федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Вологодский государственный университет»

«Электроэнергетический факультет»

«Управляющие и вычислительные системы»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: «Компьютерная графика»

Наименование темы: «Создание трёхмерной модели шахмат»

Шифр работы КП (КР): ____________________________________

Руководитель	к. т. н. доцент, доцент Машкин Андрей Валерьевич
Выполнил (а) студент	Репин Леонид Александрович
Группа, курс	ЭВ-11, 1
Дата сдачи	___________________________________________
Дата защиты Оценка по защите	___________________________________________ ___________________________________________ (подпись преподавателя)

Вологда

2014г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................3

1. ПОНЯТИЕ ТРЁХМЕРНОЙ ГРАФИКИ............................................6

1.1. Этапы создания трёхмерного изображения

1.1.1. Текстурирование………………………………………………...…..8

1.1.2. Освещение……………………………………………………………8

1.1.3. Анимация…………………………………………………………….9

1.1.4. Рендеринг……………………………………………………...……..9

1.2. Blender………………………………………………………...…….10

1.2.1. Интерфейс пользователя……………………………….…………..11

2. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ШАХМАТ….14

2.1. Создание отдельных частей(фигурок) 3D-модели….....................14

2.2. Наложение текстур………...........………………………………….23

2.3. Создание анимации……………………………….......……………24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………........…………………………...………..26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………....………………27

ВВЕДЕНИЕ

Третье измерение коренным образом перевернуло всю игровую и киноиндустрию. С появлением технологий 3D изображений стали появляться первые фильмы со спецэффектами. Первые игры в трех измерениях.Обо всем более подробно.

Отцом-основателем 3D графики можно назвать Ивана Сазерленда - этот талантливый человек во времена работы в университете аспирантом создал приложение SketchPad. SketchPad - небольшая, но революционная программа в мире компьютерных технологий, которая позволяла производить на свет первые 3D объекты. Именно она стала тем самым «толчком», который ускорил развитие трехмерного изображения - именно благодаря SketchPad мы имеем такое 3D, какое оно есть.

Защитив свою диссертацию, рассказывающую о мире, каким бы он был в 3D (тогда еще эта аббревиатура не применялась), совместно с доктором Дэвидом Эвансом Иван запускает в общественность свой новый проект - первую в мире кафедру компьютерных технологий, а именно векторной и растровой графики. Преследуют Эванс и Сазерленд при этом только благородные цели - приобщение талантливых ученых к разработке и изучению современных компьютерных и информационных технологий. Ещё не достигнув успехов на новом напрвлении, они нашли нового союзника - бывшего в то время студентом Эда Катмулла (сегодня он является техническим директором знаменитой мультипликационной студии Pixar). Его безусловным достижением является то, что именно Эд впервые смог сделать трехмерный объект. Это была модель его кисти руки. Тогда это было очень большим достижением, и причислялось к технологиям будущего. Так и вышло.

После этого, в 1969 году союз Ивана с Эдом перерос в их первую собственную компанию, занимающуюся разработкой и массовым производством CG (computer graphics - компьютерная графика). Всемирная известность 3D графики дала о себе знать - в те далекие 70-е технологии трехмерного изображения использовались лишь в рамках телевизионных проектов, таких как реклама. Пример первой коммерческой 3D анимации - вращающийся на 360° логотип IBM при запуске одноименных компьютеров был создан в 70-х годах. ​

В середине 60-х несколькими талантливыми физиками была организована компания «Высших Математических Технологий», которая должна была заниматься изучением радиационных полей. Именно они сделали следующий широкий шаг вперед - их ПО Synthavision, запущенное для изучения радиационного фона перенесло ряд изменений - после глобальной адаптации, Synthavision стало возможным применять для рендеринга и основы «трассировки лучей» - именно этим способом стало возможно просчитывать геометрические объекты, отражения, различные блики и т.д. Наш соотечественник Евгений Трубецкой и англичанин Карл Людвиг внесли, пожалуй, самый большой вклад в развитие "ray-tracing", внеся большое количество различных изменений и отладив ее работу до мелочей.

Несмотря на то, что основоположники современных компьютеров были колоссально большими - графика, воспроизводимая ими, была очень неуклюжей и «топорной». Но благодаря трудам тысяч (возможно и миллионов) людей был создан микропроцессор, что позволило сделать компьютер компактным и куда более функциональным. Однако компьютеры в то время отличались достаточно скромными техническими характеристиками, что препятствовало продвижению и работе 3D графики. Необходим был приемлемый результат, а следовательно, и более мощные рабочие станции.

