3D моделирование в программе «Blender»

Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Хабаровский техникум техносферной безопасности и промышленных технологий»

Проект

3D моделирование в программе «Blender»

Содержание

 

Введение

Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Одним из перспективных направлений развития компьютерных технологий является создание трехмерных моделей объекта (3D). 3D моделирование — это процесс создания виртуальных объемных моделей любых объектов, позволяющий максимально точно представить форму, размер, текстуру объекта, оценить внешний вид и эргономику изделия. Основной задачей 3D-моделирования является разработка визуального объемного образа желаемого объекта, который может быть как реальным, так и полностью абстрактным. Абстракция позволяет оценить элемент, устранить возможные ошибки, усовершенствовать презентаций. Ведь вещь, которую можно увидеть собственными глазами и даже потрогать, выглядит гораздо убедительнее, чем обычный чертеж. Такое решение часто конструкцию и трезво оценить изделие до того, как оно поступит в производство. Предмет воссоздается до последних мелочей и соответствует техническому заданию. Такая тщательность позволяет усовершенствовать его и получить более прибыльное и эффективное производство.  Презентация с использованием виртуально смоделированных деталей изделия в последнее время становится наиболее популярным способом представить новую продукцию. Такая востребованность объясняется эффективностью демонстрации и возможностью наглядно показать все преимущества нового продукта.

Уже сегодня 3D графика активно применяется в науке,  промышленности, архитектуре и дизайне, медицине и других областях для визуализации происходящих процессов, элементов зданий, деталей машин, механизмов и т.д., что позволило значительно повысить эффективность производства. Например, до недавнего времени работу по созданию спецэффектов в кинематографии выполняли в специальных павильонах с использованием физических моделей, методов прозрачной фотографии и т.п., что занимало много времени и требовало привлечения большого количества людей и материалов. Теперь для решения этой проблемы достаточно посадить одного человека за персональный компьютер, на котором установлено программное обеспечение, позволяющее создать спецэффекты.

На сегодняшний день разработано большое количество программ, позволяющих создавать трёхмерные сцены и объекты. Среди наиболее популярных можно назвать такие программы, как 3D studio Max2, Blender и Auto-CAD (применяется в основном инженерами и проектировщиками для создания чертежей и пространственных моделей).

Объект исследования: изучение основных приемов трехмерного моделирования.

Предмет исследования: создание 3D модели в программе Blender.

Цель проекта: изучить программу Blender и разработать с помощью нее 3D модель «Бутылка».

Задачи:

1)изучить основные положения трехмерной компьютерной графики;

2)изучить правила работы с программой  Blender;

3)создать с помощью программы Blender различные трехмерные объекты.

Гипотеза: 3D моделирование в Blender можно освоить за неделю.

Практическая значимость: практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D–моделирования.

Глава I. Трёхмерная компьютерная графика

Трехмерная компьютерная графика – это вид компьютерной графики, который позволяет создавать объёмные трёхмерные сцены.

В трехмерной графике изображения (или объекты) моделируются и перемещаются в виртуальном пространстве, в природной среде или в интерьере, а их графика, как и векторная, является объектно-ориентированной, анимация позволяет увидеть объект с любой точки зрения, переместить в искусственно созданной среде и пространстве.

Трёхмерная компьютерная графика, как и векторная, является объектно-ориентированной, что позволяет изменять как все элементы трёхмерной сцены, так и каждый объект в отдельности.

С помощью трёхмерной графики (3D графика) можно и создать точную копию конкретного объекта, так и разработать новое объекты. Процесс создания трёхмерной модели объекта называется 3D-моделированием. 

Основой для построения любой пространственной формы является плоскость и грань объекта. Плоскость в трехмерной графике задается с помощью трех точек, соединенных отрезками прямых линий (координатных осей). Именно это условие дает возможность описать с помощью получаемых плоскостей «пространственную сетку», которая представляет собой модель объекта.

Затем объекту присваиваются характеристики поверхности (например, полированная, шероховатая, блестящая и др.), описывается его текстура (камень, ткань, стекло и др.) задаются оптические свойства (прозрачность, отражение или преломление световых лучей и др.). Наряду с этим, трехмерному объекту можно задать условия освещения и выбрать точку обзора (камеру) для получения наиболее интересного наглядного изображения.

