Почему сложно получить трехмерную модель стеклянной поверхности

Трехмерное моделирование в современном мире

Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».

Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.

3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.

Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:

• Индустрия развлечений
• Медицина (хирургия)
• Промышленность

Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.

Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте каково будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?

Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.

Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.

Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.

Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.

Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.

По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.

У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).

Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.

По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.

Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.

Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.

CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.

Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.

Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.

ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.

В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.

(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)

• Сделать чертежи
• По ней можно написать программу для станков с ЧПУ,
• Ее можно параметризировать (это когда изменяя 1 параметр можно изменить модель без переделки)
• Можно проводить прочностные и другие расчеты.
• Ее так же можно послать на 3д печать (и качество будет лучше)
• Сделать рендер.

• 2 основных вида моделирования.
• Разобрали отрасли применения.
• Разобрали возможности каждого метода и его назначение.
• Разобрали базовые типы моделирования в CAD и некоторые нюансы.

Создание материалов и текстур для трехмерных моделей:

Процесс производства продукта с использованием технологий трехмерной компьютерной графики состоит из нескольких этапов. Одним из важнейших и обязательных этапов является этап создания трехмерных моделей, которые в будущем и будут являться частью рассказываемой истории. Причем абсолютно не важно, для чего именно создаются трехмерные модели или в какой индустрии их будут использовать. Ведь главная задача трехмерных моделей — создать ощущение реальности, заставить зрителя поверить в то, что он видит на экране и быть всецело во власти рассказываемой истории. В конечном итоге, трехмерная графика — это всего лишь один из способов донести до зрителя историю, придуманную сценаристом.

Но под короткой фразой «создать трехмерные модели», кроется гораздо более сложный процесс производства. Очень важной составляющей в этапе создания трехмерных моделей является создание материалов и текстур для трехмерных моделей.

Рекламный постер короткометражного фильма «Архитип» Арона Симса, главную роль в котором «играет» персонаж, полностью созданный средствами трехмерной компьютерной графики.
Copyright © 2012 Aaron Sims

Общая информация

Прежде чем трехмерная модель появится на экране кинотеатра, телевизора или монитора, ее должны создать. Как правило, под термином «создать модель», подразумевают поочередное прохождение следующих этапов производства:

1. Создание образа будущей модели.
2. Создание геометрической формы трехмерной модели.
3. Создание набора текстур для модели и настройка материалов.
4. Настройка скелета и оснастки трехмерной модели.
5. Анимация модели.

Два последних этапа производства присутствуют только в случае, если трехмерная модель будет персонажем. Если же она просто деталь окружения, то есть мира, в котором разворачиваются события, то для создания такой модели, как правило, достаточно только первых трех шагов.

Создание образа модели выполняет художник по концептам (concept artist) отталкиваясь от словесного описания режиссера или сценариста. Полученные наброски передаются моделеру (modeling artist) для того, чтобы он создал трехмерную геометрическую форму модели. На этом первые два шага в процессе производства трехмерной модели заканчиваются, но этого еще недостаточно для того, чтобы модель можно было использовать в финальном проекте.

Дело в том, что после этапа моделирования модель имеет только лишь правильную геометрическую форму, т.е. собака является собакой, автомобиль — автомобилем, но у модели напрочь отсутствуют материалы, которые и предают ей ее уникальные характеристики, а так же делают модель реалистичной. Именно после создания и назначения материалов, трехмерная модель собаки имеет черный окрас шерсти, а автомобиль покрашен красным цветом и имеет коричневый кожаный салон. Без материалов трехмерная модель выглядит серой и безликой, а вот именно материалы и вдыхают в трехмерные модели жизнь.

Пример трехмерной модели механического солдата будущего. Левая часть — чистая трехмерная модель, правая часть — законченная модель с назначенными материалами.
Copyright 2011 © Mike Jensen
Источник: http://eat3d.com/zbrush_hardsurface

Создание и настройка материалов

Что же такое «материалы», которые так нужны трехмерным моделям? Под этим термином подразумевается описание набора свойств поверхности. То есть материал хранит внутри себя описание того, какими свойствами (параметрами) обладает поверхность. Это такие свойства, как: цвет поверхности, глянцевитость или матовость, наличие или отсутствие рельефа, отражение, прозрачность, свечение и т.п.

