3D графика. 3D принтеры

Рефераты по информатике » 3D графика. 3D принтеры

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»


Реферат по информатике

на тему:

«3D графика. 3D принтеры»


Выполнила:

Студентка 15 ТВ группы

Жилина Анастасия.

Проверила:

Фролова Светлана Викторовна.


Мичуринск 2010


Содержание Введение………………………………………………………………………...…3

1.1.Трёхмерная графика…………………………………………………………..4

1.2.Моделирование………….…………...………………………………………..4

1.3.Рендеринг……………………………………………………………………...5

1.4.Использование 3D графики………………………………………………......6

1.5.Программные ресурсы……………………………………………………......8

2.1.3D-принтеры………………………………………………………………....11

2.2.Виды 3D-печати………………………………………………….…………..11

2.3.Где применяется трехмерная печать?……………………………………....12

2.4.Коммерциализация трехмерной печати…………………………………....14

2.5.Доступность и перспективы трехмерной печати………………………….15

Приложения…………………………………………………………..………….17

Информационные ресурсы………………………………………………...……21


Введение

Представьте себе ситуацию что вам срочно нужно приобрести стул или стол на кухню. Сейчас вы скорее всего направились бы в обычный магазин за этой покупкой. В лучшем случае посмотрели бы товары в сети интернет. Но уже недалек тот день когда вы сможете получить уникальный стул или стол не просто не выходя из дома но даже без какого-либо посредничества со стороны продавцов или службы доставки магазина. Главное чтобы у вас дома был 3D-принтер.

Вам нужно будет только перевести деньги за продукт с помощью вашей кредитной карты на счет магазина после чего можно будет смело ... распечатать изделие. А при желании вы сможете даже загрузить в компьютер свою 3D-модель стола сделав его уникальным. Чем не настоящий hand-made?

Все это может вам показаться фантастикой. Тогда приготовьтесь. Все это уже функционирует. Это реальность которая пока используется для решения узкого спектра задач. Но массовое внедрение технологии в повседневную жизнь уже не за горами.



1.1. Трёхмерная графика или 3D

Трёхмерная графика или 3D — раздел компьютерной графики совокупность приемов и инструментов (как программных так и аппаратных) призванных обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации кинематографе телевидении компьютерных играх печатной продукции а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира так и быть полностью абстрактной.

Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:

1. Моделирование — создание математической модели сцены и объектов в ней.

2. Рендеринг (русск. визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.


1.2. Моделирование


Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

Геометрия - построенная с помощью различных техник модель например здание.

Материалы - информация о визуальных свойствах модели например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон.

Источники света - настройки направления мощности спектра освещения

Виртуальные камеры - выбор точки и угла построения проекции

Силы и воздействия - настройки динамических искажений объектов применяется в основном в анимации

Дополнительные эффекты - объекты имитирующие атмосферные явления: свет в тумане облака пламя и пр.


1.3. Рендеринг

Рендеринг (англ. rendering — русск. визуализация) термин в компьютерной графике обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм то рендерится последовательность таких картинок - кадров. Как структура данных изображение на экране представлено матрицей точек где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов из которых изготовлены объекты а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например жидкости в стакане).


Существует несколько технологий рендеринга часто комбинируемых вместе.

Например:

1. Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX);

2. Сканлайн (scanline) — расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же как цвет этой поверхности.

3.Трассировка лучей (рейтрейсинг англ. raytracing) — то же что и сканлайн но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда;

4. Глобальная иллюминация (англ. global illumination radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений и другие.


Наиболее популярными системами рендеринга можно назвать:

PhotoRealistic RenderMan (PRMan)

Mental ray

V-Ray

FinalRender

Brazil R/S

BusyRay

Turtle

Maxwell Render

Fryrender

Indigo Renderer

LuxRender

YafRay

POV-Ray


1.4. Использование 3D графики

3D графика очень часто встречается в различных областях нашей жизни. Порой мы не замечаем того что фотография опубликованная в рекламе на самом деле является искусной трехмерной моделью которую сложно отличить от реально сфотографированного объекта.


3D графика появляется в играх интернет на телевидении рекламных щитах. 3D графика дизайн становится всё более востребованной услугой. Современные технологии в области трехмерной графики позволяют применять 3D графику в дизайне не только отдельных объектов но и целых миров что открывает новые возможности как перед исполнителями так и перед заказчиками рекламы.


3D графика является незаменимым средством при необходимости демонстрации каких-либо сложных технических узлов многоступенчатых производств архитектурных сооружений. Трехмерность наглядно отображает все особенности строения объекта его мельчайшие элементы скрытые от глаз наблюдателя части конструкции сооружения. Трехмерная визуализация куда удобнее и нагляднее чем чертежи и схемы. Это связано с тем что трехмерное представление куда более наглядный способ демонстрации всех преимуществ Вашего продукта или услуги чем плоские схемы или графики.


