Программы для визуализации

Внедрение компьютерных технологий в промышленности позволило значительно упростить работу с объёмными конструкциями. Системы 3d визуализации и проектирования объектов дают возможность наглядно увидеть формы, которые раньше были представлены на чертежах.

Назначение и технологии трехмерной цифровой графики

Перевод плоских изображений в пространственные значительно облегчил прикладные области науки. Благодаря этому удалось решить ряд задач:

• Зрительно представить детали. Для прочтения схем требуются определённые навыки и аналитический склад ума. После обработки понять, что нарисовано на картинке, сможет каждый.
• Моделировать конструкции. При двухмерной прорисовке сложных геометрических форм возникает много ошибок в стыковке отдельных элементов. Они могут стать причиной дополнительных затрат и переделок на этапе изготовления изделий.
• Согласовывать проектные решения. За счёт наглядного представления стало проще действовать смежным специалистам, которые должны прорабатывать свои разделы в рамках одного компьютерного файла.

Для реализации этих потребностей компания SGI создала библиотеки OpenGL. Они стали стандартом в области и активно распространяются в наше время. Разработки представляют собой инновационный интерфейс для аппаратного обеспечения, которое взаимодействует с графикой. Наибольшей продуктивности по кодированию информации удаётся достичь с использованием ускорителей. Ускоритель – это деталь компьютера, которая берёт на себя часть потока данных и разгружает процессор.

Первоначально алгоритмы разрабатывались фирмой для собственных нужд на рабочих станциях Iris. В дальнейшем они были интегрированы на все современные платформы. Сегодня считаются самыми универсальными и производительными.

Принцип действия основан на применении библиотек данных, которые выполнены на языке программирования С. Это позволяет работать с неограниченным количеством задач. Такой принцип усложняет взаимодействие с простыми элементами и стандартными формами. Но для современных разработок это большой плюс. Они могут без ограничений создавать собственные объекты, используемые в области, на которую распространяется софт.

OpenGL интегрируется в другие оболочки. Поддерживает следующие языки кодирования:

• Fortran;
• Python;
• Java;
• C++;
• Delphi.

Для отдельных областей науки и промышленности разработаны свои библиотеки простейших деталей и форм. Они дают возможность делать простые программы визуализации.

Компания Майкрософт для своих нужд создала аналог – приложение DirectX. Оно действует только в операционных системах Windows и активно применяется для проработки мультимедийных надстроек и игровых движков. Эта разработка не нашла распространения в области прикладных наук и ПО для проектирования. Причиной этому стала узкая направленность в развитии.

Создание реалистичных графических объектов

Описанные технологии позволили получить достоверное внешнее представление о трёхмерных деталях, конструкциях и даже персонажах в анимационных фильмах. Изображения получались объёмными, но ограничивались простыми фигурами и их сочетаниями. Несмотря на то, что операторам стали доступны сложные варианты исполнения, все они были безжизненными. Дизайн, мультипликация и другие направления, связанные с редактированием картинок, требовали большей проработки.

Для реализации этих потребностей была создана новая технология – рендеринг. Она выполняла отрисовку поверхностей по заданным моделям. Для этого прописали специализированные движки, которые можно разделить на два типа по принципу действия. Ниже опишем их принцип действия.

Biased rendering – с допущениями

Основаны на допущениях, которые может сделать приложение в процессе просчитывания пикселей. Работа выполняется по определённым критериям. Пользователь указывает конкретные значения, которые служат конечными показателями для системы. По этому принципу действуют:

• RenderZone;
• Artisan;
• V-Ray;
• FinalRender;
• Mental-ray.

Ориентация на оператора позволяет реализовать любые задачи – даже те, которые идут вразрез с законами физики. Есть возможность игнорировать структуры поверхностей, классическое направление светотени и другие эффекты. Негативная сторона этих нововведений – придется вводить все параметры самому.

Unbiased rendering – без допущений

В основе лежит отрицание допущений. Процесс графических вычислений производится по заданным физическим образцам. Детализация доводится до того уровня реалистичности, который будет приемлем для пользователя. Для этого используются следующие движки:

• Fryrender;
• Maxwell;
• Iray.

