Сплайновое моделирование
Отличительная особенность сплайновых моделей — это плавность формы, возможность сгладить острые края. Поэтому сплайновое моделирование (NURBS-моделирование) применяют при создании биологических объектов: людей, монстров, животных, а также органических объектов; ещё в архитектуре и машиностроении (от простых деталей и элементов фюзеляжа самолётов до космических станций) — везде, где требуются плавные формы.
Такая модель состоит не из полигонов, а из трёхмерных кривых (сплайнов), из которых строится каркас 3D-объекта. Для его создания применяют редактируемые сплайновые примитивы, такие как линия, окружность, дуга, многоугольник, текст и др. Рано или поздно сплайновую модель преобразовывают в полигональную, однако возможность модификации кривых у неё сохраняется.
Если полигональное моделирование можно условно сравнить с растровой графикой, то сплайновое моделирование имеет сходство с векторами. Для чего это сравнение? Сплайновые модели, как и векторные изображения, при увеличении масштаба не теряют в качестве. Отсюда ещё один плюс сплайнового моделирования — более высокая точность.
Используется в CAD-программах, 3Ds Max, Maya.
Как производится 3D моделирование для промышленных целей
Промышленное 3Д моделирование выполняется всегда на основании технического задания (ТЗ) выданного заказчиком. Включая в задание раздел трехмерное моделирование, заказчик указывает степень деталировки и количество вариантов с разными текстурами или цветом.
Проектированием инженерных систем в программах 3D моделирования решается задача автоматизации трудоемких процессов, например, таких, как создание рабочих чертежей линейно вытянутых объектов.
Средствами 3D-моделирования производится конструирование и тестирование деталей разнообразных устройств, механизмов, в том числе высокотехнологичных. Распечатав их на принтере в натуральную величину и оттестировав, конструкторы могут приступать к заводскому производству. Трехмерные технологии остро востребованы в автомобильной промышленности, где создаются 3D модели не только деталей, но и корпуса машин. Только так можно выпускать на рынок инновации и передовые решения – конструктивные и для целей автодизайна.
Огромный спрос на объемное 3D-моделирование наблюдается в фармацевтическом секторе и, особенно, в области протезирования. Современные протезы проектируются так, чтобы они прекрасно подходили анатомически и полноценно выполняли бы функции потерянных конечностей.
И, конечно, апогеем в промышленном 3D проектировании является упаковка. Тщательная проработка формы, функциональности и дизайна посредством 3д позволяет колоссально влиять на продажи товаров, а с ними на прибыль предприятий. Иногда превосходная упаковка (даже посредственных товаров) становится локомотивом продаж.
SketchUp
SketchUp, в прошлом Google SketchUp, предлагает больше функций для создания простых трехмерных объектов, чем предыдущие инструменты. При этом программа отличается простым пользовательским интерфейсом. Настолько простым, что поначалу новые пользователи удивляются столь малому количеству рабочих панелей, но на самом деле здесь есть все необходимое для моделирования.
SketchUp — интуитивно понятная программа, которая подойдет для профессионального использования
Для новичков есть бесплатный базовый пакет для браузера — Make SketchUp, который нужно установить вместе с бесплатным плагином для экспорта STL.
Профессиональную версию SketchUp Pro активно используют архитекторы и дизайнеры — она стоит $695 и устанавливается на ПК. Однако даже в бесплатной версии доступен каталог готовых моделей и многочисленные плагины для решения различных задач. Они позволяют преобразовывать форму объекта, выдавливать рисунки на поверхности, создавать сложные узоры, текстуры и т.д.
Промышленное моделирование
Системы Автоматизированного Проектирования (САПР) и или по-английски CAD (Computer-Aided Design) применяют для создания 3d моделей в первую очередь промышленного назначения. Они предназначены для создания точных копий реальных объектов.
При данном виде моделирования учитываются не только малейшие зазоры, но и свойства материала моделируемого объекта. В связи, с чем данный вид моделирования нашел широкое применение в инженерном деле. Особенность этого моделирования в том, что для создания модели не используют полигоны, а цельные формы.
Промышленное моделирование можно разделить на следующие подвиды: параметрическое, твердотельное и поверхностное.
Параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование осуществляется путем введения требуемых параметров элементов модели, а так же соотношение между ними. Иными словами создается математическая модель с нужными параметрами, изменяя которые можно создать различные комбинации модели и тем самым избежать ошибок, внеся необходимые корректировки.
Является достаточно старым и самым простым способом проектирования промышленных деталей и механизмов.
