Разновидности 3D моделирования
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
«КОЛЛЕДЖ ЦИФРОВЫХ И ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»
Курсовая работа
по специальности 44.02.03 Педагогика дополнительного образования
вобласти технического творчества
Использование 3D-моделирования в образовательной робототехнике
|
Работа защищена « ___ » ______________ 2018 г. с оценкой « » ____________ Председатель ПК ________ /______________ | Выполнила: Студентка групп 15-09 ПДО(ТТ) Филиппова Мария Викторовна | |
| Руководитель: Швецов Е. В. _________________ |
Тюмень, 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | 3 | |
| ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ | ||
| 1.1 Характеристика понятия«образовательная робототехника» | 5 | |
| 1.2. История развития образовательной робототехники | 6 | |
| 1.3. Классификация образовательной робототехники | 7 | |
| ГЛАВА 2 3-D МОДЕЛИРОВАНИЕ | ||
| 2.1 Понятие 3-D моделирования | 11 | |
| 2.2. Разновидности 3D моделирования | 12 | |
| 2.3. Популярные программы 3D моделирования | 17 | |
| 2.4. 3-D моделирование в образовательной робототехнике | 23 | |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ | 25 | |
| СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ | 26 | |
ВВЕДЕНИЕ
Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала на человеке. Перед человечеством стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности. Самая большая радость для программиста - это видеть и знать, что пользователи находят для его детища самые разнообразные применения. Особенно это касается таких продуктов, как 3D StudioМАХ, который, в отличие от текстового процессора или электронной таблицы, позволяет с помощью изобразительных средств воплотить самые фантастические идеи и мечты в жизнь. Компьютерное трёхмерное моделирование, анимация и графика в целом не уничтожают в человеке истинного творца, а позволяют ему освободить творческую мысль от физических усилий, максимально настроившись на плод своего творения. Конечно, пока невозможно заниматься графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно, в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли.
|
|
|
|
|
|
Объект - процесс использования 3D-моделирования в образовательной робототехнике.
Предмет –применениеобразовательной робототехникив 3D-моделировании.
Цель исследования: изучение использования 3D-моделирования в образовательной робототехнике
Задачи:
1. Изучить теоретические аспекты понятия «образовательная робототехника».
2. Рассмотреть историю развития образовательной робототехники.
3. Датьклассификациюобразовательной робототехники.
4. Охарактеризоватьпонятие 3-D моделирования, его разновидности,популярных программ.
5. Праонализировать3-D моделирования в образовательной робототехнике.
Методы исследования: теоретический анализ литературы и средств массовой информации по проблеме исследования, сравнение и обобщение.
Характеристика понятия «образовательная робототехника»
Образовательная робототехника представляет собой новую, актуальную педагогическую технологию.
|
|
|
Образовательная робототехника – это новое междисциплинарноенаправление обучения школьников, интегрирующее знания о физике,мехатронике, технологии, математике, кибернетике и ИКТ, позволяющеевовлечь в процесс инновационного научно-технического творчестваучащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научнотехническоготворчества и повышение престижа инженерных профессийсреди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решенияактуальных инженерно-технических задач и работы с техникой.
Робототехника — это область техники, связанная с разработкой иприменением роботов и компьютерных систем управления ими.
Существует много типов робототехнических устройств, в том числероботы-манипуляторы, мобильные роботы, шагающие роботы, средствапомощи инвалидам, телеуправляемые и миниатюрные роботы.
Процесс образовательной робототехники включает ряд последовательных этапов: анализ исходных фактов и формулировка проблемы, выдвижение гипотезы, логическое развитие идеи и детализация проекта, его воплощение в рисунке, чертеже, модели, наконец, материальное воплощение.
Центральный момент образовательной робототехники - нахождение главной идеи образовательного решениярешения, требующей обоснования, расчётов и экспериментальной проверки.
|
|
|
У детей младшего школьного возраста ещё нет сложившихся глубоких и целенаправленных интересов, они увлекаются техникой вообще. В среднем школьном возрасте у учащихся обычно появляется интерес к определённым видам творчества, они предпочитают занятия вавиамодельных, судомодельных, радиотехнических и других кружках. Учащиеся старшего возраста, обладая уже достаточно обширными знаниями по математике, физике и другим естественным наукам, проявляют интерес к научным основам техники, им уже по силам использовать в техническом образовании приёмы математического и кибернетического моделирования.
