Тема: базові поняття 3-вимірної графіки:

• класифікація програм для роботи з тривимірною графікою;
• основні поняття тривимірної графіки;
• тривимірна система координат;
• проекції на площину;
• сцена, об’єкти та їх елементи;
• матеріали й текстури;
• освітлення й камери;
• рендеринг.

Мета: сформувати поняття про тривимірну графіку, розвити логічне й алгоритмічне мислення, виховати інформаційну культуру учнів. Після вивчення теми учень:

• розуміє призначення тривимірної графіки;
• наводить приклади її застосування;
• наводить приклади комп'ютерних програм для створення 3-вимірних зображень, порівнює їх;
• пояснює принцип створення тривимірних об’єктів, поняття “проекції”, значення сцени, світла та камери;
• розуміє поняття “рендеринг”;
• усвідомлює значення можливостей тривимірної графіки у різних галузях людської діяльності.

Обладнання: ПК з встановленими ОС і Blender'ом, (дана) інструкція.

Структура уроку

1. Організаційна частина.
2. Актуалізація опорних знань.
3. Виклад нового матеріалу.
4. Закріплення вивченого матеріалу.
5. Підбиття підсумків уроку.
6. Домашнє завдання.

Хід уроку

1. Організаційна частина
Вітання з класом. Перевірка присутності і готовності учнів до уроку. Перевірка виконання домашнього завдання.

2. Актуалізація опорних знань

1. Що таке модель?
2. Що таке моделювання?
3. Що таке комп’ютерна модель?

3. Виклад нового матеріалу

Галузі застосовання тривимірної графіки й анімації

• проектування будівель, інтер’єрів, віртуальних виставок, деталей і конструкцій;
• комп’ютерні ігри;
• комбінована зйомка — там, де виконання реальної фотозйомки неможливо або важко реалізувати або яке вимагає значних матеріальних витрат, а також для синтезу зображень подій, які не зустрічаються в повсякденному житті (книжкова і журнальна графіка, реклама, художня творчість, популяризація науки);
• анімація — у тому числі телевізійна реклама, кінозйомка з включенням анімаційних ефектів, створення науково-популярних або фантастичних сюжетів, відеотренажерів тощо.

Програмні пакети, що дозволяють створювати тривимірну графіку, тобто моделювати об'єкти віртуальної реальності і створювати на основі цих моделей зображення, дуже різноманітні. Останні роки стійкими лідерами в цій галузі є такі комерційні продукти (перехід за гіперпосиланням приведе на офіційний сайт розробника): 3ds Max, Maya, Lightwave 3D, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D, Rhinoceros 3D, Modo, Nevercenter Silo, ZBrush.

Існують і вільно поширювані продукти: Blender (і створення моделей, і подальший рендерінг), K-3D, Wings3D (лише для створення моделей з можливістю подальшого використання їх іншими програмами).

Основні поняття тривимірної графіки.

Тривимірна графіка — розділ комп’ютерної графіки, що розглядає сукупність засобів і інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об’ємних об’єктів.

Процес створення малюнка у таких тривимірних графічних редакторах, не має нічого спільного з роботою звичайного художника. Це більше cхоже на побудову цілого світу з окремих цеглинок, як у дитячому конструкторі. Малюнок у тривимірних редакторах створюється в три етапи. Найбільш тривалий і трудомісткий із них — побудова моделі з окремих тривимірних об'єктів-примітивів.

Справжнє об’ємне (тривимірне) зображення легше створити за допомогою векторної графіки: її технологія дозволяє давати комп’ютеру вказівки (команди), керуючись якими він будує зображення за допомогою запрограмованих алгоритмів. Цей засіб більше схожий на креслення. За допомогою векторної графіки об’єкти будують з так званих «примітивів» — ліній, кіл, кривих, кубів, сфер і тому подібних. Примітив не потрібно малювати — вибравши піктограму з зображенням або назвою, наприклад сфери, ви просто задаєте її параметри (координати центру, радіус, кількість граней на поверхні і тому подібне), а комп’ютер вже креслить її сам. Складні об’єкти будують з примітивів, на основі багатокутників (полігонів) або кривих (сплайнів), при цьому сплайнові моделі мають більш гладку форму, ніж полігональні. Такі об'єкти можна змінювати будь-як за допомогою численних модифікаторів і об'єднувати у більш складні об'єкти. Готову сцену можна оглядати з усіх боків, переміщуючи й обертаючи камеру.

