Εφαρμογές της τρισδιάστατης σχεδίασης

Εφαρμογές της τρισδιάστατης σχεδίασης Ε.Α.Π.: Γραφικές Τέχνες Πολυμέσα ΓΤΠ61 Τσιγκάνου Δήμητρα Θεσσαλονίκη 07/03/2010

Περιεχόμενα Εισαγωγή (ιστορικά στοιχεία, μερικές βασικές έννοιες) Ενδεικτικές εφαρμογές Ψυχαγωγία (Τηλεόραση, Κινηματογράφος, Παιχνίδια, Εικονική Πραγματικότητα) Βιομηχανικός σχεδιασμός Αρχιτεκτονική Αρχαιολογία Επιστήμες - Έρευνα (Αστρονομία, Γεωλογικές έρευνες, Ατμοσφαιρικές Κλιματολογικές μελέτες, Ιατρική) Τέχνη Εκπαίδευση Σχεδίαση περιβάλλοντος διεπαφής χρήστη Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

Εισαγωγή Η τρισδιάστατη αναπαράσταση αντικειμένων μέσω υπολογιστή βασίζεται στις αρχές προβολικής γεωμετρίας για την δημιουργία της εντύπωσης της τρίτης διάστασης σε ένα δισδιάστατο επίπεδο, όπως η οθόνη. Η δυνατότητα περιγραφής σχημάτων μέσω αριθμητικών δεδομένων και η όλο και μεγαλύτερη ταχύτητα επεξεργασίας τέτοιων δεδομένων από τους υπολογιστές δίνουν σήμερα εντυπωσιακά αποτελέσματα. Επειδή το εύρος των εφαρμογών τρισδιάστατης σχεδίασης είναι πάρα πολύ μεγάλο, θα αναφερθούμε ενδεικτικά μόνο σε ορισμένες από τις πιο διαδεδομένες από αυτές.

Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία 70 : Τα τρισδιάστατα γραφικά βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στον κινηματογράφο τάση αναζήτησης του ρεαλισμού. (Ed Emshwiller Sunstone 1979 δυνατότητες τρισδιάστατης κίνησης της εποχής.)

Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία 80 : Διαμορφώνονται οι τάσεις για τα εργαλεία γεωμετρικής μοντελοποίησης, τεχνική morphing Εμπορικές εφαρμογές γενικής χρήσης Ολοκληρωμένα περιβάλλοντα μοντελοποίησης και κίνησης Ταινίες με ειδικά εφέ για την παραγωγή δύσκολων και εντυπωσιακών σκηνών. Tron (Walt Disney Productions 1981) Star Trek II-The wrath of Khan(1982) The last Starfighter (1984), Eyrhythmy (1989) The Abyss (1989)

Εισαγωγή

Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία 90 : Στροφή προς την αλληλεπίδραση και τα 3d γραφικά πραγματικού χρόνου σε μαζικό επίπεδο. Δημιουργία πολλών τίτλων παιχνιδιών για προσωπικούς υπολογιστές, πλήθος εφαρμογών σε όλους τους τομείς. (Pixar, εντυπωσιακά εφέ κινηματογράφου, Playstation/X-box, συστήματα εμβύθισης:cave) Σήμερα: Προσπάθεια διάδοσης των αμφίδρομων τεχνικών (TV-3D cinema, ταινίες αλληλεπίδρασης), προσωπική πληροφορική, ειδικές τεχνικές για την ελαχιστοποίηση χρόνου σχεδίασης, ανεξάρτητη ποιότητα (μοντέλα πολλαπλών αναλύσεων επιλεκτική απεικόνιση, αντικατάσταση γεωμετρικής πληροφορίας με απλή εικόνα(billboards), υποδιαιρούμενες επιφάνειες που επιτρέπουν την μοντελοποίηση και κίνηση σύνθετων επιφανειών μεγάλης ακρίβειας επιδρώντας σε χαμηλότερης ανάλυσης εκδόσεις αυτών, μοντελοποίηση με υφή (χρήση πολλαπλών στρωμάτων από χρωματισμένες ημιδιαφανείς επιφάνειες για προσομοίωση επιφανειών όπως γούνα, φύλλωμα κλπ), κίνηση (ρούχων, μαλλιών, πλήθους, μυική προσομοίωση, ανίχνευση και διαχείριση συγκρούσεων, motion capture). Απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο + φωτορεαλιστική απόδοση εξαιρετικά απαιτητικές υπολογιστικές ικανότητες.

