Поговорим о 3D-моделировании

Что такое 3D-моделирование

3D-моделирование, 3D-принтеры, 3D-сканирование плотно вошли не только в профессиональные области, но и в повседневность простых людей. Никто уже не задумывается как получаются те или иные детали бытовых приборов, бижутерия, детские игрушки, пресс формы и т.д. Любая компьютерная анимация тоже продукт 3D-моделирования.

Сейчас 3D-моделирование воспринимается как процесс создания конечного продукта, выраженного в компьютерном воплощении, но не обязательно предназначенного для жизни в компьютерной среде. А еще каких-то 70 лет назад 3D-моделирование было только в создании ручным способом макетов, ремесленных изделий, товаров народного творчества и скульптурных форм. И никто это так не называл.

Значит, когда применяется термин 3D-моделирование, то подразумевается работа на компьютере.

А когда-то все выглядело иначе. Для получения образцов будущих изделий в своих направлениях деятельности человек использовал разные материалы. На заводах, в научно-исследовательских и проектных институтах существовали как отдельные специалисты по макетированию, так и макетные мастерские. И сейчас ещё можно найти образцы макетов тех времен. Макеты делались не только для крупных проектов масштаба территории или здания, но и для приборов.

Выставленный макет был местом, куда мог прийти любой специалист и посмотреть непонятные для себя участки будущего объекта. Он служил демонстрационным материалом для представления заказчикам, руководящим работникам. Вокруг него могли проводится рабочие совещания.

В 70х – 80х годах прошлого века на территории ВДНХ в нескольких павильонах существовали огромные макеты, о которых и сейчас вспоминают очевидцы, сожалея об их утрате.

Немного из истории макетирования

Старейшие макеты, найденные археологами, начинают отсчёт от 10 века до н.э. В основном макеты представляли собой образцы культовых сооружений или модели жилых домов. Так, при раскопках в Древнем Египте в гробницах фараонов были найдены миниатюрные копии храмов, являющихся частью погребального ритуала. Понятно, что до наших дней дошли лишь макеты из тех материалов, которые в наименьшей степени подвергались внешнему воздействию.

В качестве примера интереснейшей модели-макета культуры Империи Инков, сохранившейся под открытым небом до наших дней, является модель Saihuite. На камне, размером два на четыре метра, вырезано более двух сотен фигур и геометрических объектов. В различных статьях нет единого мнения о назначении этой модели.

Расцветом макетирования по праву считается эпоха Возрождения. В этот период к работе над макетами впервые начинают привлекать скульпторов. Историкам известны макеты французских фортификационных сооружений эпохи Людовика XIV.

В Париже в музее Д’Орсе, посвященному импрессионизму, находится макет Гранд-Опера (Опера Гарнье). Макет (модель) представляет собой здание в разрезе и дает возможность посетителю музея получить наиболее полное представление не только о компоновке здания, обустройстве зрительного зала, сцены и закулисного пространства, но и об истории его развития.

Неповторимым примером высокопрофессионального макетирования бесспорно является Подвесная цепная модель Антонио Гауди, выдающегося испанского архитектора. Состоит эта модель из набора мешочков с песком, повешенных вертикально. А большое зеркало, расположенное непосредственно под макетом, дает полное представление о том, как будет выглядеть перевернутый образ. 

Создание макета позволило архитектору обойтись без каких-либо математических расчётов.

Идея Гауди строилась на использовании катенарной арки, которая является перевернутой формой, свободно провисающей подвешенной между колоннами цепи, и позволила Гауди спроектировать и построить и крипту в колонии Гуэль, и Саграда Фамилия в Барселоне.

В качестве примера иного направления макетирования стоит рассмотреть модель судна Coca de Mataro, хранящегося в Морском музее Роттердама. Создание этой модели относится к 1450 году. Макет был обнаружен в часовне Сан-Симо-де-Матаро в Испании и представляет собой образец одномачтового судна по конструкции напоминающее конструкцию каракк [2]. Эта модель была взята в качестве образца для изучения основ морской архитектуры. Являясь типичным представителем судов того времени модель помогла в определении грузоподъемности и функциональных инженерных элементов судов.

