ПРОГРАММНАЯ СРЕДА ДЛЯ ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ВУЗОВ

 

Е. Татаренкова

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет, E-mail:[email protected]

 

В современном мире все чаще и чаще существующая реальность подменяется виртуальной. В виртуальном мире человек может делать все то, чего не может или боится в настоящем. Например, он может быть крутым гонщиком, не имея своей собственной машины, или ночами на пролёт сражаться с монстрами, побеждая свои комплексы неполноценности и чувство нереализованности в этом мире. Так, некоторые люди оказываются втянуты в мир Internet, вплоть до отказа общаться с живыми людьми и выходить на улицу, так как этот мир им абсолютно не интересен.

Спрос рождает предложение, а потому все больше и больше предприятий, разрабатывающих ПО, стараются вести разработки в области компьютерной графики. Не секрет, что человек лучше воспринимает графическую информацию, нежели текст или звук, а потому даже результаты математических расчетов сложнейших программных комплексов удобнее и эргономичнее отображать в графическом виде (конечно же, если этой информацией будет пользоваться человек, а не машина). И если раньше это были чаще всего просто двумерные диаграммы, таблицы и графики, то возможности современных программных средств заметно расширились.

В данный момент на рынке существует широкий ряд программных сред трехмерной разработки, в таблице представлены наиболее распространенные из них.

 

Программное средство		Сфера применения
Универсальные
AutoCAD		Программный продукт фирмы Autodesk,система автоматизированного проектирования и выпуска рабочей конструкторской и проектной документации. С помощью AutoCAD создаются двумерные и трехмерные проекты различной степени сложности в области архитектуры и строительства, машиностроения, генплана, геодезии и т.д. На сегодня AutoCAD охватывает весь спектр инженерных задач: создание трехмерных моделей, разработку и оформление чертежей, выполнение различного рода расчетов, инженерный анализ, формирование фотореалистичных изображений готовой продукции.
3d MAX		Программный продукт фирмы Autodesk для 3D-моделирования, анимации и визуализации, создания спецэффектов, пост-производства, дизайна и разработчиков компьютерных игр. Востребован дизайнерами, архитекторами, разработчиками компьютерных игр и спецэффектов в кинематографе.
Maya		Программный продукт для моделирования, визуализации и анимации. Наиболее востребован разработчиками компьютерных игр, мультипликаторами и создателями спецэффектов в кино.
Solid Works		Система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения.
Специализированные
ArtCAM	Программный продукт фирмы DelCam для создания 3D-моделей с последующим их изготовлением на фрезеровочном станке.

 

Для знакомства с трехмерным моделированием необходима такая среда, которая, с одной стороны, будет универсальна и сможет отражать основные приемы и концепции компьютерного моделирования, а с другой стороны, будет довольно-таки проста в изучении и не составит труда в обращении. Такой средой, по-моему, идеально может стать 3d Max.

Он позволяет:

- получить начальные сведения о компьютерной графике как инженерной науке (знакомство с основными видами проекций, видов; инженерное моделирование трехмерных деталей по их чертежам, так как данная среда позволяет полностью задать все требуемые размеры);

- изучить основные приёмы моделирования трехмерных фигур (создание сложных объектов из набора примитивов; создание фигур по их сечениям методами лофтинга и вращения; редактирование формы фигуры выдавливанием и сглаживанием отдельных ее частей; и, наконец, создание объектов логическими операциями из имеющихся);

- получить знания о теории света и цвета. Все созданные объекты помещаются в сцену, в которой можно расставить источники освещения, соответствующие соответствующим физическим прототипам (например, дневное освещение, точечный источник или прожектор). Сцена просчитывается по сложным математическим алгоритмам, что позволяет достичь максимальной правдоподобности визуализируемого образа. Сами объекты могут быть окрашены во все возможные цвета и иметь различные текстуры, что позволяет получить наглядные модели, например, из обычных чертежей деталей или предметов. Это может оказаться очень полезным при создании интерьеров по их эскизам и планам, а так же в рекламе, например, чтобы лучше представить, как будет выглядеть новая упаковка товара или как будет смотреться рекламный щит в конкретном месте города;

- наряду со статическими визуальными образами в короткие сроки и при минимуме затраченных усилий получать анимацию созданных объектов (ранее создание анимации традиционным методом требовало многих месяцев, а то и лет кропотливой работы). С появлением 3D Studio MAX стало возможным создание качественной анимации на домашнем компьютере. Дружественный интерфейс и разумные системные требования сделали этот пакет более чем популярным.

С чего лучше начать? С проектирования простых вещей, трехмерные аналоги которых есть под рукой, так как не у всех хорошо развито образно-графическое мышление, и далеко не каждый может в уме представить объемное изображение по чертежу или плоской проекции. Так, лучше начинать осваивать технику моделирования с ручек, карандашей, обстановки своей комнаты и т.д. То же самое касается и материалов. Попробуйте сделать металлический болт, пластмассовую ручку и деревянную игрушку. По мере овладевания навыков работы с 3d MAX необходимо переходить на все более сложные модели с большим количеством мелких деталей, например, автомобиль.

