Использование и построение трехмерных объектов в целях обучения современным научным дисциплинам

14

ИТО Марий Эл - 2011

Использование и построение трехмерных объектов

В ЦЕЛЯХ ОБУЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ НАУЧНЫМ ДИСЦИПЛИНАМ

Шпилевский Денис Леонидович

ГОУВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола

Трехмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения трехмерных объектов. Больше всего применяется в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, а также в науке. Актуальность темы обусловлена развитием современной компьютерной графики и недостаточной изученностью применения трехмерной графики в образовательных целях.

Abstract: three-dimensional graphics (3D, 3 Dimensional) is a part of computer graphics, collection of methods and tools (software and hardware) for displaying three-dimensional objects. It is often used in architectural visualization, cinema, TV, computer games, scientific research. Relevance of the topic is explained by evolution of modern computer graphics and insufficient exploration of using three-dimensional graphics in educational purposes.

Сегодня компьютерная графика - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений информационных технологий. В научных исследованиях все большое внимание смещается в сторону использования тех возможностей трехмерной компьютерной графики, которые позволяют активизировать свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами. Задача трехмерного моделирования в образовании - описать эти образы (объекты) и разместить их в сцене с помощью геометрических и математических преобразований в соответствии с изучаемым учеником материалом.

С образовательной точки зрения, трехмерная компьютерная графика - это область компьютерной науки, позволяющая ученикам наглядно увидеть сложные трехмерные объекты, изучаемые, например, в курсе геометрии. Трехмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трехмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырехмерного фрактала).

Для получения трехмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

♦ моделирование - создание трехмерной математической модели сцены и объектов в ней [2].

♦ рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью [1].

♦ вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

Говоря о построении объектов обучающимися, имеется в виду виртуальное пространство моделирования (сцена), включающее 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) [3].

♦ Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения) [3].

♦ Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции) [4].

♦ 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. ).

Трехмерное моделирование с геометрической точки зрения - это создание математического, каркасного представления трехмерного объекта, чаще всего называемого З^модель [2]. Модели могут быть созданы как автоматически в зависимости от изучаемого геометрического материала, так и вручную учениками. Например, компьютерные системы трехмерной графики учебного назначения должны иметь набор различных способов графического отображения информации, чтобы каждый учащийся мог выбрать наиболее подходящий для него тип изображения.

В качестве примера такого программного обеспечения можно назвать Autodesk 3ds Max [2]. Использование такого пакета трехмерного моделирования дает большие возможности для создания плагинов, автоматизирующих и значительно упрощающих дальнейшее моделирование и визуализацию [3]. В частности, одним из востребованных видов работ в трехмерной графике в наше время является разбиение цельного геометрического объекта на большое количество геометрически корректных «осколков», то есть объектов, которые при сборке дали бы цельный исходный геометрический объект.

Говоря о разбиении геометрии и разрушении объектов на основе этого разбиения, важно отметить, что пакет 3ds Max предоставляет собой удобное и мощное программное средство для ускорения и автоматизации вышеописанных действий с объектами. А именно, в 3ds Max имеется встроенный язык программирования Maxscript. Без использования данного программного модуля при разбиении геометрии встает необходимость большой подготовительной работы по созданию моделей всех объектов сцены, которые могут попасть в поле зрения камеры, и по присвоению им материалов. Также имеется необходимость контроля за взаимным положением объектов в составе сцены, особенно при выполнении анимации. В связи с тем, что объекты в 3ds Max «бестелесны», легко допустить ошибочное проникновение одного объекта в другой или ошибочное отсутствие нужного контакта между объектами [1].

В направлении изучения компьютерной графики с точки зрения моделирования объектов и программирования важно то, что в пакете трехмерного моделирования 3ds Max имеются средства, позволяющие имитировать действие на трехмерные объекты таких физических сил, как тяжесть, трение или инерция, а также воспроизводить результаты столкновений объектов. Таким образом, применяется имитационное моделирование для манипуляции визуальной и геометрической информацией, используемой для решения практических заданий учениками с помощью вычислительной техники.

—-------- Литература

1. BrookerD. Essential CG Lighting Techniques with 3ds Max. - Focal Press: Elsevier Inc., 2008. - 398 p.

2. Daniele T. Poly-Modeling with 3ds Max. Thinking outside the box. - Focal Press: Elsevier Inc., 2009. - 269 p.

3. LegrenziF. Vray - The complete guide - second edition. - Francesco Legrenzi, 2010. - 1052 p.

4. Верстак В. А. 3ds Max 2008. Секреты мастерства. - СПб.: Питер, 2008. - 736 с.