Εφαρμογές της τρισδιάστατηςσχεδίασης

Ε.Α.Π.: Γραφικές Τέχνες – Πολυμέσα – ΓΤΠ61Τσιγκάνου Δήμητρα

Θεσσαλονίκη 07/03/2010

ΠεριεχόμεναΕισαγωγή (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

ΣυμπεράσματαΒιβλιογραφία

Εισαγωγή• Η τρισδιάστατη αναπαράσταση αντικειμένων μέσω υπολογιστή

βασίζεται στις αρχές προβολικής γεωμετρίας για την δημιουργίατης εντύπωσης της τρίτης διάστασης σε ένα δισδιάστατοεπίπεδο, όπως η οθόνη. Η δυνατότητα περιγραφής σχημάτωνμέσω αριθμητικών δεδομένων και η όλο και μεγαλύτερηταχύτητα επεξεργασίας τέτοιων δεδομένων από τουςυπολογιστές δίνουν σήμερα εντυπωσιακά αποτελέσματα.

• Επειδή το εύρος των εφαρμογών τρισδιάστατης σχεδίασης είναιπάρα πολύ μεγάλο, θα αναφερθούμε ενδεικτικά μόνο σεορισμένες από τις πιο διαδεδομένες από αυτές.

ΕισαγωγήΙστορικά στοιχεία

• 70’: Τα τρισδιάστατα γραφικά βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στονκινηματογράφο – τάση αναζήτησης του ρεαλισμού.(Ed Emshwiller – Sunstone 1979 – δυνατότητες τρισδιάστατηςκίνησης της εποχής.)

ΕισαγωγήΙστορικά στοιχεία

• 80’: Διαμορφώνονται οι τάσεις για τα εργαλεία γεωμετρικήςμοντελοποίησης, τεχνική morphingΕμπορικές εφαρμογές γενικής χρήσηςΟλοκληρωμένα περιβάλλοντα μοντελοποίησης και κίνησης

Ταινίες με ειδικά εφέ για την παραγωγή δύσκολων και εντυπωσιακώνσκηνών.

• Tron (Walt Disney Productions 1981)• Star Trek II-The wrath of Khan(1982)• The last Starfighter (1984), • Eyrhythmy (1989)• The Abyss (1989)

Εισαγωγή

ΕισαγωγήΙστορικά στοιχεία

• 90’: Στροφή προς την αλληλεπίδραση και τα 3d γραφικά πραγματικού χρόνου σε μαζικόεπίπεδο.Δημιουργία πολλών τίτλων παιχνιδιών για προσωπικούς υπολογιστές, πλήθος εφαρμογώνσε όλους τους τομείς.(Pixar, εντυπωσιακά εφέ κινηματογράφου, Playstation/X-box, συστήματαεμβύθισης:CAVE)

• Σήμερα: Προσπάθεια διάδοσης των αμφίδρομων τεχνικών (TV-3D cinema, ταινίεςαλληλεπίδρασης), προσωπική πληροφορική, ειδικές τεχνικές για την ελαχιστοποίησηχρόνου σχεδίασης, ανεξάρτητη ποιότητα (μοντέλα πολλαπλών αναλύσεων – επιλεκτικήαπεικόνιση, αντικατάσταση γεωμετρικής πληροφορίας με απλή εικόνα(billboards), υποδιαιρούμενες επιφάνειες που επιτρέπουν την μοντελοποίηση και κίνηση σύνθετωνεπιφανειών μεγάλης ακρίβειας επιδρώντας σε χαμηλότερης ανάλυσης εκδόσεις αυτών, μοντελοποίηση με υφή (χρήση πολλαπλών στρωμάτων από χρωματισμένες ημιδιαφανείςεπιφάνειες για προσομοίωση επιφανειών όπως γούνα, φύλλωμα κλπ),κίνηση (ρούχων, μαλλιών, πλήθους, μυική προσομοίωση, ανίχνευση και διαχείρισησυγκρούσεων, motion capture).Απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο + φωτορεαλιστική απόδοση – εξαιρετικά απαιτητικέςυπολογιστικές ικανότητες.

