Использование технологий 3D-моделирования

1.

Муниципальное общеобразовательное учреждение
Дергаевская средняя общеобразовательная школа №23
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ
НА ТЕМУ
«Использование технологий 3D-моделирования»
Выполнил:
Баклыков Михаил Михайлович
ученик 9 класса
МОУ Дергаевская СОШ № 23
Руководитель проекта:
Русина Ксения Геннадьевна
учитель информатики
2022

2.

Содержание
Введение
3
1. Разновидности 3D-моделирования
5
1.2. Моделирование при помощи 3D-ручки
5
1.3. Моделирование при помощи 3D-печати
6
2.1. Сравнительная характеристика использования 3D-технологий
9
2.2. Создание 3D модели при помощи 3D-моделирования
11
Заключение
16
Список литературы
17
2

3.

Введение
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.
Визуальным эффектом уже никто не удивляется. Эффекты в блокбастерах
(боевиках) и романтических сказках, играх и мультимедийных презентациях, броские и
незаметные, в кино и на телевидении, трёхмерные и мультипликационные. Всех их
объединяет только одно: они созданы с помощью компьютеров. Сегодня мы уже можем
говорить о результатах труда не только заокеанских, но российских разработчиков. С 19
по 23 мая в Центре международной торговли проходил ежегодный Российский фестиваль
компьютерной графики и анимации. На выставке была представлена новинка –
телевизионная виртуальная студия. Перед режиссёрами и продюсерами открываются
неограниченные
возможности:
можно
обойтись
без
огромных
павильонов
и
дорогостоящих декораций и сделать оригинальную передачу. Можно снимать актёра или
ведущего телепрограммы на синем или зелёном фоне, а затем поместить его в
компьютерное пространство и позволить взаимодействовать с ним.
Существует
огромное
количество
областей,
где
применяется
трёхмерное
моделирование и анимация. Например, при испытании программы 3D Studio MAX
пользователи проделали колоссальную работу, применяя эту программу в различных
областях: от создания статической рекламы и динамических заставок для телеканалов, до
моделирования катастроф и трёхмерной анимации. До недавнего времени работу по
созданию спецэффектов в кинематографии выполняли в специальных павильонах с
использованием физических моделей, методов прозрачной фотографии и дорогих
оптических принтеров. Теперь эта проблема решена с помощью современных программ.
Уже не надо тратить тысячи часов на построение моделей, например динозавров, которые
нужно затем установить на сцене, осветить, отснять и скомбинировать с остальными
участниками эпизода. Достаточно посадить одного человека за обычный персональный
компьютер, чтобы создать спецэффекты, создающие полное ощущение реальности.
С сентября 1997 года компания « Б.С. Графика» оформляет московский канал «ТВ
Центр» и выпускает там две телепередачи: «Интернет КАФЕ» и «Виртуальный мир». Это
3

4.

