3D SIMULACIJE MODELIRANJA BILJKE BRŠLJANA - PDF

Description
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU GRAFIČKI FAKULTET ANNA MARIA HACKENBERGER KUTUZOVIĆ 3D SIMULACIJE MODELIRANJA BILJKE BRŠLJANA DIPLOMSKI RAD Zagreb, ANNA MARIA HACKENBERGER KUTUZOVIĆ 3D SIMULACIJE MODELIRANJA

Please download to get full document.

View again

of 59
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Poems

Publish on:

Views: 8 | Pages: 59

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU GRAFIČKI FAKULTET ANNA MARIA HACKENBERGER KUTUZOVIĆ 3D SIMULACIJE MODELIRANJA BILJKE BRŠLJANA DIPLOMSKI RAD Zagreb, 2016. ANNA MARIA HACKENBERGER KUTUZOVIĆ 3D SIMULACIJE MODELIRANJA BILJKE BRŠLJANA DIPLOMSKI RAD Mentor: izv.prof.dr.sc. Sanja Bjelovučić Kopilović Student: Anna Maria Hackenberger Kutuzović Zagreb, 2016. SAŽETAK Grafika u smislu trodimenzionalnog stvaralaštva godinama nastoji shvatiti, a time i reproducirati mnoge elemente životnog okruženja, tako i biljke koje su različite svaka na svoj način. Svaka biljka, ima različit oblik i građu i zbog problema složenosti grananja danas postoje mnoga područja grafičkih 3D oblikovanja koji taj problem rješavaju. Kao takve nastojimo ih što vjernije i kvalitetnije prikazati različitim 3D modelima. Kako bi bolje shvatili biljne vrste potrebno ih je dobro proučiti i shvatiti njihov rast. Biljka bršljana je biljka penjalica koja raste najčešće prema gore. Ovisno o položaju, odnosno području, klimi i vegetaciji raste proizvoljno sa različitim brojem grananja. Modeliranje takvih biljaka danas postaje brže i jednostavnije uz pomoć različitih računalnih sustava, odnosno kombinacijom njihovih jezika. One spadaju u žive sustave, stoga biljke spadaju u mehaniku živih sustava, odnosno biomehaniku. Za stvaranje različitih biljnih vrsta postoje mnogi dodaci unutar 3D programa pomoću kojih se lako i brzo izrađuju različite biljne vrste sa promjenom različitih parametara. Takvi parametri vrlo su bitni za samo modeliranje i danas sve više napreduju. U radu su se istražili i usporedili parametri za izradu modela biljke bršljana unutar Blender programa i Autodesk 3ds Max programa, te utvrdile prednosti i mane tih programa kod različitih parametara za brzinu i kvalitetu izrade gotovih modela. Izrađeni modeli dobiveni su slično, ali ne i potpuno isto kao referentne fotografije. Dodatak za izradu bršljana u 3ds Max programu ima mnogo više parametara, time se i model bršljana može više kontrolirati za razliku od Blendera. Ipak Blender ima jednostavniji pristup i mogućnost bržeg stvaranja modela bršljana. KLJUČNE RIJEČI: 3D sustav, Blender, 3dsMax, biomehanika, Ivy Generator ABSTRACT The graphics in terms of three-dimensional creativity is trying for years to understand, and thus reproduce many of the elements of the environment, as well as plants that are different in their own way. Each plant has a different shape and structure and due to the complex problem of plant branching today there are many areas of 3D graphic design shapes that resolve that problem. As such we try to depict every plant as faithfully and accurately to their original state. To better understand the plant species they have to be thoroughly studied and understood in their growth. The plant ivy is a plant that grows mostly climbing herself up. Depending on the situation or area, climate and vegetation ivy grows arbitrarily with different branching positions. Modeling of such plants has become faster and easier with the help of various computer systems or a combination of their language. They are categorized as a living system, so therefore plants belong to the mechanics of living systems and biomechanics. To create a different plant species there are many accessories within the 3D program which can easily and quickly produce different plant species with changing various parameters. These parameters are very important for modeling and today are more and more advanced. In the paper are result of investigating and comparing parameters for modeling the plant ivy in