Материалов существует огромное количество и каждый из них обладает своими, присущими только ему, наборами свойств (параметров). Для каждой трехмерной модели создаются свои материалы. Например, для модели стеклянного фужера нужен всего лишь один материал со свойствами цвета, прозрачности и отражения. А для трехмерной модели человека, нужно несколько материалов. Один для кожи со свойствами цвета, глянцевитости и рельеф, другой для волос, со свойствами цвета, глянцевитости, рельефа и прозрачности, а третий для глаз, со свойствами цвета, отражения и прозрачности.

Материалы создают художники по текстурам (texture artist), а так же могут создавать моделеры или же специалисты по настройке рендера (lighting/shading artist). В крупных компаниях процесс создания геометрической формы трехмерной модели и создание материалов для нее могут выполнять разные специалисты. В небольших компания всю работу по полному циклу производства модели, чаще всего, выполняет моделер.

Пример внешнего вида различных материалов, которые используются для назначения трехмерным моделям.
Источник: http://www.vray-materials.de

А вот создают и настраивают материалы обычно в тех же программах, в которых и создается геометрическая форма трехмерной модели. Это такие пакеты, как: Maya, Softimage, 3dsMax, LightWave 3D, Cinema 4D, Blender, Houdini, Modo и многие другие. Как правило все эти программы предоставляют удобный интерфейс для работы с материалами. А сам процесс работы сводится к тому, что художнику нужно подобрать правильное значение того или иного параметра в конкретном материале для того, чтобы он точнее соответствовал нужной поверхности.

Значения параметров материала художник может менять несколькими способами. Первый способ — это цвет. Например, красный плащ, выглядит красным из-за того, что параметр цвета в материале, который назначен геометрии плаща, задан именно красным цветом. Второй способ изменить или задать параметр материала — это цифровое значение. Например, свойство прозрачности в материале может задаваться числом в диапазоне от 0 до 100, где 0 — означает что модель полностью прозрачна, а 100 — означает, что модель не прозрачна. В то же самое время, значение 68 — сделает модель частично прозрачной. И третий способ — это использование текстур. Например, просто присвоив текстуру с изображением ландшафта трехмерной геометрии ландшафта, мы сразу заставим нашу трехмерную модель выглядеть как ландшафт. Именно третий способ настройки материала используется чаше всего при создании сложных типов материалов.

Пример настройки материалав ПО Autodesk Maya.
Источник: http://www.polycount.com/forum/showthread.php?t=94077

Использование текстур

Текстуры во всех пакетах занимающихся работой с трехмерной графикой делятся на два типа:

• растровые текстуры;
• процедурные текстуры.

Растровые текстуры — это обычные растровые изображения, которые можно получить любы способом: фото, видео технику, сканирования изображений, самостоятельное создание в редакторах растровой графики, таких как Adobe Photoshop, Gimp и др.

Процедурные текстуры — это текстуры, рисунок которых получается благодаря определенному алгоритму (математической формуле). Как правило, такие текстуры бывают не очень детализированными, но очень удобны при получении сложных материалов, где их используют для смешивания между собой растровых текстур.

Чаще художники по текстурам используют именно растровые изображения для создания материалов трехмерных моделей. И тут очень важно помнить об одной особенности растра. Она заключается в том, что качество растрового файла ограничено его размером. Чем больше ширина и высота картинки (изображения), тем выше вероятность того, что материал будет отображаться в качестве при любой степени приближения камеры к поверхности модели. Поэтому современные модели обычно используют текстуры размером минимум 2k (2048 пикселя), а в идеале, хотя бы 4k (4096 пикселя) и даже больше.

При использовании текстур, как составной части материала модели, обязательным является создание текстурной развертки трехмерной модели. Если для материалов, которые созданы без использования текстур, и даже в некоторых случаях при использовании процедурных текстур, создание текстурной развертки не является обязательным требованием, то для растровых текстур это необходимое требование. Поэтому до того, как для трехмерной модели создадут текстуры, ей должны сделать развертку текстурных координат.

Развертка текстурных координат

Для создания трехмерных моделей существует огромное количество инструментов и каждый пакет для моделирования обладает своим инструментарием для выполнения этой задачи. Есть моделирования на базе сплайнов, моделирование с помощью NURBS-кривых, полигональное моделирование, моделирование Sub-D поверхностями, но обычно в самом конце, модель преображают в полигональную сетку. И одна из причин такого конвертирования кроется в том, что для полигонального каркаса не так сложно можно создать развертку текстурных координат.