самая технически оснащённая студия в России. Работа в реальном времени, когда
«живой» ведущий свободно перемещается внутри трёхмерной сцены, ходит вокруг
объектов и может взаимодействовать с ними, - это уже неотъемлемый признак
современной виртуальной студии. Например ведущий может заходить в «виртуальные»
двери, Брать «виртуальные» предметы и т.д. Причём часть компьютерной сцены может
готовиться заранее, а часть – просчитываться одновременно со съёмкой живого персонажа
(здесь уже требуются значительные вычислительные мощности).
Система трехмерной графики имеет довольно длительную историю. Уильяму
Феттеру приписывают термин «компьютерная графика» с 1961 года для описания его
работы в Boeing. Одной из первых работ в стиле компьютерной анимации являлась
Futureworld (1976), которая включала анимацию человеческого лица и руки. Эта
технология первоначально появилась в экспериментальной короткометражке A Computer
Animated Hand 1972 года, созданной студентами Университета Юты Эдвином Кэтмаллом
и Фредом Парке. С того момента трехмерная графика – это прорывная технология,
которая стала развиваться очень активно в настоящее время. ПО для трехмерной графики
стало появляться для домашних компьютеров в конце 1970 годов. Самым ранним
известным примером является 3D Art Graphics - набор трехмерных компьютерных
графических эффектов, написанный Kazumasa Mitazawa и выпущенный в июне 1978 года
для Apple II.
Еще несколько лет назад трехмерный фантастический фильм был вершиной
мастерства в киноиндустрии. Сейчас фильмы, мультфильмы и игры 3D превратились в
нечто само собой разумеющееся. Создание трехмерных героев для кино и VR игр – это
огромный прибыльный бизнес.
Трехмерные модели широко применяются в рекламе. Причем для их создания
используют не только редакторы для моделирования, но и программу Adobe Photoshop.
Самое передовое направление в области VR и трехмерного моделирования
пространства – это обучающие симуляции, позволяющие быстро и безопасно готовить
специалистов в разных областях.
Таким образом, 3D-моделирование позволяет с помощью компьютерных программ
как создавать реалистичные копии объектов реального мира, так и осуществлять
проектирование абсолютно новых предметов, ландшафтов и персонажей.
ЦЕЛЬ ПРОЕКТА: Создание 3D-модели при помощи трёхмерной графики
ЗАДАЧИ:
Изучить технологии для использования 3D-модели; Сравнить
технологию создания моделей с использованием 3D-печати и 3D-
сканирования;
Научиться создавать 3D-модели.
4

5.

1. Виды 3D-моделирования
Что такое 3D моделирование? 3D-моделирование – это процесс формирование
виртуальных моделей, позволяющий с максимальной точностью продемонстрировать
размер, форму, внешний вид объекта и другие его характеристики. По своей сути это
создание трехмерных изображений и графики при помощи компьютерных программ.
Современная компьютерная графика позволяет воплощать очень реалистичные модели,
кроме того создание 3D-объектов занимает меньше времени, чем их реализация. 3D
технологии позволяют представить модель со всех ракурсов и устранить недостатки
выявленные в процессе её создания.
Существует три вида 3D-моделирования:
каркасное моделирование;
поверхностное моделирование;
твердотельное моделирование.
Первый из них, наиболее простой – это каркасное моделирование. Модели,
получаемые при создании этого типа, будут называться каркасными. Состоят они из
линий, дуг, сегментов и полигонов. Изображения такого типа не передают полную
информацию об объекте, зато с их помощью можно изучить его устройство и
функциональность. Главным преимуществом каркасного моделирования является то, что
на хранение трехмерных моделей, созданных этим способом, не требуется много
оперативной памяти компьютера. Чаще всего каркасная визуализация применяется в
специализированных программах для построения предполагаемой траектории движения
устройства или инструмента.
В отличие от каркасного, в поверхностном моделировании имеются не только
сегменты, линии, дуги и полигоны, но и поверхности, образующие контур отображаемого
объекта.
Последний, самый точный тип 3D-моделирования, называется «твердотельное
моделирование». В результате его использования можно получить настоящий образец
готового объекта, который передает все данные о нем. Модель, созданная благодаря этому
способу визуального воспроизведения, содержат текстуру. Хотя такие модели занимают
наибольший объем памяти компьютера по сравнению с остальными, но они полностью
описывает готовый объект.
5

6.

