Трехмерное моделирование. 
Разработка программы "Моделирование вращения трехмерных объектов"

Понятие трехмерного моделирования

Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а также компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.

Самая большая радость для программиста — это видеть и знать, что пользователи находят для его детища самые разнообразные применения. Особенно это касается таких продуктов, как 3D Studio MAX, который, в отличие от текстового процессора или электронной таблицы, позволяет с помощью изобразительных средств воплотить самые фантастические идеи и мечты в жизнь.

Компьютерное трёхмерное моделирование, анимация и графика в целом не уничтожают в человеке истинного творца, а позволяют ему освободить творческую мысль от физических усилий, максимально настроившись на плод своего творения. Конечно, пока невозможно заниматься графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно, в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли.

Существует огромное количество областей, где применяется трёхмерное моделирование и анимация. Например, при испытании программы 3D Studio MAX пользователи проделали колоссальную работу, применяя эту программу в различных областях: от создания статической рекламы и динамических заставок для телеканалов до моделирования катастроф и трёхмерной анимации. До недавнего времени работу по созданию спецэффектов в кинематографии выполняли в специальных павильонах с использованием физических моделей, методов прозрачной фотографии и дорогих оптических принтеров. Теперь эта проблема решена с помощью современных программ.

Уже не надо тратить тысячи человеко-часов на построение моделей, например, динозавров, которые нужно затем установить на сцене, осветить, отснять и скомбинировать с остальными участниками эпизода. Достаточно посадить одного человека за обычный персональный компьютер, чтобы создать спецэффекты, создающие полное ощущение реальности.

Нашествию визуальных эффектов уже никто не удивляется. Эффекты в блокбастерах (боевиках) и романтических сказках, играх и мультимедийных презентациях, броские и незаметные, в кино и на телевидении, трёхмерные и мультипликационные. Всех их объединяет только одно: они созданы с помощью компьютеров. Сегодня мы уже можем говорить о результатах труда не только заокеанских, но российских разработчиков. С 19 по 23 мая в Центре международной торговли проходил ежегодный Российский фестиваль компьютерной графики и анимации. На выставке была представлена новинка — телевизионная виртуальная студия.

Перед режиссёрами и продюсерами открываются неограниченные возможности: можно обойтись без огромных павильонов и дорогостоящих декораций и сделать оригинальную передачу. Можно снимать актёра или ведущего телепрограммы на синем или зелёном фоне, а затем поместить его в компьютерное пространство и позволить взаимодействовать с ним. С сентября 1997 года компания «Б.С. Графика» оформляет московский канал «ТВ Центр» и выпускает там две телепередачи: «Интернет КАФЕ» и «Виртуальный мир». Это самая технически оснащённая студия в России. Работа в реальном времени, когда «живой» ведущий свободно перемещается внутри трёхмерной сцены, ходит вокруг объектов и может взаимодействовать с ними, — это уже неотъемлемый признак современной виртуальной студии. Например, ведущий может заходить в «виртуальные» двери, Брать «виртуальные» предметы и т. д. Причём часть компьютерной сцены может готовиться заранее, а часть — просчитываться одновременно со съёмкой живого персонажа (здесь уже требуются значительные вычислительные мощности).

Применение трёхмерной анимации и виртуальных технологий в кинематографе, оформлении телевизионных передач и в различных частях шоу-бизнеса стало обязательным, однако существуют и другие примеры применения новейших технологий: 6−8 мая 1998 года в г. Осло проходил Первый международный симпозиум по визуализации, организованный компаниями Silicon Graphics и Telenor. На данной конференции широкой аудитории были продемонстрированы различные технические средства для представления виртуальных объектов, Особый интерес представили проекты по созданию так называемых виртуальных городов — содержащих не один, а десятки тыс. яч виртуальных объектов. С момента возникновения такого понятия, как коллективное планирование городского строительства, все его участники — специалисты по планированию, проектировщики, инвесторы, представители власти и просто заинтересованные горожане — стремились найти новую методологию обсуждения строительных проектов, позволяющих оценить их влияние на городской ландшафт ещё до реального воплощения.

Требовался эффективный способ, позволяющий зримо представить и проанализировать «физические последствия» проекта до начала его реализации и инвестирования средств. Со временем появился проект «Виртуальный город». Группа городского моделирования UCLA воспользовалась данной технологией визуального трёхмерного моделирования для развития интегрированной среды городского моделирования. С помощью уникальной системы и методологии компьютерного моделирования группа строит виртуальные модели реального времени городских районов. Эти модели, с точностью до надписей на стенах и занавесок в окнах, конструируются путём сочетания фотографий, полученных с помощью аэрофотосъёмки, со стереометрическими «представлениями» улиц для реалистичного трёхмерного моделирования.