На их базе созданы программы для визуализации и рендеринга 3d моделей, которые обеспечивают лучшую детализацию итогового изображения. Они дают возможность добиться качества сопоставимого с фотографией. Эти технологии вычисления пикселей широко распространены в мультипликации и прорисовке спецэффектов для фильмов.

Оба варианта перечисленных алгоритмов применяются в софте для дизайна и проектирования. Они позволяют делать по заданным параметрам разный уровень прорисовки для одинаковых объектов. Один продукт обычно включает несколько модулей. Благодаря этому пользователь может сохранять конечный файл в разных форматах и степенях реалистичности.

Программы работают как самостоятельные приложения или используются в качестве интегрированных компонентов.

Обзор движков для визуализации графики

RenderZone

Плагин с поддержкой глобального освещения для создания 3D-изображений. Поддерживает три уровня рендеринга: простой, Z-буфер и рейтрейсинг. Распространяется как надстройка к form·Z.

Преимущества программного решения:

• Разнообразие функций для безупречной визуализации.
• Возможность применения кубических и сферических карт окружающей среды, прозрачных фонов, создания реалистичной картины неба.
• Функция эскизного рендеринга.
• Применение одного или нескольких источников света – в том числе природных, атмосферных и пользовательских.
• Final Gather для глобального освещения и более реалистичного изображения.

Artisan

Инструментарий для создания моделей виртуальных товаров или строений разного типа. Привлекает возможностью интеграции в существующие САПР, простотой настроек и эксплуатации. Artisan работает с технологией SnapShot, с помощью которой вы можете делать мгновенные снимки на всех стадиях проектирования, а позже возвращаться к ним.

FinalRender

Система, основанная на трассировке лучей. Она даёт возможность создавать эффекты, которые были недоступны в ранних версиях, построенных на принципе линейной обработки. Большим преимуществом является достижение полной интеграции в необходимые программные продукты. В стандартный пакет входят следующие библиотеки:

• Материалы.
• Освещение.
• Карты.
• Эффекты.
• Атмосфера.
• Утилиты.
• Модификаторы.

Модуль не требует перевода объектов в специализированный формат и полностью интегрируется в софт. Он работает с теми файлами, которые генерируются системой. Каждой поверхности присваивается своя текстура и другие настройки в рамках отдельного проекта.

В последних обновлениях FinalRender добавили опцию LumaObject. Она позволяет присваивать любым фигурам функцию светоиспускания. Это полезно при создании природных сцен и моделировании атмосферных явлений.

V-Ray

Движок был разработан в 2000 году в Болгарии компанией Chaos Group. В основу создания положили метод Монте-Карло. Наибольшее распространение приложение получило в качестве модуля к CAD среде. На его основе строятся многие программы для архитектурной 3d визуализации проектов домов. Благодаря возможности гибкого регулирования настроек и высокому соотношению качества детализации к скорости просчёта пикселей V-Ray стал популярным среди рядовых пользователей.

Софт ориентирован на широкий круг выполнения задач. Для того, чтобы достигать максимальной реалистичности, особое внимание уделяют освещению. В рендере V-Ray для этого предусмотрен ряд надстроек:

• Irradiance и Photon Map;
• Light Cache;
• Brute Force.

Они отвечают как за блики и тени на моделях, так и за светоиспускание. Отдельные объекты или их части служат источниками иллюминации.

Mental-ray

Движок является платформой для визуализации от немецких создателей. Он поддерживает сегментную систему вычислений пикселей. В ядре реализована распределительная схема взаимодействия. Она даёт возможность выполнять обработку сложных изображений и задействует до 8 локальных и 4 сетевых процессоров.

Основное преимущество рендера в достижении расширения его функционала. Сторонние программисты могут придумать самописные шейдеры, которые будут отвечать за реализацию специфических задач.

Вложенная библиотека материалов не является стандартной и требует адаптации в каждом отдельном случае. Поэтому при интеграции в сторонний софт потребуются дополнения для модуля.

Fryrender

Движок разработала компания Feversoft. Если выбирать, в какой программе сделать визуализацию природных явлений, то это приложение подойдёт наилучшим образом. Его особенность в том, что построение объектов производится в соответствии со всеми существующими законами физики.