3D графика находит широкое применение в техногенных сферах. Основные потребители 3D - это компании-производители различного оборудования и организации занимающиеся строительством крупной недвижимости. Производителям оборудования трехмерная графика позволяет очень наглядно продемонстрировать принципы работы технологических линий и отдельных станков.


"Объемный" дизайн позволяет подчеркнуть преимущества и тонкости производственного процесса. С помощью 3D графики есть возможность показать всё оборудование и заглянуть "внутрь" технологического процесса. Эффектная визуализация концентрирует внимание зрителя на ключевых моментах демонстрации. Качественный трехмерный дизайн имеет идеальный вид что способствует позитивному восприятию презентации в целом.


1.5. Программные ресурсы

Программные пакеты позволяющие создавать трёхмерную графику то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты:

3DS Max — полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трёхмерной графикой разработанная компанией Autodesk. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32-битных так и в 64-битных). Весной 2009 года выпущена двенадцатая версия этого продукта под названием «3ds Max 2010».


Maya — редактор трёхмерной графики. В настоящее время стала стандартом 3D графики в кино и телевидении. Первоначально разработана для ОС Irix (платформа SGI) затем была портирована под ОС GNU/Linux Microsoft Windows и Mac OS. В настоящее время существует как для 32 так и для 64-битных систем.


Newtek Lightwave - легкая в применении трехмерная анимационная система обладающая невероятной мощью. LightWave 3D обеспечивает все: от парящих логотипов до высококачественной анимации для кино и телевидения. Интуитивный интерфейс мощный моделлер превосходное управление анимацией высочайшее качество рендеринга.


SoftImage XSI – это 3D анимационное программное обеспечение применяемое при разработке игр создании фильмов и телевизионных программ. В арсенале SOFTIMAGE XSI имеется полный набор инструментов для 3D моделирования анимации и рендеринга. Базирующаяся на новой чрезвычайно гибкой архитектуре XSI обеспечивает 3D профессионалов беспрецедентной мощью и гибкостью для реализации самых невероятных творческих задумок.


Rhinoceros 3D - это коммерческое программное обеспечение для трехмерного NURBS моделирования разработки Robert McNeel & Associates. Преимущественно используется в промышленном дизайне архитектуре корабельном проектировании ювелирном и автомобильном дизайне в CAD/CAM проектировании быстром прототипировании реверсивной разработке а также в мультимедиа и графическом дизайне.


CINEMA 4D - является универсальной комплексной программой для создания и редактирования трёхмерных эффектов и объектов. Позволяет моделировать объекты по методу Гуро. Поддержка анимации и высококачественного рендеринга.


Zbrush — программа для трёхмерного моделирования созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» 3d-скульптуры усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени что существенно упрощает процедуру создания требуемого 3d-объекта. Каждая точка содержит информацию не только о своих координатах XY и значениях цвета но также и глубине Z ориентации и материале. Это значит что вы не только можете "лепить" трёхмерный объект но и "раскрасить" его рисуя штрихами с глубиной. То есть вам не придётся рисовать тени и блики чтобы они выглядели натурально — ZBrush это сделает автоматически.

Blender — пакет для создания трёхмерной компьютерной графики включающий в себя средства моделирования анимации рендеринга постобработки видео а также создания интерактивных игр. Особенностями пакета являются малый размер высокая скорость рендеринга наличие версий для множества операционных систем — FreeBSD GNU/Linux Mac OS X SGI Irix 6.5 Sun Solaris 2.8 (SPARC) Microsoft Windows SkyOS MorphOS и Pocket PC. Пакет имеет такие функции как динамика твёрдых тел жидкостей и мягких тел систему горячих клавиш большое количество легко доступных расширений написанных на языке Python.


K-3D — программное обеспечение система 3D-моделирования и компьютерной анимации. По оценке журнала «Компьютера» система может рассматриваться как хорошая альтернатива профессиональным пакетам.

Wings 3D - это бесплатная программа 3D-моделирования с открытым исходным кодом на которую повлияли программы Nendo и Mirai от компании Izware. Программа получила название по названию технологии обработки полигонов примененной в программе. Большинство пользователей называют её просто Wings. Wings 3D доступна для многих платформ включая Windows Linux и Mac OS X. Программа использует окружение и язык программирования Erlang.


Современный мир уже не может обходиться без компьютерной графики. Она движется и развивается очень быстро и стремительно. И возможно в скором будущем мы с Вами будем ходить в магазины школу работу улицу не выходя из дома! А будем это делать в трехмерных мирах.

З

З


2.1. 3D-принтеры

3D-принтер — устройство использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.


3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.


