Невозможно представить какую-либо значимую сферу производства, в которой на этапе конструирования не применяют объемную графику. Разработка любого объекта становится доступнее при трехмерном представлении каждого элемента, значимой детали. На каждом этапе создания продукта, будь это несложный механизм или ракетный двигатель, ориентируются на многогранный макет. Он представляет собой многовекторный чертеж, имеющий не только номинальную высоту, длину и ширину, но и визуальное воплощение. В этой статье мы расскажем, как появилась первая компьютерная реалистичная фигура, в каких сферах технология нашла свое применение и какие программы используют проектировщики.
Где используют трехмерное моделирование
Мы часто слышим это сочетание – 3D. Оно является сокращением английского 3-dimensional, что дословно переводится как «три размера». К этой фразе прибавляют дополнительные слова: звук, изображение, шутер, шоу, принтер и так далее – вариантов масса. Но остается основной смысл: при употреблении этого метода происходит переход из схематического, однолинейного пространства в более реалистичное. Эта способность «одухотворять» неживое ставится в основу многих начинаний. Но визуализация нашла свое начало и получила наибольшую востребованность именно в конструировании объемного образа.
Оно широко применяется в следующих отраслях:
- индустрия развлечений;
- медицина;
- промышленность.
Расскажем о каждой группе подробнее.
Кинематограф, компьютерные игры и анимация: заслуги 3D моделирования
Все виртуальные пространства и несуществующие герои созданы с помощью особой техники использования полигонов. Так называются обыкновенные геометрические фигуры с тремя или четырьмя гранями, которые соединяются под разными углами в один объект. Чтобы он пришел в движение, необходимо менять параметры у составляющих – вытягивать, перемещать, вращать. Так как все они связаны, то действие похоже на натяжение паутины – остальные сегменты деформируются в соответствии с первым.
Чем меньше площадь каждого отдельного куска, тем больше их общее количество, а значит, выше точность изображения. В таких случаях принято говорить о качестве графики – в некоторых играх можно ее делать выше и ниже. Это актуально в тех случаях, когда мощность компьютера не позволяет быстро отображать все фрагменты. Нельзя сказать, что небольшое количество полигонов – модели low poly, хуже чем High poly, когда деталей во много раз больше. Для части анимации достаточно общего вида героя, если он второстепенный или один из многих. Главного персонажа, как правило, рисуют более подробно. Сверху графических фигур накладываются текстуры, которые завершают образ.
Первым САПРом для профессионального и любительского пользования стал AutoCAD. Со временем стали появляться его качественные аналоги и второсортные подделки. Сводный список софтов мы приведем ниже, сейчас ограничимся указанием на очень удобную для 3D моделирования программу – ZWCAD Professional.
Она не уступает «Автокаду» в функционале, но существенно отличается по стоимости, которая у популярного бренда выше. Это разработка компании ZWSOFT, которая поддерживает свои позиции на рынке ПО с 1993 года и реализует свои продукты более чем в 80 странах мира. В 2017 году появилась новая усовершенствованная версия «ЗВкада». Основное направление разработки – это трехмерное конструирование. Которое, кстати, применяется не только в индустрии развлечения, но и здравоохранении.
Визуализация в медицине
Она развивается в двух основных направлениях:
-
точечная или комплексная томография;
-
конструирование и создание протезов.
Современные 3D-сканирования позволяют обнаружить дефекты органов и тканей, которые скрыты при простом рентгене или УЗИ. Появление таких технологий сделало возможным определение заболевания в тех ситуациях, когда ранее проводились диагностические операции. Широкое распространение они приобрели в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Для удобства обращения с новшеством больницы не ограничиваются компьютерными макетами, а приобретают принтеры для объемной печати.
Воплощенный в жизнь результат томографии может стать основой для создания импланта, например, зуба, который будет идеально подходить по размерам пациенту. В более сложном варианте технология помогает смоделировать протез конечности, слуховой аппарат, вены, нервы и даже искусственный сердечный клапан. Активно развивается биопечать – в ней вместо красок используются живые человеческие клетки. Но первый этап конструирования остается за компьютерными 3D программами. Здесь, как и при построении мультипликационных героев, используется полигональное моделирование. Искривление пластин показывает дефекты тканей. Воздействие на фрагменты позволит создать объемную фигуру идеального импланта, а вращение и передвижение частей покажет, как будет двигаться протезированная рука.
Методы промышленного проектирования
Главными пользователями являются инженеры, электрики, строители, работники дорожных служб – специалисты технической направленности. Их инструмент – это твердотельные или полые конструкции, обладающие математически точными параметрами, расчетными данными и реальной направленностью на работу. Поэтому, особенно важным для этой категории пользователей является не внешний вид модели, а возможность применения формул, работы с ними, срезовые чертежи, графика, а также проверка всего механизма на любом этапе разработки. Таким образом, цель проектировщика – это не только визуализация объекта, но, в большей степени, измеримая и рабочая информация о нем.
Работа в CAD (русскоязычная аббревиатура – САПР) предполагает профильное образование. Она будет эффективна, когда специалист не только видит образ, но знает материал, с которым ведется макет, особенности использования изделия и многие другие нюансы. Поэтому программы разряда ZWCAD с широким спектром действий и большим количеством инструментов, компании заказывают комплектами, чтобы обеспечить ПО весь отдел. Их же устанавливают на компьютеры студентов технических и архитектурных ВУЗов, чтобы будущие специалисты сразу конструировали в удобной и многофункциональной среде. Ориентируясь не только на индивидуального покупателя, но и на массовые поставки, ZWSOFT разработал гибкую политику лицензирования и существенно снизил цены на серийные закупки.