Твердотельное моделирование
Если при полигональном моделировании куб разрезать пополам, то там внутри будет пустота. При твердотельном моделировании, если разрезать куб, то там не будет пустоты, как если бы разрезали реальный твердый предмет.
При построении модели работают сразу со всей оболочкой, а не с отдельными поверхностями. Сначала создается простая форма оболочки, например, сферы, а затем к ней применяют различные операции: резка, объединение с другими телами, булевые операции и др.
Твердотельное моделирование идеально подходит для создания твердых 3d моделей несложной формы: шестеренок, двигателей, и т.д., но не применим к созданию мягких: мятой одежды, животных и т.д.
Поверхностное моделирование
Поверхностное моделирование, обычно, используется для создания поверхностей сложных форм: автомобилей, самолетов и т.д.
Модель строится из различных поверхностей, которым придают нужную форму, а затем соединяют между собой, например, плавными переходами, а лишнее обрезают. Таким образом, форма нужной оболочки объекта собирается из нескольких поверхностей.
Примерами программ для промышленного моделирования являются: «Compas-3D», «SolidWorks», «Solid Edge» и т.п.
Моделирование метасферами
Так же следует упомянуть о таком моделирования как «Metaball», то есть моделирование метасферами.
Аналогично сплайновому или NURBS моделированию данный вид позволяет создавать модели сглаженной формы. Его особенность в том, что модель строится из 3d объектов сглаженной замкнутой формы (метасфер), которые при соприкосновении друг с другом автоматически сливаются частями соприкасающихся поверхностей. Метасферы как бы притягиваются друг к другу подобно каплям воды или ртути.
На рисунке показаны метасферы до соприкосновения и после.
При помощи «Metaball» легко создавать, например, капли росы на листьях деревьев, различные кочки или прыщи на коже персонажа.
Примером программы, в которой возможно моделирование метасферами является Blender.
Houdini
Это фантастический программный инструмент, который имеет бесплатную версию.
Требования к ПО:
OS: Windows 7 SP1 64-bit или выше; 64-bit Intel-based Mac с OSX 10.10.2 и выше
Стоимость: от 1995 $ в год, есть бесплатная студенческая версия.
Плюсы:
- Лидирующее ПО в отрасли;
- Для оттачивания навыков доступна бесплатная версия;
- Совместим с многочисленными плагинами.
Минусы:
- Дорогая программа;
- Крутая кривая обучения.
Как и Maya, Houdini широко используется в индустрии для создания визуальных эффектов. Его процедурная генерация, основанная на нодах, предоставляет художникам широкие возможности и гибкость. Он не слишком хорош для моделирования и логика работы отличается от Maya и 3DS Max, зато в нем множество готовых инструментов, позволяющих создать собственные эффекты.
Процедурно сгенерированный город
SideFX предлагает Houdini Apprentice, бесплатную версию Houdini FX, которая может использоваться студентами, художниками и любителями для создания некоммерческих проектов. Бесплатная версия позволяет получить доступ практически ко всем функциям Houdini FX.
Houdini Apprentice
Houdini — это инструмент для создания 3D-анимации и визуальных эффектов, который широко используется в коммерческих проектах. Упор сделан на программирование и процедурную генерацию.
Его самая дешевая версия стоит чуть меньше 2000 долларов. И это нормально, в далеком 1996 программа стоила 9500 долларов.
Но создатели программы, Side Effects Software, понимая, что стоимость для кого-то может быть неподъемной, предлагают бесплатную версию Apprentice. При этом вы можете получить доступ ко всем функциям полной версии, чтобы развить свои навыки в программном обеспечении и работать над личными проектами. Минус в том, что программа предназначена исключительно для некоммерческого использования и в учебных целях.
Версии программы
- AutoCAD — стандартная версия;
- AutoCAD Architecture — САПР для архитекторов;
- AutoCAD Design Suite Premium — комплексный пакет для 3D-проектирования промышленных изделий;
- AutoCAD Design Suite Standard — стандартный пакет для 3D-проектирования промышленных изделий;
- AutoCAD Electrical — содержит полный функционал стандартного Autocad + около пятидесяти дополнительных панелей инструментов;
- AutoCAD for Mac;
- AutoCAD Inventor LT Suite — машиностроительное 3D-проектирование;
- AutoCAD LT — 2D-черчение;
- AutoCAD LT for Mac;
- AutoCAD LT with CALS Tools;
- AutoCAD Map 3D — составление трехмерных карт;
- AutoCAD Mechanical — машиностроительное проектирование;
- AutoCAD MEP — инженерное проектирование;
- AutoCAD Plant 3D — 3D-проектирование промышленных объектов;
- AutoCAD Raster Design — преобразование растровых изображений в объекты DWG;
- AutoCAD Revit LT Suite — расширенный набор команд двумерного черчения, а также 3D BIM-инструменты.
