Подготовка к олимпиаде
по 3D-моделированию

Трехмерное моделирование как направление ранней профилизации

3D-моделирование – это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача трехмерного моделирования – описать объекты и разместить их с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

3D-моделирование объектов (мебели, машин и др.) используется в рекламе:

• подготовка каталогов;
• билбордов;
• иллюстрирование сайтов и пр.

В некоторых случаях создание 3D-изображений – единственный способ решения задачи, поставленной рекламистом. Например, для каталога сделана 3D-визуализация мебели в интерьере, т. к. на создание декораций ушло бы больше денег, сил и времени.

Услуги 3D-моделирования востребованы на рынке. Поэтому данное направление интересует детей и родителей как вариант ранней профилизации обучающихся. В ГБОУ Лицей № 1793 (далее – лицей № 1793) разработан курс «Основы 3D-моделирования».

Выбор программы

Чайный сервиз, мебель в квартире, ротонда и 3D-модель квартиры с соблюдением масштаба

Перед планированием учебного курса учитель анализирует программы по 3D-моделированию и выбирает одну для работы с обучающимися.

Программы для создания трехмерной графики и анимации:

1. Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX)

Полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трехмерной графики и анимации. Содержит современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционной системе (далее – ОС) Windows (64-битная).

Доступна в двух лицензионных версиях. Бесплатная требует зарегистрироваться на сайте Autodesk. Ее нельзя использовать для получения прибыли – она накладывает водный знак на готовые проекты.

Примеры некоторых функций программы:

• при создании трехмерной графики можно добавить текст (сведения и данные);
• есть возможность задать последовательность кадров (рассказ истории с помощью высококачественной анимации);
• анимировать группу персонажей (естественное движение);
• создать кожный покров и др.

2. LightWave 3D

Полнофункциональный профессиональный редактор трехмерной графики. Последние версии предназначены для работы в среде Microsoft Windows и Mac OS X (в 32-битных и в 64-битных), в Linux. Применяется в производстве видео-, теле-, кинопродукции.

Примеры отдельных инструментов:

• редактор поверхностей, базовые средства для редактирования растровых изображений;
• встроенный механизм для работы с частицами (Hyper Voxels – аналог Particles из 3ds Max) – дыма, огня, жидкостей и т. д.

3. Autodesk Softimage (Softimage)

Включает возможности 3D-моделирования, анимации и спецэффектов. Используется при создании кино, видеоигр, в рекламе (проектирование персонажей, объектов и окружения). Поддерживается на 64-разрядных ОС. В настоящее время Autodesk не выпускает новые версии.

Примеры некоторых функций программы:

• интерактивная творческая среда ICE (Interactive Creative Environment) позволяет работать с частицами, специальными кривыми (strands), геометрией;
• инструменты для создания скелета и анимации персонажей; эффектов мягких тел, ткани, частиц, жидкости (движок Lagoa в среде ICE).

4. Autodesk Maya

Система трехмерной графики и компьютерной трехмерной анимации. Обладает функционалом редактора трехмерной графики. Применяется в кинематографии, телевидении.

Первоначально разработана для ОС Irix (платформа SGI), портирована в ОС Linux, Microsoft Windows и Mac OS X. В настоящее время существуют как 32-, так и 64-битные версии Maya. Последние релизы доступны только для 64-битных систем.

Особенность Maya:

• открытость для сторонних разработчиков (пользователи могут преобразовать ее в версию, оптимальную для каждой студии);
• встроен платформенно-независимый язык Maya Embedded Language (MEL).

MEL – это не только средство программирования интерфейса программы, но и средство процедурной анимации. Процедурная анимация генерирует анимацию в режиме реального времени.

Примеры некоторых функций программы:

• создание и моделирование системы частиц (дым, огонь, вода);
• моделирование ткани и одежды, динамики твердых тел, волос и меха;
• анимация гуманоидных и негуманоидных персонажей и др.

5. Houdini

Среда визуального программирования.

Примеры основных возможностей программы:

• персонажная анимация (скелеты, волосы и шерсть, взаимодействиe персонажей);
• физическое моделирование твердых и мягких тел, тканей;
• моделирование поведения огня, дыма, атмосферных явлений, растворения одной жидкости в другой.

Пользователь работает с большим набором источников света. Он просчитывает тени, глобальное освещение и пр. Есть набор инструментов объемного звука.

6. SketchUp

Программа для моделирования простых трехмерных объектов – строений, мебели, интерьера. Существуют две версии программы – бесплатная и ограниченная по функциональности SketchUp Make и платная SketchUp Pro.

Программа поддерживает плагины для экспорта, визуализации, создания физических эффектов:

• вращения;
• движения;
• взаимодействия созданных объектов между собой и пр.

Примеры некоторых функций программы:

• работа со слоями и создание динамических объектов (например, открытие дверцы шкафа по клику мыши);
• построение сечения объектов;
• просмотр модели в разрезе;
• добавление выноски с обозначением размеров;
• работа со сценами (положение камеры и режим отрисовки) и анимация переходов между сценами;
• установка географически достоверных теней в соответствии с заданными широтой, долготой, временем суток и года.