1.2. Моделирование при помощи 3D-печати
3D-печать – это методика изготовления объемных изделий на основе цифровых
моделей. Независимо от конкретной технологии, суть процесса заключается в
постепенном послойном воспроизведении объектов.
В этом процессе применяется особое устройство – 3D принтер, который печатает
определенными видами материалов
На основании проведенного исследования я могу с уверенностью сказать, что
казавшиеся мне ранее волшебными и не постижимыми 3D-технологии, доступны
обычному школьнику. Приложив совсем немного усилий можно научиться создавать
свою, пусть и не очень сложную, но объемную модель. Методом наблюдения и изменения
входных настроек печати, найдёте оптимальные параметры для воплощения своих фигур
в реальные объекты.
1. Экспорт созданных моделей в пригодную для 3D-печати форму.
Для того чтобы программа слайсер распознала созданную мной модель и
подготовила ее для печати, необходимо экспортировать созданные модели в формате *.stl.
2. Для печати получившихся моделей шахматных фигурок я открыл все три
модели в программе Cura
3.Я настроиа среду Cura в соответствии с теми настройками, которые
рекомендовал производитель принтера. Диаметр нити 1,75мм, диаметр сопла 0,4,
температура печати от 180-250, высота слоя 0,1мм, использовался пластик PLA.
При первом запуске модель не прилипла к столу, я подключила нагрев стола 70
градусов.
При повторном запуске с рекомендованными настройками при не высокой
скорости модель напечаталась довольно качественно: видны полигонали шляпки, но
выпирает лишний пластик на ножке, это связано с отсутствием охлаждения в процессе
печати.
Для печати в высоком качестве необходимо запастись временем. Скорость
печати необходимо опустить до минимальной, иначе маленькие детали шахмат
перегреваются и появляется лишние хвосты пластика, теряется форма полигоналей у
пешки. Очень важен работающий обдув, без него качественной верхушки не получилось.
6

7.

1.3.Моделирование при помощи 3D-сканера
3D-сканирование включает в себя анализ объектов из реального мира. С целью
сбора данных для восстановления его полного внешнего вида с помощью аддитивных
технологий или других методов.
Итак, 3D-сканеры позволяют получить трехмерную модель какого-либо предмета.
Часто сканирование оказывается более удобным и быстрым способом получить модель, а
иногда — и единственным из возможных.
Для того, чтобы перенести пространственные характеристики какого-либо
предмета в трехмерную модель можно воспользоваться одной из доступных технологий,
3D-сканеры бывают:
Оптические
Фотограмметрия
Отраженный структурированный свет
Лазерное сканирование
Механическое сканирование
Ультразвуковое сканирование
Конечно же у каждой из них есть свои достоинства и недостатки, давайте
остановимся на каждой и узнаем по подробнее об этом типе 3D-сканера.
Фотограмметрия
Этот метод позволяет строить модели объектов на основе множества фотографий,
сделанных под разным углом. Чем больше снимков — тем более детальной получится
модель. Этот метод хорош тем, что позволяет получать приемлемые по качеству
результаты даже с помощью камеры смартфона.
Отраженный структурированный свет
В основе второго способа лежит отраженный структурированный свет. Этот метод
уже требует специального оборудования, которое построено на принципе проецирования
на сканируемый объект световой сетки. Ее искажение на объекте, которое считывается
специальной камерой, позволяет получить очень точное представление о его форме.
Кроме того, этот метод позволяет получать результаты очень быстро, ведь для получения
исходной
информации
о
поверхности
достаточно
всего
нескольких
кадров.
Альтернативный вариант подразумевает использование луча с изменяемой длиной волны
— в этом случае удается получить полное представление о форме сканируемого объекта.
Лазерное сканирование
7

8.

Это более медленный, но в некоторых случаях более точный способ получить
информацию об объекте. Он позволяет получать данные о наличии и структуре даже
мельчайших деталей, что важно при производстве.
Механическое сканирование
Процесс механического сканирования самый медленный и самый точный. Метод
не пригоден для работы с мягкими, пористыми, упругими, недостаточно прочными
объектами.
Ультразвуковое 3D-сканирование
Ультразвуковое сканирование чаще всего используется в медицине — в аппаратах
для УЗИ, а также в речном и морском деле, в частности — в рыбной ловле. Современные
эхолоты, как и аппараты для ультразвуковой диагностики, представляют собой частный
случай звукового 3D-сканера — устройство испускает ультразвук в исследуемую среду,
микрофоны устройства ловят отраженный сигнал, а компьютер создает трехмерную
модель
на
основе
полученных
данных.
Из перечисленных методов, фотограмметрия — наиболее массовый, ведь при желании
можно сделать 3D-сканер из телефона android с приличной камерой.
8

9.