Для макетирования в наше время можно выделить несколько основных направлений, базирующихся скорее на их предназначении: архитектурные, градостроительные и ландшафтные; промышленные и технические; рекламные и подарочные; обучающий материал и демонстрационные.

Сегодня макетирование продолжает оставаться востребованным. Приход компьютерных технологий, развитие техники и технологии просто расширил возможности этого рода деятельности. Рядом с производством макетов из традиционных материалов и инструментов, используемых нашими предками, появились современные материалы и оборудование. Новый подход к созданию макетов основывается на трехмерном моделировании.

Преимущества 3D-моделирования

3D-моделирование – не только для специалистов творческих направлений. Новые технологии позволяют за более короткое время найти желаемый облик или найти оптимальную форму своему изделию, а школьникам реализовать задуманный фильм или произвести опытный запуск межпланетного корабля.

Сферы применения 3D-моделирования

С каждым годом расширяется список сфер применения 3D-моделирования. С помощью технологий 3D-моделирования можно создать новые никогда не существовавшие уникальные объекты; восстановить исторические образы, которые прежде можно было увидеть только в рисунках; спроектировать сложные аппараты и механизмы; помочь людям обрести полноценную жизнь; показать другим жителям земли никогда не существовавшие и несуществующие миры; воспроизвести облик людей, живших много столетий и даже тысячелетий назад; подарить детям новых игрушечных друзей; выполнять сложные технологические задачи без риска для жизни. Даже программирование не обошлось без 3D.

Индустрия развлечений

Лидером в применении 3D-моделирования является индустрия компьютерных игр. Из года в год качество передачи образов заставляет всё больше преклоняться перед результатами работ, когда внешний вид персонажей становится не отличим от живых людей. Не отстаёт от компьютерных игр и кинематограф, включая анимационные фильмы (3D-анимация). Ни одно лазерное шоу теперь невозможно себе представить без использования 3D-моделирования.

Музейное дело

3D-моделирование позволило создавать виртуальные музеи, где посетителям предлагаются к просмотру 3D-модели экспонатов. Посетитель имеет возможность не только посмотреть, повращать, но и приблизить просматриваемый объект для более детального ознакомления.

Настоящим прорывом можно назвать воссоздание людей, живших в прежние века, их орудий труда, быта и одежды. Сейчас посетители музеев могут увидеть результаты работ на специальных стендах, где по найденным во время археологических раскопок экспонатов и их фрагментов, воссозданы реальные люди.

Интересно, что ученым уже удалось не просто воссоздать лица людей, но делать выводы о здоровье представителей предшествующих поколений.

Так, при сканировании останков жителей Помпеи по состоянию зубов, которое оказалось лучше, нежели у наших современников, ученые смогли опровергнуть представление о безудержном чревоугодии жителей Римской империи и выдвинуть предположение о том, что древние римляне придерживались очень модного сейчас «правильного питания».

Реконструкция исторических событий и объектов

Новые технологии моделирования позволяют специалистам реконструировать прошлое, что делает для нас ушедшие эпохи более реалистичными и осязаемыми. Историческое моделирование связано с событиями и последовательностями их возникновения, формализованное и выраженное в анимационном формате. Такой подход позволяет более наглядно проверить выдвигаемые гипотезы путем создания имитационных моделей исторической реальности, фокусируясь на тех деталях, которые нуждаются в изучении. Сейчас уже можно говорить о том, что моделирование исторических событий становится стандартной процедурой научного исследования.

Вот информация от 2020 года на сайте Волгоградского Государственного Университета

(ВГУ - https://volsu.ru/volsu-40/press-about-volsu/index.php?ELEMENT_ID=34525).