Жизненный цикл программного обеспечения по RAD
В процессе RAD приложение проходит четыре фазы.
Фаза анализа и планирования требований
Определяются требования, функции приложения и их приоритетность, описываются информационные потребности. Фаза выполняется преимущественно пользователями при участии разработчиков. На этой стадии также обозначаются масштаб проекта, временные и финансовые рамки, платформы для запуска ПО.
Фаза проектирования
Часть пользователей участвует в техническом проектировании системы под руководством разработчиков. Группы или подгруппы RAD на этой фазе обычно используют комбинацию техник совместной разработки приложений (JAD) и CASE-инструменты для воплощения потребностей пользователей в рабочих моделях.
JAD (Joint Application Development) — концепция совместной разработки приложений, в рамках которой происходит тесное взаимодействие между заказчиком и исполнителями для максимально эффективного решения вопросов, касающихся разрабатываемого ПО.
Case — комплект инструментов и методов для проектирования ПО для обеспечения высокого качества программ, отсутствия ошибок и простоты в обслуживании программных продуктов.
На фазе проектирования пользователи могут понять, модифицировать и определить рабочую модель системы, которая соответствует их нуждам. Каждый процесс рассматривается детально и, при необходимости, создаётся частичный прототип.
В результате фазы создаются:
- общая информационная модель приложения
- функциональные модели системы и подсистем
- рабочие прототипы экранов, отчётов и диалогов.
Если в предыдущих моделях средства разработки прототипов не соответствовали реальным приложениям, и они в дальнейшем не использовались, то в RAD каждый прототип становится частью будущей системы.
Так, в приложении «Beverly Flowers» пользователи должны иметь доступ к возможностям: «Домашняя страница», «Поиск цветов», «Посмотреть список цветов».В качестве платформы разработки выбрали freeware SpringToolSuite, для которой доступно большое количество сэмплов — прописанных кусочков кода.В роли сервера — Apache Tomcat 6.0.Фаза построения
На этой стадии происходит непосредственно быстрая разработка на основе полученных по предыдущим фазам результатов. При этом пользователи продолжают участвовать в развитии системы, предлагая изменения и улучшения приложения. Тестирование приложения тоже происходит во время разработки.
Приложение «Beverly Flowers» собирается из трёх функциональных компонентов — перехода пользователя на «Домашнюю страницу», «Поиск цветов» и «Просмотреть список цветов».Для разработки рабочей модели понадобился 1 специалист и 8 дней.Фаза внедрения
Охватывает обучение пользователей, тестирование и замену старой системы на новую. Подготовка к этой фазе начинается с этапа проектирования.
Ранее компания «Beverly Flowers» принимала заказы непосредственно в точках сбыта и по телефону.Записав сообщение о возможности заказа через специальное приложение и разместив информационные стенды в точках продажи, за 2 недели удалось переключить часть покупателей на новый канал сбыта.При этом доля заказов по телефону пропорционально снизилась, а значит удалось сократить штат менеджеров по работе с клиентами.Стоит отметить, что в отличии от Waterfall, жизненный цикл проекта по методологии RAD не является жёстким. Зависимо от стартовых условий, количество фаз может уменьшаться, как и их наполнение.
Основные функции
Программа Blender содержит множество инструментов, каждый из которых обладает своими особенностями. Во время открытия программы появляется вьюпорт, где предлагается возможность создания и изменения трехмерной модели. Ее можно вращать и перемещать, а также без сложностей меняется масштаб. В вьюпорте представлены все внесенные корректировки, связанные с визуализацией, анимацией или изменением текстуры.
К основным функциям относится:
3D-моделирование. Пользователь может выбирать разные методы создания и редактирования объемной модели. Для этого применяются примитивы, полигоны, метасферы, булевые операции, NURBS-кривые или инструменты, предназначенные для скульптинга.
Анимация. Предлагается возможность пользоваться скелетной анимацией, инверсной кинематикой, ограничителями и сеточной деформацией. Среди основных функций представлена анимация по ключевым кадрам, а также можно редактировать весомые коэффициенты вершин.
Текстурирование. С помощью софта накладываются разные текстуры на одну модель. Для текстурирования можно пользоваться разными инструментами, например, частично настраивать текстуры или включать UV-маппинг. Программа считается гибкой за счет применения шейдеров, которые каждый пользователь настраивает самостоятельно с учетом собственных требований.