При работе в Системах Автоматизированного Проектирования инженер получает электронно-геометрическую модель. Что это такое в объемном 3D моделировании поможет понять список действий, который с ней можно совершить:
-
Выполнить чертежи любого среза, в любом изображении под выбранным углом. Таким образом необходим один макет вместо массы разрозненных графиков. Поэтому с одним файлом, используя разные слои, могут одновременно работать разные специалисты, и даже разные отделы.
-
Подогнать параметры всего изделия, изменив ввод одной данной величины.
-
Производить расчеты любого показателя или коэффициента. Как в статичном положении, так и в прогнозируемом движении.
-
Написать пакет для компьютерного управления станком или другим техническим оборудованием (ЧПУ).
-
Использовать 3D-принтер и воссоздать объемную модель для презентации или показательного конструирования.
-
Сделать рендеринг, то есть провести визуализацию макета – наложить несколько слоев текстуры, чтобы представить финальный внешний вид.
Первая в истории программа 3д моделирования SketchPad: что это такое
Третье измерение появилось благодаря трудам Ивана Сазерленда и Дэвида Эванса, которые в 1960-х открыли кафедру векторной и растровой графики и создали ПО, в котором можно было изучать пространство во всех его направлениях. Под эгидой этих ученых развивался студент Эд Катмулла – он создал первый 3D-макет, это был образ его собственной кисти руки. Развиваясь дальше, сисадмины, как бы мы теперь их назвали, создали свою компанию, где активно использовали свой продукт – софт SketchPad для рекламных логотипов.
Спустя время объемными чертежами заинтересовались физики, занимающиеся радиацией. Они с математической точностью воплотили способ трассировки лучей в расчет расстояний до той или иной точки объекта.
Но результаты моделирования оставляли желать лучшего, пока не появился более мощный компьютер. В 1981 году вышла линейка ЭВМ, оснащенных пакетом Geometry Pipelines, который существенно облегчил и ускорил работу с 3D моделями. С тех пор системы проектирования становились все лучше, но основной упор все еще уделялся автоматизированию стандартных чертежей. В этом преуспела компания Autodesk, появившаяся в 1982 году. Она выпустила ряд версий САПР, но функция трехмерного конструирования появилась лишь в AutoCAD Release 11 в 1990 году.
В течение 20 – 25 лет она занимала лидирующее место на рынке компьютерного моделирования, пока не ввела жесткую политику лицензирования и завышенные параметры ценообразования.
С тех пор каждый инженер ищет достойную альтернативу старой программе и находит ее.
Среди многообразия новинок есть достойные конкурентоспособные продукты:
-
Проверенный ZWCAD, который имеет встраиваемые модули для любой сферы деятельности:
Среди всех версий «ЗВкада» для объемного конструирования больше всего подходит пакет Professional. В нем вместе с базовыми функциями интегрированы дополнительные: это возможность взгляда на 3-д объект в перспективе – DVIEW и рендеринг части сцены.
Для более детального анализа трехмерной модели предназначен CADbro – это полностью настроенная на совместную работу всех отделов компании утилита, имеющая широкие функции правок, комментирования и проверок.
ZW3D – подготовлен для больших проектов со сложной геометрией. Мощное ядро – Overdrive – позволяет работать с тяжелыми файлами в режиме реального времени.
Встраиваемый модуль «ИНЖКАД» работает на базе ZWCAD Pro, но предназначен для инженеров, оснащен узкоспециализированным инструментарием. -
Не очень функциональный, но небесплатный Компас-3D.
-
Упрощенная программа NanoCAD, которая хорошо подойдет для обучения и новичков, но не для профи.
-
Софт BricsCAD, который имеет широкую базовую 2D комплектацию, но для объемной графики необходимо покупать расширение.
Среди всего многообразия каждый находит подходящий вариант ПО. Поэтому «Автокад» теряет свои прежние позиции, уступая место набирающим силу и приносящим свежие идеи компаниям.
Что такое план 3-д моделирования
Каждая работа не обходится без алгоритма действий. Часто последовательность условна, особенно в творческих профессиях, однако даже там конструирование объекта происходит по следующим этапам:
-
Создание математической модели. Ей предшествуют автоматизированные вычисления по заданным параметрам. Функции выстраиваются в виде прямых и изогнутых линий – это точный каркас всей объемной схемы.
-
Текстурирование – наложение внешних тканей. Здесь важно учесть свойства используемых материалов.
-
Освещение. Оно придает естественные тени и визуальную реалистичность.
4. Анимация, если она необходима. Если это статичный объект, то возможно показать, как он приходит во взаимодействие со сторонними элементами. На этом этапе дополнительно можно рассчитать трение, КПД и другие коэффициенты.
5. Устранение мелких недостатков и визуализация – вывод итогового объекта.
6. Дополнительным этапом может быть распечатка на 3Д-принтере.
История объемного моделирования развивается на наших глазах. Это технология будущего. Работать в формате 3D сейчас удобно, интересно и востребовано. Главное, выбрать подходящую программу для наиболее эффективного проектирования.