Εισαγωγή Μερικές έννοιες σχετικές με εφαρμογές τρισδιάστατης σχεδίασης CAD: Computer Aided Design Σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή συστήματα που παρέχουν όχι μόνο ευκολίες σχεδίασης αλλά και επεξεργαστών για τον καθορισμό όλων των ιδιοτήτων του στερεού αντικειμένου. CAM: Computer Aided Manufacturing Βιομηχανική παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή γεωμετρικός ορισμός μοντέλου, αριθμητικός έλεγχος, σχεδίαση διαδικασιών παραγωγής, διοίκηση εργοστασίου και έλεγχος robot. CIM: Computer Integrated Manufacturing Ολοκληρωμένη παραγωγή με χρήση υπολογιστή συστήματα CAD/CAM εφαρμογές σε βιομηχανία αυτοκινήτων, αεροναυπηγική, ηλεκτρονικών, αρχιτεκτονική, τηλεπικοινωνίες, κ.α. RPT: Rapid Prototyping Μέθοδοι ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων παράγουν πραγματικά στερεά από τρισδιάστατα μοντέλα CAD. STL: Στερεολιθογραφία Μετατροπή του αρχείου ενός τρισδιάστατου μοντέλου σε αρχείο STL ώστε να μπορεί να γίνει κατανοητό από ένα σύστημα RPT. Βασίζεται στην ψηφιοποίηση της επιφάνειας του μοντέλου και την περιγραφή του σαν ένα πολύεδρο τριγωνισμοί επιπέδων.

Ψυχαγωγία Τηλεόραση 3d Οι καινούργιες εξελίξεις της τεχνολογίας υπόσχονται την ανάπτυξη εφαρμογών 3d tv, που θα φέρουν σε κάθε σπίτι την δυνατότητα παρακολούθησης προγραμμάτων δισδιάστατων εικόνων που όμως θα περιλαμβάνουν στερεοσκοπικό βάθος, αποδίδοντας εξαιρετικά αληθοφανή εμπειρία. Η λογική της τρισδιάστατης τηλεόρασης διαφέρει σε σχέση με εκείνη του 3d κινηματογράφου στο ότι η προβολή θα γίνεται με την γρήγορη εναλλαγή δεξιά και αριστερά σε συνεχόμενα καρέ, κάτι που είναι δυνατό στις σύγχρονες τηλεοράσεις hdtv. Η παρακολούθηση θα απαιτεί «ενεργά» γυαλιά που χρησιμοποιούν κλείστρα υψηλής ταχύτητας για την εναλλαγή της εικόνας σε κάθε μάτι. Οι συσκευές θα είναι αρχικά αναβαθμίσεις των hdtv που θα ενσωματώνουν έναν τροποποιημένο ελεγκτή εικόνας που θα εναλλάσει 50 εικόνες ανά δευτερόλεπτο για κάθε μάτι, καθώς και έναν υπέρυθρο ή ασύρματο πομπό που θα αποστέλει πληροφορίες συγχρονισμού στα 3d γυαλιά. Πιθανόν στο μέλλον να σχεδιαστούν και τηλεοράσεις που δεν θα χρειάζονται ειδικά γυαλιά. Οι 3d τηλεοράσεις αποτελούν μια καινοτομία που έχει κινητοποιήσει το ενδιαφέρον του κοινού και ήδη πολλές παραγωγές έχουν υλοποιηθεί γι αυτές.

Ψυχαγωγία Κινηματογράφος 3d H 3d προβολή στον κινηματογράφο τυπικά περιλαμβάνει την επιβολή πολωμένων ή ειδικά χρωματισμένων εικόνων σε κάθε frame της ταινίας, ζητώντας από το θεατή να φορέσει ειδικά «παθητικά» γυαλιά που αποκαλύπτουν διαφορετικές εικόνες σε κάθε μάτι. Κατόπιν ο εγκέφαλος του θεατή συνθέτει τις δύο εικόνες δίνοντας μια πειστική αίσθηση του βάθους. Η τεχνική του 3d είναι αρκετά παλιά, (the house of wax, 50 ), αλλά πρόσφατα, με την ταινία Avatar γνώρισε την μεγαλύτερη επιτυχία της. Στην ταινία αυτή που προβλήθηκε με την τεχνική RealD 3d έχουμε συνδυασμό εικονικών σκηνών και χαρακτήρων με αληθινή δράση ηθοποιών που κινηματογραφήθηκε σε πράσινο φόντο και συνδυασμό της ερμηνείας τους με τα εικονικά σκηνικά. Οι κινήσεις τους καταγράφηκαν με την τεχνική motion capture που εφαρμόστηκε ακόμα και για τις εκφράσεις του προσώπου με την χρήση ειδικής στολής και συστήματος καταγραφής των κινήσεων. Τα ειδικά εφέ και η στερεοσκοπική αναπαράσταση επιτρέπουν την πλήρη ενσωμάτωση του θεατή στον εικονικό κόσμο για όσο διαρκεί η ταινία. Πολλές νέες ταινίες γυρίζονται με αυτήν την τεχνική, αλλά και παλιότερες υπόκεινται σε επεξεργασία για την μετατροπή τους σε 3d μετά το αυξημένο ενδιαφέρον.