the Blender program and Autodesk 3ds Max program and also identifying strengths and weaknesses of these programs in a variety of parameters for speed and the quality of producing finished models. Developed models were obtained similarly, but did not exactly look the same as the reference image. Add-on for the production of ivy in 3ds Max program has many more parameters, thus the model of ivy can be more controlled and specified unlike ivy in Blender program. However, Blender has easier access and faster possibility of creating a model of ivy. KEY WORDS: 3D system, Blender, 3dsMax, biomechanics, Ivy Generator SADRŽAJ 1. UVOD Metodologija i plan istraživanja Cilj i hipoteze TEORIJSKI DIO Simulacije biljaka Biomehanika biljaka Biomehanika rasta biljke bršljana Sustavi za izradu biljka penjalica D računalna grafika D procesi proizvodnje Pred-produkcija Produkcija Završna produkcija Blender Blender sučelje Autodesk 3ds Max Autodesk 3ds Max sučelje Razlike između Blender i 3ds Max programa Zajednička svojstva 3D programa Formati Teksturiranje Dodaci programima Ivy Gen dodatak Blenderu Ivy Generator dodatak Autodesk 3ds Max programu EKSPERIMENTALNI DIO Priprema materijala Izrada scena u Blenderu Izrada scene bršljana u tegli Izrada scene bršljana na zidu Izrada scene bršljana na drvetu Izrada scena u 3ds Maxu Izrada scene bršljana u tegli... 38 Izrada scene bršljana na zidu Izrada scene bršljana na drvetu REZULTATI I RASPRAVA ZAKLJUČAK LITERATURA... 55 1. UVOD Već u prošlosti ljudi su pokušavali interpretirati životno okruženje raznim sredstvima za kreativno izražavanje. Kako se život razvijao i kako su ljudi počeli shvaćati sve više životnu sredinu u kojoj se nalaze, svoj vrhunac doživljavaju u napretku i shvaćanju znanosti i tehnologije. Tehnološkim napretkom čovjek nastoji proizvesti elemente životnog okruženja što vjernije i realnije. Znanost i tehnologija danas omogućavaju i još uvijek pronalaze različite alate kojim se životno okruženje danas na lak i što realniji način može interpretirati. Razlozi prikaza realnog i nerealnog životnog okruženja ima mnogo. Pronalazimo ih u video sadržaju, filmovima, reklamama, video igrama, fotografiji i slično. Čak i oni nerealni prikazi različitih sadržaja proizlaze iz realnih izvora životnog okruženja. Ipak, elemente životnog okruženja treba prvobitno proučiti i razumjeti kako bi se stvorio jedan tehnološki aspekt izrade virtualne stvarnosti Metodologija i plan istraživanja Rad se temelji na izradi biljaka kao dio životnog okruženja i njihova interpretacija unutar 3D računalnih programa. U teoretskom dijelu ovog rada opisati će se biomehanika biljaka kao živih sustava, općenito o tijeku izrade 3D scena, te opisati karakteristike računalnih programa za izradu 3D sadržaja Blender i 3ds Max. U istraživačkom dijelu ovog rada korištena su dva računalna programa za izradu trodimenzionalnih sadržaja. Autodesk 3ds Max i Blender su 3D programi u kojima se ispitivao način rada dodataka za izradu biljke bršljana Ivy Generator. Kao referentne slike korištene su fotografije prema kojima su se izradila tri modela unutar svakog programa. Fotografije teksture lišća, kore i ostalih elemenata scene su korištene unutar programa za što vjerniji prikaz 3D izrađenih modela biljke bršljana i cjelokupne scene. Korištene verzije 3D programa su Autodesk 3ds Max te Blender verzija Računalno koje je korišteno prilikom izrade modela i iscrtavanja scene je igrače prijenosno računalo Asus G751JY 17 inčni, procesor Intel Core i7-4860hq 2.39 GHz, instalirani RAM 16,0 GB, 64- bitni operacijski sustav, procesor x64, Windows 8.1 Pro. U eksperimentalnom dijelu opisati će se rad oblikovanja scene, te kombiniranje i mijenjanje parametara dodataka za izradu 1 simulacije bršljana sva tri modela u svakom pojedinom programu i uvidjeti mane i vrline tih dodataka, tako i samih 3D programa korištenih u istraživanju. Dobiveni rezultati prikazivati će modele svake pojedine scene što sličnije modelima dobivenih prema referentnim fotografijama. Usporediti će se i opisati