Постановка, состоящая из трехмерного объекта, условий освещения и выбранной точки зрения называется «трехмерной сценой».

Современные технологии в области трехмерной графики позволяют применять 3D графику в дизайне не только отдельных объектов, но и целых миров, что открывает новые возможности.

3D графика применяется в играх, на телевидении и т.п.,  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.

История возникновения

Появлению 3D предшествовало двухмерное изображение, которое имело две оси координат, формирующих ширину и высоту рисунков. И только в 90-х годах 20-го века стало известно о возможности создания третьего измерения - объема.

Одним из гениальнейших исследователей был Айван Сазерленд. Он, будучи всего лишь аспирантом, разработал программу, которая являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем — Sketchpad. С её помощью которой можно было конструировать простейшие трёхмерные изображения. Именно он впервые создал кафедру компьютерной графики в родном университете. Эти события открыли миру путь в 3D моделирование. Помогали аспиранту его лучшие студенты Эд Катмулл и Джим Блинн. Катмулл, под руководством своего руководителя Айвана Сазерленда, смоделировал первый в истории объемный объект, которым была его собственная рука.

Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл — впоследствии технический директор и президент Pixar Animation Studios.

В середине 1980-х появились первые стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики — MGA, CGA, EGA. Но время шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя, отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по классу устройства объединились в одно — видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-, и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились специальные обработчики шейдеров — микропрограмм, которые сейчас отвечают за обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма, отражений). 

 

Глава II. Создание 3D объектов с помощь программы Blender

 

                                             1. Общие положения        

Blender – это пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринг, постобработку видео, а также создание интерактивных игр.

Это бесплатное программное обеспечение для 3D-моделирования с открытым исходным кодом, доступное для всех основных операционных систем под Стандартной общественной лицензией GNU. Программа была разработана по заказу голландской анимационной студии NaN.

Blender работает со слоями, так же как другие 3D программы.  Одной из сильных сторон Blender является способность программы работать с типами файлов, созданными в других 3D программах.

Особенностью данной программы является то, что она разработана сообществом разработчиков open-sourcе и постоянно совершенствуется.

С помощью программы  Blender  можно создавать различные 3D изображения, в том числе текст, в формате JPEG или видеоролики.

2. Основные термины и определения

Вершина является самым маленьким возможным объектом в блендере. Дальше идет грань – она состоит из двух связанных между собой вершин, которая тоже не отобразиться при рендере. И, наконец,  полигон – это 4 соединенные между собой гранями точки. Пустое пространство между этими точками заполнено плоскостью – которая отображается при визуализации и имеет внешнюю и внутреннюю сторону.

Рендеринг является процессом графического отображения 3D сцены или объекта. Такие возможности, как материалы, текстуры, освещение, oversampling и тени управляют эффектами и качеством рендера. Чем больше этих элементов добавлено, тем более реалистичной становится сцена.

Материалы и текстуры характеризуют внешний вид объекта (цвет и структуру). Материалы придают объекту реализм с помощью различных эффектов, таких как блеск, световое излучение, прозрачность и т.п.

Текстуры создают различные характеристики поверхностей, например: дерево, мрамор, облака, волны и неровность. Текстуры могут быть изготовлены из любой сканированной фотографии или нарисованного объекта в любом редакторе изображений, также может использоваться и видео.

Освещение характеризуется наличием источников света, которые добавляют сцене необходимые световые эффекты с помощью различного типа отражений и теней. Можно управлять типом, интенсивностью, а так же цветом освещения и его пределами на определённом расстоянии. Кроме того можно создавать специальные эффекты, например эффект ореола при освещении тумана или пыли.

Камера – это точка наблюдения сцены. Камера позволяет управлять длиной фокусного расстояния (объектива), настраивать область обзора и глубину резкости. Она может следовать за объектом по определенному пути, либо следить за объектом с установленной точки.

Анимация – это серия изображений, формирующих видеоряд. Основными вариантами анимации являются изменение размеров объекта, его вращение и передвижение. На качество фильма влияют частота кадров в секунду (FPS), размер изображения, тип файла вывода и сжатие.