Отдельно необходимо сказать об открытой архитектуре 3D Studio MAX, позволяющей встраивать в программу функциональные модули, значительно расширяющие возможности пакета. Прикладные модули Plug-In-Components – это динамические библиотеки (dll), обеспечивающие модульность программы и простое обновление на более новые версии.

Для упрощения монотонной работы человека за компьютером были придуманы скрипты и скриптовые языки программирования, что позволило некоторые последовательности действий выполнять автоматически. Не обошло это новшество и среду трехмерного моделирования 3d MAX.

Начиная со второй версии продукта, в нем появился встроенный язык сценариев MaxScript( так как не все пользователи пакета знакомы с языком программирования С++).

С одной стороны языковой синтаксис MAXScript достаточно прост для непрограммистов, поскольку он включает минимальную пунктуацию и формирующие правила. А с другой стороны, язык достаточно богат и позволяет решать сложные задачи программирования с возможностями типа трехмерного вектора, матрицы и алгебры кватерниона.

MAXScript позволяет пользователю:

- писать сценарий для большинства аспектов, используемых в программах, типа моделирования, анимации, материалов и т.д.;

- полностью управлять программой в интерактивном режиме через окно Listener командной строки;

- назначать сценарии макрокоманд элементам интерфейса, например, кнопкам из инструментальной панели или элементам меню;

- расширять имеющиеся сценарии, которые поставляются вместе с 3D MAX;

- отображать Ваши действия в 3D MAX как команды MAXScript, так называемый MAXScript Recorder (реализован в 3D MAX 3 и выше);

- обеспечивать связь с внешними источниками, например, таблицами Exсel.

Изначально MAXScript разрабатывался как полностью объектно-ориентированный встроенный язык с легким синтаксисом, предназначенный для 3D MAX и других продуктов компвнии Autodesk(c). Рассмотрим подробнее объектно-ориентированную концепцию MAXScript.

Термином "объект" описываются не только объекты, находящиеся в сцене 3D MAX. В MAXScript под объектом понимается элемент, которым можно манипулировать, в том числе геометрическая форма, модификатор, контроллер, цвет и числовое значение.

Объект можно рассматривать в качестве контейнера хранения информации. Хранящаяся в объекте информация меняется в зависимости от типа объекта. Так, например, трехмерную сферу можно ассоциировать с контейнером, хранящим информацию о радиусе, положении, наименовании и ориентации. Это так называемые свойства объекта. Помимо свойств каждый объект имеет свои методы.

Согласно принципам ООП, каждый объект относится к определенному классу, в связи с чем в MAXScript имеется своя иерархия классов. В частности, иерархия параллелепипеда организована следующим образом:

 

Value

MAXWrapper

Node

   GeometryClass

          Box

Класс Box находится в самом низу иерархии и представляет собойкласс объектов, из которого можно создавать объекты в MAXScript. Объект класса, созданный в MAXScript называется экземпляром.

Те, кто начнет работать с 3DSMAX (текущая версия 9), по достоинству оценят безграничные возможности этого пакета самого по себе. Однако, как показывает практика, для создания некоторых профессиональных специальных эффектов понадобятся уже специализированные модули расширения. Само по себе понятие модуля расширения (plug-in) не является чем-то принципиально новым. Сторонними производителями уже давно выпускается огромное их количество для наиболее популярных программ.

Все дополнительные модули являются файлами библиотек DLL, но в зависимости от свойств имеют разные расширения. Скажем, дополнительные объекты имеют расширение DLO, модификаторы — DLM, визуализаторы — DLR, текстуры — DLT, утилиты — DLU. Также вы можете встретить такие расширения:

BMI — импорт/экспорт графических форматов (использование изображений);

BMS — сохранение файлов в разных форматах;

DLC — контроллеры для управления анимацией объектов;

DLE — экспорт MAX-файлов в другие форматы;

DLF — импорт для использования шрифтов;

DLI — импорт различных форматов в MAX;

DLS — вспомогательные объекты;

FLT — фильтры для Video Post (Постобработка).

Если дополнительный модуль не имеет мастера установки, то установить его нужно следующим образом.

1. Распаковать архив установки дополнительного модуля.

2. Найти файл библиотеки с одним из указанных выше расширений.

3. Скопировать этот файл в папку Диск:\Папка установки 3ds max\Plugins.

4. Перезапустить 3D MAX.

В настоящее время существует огромное множество как профессиональных плагинов(например, для моделирования волос, шерсти, фигур с применением усовершенствованных булевский операций ), так и написанных любителями полезных «утилит», облегчающих исполнение некоторых наиболее часто выполняемых действий. Упомянутый ранее встроенный в 3D MAX язык MAXScript позволяет писать полноценные плагины даже пользователям-непрограммистам, но для написания плагинов, требующих серьёзных математических просчётов сцен, чаще всего этот язык стараются не использовать, так как плагины, написанные на MAXScript, не могут похвастаться эффективным быстродействием. Такие плагины лучше писать, например, на С++ и импортировать в MAXScript в виде библиотеки dll.