ΕισαγωγήΜερικές έννοιες σχετικές με εφαρμογές τρισδιάστατης σχεδίασης

• CAD: Computer Aided Design Σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή – συστήματα που παρέχουν όχι μόνο ευκολίεςσχεδίασης αλλά και επεξεργαστών για τον καθορισμό όλων των ιδιοτήτων του στερεούαντικειμένου.

• CAM: Computer Aided ManufacturingΒιομηχανική παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή – γεωμετρικός ορισμός μοντέλου, αριθμητικός έλεγχος, σχεδίαση διαδικασιών παραγωγής, διοίκηση εργοστασίου και έλεγχοςrobot.

• CIM: Computer Integrated ManufacturingΟλοκληρωμένη παραγωγή με χρήση υπολογιστή – συστήματα CAD/CAM – εφαρμογές σεβιομηχανία αυτοκινήτων, αεροναυπηγική, ηλεκτρονικών, αρχιτεκτονική, τηλεπικοινωνίες, κ.α.

• RPT: Rapid Prototyping Μέθοδοι ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων – παράγουν πραγματικά στερεά απότρισδιάστατα μοντέλα CAD.

• STL: ΣτερεολιθογραφίαΜετατροπή του αρχείου ενός τρισδιάστατου μοντέλου σε αρχείο STL ώστε να μπορεί ναγίνει κατανοητό από ένα σύστημα RPT. Βασίζεται στην ψηφιοποίηση της επιφάνειας τουμοντέλου και την περιγραφή του σαν ένα πολύεδρο – τριγωνισμοί επιπέδων.

Ενδεικτικές εφαρμογέςΨυχαγωγία

• Τηλεόραση 3dΟι καινούργιες εξελίξεις της τεχνολογίας υπόσχονται την ανάπτυξη εφαρμογών 3d tv,

που θα φέρουν σε κάθε σπίτι την δυνατότητα παρακολούθησης προγραμμάτωνδισδιάστατων εικόνων που όμως θα περιλαμβάνουν στερεοσκοπικό βάθος, αποδίδονταςεξαιρετικά αληθοφανή εμπειρία.

Η λογική της τρισδιάστατης τηλεόρασης διαφέρει σε σχέση με εκείνη του 3dκινηματογράφου στο ότι η προβολή θα γίνεται με την γρήγορη εναλλαγή δεξιά και αριστεράσε συνεχόμενα καρέ, κάτι που είναι δυνατό στις σύγχρονες τηλεοράσεις hdtv. Ηπαρακολούθηση θα απαιτεί «ενεργά» γυαλιά που χρησιμοποιούν κλείστρα υψηλήςταχύτητας για την εναλλαγή της εικόνας σε κάθε μάτι.

Οι συσκευές θα είναι αρχικά αναβαθμίσεις των hdtv που θα ενσωματώνουν έναντροποποιημένο ελεγκτή εικόνας που θα εναλλάσει 50 εικόνες ανά δευτερόλεπτο για κάθεμάτι, καθώς και έναν υπέρυθρο ή ασύρματο πομπό που θα αποστέλει πληροφορίεςσυγχρονισμού στα 3d γυαλιά.

Πιθανόν στο μέλλον να σχεδιαστούν και τηλεοράσεις που δεν θα χρειάζονται ειδικάγυαλιά.

Οι 3d τηλεοράσεις αποτελούν μια καινοτομία που έχει κινητοποιήσει το ενδιαφέροντου κοινού και ήδη πολλές παραγωγές έχουν υλοποιηθεί γι’ αυτές.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΨυχαγωγία

• Κινηματογράφος 3dH 3d προβολή στον κινηματογράφο τυπικά περιλαμβάνει την επιβολή πολωμένων ή

ειδικά χρωματισμένων εικόνων σε κάθε frame της ταινίας, ζητώντας από το θεατή ναφορέσει ειδικά «παθητικά» γυαλιά που αποκαλύπτουν διαφορετικές εικόνες σε κάθε μάτι. Κατόπιν ο εγκέφαλος του θεατή συνθέτει τις δύο εικόνες δίνοντας μια πειστική αίσθηση τουβάθους.