2.1.Сравнительная характеристика использования 3D-технологий
Для начала рассмотрим технологии 3D-сканера, о которых мы уже знаем.
Несмотря на то, что сканером я пользовалась впервые у меня не возникло никаких
трудностей. Интерфейс интуитивно понятный. Управление простое. Хотя для совсем
небольших деталей он не подойдет, подойдет для сканирования габаритных предметов.
Основное отличие сканеров — это ПО. Именно от него зависит качество и простота
сканирования. Ну и конечно сканер совсем не видит зеркальные, прозрачные и черные
матовые объекты.
Теперь разберёмся с непонятными для новичков слов в области информатики.
Интерфейс-это граница между двумя функциональными объектами, требования к
которой
определяются
стандартом,
совокупность
средств,
методов
и
правил
взаимодействия (управления, контроля и т.д.) между элементами системы.
Если простыми словами, то это-набор инструментов, позволяющих пользователю
взаимодействовать с операционной системой компьютера, мобильного устройства или
других видов техники.
ПО расшифровывается, как программное обеспечение — это совокупность всех
программ на персональном компьютере.
Преимущества и недостатки 3D сканеров:
Как и любое оборудование, трехмерные сканеры обладают рядом достоинств и
недостатков.
Преимущества:
• Из-за высокой скорости сканирования приборы быстро окупают
вложенные в прибор деньги. Можно проводить анализ объектов, находящихся на
улице или за пределами помещений.
• Инновационные технологии позволяют определять и передавать все цвета
без ограничений.
• Нет необходимости прислонять предмет к аппарату, так как сканирование
происходит на расстоянии.
• Удобный размер позволяет носить прибор с собой в обычной сумке.
Недостатки:
• Нет возможности обрабатывать черно-белые объекты, так как принтер не
считывает их и выдает неправильную информацию.
• Трудно считывает предметы с глубоким рельефом и перегородками.
9
9

10.

• Прозрачные объекты могут быть отсканированы, если их обработать
раствором. В противном случае результат будет в виде бликов и вспышек на
снимке.
Вы уже знаете, как моделировать при помощи 3D-печати, теперь посмотрим его
характеристику.
Чтобы заменить вышедшую из строя деталь механизма, раньше нужно было долго
искать ее по специализированным магазинам. Теперь это намного проще: все, что
необходимо, можно напечатать из металла или другого сподручного материала, потратив
на это совсем немного времени. Однако стоит агрегат для таких работ и программы к
нему немало.
Эта технология настолько прогрессивна, что позволяет создавать с минимальными
затратами предметы удивительного качества и красоты – украшения, шахматы и другие
сувениры, детали к сложным механизмам. Любая созданная послойно вещь отличается
крепостью и поражает воображение своей точностью. Копии величественных храмов и
других архитектурных достопримечательностей, цветочные вазы и макеты способных
двигаться автомобилей – все это можно создавать с помощью объемного принта. Чтобы
получить желаемое, вам необходимо просто определиться с размером, формой и цветом.
Преимущества и недостатки 3D-принтеров
Недостатки:
Несмотря на относительно медленный старт, аддитивные технологии стали
наконец набирать обороты. Теперь 3D-принтеры получили заслуженную популярность
как в пользовательской среде, так и в сфере производства. Мы уже оценили
многочисленные преимущества 3D-печати, в том числе возможность печатать сложные
модели, но пик популярности и функциональности трехмерных технологий еще впереди.
Преимущества:
Трехмерная печать позволяет быстро и относительно недорого изготавливать
нужные прототипы с высокой точностью, самостоятельно регулируя настройки принтера
и выбирая оптимальные параметры.
Сравнительная таблица
3D-сканер
3D-печать
Скорость сканирования, листов в 1
Скорость печати, страниц в 1 минуту:
10

11.