Под термином развертка (unwrap) — подразумевается процесс создания для каждого полигона трехмерной модели его отображения (проекции) на плоскости координат. Модели, которые создают, являются геометрическими формами расположенными в трехмерном пространстве, а текстуры — это плоские изображения. Развертка позволяет решить вопрос с тем, как на трехмерную геометрию нанести плоское (двумерное) изображение.

Для создания разверток можно использовать как программы, занимающиеся моделированием объектов, так и специализированные программы, которые выполняют исключительно создание разверток. Примерами программ второго типа являются программы: headus UVLayout, Ultimate Unwrap 3D, UVMapper, Unfold 3D.

Есть несколько требований к развертке текстурных координат:

1. Размер полигонов на сетке текстурных координат должен соответствовать или приближаться к размеру полигона на трехмерной геометрии. Иначе текстура на поверхности модели может быть искажена (сжата или растянута).
2. Нужно попытаться как можно эффективнее занят пространство текстурного квадрата (места, где расположена развертка текстурных координат), иначе это приведет к ухудшению качества отображения текстуры.
3. В большинстве случает запрещены наслоения (наложения) одних текстурных координат с другими. Исключением являются только симметричные, а порой и одинаковые части модели.
4. Нужно стараться делать как можно меньше швов (мест разделения текстурных координат) на видимых частях модели.

После того, как развертка модели готова, художник по текстурам может заняться созданием набора текстур.

Пример развертки текстурных координат (справа) для трехмерной модели пистолета (слева).
Источник: http://www.polycount.com/forum/showthread.php?t=80947

Создание текстур для трехмерной модели

В данный момент существует два основных способа создания текстур для материала, который в будущем будет назначен трехмерной модели.

Способ первый — это создание текстур в редакторах растровой графики (Adobe Photoshop, Gimp, Painter и т.п.) с нуля или же используя готовые растровые изображения (фотографии, рисунки и т.п.).

Способ второй — создание текстур в специализированных программа для рисования текстур сразу на поверхности трехмерной модели.

Оба способа сейчас активно используются. И у одного, и у второго, есть свои сторонники и противники. И одним, и вторым способом, можно получать качественные текстуры для моделей.

До появления специализированных программ, текстуры рисовали только в редакторах растровой графики по шаблону текстурной раскладки. Этот процесс и сейчас применяют для различных моделей. Единственным недостатком такого способа является то, что в случае наличия шва на модели (места, где разделяются текстурные координаты), художнику нужно его идеально проработать, чтобы он был не заметен на поверхности трехмерной модели. Хотя если швы сделаны правильно, их можно даже и не заметить.

Пример трехмерной модели «дрона» (слева) и набора текстур (справа) созданного в Adobe Photoshop.
Источник: http://nickolasjjackson.com/?p=107

С выходом специализированного программного обеспечения, которое позволяет создавать текстуры прямо на поверхности трехмерных моделей, многие художники по текстурам, особенно те, кто занимается разработкой персонажей, т.е. созданием органических моделей, отказались от использования растровых редакторов и предпочитают создавать текстуры именно в этих программах. Конечно, они тоже используют растровые редакторы для выполнения дополнительных корректировок, но все же основную работу делают в специальном ПО.

Примером таких программных решений являются пакеты: MARI, Mudbox, Zbrush, 3DCoat, BodyPaint 3D. Главная особенность этих программ заключается в том, что они сами решают проблему швов и дают возможность художнику полностью сосредоточиться на творческой стороне процесса. Немаловажным является и тот момент, что эти программы не только позволяют создавать текстуры разных типов, но и мгновенно видеть как та или иная текстура оказывает влияние на модель.