«В Волгоградском государственном университете откроется уникальная лаборатория пространственного анализа данных, исторической реконструкции и моделирования. Ученые будут работать над созданием интерактивной 3D-карты уличных боев во время Сталинградской битвы, исторических 3D-моделей знаковых исторических объектов Царицына, реконструкции крупных поселенческих археологических памятников эпохи Золотой Орды, относящихся к части культурного наследия мирового значения.

Проект уникален еще и тем, что включает моделирование исторических реконструкций разных эпох одного региона. Его участникам предстоит с помощью 3D-реконструкции восстановление облика зданий Царицына, уничтоженных во время войны, что позволит наглядно представить центральную часть современного города в ретроспективе. История Царицына долгие годы была заслонена масштабными событиями героического прошлого Сталинграда, поэтому молодые волгоградцы часто не знают истории города. Восполнить этот пробел – одна из целей работы лаборатории.»

О результатах данной работы в интернете никакой информации мы, к сожалению, не нашли. А было бы очень интересно узнать.

В качестве еще одного примера использования технологии трехмерного моделирования в воспроизведении исторической реальности следует обратиться к опыту специалистов Лундского университета в Швеции. В одной из лабораторий университета задались вопросом восстановления картины одного из домов разрушенного извержением Везувия древнегреческого города Помпеи.

В своей работе археологи использовали виртуальную реальность, 3D-моделирование и геоинформационные системы. Эта работа показала жизнеспособность нового подхода и позволила создать «ожившую» модель с информацией, добытой во время раскопок, что было невозможно при физической реконструкции исторического объекта. Физическая реконструкция нанесла бы непоправимый урон музейному экспонату.

Реставрация

3D-моделирование дало возможность восстановить утраченные мировые ценности. Специалистами Института истории материальной культуры Российской академии наук в Санкт-Петербурге была создана детальная 3D-модель существующего состояния территории памятника всемирного наследия, которая ляжет в основу создания «ГИС Пальмира». Это позволит оценить затраты и необходимые ресурсы без необходимости частых и длительных визитов на восстанавливаемый объект специалистам из разных стран.

Медицина

3D-моделирование явилось прорывной технологией в медицине. Учебный процесс, моделирование операций на 3D-моделях позволяет привлечь к сотрудничеству величайших ученых-практиков современности.

3D-протезирование в стоматологии подарило людям возможность получить протезы идентичные их родным зубам и не терять индивидуальность собственной лучезарной улыбки.

Без 3D-моделирования не было бы возможным столь серьезно продвинуться в выпуске индивидуальных и серийных протезов конечностей. Российская компания «Моторика» первая в мире, которая стала разрабатывать детские протезы. Началось это ещё в 2013 году, когда выпускник ИТМО из Санкт-Петербурга возглавил проект «Функциональное протезирование».

А студенты и школьники из Нижнего Новгорода разработали собственную технологию 3D-протезирования. Они продумали процесс изготовления индивидуальной культеприемной гильзы для протеза нижних конечностей, основанной на анализе биомеханики ходьбы пациента.

За счёт построения 3D-модели импланта теперь можно создавать эндопротезы не только утраченных конечностей, но и аналоги органов, которые затем будут интегрироваться в организм. Сейчас ведутся серьезные работы по использованию на 3D-принтерах биоматериалов. В дальнейшем 3D-биопечать может прийти на замену донорству.

Анимационное моделирование в обучении

Современное программное обеспечение по моделированию позволило изменить подачу учебного материала не только в высших учебных заведениях, но и, в первую очередь, в школьном образовании. Появились обучающие ресурсы с применением трехмерных объектов, дополняющие опыты в классах, особенно когда их результаты могут представлять опасность для жизни.

Наглядность таких обучающих материалов бесспорна и доступна для понимания даже самых неусидчивых учащихся.

Ещё одним признаком внедрения в обучающий процесс технологий 3D является наличие в школах 3D-принтеров.

Ученики не просто могут создавать свои проекты с применением трехмерного моделирования, но делать их физические образцы.