Но помощь подошла оттуда, откуда её не ждали - Джим Кларк - один из профессоров кафедры CG Стэндфордского университета - вместе с Эбби Сильверстоуном, открывает в конце 1981 года компанию, известную как «Силиконовая графика». Выпустив IRIS 1000 - современную по тем меркам и очень мощную машину, Джим и Эбби решили продолжить свою деятельность. И уже спустя пару месяцев, в свет выходит несколько компьютеров, оснащенных ОС Unix. SGI сделала действительно мощные ЭВМ, включающие пакет ПО Geometry Pipelines, ускоряющий работу трехмерного изображения.

Если для «большой» науки десять лет являются ничтожным промежутком, то для компьютерной графики, чье развитие определяется уровнем технологий такой срок как десять лет это целая вечность. Буквально до нескольких последних лет применять подобную графику могли только узкие специалисты в такие областях, как проектирование, автоматизация, математическое моделирование и анализ данных.

В последние годы доступ к 3D моделированию получили практически все желающие. Коммерциализация же в области ПО связанного с 3D дело вообще совсем недавнее. Основоположником этого направления считается Ван Дам, учебники им написанные содержат основополагающие данные в области 3D технологий. Первоисточником же технологий машинной графики специалисты считают докторскую диссертацию Айвен Сазерленд.

Таким образом, мы видим, что всего за десяток лет, начавшись как проекты нескольких энтузиастов науки и техники 3D технологии, проникли почти во все сферы человеческой деятельности, от фундаментальной науки и до технологий в сфере развлечения.

Проекты этого плана очень востребованы в наше время и широко применяются в сфере кинематографа, создании рекламных роликов, видеоигр и многого другого.⁴

1. ПОНЯТИЕ ТРЁХМЕРНОЙ ГРАФИКИ

Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions — «3 измерения») Graphics, Три измерения изображения) — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

3D моделирование — это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D моделирования — разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

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

2. Текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);

3. Освещение — установка и настройка источников света;

4. Анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;

5. Динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;

6. Рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

7. Композитинг (компоновка) — доработка изображения;

8. вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

1. Геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);

2. Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);

3. Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

4. Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);

5. Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);

6. Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов — прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

· Cinema3D;

· Autodesk [Mudbox], Autodesk 3Dmax studio;

· Maya;

· Google SketchUp.

· Blender

Для создания трехмерной модели человека или существа может быть использована, как прообраз (в большинстве случаев) Скульптура.

1.1.1. Текстурирование

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.

Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков, например Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella и др.

1.1.2. Освещение

Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом, в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D графики предоставляют следующие типы источников освещения:

· Omni light (Point light) — всенаправленный;

· Spotlight — конический (прожектор), источник расходящихся лучей;

· Directionallight — источник параллельных лучей;

· Arealight (Planelight) — световой портал, излучающий свет из плоскости;

· Photometric — источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному предназначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Spherelight) или объемного освещения (Volumelight), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.

1.1.3. Анимация

Одно из главных призваний трехмерной графики — придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

· AutodeskMotionBuilder

· PMG MessiahStudio

1.1.4. Рендеринг.

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 пикселов. 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, как показано выше. 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).

1.2.Blender.

Blender — свободный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки видео, а также создания интерактивных игр. Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер. Установленный пакет занимает от 30 до 45 МБ. В базовую поставку не входят развёрнутая документация и большое количество демонстрационных сцен.

Функции пакета:

1. Поддержка разнообразных геометрических примитивов, включая полигональные модели, систему быстрого моделирования в режиме subdivisionsurface (SubSurf), кривые Безье, поверхности NURBS,metaballs (метасферы), скульптурное моделирование и векторные шрифты.

2. Универсальные встроенные механизмы рендеринга и интеграция с внешним рендерером YafRay, LuxRender и многими другими.

3. Инструменты анимации, среди которых инверсная кинематика, скелетная анимация и сеточная деформация, анимация по ключевым кадрам, нелинейная анимация, редактирование весовых коэффициентов вершин, ограничители, динамика мягких тел (включая определение коллизий объектов при взаимодействии), динамика твёрдых тел на основе физического движка Bullet, система волос на основе частиц и система частиц на основе волос.

4. Python используется как средство создания инструментов и прототипов, системы логики в играх, как средство импорта/экспорта файлов (например COLLADA), автоматизации задач.

5. Базовые функции нелинейного редактирования и комбинирования видео.

6. GameBlender — под-проект Blender, предоставляющий интерактивные функции, такие как определение коллизий, движок динамики и программируемая логика. Также он позволяет создавать отдельные real-time приложения начиная от архитектурной визуализации до видео игр.

1.2.1. GUI - интерфейс пользователя.

Blender имел репутацию программы, сложной для изучения. Практически каждая функция имеет соответствующее ей сочетание клавиш, и учитывая количество возможностей, предоставляемых Blender, каждая клавиша включена в более чем одно сочетание (shortcut). C тех пор как Blender стал проектом с открытым исходным кодом, были добавлены полные контекстные меню ко всем функциям, а использование инструментов сделано более логичным и гибким. Прибавим сюда дальнейшее улучшение пользовательского интерфейса с введением цветовых схем, прозрачных плавающих элементов, новой системой просмотра дерева объектов и разными мелкими изменениями.