Процесс текстурирования (создания текстур) трехмерной модели в Autodesk Mudbox.
Источник: http://pencilandcomputer.blogspot.com/

Типы текстур

Еще одним немаловажным моментом при создании текстур является создание текстур различных типов. Как было сказано выше, в материале, который будет присвоен модели, есть различные параметры и каждый из них по своему влияет на внешний вид материала. Есть параметры цвета, бликов, отражения, рельефа и многие другие. И для каждого из этих параметров должна быть создана своя текстура. Некоторые параметры материала понимают и работают с цветом, поэтому им требуется текстура цветная. А вот некоторые не понимают цвета пикселя и им нужна текстура в градации серого цвета. Поэтому, как правило, для трехмерной модели создается целый набор текстур. Обычным стандартным набором текстур являются текстуры:

• цвета (color или diffuse) — определяет какого цвета будет участок модели;
• бликов (specular) — показывает глянцевые или матовые части модели;
• шероховатости (bump или normal bump) — создает иллюзию рельефа поверхности;
• рельефа (displacement) — создает настоящий рельеф на поверхности;
• прозрачности (alpha или opacity) — позволяет получить прозрачные или полупрозрачные участки на поверхности модели.

В тех или иных случаях этот список может быть расширен дополнительными текстурами. И только после того, как все текстуры будут созданы можно настроить материал и присвоить его трехмерной модели. Именно после этого этапа, серая и безликая трехмерная геометрия оживает. После этого всем ясно, что представляет из себя та или иная часть модели, из чего она сделана и как выглядит.

Пример набора текстур для трехмерной модели. Diffuse map — текстура цвета. Specular color map — текстура глянцевости. Normal map — текстура рельефа. Mask map — текстура прозрачности.
Источник: http://fanxuart.wordpress.com/3d-art/character-texture/

Теперь модель может быть передана дальше по производственной цепочке аниматору, который еще больше «оживит» ее, создав для нее наборы анимационных циклов и фаз движений. А этап текстурирования на этом можно считать завершенным.

Расскажите о своем проекте:

Подумайте дважды, прежде чем обращаться к нам. Если хотите работать с нами, то будьте готовы к нашему независимому мнению, высоким бюджетам и требовательному подходу к работе.

Теоретические основы поверхностей

Модель 3D поверхности является цифровым отображением пространственных объектов, как реальных, так и гипотетических, в трехмерном пространстве. Простыми примерами 3D поверхностей являются ландшафты, городские улицы, подземные газовые хранилища или сеть колодцев с указанием их глубины, которую можно использовать для определения глубины водоносного слоя. Все эти примеры являются реальными объектами, но поверхности также могут быть вычисленными или воображаемыми. Пример вычисленной поверхности – уровень загрязнения воды определенным видом бактерий в каждом колодце. Карта такого загрязнения также может быть представлена в виде 3D поверхности. Вымышленные 3D поверхности – поверхности, которые часто встречаются в видеоиграх или компьютерных симуляциях.

3D поверхности обычно вычисляются с использованием специальных алгоритмов, которые обрабатывают исходные точечные, линейные или полигональные данные и конвертируют их в цифровую 3D поверхность. ArcGIS может создавать и хранить четыре типа моделей поверхности: растровые, наборы данных TIN и terrain, и наборы данных LAS.

Эти модели поверхностей могут быть созданы из множества разных источников данных. Два основных метода создания моделей поверхностей – интерполяция и триангуляция. Существует несколько методов интерполяции для создания растровых поверхностей, таких как Обратно взвешенные расстояния (Inverse Distance Weighted), Сплайн (Spline), Кригинг (Kriging) и Естественная Окрестность (Natural Neighbor). Вы можете построить триангуляционные поверхности, создав TIN, набор данных terrain или набор данных LAS. Также вы можете использовать конвертацию между этими моделями поверхностей.

Растры, TIN, наборы данных terrain и наборы данных LAS являются различными типами функциональных поверхностей. Функциональная поверхность – это непрерывное поле значений, которые могут меняться в бесконечном количестве точек. Например, точки любого района поверхности Земли могут отличаться по высоте, близости к объекту, или по концентрации какого-либо элемента. Любые из этих значений могут быть представлены по оси z в трехмерной системе координат x,y,z, поэтому они часто называются z-значениями.

Модели поверхностей позволяют хранить информацию о поверхности в ГИС. Поскольку поверхность может содержать бесконечное количество точек, невозможно измерить и записать z-значения в каждой точке. В модели поверхности используется аппроксимация поверхности по отдельным значениям, взятым в различных точках поверхности, с последующей интерполяцией значений между этими точками.

На рисунке ниже показана модель поверхности концентрации химических веществ в заданной области. Точками указаны места, где были получены значения концентрации.