После редактирования проекта система запускает механизм симуляции. Виртуальная камера считывает информацию и сопоставляет её с набором материалов и источников света. Подобный механизм действия лёг в основу современных 3d карт. Пользователи могут в реальном времени перемещаться в пространстве моделей и осматривать их под разными углами.

Рендер позволяет сопоставлять множество внешних факторов для того, чтобы поверхности выглядели реалистично. Работа дизайнера по расстановке источников освещения для каждой грани упрощается. Достаточно указать направление теней. Остальное компьютер выполнит сам. Это делает софт популярным и доступным для пользователей без особых профессиональных навыков.

Light Cache

Не используется как самостоятельное приложение, но широко применяется для интегрирования в другие подсистемы. Изначально разрабатывался для V-Ray. Отвечает за свет и его отображение на плоскости. Техника основана на глобальной иллюминации в рамках сцены.

Метод подразумевает множественную трассировку лучей. Каждый из них отражается от поверхности, запоминая освещённость в 3d структуре. Принцип действия во многом похож на фотонную карту, но имеет ряд существенных усовершенствований и преимуществ:

• Простота настройки. В инструментарии присутствует только одна камера, которая обеспечивает высокий уровень детализации.
• Эффективно работает с любыми источниками излучений, в том числе skylight и omni.
• Позволяет корректно отображать такие слабые места для других программ, как углы и области вокруг мелких элементов.
• Высокая скорость. При интеграции в другой софт Light Cache может быстро активироваться в режиме предпросмотра и показать предварительный результат.

Brute Force

Обладает универсальным алгоритмом действия, который способен справиться с любой задачей по визуализации графики. Это является бесспорным преимуществом. В противоположность выступает отсутствие встроенной адаптивности. Это вызывает необходимость использования всех ресурсов компьютера для просчёта даже небольших объектов.

Система активно применяется как дополнительный движок в тех случаях, когда другие устройства не справляются с возложенными на них обязательствами. Позволяет добиваться лучшей детализации, чем могут выдать другие приложения на максимальных настройках.

Рендеринг в проектировании

В условиях высокой рыночной конкуренции среди архитектурных и конструкторских бюро большое значение имеет время разработки строительной документации. Необходимость визуализации изображений требует использования модулей и программ для 3д моделирования. С активацией интегрированных надстроек в CAD-системы можно избавиться от дополнительных итераций и быстро выводить данные.

Создавая планировочные решения для промышленных, гражданских и жилых объектов, исполнители сталкиваются с необходимостью подготовки чертежей разного уровня деталировки. Для схем коммуникаций достаточно получить представление о взаимном пространственном положении отдельных частей магистралей. Дизайн интерьера требует фотореалистичного рендеринга.

Применение разных программ усложняет работу и делает её менее продуктивной. Для решения проблемы нужно совместить всё в единое приложение.

Использование комплекса ZWSOFT для визуализации

Основой для пространственной графики является ZW3D. Это универсальная CAD система, которая объединяет в себе выполнение задач на всех уровнях проектирования. При необходимости интегрируется со станками с ЧПУ. Предназначена для создания статических 3d моделей и подвижных деталей с возможностью их взаимодействия.

Для реалистичного внешнего отображения поверхностей предусмотрены библиотеки материалов. Чтобы упростить работу при создании специализированных однотипных конструкций, каждый может создавать собственные базы деталей и элементов.

Простой, интуитивно понятный интерфейс делает использование лёгким. Даже если приходится переходить на ZW3D с другого программного обеспечения, освоить его не составит труда. Поддержка базовых форматов позволяет пользоваться всеми старыми наработками.

Для получения фотореалистичных моделей подойдёт надстройка Artisan. Она содержит в своём составе широкую базу материалов и даёт возможность без специальных навыков превратить 3D в высококачественное изображение. Еще одно преимущество – применение компьютерной аппаратной OpenGL обработки данных. Благодаря этому можно оперативно получить результат на предпросмотре и относительно быстро вывести итоговую картинку в высоком разрешении.

Комплекс полностью совместим с распространёнными приложениями и позволяет осуществлять проектирование любой сложности.

В статье мы детально рассмотрели программы, которые понадобятся для визуализации объектов, разобрали базовые движки для рендеринга. Теперь каждый может выбрать нужные модули по своим потребностям или воспользоваться готовым решением, которое сэкономит время и силы.