Η τεχνική του 3d είναι αρκετά παλιά, (the house of wax, 50’), αλλά πρόσφατα, μετην ταινία Avatar γνώρισε την μεγαλύτερη επιτυχία της.

Στην ταινία αυτή που προβλήθηκε με την τεχνική RealD 3d έχουμε συνδυασμόεικονικών σκηνών και χαρακτήρων με αληθινή δράση ηθοποιών που κινηματογραφήθηκεσε πράσινο φόντο και συνδυασμό της ερμηνείας τους με τα εικονικά σκηνικά.Οι κινήσεις τους καταγράφηκαν με την τεχνική motion capture που εφαρμόστηκε ακόμακαι για τις εκφράσεις του προσώπου με την χρήση ειδικής στολής και συστήματοςκαταγραφής των κινήσεων.

Τα ειδικά εφέ και η στερεοσκοπική αναπαράσταση επιτρέπουν την πλήρηενσωμάτωση του θεατή στον εικονικό κόσμο για όσο διαρκεί η ταινία. Πολλές νέες ταινίεςγυρίζονται με αυτήν την τεχνική, αλλά και παλιότερες υπόκεινται σε επεξεργασία για τηνμετατροπή τους σε 3d μετά το αυξημένο ενδιαφέρον.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΨυχαγωγία

• ΠαιχνίδιαΗ εφαρμογή της τρισδιάστατης σχεδίασης στα παιχνίδια, από την

εποχή των πρώτων απλών υπολογιστών μέχρι τις σύγχρονεςπαιχνιδομηχανές, αποτελεί έναν πολύ σημαντικό παράγοντα πουοδηγεί τις εξελίξεις στην τεχνολογία σε επίπεδο software & hardware.

Οι παραλλαγές είναι άπειρες και αφορούν τόσο την θέση τουθεατή, όσο και την απόδοση ρεαλισμού και δράσης σε πραγματικόχρόνο :από τα πρώτα First Person Shooter (Doom, Quake) μέχριτις σύγχρονες παιχνιδομηχανές που συνδυάζουν στοιχεία εικονικήςπραγματικότητας, και τα παιχνίδια στο διαδίκτυο που συμμετέχουνπαίκτες από κάθε γωνιά του πλανήτη.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΨυχαγωγία

• Εικονική πραγματικότηταΗ σχεδίαση της τρίτης διάστασης είναι άμεσα συνδεδεμένη

με την δημιουργία κάθε περιβάλλοντος εικονικήςπραγματικότητας.

Κινητοποιεί όλες τις αισθήσεις για την δημιουργίααισθήματος ρεαλισμού και αμεσότητας στον χρήστη και παρέχειτη δυνατότητα αλληλεπίδρασης σε πραγματικό χρόνο.

Η εμπειρία είναι προσωπική για κάθε χρήστη, καθώς ταδεδομένα αλλάζουν ανάλογα με την θέση του παρατηρητή. Οιεφαρμογές εικονικής πραγματικότητας μπορεί να αφορούν και σεάλλους τομείς εκτός από την ψυχαγωγία, όπως εκπαίδευση, έρευνα, κλπ.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΒιομηχανικός σχεδιασμός

• Εφαρμογές σχεδιασμού συμβατές με την παραγωγή(CAD/CAM – CIM, Rapid Prototyping)

• Έλεγχος της μορφής, των υλικών και των ιδιοτήτων τουαντικειμένου πριν την παραγωγή του, παραλλαγές, έλεγχος(μορφή, εργονομία, ατέλειες λειτουργίας, ασφάλεια κλπ)

• Λιγότερα έξοδα από λάθη σχεδιασμού, συνεργασία εύκοληδημιουργία πολύπλοκων μορφών, αλλαγές στην πορεία, προσομοιώσεις χρήσης, δημιουργία εξειδικευμένων –εξατομικευμένων μοντέλων.

• Εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην αεροναυπηγική, ηλεκτρονική, εξαρτήματα και αντικείμενα κάθε είδους, ακόμη καικοσμήματα ή νομίσματα

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΑρχιτεκτονική

• Νέες δυνατότητες στην διερεύνηση του σχεδιασμού (μηγραμμικός), τόσο στην μορφή του κτιρίου, όσο και στηνεπιλογή 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, κατασκευήπολύπλοκων φορέων, προκατασκευή δομικών στοιχείων καιοργάνωση του εργοταξίου.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Hadid - Burnham PavilionCalavria

Bilbao – Frank Gehry

Hadid – Regium waterfront

Ενδεικτικές εφαρμογές

Design act- Singapore pavillion Dancing building –Frank Gehry

Ενδεικτικές εφαρμογέςΑρχαιολογία

• Αναπαραστάσεις για εκπαιδευτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, ακόμα και στοιχείων από εποχές για τις οποίες υπάρχουν πολύλίγα στοιχεία, π.χ. προϊστορική.

• Προέχει η ακρίβεια της αναπαράστασης, αλλά δίνεται ηευκαιρία να υλοποιηθούν διαφορετικές παραλλαγές, χωρίς τηναλλοίωση του πραγματικού μνημείου.

• Δυνατότητα παρουσίασης σε απομακρυσμένους θεατές• Δυνατότητα διερεύνησης αναπαλαιωτικών επεμβάσεων

Ενδεικτικές εφαρμογές

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

Ενδεικτικές εφαρμογέςΕπιστήμες

Οι οπτικές αναπαραστάσεις είναι εκ των πραγμάτων πιοκατανοητές από ένα πλήθος αριθμητικών δεδομένων καιπολύπλοκων παραμέτρων. Όλα τα στοιχεία μπορούν νασυγκεντρωθούν σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο, να βοηθήσουνστην δημιουργία εναλλακτικών μοντέλων και στην μελέτητων φαινομένων.Αστρονομία - Αστροφυσική

• Παρατήρηση του σύμπαντος, βελτίωση των εικόνων – δεδομένων πουλαμβάνονται από αποστολές

• Σύνθεση – κατανόηση φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρακατά την αλληλεπίδραση των ουράνιων σωμάτων – προσομοίωσηαστρικών φαινομένων.

• Επαλήθευση θεωρητικών μοντέλων.• Εκλαϊκευση αστρονομίας – εκπαίδευση.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΓεωλογικές έρευνες

• Μπορούμε να οπτικοποιήσουμε περιβάλλοντα που στηνπραγματικότητα είναι αδύνατο να τα δούμε, πχ το εσωτερικό της γης, την ροή της λάβας, την σύνθεση των πετρωμάτων και ναπροχωρήσουμε σε περαιτέρω μελέτη τους.

• Δημιουργία μοντέλων για την σεισμική δραστηριότητα και τωνκινήσεων των λιθοσφαιρικών πλακών.

• Η δομή της ύλης, ακόμα και σε επίπεδο πυρηνικών αντιδράσεωνμπορεί να αναπαραχθεί και να ερευνηθεί.

Ατμοσφαιρικές – κλιματολογικές μελέτες• Μπορούμε να δημιουργήσουμε τρισδιάστατα μοντέλα τόσο του

πλανήτη όσο και επιμέρους καταστάσεων, όπως της κίνησης τωνανέμων, των κλιματικών αλλαγών, της επίδρασης υδάτινωνεπιφανειών στο μικροκλίμα μιας περιοχής, μετεωρολογικές προβλέψειςκλπ.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΙατρική

• Η αναπαράσταση του ανθρώπινου σώματος αλλά και άλλωνστοιχείων όπως το γονιδίωμα, τα επιμέρους όργανα, τοεσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων, ιών και καρκινικώνκυττάρων κλπ, έχει δώσει μεγάλη ώθηση στην έρευνα και τηνεκπαίδευση στην ιατρική.