Образование робототехники как массовое молодёжное движение - одно из важных средств развития интеллектуально - творческого потенциала страны.
Характеризуя образовательную робототехнику как самостоятельную деятельность человека с постановкой или выбором технической задачи, поиском условий и способа ее решения, создания социально нового результата, следует, что результат творчества должен обладать социальной новизной, поэтому необходимо отметить в качестве одного из признаков технического творчества его социальный характер, вытекающий из социальной сущности человека.
Появление образовательной робототехники и его дальнейшее совершенствование связано в первую очередь с необходимостью удовлетворения насущных материальных потребностей человека.
Результатом творческой деятельности может быть субъективно и объективно новое.
1.2 История развития образовательной робототехники
Термин «робот» придумал в 1920 году писатель, научный фантаст КарелЧапек, происходит от чешского слова «robota», что означает «тяжелаямонотонная работа» или «каторга».
Слово «робототехника», точнее английское «robotics», было впервыеиспользовано в печати писателем Айзеком Азимовым в научно-фантастическомрассказе «Лжец», опубликованном в 1941 году.
Робототехника наука о процессе разработки автоматизированных технических систем на базе электроники, механики и программирования. Роботостроение развитая отрасль промышленности: несколько тысяч роботов работают на различных предприятиях, робототехнические манипуляторы превратились в неотъемлемую часть подводных исследовательских аппаратов, изучение космического пространства уже не обходиться без использования роботов с высоким уровнем интеллекта.
Первый чертёж человекоподобного робота был сделан Леонардо да Винчи около 1495 года. Записи Леонардо, найденные в 1950-х, содержали детальные чертежи механического рыцаря, способного сидеть, раздвигать руки, двигать головой и открывать забрало. Дизайн скорее всего основан на анатомических исследованиях, записанных в Витрувианском человеке. Неизвестно, пытался ли Леонардо построить робота.
1.3. Классификация образовательной робототехники
Образовательная робототехника доступна как детям, так и взрослым, поэтому направлений технического творчества может быть сколько угодно.
Основные направления Образования в робототехнике:
1. Совершенствование процесса обучения
. • Наглядные пособия (стенды, плакаты, макеты, модели
машин и механизмов)
• Учебное оборудование (мебель, аудиторные доски, муляжи, наглядное демонстрационное оборудование)
• Тренажеры (автомобиль, самолет, трактор, космический корабль, боевые электронные игры)
2. Материальное производство
• Малогабаритные приспособления
• Модели, проекты
• Устройства практического применения
3. Военно-техническая подготовка
• Изделия для спорта и туризма (автокары, мини им микро автомобили, суда, туристическое, альпинистское и рыболовное снаряжение)
• Спортивные модели
• Эксперимент модели будущего
4. Научные исследования
• Математические модели
• Экспериментальные установки
• Научные приборы
Техническое творчество - процесс по освоению технических знаний и созданию технических систем на основе предшествующего опыта и знаний.
Целью технического творчества является развитие технических способностей личности, формирование его технического решения.
Содержание технического творчества - моделирование, конструирование, радиолюбительство, электроника, картинг, обобщение всего технического опыта и его пропаганда.
Стимул - научно-технический прогресс.
Классификация технического творчества:
1. По степени связи с техникой
Чисто технические виды (моделирование, конструирование, компьютерное программирование и т.д.);
- С преобладанием эстетического момента (кино и фотолюбительство, художественное литье, кузнецкое дело и т.п.);
- Со спортивной доминантой (картинг, авиамодельный спорт, дельтапланеризм и др.).
2. По содержанию деятельности
- Техническое творчество, связанное с новейшими областями техники (электроника, компьютерная техника);
- Техническое творчество, связанное с традиционными областями техники (механика);
- Техническое творчество, связанное с ремеслами, соединенными с простейшей «древней техникой» (плотницкое дело, художественная обработка металла, камня и др.).
3. По степени творческого вклада
- Конструирование и создание принципиально новых материальных систем. Возможно решение на уровне изобретения.