Проекты SketchUp сохраняются в формате *.skp.

Программа поддерживает импорт и экспорт форматов двухмерной растровой и трехмерной графики (*.3ds, *.dwg, *.ddf; *.jpg, *.png, *.bmp, *.psd, *.obj).

Импорт растровой графики имеет несколько возможностей: вставка образа как отдельного объекта, как текстуры и основы для восстановления трехмерного объекта по фотографии. Экспорт в формат *.jpg осуществляется как снимок с рабочей области окна приложения.

7. Blender

Свободный профессиональный пакет для создания трехмерной компьютерной графики. Включает средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, создания интерактивных игр. Популярен среди бесплатных 3D-редакторов.

Особенность пакета Blender – небольшой размер, т. к. в базовую поставку не входят развернутая документация и большое количество демонстрационных сцен.

Среди достоинств программы:

• бесплатность, открытый код;
• постоянное развитие;
• возможность создания игр и анимации;
• кроссплатформенность;
• настройка фона;
• монтаж видео;
• работа с хромакеем и др.

Недостатки:

• отсутствие документации в базовой поставке (можно найти на сайте программы и других источников);
• не очень хороший перевод интерфейса с английского языка (есть пособия и на русском языке для устранения этого минуса).

Курс «Основы 3D-моделирования»

Курс включает 36 занятий по 2 академических часа. Возрастная категория – учащиеся 5-9-х классов. За основу курса взята программа учителя информатики С. Е. Ткачева.

Обучение 3D-моделированию развивает системное мышление обучающихся, навыки работы с программными и техническими средствами. Планирование курса представлено в таблице.

Тематическое планирование курса «Основы 3D-моделирования»

Курс рассчитан на 1 год обучения. На протяжении курса обучающиеся знакомятся с основными понятиями трехмерной графики, рассматривают элементы интерфейса программы, осваивают навыки работы с объектами.

Учащиеся создают трехмерные модели, используя в работе модификаторы, получают навыки создания текстурных поверхностей и их наложения на объект, пробуют создать свой собственный анимационный ролик. К концу обучения учащиеся по индивидуальным темам разрабатывают итоговый проект.

Программа Autodesk 3ds Max 2016 выбрана в качестве обучающей. На рисунках представлены рендеры (визуализации) работ учащихся 6-7-х классов.

Открытая московская олимпиада по 3D-технологиям

Учитель планирует не только темы для изучения в классе. Реализация программы учебного курса включает подготовку и участие в конференциях, окружных, городских и всероссийских конкурсах, олимпиадах. Поэтому обучающиеся лицея № 1793 участвовали в Открытой московской олимпиаде по 3D-технологиям (далее – олимпиада).

Олимпиада проводилась по направлениям:

• 3D-моделирование – создание виртуальных цифровых объемных моделей, с обязательным представлением готовой модели, распечатанной на 3D-принтере по заданным характеристикам;
• 3D-сканирование – создание при помощи 3D-сканера и обработка виртуальных цифровых объемных моделей, с обязательным представлением готовой модели, распечатанной на 3D-принтере по заданным техническим характеристикам;
• объемное рисование: художественное творчество (создание объемных творческих работ) и научно-техническое творчество (создание объемных технических работ).

В лицее № 1793 нет 3D-принтера и 3D-сканера. Организаторы олимпиады предложили работать с 3D-ручками, которые имелись у них в наличии.

В результате сформировались две команды по 2 чел. (учащиеся 7-9-х классов). Эти обучающиеся постоянно посещали занятия кружка «Основы 3D-моделирования», выполняли предложенные учителем творческие задания, активно интересовались новыми разработками в области 3D-технологий.

Олимпиада продолжалась в течение двух дней. В первый день необходимо было ознакомиться с заданиями, пройти мастер-класс по работе с оборудованием и прослушать инструктаж по правилам техники безопасности, а также разработать 3D-модель в соответствии с заданием. Были представлены три уровня сложности, за которые полагались соответствующие коэффициенты. Участники приняли решение моделировать объект самого высокого уровня сложности – Спасскую башню в масштабе 1:338.

В ходе работы эксперты оценивали скорость, аккуратность выполнения работ, соблюдение пропорций при построении технического рисунка, устойчивость готовой конструкции, а также слаженность работы в командах. Во второй день олимпиады участники представляли свой проект, отвечали на вопросы жюри.

В итоге жюри и эксперты единогласно признали команду лицея № 1793 победителем. Лицеистов наградили именными дипломами, а также вручили кубок и медали, распечатанные на 3D-принтере.

Результаты участия в олимпиаде показывают: за короткое время (1,5 года) можно реализовать имеющийся потенциал обучающихся, научить работать со сложной программой и оборудованием. Главное – заинтересованность, компетентность педагога и желание учащихся познавать новое.