Растр

ГИС-данные в основном делятся на два основных типа: растровые и векторные. Векторные данные определяются точками, линиями и полигонами, а также их взаимосвязями, которые и составляют геопространственные данные. Пространственные объекты реального мира и поверхности могут отображаться в ГИС с помощью векторных данных. Растровые данные представляют собой прямоугольный массив ячеек, организованных в строки и столбцы. Каждая ячейка отображает квадратный участок земной поверхности и содержит значение, которое постоянно в любом месте ячейки. Поверхность может быть представлена в виде растровых данных, где каждая ячейка данных отображает некое значение, основанное на информации о реальном объекте. Это могут быть данные высот, уровень загрязнений, высота водоносного слоя и т.д.

Растровые данные могут быть разделены на подкатегории, такие как тематические данные, изображения и непрерывные данные. Поверхности, представленные растровыми данными, являются формой непрерывных данных. Непрерывные данные также называются полями, не дискретными (непрерывными) данными или данными поверхности. Непрерывная поверхность отображает явление, в котором каждая точка поверхности является мерой плотности, мерой отношения к некой фиксированной точке пространства или отношением к точке происхождения.

Модели высот являются одним из примеров растровых моделей поверхности. Высоты, полученные фотограмметрическими методами, могут служить фиксированными точками, интерполяция значений между такими точками формирует цифровую модель рельефа (DEM). Поскольку растровые поверхности обычно хранятся в формате грид, с ячейками одинакового размера, чем меньше размер ячейки, тем выше точность грида. На рисунке ниже сравниваются грид с высокой точностью (слева) и грид с низкой точностью (справа).

Точность размещения отдельных пространственных объектов – например, вершины горы – непосредственно связана с размером ячеек грида. На примере, показанном выше, слишком загрубленные данные поверхности отображаются в виде плоской, двумерной модели поверхности. Растровые поверхности для 3D изображений можно генерировать или моделировать с помощью иных источников изображений, например, с помощью DEM с отмывкой в высоком разрешении (ниже).

Растровая поверхность – это непрерывное поле значений, которые могут меняться в бесконечном количестве точек. Например, точки любой области могут отличаться по высоте, близости к объекту, или по концентрации какого-либо элемента. Любые из этих значений могут быть представлены по оси z в трехмерной системе координат x,y,z для создания 3D поверхности.

Данные растровой поверхности отображают поверхность в виде грида ячеек одинакового размера, которые содержат атрибутивные значения для представления z-значения и координат x,y.

При использовании в работе дополнительного модуля ArcGIS 3D Analyst extension вы, скорее всего, будете использовать или создавать большое количество наборов растровых данных. Поэтому, при работе с растрами, необходимо понимать, каким образом 3D Analyst отображает растровые наборы данных.

TIN

Нерегулярные сети триангуляции (TIN) используются в ГИС в течение многих лет и являются способом цифрового отображения структуры поверхности. TIN является формой векторных цифровых географических данных, которые строятся методом триангуляции набора вершин (точек). Вершины соединяются серией ребер и формируют сеть треугольников. Существуют различные методы интерполяции для формирования этих треугольников, например триангуляция Делоне. ArcGIS поддерживает метод триангуляции Делоне.

Полученная триангуляция соответствует критерию треугольников Делоне, который требует, чтобы внутри окружности, описанной вокруг любого треугольника в сети, не содержалось более ни одной вершины треугольника. Если критерий Делоне соблюдается по всему TIN, минимальный угол всех углов всех построенных треугольников максимизируется. В результате, исключается появление «тонких» треугольников.

Ребра TIN формируют непрерывные, непересекающиеся грани треугольников, и могут использоваться для определения положения линейных пространственных объектов, играющих важную роль в построении поверхностей, например, для линий хребтов или направлений водотоков. На рисунке ниже показаны узлы и ребра TIN (слева) и узлы, ребра и грани TIN (справа).

Поскольку узлы могут располагаться на поверхности нерегулярно, TIN может иметь более высокое разрешение в тех областях, где поверхность крайне неравномерна или нужна большая детализация, и более низкое разрешение, если поверхность однородна.

Входные пространственные объекты, использующиеся для создания TIN, остаются на тех же местах, где располагаются узлы и ребра TIN. Это позволяет TIN сохранить точность входных данных при одновременном моделировании значений, расположенных между известными точками. Вы можете с высокой точностью расположить на поверхности пространственные объекты – например, горные пики, дороги и реки – использовав их в качестве входных данных для узлов TIN.