Повторение известных технических систем с небольшими изменениями.
- Моделирование.
- Мастерское овладение эксплуатацией чего-либо (починка, виртуозная работа с готовой «покупной» системой).
Существует техническое творчество в профессиональной сфере (Всероссийское общество изобретателей и рационализаторов - ВОИР, Бюро рационализаторов и изобретателей при заводах - БРИЗ), а также техническое творчество, не связанное с профессиональной производственной деятельностью. Оно может быть как неорганизованной, так и организованной любительской деятельностью, представленной такими формами как станции юных техников и юношеские технические клубы.
Основные этапы создания технических устройств:
Создание новых машин, приборов, механизмов и других устройств является довольно длительными и сложным процессом. В нем выделяют следующие этапы:
• Инженерное прогнозирование (включает в себя формулировку технического задания и сбор научно-технической информации, позволяющей обосновать возможность решения поставленной технической задачи. Часто на этом этапе выполняются научно-исследовательские работы с цель получения технического устройства.)
• Аналитическое проектирование (включает в себя разработку математического описания создаваемого технического объекта и дальнейшее исследование этого объекта с помощью модели. Часто для этих целей используют ЭВМ. Математические модели позволяют получать расчетные технические характеристики и параметры создаваемого объекта при требуемых нагрузках и предполагаемых условиях эксплуатации, даже не имея в натуре прототипа создаваемого технического объекта.)
• Техническое конструирование (разработка графической модели технического устройства, по которой возможна материализация создаваемого устройства путем изготовления его в производственных условиях.)
• Производство (во время производства вводятся необходимые изменения в конструкцию устройства или технического проекта его изготовления с обязательным внесением всех изменений в комплект конструкторско-технологической документации.)
• Испытание (окончательным итогом опытноконструкторских работ является испытание при предлагаемых условиях эксплуатации и определение степени соответствия его реальных технических характеристик ранее задаваемым. После этого делается вывод о возможности изготовления данного устройства в условиях серийного или массового производства.)
ГЛАВА 2 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ
2.1 Понятие 3D моделирования
3D моделирование играет важную роль в жизни современного общества. Сегодня оно широко используется в сфере маркетинга, архитектурного дизайна и кинематографии, не говоря уже о промышленности. 3D - моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо продукта или услуги.
3D моделирование - это проектирование трехмерной модели по заранее разработанному чертежу или же эскизу. Для построения объемной модели предмета используются специальные программные продукты визуализации и аппаратные устройства в виде компьютеров, планшетов и оргтехники. При моделировании важным этапом является рендеринг - преобразование черновой вариации модели в приятный для глаз формат.
Современная трехмерная компьютерная графика позволяет создавать максимально реалистичные модели объекта, которые бывает трудно отличить от обычной картинки. Профессионально смоделированная презентация позволяет на высоком уровне продемонстрировать продукт или услугу потенциальным клиентам, партнерам, инвесторам.
3D моделирование активно применяется в следующих областях деятельности:
Создание различных моделей персонажей. Обычно это используется при создании мультфильмов и при проектировании современных компьютерных видеоигр.
3D визуализация зданий. Этим занимаются проектные организации, которые желают оценить для заказчика конструктивные особенности будущего объекта.
Создание 3D моделей предметов интерьера. В большинстве случаев их выполняют дизайнерские компании с целью демонстрации эстетических свойств представленных экспозиций.
Реклама и маркетинг. Часто требуются нестандартные объекты для рекламирования. Важную составляющую трехмерная графика играет при демонстрации какой - либо услуги. Это позволяет произвести более эффектное впечатление на заинтересованных лиц.
Изготовление эксклюзивных украшений. Профессиональные художники и ювелиры используют специальные программы, которые позволяют создать оригинальный и неповторимый эскиз.
Производство мебели и комплектующих. Производственные мебельные компании нередко используют разработку трехмерной модели для размещения своей продукции в электронных каталогах.
Промышленная сфера. Современное производство невозможно представить без моделирования продукта компании. Каждую деталь или полноценный объект проще собирать по готовой и продуманной 3D - модели.
