3DWorld - система моделирования и визуализации трёхмерных фото-реалистических сцен в среде MS Windows 3.1

Полная документация
Исполняемые файлы Win16 и примеры 3D-сцен

Для запуска использовать 3dw.exe. В 32-х или 64-х разрядных средах требуется наличие WOW. Последние системы, где WOW есть по умолчанию, это Win XP и WIn 7. В Windows 10 можно разрешить NTVDM: Enabling NTVDM in Windows 10.

О проекте

В данном проекте разработан пакет прикладных программ для моделирования и визуализации трёхмерных реалистических сцен в среде MS Windows 3.1. Решены три главные задачи: создание моделей трёхмерных объектов и редактирование сцен, визуализация этих сцен, обработка полученных изображений. В результате были созданы библиотеки классов представления трёхмерных объектов, трёхмерной сцены и визуализации, представления и обработки изображений. Разработаны и множество более специализированных классов. Самой общей является библиотека классов трёхмерных объектов она никак не связана со спецификой данного пакета и может быть легко использована в приложениях разного назначения. В пакете реализовано два алгоритма удаления невидимых линий и поверхностей: трассировка лучей и построчное сканирование. Были реализованы их различные варианты (целочисленный, действительный) и модификации с дополнительными возможностями (учёт прозрачности, проекционные тени, устранение ступенчатости). Произведены сравнительные испытания этих алгоритмов. Сделаны выводы об их свойствах и выведены рекомендации для значительного уменьшения используемой памяти и повышения скорости визуализации. Сделаны выводы относительно особенностей решения такой задачи в среде Windows и найдены решения с удовлетворяющей эффективностью. Разработанный пакет состоит из двух exe модулей и нескольких DLL библиотек. Исходные материалы содержат для: 71 cpp файл(1мб 67кб), 53 hpp(207кб) файла, 2 asm(4кб) файла, 35 файлов(79кб) текстовых ресурсов(dlg, rc), 28 inc(47кб) файлов, 163 bmp(820кб) файла, 5 img(238кб) файлов, 2 ico(6кб) файла, 13 cur(4кб) файлов. Плюс на trueview.exe: 3 cpp файла(41кб), 2 hpp(4кб) файла, 5 файлов(16кб) текстовых ресурсов(dlg, rc), 6 inc(14кб) файлов, 19 bmp(58кб) файлов, 1 img(62кб) файл, 1 ico(2кб) файл. Пояснительная записка содержит: 127 листов, 9 таблиц, 10 схем, 45 рисунков. Приложения с листингами и полученными изображениями занимают 14 страниц. Для разработки проекта использовано 20 книг и журналов.

Общие сведения

Данная работа посвящена созданию пакета прикладных программ машинной графики 3DWorld, предназначенного для получения фото реалистических изображений, а также содержит минимально необходимый набор средств для их обработки. При его разработке ставилась задача создать средство для моделирования трёхмерных сцен из произвольных объектов с произвольным их расположением и характеристиками материалов, а также реалистического освещения с характерными для него эффектами. Набор моделируемых в пакете эффектов был обусловлен выбранной степенью точности воспроизведения освещения - локальной моделью. Исходя из этого были реализованы:

• рассеянное, диффузное и зеркальное освещение;
• перспективное затенение относительно источников света (так как используются только ортогональные проекции);
• собственные и проекционные тени;
• простая прозрачность (линейная и нелинейная).

Пакет 3DWorld версии 1.0 состоит из двух приложений: редактора трёхмерных сцен и объектов и просмоторщика-конвертора True colour изображений. Редактор сцен является основным приложением пакета и обеспечивает три главные функции пакета:

• создание и редактирование трёхмерной сцены;
• визуализацию (рендеринг сцены);
• обработку полученного изображения.