Рисование. Хотя Blender в основном предназначена для 3D-моделирования, но среди дополнительных функций представлена возможность для рисования. Поэтому пользователь легко делает наброски, для чего предлагаются разные виды кистей. Для упрощения процесса работы с 2D-анимацией можно пользоваться несколькими слоями.
Визуализация. ПО содержит несколько инструментов для визуализации моделей, причем допускается даже интегрировать ее с внешними рендерами.
Редактор видео
Даже для опытных пользователей такая функция считается оригинальной и важной. Благодаря встроенному редактору видео можно комбинировать трехмерные модели с видеороликами
Данная функция считается мощной и удобной в использовании.
Игровой движок. Эта функция редко встречается в стандартных или профессиональных программах. С помощью игрового движка пользователей может создать интерактивное трехмерное приложение. Благодаря понятному интерфейсу Python API легко корректируются параметры игры.
Тонкости применения
Программы трехмерного моделирования могут использовать два подхода к созданию 3D моделей. Чаще всего используется полигональный метод, который предусматривает создание поверхностей из отдельных поверхностей, образующихся несколькими точками. NURBS поверхности задаются сплайнами. Каждый подход характеризуется своими достоинствами и недостатками.
При использовании метода получения NURBS поверхностей можно достигнуть высокой точности при моделировании деталей. Этот момент определяет применение программы в САПР.
Моделирование при помощи программы Rhino может проводиться при использовании стандартных функций и T-Spline. Некоторые методы становятся доступны только после установки дополнительных плагинов.
Несмотря на то, что среда Rino 3d предназначена для создания NURBS поверхностей, в ней также есть инструменты для полигонального моделирования. Но при этом функциональность серьезно урезана.
Моделирование проводится путем создания поверхностей в T-Spline. Для этого при помощи точек создается сплайн, который образует поверхность будущей детали.
3D Slash
И снова программа для начинающих, но в 3D Slash создание модели строится по другому принципу, если сравнивать с другими редакторами. Здесь вы словно играете в конструктор, складывая объекты из блоков или, наоборот, удаляя из объекта ненужные части по тому же принципу. Для этого предусмотрен ряд инструментов — резак, дрель, молоток и др.
В 3D Slash используется принцип поблочного строительства модели
Таким образом можно создавать интерьерные модели — их легко раскрашивать, накладывать текстуры, текст и т.д. А вот со сложными задачами наподобие создания скульптур 3D Slash не справится.
Еще одна особенность программы — возможность создать трехмерный логотип или 3D-текст. Для этого есть очень простой инструмент: надо импортировать нужное лого либо ввести текст, а программа сама превратит их в трехмерные.
Приложение полностью бесплатное и, что немаловажно, поддерживает онлайн-версию для браузера. Правда, русский интерфейс в ней не предусмотрен
Лучшая материнская плата для 3d моделирования и рендеринга
Материнская плата гораздо меньше других комплектующих влияет на конечную производительность компьютера при рендеринге и работе в 3d приложениях, но важно убедиться, что выбранная мать поддерживает все что нужно: • Поддержка нужного CPU сокета: у разных процессоров разные сокеты для подключения, поэтому важно убедиться, что выбранная материнская плата имеет требуемый слот для процессора. • Поддержка максимального количества памяти: разные материнские платы имеют ограничения по количеству суммарной оперативной памяти, которая может быть в системе и по количеству слотов под нее
Стоит убедиться, что слотов хватит для набора RAM, который вы собираетесь установить. • Поддержка M.2 (NVME дисков): если собираетесь ставить M.2 диск, материнская плата должна иметь поддержку дисков этого типа. Подробнее о дисках мы расскажем чуть позже. • Размер материнской платы: материнские платы имеют разные размеры и стоит убедиться в совместимости по форм-фактору материнки и корпуса.
Экзотика и минимализм: Raspberry Pi
Raspberry Pi — это одноплатный компьютер: на платке размером с кредитную карту стоят порты, процессор и память. Подключаете к этому клавиатуру, мышь и монитор — и у вас есть компьютер. Стоит такая плата 30–100 долларов.
Особенность в том, что в нём будет операционная система «Линукс». Но для неё есть программы для разработки на любом языке, а также необходимый минимум браузеров и офисных приложений.
На Raspberry Pi будет сложно писать приложения для Айфонов или код для Windows, но всё остальное — вполне реально. Заодно прокачаетесь в настройке «Линукса».
На Pi можно сделать не слишком мощный, но рабочий сервер.
На момент написания статьи самое последнее поколение Raspberry Pi — четвёртое. Поддерживает два экрана!