Медицинская сфера. Например, при проведении пластической операции или же хирургическом вмешательстве, все чаще используют трехмерную графику для того, чтобы наглядно продемонстрировать пациенту, как будет проходить процедура, и каким будет результат.
Разновидности 3D моделирования
Условно 3D моделирование можно разделить на 5 классов, это сплайновое, поверхностное, твердотельное, полигональное и параметрическое 3D моделирование.
Сплайновое моделирование - это вид 3D моделирования, при котором модель создается при помощи сплайнов (Сплайн - от англ, spline - гибкое лекало (чертёжный инструмент для построения или проверки кривых.), в 3Dэто трехмерная кривая). Линии сплайнов задаются трехмерным набором
контрольных точек в пространстве, которые и определяют гладкость кривой.
Все сплайны сводятся к сплайновому каркасу, на основе которого уже будет
создаваться огибающая трехмерная геометрическая поверхность.
Кроме того, в сплайновом моделировании используются сплайновые
примитивы- (параметрические объекты, используемые для моделирования
объекта). В различных программах, позволяющих работать со сплайнами,
есть и другие более сложные сплайновые объекты.
Преимущество сплайновых объектов в том, что они обладают гибкими
настройками и всегда можно вернуться к изменению их формы.
Сплайновое моделирование - более точное, и при масштабировании
(приближении) качество объекта не меняется. Поверхность, построенную с
помощью сплайнов можно масштабировать и изготавливать с такой
точностью, которая необходима и которую можно задать на этапе
прототипирования.
Базовыми сплайновыми примитивами являются:
1. Линия (Line);
2. Дуга (Arc);
3. Спираль (Helix).
4. Окружность Circle (Circle);
5. Кольцо (Donut);
6. Эллипс (Ellipse);
7. Прямоугольник (Rectangle);
8. Многоугольник (NGon);
9. Многоугольник в виде звезды (Star);
10. Сечение (Section);
Сплайновый текст (Text).
Поверхностное моделирование - является одной из самых лучших технологий, применяемых для создания объемных или 3D объектов и форм. Данная технология реализована в программах верхнего уровня. Поверхностное моделирование используется специалистами для создания сложных форм; применяется для изображения поверхностей деталей внешнего вида - машины, самолеты, бытовая и промышленная техника. Технология применяется для проектировки объектов, изготовляемыми штамповочными или литьевыми способами.
Преимущества поверхностного моделирования:
• Достоверное представление любого по сложности объекта;
• Контроль взаимно расположенных деталей;
• Подготовка управляющих программ для станков.
При моделировании поверхностей в первую очередь создаются и видоизменяются поверхности всех элементов и деталей моделируемого объекта. Поверхности элементов соединяют между собой путем скругления или перехода, на местах их пересечения лишнее обрезают, и, таким образом, из всех поверхностей собирают внешнюю оболочку моделируемого объекта.
Поверхностное моделирование способно проектировать поверхности объекта, внутри же изделие пустое, которое состоит из патчей. Патч и топологические поверхности являются основными понятиями, которые используются при поверхностном моделировании. Поверхность - это и есть геометрическая модель такая же как и тела, и адаптивные формы. Поверхность это собственно граница, которая делит рабочее пространство на два полупространства.
При поверхностном моделировании совсем необязательно, чтобы оболочка модели была замкнутой. Довольно часто применяют поверхностное моделирование для моделирования сложных элементов, деталей объекта. Моделирование поверхностей широко применяется для проектирования планеров самолетов, кузовов автомобилей и т.п.
Твердотельное моделирование - это проектирование тел, имеющих все признаки физического тела. Объекты, выполненные с помощью данной технологии, лучше воспринимаются по сравнению с объектами, выполненными другими способами.
Твердотельное моделирование - Позволяет создавать наиболее полноценные 3D модели. Плюсы метода: разделение внешней и внутренней границы, автоматическая маскировка скрытых линий, создание 3D разрезов частей модели, возможность применения тоновых инструментов, регулирование освещения, точные весовые параметры предметов.
При твердотельном моделировании моделлеры работают не с отдельными поверхностями, а сразу с оболочками. Поверхностьмоделируемого объекта полностью описывается оболочками, которые отделяют внутренний объем объекта от всего остального пространства. В твердотельном моделировании процесс построения оболочки объекта аналогичен процессу изготовления самого моделируемого объекта. Сначала создается оболочка простой формы, которую потом уже подгоняют под модель нужным образом.
