13 урок — копия-938623af87e748ad869386804cc41e05

1.

Труд/(технология) 9 класс
Моделирование сложных объектов

2.

Понятие «моделирование сложных объектов»
Моделирование сложных объектов –это процесс создания моделей объектов на основе
моделей их подсистем и вспомогательных моделей, обеспечивающих расчёт существенных
изменяющихся во времени свойств элементов подсистем.
При помощи моделирования сложных объектов:
Рассчитывают состояние подсистемы
объекта и его элемента под
воздействием фактора внутренней и
внешней среды.
Имитируют развитие заданные
аварийные ситуации на объекте.
Имитируют изменения
пространственного перемещения
объекта.
Отрабатывают управляющее
воздействие, поступающее от
руководителя и обучающегося.
Записывают необходимую информацию, чтобы
обеспечить возможность возврата на прошлые моменты
времени и просмотреть реализованную во времени
траектории по состоянию объекта.

3.

Разновидности сложных 3D-объектов
Полигональные модели –
строят на основе плоской поверхности, её
размечают сеткой из линий (рёбра), которые
пересекаются в точках (вершинах). Рёбра
делятся на отдельные полигоны. Такие
модели легко трансформируют, искажают,
анимируют.
Воксельные модели – состоят из
трёхмерных пикселей (вокселей). Воксели –
это объёмные элементы, они имеют разные
атрибуты: цвет и прозрачность. Воксельная
модель позволяет создать сложную структуру
и объект с высокой детализацией, но требует
значительных вычислительных ресурсов для
обработки и рендеринга.
Сканированные модели – создают с
помощью 3D-сканера, они захватывают
реальный объект и происходит
преобразование объекта в цифровую форму.
Такие модели часто используют в археологии
и культуре, промышленном дизайне и
медицине, чтобы создать точные копии
объекта и анатомической структуры.
Nurbs-модели – в них используют
математические кривые, чтобы создать
гладкую поверхность Nurbs -модели
требуется объект высокой точности и
гладкость, это важно для технических и
инженерных приложений.

4.

Полигональная сетка
Полигональная сетка – это отдельные
плоские многоугольники (полигоны),
которые образуют трехмерную
поверхность. Полигональную сетку
используют для представления объемной
фигуры в компьютерной графике,
инженерии, архитектуре и др. областях.
Полигональную сетку применяют везде,
где есть компьютерное 3D-моделирование:
разработка игр, спецэффекты для кино,
проектирование зданий. Это каркас,
определяющий внешний вид и поведение
объектов.
Полигональная сетка – распространённый
способ по созданию 3D-модели из простых
плоских фигур (треугольник,
четырехугольник).

5.

Функции полигональной сетки
Оптимизация вычислений – основное
назначение, это экономит ресурс
компьютера.
Определение геометрии объектов – с
помощью сетки выстраивают и геометрию
объекта в 3D-пространстве (координаты,
длина, высота, углы изгиба).
Анимация и движение – при помощи
полигональной сетки дизайнер задаёт
траекторию движения объекта в 3Dпространстве.
Изменение детализации модели – работа с
вершинами, ребрами и поверхностями
полигонов, повышают или снижают
детализацию. Если полигонов мало, то
модель будет выглядеть грубо. С
добавлением полигонов, выстраиваются
изящные изгибы и мелкие детали.
Обработка физики – полигональную сетку
используют для проверки коллизии и
взаимодействия объекта, для симуляции
физического процесса.

6.

Виды сеток в трёхмерном моделировании
Nurbs – это моделирование производят с
помощью изогнутых линий, не используя
простых фигур. Nurbs-сетке используются
сложные математические вычисления,
чтобы определить кривые, поверхность –
это часто применяется для создания
органической формы (персонажа и
растения).
Объёмная сетка – это трехмерная сетка с
изображением объемных элементов. В
отличие от полигона, который просто
«обтягивает» пустоту внутри объекта,
компонент объёмной сетки хранит данные о
плотности и объёме. Такие сетки
визуализации используют в медицине и
науке визуализации.
Облако точек – набор точек в
пространстве, их связывают между собой
для создания поверхности. Используют в
технологии виртуальной реальности,
трёхмерном сканировании.

7.

Элементы полигональной сетки
Точка – это вершина полигона. Точки
имеют свои координаты в пространстве
по осям x, y, z и направленность
(вертекс-нормаль).
Ребро – это прямая линия между двумя
точками. Рёбра бывают общими для
нескольких полигонов.
Полигон или плоскость – замкнутый контур из рёбер. Плоскость бывает
треугольная, четырехугольная и многоугольная. Каждого полигон имеет
вектор, перпендикулярный поверхности.
При оформлении полигональной сетки используют различную текстуру,
цвет и материал, чтобы придать модели определенные свойства:
отражательную способность, прозрачность и сходство с разными
материалами.
Точка
Плоскость или полигон
Ребро

8.

