VIRTUAL RECONSTRUCTION OF THE HISTORICAL FORTRESS OF SAMARA USING 3D MODELING

Full Text

Введение Трехмерная графика (3D графика) - это раз- дел компьютерной графики, в котором рас- сматриваются методы создания изображений или видео путем моделирования объемных объектов в трехмерном пространстве. То есть 3D-моделирование - процесс создания трехмер- ной модели объекта. Задачей 3D-моделирования является разработка визуального объемного об- раза желаемого объекта. Основы 3D-моделирования В области трехмерной компьютерной графики, как правило, выделяют четыре основных этапа, необходимых для получения готового продукта: Моделирование - это создание объектов, которые будут присутствовать на сцене. Использование материалов - это опреде- ление свойств поверхностей объектов для ими- тации различных свойств реальных предметов, таких как фактура, цвет, яркость и т. д. Освещение - это добавление и размещение источников света подобно тому, как это делается на съемочной площадке. Визуализация - это формирование изо- бражения на основе моделей материалов и ос- вещения. Если в проекте подразумевается создание ани- мации, то в качестве анимируемых элементов могут выступать смоделированные персонажи. Кроме того, возможно и изменение положения «Infokommunikacionnye tehnologii» 2021, Vol. 19, No. 4, pp. 495-500 объектов на сцене, а также изменение их форм, размеров или материалов. На этапе моделирования создается форма объ- ектов сцены, которые могут иметь и произволь- ную форму, и правильный геометрический вид. Перед непосредственным созданием объекта, как правило, выполняются предварительные набро- ски, т. е. эскизы. На следующем этапе, этапе использования материалов, поверхностям моделей придают вид реальных материалов. Только в этом случае моде- ли примут максимально реалистичный вид. Одним из самых простых, но важных свойств материала является цвет. Цвет может быть ос- новным, определяющим покрытие всего объекта, или обтекающим, который будет определять фо- новое освещение. Следующим этапом является создание ос- вещения. Оно подчеркивает свойства сцены, выполненной в результате моделирования и ис- пользования материалов. Освещение определяет настроение всей сцены. Лучшее освещение долж- но быть почти подсознательным: присутствовать, но не быть навязчивым [1]. Заключительным этапом работы над модели- руемой сценой является визуализация [2]. На данном этапе компьютер превращает ма- тематическую модель сцены в форму, доступную для визуального восприятия. Этот процесс полу- чил название рендеринг (render). Историческое описание крепости Самара Первые известия о построенном Самарском городе появились в конце лета 1586 г., а в начале сентября крепость уже принимала многочислен- ных гостей - послов, стрельцов, свиту крымского царевича. После высадки на берег Григорий Засекин и «горододелыцики» начали сверять с чертежами реальную местность. Пока воевода окончательно определил место строительства, а мастера-горо- додельщики размечали участки под будущие со- оружения, служилые и работные люди разобрали плоты, вытащили на берег материалы. Начало закладки города сопровождалось осо- бым ритуалом - молебном и освящением места закладки сооружений. Прежде всего горододелы- цики сосредоточили внимание на строительстве собственно «города», или «кремля». На разме- ченной рабочей площадке сооружались стены с башнями. Внутри кремля устроили усадьбы воеводы и «начальных» людей, здания съезжей избы, тюрьмы, осадных дворов, складов - «анба- ров» для припасов, житниц и т. д. Площадь крем- ля вряд ли составляла более 5 гектаров. По мнению самарского краеведа Е.Ф. Гурья- нова, в плане крепость являла близкую к квадрату прямоугольную фигуру с размерами сторон 213 на 245 м. Желавшие обосноваться своими двора- ми воинские люди вряд ли могли разместиться под укрытием стен и вынуждены были устроить- ся за кремлем, в его предместье. Самарский го- род занял самую возвышенную, примыкающую к обрывистому крутому берегу часть междуре- чья. Доминантой крепости выступала церковь, сооружение которой началось одновременно с городом. Выбор духовного патрона - покровите- ля горожан - определяла Москва одновременно с выбором названия крепости. Изначально со- борным для города считался храм Пресвятой и Живоначальной Троицы. Видимо, при выборе названия соборной церкви было принято во вни- мание то, что, по предварительным расчетам экс- педиция, возглавляемая князем Г.