Этапы 3D-моделирования

Однозначно определить этапы 3D-моделирования дело непростое. В основе этапов стоит задача и объект моделирования. Но у всех специалистов отправной точкой является «идея». Для реализации идеи придется подобрать правильное программное обеспечение, которое поможет достичь требуемого результата. При этом некоторые задачи создания модели в процессе реализации требуют выпуска производного результата от моделирования. Например, выпуск проектной или конструкторской документации, подсчёт затрат на реализацию модели, проведения различных расчётов, необходимых для дееспособности конечного результата.

Например, для создания модели персонажа компьютерной игры есть определенный набор этапов: 1 – создание концепта, 2 – создание максимально детализированной модели, 3 – оптимизация полигональной сетки модели, создание правильной развертки модели, 4 – «запекание карт» (перенос максимально детализированной модели на оптимизированную полигональную сеточную модель), 5 – накладывание текстур и, наконец, 6 – создание костного скелета и накладывание кожи на модель.

Если говорить о прототипировании, что тоже напрямую связано с 3D-моделированием, то там можно выделить 5 основных этапов: 1 – сбор требований, 2 – разработка концепции прототипа, 3 – создание трехмерной модели изделия, 4 – проверка прототипа на соответствие требованиям и 5 – создание физического образца.

Создание трехмерной модели строительного объекта или высокотехнологичного сложного промышленного изделия потребует большего количества этапов с вовлечением в работу многочисленных коллективов, обладающих глубокими знаниями и способными к длительной совместной исследовательской работе.

Если же говорить об этапах создания 3D-анимации, то тут не обойтись без этапа написания сценария. Затем следует этап создания раскадровки. Далее идет озвучание и эскизная анимация под звук. И только после этих этапов идет само 3D-моделирование. Далее настройка света и назначение материалов. Потом – 3D-анимация и рендеринг. И наконец, сбор воедино всех готовых изображений и монтаж.

Построение 3D-модели по результатам трехмерного сканирования. Это, пожалуй, один из самых непростых видов моделирования. На первый взгляд кажется, что для выполнения такой работы не предъявляются какие-то особые требования, кроме владения навыками работы в специальном программном продукте. Но на практике всё выглядит гораздо сложнее. Результаты сканирования, то есть модели облаков точек имеют пустоты. Из-за таких пустот, которые являются естественным результатом сканирования, где обязательно есть зоны недоступные для сканера, часто неспециалист не сможет четко определить, а какой именно объект находится частично в зоне пустоты. Работа эта очень кропотливая и трудоемкая.

Каждое направление, использующее в своей работе непосредственные или производные результаты 3D-моделирования, имеет свои методы, количество этапов и последовательность их выполнения. Но в конечном итоге любой результат моделирования передается заказчику.

Методы визуализации 3D-моделей

К методам визуализации 3D-моделей, на наш взгляд можно отнести: результаты трехмерного сканирования; компьютерные 3D-модели, включая анимацию; физические модели, выполненные с помощью 3D-принтеров.

Виды 3D-моделирования

Прототипирование. Целью прототипирования является создание физического образца изделия для его дальнейшего тестирования, проверки функциональных возможностей и внешнего вида на соответствие начальным требованиям. Принято выделять 4 вида прототипов: функциональные, визуальные, концептуальные и прототипы дизайна. Кроме этого прототипы разделяются по целеполаганию. В промышленности и медицине от прототипов требуется точность и качество. При презентации прототипа в первую очередь предъявляется требование демонстрации его конкурентных возможностей. Для прототипа выставочного образца важен его внешний вид. А прототипы транспортных средств наиболее требовательные к свойствам их физического образца.

3D-сканирование. Целью трехмерного сканирования является получение реально существующего объекта в его текущем состоянии. В дальнейшем результаты сканирования могут быть использованы сами по себе или лечь в основу трехмерного моделирования.

Виртуальная реальность. Можно ли отнести виртуальную реальность к видам 3D-моделирования вопрос спорный, и мнения на этот счет могут разойтись. Но мы относимся к той группе людей, которая даст положительный ответ.

