3D печать имеет свои преимущества: скорость производства работ, минимизация труда, автономность, большой выбор материалов, печать сложных форм.

Использует различные материалы для «печати», они поступают с помощью насоса и наносятся на поверхность. В зависимости от материала, конечной продукции передаются те или иные свойства (рис.1).

Принтер собирается на строительной площадке, некоторые модели можно установить и настроить всего за 30 минут.

Рис. 1. Строительный принтер

Для наглядного сравнения эффективности применения принтера рассчитаем стоимость строительства тремя способами.

Схема-образец представляет собой здание высотой 3м, длиной 9м и шириной 9м, толщину стен принимаем равной 0,3м. Рассматриваются только стены. Таким образом, общий объем стен – 41м3. Площадь внутренних поверхностей – 90м2. Площадь внешней поверхности стен – 108 м2. (Рис.2)

Рис. 2. Вид здания

Данная схема используется для всех 3 вариантов строительства:

• Монолит.
• Несъемная опалубка «Velox».
• Несъемная опалубка с использованием строительного 3D принтера.

Сравнение производится по параметрам трудозатрат и общей стоимости возведения.

Исходя из информации ООО “Спецавиа” о своем 3D принтере S-1160 [1], произвели расчет стоимости установки несъемной опалубки и трудозатрат, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Расчет трудозатрат и стоимости установка несъемной опалубки 3D принтера S-1160

Стоимость часа работы 3D принтера:

Почасовая тарифная ставка строителей 6 разряда в базисных расценках 2001 г: 14,13 р. [2]

Стоимость материалов, необходимых для строительства 1м² опалубки:

Толщина слоя 1 см, таким образом, 1 м2 опалубки включает 100 слоев толщиной 1 см и длиной 100 см. Соответственно, 1 м2 опалубки равен 1*100=100 м печати.

Так как скорость печати принтера – 9 м/мин, трудозатраты:

Можно составить расценку для устройства несъемной опалубки при помощи строительного 3D принтера (Таблица 2).

Устройство несъемной опалубки с помощью строительного 3D принтера.

Таблица 2. Измеритель: 10 м² несъемной опалубки

Расходы по несъемной опалубки Velox учитываем из ТЕР 06-01-087 “Монтаж и демонтаж крупнощитовой опалубки”. Используем коэффициент применения несъемной опалубки вместо оборачиваемой: 0,75 к затратам труда и оплате труда рабочих, 0,8 к стоимости эксплуатации машин (ТЕР-2001, сборник 06, п. 3.8). Добавляем стоимость плит Velox 282, 65 руб/м².

Полученные данные были обработаны, получены следующие результаты, представленные в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительный анализ стоимости и трудозатрат выполнения работ с помощью различных материалов

Из таблицы видно, что постройка  с использованием 3D печати выгоднее и быстрее. Стоимость 3D принтера ниже остальных 421886,26 руб, за ним монолит 519640,92 р и опалубка VELOX 606525,09р. По трудозатратам также выгоднее 3D принтер – 357,57 чел.час, затем монолит – 469,4 и Velox – 574,39 .

Результаты наводят на мысль, что 3D принтеры займут свое место в малоэтажном строительстве благодаря скорости и технологичности.

Фильмы без спецэффектов просуществовали сравнительно недолгое время. Человечество, открывшее для себя новый мир, быстро стало думать о том, как изобразить на пленке то, что раньше возможно было только лишь в их воображении. Сейчас ни один современный фильм не может обойтись без трехмерной графики.

3D-графика – это создание объемной модели при поддержке особых компьютерных программ. На базе чертежей, рисунков, тщательно подобранных описаний либо любых иных графических или текстовых данных 3D-моделлер создает объемное изображение объекта. В специально разработанной компьютерной программе, например: WINGS 3D, DAZ STUDIO и др. модель можно рассмотреть с разных сторон, интегрировать в абсолютно любую плоскость и в любое окружение [9,10,12]. Такая модель отличается фотографической точностью и помогает лучше представить, как будет выглядеть объект, воссозданный в жизни, привнести определенные коррективы.

Воплощение компьютерной графики в фильмах – огромнейший труд, над которым работают десятки и сотни специалистов. От сценаристов и режиссеров до целого «войска» художников: они моделируют объекты, текстурируют изображение, анимируют, занимаются риггингом и визуализацией героев и виртуального мира.

Основные этапы создания и визуализации 3D моделей в киноиндустрии.

1)      Моделирование – создание трехмерных объектов и моделей.

2)      Текстурирование – наложение текстур и материалов на трехмерные модели.

3)      Риггинг (от англ. Rig – установка, оснащать) – изготовление виртуального «скелета», системы «кости» – «суставы» для последующей анимации персонажа.

