на выбор пользователя.

2.7. Cinema 4D (Maxon Computer GmbH)

Cinema 4D (рис. 2.7) является универсальной комплексной программой для создания и редактирования трехмерных эффектов и объектов. Отличается более простым интерфейсом, чем у аналогов, и встроенной поддержкой русского языка, что делает её популярной среди русскоязычной аудитории.

Рис. 2.7. Интерфейс программы Cinema 4D.

Начиная с R21 доступна только одна версия Cinema 4D. Он заменяет все предыдущие варианты, в том числе BodyPaint 3D, и включает в себя все функции прошлого варианта «Studio». С R21 все двоичные файлы были объединены. Нет технической разницы между коммерческой, образовательной или демонстрационной версиями. Разница сейчас только в лицензировании. В 2014 году был выпущен Cinema 4D Lite, поставляемый в комплекте с Adobe After Effects Creative Cloud 2014. «Lite» выступает в качестве вводной версии, при этом многие функции скрыты. Это является частью партнерства между двумя компаниями, где плагин Maxon, называемый Cineware, позволяет любому варианту создать цельный рабочий процесс с After Effects. Вариант «Lite» зависит от After Effects CC, для запуска которого требуется запустить последнее приложение, и продается только как компонент пакета, включенный в AE CS через Adobe.
Изначально Cinema 4D был разработан для компьютеров Amiga в начале 1990-х годов, и первые три версии программы были доступны исключительно для этой платформы. Однако, начиная с версии 4, Maxon начал разрабатывать приложение для компьютеров под управлением Windows и Macintosh, сославшись на желание расширить аудиторию и растущую нестабильность на рынке Amiga после банкротства Commodore.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Любое изображение на мониторе становится плоским. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе – это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами.

Трехмерная графика – это целая наука, область, в которой можно совершенствовать свои знания и умения на протяжении всей жизни. Поэтому здесь приведена краткая характеристика некоторых программ. Тем не менее для каждого программного обеспечения характерен свой специфический набор средств, определяющий область, в которой 3D-редактор удобно применять.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/Трехмерная_графика (дата обращения 19.12.19)
2. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk_Maya (дата обращения 19.12.19)
3. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Blender (дата обращения 19.12.19)
4. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/SketchUp (дата обращения 19.12.19)
5. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk_3ds_Max (дата обращения 19.12.19)
6. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/ZBrush (дата обращения 19.12.19)
7. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/LightWave_3D (дата обращения 19.12.19)
8. Википедия. [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Cinema_4D (дата обращения 19.12.19)
9. Википедия. [Электронный ресурс]. https://en.wikipedia.org/wiki/Cinema_4D (дата обращения 19.12.19)
10. Allbest. [Электронный ресурс]. https://knowledge.allbest.ru/programming/2c0a65635a3ac69b5c43a88521206c37_0.html (дата обращения 19.12.19)
11. Livejournal. [Электронный ресурс]. https://nedokormysh.livejournal.com/116235.html (дата обращения 19.12.19)