• Με την βοήθεια ειδικών οργάνων μπορεί να γίνει εντοπισμόςκαι αναπαράσταση όγκων και δυσπλασιών και να γίνει μεακρίβεια μελέτη και προγραμματισμός της επέμβασης στηνπροβληματική περιοχή ή εφαρμογή μεθόδων τηλεϊατρικής. Δίνεται η δυνατότητα, μέσα και από τεχνικές rapid prototyping να δημιουργηθούν μοντέλα για την προετοιμασίακαι προσομοίωση δύσκολων επεμβάσεων, και εμφυτευμάτωνκαι προσθετικών μερών προσωποποιημένων για κάθε ασθενή.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΤέχνη

• Δυνατότητα πειραματισμών στις μορφές – δημιουργίαφανταστικών 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 ρεαλιστικήαπόδοση βουνών, δέντρων, φυτών, ανθών, νεφών κλπ.

• Εφαρμογές σε installation art – performance art.

Ενδεικτικές εφαρμογές

Ενδεικτικές εφαρμογέςΕκπαίδευση

• 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)

• Η χρήση 3d προσφέρει υψηλό βαθμό εστίασης της προσοχής, σχεδόναπεριόριστες δυνατότητες σχηματικής και κινητικής αναπαράστασηςεννοιών, δεδομένων, γεγονότων.

• Συνεισφέρει στην ανάπτυξη δεξιοτήτων, χρήσιμο για διενέργειαεικονικών πειραμάτων και έρευνας, ασφάλεια, αποφυγή κόστους.

Ενδεικτικές εφαρμογέςΣχεδίαση περιβάλλοντος διαπαφής χρήστη

• Η σχεδίαση τρισδιάστατων user interfaces, τόσο σεεφαρμογές virtual reality, όσο και υπολογιστών και κινητώντηλεφώνων, κερδίζει συνεχώς έδαφος και συγκεντρώνει τοενδιαφέρον των σύγχρονων δημιουργών που προσπαθούν ναδημιουργήσουν νέα εντυπωσιακά και ανταγωνιστικά προϊόντα.

• Η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που δίνει η απεικόνιση σε τρειςδιαστάσεις μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη οργάνωση, τηνπιο προσιτή και κατανοητή διάρθρωση ενός μεγάλου πλήθουςπληροφοριών. Καθώς σήμερα ο όγκος των δεδομένων πουδιαχειριζόμαστε έχει αυξηθεί, ανάλογα και με τις υπολογιστικέςκαι αποθηκευτικές δυνατότητες των υπολογιστών, η χρήση των3d interfaces βρίσκει αρκετές εφαρμογές.

Ενδεικτικές 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 αναπαράστασηκαι μπορεί να γίνει σε βάθος παραμετροποίηση καταστάσεων και ιδιοτήτων.

• Κάνουν εφικτή την δυνατότητα αλληλεπίδρασης με τις εφαρμογές και δίνουνευκαιρίες για διάφορες τροποποιήσεις του αρχικού μοντέλου. Υπάρχει ηδυνατότητα δοκιμών, παραλλαγών και ελέγχου, πριν την υλοποίηση ώστε νααποφεύγονται λάθη.

• Αποτελούν ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την αναπαράσταση ιδεών και τηναπεικόνιση φανταστικών καταστάσεων.

• Διαδραματίζουν ολοένα και σημαντικότερο ρόλο στον τρόπο με τον οποίοαντιλαμβανόμαστε το περιβάλλον μας αλλά και στον τρόπο οργάνωσης τωνεπιχειρηματικών 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