Отличительные особенности GUI:

1. Режимы редактирования. Два основных режима Объектный режим (Objectmode) и Режим редактирования (Editmode), которые переключаются клавишей Tab. Объектный режим в основном используется для манипуляций с индивидуальными объектами, в то время как режим редактирования — для манипуляций с фактическими данными объекта. К примеру, для полигональной модели в объектном режиме мы можем перемещать, изменять размер и вращать модель целиком, а режим редактирования используется для манипуляции отдельных вершин конкретной модели. Также имеются несколько других режимов, таких как VertexPaint и UV Faceselect.

2. Широкое использование горячих клавиш. Большинство команд выполняется с клавиатуры. До появления 2.x и особенно 2.3x версии, это был единственный путь выполнять команды, и это было самой большой причиной создания репутации Blender’y как сложной для изучения программы. Новая версия имеет более полноеграфическое меню.

3. Управление рабочим пространством. Графический интерфейс Blender’а состоит из одного или нескольких экранов, каждый из которых может быть разделён на секции и подсекции, которые могут быть любой частью интерфейса Blender’a. Графические элементы каждой секции могут контролироваться теми же инструментами, что и для манипуляции в 3D пространстве, для примера можно уменьшать и увеличивать кнопки инструментов тем же путём, что и в 3D просмотре. Пользователь полностью контролирует расположение и организацию графического интерфейса, это делает возможным настройку интерфейса под конкретные задачи, такие как редактирование видео, UV mapping и текстурирование, и сокрытие элементов интерфейса которые не нужны для данной задачи. Этот стиль графического интерфейса очень похож на стиль, используемый в редакторе UnrealEd карт для игры Unreal Tournament.

Рисунок 1.1 - Главное окно Blender.

2.ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ШАХМАТ.

2.1 Создание отдельных частей (фигур) 3D-модели.

Шахматы состоят из двух частей: 1- Фигуры шахмат; 2- Шахматная доска для фигур.

Рисунок 2.1 - Фотография шахмат.

В первую очередь сделал фигуры шахмат. Вначале сделал основание, так как оно у фигур похожее. Копировал их в нужном количестве. За основу взял сферу. «Сферу» создал сочетанием клавиш Add>Mech>UV Sphere. Далее задал ему диаметр

.

Рисунок 2.2 – Заготовка для основания.

Не выходя из режима редактирования начал придавать форму основанию. С помощью масштабирования (клавиша S) придавал форму.

Рисунок 2.4 – Пешка.

«Пешку» создавал до некоторого момента. Далее сочетанием клавиш Add>Mech>Uv_sphere создал «сферу», сопоставил её с другой частью пешки по осям и сочетанием клавиш Ctrl+J объединил их.

Рисунок 2.5 – Слон.

При создании «слона»(офицера) использовал первую часть от пешки. Далее сочетанием клавиш Add>Mech>Cone создал «конус» и с помощью масштабирования(клавиша S) придал ему нужную форму. Следующим элементом является «шар». Сочетанием клавиш Add>Mech>UV_sphere создал «сферу», сопоставил все части по осям и сочетанием клавиш Ctrl+J объединил их.

Рисунок 2.6 – Ладья.

При создании «ладьи» использовал основание и с помощью выдавливания (клавиша Е) и масштабирования (клавиша S) придал форму фигуре до определённого состояния. Далее выделил грани передвижением (клавиша G) придал конечную форму, какую мы видим на рисунке 2.6.

Рисунок 2.7 – Ферзь.

При создании «ферзя»(королевы) использовал за основу саму «ладью»(туру), так как эти фигуры очень похожи, и произвёл несколько преобразований. Удлинил «ладью»(туру) и с помощью масштабирования(клавиша S) создал «кольцо». Далее с помощью сочетания клавиш Add>Mech>Uv_sphere создал «сферу». Сопоставил обе части по осям и сочетанием клавиш Ctrl+J объединил их.

Рисунок 2.8 – Король.

При создании «короля» использовал основание и с помощью выдавливания (клавиша Е) и масштабирования (клавиша S) придал форму фигуре до определённого момента. Далее с помощью сочетания клавиш Add>Mech>Cone создал «конус» и передвижением (клавиша G) поставил на место. Затем подогнал обе части по осям и объединил их с помощью сочетания клавиш Ctrl+J.

Рисунок 2.9 – Конь.

