Исследовательский проект Тема «3D моделирование и его применение»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
“Подолешенская Средняя Общеобразовательная Школа
Исследовательский проект
Тема: «3D моделирование и его значение для человека»
Автор работы: Гаврилюк Константин Васильевич
Руководитель: Кузубова О.Т.
2024г.
1
Оглавление
Введение ………………………………………………………….. стр. 3
История создания 3D- моделирования …………………………. стр. 4
Виды 3D- моделирования ………………………………………. стр.6
Применение трехмерного моделирования………………………стр. 9
Практическая работа………………………………………………стр.13
Заключение ………………………………………………………. стр.14
Литература ……………………………………………………….. стр.15
2
Введение.
Раскрывая научные открытия трехмерного моделирования, можно с
уверенностью сказать, что данное исследование является актуальным и
востребованным. Эти открытия нашли свое применение в повседневной
жизни, оказывая влияние на различные сферы деятельности человека,
начиная от дизайна и компьютерных игр, и заканчивая медициной, наукой и
промышленностью.
Однако не следует останавливаться лишь на этих открытиях, поскольку
трехмерное моделирование открыло путь к проведению дальнейших
исследований, связанных с использованием 4D и 5D технологий. Несмотря
на это, пока 3D технология достигла наиболее развитого уровня.
Уникальность этой работы заключается в применении трехмерного
моделирования в повседневной жизни человека, что позволяет эффективно
решать
Цель
самые
данного
исследования
сложные
заключается
в
изучении
задачи.
трехмерного
моделирования, его научных открытий и применении в повседневной жизни
человека.
В рамках поставленной цели исследовательского проекта решаются
следующие
задачи:
- проанализировать и обобщить историю применения трехмерного
моделирования;
- рассмотреть основные типы трехмерных моделей, начиная от простых и
заканчивая
сложными;
- выявить применение трехмерного моделирования в профессиональной
деятельности человека.
Практическая
Применение
значимость
трехмерного
моделирования в самых различных сферах жизни человека, начиная
от дизайна и заканчивая медициной и промышленностью, имеет
огромное практическое значение и потенциал. Исследование глубоко
проникает в повседневную жизнь людей, превращая их идеи и
концепции в реальность. Это позволяет эффективно проектировать и
разрабатывать продукты, усовершенствовать искусственные органы,
создавать инновационные промышленные решения. Стремительное
развитие
трехмерного
моделирования
открывает
перед
нами
огромные возможности для усовершенствования и улучшения нашей
жизни.
Из истории трехмерного моделирования
История развития трехмерного моделирования тесно связана с работами
великих древних ученых-математиков, таких как Евклид, Виет и Декарт.
Евклид заложил основы математики и геометрии в своих 13-томных трудах,
которые впоследствии были использованы для создания трехмерного
моделирования. Виет внес значительный вклад в разработку методов
нахождения
корней
квадратичного
уравнения.
Коэффициенты
и
неизвестные, обозначаемые как a, b, c, x, y или z, как принято сейчас, были
предложены Виетом. Декарт создал двухмерную систему координат и
декартово произведение, которые в настоящее время применяются в 2D и
3D технологиях. Его исследования в аналитической геометрии сыграли
важную роль в развитии трехмерного моделирования и применении
функций в математике, программировании и компьютерной графике.
Российские ученые Борис Делоне и Георгий Вороной также сделали
значительный вклад в развитие трехмерного моделирования в начале XX
века. Предложенный Делоне метод триангуляции и диаграмма Вороного по
сей день используются в анализе данных и кластеризации объектов. С
4
использованием научных открытий, прогресса в технике и информационных
технологиях,
современные
видеокарты
стали
невероятно
мощными,
позволяя использовать более 4 миллиардов транзисторов. Благодаря 3D
моделированию, ученым удалось моделировать процессы, которые имеют
применение в различных науках, таких как химия, физика, нано электроника
и медицина. Различные виды 3D моделирования, такие как полигональное,
сплайновое и скульптурное, находят применение в повседневной жизни
людей.
Полигональное 3D – моделирование Полигональное 3D-моделирование
является
классическим
способом
создания
трехмерных
моделей,
основанным на ручном вводе координат X, Y, Z. Эти координаты
определяют ключевые точки в пространстве, которые затем соединяются
ребрами, образуя многоугольники, так называемые полигоны. Каждый
полигон имеет свою уникальную текстуру, форму и цвет, что делает модель
визуально
привлекательной
и
реалистичной.