Другой пример: до недавнего времени такие серьёзные проекты как строительство мостов, дамб, плотин не проходило без каких-либо неожиданностей даже в странах с очень развитыми строительными технологиями. В наше время строительные компании многих государств стали пользоваться системами инженерного проектирования с визуальным отображением. Современные программы инженерной графики не только совершают различные строительные расчёты (впрочем, это могли делать и программы предыдущего поколения), но и визуализировать происходящие строительные процессы. Программы показывают не только возможную нагрузку на отдельные части конструкций, но и рассчитывают различные непредвиденные явления, связанные, например, с явлениями резонанса в процессе строительства. Пример из совершенно бытовой сферы: компании по продаже квартир, а также дизайну и связанным с ним ремонтом стали использовать компьютерные программы трёхмерного моделирования для представления клиенту наиболее точной информации о будущем проекте.

Тем самым доход этих компаний стал увеличиваться за счёт экономия времени, затрачиваемого на бесполезные чертежи. Преимущество компьютерного моделирования оценили не только люди, связанные с недвижимостью, но и крупные компании, желающие сократить свои расходы за счёт применения современных программ компьютерного конструирования, а также автоматизирования процесса производства. Так компания IBM предлагает систему автоматизации дизайнерской и конструкторской деятельности Catia (об этом продукте будет рассказано в следующей главе). Скажем только, что система поможет создать плоские чертежи, провести объёмное твердотельное моделирование, спроектировать сложные поверхности, многокомпонентные сборки, трубо-, пневмопроводы, электросеть, рассчитать прочность.

Вот конкретный пример работы системы: на разработку автомобиля Neon, выпущенного в конце 1994 года, американская компания Chrysler Motors затратила всего 31 месяц, опередив японские компании, долгое время державшие планку на отметке в 36 месяцев. Так же системой были полностью созданы электронные прототипы автомобилей Jeep Cherokee, Volvo-960, SAAB-900, ВАЗ 2110 и самолёта Boeing 777. Кстати в последнем случае система позволила сэкономить 15 процентов от всей суммы средств — примерно 8 млн. долларов. Можно ещё долго приводить примеры применения этих программ, но лучше рассмотреть их с точки зрения пользователя, их производительность, актуальность в различных отраслях.

Компания Autodesk разработала 3D Studio. наибольшее распространение этот продукт получил в версии 4.0 для DOS. Данная программа использовалась для создания реалистичных игр, а также первых моделей и спецэффектов в фильмах. Программа хороша своим исполнением, небольшой требовательностью к аппаратным ресурсам, а также сравнительно низкой ценой (ок. 400 дол.) Конечно со временем эта программа стала неактуальной из-за несовместимости с современными системами и довольно слабых возможностей для воплощения мысли. Пришло время мощнейшей системы трёхмерного моделирования и анимации 3D Studio MAX для Windows NT. трехмерное моделирование алгоритм программа Данный продукт используется для создания современных фильмов, компьютерных программ с применением сложнейшей графики и спецэффектов. Конечно аппаратные средства для этого продукта должны быть исключительными, да и цена не для рядового пользователя (ок. 800 дол. за стандартную версию, 2000 дол. за более профессиональную версию и ок. 4000 дол. за сетевую версию). Подразделение Kinetix создавало этот продукт для профессиональных пользователей, хотя любитель, позволивший себе приобретение этого продукта, может воплотить незатейливые мечты в реальность, изучив некоторые тонкости работы с программой. Для таких пользователей будет достаточно IBM совместимого компьютера с процессором MMX или Pentium II с частотой от 166 и более Мгц. Понадобится мощная графическая карта. Кстати графические карты для программ 3D моделирования имеют совсем иные характеристики нежели мощные карты для современных игр.

Например, профессионалы используют дорогостоящие карты Elsa Gloria или эксклюзивные карты компании Diamond. Естественно 3D Studio MAX не предназначена для инженерных работ. Для этих задач компания Autodesk создала AutoCAD. Данный продукт занимает лидирующую позицию в мировом списке программ такого класса. Неудивительно, ведь он способен выполнять практически все операции, связанные с инженерными системами. Работа этой программы обслуживается тысячами узлов всемирной сети Internet. Система предназначена для профессионалов CAD. Работа в системе рассматривается как совместная работа нескольких компьютеров, выполняющих отдельные функции. Под аппаратные средствами подразумеваются мощнейшие персональные системы, а также компьютеры на базе RISC процессоров.

