Одесский учебно-воспитательный комплекс №53
“Общеобразовательная школа №53 1-3 ступени-лицей”
Одесского городского Совета Одесской области
Объемное компьютерное
моделирование
Автор проекта:
Ильина Анастасия
Руководитель проекта:
Учитель трудового обучения
Кошмак И.П.
Сроки исполнения:
Начало 05.11.2015
Конец 17.11.2015
Одесса 2015
СОДЕРЖАНИЕ
1. Что такое трёхмерная графика……………....3
2. История появления…………………………...4
3. Применение…………………………………...5
4. Рендеринг……………………………………...6
5. Трёхмерные дисплеи……………………....9
5.1Стереоскопические дисплеи……....10
5.2Наголовные дисплеи, видеоочки…..12
5.3Прочие дисплеи……………………….13
6. Кинотеатры с 3D………………………….....14
7. Программы для создания……………………16
8. Примеры объемного модулировании………17
9. Проблемные вопросы………………………..18
10. Выводы…………………………………….19
11. Литературные источники………………..20
Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions — «3 измерения») Graphics, Три измерения изображения) — раздел компьютерной графики, совокупности приёмов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.
Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
3D-моделирование — это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трёхмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.
Компьютерное моделирование в истории
Историческая информатика сегодня – это совокупность множества очень разных направлений, зачастую в корне отличающихся по содержательному наполнению, целям, которые ставятся перед исследователем и тем способам и методам, при помощи которых он этих целей достигает. Эти направления – своего рода субдисциплины - выделились в разное время и на сегодняшний день разработаны неодинаково. В этом смысле « повезло» концепции компьютерного моделирования – для нужд гуманитарных наук ее начали применять еще с 70-х гг. XX в., а сейчас это направление на Западе считается одним из самых «модных». Действительно, возможность моделирования исследователем событий, явлений и даже каких-то длительных процессов может стать для историка неоценимым подспорьем…и очень перспективным: границы возможностей моделирования с использованием искусственного интеллекта постоянно расширяются.
В МИД СССР со второй половины 70-х гг. проводилась научно-исследовательская работа по решению проблемы быстрой и качественной обработки данных по общественным наукам. Наиболее предпочтительным казалось использование для этих целей ЭВМ. Была создана (первая в мире!) система, «открывшая возможность автоматизировать предметно-содержательный анализ событийной и предметной информации» - Диалоговая информационная и аналитическая система по современным международным проблемам (ДИАС/СМП). Конца 80-х гг. в ряде государственных учреждений СССР начинают использование объектных моделей данных на основе СУБД «Кронос». Однако эти модели выполняли лишь задачи информационно – справочного характера и не были имитационными в строгом смысле слова, что, впрочем, объяснялось соответствующим уровнем развития (или, скорее, недоразвития) средств вычислительной техники в тот период. Тем не менее, именно в 70-80-х гг. возникли специальные методики анализа текстов и появились алгоритмы искусственного интеллекта. Примерно тогда же оформляется и новая дисциплина – когнитивная наука, которая «исследует методами компьютерного моделирования функционирование знаний в интеллектуальных системах…в определенной мере когнитивная наука связана с давними традициями герменевтики, которая в ее классическом варианте представляет собой совокупность интуитивных и формальных методов»
Применение
Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например, в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов),архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.
Самое широкое применение — во многих современных компьютерных играх, а также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.
Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трёхмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трёхмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи. Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трёхмерной графики. Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).
Рендеринг
На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок — кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена, по крайней мере, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно, и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).
Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:
Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);
Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) — расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);
Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;
Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.
Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing — к прямой.
Наиболее популярными системами рендеринга являются:
PhotoRealistic RenderMan (PRMan)
mental ray
V-Ray
FinalRender
Brazil R/S
BusyRay
Turtle
Maxwell Render
Fryrender
Indigo Renderer
LuxRender
YafaRay
POV-Ray
Вследствие большого объёма однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга, использующих GPU вместоCPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:
Refractive Software Octane Render
AAA studio FurryBall
RandomControl ARION (гибридная)
Cycles
Vray-RT
LuxRender
iray
Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).
Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиумеSIGGRAPH, традиционно проводимом в США.