Анимация в реальном времени позволяет добавлять объектам реальные физические свойства, а так же использовать клавиатуру и другие устройства ввода для управления объектами сцены. Можно создать персонажей (actor), изменять массу (mass), устанавливать трение (friction), силу и вращение в разных направлениях, создавать связи с другими объектами в сцене.

3. Интерфейс Blender

При запуске программы на мониторе компьютера отображается сцена, состоящая из куба, лампы и камеры (вид сверху) и окон (см. рис. 1).

Рис. 1. Окно Blender

Куб – стандартный меш-объект, созданный в этой сцене, для того, что бы сделав тестовый Рендер можно было увидеть на получившейся картинке объект, а не пустое изображение. Трехмерный курсор, находящийся в середине куба, используется для определения места, где будут добавляться другие объекты.

В 3D окне можно наблюдать две пересекающиеся в центре линии (красную и зелёную) – оси координат X и Y (их обозначения есть в нижнем левом углу 3D-окна), 3D-курсор, куб, лампу и камеру.

Лампа служит источником света (без неё конечное изображение было бы чёрным).

Камера необходима для отображения конечного изображения. С помощью камеры мы видим изображение под тем или иным углом.

Все вместе (куб, лампа, камера) формируют сцену – представление события.

3D-курсор в центре куба используется для определения места добавления новых объектов. Вы можете перемещать его щелчком левой кнопки мыши.

Теперь запомним следующую особенность: многие команды в Blender предпочтительно отдавать с клавиатуры. При этом следует помнить, что курсор мыши должен находиться именно в том дочернем окне, где планируется произвести изменения.

4. Рендеринг

Сцена, созданная в программе Blender – это далеко еще не изображение. Однако Blender можно использовать для создания 3D-графики. Чтобы получить из сцены графический файл необходимо «отрендерить» файл.

Формирование изображения по созданной сцене называется рендерингом (отрисовкой).

В Blender, чтобы посмотреть конечное изображение можно нажать F12. Отображаемая сторона, удалённость и др. на получившейся картинке зависят от того, где размещена и как повёрнута камера.

5. Навигация в окне просмотра с помощью клавиатуры

Если после запуска Blender вы нажмёте F12 и посмотрите на получившееся изображение, то, возможно, будете озадачены тем, что оно не совпадает с видом сцены (тем, что видим в 3D-окне). На самом деле все правильно, сцену вы видите сверху (так установлено по-умолчанию), а изображение получаете как вид из камеры (судя по всему камера “смотрит” сбоку).

Чтобы изменять вид в окне просмотра чаще всего используют клавиши NumPad (дополнительную цифровую клавиатуру). Например, для того, чтобы установить в 3D-окне вид из камеры следует нажать 0 (ноль).

Назначение клавиш NumPad:

0 – вид из камеры;

1 – вид спереди;

3 – вид справа;

2, 4, 6, 8 – поворот сцены;

5 – перспектива (повторное нажатие возвращает обратно);

7 – вид сверху;

«.» и Enter – изменение масштаба относительно выбранного объекта;

«+» и «-» – изменение масштаба сцены

6. Навигация в окне просмотра c помощью мыши

Изменять вид окна просмотра можно не только с помощью клавиатуры, но и используя мышь:

– прокрутка колеса мыши меняет масштаб;

– движение мыши при нажатом колесе поворачивает сцену (не крутите его, просто нажмите как кнопку);

– движение мыши при нажатом колесе + Shift передвигает сцену.

Примечание. Курсор мыши должен находиться в 3D-окне (а то передвинете что-нибудь другое).

7. Выделение, перемещение, масштабирование объектов

Итак, первоначально на сцене присутствуют три объекта (куб, камера и лампа). Их можно передвигать, менять угол наклона и др., но для начала неплохо бы научиться выделять объекты (т.е. указывать компьютеру, с чем именно мы будем работать).

Выделение объекта в Blender осуществляется щелчком правой кнопки мыши по нему. Контур выделенного объекта становится розовым.