Известная компания по производству CAD программ Bentley Systems представила программу MicroStation (система интерактивного графического проектирования IGDS), которая занимает второе место после выше описанного AutoCAD. Основное назначение MicroStation — выполнение высокопрофессиональных проектных работ в машиностроении, транспорте, электронике, геодезии и картографии, архитектуре и управлении. Продукт реализован для платформ Intel PC, Apple PowerMac, IBM Power PC и RS/6000, SPARCStation, DEC Alpha и могут использоваться в средах DOS, Windows, OS/2 Warp и Unix.

Вышеприведённая программа Catia рассчитана на платформы S/390, UNIX, AS/400 и PC. Продукт разработан французской авиационной компанией Dassault Aviation и предлагается компанией IBM для проектирования и изготовления деталей на станках с ЧПУ. В шоу-бизнесе ведущую роль в создании рекламных роликов и видеоклипов занимает компания Glassworks. Ядро этой команды составляют специалисты по 3D-моделированию и анимации. Своим успехом они считают использование SoftImage. Программа класса 3D Studio, но более приспособленная для создания видеоклипов. Для использования этой программы компания оснащена рабочими станциями Impact, а также двумя машинами Onyx с графическими картами RE2+ 1 GB RAM и 90 GB дискового пространства.

Выше рассказывалось о проекте «Виртуальный город». Этот уникальный продукт создан с помощью пакета трёхмерного моделирования в реальном времени MultiGen II Pro. Интерфейс и программное обеспечение, реализующее собственно моделирование, функционируют на всей линии оборудования Silicon Graphics, O2, рабочих станций Octane и Onyx. Сейчас на мировом рынке начинает прочно укрепляться программа проектирования компании CAD house подразделения Consistent Software — Pro/Engineer (Проинженер). Программа выигрывает в цене (1000 дол. с рабочего места) у других аналогичных программ, но её нераскрученность оставляет её на третьем месте после двух вышеприведённых программ компьютерного конструирования. Все приведённые программы относятся к ряду высокопрофессиональных, дорогостоящих, требующих больших аппаратных ресурсов программ. Далее приведены программы, не уступающие по своим возможностям профессиональным программам, для рядового пользователя, желающего заняться 3D моделированием.

Например, компания Fractal Design разработала Fractal Design Detailer — программу обработки поверхностей трёхмерных объектов. Программа помогает создать вполне реалистичные объекты из созданных в других программах, где обработать их сложно по каким-либо причинам. Цена продукта вполне приемлемая (300 дол.).

Аппаратные требования: Pentium 6-го поколения, 20 мб. RAM. Иногда создание отдельных объектов для желающих немного поэкспериментировать становится невозможным из-за неумения использовать ту или иную систему, а у умеющего делать что-либо не всегда есть средства для быстрой обработки хотя бы десятка объектов несложной формы. Для пользователей таких категорий компания MetaTools создала нехитрый генератор ландшафтов.

Bryce 2, а затем и Bryce 3D. С помощью этих программ можно создавать вполне реалистичные пейзажи, управлять временами суток, погодными условиями и т. д. Основным плюсом данного продукта является незатейливое управление, понятное если не с первого, то со второго общения с интерфейсом. Возможность анимации, взгляда с разных точек на проекцию. Всё очень удобно и красиво, а главное доступно. При цене в 300−400 дол. программа требует Pentium процессор с графической картой, поддерживающей 3D рендеринг, и около 32 Мб. RAM.

Последнее время на арене появились сразу два продукта, поразившие воображения не только любителей, но и профессионалов. Animatek’s World Builder 2.0 — пакет, создающий поистине реалистичные пейзажи, с набором функций, присущем только профессиональным программам. Отличная интеграция с 3D Studio MAX позволяет полностью реализовать плот воображения. Тем не менее продукт считается полупрофессиональным и доступен многим любителям. Основное аппаратное требование — мощная видеокарта.