Модели TIN не так широко доступны, как растровые модели поверхностей, и требуют больше времени для построения и обработки. Стоимость получения высококачественных исходных данных может быть достаточно высока, а обработка TIN, из-за сложности их структуры, несколько менее эффективна, чем обработка растровых данных.

Сети TIN обычно используются для моделирования небольших областей с очень высокой точностью, например в инженерных приложениях, где их использование позволяет проводить вычисления планиметрический площади, площади поверхности и объема.

Набор данных Terrain

Данные дистанционного зондирования высот, полученные с помощью LIDAR и SONAR, исчисляются сотнями тысяч или даже сотнями миллионов точек. Работа с данными такого типа достаточно сложна для существующего на данный момент программного и аппаратного обеспечения. Наборы данных terrain позволяют создавать наборы правил и условий, которые используются при индексации исходных данных для построения упорядоченных TIN-пирамид «на лету».

Наборы данных terrain являются эффективным способом управления большими объемами точечных данных в базе геоданных и позволяют получать высококачественные, точные поверхности в режиме «на лету». Данные дистанционного зондирования высот, полученные с помощью LIDAR и SONAR, исчисляются сотнями тысяч или даже сотнями миллионов точек. Организация и систематизация таких данных, а также генерация по ним 3D изображений в лучшем случае затруднена, а в ряде случаев невозможна. Наборы данных terrain помогают преодолеть сложности обработки таких данных, допускают их редактирование и позволяют создавать высокоточные TIN с различными разрешениями.

Отображение больших TIN достаточно затруднительно, в основном в силу ограничений, накладываемых аппаратным обеспечением, таким как графические адаптеры. Однако использование наборов данных terrain имеет преимущество, поскольку позволяют отображать нужные области при оптимальном разрешении. Поэтому если вы работаете с областями мелкого масштаба в ArcGlobe или ArcMap, небольшое количество узлов, необходимое набору данных terrain, позволит построить поверхность TIN нужного вам разрешения. Однако если вы увеличите размер изображения, для генерации TIN на лету будет использовано полное разрешение (использующее все узлы этой области). Очевидное преимущество состоит в том, что только небольшая часть изучаемой области будет отображаться с использованием большого количества узлов, а для генерации TIN с низким разрешением «на лету» будет использован уменьшенный набор узлов.

Пример работы такой системы показан на следующем рисунке:

Наборы данных terrain хранятся в наборах классов объектов в персональных, файловых или SDE базах геоданных. Другие классы пространственных объектов, входящие в набор классов, могут участвовать в наборе terrain или внедряться в него, это означает, что источник данных может быть отключен после создания набора данных terrain. На рисунке ниже показано, как классы пространственных объектов различных типов участвуют в создании TIN пирамид:

Наборы данных terrain отличаются тем, что они могут не только ссылаться на данные источника, но и включать их в себя. Благодаря индексации измерений в каждой точке, можно генерировать набор пирамид TIN, каждый из которых может содержать меньшее количество узлов (исходных точек). Это дает возможность ArcMap и ArcGlobe генерировать TIN «на лету» при любом текущем разрешении. Мелкомасштабные изображения данных требуют меньше точек, и поэтому отрисовывается TIN более низкого разрешения. При увеличении изображения, на экране остается меньшая часть набора данных, но с более высоким разрешением. Плотность точек возрастает, но производительность не снижается, поскольку высокое разрешение используется только для отображаемой в данный момент области.

Наборы данных Terrain поддерживаются для чтения и просмотра на всех уровнях лицензии. Наборы данных terrain можно создавать с помощью ArcGIS Desktop Standard и Desktop Advanced с дополнительным модулем ArcGIS 3D Analyst extension . ArcScene не поддерживает наборы данных terrain.

Более подробную информацию о наборах terrain можно найти в следующих разделах Справки:

• Что такое наборы данных terrain?
• Преимущества использования наборов данных terrain
• Создание наборов данных terrain в базе геоданных
• Наилучшие способы построения наборов данных terrain
• Создание наборов данных terrain
• Лучшие методы редактирования наборов данных terrain

Набор данных LAS (LAS Dataset)

Набор данных LAS хранит ссылки на один или несколько файлов LAS на диске, а также на дополнительные объекты поверхности. Файл LAS – это отраслевой стандартный двоичный формат для хранения бортовых лазерных данных. Набор данных LAS позволяет вам быстро и легко изучать файлы LAS в их исходном формате, предоставляет детализированную статистику и область покрытия лидарных данных, содержащихся в файлах LAS.