Чтобы выделить несколько объектов, надо щёлкать по ним по очереди правой кнопкой мыши при зажатой клавише Shift.

Если было выделено несколько объектов, нажатие клавиши A приводит к сбрасыванию выделения со всех объектов, а последующее нажатие - к выделению всех объектов.

Прежде чем мы начнем изменять формы меш-объектов и превращать их в другие формы, мы должны хорошо освоить создание, перемещение, вращение и масштабирование основных меш-объектов.

Основные способы модификации объектов:

клавиша “G” – перемещение или захват (Grab) объекта;

клавиша “S” – масштабирование (Scale) объекта;

клавиша “R” – вращение (Rotate) объекта.

Например, чтобы изменить размер куба по всем осям с помощью клавиатуры необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Выделить куб;

2. Нажать клавишу S, чтобы включить режим масштабирования;

3. Перемещать курсор мыши, пока объект не достигнет необходимого размера;

4. Щёлкнуть левой клавишей мыши, чтобы согласиться с изменениями, или правой – чтобы отказаться от них.

Если при перемещении курсора (п.3) зажать клавишу Ctrl, то любое изменение будет пошаговым (на определённую величину).

Вместо нажатия клавиш G, R и S, вы можете использовать кнопки с панели Transform с левой стороны окна 3D-вида: Translate (G), Rotate (R), Scale (S).

Рис. 2. Окно Трансформации объекта

Если вы хотите использовать эти модификации с точными параметрами (например, повернуть объект по оси Х на 90 градусов или изменить размер на точное значение единиц) – нажмите клавишу “N” для открытия панели трансформации с правой стороны окна 3D-вида (или щелкните по символу ” + ” в правом верхнем углу окна). Здесь вы можете заблокировать изменение некоторых параметров.

Рис. 3. Окно Трансформации объекта по точным данным

 

Если Вы хотите переместить объект, введите команду перемещения “G”. Двигайте мышь, объект будет перемещаться вместе с мышью.

Если изменения необходимо выполнить только по одной оси, можно пользоваться клавишами X, Y, Z. После клавиши S или др. следует нажать X или Y или Z, в зависимости от того, по какой оси требуется изменить объект.

8. Сохранение и открытие файлов

Сохранение и открытие файлов в Blender не сильно отличается от этих действий в других программах. Однако окна здесь выглядят достаточно специфично. Главное, что следует запомнить: в Blender при закрытии программы не выводится диалоговое окно с предложением сохранить файл. Поэтому об этом следует позаботиться заранее, иначе можно безвозвратно утратить только что созданный документ.

  Глава III. Создание объекта «Бутылка» с помощь программы Blender версии 3.5

  Для создания объекта на ноутбук загружена программа Blender версии 3.5 Эта версия оптимальна по системным требованиям для ноутбука с минимальными показателями После открытия программы выделяем куб и  с помощью клавиши «Delete» удаляем его.

  

Рис. 4. Открытие программы.

На месте куба создаем цилиндр: в верхней строке меню Добавить → Мэш → Цилиндр. После появления цилиндра сразу обращаем на окно слева внизу Добавить цилиндр. Открываем его сразу и делаем настройки размера и количества полигонов, так как после щелчка мыши, к этим настройкам уже не вернутся. Вершины – 16 Радиус – 1 Глубина - 2

Рис. 5. Основы бутылки
Нажимаем NUMP1 Для изменения вида. Выделяем вершины и включаем режим полупрозрачности.

Рис. 6. Деформация цилиндра
Нажимаем сочетание клавиш E + Z вытягиваем бутылку вверх на одну клетку. После ещё раз нажимаем E и вытягиваем её ещё раз но уже на 2 клетки. Нажимаем клавишу S чтоб сузить горло. Затем сново E + Z вытягиваем горло

 Рис. 7. Деформация цилиндра
Дальше редактируем её основу так как вы хотите по данным выше комбинациям.

Рис. 8. Деформация цилиндра
Выбираем режим выделения ребер и тыкаем ALT + любое ребро. И вытягиваем так как вам нравится.

Рис. 9. Изменение горлышка
Через CTRL + R создаём два лупката где один немного выше другого и через кнопку S делаем горлышко такое как вам нравится.