Второй продукт — World Construction Set 3.0. Пакет опять же генерирует ландшафты, но в такой степени, что кроме него уже не потребуются другие пакеты 3D моделирования, хотя и используется поддержка 3D Studio MAX. Пакет рассчитан на профессионального пользователя и оставляет далеко позади Bryce 3D, находясь на равных разве что с Animatek’s World Builder. Превосходит все предыдущие пакеты в степени интеграции с 3D Studio MAX, а также по наличию собственных высокотехнологичных средств визуализации. Пакет работает на платформах PC/ DEC ALPHA/ MAC/ SGI. Данный продукт возвращает нас к профессиональным системам трёхмерного моделирования, а точнее к аппаратным средствам для этих систем. Аппаратные средства на RISCплатформе.

Платформа Silicon Graphics Inc. (SGI) обновилась производством модели PowerONYX, относящейся к старшему семейству выпускаемых компанией графических станций. В этих компьютерах устанавливаются процессоры R8000 (другое название — TFP), выпускаемые Mips Technologies. По предварительным данным, их производительность в четыре раза превосходит быстродействие самого мощного из ранее разработанных процессоров фирмы Mips — R4400. В результате показатели производительности модели PowerONYX с одной микросхемой R8000 (тактовая частота 75 МГц) приблизительно аналогичны таковым для графической станции ONYX Extreme Deskside с двумя процессорами R4400, каждый из которых работает на частоте 150 МГц, а цена её даже несколько ниже: 102 тыс. против 107 тыс. долл. — в конфигурации с 64 Мбайт ОЗУ, жёстким диском объёмом 2 Гбайт и графической системой Extreme.

При этом новая станция явно превосходит своих предшественников по возможностям расширения аппаратной конфигурации, а заявленная компанией производительность при установке в этот компьютер 12 процессоров (максимально возможное число) составляет 3.6 Гфлоп. Модель PowerONYX поставляется с графической системой Reality Engine 2 (RE2) или Extreme. Наращивая вычислительные мощности высокопроизводительных графических станций, SGI не забывает и о младших моделях. Так, фирма анонсировала перенос на компьютеры Indy графического ускорителя XZ и предложила вниманию посетителей демонстрационный вариант новой системы. Был показан и жидкокристаллический экран для станций Indy, обеспечивающий разрешение 1280*1024 точек при 24- разрядном кодировании цвета. В целом эти разработки явно указывают на стремление SGI реализовать быструю высококачественную графику на сравнительно недорогих моделях рабочих станций.

Между тем вопрос о том, насколько успешным будет продвижение на рынок компьютеров Indy, пока остаётся открытым: стоимость системы при наличии графического ускорителя XZ составляет 33 тыс. долл., тогда как за 38 тыс. долл. уже можно приобрести станцию следующего классаIndigo 2, которая выгодно отличается от Indy широкими возможностями расширения (посредством установки дополнительных плат), а также наличием специальной системы охлаждения. Indigo 2 допускает и использование нового процессора R8000. Была продемонстрирована также видеосистема Sirius Video для платформы Silicon Graphics, которая способна взаимодействовать с графическими ускорителями VTX и RE2, обеспечивающими наложение текстур на трёхмерные объекты с возможностью последующего просчёта кадров в реальном времени, причём все эти функции реализованы на аппаратном уровне.

Новая плата в качестве текстуры «предлагает» системам VTX и RE2 «живое» видео, которое затем можно подвергнуть любым операциям, применимым к обычной текстуре. Из других отличительных особенностей Sirius Video следует упомянуть поддержку любых типов видеосигналов, включая цифровые, а также одновременное обслуживание при их вводе и выводе двух внешних устройств. Единственная проблема, связанная с применением этой видеосистемы, заключается в отсутствии на сегодняшний день специального ПО, которое обеспечило бы выполнение всего спектра операций с видеосигналами и сделало ненужным монтажное оборудование, загромождающее современные студии.

Подводя итог обзору аппаратного обеспечения класса high-end, следует подчеркнуть явное доминирование платформы SGI. Несмотря на наличие отдельных разработок у других известных производителей (IBM, DEC), господство компании Silicon Graphics в данном секторе рынка остаётся незыблемым. Об этом свидетельствует постоянный рост объёмов продаж продукции фирмы, который, в 1993 г. составил 36% (по отношению к 1992 г.). Тем не менее Silicon Graphics стремиться распространить своё влияние и на другие области вычислительной индустрии, выпуская серверы для локальных сетей, а также предлагая решения для САПР. Несмотря на это ПК с процессором Intel продолжает оставаться наиболее распространённой платформой в сфере компьютерной графики и анимации.