Ψυχαγωγία Παιχνίδια Η εφαρμογή της τρισδιάστατης σχεδίασης στα παιχνίδια, από την εποχή των πρώτων απλών υπολογιστών μέχρι τις σύγχρονες παιχνιδομηχανές, αποτελεί έναν πολύ σημαντικό παράγοντα που οδηγεί τις εξελίξεις στην τεχνολογία σε επίπεδο software & hardware. Οι παραλλαγές είναι άπειρες και αφορούν τόσο την θέση του θεατή, όσο και την απόδοση ρεαλισμού και δράσης σε πραγματικό χρόνο :από τα πρώτα First Person Shooter (Doom, Quake) μέχρι τις σύγχρονες παιχνιδομηχανές που συνδυάζουν στοιχεία εικονικής πραγματικότητας, και τα παιχνίδια στο διαδίκτυο που συμμετέχουν παίκτες από κάθε γωνιά του πλανήτη.

Ψυχαγωγία Εικονική πραγματικότητα Η σχεδίαση της τρίτης διάστασης είναι άμεσα συνδεδεμένη με την δημιουργία κάθε περιβάλλοντος εικονικής πραγματικότητας. Κινητοποιεί όλες τις αισθήσεις για την δημιουργία αισθήματος ρεαλισμού και αμεσότητας στον χρήστη και παρέχει τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης σε πραγματικό χρόνο. Η εμπειρία είναι προσωπική για κάθε χρήστη, καθώς τα δεδομένα αλλάζουν ανάλογα με την θέση του παρατηρητή. Οι εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας μπορεί να αφορούν και σε άλλους τομείς εκτός από την ψυχαγωγία, όπως εκπαίδευση, έρευνα, κλπ.

Βιομηχανικός σχεδιασμός Εφαρμογές σχεδιασμού συμβατές με την παραγωγή (CAD/CAM CIM, Rapid Prototyping) Έλεγχος της μορφής, των υλικών και των ιδιοτήτων του αντικειμένου πριν την παραγωγή του, παραλλαγές, έλεγχος (μορφή, εργονομία, ατέλειες λειτουργίας, ασφάλεια κλπ) Λιγότερα έξοδα από λάθη σχεδιασμού, συνεργασία εύκολη δημιουργία πολύπλοκων μορφών, αλλαγές στην πορεία, προσομοιώσεις χρήσης, δημιουργία εξειδικευμένων εξατομικευμένων μοντέλων. Εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην αεροναυπηγική, ηλεκτρονική, εξαρτήματα και αντικείμενα κάθε είδους, ακόμη και κοσμήματα ή νομίσματα

Αρχιτεκτονική Νέες δυνατότητες στην διερεύνηση του σχεδιασμού (μη γραμμικός), τόσο στην μορφή του κτιρίου, όσο και στην επιλογή των υλικών και της επίπλωσης κ.α. Μεγαλύτερη ταχύτητα, αλλαγές σε κάθε επίπεδο και ελευθερία. Δυνατότητες εντυπωσιακής παρουσίασης που εντάσσει το νέο κτίριο στον υπάρχοντα χώρο, επίσκεψη στο εσωτερικό του. Διερεύνηση παραμέτρων όπως οι στατικές καταπονήσεις, σεισμός, φορτία κλπ, βιοκλιματικές εφαρμογές, σκίαση, ακουστική, φωτισμός κλπ. Δυνατότητες για νέες πολύπλοκες μορφές, κατασκευή πολύπλοκων φορέων, προκατασκευή δομικών στοιχείων και οργάνωση του εργοταξίου.