parametri unutar Blendera i 3ds Max programa kod samih dodataka za izradu bršljana, te opisati i usporediti parametri za iscrtavanje, vrijeme i kvalitetu prikaza scene Cilj i hipoteze Cilj ovog rada je izraditi što sličnije 3D modele u odnosu na referentne slike biljke bršljana na različitim modelima. Usporediti dodatke za izradu biljke bršljana unutar Blender i 3ds Max programa, te uočiti prednosti i mane tijekom izrade scena i modela biljke bršljana. Prva hipoteza ovog rada je da je 3ds Max kod izrade bršljana sa dodatkom Ivy Generator puno složeniji u odnosu na Blender u smislu sučelja i same izrade bršljana, ali da ima puno više mogućnosti vezanih za samu modifikaciju izgleda i načina ponašanja biljke bršljana. Druga hipoteza ovog rada je ta da se programi ne mogu uspoređivati međusobno prema dobivenim modelima jer sve ovisi o upotrebi alata, materijala i osvjetljenja koja su potrebna za što vjerniji prikaz rezultata, a za to je potrebno puno više znanja i vremena. Treća hipoteza je da se ovakvi programi kao što su Blender i 3ds Max mogu koristiti u obrazovne svrhe lako i jednostavno uz osnovno znanje svakog pojedinog programa. 2 2. TEORIJSKI DIO Biljke su od uvijek bile dio svakodnevnog života, njihov se rast i razvoj godinama proučava i nastoji shvatiti. Razvitkom programa, odnosno jezika za izradu trodimenzionalnih prikaza modela, simulacija i animacije, te razvitkom fotografije dolazi do sve boljih, kvalitetnijih i realističnijih sadržaja koje korisnici koriste. Osim što se nalaze svuda u realnom svijetu, koriste se, odnosno nalaze i u raznim računalnim igrama kao dio krajolika u kojima se korisnici nalaze. Zbog potrebe izrade različitih trodimenzionalnih sadržaja u raznim područjima znanosti i tehnologije dolazi do potrebe stvaranja velike količine složenih modela koje korisnici moraju izraditi. To zahtjeva mnogo vremena i truda, čime dolazi do zastoja u samom procesu stvaralaštva. Pošto su biljke živi sustavi koji se razlikuju svaka na svoj način, postoji problem unutar samog procesa stvaranja modela biljaka i njihovih promjena Simulacije biljaka Izrada 3D modela biljaka i sličnih složenih sustava unutar različitih programa za modeliranje i animaciju, zadaje velike probleme prilikom stvaranja. Modeliranje jedne biljke kao takve nije problem, ali kada dolazi do situacije kada treba izraditi puno više biljaka slične vrste tada nastaje problem. Biljke su dio životnog okruženja i svaka biljka je različita na svoj način. Izrada modela biljaka unutar 3D programa zahtjeva puno vremena kako bi se one oblikovale, stoga ručna izrada modela složenih sustava kao što su biljke nije lako mijenjati. Postoje mnoge studije i teorije o shvaćanju rasta biljaka koje pomažu u realizaciji oblikovanja unutar trodimenzionalnih programa, a to najbolje opisuje biomehanika. Danas postoji mnoštvo računalnih programa koji u sebi imaju skripte za stvaranje različitih oblika biljaka poput drveća, trave, različitih vrsta grmova i cvijeća. Takvi programi služe se već unaprijed određenom skriptom pomoću koje je lako odrediti oblik i količinu grana i grananja, lišća i slično. Programi poput Autodesk 3ds Max, Autodesk Maya, Blender, TreeD sadrže raznovrsne dodatke pomoću kojih se mijenjanjem parametara mogu dobiti različite vrste biljaka. Danas postoje mnogi dodaci pomoću kojih je moguće lako upravljanje različitim parametrima kako bi se dobila određena struktura različitih modela biljaka. Upotreba takvih dodataka trebala bi biti jednostavna i razumljiva korisniku. Dodatak, odnosno program kojeg korisnik koristi trebao bi isključiti bilo kakvu upotrebu modela koji zahtijevaju teške matematičke pojmove. 3 Ipak parametri kod izrade modela trebaju zadovoljiti zahtjeve i dozvoliti slobodu izrade od strane kreatora Biomehanika biljaka Biomehanika biljaka proučava biološke funkcije i strukture biljaka uz pomoć mehaničkih metoda i funkcija. Te metode obuhvaćaju mehaniku fluida, dinamiku, statiku, modeliranje, strukturalnu analizu, čvrstoću materijala itd. Mogu se primijeniti na unutarnje tvari, tekućine biljnih organa i stanica, kao i za interakciju sa tekućinama i tvarima u okolišu.