4)      Анимация – «оживление», имитация движений трехмерных персонажей.

5)      Рендеринг (3D – визуализация) – визуализация созданной графики и запись.

6)      Композитинг – объединение каждого отдельного элемента в финальную сцену. Например, внедрение 3D-сцен в отснятый видеоматериал, коррекция цветов и добавление эффектов. [2]

Способов моделирования огромное количество, и описать все в одной статье невозможно. Я затрону только самые используемые методы. В моделях для кинематографа в основном используют кривые поверхности (NURBS-моделирование) и полигоны (полигональное моделирование). Отличие полигонального моделирования только в том, что их проще всего визуализировать.

NURBS-моделирование – математическая форма, используемая в 3D-моделировании для генерирования и изображения кривых и поверхностей [14,15].

Полигон — многоугольник, являющийся минимальной поверхностью для визуализации в трёхмерном моделировании.

Чем выше количество полигонов имеет объект, тем выше детализация, качество и разрешение. На основе этого подразделяют высокополигональные (high poly) и низкополигональные (low poly) модели. В производстве фильмов чаще всего используют высокополигональные модели, рендеринг которых, проводят по несколько недель, а то и месяцев.

Текстурирование – это не только подбор цветов и материалов для объемной модели, это огромная область деятельности, которой в кинематографе занимается художник по текстурам. Перед тем как передать работу художнику, моделлер делает текстурную развертку (UV-развертка) – двумерное изображение, которое содержит поверхность объемной модели. UV-развертки необходимы для того, чтобы текстура идеально ровно расположилась на модели без каких-либо ошибок.

Затем обрисовываются текстуры, которые присоединяются к модели. Создается целый комплект текстур: цвет, карта рельефа (displacement – создает реальный рельеф), карта нормалей (normal map – создает видимость рельефа), карта бликов (specular), карта неровностей (bump), карта прозрачности (alpha) и многие другие. Таким образом, появляется полностью готовый визуальный образ локации или персонажа: от внешнего вида и волос до морщинок и эмоций; от рельефной местности до отдельных травинок и листьев.

В 3D моделировании риггинг – это процесс разработки и процедура подготовки персонажа к анимации, включающий в себя создание и установку внутри трёхмерной модели виртуального «скелета» – набора «костей» или «суставов», процесс установления систематической взаимосвязи между ними и значений всевозможных модификаций и видоизменений для каждой из этих костей.

Скелетная анимация, для которой и используется риггинг, удобна прежде всего тем, что позволяет управлять огромным количеством составных частей анимируемой фигуры (конечности, глаза, мышцы лица, губы и т.д.) с помощью сравнительно небольшого количества регулирующих частей – тех самых костей и их контролируемых характеристик.

Для того, чтобы трехмерная модель «ожила», в работу вступают специалисты-аниматоры. Основная цель аниматора – сделать движения модели максимально похожими на настоящие. Особенно это важно в тех фильмах, где в одном кадре 3D-персонажу необходимо взаимодействовать с реальными актерами.

Самым простым способом анимации – является анимация по ключевым кадрам. Художник-аниматор указывает положение модели в начальном и конечном кадрах движения, а положение в промежуточных кадрах определяется специальной компьютерной программой. Это несложный в реализации метод, но для создания сложных движений достаточно трудоемкий и требует большого умения аниматора для получения максимальной реалистичности персонажа.

Система активного захвата движений (технология Motion Capture)  представляет совмещение движений реального актера, на котором надеты специальные датчики, считывающие перемещение, эмоции, действия, с движениями трехмерного персонажа. Этот метод очень облегчает работу аниматора, позволяя задействовать уже готовые движения актеров. Простейший пример Motion Capture – Голум, персонаж Энди Сёркиса в трилогии П. Джексона «Властелин колец».

Заключительный этап моделирования – итоговая визуализация полученных сцен – рендеринг.  Существует только два типа рендеринга: рендеринг в настоящем времени и пострендеринг. В кинематографе в приоритете пострендеринг, ведь быстрота просчетов – далеко не основной фактор, на первом месте высокое качество картинки и графики. А именно, реалистичное качество виртуально созданного мира с правильным и четким сочетанием света и тени.

Композитинг – комбинированная съемка является последним этапом постпроизводства. И это не просто работа с цветом и слоями: композер -специалист, занимающийся композитингом, объединяет все части фильма в одно целое, внедряет в отснятый видеоматериал трехмерных персонажей и другие 3D-элементы, исправляет ошибки и убирает лишнее, работает над разными эффектами. Проще говоря, создает объединенную сцену реальности и созданного 3D-изображения, превращая все это в одну готовую реалистичную сцену. Специалист-композер является ответственным за конечный продукт –видеофильм [4].