Просмоторщик-конвертор выполняет функцию преобразования True color изображений в формате Windows bitmap (только uncompressed) в индексированные Windows bitmap изображения с произвольной длиной палитры (2 - 256) и предлагает на выбор несколько алгоритмов такого преобразования в комбинации с функциями улучшения качества получаемых картинок. Он в основном дублирует функции содержащиеся по этой части в редакторе сцен, но предоставляет к ним индивидуальный интерфейс пользователя, что делает возможным хранить исходные True color файлы и по мере необходимости применять к ним те или иные преобразования, а также обрабатывать сканированные изображения и файлы других приложений алгоритмами 3DWorld. По существу просмоторщик-конвертор использует одну и туже DLL-библиотеку 3DWorld обработки изображений с редактором сцен, но о структуре пакета будет рассказано подробней в технологическом разделе. Редактор сцен обеспечивает одновременную работу с множеством разных сцен (в виде MDI) в режиме мнимой многопоточности. Каждая из сцен может иметь одно или несколько окон с разными видами и режимами просмотра полигональных моделей объектов (источников света и тел). Редактор сцен содержит меню, плавующую панель инструментов и строку статуса через которые пользователь получает доступ к функциям программы, может использовать набор примитивов работы с объектами и переключать текущие режимы. Ядро 3DWorld со своим набором объектов и таким интерфейсом в сочетании с набором функций, приметивов и режимов редактора сцен 3DWorld обеспечивает:

1. Просмотр любых участков и сцен вцелом с любой стороны и в любом масштабе.
2. Наличие множественных окон для каждой сцены в сочетании с предыдущим пунктом способствует адекватному восприятию модели трёхмерного пространства человеком.
3. Создание объектов (генератор тел из предопределённого набора), редактирование объектов и их взаимоположения на виде (окне) с любым режимом просмотра (кроме Render и Camera) - линейные преобразования пространства над отдельными объектами и группами объектов.
4. Вспомогательные операции по взаимному размещению объектов, облегчающие создание естественных сцен с регулярным расположением объектов и специфическую их ориентацию в пространстве.
5. Настройка параметров объектов (характеристики поверхности, источников света).
6. Вспомогательные функции менеджера окон обеспечивающие интеллектуальное поведение окон с видами в ответ на действия пользователя и в зависимости от состояния системы.
7. Хранение сцен и текущих опций и режимов редактирования в файле.
8. Визуализацию смоделированных сцен с выбором алгоритма (обратная трассировка лучей или построчное сканирование с Z-буфером), дополнительных параметров визуализации и типа выходного изображения с настройкой его параметров (BMP True color или индексированный). Проецирование в 3DWorld 1.0 используется только ортогональное, в обоих алгоритмах рендеринга возможно построение проекционных теней методом трассировки лучей.
9. Поддержка при рендеринге двух алгоритмов закраски поверхностей с использованием групп сглаживания: FLAT и PHONG .
10. Дополнительные возможности по улучшению качества изображений - получение сглаженных краёв и ровной закраски на этапе трассировки лучей (anti-aliasing - только для рендеринга в режиме трассировки) и устранение эффектов квантования при получении индексированных изображений на этапе обработки полученного изображения (dither и noisy).
11. Просмотр и сохранение в файле Windows bitmap (uncompressed) полученного изображения.
12. Поддерживается технология обмена файлами drag and drop (получатель) и фоновая визуализация множества сцен одновременно (много потоковая обработка), во время которой пользователь может выполнять любые действия с незаблокированными сценами (визуализируемые сцены блокируются) или работу в других приложениях.

Общее назначение пакета - создание изображений ориентированных на художественный дизайн и применение в области мультимедиа. В перспективе возможно также добавление функции обмена через графические метафайлы с другими приложениями, например, такими как пакеты САПР Autocad и Arhicad, что возможно благодаря степени полноты использованных моделей трёхмерных объектов. И тогда 3DWorld уже будет служить инструментом, позволяющим увидеть как будут выглядеть уже спроектированные, но ещё не созданные реальные объекты. Он также может быть расширен и возможностью построения анимационных последовательностей.

Примеры визуализаций

Несколько точечных источников света	Сглаживание
Прозрачность	Проекционные тени, множественные группы сглаживания
Храм	Храм
Множественные группы сглаживания	Библиотека базовых моделей
Сложная модель	Проекционные тени, монохромные источники света
Группы сглажиывния Гуро	Источник света в прозрачном теле
Тени	Пересечение тел
Отражение света от точечного источника	Линейная и нелинейная прозрачность
Проекционные тени, нелинейная прозрачность	Проекционные тени, сравнение закрасок Фонга и однородной