Далі потрібно встановити джерела освітлення й задати розташування камери. На цьому етапі для орієнтації у створюваному об'ємному просторі екран монітора зазвичай розподіляється на кілька частин: вигляд зверху, збоку, спереду і довільний вид. Після того як сцену створено, її необхідно «оживити», наклавши на об'єкти текстури (texture mapping) і рельєф (bamp mapping).

Нa етапі рендерингу (унаочнення) створюють власне малюнок, з урахуванням усіх текстур, відблисків, тіней, різноманітних ефектів — якщо, звісно, редактор їх підтримує. Але можливості 3D-peдакторів не обмежуються побудовою статичних зображень. Можна задати переміщення і змінення об'єктів сцени у часі. Результатом такого рендерингу стане справжній мультфільм! До того ж 3D-редактори використовують для створення персонажів різних ігор.

Сцена — віртуальний простір, в якому працює користувач.

Робота з тривимірною графікою дуже схожа на зйомку фільму, при цьому розробник виступає в ролі режисера. Він розставляє декорації сцени (створює тривимірні моделі й вибирає положення для них), встановлює освітлення, керує рухом тривимірних тіл.

Сцена включає в себе кілька категорій об'єктів:

• геометрія, побудована за допомогою різних технік модель (наприклад, будівля);
• матеріали — дані про візуальні властивості моделі (наприклад, колір стін чи здатність вікон відбивати й заломлювати світло);
• джерела світла — налаштування напрямків, потужності й спектра освітлення;
• віртуальні камери — вибір точки та кута побудови проекції;
• сили та дії — налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації;
• додаткові ефекти — об'єкти, що імітують атмосферні явища (світло у тумані, хмари, полум'я тощо).

Тривимірна система координат. Всі об’єкти сцени розміщують углобальній системі координат (Х, Y, Z) з початком у точці (0, 0, 0). Умовно вважають, що у віртуальному тривимірному просторі цієї системи вісь Z відповідає поняттю висоти, вісь Х — ширини, а вісь Y — глибини сцени. Площинами, на яких зображують проекції об’єктів сцени, як усталено є три площини, що проходять через осі глобальної системи координат:

• ZX — вид спереду, вид ззаду;
• XY — вид зверху, вид знизу;
• ZY — вид зліва, вид справа.

Проєкції на площину. В 3D-графіці використовують два види проєкцій: паралельні (аксонометричні) й центральні (перспективні). при побудові аксонометричної проєкції точки проєктують на площину проекції паралельним пучком променів при побудові центральної проєкції – пучком променів, що виходять з одної точки, яка відповідає положенню ока спостерігача. Окремим випадком аксонометричної проєкції є ортографічна проєкція, коли площина проєкції паралельна одній з координатних площин тривимірного простору.

Cтрогі математичні означення і властивості проєктування – див. опис побудови перерізів многогранників від слів "традиційні позначення й поняття паралельної та центральної (конічної) проекції" до означення перспективи.

Текстури та матеріали. У реальному житті всі предмети, що оточують нас, мають характерний малюнок поверхні і фактуру — шорсткість, прозорість, дзеркальність тощо. У вікнах проекцій видно лише оболонки об'єктів без урахування всіх цих властивостей. Тому зображення у вікні проекції далеко від реалістичного. Для кожного об'єкту в програмі можна створити свій матеріал — набір параметрів, які характеризують деякі фізичні властивості об'єкту.