О. Засекиным, должна была прибыть на место будущего строи- тельства в конце второй декады мая и примерно в Троицын день приступить к закладке города. По- этому вполне можно совместить примерную дату начала возведения города и храма с праздником Троицы, который в 1586 г. пришелся на 22 мая по старому стилю (1 июня по-новому). Эту дату следует считать официальным днем основания Самары. По устройству оборонительных сооружений, административных, церковных и частных зданий Самара мало чем отличалась от десятков подоб- ных городов-крепостей, построенных тогда же на южном и юго-восточном пограничье Московско- го государства [3; 4]. Среда разработки КОМПАС-3D Система KOMПAC-3D предназначена для создания трехмерных параметрических моделей деталей и последующего полуавтоматического выполнения их рабочих чертежей, которые со- держат все необходимые виды, сечения, разрезы. Система в первую очередь ориентирована на формирование моделей изделий, которые со- держат как типичные, так и нестандартные кон- структивные элементы [5; 6]. Программа КОМПАС-3D дает возможность пользователю работать как с двухмерным пред- ставлением конструкции (2D-чертежом и фраг- ментом), так и с трехмерным представлением конструкции (3D-моделью детали или сборки), а также текстовыми документами (специфика- цией, извещением и т. д.). В связи с этим каж- дый файл обладает собственным расширением и иконкой [7]. Любое изображение, которое можно постро- ить средствами системы, в терминах КОМПАС- 3D принято называть документом. С помощью программы КОМПАС-3D можно создавать до- кументы трех типов: детали, фрагменты, плоские чертежи. Когда же идет речь о трехмерных изо- бражениях деталей, употребляется такой термин, как «модель». Построение моделей выполняется средствами модуля трехмерного моделирования. Модель изделия, которая изготавливается из однородного материала, без применения каких- либо сборочных операций называется деталью. Детали, как правило, хранятся в файлах с расширением m3d. Основным же типом графического докумен- та в КОМПАС-3D является чертеж, содержащий графическое изображение изделия, основную надпись, рамку, а иногда и дополнительные объ- екты оформления (знак неуказанной шероховато- сти, технические требования и т. д.). В файле чер- тежа КОМПАС-3D могут содержаться не только чертежи (в понимании ЕСКД), но и плакаты, схе- мы и прочие графические документы. Чертежи хранятся в файлах с расширением cdw. Фрагмент - вспомогательный тип графическо- го документа в КОМПАС-3D. Файл фрагмента имеет расширение frw. Кроме перечисленных, в КОМПАС-3D по умолчанию используются следующие расшире- ния файлов для шаблонов документов: m3t - де- талей; cdt - чертежей; frt - фрагментов. Система КОМПАС-3D позволяет: экспорт до- кументов в форматы DXF, DWG, IGES, РаrаSоlid, STL, АCIS, STEР, VRML; экспорт документов в растровые форматы BMP, TIFF, GIF, JPEG, PNG, TGA; экспорт документов в формат eDrawing; экспорт документов в форматы WMF и EMF[E1]; импорт документов из форматов IGES, РаrаSоlid, STEР, АCIS, TXT, RTF; работу с несколькими до- кументами одновременно. Поддерживаются типы документов: текстово- графические документы (тип файла kdw); спе- цификации (тип файла sрw). Текстовый редактор предусматривает: фор- мирование, заполнение и редактирование таблиц любой конфигурации, возможность создания та- блицы по ее графическому представлению (пре- образование фрагмента в таблицу); сохранение часто применяемых фраз, выражений, обозначе- ний и т. д. в файле текстовых шаблонов, вставку текстовых шаблонов в любой текстовый объект или объект, содержащий текстовую часть; поль- зовательские меню. Имеются настройки: фильтров вывода на пе- чать; разбиения листа на зоны; отрисовки стре- лок и засечек; отрисовки осевых линий; имени файла по умолчанию при первом сохранении; пе- речня объектов, учитываемых при определении габаритов модели. Сервисные возможности включают: созда- ние пользовательских стилей линий, штриховок и текстов; создание пользовательских основных надписей, пользовательских оформлений и сти- лей спецификаций; создание исходной и зеркаль- ной копий при резервном копировании; возмож- ность сопоставления графическим объектам и документам атрибутов - неграфической инфор- мации (число, строка или таблица); выбор еди- ниц измерения длины в документе (миллиметры, сантиметры или метры); быстрое переключение на слой указанного объекта; отрисовку фоновых заливок цветом и зачерненных стрелок; управле- ние порядком отрисовки графических объектов; запись документов с приведением имен к UNC; прерывание штриховок и линий при пересечении их с размерными стрелками, размерными над- писями и обозначениями; использование «Ме- неджера библиотек» - системы для управления библиотеками; возможность создания, редакти- рования и подключения библиотек фрагментов (lfr) и моделей (l3d); подключение прикладных библиотек, разработанных для использования в профессиональной версии системы КОМПАС- 3D; работу с кодами и наименованиями докумен- тов (выбор кода и наименования при заполнении основной надписи, автоматическую передачу обозначения и наименования изделия - без пере- дачи кода и наименования документа - между связанными документами и др.); визуализацию ограничений, наложенных на графические объ- екты, и имеющихся у них степеней свободы; вы- равнивание размерных линий размеров [8]. Создание 3D-модели исторической крепости Самара в среде разработки КОМПАС-3D Далее рассмотрим порядок создания кре- пости (см. рис.). Эскиз 1. Создаем эскиз с основными фигурами, ис- пользованными в крепости, в виде 2D-проекции. В основе модели крепости лежит прямо- угольник, созданный с помощью функции «Пря- моугольник». На одной стороне получившейся фигуры (основания крепости) выстраиваются основания башен, соответствующие историческим изобра- жениям. В основах башен лежат квадраты соот- ветствующих размеров (в масштабе 1 см = 1 м). В итоге имеем эскиз с основанием кре- пости и башен (эскиз 1). Всего на одной стороне имеем 4 башни, причем одна из башен в после- дующем будет оснащена воротами, т. к. является проездной. Выстраивание основы. Рисунок. 3D-модель, построенная в среде разработки КОМПАС-3D Посредством функции «Элемент выдав- ливания» создаем первоначальную 3D-модель крепости. Высота ограды - 3 см, высота башен - 6 см (в масштабе 1 см = 1 м). Получаем простую 3D-модель крепости. Эскиз 2. Детализация ограды. На уровне ограды создаем дополнитель- ный эскиз (эскиз 2) для формирования рельефа ограды. Создаем круг диаметром 1,5 см (в мас- штабе 1 см = 1 м) с помощью функции «Окруж- ность» с целью создания бревенчатой структуры ограды. Посредством копирования этой окружно- сти получаем «цепочку» окружностей по всему периметру ограды. Формирование бревенчатой структуры. Аналогично созданию крепости форми- руем «бревна» по периметру ограды с помощью функции «Элемент выдавливания». Эскиз 3. Крыши башен. Создаем эскиз, на котором формиру- ем 2D-модель крыш башен. Эскиз создается на уровне «вершин» башен, полученных в эскизе 1. Формирование крыш башен. С помощью функции «Элемент выдав- ливания» создаем 3D-модель крыш башен. На данном этапе получаем крышу в виде прямо- угольника. С помощью функции «Уклон» формируем уклон крыш для того, чтобы получить нужную форму усеченной пирамиды с квадратом в осно- вании. В итоге возникает модель 4 башен с кры- шами. Эскиз 4. Создание второго этажа башен. Для двух башен формируем эскиз ана- логично эскизу 1 с 2D-моделью второго этажа башен. Аналогично пункту 2 создаем 3D-модель второго этажа. Формирование крыш второго этажа. Создаем 2D-модель (эскиз 5) крыш второ- го этажа башен, в основе которых лежит квадрат. Аналогично пункту 6.1 создаем 3D-модель крыш второго этажа башен. Аналогично пункту 6.2 создаем необходи- мый уклон крыш башен. Формирование окон и ворот башен. Для каждой стороны башни создаем эски- зы для формирования 2D-модели окон для каж- дой стороны башни. Каждый эскиз соответствует одной стороне башни. В итоге имеем 4 эскиза. На одном из эскизов формируем с помо- щью функций «Прямоугольник» и «Окружность» модель ворот для одной из башен. Данные ворота являются въездом в крепость и располагаются на проездной башне. На каждом эскизе создаем 2D-модели окон, ориентируясь на историческое изображе- ние крепости. С помощью функции «Вырезать выдавли- ванием» формируем 3D-модель окон для каждой стороны. Для проездной башни аналогично фор- мируем въезд, т. е. ворота. На данном этапе полу- чаем 3D-модель крепости с окнами и въездом. Покрас модели. Отдельно осуществляем покрас внутрен- него «двора» модели. На первичном этапе по- средством настройки свойств фигур производим заливку фигуры оттенком зеленого цвета. Тем самым формируем иллюзию травяного покрова. Осуществляем покрас основной части крепости. Согласно исторической сводке, кре- пость представляла собой деревянную построй- ку. На основании этого осуществляем заливку основной части крепости соответствующим от- тенком коричневого. В некоторых частях крепости добавляем цветовые и фактурные акценты в виде затемне- ния фигур. Например, области окон и ворот. Дальнейшая работа над проектом состоит из доработки сцены (моделинг элементов крепо- сти), придания реалистичности путем наложения текстур, обработки полученной сцены [9; 10]. Заключение По итогу проделанной работы можно сделать вывод о том, что среда разработки КОМПАС-3D является достаточно эффективной и простой в использовании для создания различных 3D-моде- лей. Несомненно, данная работа очень актуальна. Все работы были выполнены в соответствии с ис- точниками, содержащими исторические факты и обзоры, что гарантирует высокую схожесть соз- данного нами объекта с реальным. Поскольку модель еще не достроена, перед нами стоит задача доработки начатой сцены про- екта с возможностью ее встройки в виртуальную реальность.

About the authors

E. A Bogdanova

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: helen.bogdan@mail.ru
Samara, Russian Federation

V. A Larina

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: valeriya-larina-2000@mail.ru
Samara, Russian Federation

Yu. O Bakai

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: ov.bakai@gmail.com
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files