минуту: это зависит от типа сканера,
Матричный- 1-3 страницы/минуту,
ручной- 3-8 листов/мин; портативный- до Струйный- 5-8 страниц/минуту, Лазерный
15 листов/мин; планшетный- до 30
(ч/б) 12-16, Лазерный (цв) 3-16.
листов/мин
Скорость работы: В отличие от
Скорость работы: от 40 до 180 мм/сек
принтеров, скорость работы сканеров
указывают редко, поскольку она зависит
от множества факторов. Иногда
указывают скорость сканирования одной
линии в миллисекундах.
Разрешение: минимум-600x
максимум-9600
Разрешение: минимум-1200x
максимум-5760
Количество цветов: от 2 до 16,7
млн.
Количество цветов: Современные
модели поддерживают до 500 000 цветов и
оттенков.
Материал печати: пластик
Материал печати: Пластик,
эпоксидная смола, цемент, биологические
ткани
Итог: Подходит как для
Итог: Подходит как в домашних, так и
домашнего, так и в промышленного
в производственных условиях. Подходит для
использования из-за его точности
новичков, но тем не менее потребуются
определённые навыки.
Основываясь на очевидных достоинствах 3D-сканирования и 3D-печати, можно
предположить, что в будущем эти технологии полностью завоют области диагностики и
протезирования. Те возможности, которые эти инновационные технологии открыли для
специалистов, безусловно, будут стимулировать развитие данной области. Так что, вполне
возможно, уже через несколько лет напечатанное на 3D-принтере человеческое сердце
или желудок никого не удивит и будет восприниматься людьми, как деревянная нога
Джона Сильвера сто тридцать лет назад.
2.2. Создание 3D-модели при помощи 3D-моделирования
Программа для 3D-моделирования, основным преимуществом которой является
постепенное, быстрое и легкое освоение мастерства создания трехмерных моделей.
11

12.

Простота интерфейса и возможности работы с программой даже новичку.Содержит
инструменты для вытягивания, выдавливания, сглаживания разрабатываемой модели.
Наличие большого числа средств для редактирования и систем настроек позволяют
создавать в 3Д компасе модели различной сложности.
После знакомства с программой, практикуем создание 3D-модели.
Выбираем программу для 3D-моделирования, чтобы не была сложной в изучении,
бесплатной, результат был качественным, работа стабильной; Скачиваем программу и
открываем её; Моделирование винтовой лестницы с помощью спирали и других команд.
Для создание модели я решила воспользоваться программой 3Д компас.
1.1 В рабочем окне программы я добавила на плоскости я сделал эскиз спирали с
помощью которого я сделаю ступени
Спираль ступени
1.2 С помощью инструментов отрезок, создание спирали, и настройки диаметра и
угла у спирали, и я сделал ступень командой выдавить.
Массив по окружности, выдавливание.
12

13.

1.3.Для создания остальных ступеней, я воспользовался командой массив,
выделил ступень и сделал массив вверх вдоль спирали. Для создания центральной балки я
нарисовал окружность и выдавил вверх.
Добавление перил.
2.1 Моделирование перил с помощью спирали и эскиза сечения по траектории.
2.2 Создание перил похоже на создание ступенек, но отличаем является, что
вместо команды массив мы используем команду выдавить по траектории. Использовал я
для основы сечения эскиз квадрата 4 на 4 со скруглениями и выдавливаниями их.
2.3. Выдавливание перил.
13

14.

3.1. Для моделирования балок, я воспользовалась эскизом круга, радиус,
которого был 2.2.
14

15.

Места для балок
3.2 В процессе создания балок для лестницы я пользовался выдавливанием по
эскизу. Для создание цилиндра куда будут входить балки я использовал эскиз с
окружностью диаметром 3.
15

16.