Типы полигональных сеток
Треугольная сетка – базовый тип, он появился
раньше всех, обеспечивается хорошая
производительность и точность при моделировании, у
созданных объектов гладкая поверхность. Такой тип не
подходит для моделирования сложных форм.
Четырехугольная сетка – усложнённый тип, его
применяют для комплексных и детализированных
объектов (деталь с внутренним отверстием).
Пяти-, шестиугольная сетка – эту структуру
применяют редко из-за сложных математических
вычислениях, большая нагрузка на компьютер. Тем
самым, тип более точный и помогает создать очень
сложную форму.

9.

Преимущества и ограничения полигональных сеток
К преимуществам относят:
эффективно используют ресурсы компьютера;
сетка передаёт форму поверхности, хорошо
визуально считывает во время работы;
гибкая настройка – быстро меняется
количество, форма и расположение полигонов;
высокая степень детализации и реалистичности.
Минусы полигональных сеток:
ограничения в масштабе – при изготовлении
определенного уровня детали полигональная
сетка становится большой и сложной для
редактирования;
могут возникнуть ошибки и искажения при
неправильном построении;
необходимы большие вычислительные ресурсы
для сложного объекта с большим числом
полигонов или с многоугольными полигонами;
сложно работать неопытным специалистам.

10.

Рендеринг
Рендеринг (визуализация) – это перевод
трёхмерной сцены в двухмерное растровое
изображение с использованием компьютерной
программы с заданными параметрами:
освещение, точка наблюдения, материалы.
Рендеринг – это процесс, преобразующий
трёхмерную модель или сцену из
компьютерной программы в изображение.
Является финальным этапом в 3D-графике.

11.

Техники рендеринга
Растеризация – самый старый метод, который
используются рендерами. Модель разделяют на
множество полигонов с помощью сетки. В
вершинах полигонов содержится информация о
цвете, текстуре и положении. В процессе
рендеринга вершины проецируют
перпендикулярно камере на пустую плоскость.
Метод самый быстрый, сегодня его используют
в обработке изображения в реальном времени:
видеоиграх, симуляциях, при работе
графического интерфейса.
Трассировка лучей – это технология
рендеринга компьютерной графики, при
помощи этой технологии создаётся
изображение путём отслеживания траектории
лучей через визуализируемое трёхмерное
пространство.
Уравнение рендеринга – передаёт
максимальную реалистичность,
обрабатываются сложные математические
данные, определяется количество светового
излучения в каждом направлении как сумму
собственного и отражённого излучения.
Лучевое литье (рейкастинг) — это техника
рендеринга, которую используют, когда в
сцене находятся перекрывающие друг друга
объекты. В этом случае изображение при
растеризации отображается некорректно и
приводит к искажению сцены.

12.

Основные термины в сфере рендеринга
Прозрачность – луч света резко
проходит сквозь твердый объект.
Полупрозрачность – рассеянный луч
света проходит сквозь объект.
Преломление – это изгиб света,
который связан с прозрачностью.
Дифракция – границы твердого объекта
изгибаются лучом света
Непрямое освещение – свет, который
отражается от нескольких поверхностей,
а не от источника.
Каустика – непрямое освещение, при
котором луч света фокусируется сквозь
прозрачный объект.
Фоггинг – эффект света становится
тусклым при прохождении сквозь туман
или дождь.
Бамп-мэппинг – это метод
моделирования неровности на
различной поверхности.
Шейдинг – оттенок зависит от
поверхности и степени яркости
освещения.

13.

Воксельные модели
Воксельная модель – это объёмное изображение,
которое создано при помощи вокселей –
элементов, содержащие значения растра в
трёхмерном пространстве. Воксель – это аналог
двумерного пикселя для трёхмерного
пространства.
Воксельные модели часто используют в
визуализации и анализа медицинской и научной
информации. В завершении сканирования
медицинские устройства: сканеры компьютерной
томографии, трёхмерное УЗИ, МРТ, создают
послойную информацию. В завершении
сканирования создаётся воксельная модель,
значения вокселей отражают данные с
устройства.
В компьютерной графике воксели используют
как альтернативу полигонам. В компьютерной
игре воксели применяют для отрисовки
ландшафта и динамичной структуры.