Hadid - Burnham Pavilion Calavria Bilbao Frank Gehry Hadid Regium waterfront

Design act- Singapore pavillion Dancing building Frank Gehry

Αρχαιολογία Αναπαραστάσεις για εκπαιδευτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, ακόμα και στοιχείων από εποχές για τις οποίες υπάρχουν πολύ λίγα στοιχεία, π.χ. προϊστορική. Προέχει η ακρίβεια της αναπαράστασης, αλλά δίνεται η ευκαιρία να υλοποιηθούν διαφορετικές παραλλαγές, χωρίς την αλλοίωση του πραγματικού μνημείου. Δυνατότητα παρουσίασης σε απομακρυσμένους θεατές Δυνατότητα διερεύνησης αναπαλαιωτικών επεμβάσεων

http://www.parthenonfrieze.gr/#/view

Επιστήμες Οι οπτικές αναπαραστάσεις είναι εκ των πραγμάτων πιο κατανοητές από ένα πλήθος αριθμητικών δεδομένων και πολύπλοκων παραμέτρων. Όλα τα στοιχεία μπορούν να συγκεντρωθούν σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο, να βοηθήσουν στην δημιουργία εναλλακτικών μοντέλων και στην μελέτη των φαινομένων. Αστρονομία - Αστροφυσική Παρατήρηση του σύμπαντος, βελτίωση των εικόνων δεδομένων που λαμβάνονται από αποστολές Σύνθεση κατανόηση φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση των ουράνιων σωμάτων προσομοίωση αστρικών φαινομένων. Επαλήθευση θεωρητικών μοντέλων. Εκλαϊκευση αστρονομίας εκπαίδευση.

Γεωλογικές έρευνες Μπορούμε να οπτικοποιήσουμε περιβάλλοντα που στην πραγματικότητα είναι αδύνατο να τα δούμε, πχ το εσωτερικό της γης, την ροή της λάβας, τηνσύνθεσητωνπετρωμάτωνκαινα προχωρήσουμε σε περαιτέρω μελέτη τους. Δημιουργία μοντέλων για την σεισμική δραστηριότητα και των κινήσεων των λιθοσφαιρικών πλακών. Η δομή της ύλης, ακόμα και σε επίπεδο πυρηνικών αντιδράσεων μπορεί να αναπαραχθεί και να ερευνηθεί. Ατμοσφαιρικές κλιματολογικές μελέτες Μπορούμε να δημιουργήσουμε τρισδιάστατα μοντέλα τόσο του πλανήτη όσο και επιμέρους καταστάσεων, όπως της κίνησης των ανέμων, των κλιματικών αλλαγών, της επίδρασης υδάτινων επιφανειών στο μικροκλίμα μιας περιοχής, μετεωρολογικές προβλέψεις κλπ.

Ιατρική Η αναπαράσταση του ανθρώπινου σώματος αλλά και άλλων στοιχείων όπως το γονιδίωμα, τα επιμέρους όργανα, το εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων, ιών και καρκινικών κυττάρων κλπ, έχει δώσει μεγάλη ώθηση στην έρευνα και την εκπαίδευση στην ιατρική. Με την βοήθεια ειδικών οργάνων μπορεί να γίνει εντοπισμός και αναπαράσταση όγκων και δυσπλασιών και να γίνει με ακρίβεια μελέτη και προγραμματισμός της επέμβασης στην προβληματική περιοχή ή εφαρμογή μεθόδων τηλεϊατρικής. Δίνεται η δυνατότητα, μέσα και από τεχνικές rapid prototyping να δημιουργηθούν μοντέλα για την προετοιμασία και προσομοίωση δύσκολων επεμβάσεων, και εμφυτευμάτων και προσθετικών μερών προσωποποιημένων για κάθε ασθενή.

Τέχνη Δυνατότητα πειραματισμών στις μορφές δημιουργία φανταστικών κόσμων και καταστάσεων. Συνδυασμός πολύπλοκων μορφών και οργανικών σχημάτων Τέχνη με την διαδοχική αλλαγή παραμέτρων και έλεγχο του αποτελέσματος που μπορεί να προκύπτει τυχαία. Fractals : Δυνατότητα να αναπτύξουμε και να σχεδιάσουμε με πειστικότητα δομές που συναντάμε στην φύση πχ ρεαλιστική απόδοση βουνών, δέντρων, φυτών, ανθών, νεφών κλπ. Εφαρμογές σε installation art performance art.