[1] Biomehanika biljaka se može definirati i kao proučavanje strukture i funkcije bioloških sustava, u smislu proučavanja njihovog rasta, što sve utječe na njih, te kako se biljke gibaju. Potrebno je istražiti i shvatiti biljku kroz nekoliko aspekata. Raspored grana i način grananje, te lišća sa samom geometrijom, teksturom i materijalom. Količina i smjer grananja. Simultan način rasta biljke gdje starije grane trebaju biti deblje, a mlađe tanje. Listovi također igraju glavnu ulogu kod biljaka, njihovo širenje po biljci, kako su raspoređeni, kao i njihova veličina. Tropizam je važan kod samog rasta biljke, razlozi zbog kojeg biljke rastu su raznoliki, kao primjerice utjecaji na biljku poput gravitacije, količine izlaganja prema suncu i prisutnost vjetra. Tropizam je također važan kod gibanja biljke i njihovih priraslih dijelova koje može biti usmjereno pozitivnim vanjskim podražajem, u smjeru podražaja i negativnim podražajem, u suprotnom smjeru podražaja. Potrebno je istražiti kojim načinom biljke rastu, da li utječu jedna na drugu i kako se one križaju sa smjerom rasta. Također i shvatiti kako biljka reagira u slučaju dodira sa drugim objektom, što se direktno odnosi na biljke penjalice. Penjanje biljaka je najvažniji dio ako se radi o biljkama penjalicama. Penjanje je izuzetno važno jer se biljka penjalica direktno spaja na objekt i prianja na njega u nastojanju da će se još više razviti, te se uzima i u obzir interakcija sa okolinom. [2] Biomehanika rasta biljke bršljana Biljka bršljana je biljka penjalica koja raste najčešće prema gore. Postoje različite vrste bršljana. Sastoji se od korijenja koji na sebi osim lišća sadrži i mikroskopske korijenje koji omogućuju da se biljka prianja na druge objekte, zidove i različite strukture materijala koje se nalaze u neposrednoj blizini. Mikroskopski korijeni, odnosno dlačice izlučuju tvari pomoću kojih se prianjaju na neposredni objekt koji se nalazi u blizini. Korijeni ovakvih biljaka rastu 4 na različitim površinama, a kada stari korijeni postanu suhi stvaraju nove korijenje koji se opiru teksturi, odnosno površini na kojoj se nalaze kako bi dalje mogli rasti.[3] Zbog vrlo kompleksne i elastične strukture biljka penjalica, tako i bršljana pridodaje se velika važnost realističnom vizualnom obliku unutar računalnih alata, odnosno dodataka. Cilj takvih alata je reorijentirati, odnosno pomicati sve segmente u biljci i onda kada se novi segmenti dodaju. Modeliranje biomehanike ovakvih biljaka poput bršljana može se tako što se zanemari težina uzrokovana novim dodanim segmentima biljke koji su u mogućnosti mijenjati se, odnosno orijentirati, a ovise o općem smjeru rasta biljke. Biljke penjalice rastu prema gore oko zadane geometrije, te se segmenti koji su dodani manje opterećeni težinom prethodnih segmenata na biljci. To uzrokuje da je svaki segment samostojeći i da se prianja na određenu geometriju oblika uz pomoć adhezivnog sredstva. Ipak kod grafičkog pogleda na biomehaniku biljaka mnogi stručnjaci tvrde kako oblik grananja modela nije toliko važan u pružanju vizualne uvjerljivosti. Proučavajući uzorke biljaka i uvodeći nekoliko pravila, moguće je učinkovito simulirati biljke, pa tako i biljke penjalice. [4] Uzorci kod biljaka u prirodnom okruženju nastoje stvoriti različite strukture poput grana, lišća, korijenja, pupoljaka i slično. Takve strukture tvore fraktalne oblike koji kreiraju strukture u biljkama. Biljka bršljana kao biljke penjalice pokušava pokriti određenu površinu na kojoj se nalazi što je više moguće. Biljka bršljana giba se prema izvoru svjetlosti, prema smjeru izvora podražaja može se pozitivno gibati, ali i u suprotnom smjeru, tzv. negativni tropizam. Geotropizam također utječe na rast biljke bršljana, tj. utjecajem sile teže kao i fototropizam koji je induciran izvorom podražaja. [2] Sustavi za izradu biljka penjalica Modeliranje biljaka unutar 3D programa postepenom ručnom metodom crtanja krivulja ili stvaranjem poligona dovodi do velikih poteškoća i gubitka vremena. Svaka biljka ima svoju strukturu grananja, i svaka biljka je posebna na svoj način prema geometriji, izgledu, rastu, načinu gibanja itd. Modeliranjem biljke potrebni su sati uloženog vremena i truda, a još više ako se žele napraviti promjene i ako korisnik želi izmijeniti izrađeni model biljke. 