Любая полигональная фигура состоит из граней, объединенных в один
элемент с помощью вершин. Вершины являются точками, соединяющими
ребра, а сами ребра являются линиями, соединяющими грани. Грани, или
полигоны, представляют собой плоскости, состоящие из треугольных или
четырехугольных ячеек, которые образуют сетку. Важно отметить, что
количество ячеек не ограничено и может варьироваться в зависимости от
сложности
модели.
Основу модели, независимо от ее сложности, составляет каркас, или
ограничительная структура, которая позволяет редактировать модель,
изменять ее форму, перемещать и т.д. Это делает полигональное
моделирование удобным инструментом для создания трехмерных объектов.
Однако, следует учитывать, что для достижения высокой степени
5
детализации и реализма объекта, количество полигонов должно быть
значительным. Это является недостатком данного подхода, но не мешает
ему продолжать применяться в различных сферах повседневной жизни.
Область применения полигонального моделирования весьма разнообразна:
от проектирования персонажей, растений и животных до создания сложных
архитектурных форм зданий и сооружений. Этот метод позволяет воплотить
в жизнь самые разнообразные идейные и технические решения, делая его
незаменимым инструментом в мире трехмерной графики.
Сплайновое моделирование моделирует не отдельные полигоны объекта,а
кривые для создания поверхности – используя основу сплайнового каркаса.
А затем формируется трехмерная поверхность, которая и огибает данный
каркас (см. рисунок ).
Такие поверхности применяются для
моделирования сложных объектов,
которые не имеют граней (при создании
моделей автомобилей, животных или
людей) – то есть получается сплайновое
моделирование является более точным и
при масштабировании объекта (изменения
размера) качество объекта не меняется. Сплайновое моделирование имеет
очень широкое применение при создании органических моделей в
компьютерных программах: растений, людей и животных – но также данное
направление можно наблюдать в дизайне.
Скульптуринг – это новое направление в
3D
геометрии
создании
и
цифровой
моделировании.
модели
При
пользователь
взаимодействует с виртуальным объектом
точно так же, как скульптор с реальной
глиной, а виртуальный материал можно
6
тянуть, толкать, скручивать или сжимать для создания необходимой модели
(см. рисунок ).
7
В скульптуринге имеются следующие возможности: добавление или
удаление
лишних
слоев,
деформирование
модели
при
помощи
определенных инструментов – что позволяет сделать процесс был
максимально комфортным для человека.
В дальнейшим эти 3D моделирование стало основой 3D геометрии,
которая стала использовать знания об уже известных фигурах в
компьютерных программах, нацеленных на 3D моделирование.
3D моделирование или геометрия позволило не только создать объемные
объекты при помощи компьютерных программ, но и добавить определенные
свойства визуализации (звук, видео и т.д.) – это позволяет использовать эти
свойства в дизайне, информационных технологиях, медицине, архитектуре
и других областях человеческой деятельности. [2]
Применение трехмерного моделирования
3D моделирование
может применяться в различных направлениях
человеческой деятельности, среди которых: дизайн, индустрия развлечений,
кинематограф, реклама, медицина, строительство и другие. Рассмотрим
подробно каждое направление.
Реклама и маркетинг.
Любимые зверушки, говорящие продукты питания или узоры, в считанные
мгновения появляющиеся на стенках рекламируемого гаджета – все это
8
делается
для
потребителей.
используют
привлечения
Все
чаще
внимания
маркетологи
3D-визуализацию
создавая анимационные рекламные
объектов,
ролики.
Съемки в реальных условиях не дают такой
привлекательной картинки, как с применением
анимации.
Преимущества использования трехмерной визуализации в рекламе:
позволяет создать вымышленных героев;
3D-объект выглядит более привлекательно, чем в реальной жизни, лучше
передает необходимые качества предлагаемого продукта;
дает возможность создать готовый макет рекламного баннера
и
посмотреть, как он будет выглядеть.
Кинематограф, компьютерные игры, анимация.
В кинематографе и игровой индустрии 3D-визуализация прижилась и
укоренилась, видимо, навсегда. Современному человеку трудно представить
любимую игру без трехмерных персонажей, а очередной фильм – без 3Dграфики.
Процесс
создания
визуальной
модели объекта в данной сфере
состоит из нескольких этапов
Моделирование – создание 3Dобъектов.
Текстурирование – нанесение текстур на трехмерную модель.
Риггинг – создание «виртуальных» костей, скелета будущего персонажа.
Анимация – «оживление» трехмерной модели.
Рендеринг – переформатирование графической модели в запись.