Универсальность, простота использования, минимальные системные требования – вот чем привлекает людей 3D MAX во всем мире.

 

 

УДК 004.9

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ДИСТАНЦИОННЫХ
ОЛИМПИАДАХ

 

В. А. Токарев

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева, E-mail:[email protected]

 

Решаемые в настоящее время геометрические задачи с компьютерной визуализацией требуют соответствующей подготовки учащихся в высших учебных заведениях. С целью выявления уровня подготовки учащихся по применению графических систем для выполнения и редактирования изображений и решения задач геометрического моделирования в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева в 2003 г., 2005 г. и 2006 г. проводились дистанционные олимпиады. Дистанционные олимпиады по дисциплинам графического цикла состояли из нескольких конкурсов. Автором был подготовлен конкурс по компьютерной графике.

Задание конкурса 2003 г. состояло в следующем. Необходимо было начертить три вида детали (вид спереди, вид слева и вид сверху) и наклонное сечение без нанесения размеров. Деталь состояла из полусферы и конуса со сквозным прямоугольным вырезом, как показано на рисунке 1. Следовало также разработать компьютерную геометрическую трехмерную модель этой детали, сформировать рациональную сцену для отображения всех элементов детали и выполнить визулизацию разработанной сцены.

В конкурсе приняли участие 24 работы из вузов. Были применены различные критерии оценки для первой и второй частей задания, по 2 критерия для каждой части задания:

1) точность построений – соответствие размеров на всех четырех изображениях первой части задания;

2) соблюдение стандартов по линиям, шрифтам, видам, сечениям (ГОСТ 2.303-68, 2.304-68, 2.305-68) в первой части задания;

3) удачная компоновка для отображения всех элементов детали. Формирование рационального окружения и сцены в целом, которые должно нести вспомогательную функцию;

4) качество визуализации сцены – выбор необходимой точности построения элементов сцены, разрешения и методов визуализации, позволяющих создать фотореалистическое изображение. Со всеми пунктами задания справились только 6 участников. Первая часть задания выполнена в 13 работах, вторая часть – в 8 работах. Возможно это связано с тем, что в некоторых вузах в учебном процессе основное внимание уделяется формированию изображений в проекционной связи, в других вузах – трехмерному геометрическому компьютерному моделированию.

Комплексно эта задача решается далеко не везде. На рисунках 2 и 3  представлен пример работы, которой присвоено второе место. В данной работе присутствуют типовые ошибки, работа в определенной мере отражает уровень выполненных работ.

В задании 2005 г. необходимо было разработать компьютерную геометрическую модель детали. Сформировать рациональную сцену для по-

лучения фотореалистического изображения всех элементов детали с необходимым окружением, например, различными источниками света, столом, стенами, с соответствующими материалами. Материал детали выбирался конкурсантом. Разрез детали не допускался. Выполнялась визуализация разработанной сцены с записью в файл и анимация процесса формирования цилиндрического и конического отверстий в детали с записью в файл.

Нужно было выполнить в любом графическом редакторе виды спереди, слева и сверху этой же детали и на изображении привести с точностью до двух знаков после запятой значения координат x, y и z двух точек, лежащих на поверхности детали. Задание должно было быть выполнено для статических изображений в виде файлов в формате JPEG с размером каждого файла до 100 Кб и размерами каждого изображения 800х600 пикселей, анимация – в файле формата AVI или GIF c размером файла до 1 Мб и размером изображения 640х480 пикселей.

В конкурсе участвовало 16 учащихся. Почти во всех представленных работах была построена трехмерная геометрическая модель с частичным или полным соблюдением требований по качеству визуализации. Большинство участников справились с задачей по построению трех проекций. Шесть участников смогли правильно определить координаты двух точек на поверхности, четыре участника на основе статической геометрической модели разработали анимацию. Таким образом с заданием справилось небольшое количество участников, что по-видимому связано с трудностью освоения учащимися необходимого для решения современных задач комплекса графических программ. На рисунках 4 и 5 представлены два характерные для конкурса статические изображения. С анимацией и со всеми работами можно ознакомиться в сайте академии.

В задании 2006 года необходимо было разработать чертеж заготовки (развертки) для изготовления детали, полученной гибкой. Требовалось также разработать компьютерные геометрические трехмерные модели детали и ее заготовки, сформировать рациональную сцену для получения фотореалистического изображения детали и заготовки, выполнить визуализацию разработанной сцены. На рисунке 6 представлен элемент одной из работ. Исходным заданием являлся чертеж детали после гибки. Задание должно было быть выполнено за один день, поэтому разработка анимации, как наиболее трудоемкое из заданий не было включено в число заданий.

Большинство участников успешно справились с разработкой одной или двух трехмерных моделей, около половины выполнили фотореалистические изображения. Однако только 20% процентов участников смогли хотя бы частично проставить размеры на чертеже заготовки, что, по-видимому, связано с небольшим числом практических заданий в вузах по простановке размеров криволинейных поверхностей.

 

 

УДК 681.327