Набор данных LAS (LAS dataset) может также хранить ссылки на классы пространственных объектов, содержащих ограничения поверхности. Ограничениями поверхности являются линии разломов, полигональные водные объекты, границы областей или любые другие типы объектов поверхности, который включен в набор данных LAS.

Файл LAS содержит облако лазерных точечных данных. Дополнительная информация о файлах LAS приведена в: Хранение данных лидара.

Более подробную информацию о наборах данных LAS можно найти в следующих разделах Справки:

• Что такое набор данных LAS?
• Краткий обзор использования лазерных данных в ArcGIS
• Создание набора данных LAS
• Краткий обзор отображения наборов данных LAS
• Краткий обзор редактирования наборов данных LAS

3Д модель: виды, уровни сложности, составные части

В нашу жизнь прочно вошли трехмерные изображения, начиная от архитектурных визуализаций и заканчивая компьютерными играми. На 3D-изображениях можно увидеть объемные фигуры, а процесс их создания – это 3D-моделирование с помощью компьютерных программ. Оно становится все популярнее благодаря тому, что проекты, выполняемые таким методом, становятся намного нагляднее и реалистичнее, нежели обычные чертежи и двухмерные модели.

3D-модель – это объемная фигура в пространстве, создаваемая в специальной программе. За основу, как правило, принимаются чертежи, фотографии, рисунки и подробные описания, опираясь на которые, специалисты и создают виртуальную модель.

Создание 3Д модели

Создание 3Д-модели объекта осуществляется с помощью 3Д-моделирования. На первом этапе 3D-моделирования производится сбор информации: эскизы, чертежи, фотографии и видеоролики, рисунки, часто даже используют готовый образец изделия – в общем, все, что поможет понять внешний вид и структуру объекта. На основании полученной информации 3Д-моделлер или 3Д-дизайнер создает трехмерную модель в специальной компьютерной программе. После того как модель будет выполнена, на нее можно будет посмотреть с любого ракурса, приблизить, отдалить, внести необходимые корректировки. Сама по себе модель уже готова для дальнейшего использования – печати на 3Д принтере, 3Д-фрезерования на станках с ЧПУ или любого другого метода прототипирования.

Если же необходимо получить изображения для наглядности клиентам и потребителям, для рекламных роликов или для презентации, то следует выполнить визуализацию – создание виртуальной компьютерной модели в конечном виде. Визуализация предполагает выбор и настройку материалов, текстуры, освещения, тени, внешние условия окружающей среды. После всех настроек осуществляется финальный просчет, так называемый рендеринг.

Виды и уровни 3D-моделей

Существует несколько видов трехмерных моделей:

• полигональная модель;
• NURBS поверхности.

Вторые имеют более высокий уровень точности, так что их чаще всего используют инженеры, машиностроители и архитекторы. А вот полигональные модели чаще используются для создания 3D-изображений в мультипликации, кинематографе и компьютерных играх. Они состоят из многочисленных простейших геометрических фигур, которые также называют примитивами.

Кроме того, есть три вида 3D-моделирования:

• каркасное моделирование;
• поверхностное моделирование;
• твердотельное моделирование.

Первый из них, наиболее простой вид – это каркасное моделирование. Модели, получаемые при создании этого типа воспроизведения, будут называться проволочными или каркасными. Состоят они из линий, дуг и сегментов. Изображения такого типа не передают полную информацию об объекте: ни об объеме, ни о структуре поверхности из такой модели узнать невозможно, зато можно изучить его устройство и функциональность. Главным преимуществом каркасного моделирования является то, что на хранение трехмерных моделей, созданных этим способом, не требуется много оперативной памяти компьютера. Чаще всего каркасная визуализация применяется в специализированных программах для построения предполагаемой траектории движения устройства или инструмента.

Второй вид 3D-моделирования – это поверхностное моделирование. В отличие от каркасного, здесь имеются не только сегменты, линии и дуги, но и поверхности образующие контур отображаемого объекта.