Композитинг – вставка персонажа в кадр или сцену, добавление
спецэффектов, устранение дефектов и т.д
3D-визуализация
–
процесс создания объемного изображения,
9
вымышленного
или
максимально
приближенного
к
реальности.
Возможности данной технологии неограниченны – можно создавать объекты
любых форм и размеров, экспериментировать с цветами, изменять и
трансформировать. Однако главное преимущество трехмерной визуализации
заключается в том, что она позволяет создать макеты впечатляющих образов,
удивительных картин и замысловатых персонажей, которые рождаются в
воображении человека.
Медицина
Однако кроме развлечений, 3D моделирование применяют в медицинских
целях, а именно: компьютерная томография и протезирование. Сканирование
в 3D формате помогает обнаружить дефекты тканей, органов, которые не
были замечены при проведении
других
обследований,
и
выявить проблемные больные
органы, а в некоторых случаях
проводить
серьезные
медицинские операции .
Геометрическое 3D протезирование позволяет создавать идеальный
имплантат, который подходит по всем параметрам без дополнительных
изменений. Такие технологии помогают смоделировать слуховые аппараты,
протезы конечностей, а в некоторых случаях даже создать искусственный
сердечный клапан. [3].
Дизайн интерьера, архитектура, строительство.
Сегодня
3D-визуализация
дома
–
важный
этап
перед
началом
строительных работ. Данная технология позволяет посмотреть на готовый
объект и внести изменения при необходимости.
Трехмерная визуализация используется при создании дизайна интерьера,
где каждая деталь представляется в виде объемных изображений .
10
Презентация проекта по ландшафтному или внутреннему дизайну
помещения уже не обходится
без 3D моделирования. Это
позволяет
заказчику
и
дизайнеру
просмотреть
каждую
проекта
деталь
в
ретроспективе и под разными
углами.
Наука и промышленность
Наука и промышленность также применяет
3D моделирование
для
проектирования технических изделий.
Современные
проектируемого
технологии
объекта,
позволяют
максимально
создать
приближенного
визуализацию
к
реальному
устройству, оценить его наглядно. Трехмерная модель будущего механизма
ускоряет и облегчает работу инженера-конструктора, избавляя его от
процесса черчения.
Часто заказчики требуют
продумать
необычный
дизайн бытовых предметов.
В данном случае процесс
визуализации
помогает
продемонстрировать
дизайнерское решение. [3]
Подводя итог обзору 3D моделирования можно с уверенностью сказать,
что повышается уровень востребованности 3D технологии, которые
развиваются, усложняются и все больше внедряются в нашу повседневную
жизнь. Трехмерное моделирование позволяет создать очень точную модель,
максимально приближенную к реальности, высоко детализировать объект и
11
исправить все просмотренные нюансы модели. [3]
Практическая работа
Рассмотрев и изучив тему 3D моделирования, я узнала, что существует
множество техник, способов и методов создания 3D моделей.
Меня заинтересовало полигональное моделирование. Чтобы
склеить
объёмную 3D -модель из бумаги, сначала нужно выполнить её развёртку.
Представляю вашему вниманию свои работы.
Заключение.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
Применяя научные открытия ученых в 3D моделировании, прогресс
техники и информационных технологий привел к тому, что создание 3D
модели определенной задачи способен решать большинству научных,
производственных и медицинских вопросов.
3D моделирование позволило не только создать объемные объекты при
помощи компьютерных программ, но и добавить определенные свойства
визуализации (звук, видео и т.д.) – это позволяет использовать эти свойства в
дизайне, информационных технологиях, медицине, архитектуре и других
областях человеческой деятельности.
Трехмерное моделирование позволяет создать очень точную модель,
максимально приближенную к реальности, высоко детализировать объект и
исправить все просмотренные нюансы модели.
12
Список используемой литературы.
1. История 3 D геометрии // URL:
https://www.hse.ru/news/communication/150125816.html
2. 3D моделирование // URL: https://proudalenku.ru/3d-modelirovanie/
3. Области применения 3D модели // https://3d-stl.store/articles/stati_12.html
4.Области применения 3D-технологий в современном мире //URL:
https://ucvt.org/blog/oblasti-primeneniya-3d-tehnologij-v-sovremennom-mire
5.Программы, технологии
и
процесс
3D-моделирования
//
URL:https://stankiexpert.ru/tehnologii/3d-modelirovanie.html
6.Геометрия
трехмерных
объектов
//
URL:
https://professorweb.ru/my/WPF/graphics_and_animation/level27/27_3.php
13