В лаборатории цифровой археологии и гуманитарных дисциплин Лундского университета в Швеции виртуальная реальность и технология «eye tracking» были применены для реконструкции помпейского дома (Дом греческих эпиграмм) и исследования особенности зрительного восприятия человеком. Сотрудники лаборатории отслеживали взгляды, когда участники исследования рассматривали дом. Таким образом им удалось обнаружить несколько способов, с помощью которых владелец дома мог внушать посетителям ощущение власти и богатства.

Архитектура и дизайн

Работа архитектора уже, практически, не мыслима без 3D-моделирования. Набор программного обеспечения в умелых руках дает возможность создавать не только футуристические объекты, но проверять их на жизнеспособность с точки зрения прочности и комфорта.

3D-модели зданий в детальной проработке дарят их будущим владельцам возможность почувствовать пространство и удобство планировки.

Дизайнерские решения, воплощенные в модели, превращают конкурсные процедуры в настоящий праздник Искусства.

А простые программные средства предлагают покупателям в мебельных магазинах или салонах мебели самостоятельно или же с помощью сотрудников разместить приглянувшиеся образцы в пространство комнаты, коридора, кухни, ванной комнаты или гостиной.

 Проектирование

3D-моделирование повлекло за собой появление и быстрое развитие 3D-проектирования. Развитие вычислительной техники, новые материалы и технологии, то, что принято называть научно-техническим прогрессом, обусловили неизбежность перехода всех специалистов в области проектирования на компьютеры. Программисты начали создавать и усовершенствовать инструменты проектирования и, в первую очередь, именно инструменты 3D-проектирования. Созданные 3D-проектные модели теперь обмениваются данными с расчётными комплексами и сметными программами. Ручное макетирование заменяется 3D-печатью. Компьютерные модели передаются на производство также, как и проектная документация.

Строительство

Строительство – это еще одно направление, которое нуждается в 3D-моделировании. Эта необходимость возникает как на этапе проектирования, так и на этапе возведения здания (строительство).

При проектировании используются технологии 3D-проектирования или иными словами технологии информационного моделирования. Что позволяет осуществлять бесшовный процесс от стадии концептуального проектирования до стадии детального проектирования. Сейчас для определения такого подхода используются аббревиатуры BIM или ТИМ.

Создание 3D-модели строительного объекта позволяет сократить сроки проектирования за счёт командной работы над моделью; снизить количество междисциплинарных ошибок и недочётов, тем самым снизить риски на этапе строительства; повысить наглядность проектных решений, что позволит заказчику более эффективно участвовать в процесс утверждения проекта.

Однако, если говорить о самом процессе строительства, то здесь тоже востребовано 3D-моделирование. 3D-моделирование при строительстве позволяет визуализировать на компьютере график выполнения строительно-монтажных работ; определить сроки монтажа и эксплуатации подъемно-транспортного оборудования; оптимизировать затраты на выполнение работ по организации строительства и многое другое.

Эксплуатация промышленных объектов

С ростом компьютеризации и автоматизации производственных процессов на заводах и комбинатах всё чаще встают вопросы о возможности управления эксплуатацией производственных активов за счёт создания 3D-моделей и связи их с базами данных.

Кроме того, в сложившихся экономических условиях возрастает необходимость возрождения промышленного потенциала, что зачастую связано с модернизацией существующих производственных мощностей. Ограничение поставок иностранного оборудования и необходимость его импортозамещения порождает всё больший интерес к построению «цифровых двойников» производств в различных промышленных отраслях. Создание таких двойников позволит увидеть проблемные места при замене существующего оборудования на российские аналоги, вовремя принять правильное управленческое решение, снизить риски или постараться совсем избежать их.

3D-моделирование производственных активов для заказчиков из судостроительной, нефтегазовой, энергетической направленности вот уже 10 лет является одним из направлений деятельности нашей компании.

Программное обеспечение для 3D-моделирования

Чтобы не заниматься перечислением известных многим программным продуктов, применяемых в данном направлении, позволю себе чуть погрузиться в историю.