Рис. 10. Модификации
На правой пенале нажимаем Настройки модификаторов – Добавить модификатор – Подразделение поверхности – Уровни вьюпорта (1) – Применить

Рис. 11. Затенение
Выделяем бутылку и нажимаем правую кнопку мыши в открытом окне выбираем режим Гладкое затенение.

Рис. 12. Формирование и рендеринг

Переходим к модели. Включаем режим редактирования. Увеличиваем количество полигонов пользуясь модификатором Subdivision Surface. Subdivision Surface -> Viewport:2 + Apply.

Переходим в режим скульптинга в верхней строке меню: Sculpting. Настраиваем размер кисти с помощью горячей клавиши «F» + движение мыши и силу нажатия - «Ctrl» + «F» + движение мыши. Щелчком левой клавиши мыши подтверждаем. Сглаживание и

корректировку можно сделать с помощью Smooth на панели инструментов слева аналогичным образом. Завершающим этапом данной работы будет наложение цвета. Справа в окне меню выбираем Context. Material настраиваем параметры для каждого объекта:

Вase Color

Subsurface - 0.3

Specular - 0.6

Roughness - 0.4

С помощью горячей клавиши Z переходим в рендер, тогда бутылка окрасится

В заданные цвета.

Советы

∙                                 Добавляйте столько деталей, сколько вам нужно. Добавление слишком большого количества граней, ребер и вершин к объекту может замедлить работу компьютера и привести к длительному рендерингу.

∙                                 Прежде чем моделировать сложный объект, сначала нарисуйте вид объекта спереди и сбоку на миллиметровой бумаге.

∙                                 Как только вы закончите моделировать объект, попробуйте добавить к нему материалы и текстуры.

 

     Заключение

Особенность современного этапа развития общества заключается в феноменальном прорыве цифровых технологий. На глазах одного поколения радикально изменилось отношение ко многим сторонам жизни.

Возможности компьютерных технологий, позволяющие решать проектно-композиционные задачи, инициировать творческий потенциал и способствовать формированию пространственного мышления.

Компьютерное трёхмерное моделирование, анимация и графика в
целом не уничтожают в человеке истинного творца, а позволяют ему
освободить творческую мысль от физических усилий, максимально настроившись на плод своего творения.

Целью данной работы было выполнение трехмерной модели «Пончик». В ходе работы над проектом были выполнены все поставленные задачи. Гипотеза не подтвердилась. Для освоения программы Blender нужно гораздо больше времени.

Трудности возникли и с мощностью ноутбука. При наложении текстуры программа начала «зависать». Чем больше модификаций и полигонов, тем «тяжелее» становится файл. Для профессионалов актуально выбирать технику, которая соответствует оптимальным требованиям. К рекомендуемым параметрам относится: 4-ядерный 64-битный процессор; 16 Гб оперативной памяти; видеокарта с размером памяти от 4 Гб.

Самостоятельно изучать программу сложно и долго, очень много нюансов. На профессиональном уровне пока невозможно заниматься графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно, в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли.

Программу Blender можно скачать бесплатно с сайта www.blender.org.

 

Список литературы

1.     Видеоуроки [Электронный ресурс], https://www.youtube.com/playlist?list=PLkxXQ3ugQK2PEUO9a2_FZMmXGXy83P4XN

2.     Главный сайт [Электронный ресурс], -www.blender.org

3.     Маслов, К. Ю. 3D моделирование в промышленной сфере / К. Ю. Маслов, М. Ю. Похорукова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 11.3 (115.3). — С. 19-22. — URL: https://moluch.ru/archive/115/31349/ (дата обращения: 11.08.2022).

4.     Прахов, А. Blender. 3D-моделирование и анимация. Руководство для начинающих / А. Прахов. - М.: БХВ-Петербург, 2009. - 272 c.

5.     Тозик, В.Т. 3ds Max Трехмерное моделирование и анимация на примерах / В.Т. Тозик. - СПб.: BHV, 2008. - 880 c.

6.     3D-моделирование в современном мире [Электронный ресурс], -

https://anrotech.ru/blog/3d-modelirovanie-v-sovremennom-mire/