Компьютерное моделирование меняет наше чувство связи между видеокамерой и реальностью вне фильма. Присутствие и того и другого уже не является абсолютно необходимым. Теперь «запечатлеть» то, что нельзя было увидеть в реальной жизни, стало намного проще. 3D-технологии преобразовывают изображение в пиксели, которые можно с легкостью редактировать, переделывать, изменять, трансформировать. Стирается грань между анимацией (которая создает образы там, где их вообще прежде не было) и монтажом (который занимается расстановкой фрагментов сцен и событий, запечатленных камерой).

Именно благодаря 3D-моделированию стало возможным показать то, чего не существует в реальности, воплотить на экране самые смелые идеи и фантазии. С освоением 3D-моделирования работниками киноискусства был совершен колоссальный прорыв в кинематографе.

Программная библиотека для языка программирования JavaScript Web-based Graphics Library (WebGL) позволяет реализовать элементы 3D-графики на веб-страницах[5].

Одним из главных преимуществ WebGL является построение 3D-элементов непосредственно как веб-страницы, что не требует установки дополнительных расширений или подключения дополнительных библиотек со стороны пользователя. Это позволяет WebGL программам благополучно исполняться практически на любом устройстве пользователя (и на стационарных компьютерах, и планшетных компьютерах, на смартфонах, и игровых консолях…).

Однако, технология WebGL использует низкоуровневый набор методов для создания приложений. Это, с одной стороны,способствует внедрению технологии разработчиками браузеров в свои продукты, но создает большие трудности при создании интерфейсов.

При разработке WebGL приложений часто используется кроссбраузерная библиотека three.j, применяемая для создания и отображения анимированных трехмерных изображений.

Перед тем как приступить к созданию 3D объекта с использованием библиотек желательно, для удобства работы, установить на свой компьютер программу для создания и редактирования кода web-страницы и программу, которая создаст сервер, для того, чтобы после сохранения объект можно было просмотреть в браузере. Например, в первом случае можно использовать VisualStudioCode для создания и редактирования исходного кода[6], а для создания веб-сервера – Сaddy[7].

Далее для последующей работы необходимо скачать библиотеку three.js[8].После чего можно приступать к написанию кода. Для того, чтобы функции библиотеки вступили в силу необходимо в html-коде прописать путь к ней:<scriptsrc=”libs/three.min.js”></script>.

Рассмотрим возможности технологии WebGLна примере создания куба.

Для того,чтобы создать WebGL приложение, содержащее трехмерное изображение, необходимо:

1) определить область вывода изображения, в котором оно будет отображаться:

camera = new THREE.PerspectiveCamera( 70, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000 ); // создание камеры

camera.position.z = 400; //выбор положения

var texture = new THREE.TextureLoader().load( ‘textures/cube.jpg’ ); //добавление текстуры

var geometry = new THREE.BoxBufferGeometry( 200, 200, 200 ); //определение размера куба

var material = new THREE.MeshBasicMaterial( { map: texture } ); //определение материала состоящего из текстуры

В данном случае «cube.jpg» - это картинка, выбранная заранее.

renderer = newTHREE.WebGLRenderer(); // Настройка среды рендеринга в среду WebGL

renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio ); //задание геометрии пикселей на устройстве отображения

renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight ); //определение границ области рендринга

document.body.appendChild(renderer.domElement );

Для того, чтобы объект можно было вращать и просматривать его со всех сторон при написании кода были использованы функции:

• startRotateCube– обработка события нажатия на левую кнопку мыши;
• endRotatingCube – обработка события отпускания левой кнопки мыши;
• rotateCube– процесс движения курсора мыши

После чего, созданный код необходимо сохранить как html-файл. Созданный файл можно просмотреть в браузере (рис.1).

Рис.1. Отображение 3D-объекта в браузере Google Chrome

Данный пример показывает, как много манипуляций потребовалось по скачиванию и установке тех или иных файлов, чтобы приступить к работе. Так же, само написание кода объекта требует определенных навыков в программировании. Сам текст кода довольно объемный для такого простого объекта (для этого проекта общее количество строк кода составило 122). А значит, можно сделать вывод, на сколько трудно будет создавать более сложные объекты, используя технологиюWebGL.

Благодаря использованию таких технологий, есть возможность создать максимально точные и реалистичные товары, детали, элементы, показать свое предложение клиентам в максимально выгодном свете. Используя 3d-изображения можно получить достаточно простое, но в то же время эффективное продвижение рекламы. Трехмерное моделирование тела и его отдельных частей подняло многие области медицины и других сфер жизни человека на новый уровень. В дизайне, чтобы заказчик смог увидеть результат еще на стадии проектирования, создается визуализация дизайн-проекта и самый наглядный и современный способ – 3D-моделирование интерьера на компьютере с использованием трехмерной графики.

Благодаря росту производительности ПК и расширению возможностей браузеров стало возможным создавать и отображать 3D-графику с использованием веб-технологий.

WebGL предназначена для использования на веб-страницах и не требует установки специализированных расширений или библиотек. Одним из преимуществ приложений WebGL является то, что приложения конструируются как веб-страницы, то есть одна и та же программа будет успешно выполнена на разных устройствах (смартфоны, планшетные компьютеры и игровые консоли). Поэтому  WebGL стала одним из основных инструментов программирования графики.

Технология WebGL использует низкоуровневое API, этот подход облегчает внедрение технологии разработчиками браузеров в свои продукты, но создает большие трудности при создании интерфейсов. Огромное количество времени и сил было вложено в разработку библиотек, фреймворков и других программных средств, которые упростили работу в разработке сайтов. Наиболее распространенные из них –  Three JS, WebGLU, GLGE, Babylon JS.

Можно выделить следующие предпочтения:

- кроссбраузерность и отсутствие привязки к определенной платформе. Важно, что бы браузер поддерживал WebGL;

- использование довольно распространенного языка JavaScript;

- автоматическое управление памятью. В отличие от OpenGL, в WebGL не нужно выполнять определенные действия для очистки памяти;

- для WebGL технологии характерна высокая производительность, так как  для рендеринга графики она использует графический процессор на видеокарте (GPU).

Так же, технология имеет ряд недостатков:

- слабая поддержка браузерами;

- медленная работа на мобильных устройствах;

- изучение WebGL с основ отнимет очень много времени, прежде чем удастся создать что-то стоящее;

- громоздкость кодов.

Blender – бесплатный пакет для работы с трёхмерной графикой. Включает инструменты для моделирования объектов, текстурирования, риггинга и анимации, а также визуализации, компановки и даже редактирования видео. Кроме того, Blender может использоваться и для создания интерактивных приложений, в том числе онлайн-приложений.

Интерфейс Blender состоит из нескольких окон. Количество окон и их типы не установлены жёстко; пользователь может настроить интерфейс по своему усмотрению.

Blend4Web – это программная среда для подготовки и интерактивного отображения трехмерного аудиовизуального контента в браузерах, т.е. трехмерный «движок».

Платформа предназначена для создания визуализаций, презентаций, интернет-магазинов, игр и других  web-приложений.

Данный фреймворк  тесно связан с пакетом 3D моделирования и анимации Blender. Содержимое отображается с использованием WebGL и других технологий браузера без использования плагинов.

Графический движок выполняет специализированные функции для отображению графики. Это промежуточная связь между: частью приложения высокого уровня (игровой логикой, бизнес-логикой) и низкоуровневой системной частью (например, графической библиотекой WebGL и нижележащими драйверами).

Графический движок можно комбинировать со звуковой системой, физическим движком, системой, которая реализует искусственный интеллект, сетевую систему, а также редактор сцен и логики, формируя интегрированный инструментарий для создания 3D приложений – трехмерный движок.

В Blend4Web по сравнению со стандартными библиотеками WebGL, реализована тесная интеграция с редактором, что сокращает использование программирования.

Blend4Web предлагает всю визуальную работу выполнять в Blender: настраивать сцену, создавать модели и расставлять их, управлять физикой или частицами.

Однако Blend4Web есть версии, которые не бесплатны. Так Blend4Web PRO стоит 60000 рублей на одного разработчика. Различия возможностей платной и бесплатной версии предоставлено на официальном сайте www.blend4web.com  (Рис.1).

Рис.1  Дополнительные возможности Blend4Web PRO

Blend4Web обладает множеством достоинств:

- на порядок меньше кода по сравнению с библиотеками WebGL;

- графика полностью создается художником;

- предпросмотр одним кликом;

- качественная графика быстрее и проще WebGL;

- доступно для «не-программистов».

Однако, можно выделить несколько минусов:

- требует достаточно мощного компьютера;

- медленная работа на мобильных устройствах;

- для пользования программой с полным списком возможностей необходимо оплатить ее.

Проанализировав данный материал, можно сделать вывод, что использование Blend4Web для разработки трехмерных изображений намного удобнее пользователю, так как разработка происходит по большей части в графическом интерфейсе, нежели составлением громоздких кодов. Максимально снижаются барьеры вхождения разработчиков в технологию WebGL. Тем самым сокращается и время создания объекта.

Blend4Web предназначена для создания визуализаций, презентаций, интернет-магазинов, игр и других web-приложений.

Данный фреймворк тесно связан с пакетом 3D моделирования и анимации Blender.

Графический движок можно комбинировать со звуковой системой, физическим движком, системой, которая реализуетискусственный интеллект, сетевую систему, а также редактор сцен и логики, формируя интегрированный инструментарий для создания 3D приложений – трехмерный движок.

Blend4Web предлагает всю визуальную работу выполнять в Blender: настраивать сцену, создавать модели и расставлять их, управлять физикой или частицами.

Рассмотрим возможности технологии Blend4Web на примере создания куба.

Для того, чтобы создать Blend4Web приложение, содержащее трехмерное изображение, необходимо:

1. Скачать Blend4Web с официального сайта [1] и выполнить установку на компьютер.
2. Выполнить настройку редактора Blender под технологию Blend4Web.
3. Затем Необходимо выбрать фигуру «Cube» во вкладке «Add Primitive» (Рис.1)

   

   Рис.1 Выбор фигуры «Куб»

4. Далее необходимо выбрать материал куба, выполнить настройку отображения «Image Movie» и загрузить текстуру. В данном случае это заранее выбранная картинка «Cube.jpg» (Рис.2)

   

   Рис.2 Выбор текстуры

5. После, нужно настроить освещение, чтобы куб можно было увидеть при экспорте в браузер. Выбрать во вкладке «Create» настройку «Sun». В окне предварительного просмотра можно наблюдать за процессом изменения создаваемого объекта (Рис.3)

   

   Рис.3 Окно предварительного просмотра «Preview»

6. Для того, чтобы изображение можно было просматривать в браузере необходимо его экспортировать в html – файл.

Созданный файл можно просмотреть и вращать в браузере без дополнительных настроек (рис.1).

Рис.4. Отображение 3D-объекта в браузере GoogleChrome

Данный пример показывает, что использование Blend4Web для разработки трехмерных изображений довольно удобно пользователю, так как разработка происходит по большей части в графическом интерфейсе, нежели составлением громоздких кодов (например, как в WebGL). Максимально снижаются барьеры вхождения разработчиков в технологию WebGL и других менее используемых технологий основанных на составлении кода. Тем самым сокращается и время создания объекта.

к.ф.-м.н., Уфимский университет науки и технологий, Нефтекамский филиал

Разработка трехмерных моделей с применением технологии WebGL представляет собой актуальное направление в современном веб-программировании, ориентированное на интеграцию высокопроизводительных трехмерных графических изображений в онлайн-среду без необходимости установки дополнительных плагинов. WebGL, или Web Graphics Library, является JavaScript API, предназначенным для рендеринга трехмерной графики в веб-браузерах. Ключевой характеристикой данной технологии является возможность эффективного использования вычислительных мощностей современных графических процессоров, что обеспечивает выдающиеся результаты в визуализации сложных трехмерных структур.

Актуальность рассматриваемой проблематики обусловлена растущим запросом к интерактивным и визуально насыщенным веб-приложениям, а также стремлением к созданию более реалистичных онлайн-сценариев. При помощи WebGL разработчики получают возможность интегрировать трехмерные модели непосредственно в веб-среду, что находит применение в таких областях, как виртуальная реальность, образование, визуализация продуктов и веб-гейминг.

Для начала работы с трехмерной графикой веб-приложений мы включаем необходимые библиотеки: three.js для создания и управления трехмерными сценами, и OrbitControls.js для обеспечения удобного взаимодействия с камерой в пространстве. Подключение этих модулей может быть выполнено следующим образом:

<script type=”module”>

import * as THREE from ‘https://threejs.org/build/three.module.js’;

import { OrbitControls } from ‘https://threejs.org/examples/jsm/controls/OrbitControls.js’;

</script>

Модуль three.js представляет собой мощный инструментарий для работы с трехмерной графикой в веб-среде. Его функционал включает в себя создание и управление объектами, работу с материалами, светом и многими другими аспектами трехмерной визуализации. Модуль OrbitControls предоставляет возможность управления положением камеры и наблюдения за объектами на сцене из различных углов. Библиотеки можно загрузить с официального сайта threejs.org.

Работа с трехмерной графикой веб-приложений с использованием Three.js разделяется на несколько этапов:

• Создание сцены: Инициализация трехмерной сцены, на которой будут размещаться объекты.
• Создание камеры: Определение камеры, через которую будет производиться наблюдение за сценой.
• Настройка света: Добавление и настройка источников света, обеспечивающих освещение сцены.
• Добавление объектов: Размещение трехмерных объектов на сцене, таких как графические модели или геометрические формы.
• Создание объекта визуализации: Инициализация объекта, который будет отвечать за визуализацию сцены в указанном контейнере.
• Рендеринг (визуализация): Отображение сцены на веб-странице с использованием камеры и света.

Создание сцены.

Создаем глобальную переменную scene, которая будет представлять трехмерную сцену в нашем веб-приложении, используя библиотеку three.js. Сцена служит контейнером для всех трехмерных объектов, которые мы хотим отобразить.

var scene;

scene = new THREE.Scene();

Для добавления объектов на сцену или удаления их со сцены, мы будем использовать методы add и remove.

scene.add( object ); scene.remove( object );

Создание камеры.

Для создания трехмерной визуализации веб-приложений в библиотеке three.js, мы объявляем глобальную переменную camera, представляющую перспективную камеру. Перспективная камера в данном контексте воспринимает объекты сцены в соответствии с перспективной проекцией, где удаленные объекты кажутся меньше.

var camera;

camera = new THREE.PerspectiveCamera( 45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000 );

Инициализация камеры происходит с использованием нескольких параметров: угла обзора (FOV), соотношения сторон экрана (aspect ratio) и диапазона расстояний, которые подлежат рендерингу.

Для удобства манипуляции с трехмерной сценой мы интегрируем контроллер OrbitControls. Этот контроллер позволяет изменять точку обзора, масштабировать и вращать сцену с использованием мыши.

var controls;

controls = new OrbitControls( camera, renderer.domElement );

Эти шаги предоставляют нам не только создание и настройку камеры, но и обеспечивают возможность взаимодействия с трехмерной сценой в веб-приложении, придавая пользовательскому опыту уровень интерактивности и удобства.

Настройка света.

Для достижения более реалистичной визуализации в сцене веб-приложения в библиотеке three.js, мы прибегаем к использованию источника света. Одним из эффективных средств для этой цели является класс DirectionalLight, который моделирует прямое направленное освещение, аналогичное солнечным лучам.

Мы предварительно объявляем глобальную переменную light для представления источника света в сцене. Создание источника света выполняется с использованием следующих параметров:

light = new THREE.DirectionalLight( 0xFFFFFF, 1.0 );

light.position.set( 1, 1, 1 );

scene.add( light );

Здесь мы указываем цвет света в формате HEX (обычно белый), а также его интенсивность. Задаем позицию света в трехмерных координатах, где (1, 1, 1) соответствует направлению солнечных лучей.

Таким образом, добавление источника света обогащает визуальный опыт, обеспечивая более естественное освещение объектов на сцене в веб-приложении.

Рендеринг и добавление объектов.

Для визуализации трехмерной сцены и ее объектов в библиотеке Three.js привлекается специализированный класс WebGLRenderer. Необходимо выделить переменные для хранения экземпляра этого класса и DOM-элемента, который будет использоваться для его функционирования:

var renderer, container;

В дальнейшем создается раздел div, служащий контейнером на веб-странице:

var container = document.createElement(‘div’);

document.body.appendChild(container);

Инициализация рендерера осуществляется следующим образом:

renderer = new THREE.WebGLRenderer();

Вместе с рендерером создается холст (canvas), который, по умолчанию, имеет размеры 300×150 пикселей. Метод setSize предоставляет возможность изменить размеры холста, приведем его, например, к размерам окна:

renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);

Затем необходимо указать визуализатору (renderer), где следует поместить созданный холст:

container.appendChild(renderer.domElement);

Рендеринг (отрисовка) производится с помощью созданного объекта renderer. Для этого у него есть метод render, в параметрах которого указываются сцена и камера:

renderer.render( scene, camera );

Добавление объектов производится следующим образом. Сначала объявляется вид геометрии объекта.

var radiusTop = 0; var radiusBottom = 128;

var heigth = 200; var segments = 3;

var geometry = new THREE.CylinderGeometry( radiusTop, radiusBottom, heigth, segments );

Параметры геометрии цилиндра. radiusTop – радиус верхней части в данном случае 0 и получится пирамида, radiusBottom – радиус нижней части, height – высота цилиндра, segments – количество сегментов (частей), из которых состоит цилиндр.

var material = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0xff0000 });

Создается материал для пирамиды. В данном случае, цвет материала установлен в красный (код цвета 0xff0000).

var piramida = new THREE.Mesh(geometry, material);

Создается объект Mesh (сетка), который представляет собой геометрию и материал.

piramida.position.set(-300, 100, 350);

Устанавливается позиция пирамиды в трехмерном пространстве. Здесь пирамида размещается в точке (-300, 100, 350).

scene.add(piramida);

Пирамида добавляется на сцену (рис. 1).

Рис. 1. Пирамида

Технология WebGL представляет собой мощный инструмент для визуализации трехмерной графики в веб-браузерах без необходимости использования дополнительных плагинов. В заключение можно выделить несколько ключевых моментов, отражающих важность и перспективы использования WebGL:

Мощность и Производительность: WebGL использует аппаратное ускорение графики на устройствах пользователя, что обеспечивает высокую производительность и качественное отображение трехмерных сцен.

Кросс-платформенность: WebGL поддерживается большинством современных веб-браузеров, что обеспечивает кросс-платформенность и доступность для широкого круга пользователей.

Визуализация и Интерактивность: Технология позволяет создавать впечатляющие веб-приложения с высококачественной трехмерной графикой, анимацией и возможностью взаимодействия пользователя с контентом.

Расширенные Возможности: WebGL служит основой для множества библиотек и фреймворков, таких как Three.js, Babylon.js и других, упрощающих процесс разработки и повышающих функциональные возможности.

Обучение и Развитие: Технология находит применение в образовании, где она используется для создания интерактивных обучающих приложений, а также в сферах развлечений, архитектуры, медицины и других областях.

Таким образом, WebGL представляет собой важный инструмент для разработчиков, расширяя возможности веб-технологий и обеспечивая пользователей более увлекательным и интерактивным онлайн-опытом.

Ещё в 1911 году человечество получило возможность увидеть первый 3D фильм, что было невероятным и увлекательным зрелищем. Первое упоминание продуктов виртуальной реальности относится к запатентованному в 1960-х годах Мортом Хейлингом «Индивидуальному киноаппарату» в виде телесферической маски, который не имел особого успеха. Спустя год в 1961 году компания Philco представила миру «Headsinght», сенсораму, оборудованную имитатором запахов, специальным вибрирующим стулом и 3D очками[2].

Важный этап в истории технологии виртуальной реальности пришел в 1968 году, когда Иван Сазерленд представил свое изобретение. Пользователь надевал маску на лицо и закреплял ее к потолку связкой проводов, позволяя оценить объекты в 3D реальности и оценить их объем. Однако все эти «приборы» были предназначены для оценки виртуальной реальности и не имели коммерческой цели.

Изначально 3D очки создавались в развлекательных целях, однако в скором времени человечество осознало их действительную многофункциональную значимость.

Уже сейчас в некоторых школах технологии виртуальной реальность активно используют в обучении, печатные книги постепенно замещаются электронными ebooks, а также презентациями Power Point. Учеников обучают необходимым в глобальном профессиональном мире помощью IT инструментов, планшетов, компьютеров, смартфонов.

Виртуальная реальность даёт человеку возможность для проведения вычислений и визуализации различных объектов, строить прототипы предполагаемых проектов и корректировать полученные результаты. Это имеет большое значение для многих профессиональных областей, так как позволяет более эффективно и точно выполнять работу[3].

Так, например, применение виртуальной реальности в образовании предоставляет уникальные возможности для обучения студентов. Во-первых, ВР позволяет создавать интерактивные симуляции и визуализации, которые помогают ученикам понять сложные концепции естественных наук, таких как физика, химия, биология и др. Вместо того, чтобы читать о том, как работает физический закон или биологический процесс, студенты могут «проживать» эти явления в виртуальной реальности и видеть их в действии. С помощью таких инструментов дополненной и виртуальной реальности, как Google Expeditions или Apple Vision Pro, у обучающихся, не выходя из класса, есть возможность перенестись в любую историческую точку мира или воочию понять сложные феномены или предметы, которые сложно объяснить с помощью текстов, простым изображением или видео[4].

Во-вторых, обучающиеся могут проводить научные опыты на уроках химии без опасения создать взрыв или нечаянно обжечься химическим раствором. Также студенты-медики могут изучать анатомию человека, перемещаясь внутри виртуального тела и рассматривая его органы изнутри. Такие практические занятия делают обучение более увлекательным и запоминающимся, что может положительно сказаться на успеваемости и увлечённости в дальнейшем данной профессией, ведь несколько исследований показали, что использование виртуальной реальности улучшает определенные способности и отношение у студентов, изучающих естественные науки. Внедрение среды обучения виртуальной реальности 3D улучшило успеваемость студенток по физике и мотивацию к изучению физики[5].

В-третьих, ВР позволяет проводить виртуальные экскурсии на различные научные объекты, такие как планеты солнечной системы, динозавры или химические реакции. Ученики могут исследовать эти объекты близко и даже взаимодействовать с ними, что создает уникальный опыт обучения, и что немаловажно виртуальная реальность может значительно повлиять на развитие критического мышления и проблемного мышления у человека. Люди могут погружаться в различные сценарии и ситуации, которые могут вызвать у них необходимость в анализе, оценке и принятии решений.

В-четвёртых, Взаимодействие с виртуальным миром требует от человека активного мышления, анализа и решения задач, что способствует развитию критического и проблемного мышления. Человек, находясь в виртуальной среде, может попробовать разные стратегии и варианты действий, чтобы найти оптимальное решение для задачи. Так, эксперт, физик по образованию и возглавляющий работу по расчету затрат в McKinsey Матеуш Марек считает, что «виртуальная реальность разрушает ограничения нашего физического мира…», «Мы можем увидеть структуры, к которым раньше не могли получить доступ, либо потому, что они слишком велики, либо потому, что мы не могли добраться до них…»[6]. Это показывает, что виртуальная реальность это ключ к исследованию не стандартного, возможно даже за гранью понимания мозга человека, исследованию структуры и объекты, которые раньше были недоступны из-за их размеров или недоступности

Виртуальная реальность (VR) предлагает захватывающий потенциал для преподавания естественных наук. Однако, как и любая технология, она имеет свои преимущества и недостатки, ограничения, которые следует учитывать при ее внедрении в современное образование. Такие как:

1. Стоимость и доступность:

Одним из главных недостатков применения виртуальной реальности в сфере образования является высокая стоимость необходимого оборудования. Для работы с системами VR требуются специализированные компьютеры и наушники, которые могут быть слишком дорогими для большинства учебных заведений. Так, например только самый простой набор виртуальной реальности может обойтись в 150 тысяч рублей. Кроме того, обучение педагогов и учащихся использованию этой технологии также требует значительных временных и финансовых затрат.

2. Технические ограничения:

Ограничения VR-гарнитур (разрешение, поле зрения, чувствительность к движению) могут негативно влиять на качество обучения. Проблемы с производительностью и латентностью могут привести к задержкам и неудобствам для пользователя, нарушая погружение в виртуальный мир.

3. Проблемы с безопасностью и здоровьем:

Длительное использование VR может вызвать некоторые проблемы со здоровьем, такие как головные боли, тошнота и проблемы с равновесием. Кроме того, погружение в виртуальную реальность может выделить пользователя из реального мира и создать проблемы с безопасностью. Например, студенты могут быть не в состоянии полностью осознавать окружающую среду, что может стать причиной возникновения опасных ситуаций.

4. Ограниченная интерактивность:

Некоторые VR-симуляции могут быть слишком линейными и не давать ученикам достаточно свободы для экспериментов и исследования. А опыт полученный от виртуальной реальности может не предоставлять возможности для сотрудничества и совместной работы, может ограничивать физическую активность учеников, что важно для развития моторики и координации.

Отсутствие реального взаимодействия с предметом изучения может затруднить понимание его свойств и характеристик. VR-обучение может отвлекать от социального взаимодействия и групповой работы, которые являются важными аспектами обучения. VR-симуляции могут не предоставлять возможность развивать практические навыки, необходимые для работы с реальными объектами и инструментами. VR-контент может быть искажен или неточным, что может привести к неправильному пониманию естественных явлений.

5. Зависимость от технологии:

Чрезмерное использование VR может привести к зависимости от технологии и отключению от реального мира. По результатам опроса, проведённым исследователями Технологический Институт Будущего Образования Монтеррея, (Монтеррей, Нуэво-Леон, Мексика) некоторые студенты обвиняют виртуальную реальность в том, что у них возникают проблемы с обучением. «Мы считаем это многообещающим открытием, потому что, независимо от ограничений учащихся, мы можем видеть, что по крайней мере на четверть опыта учащихся внутренние или внешние факторы не оказали негативного влияния.» – поделились учёные в статье о влияние использования виртуальной реальности на преподавание и изучение векторов[7].

10. Необходимость квалифицированного персонала:

Для эффективного использования VR в образовании необходимы учителя, имеющие опыт работы с VR-технологиями и способные интегрировать ее в учебный процесс.

Несмотря на эти недостатки, VR может быть ценным инструментом обучения, если ее использовать с умом и осторожностью. Ключ к успеху — это правильное планирование, создание качественного контента и тщательный контроль над использованием технологии.

Ключевым фактором для успешного использования VR в образовании является тщательное планирование, разработка качественного контента, обучение педагогов и комбинирование VR с традиционными методами. Важно также учитывать возраст учеников, предметную область и цели обучения.

В целом, VR может стать ценным инструментом для преподавания естественных наук, но только при правильном применении. Ключ к успеху — это создание баланса между VR и традиционными методами, чтобы получить максимальную отдачу от обеих технологий.