При создании «коня»(лошади) испльзовал «плоскость», которую создал с помощью сочетания клавиш Add>Mech>plane, далее с помощью выдавливания (клавиша Е) и передвижением (клавиша G) придал форму. Далее выделяя «рёбра» и «вершины» и с помощью передвижения (клавиша G) сделал «впадины» (ямки) на морде. Чтобы передняя часть (сверху) получилась похожей, я выделил «грань» и с помощью масштабирования (клавиша S) придал ей форму. Далее с помощью сочетания клавиш Ctrl+J объединил основание с туловищем «коня» (Сфера). В итоге мы получили фигуру, которую видим на рисунке 2.9.

Фигуры готовы, далее перехожу к шахматной доске.

С помощью сочетания клавиш Add>Mech>Cube создал«куб», выделил верхнюю «грань» и с помощью передвижения (клавиша G)уменьшил его до таких размеров как показано на рисунке 2.10

Рисунок 2.10 – Приплюснутый куб (квадрат).

Далее мы добавляем модификатор «Массив» и делаем относительное смещение равное двум, количество «квадратов» делаем равным четырём. Получается так как показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – увеличение количества квадратов с помощью модификатора массив.

Далее дублируем с помощью сочетания клавиш Shift+D и сопоставляем, теперь мы зададим цвет. Первым четырём «квадратам» чёрный цвет, а вторым белый. Получится, так как показано на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 – Задаём цвет.

Далее дублируем белые «квадраты» с помощью сочетания клавиш Shift+D и упорядочиваем их, то же самое проделываю и с чёрными «квадратами». Далее мы используем модификатор «Массив» и делаем относительное смещение равное двум, количество «квадратов» делаем равным четырём. Выделяем всё с помощью клавиши А и объединяем все «квадраты» с помощью сочетания клавиш Ctrl+J. Получается, так как показано на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 – Шахматная доска.

Далее с помощью сочетания клавиш Add>Mech>Cube создал «куб», в котором отметил верхнюю «грань» и с помощью передвижения (клавиша G) уменьшил его до нужных размеров. Далее с помощью сочетания клавиш Ctrl+J объединил «шахматную доску» и «квадрат», предварительно сопоставив их. Тем самым я дал «шахматной доске» нужный объём. В итоге получилось то, что мы видим на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Объёмная шахматная доска.

2.2 Наложение текстур.

На сами фигуры текстуры не накладывал, работал исключительно с цветом. Для доски и стен использовал текстуры. В качестве текстур использовал картинки, найденные на разных сайтах сети интернет. Сначала создал материал, а потом саму текстуру и выбираем в качестве её изображения.

Рисунок 2.15 – Наложение текстур.

2.3. Создание анимации.

Анимация будет состоять из ходов фигур. Поставил отсчёт на первый кадр и зафиксировал положение фигуры I>Location.

Рисунок 2.16 – Создание анимации.

«Location» отвечает за передвижение. После этого передвинул, ползунок на определённое временя, передвинул фигуру и зафиксировал нажатие на клавишу мыши. Повторил действие, чтобы получился полноценный ход. Далее те же действия применил ещё для нескольких фигур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленную задачу(создание шахмат и шахматной доски) выполнил в программе Blender.

Компьютерная графика представляет собой достаточно сложную область. Она включает в себя 2D графику, полиграфию, видеомонтаж, Web-дизайн, 3D графику и анимацию, САПР и деловую графику и многое другое.

Как наука компьютерная графика является относительно молодой и активно развивающейся отраслью.

Цели и задачи, которые ставит перед собой наука, можно интерпретировать по-разному, но одной из самых важных является -облегчение человеческого труда за счёт использования машинных алгоритмов. В связи с постоянным обновлением средств компьютерной графики, всё время увеличивается скорость и допустимый объём обрабатываемых данных (количество и качество изображений, анимации и 3D сцен). Многие из современных моделей могут похвастаться практически фотореализмом. Кроме того, использование современных алгоритмов и интерфейсов позволяет увеличить производительность труда.

Особым направлением компьютерной графики является трёхмерная графика, так как современные графические редакторы позволяют создать потрясающие сцены для фильмов или компьютерных игр, что является основной работой многих «компьютерных» художников, в наше время.

Blender пользуется особой популярностью так как: он бесплатен, и имеет значительное число встроенных функций редактирования.

Список использованных Источников

1. Прахов А. А. Моделирование и анимация: Руководство для начинающих. A. A. Прахов. – СПб: БХ В- Петербург, 2009. – 272 с.

2. James Chronister. Blender Basics: Учебное пособие. 3-е издание. Перевод Ю. Корбут, Ю. Азовцев, – 153 с.

3. Свободная энциклопедия Википедия

http://ru.wikipedia.org.

4. История:3D-Моделирования https://www.wizardfox.net/forum/threads/istorija-3d-modelirovanija.27335/

Дата добавления: 2015-09-29