Преимущества твердотельного моделирования:
• Лучшая визуализация и восприятие созданной модели - трехмерная модель с применением современных технологий выглядит более чем реалистично.
• Автоматическое формирование чертежей - одно из самых главных преимуществ данной технологии. Построение модели и формирование чертежей по ней с использованием твердотельного моделирования - дело нескольких секунд.
• Быстрота и легкость в процессе внесения изменений и корректировок в модель - не нужно заново формировать чертеж, достаточно изменить нужные пункты и обновить программу. Также можно использовать• Объединение с различными дополнительными приложениями - интеграция позволяет сократить время, использовав сразу полученные результаты на последующих стадиях работы.
• Скорость при проектировании - твердотельное моделирование сокращает срок выполнения проектирования объекта. Быстрота моделирования позитивно влияет на скорость возвращения вложенных инвестиций.
Создание твердотельных моделей как никогда сегодня актуально. Важно не только быстро создавать объект, но и так же быстро редактировать его. Твердотельное моделирование обладает данными качествами, поэтому оно считается самой совершенной технологией. Методы представлений, а именно граничный и конструктивный обеспечивают максимально реалистичные модели.
Обладая такими существенными преимуществами, твердотельное моделирование признано самым быстрым, качественным и эффективным методом при проектировании сложных объектов.
Полигональное моделирование - это вид 3D моделирования, который появился в то время, когда для определения местонахождения точки необходимо было вручную вводить ее координаты по осям X, Y, Z. Если три точки координат задать как вершины и соединить их ребрами, то получится треугольник, который в 3D моделировании называют полигоном.
Полигон с тремя вершинами называется триангулированным полигоном, с четырьмя вершинами - квадриангулированным полигоном. Каждый полигон может иметь собственную текстуру и цвет, а объединив несколько полигонов можно получить модель любого объекта. Соединенные между собой полигоны образуют полигональную сетку или полигональный объект.
Для того, чтобы края модели не имели граненого вида, необходимо, чтобы полигоны были малого размера, а поверхность объекта состояла из маленьких плоскостей.
Если предполагается точное моделирование объекта (высокополигональное моделирование), либо в дальнейшем увеличение его изображения, то необходимо строить модель с большим количеством полигонов, хотя, если на модель объекта смотреть издали без приближения, достаточно будет небольшого количества полигонов. Такие модели будут называться высокополигональными и низкополигональными соответственно.
Несмотря на то, что полигональное моделирование используется довольно таки часто, особенно в создании трехмерных компьютерных игр реального времени, в последнее время наблюдается переход от моделирования полигонов к работе со сплайнами (сплайновое моделирование).
Параметрическое моделирование - это проектирование модели объекта с использованием параметров и соотношений между параметрами ее элементов. С помощью параметризации (параметрического моделирования) можно за короткое время опробовать различные комбинации геометрического соотношения и изменения параметров модели, внести необходимые корректировки и избежать дальнейших ошибок. Параметрическое трехмерное или двумерное моделирование существенно отличается от обычного черчения или ЗД-моделирования. В случае с
параметрическим моделированием создается математическая модель с параметрами, изменение которых влечет за собой изменение всей конфигурации детали, перемещение деталей в сборке и прочие похожие трансформации.
Идея создать параметрическое моделирование появилась достаточно давно, но к сожалению воплощение в жизнь было невозможно из-занедостаточной производительности компьютеров. 1989 год стал датой рождения параметрического моделирования, так как именно в этом году были выпущены первые САПРы с функциями параметризации.
Формирование и внедрение зависимостей и манипуляции с ними по сути являются процессом проектирования. Поэтому параметрическое моделирование является самым простым, удобным способом проектировать объекты, так как именно данная технология предоставляет специалисту полный доступ к контролю зависимостей.
САПР или система автоматизированного проектирования - это организационно-техническая система, которая отвечает и реализует информационную технологию проектирования, автоматизирует процесс проектирования, и состоит з комплекса технических, программных средств для проектирования и персонала, задействованного в процессе проектирования и его автоматизации.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 793; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!