Εκπαίδευση Προσομοιώσεις Τεχνικές εικονικής πραγματικότητας, δυνατότητες αλληλεπίδρασης, συνεργασίας. Εκπαιδευτικές εφαρμογές στις οποίες δίνεται η δυνατότητα να αναπαρασταθούν έννοιες και καταστάσεις με πιο κατανοητό τρόπο. (γεωγραφία, αστρονομία, βιολογία, ιστορία - προϊστορία κλπ) Ηχρήση3d προσφέρει υψηλό βαθμό εστίασης της προσοχής, σχεδόν απεριόριστες δυνατότητες σχηματικής και κινητικής αναπαράστασης εννοιών, δεδομένων, γεγονότων. Συνεισφέρει στην ανάπτυξη δεξιοτήτων, χρήσιμο για διενέργεια εικονικών πειραμάτων και έρευνας, ασφάλεια, αποφυγή κόστους.

Σχεδίαση περιβάλλοντος διαπαφής χρήστη Η σχεδίαση τρισδιάστατων user interfaces, τόσο σε εφαρμογές virtual reality, όσο και υπολογιστών και κινητών τηλεφώνων, κερδίζει συνεχώς έδαφος και συγκεντρώνει το ενδιαφέρον των σύγχρονων δημιουργών που προσπαθούν να δημιουργήσουν νέα εντυπωσιακά και ανταγωνιστικά προϊόντα. Η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που δίνει η απεικόνιση σε τρεις διαστάσεις μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη οργάνωση, την πιο προσιτή και κατανοητή διάρθρωση ενός μεγάλου πλήθους πληροφοριών. Καθώς σήμερα ο όγκος των δεδομένων που διαχειριζόμαστε έχει αυξηθεί, ανάλογα και με τις υπολογιστικές και αποθηκευτικές δυνατότητες των υπολογιστών, η χρήση των 3d interfaces βρίσκει αρκετές εφαρμογές.

Συμπεράσματα Οι εφαρμογές της τρισδιάστατης σχεδίασης εφαρμόζονται σε πάρα πολύ μεγάλη ποικιλία χρήσεων. Επιτρέπουν την οπτική μετάδοση μέθοδο παρουσίασης πληροφοριών και ιδεών. Η παρουσίαση με οπτικά σχήματα βοηθά στην κατανόηση των εννοιών, την παρουσίαση από διάφορες οπτικές γωνίες. Συνήθως γίνεται χρήση δεδομένων υπολογιστή για την οπτική αναπαράσταση και μπορεί να γίνει σε βάθος παραμετροποίηση καταστάσεων και ιδιοτήτων. Κάνουν εφικτή την δυνατότητα αλληλεπίδρασης με τις εφαρμογές και δίνουν ευκαιρίες για διάφορες τροποποιήσεις του αρχικού μοντέλου. Υπάρχει η δυνατότητα δοκιμών, παραλλαγών και ελέγχου, πριν την υλοποίηση ώστε να αποφεύγονται λάθη. Αποτελούν ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την αναπαράσταση ιδεών και την απεικόνιση φανταστικών καταστάσεων. Διαδραματίζουν ολοένα και σημαντικότερο ρόλο στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε το περιβάλλον μας αλλά και στον τρόπο οργάνωσης των επιχειρηματικών δραστηριοτήτων στον σύγχρονο κόσμο.

Βιβλιογραφία Καλαφατούδης Σ. 1991, Γραφικά με Υπολογιστή, Εκδόσεις Νέων Τεχνολογιών, Αθήνα. Chua C., Leong K.f., Lim C.S. 2003, Rapid Prototyping, Principles and Applications, Εκδόσεις World Scientific, Singapore. Κυριακουλάκος Π. 2007, Θέματα πληροφορικής κινηματογραφίας, Εκδόσεις Καστανιώτη, Αθήνα. Παπαβασιλείου Α. 2003, Τεχνολογίες CAD, RPT, CAE, Εκδόσεις Β. Γκιούρδας Εκδοτική, Αθήνα Παπαϊωάννου Γ. nd, Ψηφιακές τεχνολογίες Συνθετικής εικόνας, online, διαθέσιμο από: artnouveau.ime.gr/speech/papaioanou.ppt Σελίδες στο ίντερνετ: http://www.pcw.gr/article/tendency-research/new_technologies_augmented_reality_3d_usb3/245-4924.html&pbreak=1 http://www.ekathimerini.gr/4dcgi/4dcgi/_w_articles_civ_12_07/06/2009_317321 http://graphics.cs.aueb.gr/graphics/courses/seminars/3d_edutainment.pdf http://moodle.3dbiolab.net//course/category.php?id=10 http://www.youtube.com/watch?v=xath6kof0ne http://catalog.nucleusinc.com/nucleusindex.php? http://www.youtube.com/watch?v=eiazluretly http://www.youtube.com/watch?v=y1e655e0lxw&feature=player_embedded http://en.wikipedia.org/wiki/history_of_video_games#future_speculation