Ну и последний, самый точный и достоверный тип 3D-моделирования, называется твердотельное моделирование. В результате его использования можно получить настоящий образец готового объекта, который передает все данные о нем. Модель, созданная благодаря этому способу визуального воспроизведения, содержит линии, грани, текстуру и данные об объеме и массе тела. Хотя изображения и занимают наибольший объем памяти компьютера по сравнению с остальными, но он полностью описывает готовый объект. Твердотельное моделирование используется повсюду: при создании техники, промышленных деталей, мебели, ювелирных изделий, кино и компьютерных игр.

Из-за того, что 3D-модели используются практически во всех сферах нашей жизни, можно выделить четыре уровня сложности объемных изображений:

• Первый – простейший – не содержит информации о структуре и мелких деталях объекта, например бокалы и простые рамки.
• Второй, немного более сложный уровень, содержит более детальную информацию о модели. К такому уровню можно отнести тумбы, столы и другие несложные предметы.
• К третьему уровню можно отнести гарнитуры мебели и технику для дома из-за многочисленных мелких деталей и сложной неоднородной структуры.
• Ну а четвертый чаще всего используется инженерами, примерами трехмерных моделей этого уровня могут служить модели станков, автомобилей и другой сложной техники.

Все уровни модели соотносятся и с видами 3D-моделирования, так первые два – это каркасный, третий – поверхностный, а четвертый – твердотельный способ визуализации.

Составные части 3D-модели

Трехмерная модель состоит из множества точек, которые соединяются между собой гранями и образуют полигоны.

Вершина – это точка, которая имеет свои координаты в трехмерной системе, то есть X, Y, Z. Свое название она получила из-за того, что является крайней точкой плоского многоугольника, или полигона.

Грань, или ребро — отрезок, который соединяет две вершины, понятие, взятое опять же из геометрии. В трехмерной графике гранью называют ограничитель полигонов.

Основной составляющей в трехмерной графике считается полигон – плоский многоугольник, множество которых и образует трехмерную фигуру. Абсолютно любая фигура будет строиться из многочисленных простых фигур (причем большинство редакторов использует треугольники и четырехугольники). Чем больше будет простых фигур в составе сложной, тем более гладкой будет казаться поверхность 3D-модели (так называемое высокополигональное моделирование).

Совокупность полигонов несет информацию о размере и форме 3Д модели, а выбранная текстура позволяет передать достоверную информацию о внешнем виде объекта и представляет собой изображение на поверхности фигуры.

Популярные программы для 3D-моделирования

Программное обеспечение, позволяющее заниматься трехмерным моделированием, очень многообразно. Здесь есть и коммерческие, и открытые (бесплатные) продукты. К первым можно отнести 3ds Max, Modo, LightWave 3D, именно их на сегодня можно назвать лидерами в области 3D-моделирования. Среди свободно распространяемых программных продуктов стоит отметить Blender и Wings3D.

Список программ для 3Д-моделирования пополняется очень быстро. Компании, чтобы завоевать больше потребителей, создают разные программы, которые отвечают различным спецификациям и подойдут для любого 3Д-моделлерщика. Так, к примеру, компания Autodesk выпустила в мир уже 4 программных продукта по 3Д-моделированию: 3d max, Maya, Softimage, Mudbox.

Для промышленного 3Д-моделирования инженеры чаще всего используют 3DMAX, SolidWork и ProEngineering.

Другие популярные продукты для 3Д-моделирования: Rhino, 3Delight, Sculptris, ZBrush, Houdini, Cinema 4d, LuxRender и другие.

Компания KOLOROзанимается3D моделированием объектов различной сложности,созданием 3Д персонажей,предметной и товарной визуализацией. Мы создадим вам качественные точные модели, которые будут полностью функциональны и готовы к дальнейшему использованию — изготовлению прототипа модели.

По построенной модели мы можем создать обратные формы для литья либо изготовить вам небольшую партию (например, изготовление сувениров и корпусов прибора).

Чтобы заказать услугу по 3Д моделированию, 3Д печати или мелкосерийному производству, Вам достаточно позвонить нам по тел. 057-760-26-05 или 099-618-87-50. Если же у вас есть готовая 3Д-модель объекта, для просчета стоимости печати на 3Д-принтере или изготовлению прототипа изделия присылайте файл в формате STL info@koloro.com.ua.