И вот немного истории…

В 1963 году американский ученый Иван (Айван) Сазерленд объявил о разработке первой 3D программы – Sketchpad – для защиты своей диссертации. Созданная Сазерлендом программа могла создавать простые 3D объекты на основе горизонтальных и вертикальных линий и основывалась на объектно-ориентированном подходе к программированию. За разработку Sketchpad Сазерленд получил премию Тьюринга лишь в 1988 году.

В 1966 году доктор Филип Миттелман и группа ученых-физиков из Элмсфорд (Нью-Йорк) открыли компанию Mathematics Application Group. Компания разработала уникальную систему моделирования. Модели создавались путем комбинирования 25 геометрических фигур, имевшихся в библиотеке программы. Из простейших фигур, вроде пирамиды, сферы и цилиндра создавались более сложные, которые впоследствии становились основой для конечной 3D-модели. Данная система моделирования используется по сей день. В 1972 году компания была переименована в MAGi/SynthaVision.

В 1972 году на кафедре металлоконструкций университета в городе Бохум в Германии было принято решение о создании 3D-модели. Это решение повлекло за собой развитие языка программирования для построения объемной геометрии металлоконструкций и связанных с ней скрытых линий. И вот в 1977 году было объявлено о создании первой САПР, которая использовала метод 3D-моделирования – CADBAU3. Первая коммерческая установка программы датируется 1980 годом.

Что касается нашей страны…

СМОГ (СМОГ-85) – Система Математического Обеспечения Графопостроителя – разработка советских специалистов. Работа сибирских ученых над этой системой берет начало еще в 70-е годы. Система получила наибольшее распространение на предприятиях оборонной промышленности. Наряду с разработкой сибирских ученых лидером в области проектирования была еще одна система ГРАФОР – (Графическое расширение Фортрана [3]) разработка московской команды.

Ещё один интересный пример использования трехмерных моделей, хотя и не на нашем программном обеспечении. В 1987 году Невское ПКБ разработало и передало на завод первую 3D-модель с использованием испанского программного обеспечения FORAN, лицензия которого была закуплена в 1986 году министерством судостроения СССР. Завод рассмотрел переданную модель и признал ее качество удовлетворительным для запуска в производство на основе модели заготовок чертежей корпуса. Это был первый такой масштабный опыт применения 3D-моделирования в стране. В результате завод реорганизовал технологический процесс и сократил сроки проведения плазово-технологической подготовки производства и количество персонала для выполнения работ. Стоит отметить, что британцы смогли повторить этот опыт и то, только наполовину, лишь в двухтысячных годах.

От истории к сегодняшним реалиям…

Если говорить о переменах в программном обеспечении в последние пару лет, то каждый день россиянам дарит новые возможности. Кто-то возразит мне и скажет, что он отнимает у нас привычное и ничего не дает взамен. Однако, это как посмотреть на наполненность стакана – он наполовину пуст или наполовину цел…

Вот и в марте этого года Autodesk Inc. объявил о прямом запрете использования своих продуктов на территории России. Что ж, это дает огромный шанс разработчикам отечественного программного обеспечения вывести на рынок результаты своего многолетнего труда. Но будет ли готов потребитель его принять, или он опять уйдет в серый рынок и будет работать на ломаных версиях? Время покажет. Пока, думается, в приоритете будет использование зарубежного ломанного продукта.

Будет несправедливо не сказать, что есть отрасли, которые давно и успешно используют программное обеспечение российских и беларусских разработчиков.

[1] В цепной модели применено свойство цепной линии – в перевернутом состоянии цепная линия представляет собой самую устойчивую форму для отдельно стоящих арок.

[2] Кара́кка (итал. Caracca, исп. Carraca) — большое парусное судно XV—XVI веков, распространённое во всей Европе. Отличалось исключительно хорошей по тем временам мореходностью, с чем связано активное использование каракк для плаваний в океанах в эпоху Великих географических открытий.

[3] Фортра́н (англ. Fortran) — первый язык программирования высокого уровня, получивший практическое применение, имеющий транслятор и испытавший дальнейшее развитие