«В профессиональной среде все уже привыкли к 3д-печати но широкие массы в большинстве просто не знают что это такое. При этом применений для бизнеса не относящегося к конструкторской или дизайнерской среде - масса - от архитектурных макетов до эксклюзивных сувениров. Думаю в ближайшее время ситуация кардинально не изменится и единственный выход - точечно общаться с потенциальными клиентами» - говорит Александр Скрынник генеральный директор рекламного агентства ItLooks имеющего в Санкт-Петербурге свою компанию по 3D-печати. Он отмечает что бум данной технологии уже не за горами: «Бум наступит тогда когда технологии сделают еще 1-2 шага вперед повысив качество точность «глянцевость» и снизив себестоимость продукции. Тогда 3д-принтеры действительно совершат революцию произойдет это полагаю уже через 3-5 лет.»


Перспективы вроде бы очевидны но пока я думаю вам далеко не все понятно. Что же не пугайтесь технология действительно достаточно сложна. Для начала давайте разберемся с тем что такое эта самая пресловутая 3D-печать и какие ее виды существуют на сегодняшний день. А потом уже посмотрим на сферы ее применения сегодня и заглянем в недалекое будущее.


2.2. Виды 3D-печати

На сегодняшний день в 3D-печати господствует две принципиально разных технологии - это лазерная и струйная печать. При этом они тоже делятся на виды. Так лазерная печать подразделяется на три вида: собственно лазерная печать лазерное спекание и ламинирование. Во всех этих способах используется своя технология производства продукции. Так в случае лазерной печати принтер использует жидкий фотополимер который засвечивается специальной ультрафиолетовой лампой при помощи фотошаблона. Затем все это превращается в твердый материал. Это конечно упрощенное описание технологии но подробное просто выходит за рамки формата данной статьи.

Лазерное спекание проходит несколько иначе - лазер слой за слоем выжигает контур будущей детали на специальном порошке. То есть получается что производство идет слой за слоем.

Наконец в случае ламинирования процесс производства состоит из того что готовый объект создается из большого количества разношерстных слоев накладываемых друг на друга. Естественно все это происходит не без помощи лазера.

В струйной печати присутствует два основных способа печати - это застывание материала при охлаждении и спекание порошкообразного материала. В первом случае происходит выдавливание термопластика по каплям на основу будущего продукта а второй способ по своей сути очень напоминает лазерное спекание. Единственное отличие в том что в данном случае порошок склеивается с помощью специально предназначенного для этой операции клея.


2.3. Где применяется трехмерная печать?

На сегодняшний день основным применение 3D-принтеров является быстрое прототипирование. Уже давно установлено что при разработке какой-то сложной модели ее прототип позволяет сократить вероятность появления ошибок в конечном продукте. Многие крупные компании имеют в своих конструкторских подразделениях 3D-принтеры для разработки быстрых прототипов. Так в свое время Porsche при помощи прототипа изучала работу тока масла в трансмиссии новой модели автомобиля 911.

Преимуществ у быстрого прототипирования множество. В первую очередь это возможность изменения и доводки прототипов во время изготовления. Все это приводит к тому что компании имеют возможность учесть все особенности товара еще во время разработки.

Кроме того сегодня 3D-принтеры востребованы при производстве деталей для малосерийного производства мелких объектов для домашнего использования сувениров. Но все это мелочь по сравнению с беспилотным самолетом Polecat от компании Lockheed. Большая часть деталей данного летательного аппарата была изготовлена с применением технологии трехмерной печати.

Совсем недавно а если быть точнее то в мае 2008 года произошло знаковое научное событие. Профессор из Университета Бат (Великобритания) Эдриан Боуер и его научный партнер Вик Оливер представили миру новую версию своего самореплицирующегося робота - Replicating Rapid-prototyper который в миру получил имя RepRap. Собственно над этим проектом два сотрудника из Университета Бат работают уже много лет постоянно представляя новые версии своего детища. В мае 2008 года была представлена знаковая версия RepRap. Все дело в том что этот робот-3D-принтер научился самостоятельно воспроизводить себя. То есть он может создавать себе подобных без участия человека а те в свою очередь будут производить подобных себе. Думаю что у некоторых уже рисуются картины из фильма «Терминатор».

Впрочем пока паниковать рано. Воспроизвести себя полностью RepRap может только в теории. На практике все микросхемы должны быть представлены человеком (да производить микросхемы и электронику трехмерные принтеры пока не умеют). Правда профессор Боуер уже заявил что времена когда его детище сможет создавать себе подобных самостоятельно уже не за горами. Почему-то у меня нет повода сомневаться в словах Эдриана Боуера.


2.4. Коммерциализация трехмерной печати.

Однако все о чем мы сейчас говорили относиться скорее к прогрессу и науке. Каким образом современный бизнес использует трехмерные принтеры? Пожалуй в этом плане сразу же вспоминается компания Philips которая в минувшем году открыла дочернее предприятие под названием Shapeways. Собственно Shapeways будет заниматься трехмерной печатью сотрудничая не с компаниями которым требуются какие-то макеты а с простыми людьми желающими произвести какой-то небольшой сувенир.


Схема сотрудничества с Shapeways достаточно проста. Необходимо создать 3D-модель в одном из популярных 3D-редакторов зарегистрироваться на сайте и выслать ее в Shapeways.

Страницы: 1 2