3D modeli biljaka su poznati osim u filmskoj industriji, također i u industriji igara gdje se pridodaje više pozornosti na detaljima krajolika. Biljke su sastavni dio krajolika koji nas okružuje. 5 Umetanjem biljki i takvih detalja u nerealan ili realan virtualni prikaz pridodaje se na većem doživljaju korisnika unutar svijeta u kojem se nalazi. Kako bi se skratio i olakšao rad sa biljkama izrađeni su sustavi koji olakšavaju rad u modeliranju biljaka, te omogućuju automatsko dodavanje biljaka i njihovu kontrolu unutar različitih programa za 3D modeliranje. Postoji mnogo sustava koji se bavi modeliranjem botaničkih struktura. Primjerice Aono i Kunii, De Reffye, L-sustavi (Prusinkiewicz i Lindenmayer), Chiba, GreenLab, AMAP, PlantVR, Rodkaew itd. Simulacije biljnih modela uz pomoć raznih algoritama imaju velik doprinos u virtualnoj realnosti. [7] Jedan od najpoznatijih modela je L- sustav ili Lindenmayerov jezik. L-sustav razvio je njemački biolog Lindenmayer godine koji je model rasta stanica primijenio na rast biljaka Slika ih godina računala su postajala sve brža te su znanstvenici uz pomoć računalne grafike iskoristili L- sustav za simulaciju rasta biljke. Time su se priključili i fizičari koji su proučavali biomehaniku biljaka, matematičari i informatičari koji su pridonijeli razvoju algoritama. Već spomenuti uzorci kod biljaka, fraktali, te postavljanje pravila koja utječu na rast sustava, Lindenmayer je to uvidio u svom izvornom djelu modela rasta biljaka. Slika 1. Jednostavan prikaz rada L- sustava prema stadijima Način rada L- sustava se temelji na jednostavnom principu, a koristi nekoliko temeljnih elemenata. Sustav koristi abecedu u smislu definiranja određenih aksioma koji prezentiraju originale koji se ponavljaju. Kako bi se ostvarilo grananje potreban je još jedan element, a to je uvođenje određenih pravila. Slika 2 prikazuje jednostavan prikaz rada L-sustava koji u 6 nultom, tj. početnom stadiju ima ravnu okomitu liniju. To se naziva početno uvjetovan aksiom nazvan F. Primjena pravila na početnu liniju F dobivamo pravilo u kojem se dobivaju i formiraju nove grane. Pravilo F= F [+ F] [-F] znači da će se sljedeći stadij sastojati od aksioma F sa grananjem F koji se usmjerava prema desno (oznaka +) i grananje F koji je usmjeren ulijevo (oznaka -). Nakon toga sljedećim stadijima se ponavlja isto pravilo koje je rekurzivno za svako grananje stvarajući novo ponavljanje što se vidi u drugom trećem i četvrtom stadiju grananja na slici. Primjećujemo da se ponavljanje u trećem stadiju sastoji od dvije kopije od drugog stadija, te da se ponavljanje četvrtog stadija sastoji od četiri kopije drugog stadija. Time možemo vidjeti da se kod pravila u L-sustavu koriste sebi slični uzorci slični geometrijskim fraktalima. [6] Sustav čestica je drugi model pomoću kojeg su pokušali izraditi sustav biljaka i potpuno se razlikuje od L-sustava. Ideju su prvu osnovali Reeves i Blau, a kasnije su model proširili Arvo i Kirk koji su za razliku od Reevesa i Blaua su uvrstili interakciju s okolišem. Arvo i Kirk kasnije su dodali model s mogućnosti interakcije s okolinom. Greene je prezentirao sličan model za simulaciju rasta biljaka sa značajnom razlikom od modela Arva i Kirka, po tome što je njegov model rabio voksel prostor za otkrivanje sudara umjesto korištenja zraka. Ovi modele su Benes i Millan dodali za modeliranje rasta biljaka - dodajući na primjer traumatično ponavljanje da se može nositi sa problemima koji dolaze kod sudara. Prilikom korištenja sustava čestica biljke su diskretizirane na strunama čestica gdje raste
Related Search
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks