Подходы и технологии для разработки 3D-экскурсий

     Введение
      Различные 3D-технологии начали активно осваиваться и внедряться не так давно, но уже сейчас они используются практически во всех областях жизни: в науке, медицине, промышленности, образовании и других областях. На рынке разработки ПО создание 3D-экскурсий уже в настоящее время уверенно заняло свою нишу, так как 3D-экскурсии позволяют не только осмотреть объект без личного присутствия, но и смоделировать пока еще не существующий объект.
      Существуют несколько подходов к созданию 3D-экскурсий. Первый подход – это создание экскурсий с помощью панорамной съемки. Этот подход помогает представить объект в реальной цветовой палитре и осмотреть все мелкие детали, однако он не дает ощущения присутствия, так как возможности действий крайне ограниченны. Второй подход – это создание 3D-экскурсии с помощью полноценной модели здания, с возможностью с помощью мышки и компьютера или очков виртуальной реальности полностью погрузиться в выстроенную «локацию». Этот подход не только дает большую свободу действий, но и позволяет смоделировать еще не существующий объект.
      На рынке ПО по Тюменской области данный подход еще не достаточно прижился, но уже сейчас существует несколько компаний, которые проектируют и реализуют 3D-экскурсии на основе проекта заказчика. В роли заказчика чаще всего выступают строительные компании, которым необходимо продемонстрировать потенциальным покупателям будущие результаты. Но, так как виртуальный тур является эффективным инструментом маркетинга, позволяющим показать потенциальному потребителю товар или услугу особым образом, стоит отметить необходимость применения 3D-туров и в других сферах деятельности, как пример в сфере образования.
      Институт математики и компьютерных наук Тюменского Государственного Университета занимает лидирующее место по подготовке специалистов в сфере разработки ПО по Тюменской области, но с каждым годом проблема привлечения заинтересованных абитуриентов становится все острее. Стоит предположить, что представление Института, с помощью 3D-тура позволит привлечь внимание не только школьников, желающих связать свое будущее с математикой и информационными технологиями, но и крупные предприятия и организации для сотрудничества. Для этого уже разработана 3D-экскурсия, основанная на использовании цилиндрических панорам, однако, как говорилось ранее, данный подход не является наиболее эффективным, более того реализация 3D-тура с помощью систем виртуальной реальности сможет показать нетривиальные возможности специалистов данного Института, более того, при размещении на сайте, появляется возможность выявить наиболее посещаемые места и выявить зависимость между местами, посещаемыми в университете и статусом пользователя данной программы. Именно поэтому, проблема представления Института математики и компьютерных наук Тюменского Государственного Университета с помощью информационных технологий является актуальной на данный момент. Обращение к данной проблеме и определило тему исследования, как разработка 3D-экскурсии по ИМиКНТюмГУ.

     Глава 1. Подходы и технологии для разработки 3D-экскурсий
      В данной главе будут рассмотрены подходы и инструменты предложенные для разработки 3D-экскурсий и непосредственно связанные с предметом настоящей выпускной квалификационной работы.
1.1. Компьютерная графика
      Компьютерная(машинная)графика – этонаука, одинизразделовинформатики, изучающаяспособыформирования и обработкиизображений с помощьюкомпьютера. Компьютернаяграфикаявляетсяоднимизнаиболее «молодых» направленийинформатики, онасуществуетоколо 50 лет.Даннаянаукаберетсвоеначало в 1960-х годах, но ее активное развитие выпола на 1980-е года. Первым математическим и алгоритмическим проблемам компьютерной графики посвящены труды Д.Роджерса. В своей книге «Математические основы машинной графики» автор описывает прикладные математические основы компьютерной графики, так как по мнению автора уделяется недостаточно внимания именно прикладным проблемам, а это влечет за собой дефицит информации, которую можно было бы использовать при создании действительно работоспособных систем машинной графики. Более того автор полагает, что главным требованием к разработке систем компьютерной графики является необходимость фундаментального понимания связи ее практических аспектов со спецификой конкретно рассматриваемого приложения[1].
1.2. Категории компьютерной графики
      По способам задания изображений графику можно условно разделить на две категории, а именно на двумерную и трехмерную компьютерную графику. Разница между данными категориями состоит не только в различном числе осей координат, но и в различном математическом обеспечении.Многие алгоритмы интерпретируют изображения как набор многоугольников или ребер, причем каждый многоугольник или ребро в свою очередь может быть представлен с помощью точек (вершин). Таким образом, точки являются основными строительными блоками изображения. Не менее важны также и алгоритмы размещения таких точек[1].
      1.2.1 Двумерная графика
      Ранее пользователи ПК связывали понятие компьютерной графики с программами, предназначенными для редактирования двухмерных цифровых изображений. Это программное обеспечение по принципу действия и функциональному назначению можно разделить на три группы:
* Растровая графика;
* Векторная графика;
* Фрактальная графика.
      1.2.2 Трехмерная графика
      Трёхмерноеизображениенаплоскостиотличаетсяотдвумерноготем, чтовключаетпостроениегеометрической проекции трёхмерноймоделисценынаплоскость (например, экранкомпьютера) с помощьюспециализированныхпрограмм (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмернаяграфиканеобязательновключает в себяпроецированиенаплоскость). Приэтоммодельможеткаксоответствоватьобъектамизреальногомира (автомобили, здания, ураган,астероид), так и бытьполностьюабстрактной (проекциячетырёхмерногофрактала)[2].
      3D-моделирование — этопроцесссозданиятрёхмерноймоделиобъекта.Задача 3D-моделирования — разработатьвизуальныйобъемныйобразжелаемогообъекта.С помощьютрёхмернойграфикиможно и создатьточнуюкопиюконкретногопредмета, и разработатьновое.
      1.3 3D-экскурсии
      3D-технологии  скаждымгодомвсебольшеутверждаютсянасвоихнекогдазыбкихпозициях, становясьвсеболеедоступнымприложениемдлябизнеса, науки, образования и другихсфержизни. Виртуальные туры и 3D-панорамы стали в короткиесрокигарантомуспешногопродвижениябизнес-идей.  
      1.3.1 3D-панорамы
      Панорамные3D-туры появилисьнетакдавно. Корниэтогоявлениянеобходимоискать в Германии.Назакате ХХ столетия, когдачеловечествоготовилосьвступить в новуюэрусвоегоразвития, немецкийученыйХельмутДершсоздалматематическуюмодельпредставлениясферынаплоскости с учетомгеометрииобъективов и яркостныхперепадов, чтосталомоделью 1998 года, котораяявиласьпрообразом  современных 3D-панорам, популярностькоторыхрастетизгода в год. 
      Подобныетехнологиипозволяютприпомощиопределенного  количествафотографийтогоилииногообъектапредоставлятьвозможностьполучениянепростопанорамы в 180 градусовуглаобзора, а болеереальнойтрехмерноймодели, которуюбезтрудаможнопросмотретьв различныхнаправлениях, оценивприэтом  всеплюсы и минусы.  Всеэтосталосейчасвполнедоступным и уже с десятоклеткакнеявляетсяплодомвоображения.
      Виртуальные 3D-панорамы памятныхмест, музеев, городских, да и нетолькогородских, пейзажей, площадейи другихмест и помещенийужепользуютсяневероятнойпопулярностью в западныхстранах. Вотужедесятилетие, кактехнологиисозданиявиртуальныхтуроввходят в российскуюдействительность, поднимая, такимобразом, планку в освоенииновыхцифровыхвысот.
       Виртуальные 3D-панорамы предоставляютобъемноеизображениеобъекта,  создаваяпсевдообразреальности. Управлениепозволяет в соответствиисосвоимпожеланиемперемещаться, отдалитьилиприблизитьинтересующийпредмет, почитатьинформацию о каком-либоприсутствующемобъекте, развернутькартинкуподнужнымуглом.Такаяинтерактивностьвиртуальныхпанорамсоздаетэффектприсутствия и позволяетболееобъективнооценитьокружающеепространство, чемпросмотробычныхфотографийиливидео. 
      Виртуальнаяпанорамаимитируетреальноепосещениеобъекта, позволяетрассмотретьвсёвокругсебяподлюбымуглом.И этонамногоинформативней, чемпростыефотографии, видеороликиилипланобъекта.
      1.3.2 3D-моделирование
      В современной реальности 3D-моделирование является неотъемлимой частью науки, производства и образования. Создание 3D-туров на основе моделирования объекта только начинает свое распространение на рынке Тюменской области. На данный момент существуют три основные стратегии создания 3D-моделей зданий: ручное создание моделей, автоматическое и полуавттоматическое. 
      Автоматическое создание моделей выполняется с помощью 3D-сканеров, которые представляют собой специальные устройства, которые анилизируют определенный физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде(к примеру, о цвете). Собранные сканером данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта. Безусловными преимуществами данной стратегии являются высокая скорость создания моделей и при этом низкая стоимость, что достигается благодаря полностью автоматизированному процессу моделирования. Однако и недостатки данного подхода являются крайне значимыми. Так как алгоритмы автоматического восстановления формы объектов по их фотоснимкам или данным лазерного сканирования, несмотря на значительные успехи в этой области, все еще несовершенны, не достигается достаточная геометрическая точность.Как следствие этого фигуры зданий восстанавливаются с ошибками, порой довольно грубыми. Вертикальные стены могут оказаться сильно наклоненными, размеры зданий значительно искажаются. Данный факт исключает возможность проведения точных измерений (точность которых соизмерима с точностью исходных данных), по автоматически сгенерированным моделям. Более того автоматическое распознавание в настоящее время неспособно надежно проводить  классификацию объектов и надежно определять их границы, что приводит к новозможности отделить объекты от поверхности рельефа или друг от друга.Это усложняет создание адресной базы данных и ограничивает применение модели. Например, для расчета зашумленности требуется классификация объектов по типу материала, из которого они состоят, что невозможно сделать, при отсутствии отдельных объектов.
      Ручное создание моделей в программах трехмерного моделирования является самым трудоемким способом, но предоставляет возможность создания моделей с очень высокой геометрической детализацией. Более того данная стратегия позволяет значительно сэкономить память, так как текстуры не содержат изображений посторонних объектов, спроецированных на стены, пол. Кроме того ручное создание объекта позволяет каждому объекту ассоциировать любую атрибутивную информацию. Модели зданий создаются в таких программах как AutoCAD, ArchiCAD, ArcGIS+3DAnalyst, 3ds Max, Blender или GoogleSketchUp.Моделирование геометрии и текстурирование моделей проводятся вручную. В рамках данной выпускной квалификационной работы данная стратегия является наиболее оправданной исходя из того, что требуется не только создание статичной 3D-модели здания, но и предоставление дополнительного функционала.
      Для получения дополнительного функционала необходимо применение дополнительного инструментария. Инструментарий, называемый игровыми движками, создан для упрощения и ускорения разработки игр и других приложений, основанных на предоставлении физико-математически оправданного пространства и предоставлении возможности манипуляции с объектами. Важно понимать разницу между графическим движком, игровым движком и вспомогательной библиотекой игрового движка. Игровой движок — это тот модуль игры, который включает в себя игровую логику, в то время как графический движок подразумевает отрисовку объектов. 
      В настоящее время понятия игрового и графического движка пересекаются, так как крупные платформы, такие как Unity 3D, UnrealEngine,BlenderGameEngine, предоставляют возможности как для описания игровой логики, так и для создания продвинутотго графического интерфейса. Для данной выпускной квалификационной работы, в результате рассмотрения возможностей и функционала, был выбран игровой движок Unity 3D.
      

.......................