Текстура (англ. Texture mapping) — це спосіб надання поверхні кольору, фактури, блиску, матовості та інших фізичних властивостей для імітації природного матеріалу: паперу, дерева, каменю, металу тощо.

Поняття «текстура» є важливим елементом 3D-моделювання, бо дозволяє відтворити також малі об'єкти поверхні, створення яких многокутниками (полігонами) виявилося б надмірно ресурсомістким. Наприклад, шрами на шкірі, складки на одязі, дрібні камені, предмети на поверхні стін і ґрунту та багато іншого. Текстуру використовують для заповнення поверхонь об'єктів і як шар для додання певного ефекту або зміни геометрії всьому зображенню або його частини. Текстури бувають шовні та безшовні (патерни або візерунки). Головна відмінність останніх в тому, що при поєднанні одних і тих же фрагментів поверхня залишається цілісною.

Якість поверхні текстури визначається текселями — кількістю пікселів на мінімальну одиницю текстури. Cама по собі текстура є зображенням, тому роздільність текстури і її формат відіграють велику роль, яка згодом позначається на загальному враженні від якості графіки у 3D-додатку.

Матеріали забезпечують візуальну правдивість сцени та наближають якість зображення до реальної фотографії. В наш час є великі можливості по створенню нових матеріалів або вибору готових матеріалів із бібліотек, які розповсюджують дисками або Інтернетом. Працюючи з матеріалами, можна налаштовувати їх властивості, зокрема, силу відблискування, прозорість, самовипромінювання, дзеркальність, рельєфність. У склад матеріалів можна вміщувати фотографії реальних об'єктів навколишнього світу. Окрім того, фотографії можна використовувати у якості тла сцени.

Освітлення та камери. Правильний підбір джерел освітлення дозволяє виконати імітацію фотографування сцени в любих умовах освітлення. Освітлення всіх об'єктів, їхні тіні та відблиски світла розраховуються програмою автоматично. Моделі зйомочних камер надають можливості розглядати тривимірну сцену та виконувати її зйомку під любим кутом зору.

Рендеринг (унаочнення) — побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделі. На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на пласку (растрову) картинку. Візуалізація сцени може тривати довгий час, що залежить від складності сцени та швидкодії комп’ютера. На етапі унаочнення програма розраховує та наносить на зображення всі тіні, бліки, взаємне відбивання об’єктів. Для підвищення достовірності зображення створюють імітацію природних явищ (димка, туман, полум’я тощо).

4. Закріплення вивченого матеріалу

1. Що таке тривимірна графіка?
2. Що таке сцена у тривимірній графіці?
3. Яку систему координат використовують у 3-вимірній графіці?
4. Які проєкції використовують у 3-вимірній графіці?
5. Що таке текстура?
6. Що таке рендеринг?

5. Пiдбиття пiдсумкiв уроку
Заключне слово. Тривимірна анімація за технологією нагадує лялькову: ви створюєте каркаси об’єктів, накладаєте на них матеріали, компонуєте все це в єдину сцену, встановлюєте освітлення й камеру, а після цього задаєте кількість кадрів у фільмі і рух предметів. Подивитися, що відбувається можна за допомогою камери, якe теж можна рухати. Рух об’єктів у тривимірному просторі задають по траєкторіям, ключовими кадрами й за допомогою формул, які зв’язують рух частин складних конструкцій. Підібравши потрібний рух, освітлення і матеріали, запускають процес візуалізації. Протягом деякого часу комп’ютер прораховує всі необхідні кадри і видає готовий фільм.

6. Домашнє завдання
Опрацювати конспект. Переглянути опис практичної роботи без її виконання, щоб побачити, як вивчені на уроці поняття втілено у програмі Blender.

Текст упорядкувала Коваленко Анна Олександрівна, вчитель ЗЗСО №35;Святошинського району міста Києва, під час виконання випускної роботи на курсах підвищення кваліфікації з 12.11.18. по 16.11.18.