Процесс наименования и определения свойств детали
3.3 Для придания лестницы красивых отпекаемых форм я придал свойства
лестницы.
16

17.

17

18.

Заключение
Сделаем вывод, на основе представленной информации по актуальной теме «
Использование технологий 3D-моделирования», что 3D имеет огромное значение в
развитии новых технологий.
Пpeдcтавьтe ceбe cитуацию, что вам cpoчнo нужно пpиoбpecти cтул или cтoл на
кухню. Ceйчаc вы, cкopee вceгo, напpавилиcь бы в oбычный магазин за этoй пoкупкoй. В
лучшeм cлучаe пocмoтpeли бы тoваpы в ceти интepнeт. Нo ужe нeдалeк тoт дeнь, кoгда вы
cмoжeтe пoлучить уникальный cтул или cтoл нe пpocтo, нe выхoдя из дoма, нo дажe бeз
какoгo-либo пocpeдничecтва co cтopoны пpoдавцoв или cлужбы дocтавки магазина.
Главнoe, чтoбы у ваc дoма был 3D-пpинтep.
Вам нужнo будeт тoлькo пepeвecти дeньги за пpoдукт c пoмoщью вашeй кpeдитнoй
каpты на cчeт магазина, пocлe чeгo мoжнo будeт cмeлo ... pаcпeчатать издeлиe. А пpи
жeлании вы cмoжeтe дажe загpузить в кoмпьютep cвoю 3D-мoдeль cтoла, cдeлав eгo
уникальным.
Вce этo мoжeт вам пoказатьcя фантаcтикoй. Тoгда пpигoтoвьтecь. Вce этo ужe
функциoниpуeт. Этo peальнocть, кoтopая пoка иcпoльзуeтcя для peшeния узкoгo cпeктpа
задач. Нo маccoвoe внeдpeниe тeхнoлoгии в пoвceднeвную жизнь ужe нe за гopами.
По словам британских дизайнеров, 3D-печать развивается для создания дизайна
офисов под самые различные исторические эпохи и для воспроизведения точной
обстановки из фантастических фильмов, например «Аватара». 3D делает реалистичной
любую картинку и производит намного большее впечатление, чем двухмерное
изображение.
При выполнении данной проектной работы были выполнены следующие задачи:
Изучил технологии для использования 3D-модели;
Сравнил технологии создания моделей с использованием 3D-печати и 3Dсканирования;
Научился создавать 3D-модель;
В ходе данной работы я:
Познакомился с 3D-моделированием.
Узнал о отличиях и особенностях 3D-сканеров и 3D-принтеров.
Узнал как моделировать при помощи разнообразных технологий (
трёхмерных программах, 3D-сканерах и 3D-принтерах).
18

19.

Список литературы
1.[Электронный ресурс]-https://www.bestreferat.ru/referat-52468.html
2.[Электронный ресурс]-https://infourok.ru/proekt-po-d-modelirovaniyu-i-pechati3902404.html
3.[Электронный ресурс]-https://top3dshop.ru/blog/programmy-dlja-3d-skanirovanija-obzor-iprimenenie-old.html
4.[Электронный ресурс]-https://top3dshop.ru/blog/programmy-dlja-3d-skanirovanija-obzor-iprimenenie-old.html
5.[Электронный ресурс]-https://www.m24.ru/articles/nauka/02112016/120896
6.[Электронный ресурс]-https://junior3d.ru/article/3d-skaner.html
7.[Электронный ресурс]-https://vektorus.ru/blog/3d-printery-preimuschestva-inedostatki.html#preimushchestva-i-nedostatki-3d-printerov
8.[Электронный ресурс]-https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=723096#text
9.[Электронный ресурс]-https://seniga.ru/stat/1996-razvitije-3d-modjelirovanija.html
10.[Электронный ресурс]- https://top3dshop.ru/blog/tehnologii-3d-skanirovanija.html
11.[Электронный ресурс]- https://junior3d.ru/article/3d-skaner.html
19