В прошлый раз мы немного познакомили вас с основными способами создания моделей, подходами и распространёнными методами. В этот раз мы расскажем об областях применения 3D-моделирования.

Автор сообщества Фанерозой, биотехнолог, Людмила Хигерович.

Предупреждение:

пост рассчитан на тех, кто только собирается познакомиться с миром 3D-графики. Некоторые расшифровки терминов могут быть неточными или намеренно упрощёнными для лучшего понимания вопроса. Если вы считаете себя специалистом, не стесняйтесь дополнять наш текст в комментариях!

▍ 3D в науке

Как для учёного, мне в первую очередь важно создание прототипа изучаемого предмета или явления с помощью моделирования. При этом обычных математических моделей и 2D-графиков не всегда бывает наглядно: в биологии двухфакторный анализ скорее исключение, чем правило, а вот синергетическое воздействие 3—4 факторов — уже более близкая проблема.

Модель распределения по Гауссу без учёта аномалий в формате трёхмерного графика. Хотя то, что модель сугубо математическая, гауссово распределение так или иначе, используют в прогнозировании и исследовании в разных областях науки. Источник:russianblogs.com/article/54001160200

Но не биологией единой — 3d-моделирование значительно облегчает визуализацию физических и астрономических явлений: модели распределения магнитных линий, а также пространственное моделирование сложных химических соединений и так далее.

Магнитное поле Меркурия. Источник: : spacegid.com/magnitnoe-pole-merkuriya.html

Кроме того, общенаучные модели различной степени точности хороши в обучении.


Мало кто знает, что истинная форма земли — не шар и не тарелка. Это — геоид, «мятый мячик» с неровной поверхностью, где между её наивысшей и глубочайшей точкой разница составляет более чем в 20 км. Однако следует отметить, что диаметр Земли составляет 12 742 км, где 20 км — не составляет даже 1% от перепада высот. Земля всё же напоминает шар, а на гифке гиперболизированная модель, учитывающая разницу гравитации..

▍ 3D в образовании

Другая — не менее важная сфера — образование. И эта тема мне тоже очень близка. Так, когда-то давно я заканчивала бакалавриат. После 5 лет получения знаний я защищала диплом по теме 3D моделей как средства обучения в биологии. 

Небольшой фрагмент одного из моих дипломных проектов — упрощённая модель сердца с демонстрацией работы клапанов. Создано с помощью скульптинга в ZBrush, там же нарисованы текстуры и сделаны нормали (имитация объёма). Для уменьшения нагрузки на компьютер пришлось пожертвовать значительной частью детализации, что сказалось на качестве модели анимированной моей сестрой.

Проблема наглядности обучения всё ещё остаётся актуальной. Не у всех педагогов есть желание действительно просвещать своих учеников, не во всех школах имеется обеспечение наглядными пособиями (плакатами, физическими моделями, коллекционным натуральным материалом) достаточного уровня, не все ученики мотивированы к получению знаний, а тем более не всегда для этого есть время и место. В принципе, проблема нехватки компьютеров или техники вообще также актуальна.

Кроме того, в условиях пандемии, когда дети и преподаватели зачастую не могут присутствовать в школе, вследствие болезни или по иным причинам, также страдает наглядность и интересность образования. Однако сейчас почти у всех учеников и студентов есть как минимум телефон с выходом в интернет, а как максимум — компьютер. Так что использование наглядных и интерактивных моделей вполне осуществимо — учитель может дать своим подопечным ссылки на специальные сайты, базы с моделями и так далее. 

Пример одного из таких ресурсов — Visual Science. На сайте имеется коллекция интерактивных моделей, включающих смоделированный аденовирус человека, «разбираемый» в режиме реального времени человеческий череп, 3D конструкции и схемы синтеза белков, а также другие интерактивные обучающие полезные штуки.

Несколько лет назад на этом ресурсе был только череп, аденовирус и пара схематических моделей. Сейчас там можно найти 3D дизайн вируса гриппа, реконструкции вымерших групп людей и даже технические схемы оптических приборов. Источник: visual-science.com/ru/projects/human-skull/intaractive-app

▍ 3D в медицине

Не уходя далеко от обучения, расскажем о подготовке медиков. Пока что использование 3D для передачи знаний студентам скорее исключение, чем правило, однако оно уже применяется в крупных медицинских вузах в разных уголках мира.

Так выглядит анатомический стол Anatomage. Встроенный процессор позволяет вращать модель «пациента» в режиме реального времени и переключаться между «слоями» визуализации — показывать только один скелет, или вместе с сосудами, демонстрировать нервы, мускулатуру, органы пищеварения, дыхания и даже имитировать некоторые полостные операции.

И если лет 10 назад подобное оборудование было доступно в единичных экземплярах и только у 1—2 производителей, то сейчас уже нарастает какая-никакая конкуренция. Так, специалисты Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) разработали свой виртуальный анатомический стол. Хуже или лучше Анатомага, покажет время.

Отечественное импортозамещение. Источник: samara.postupi.online/journal/novosti-vuzov/anatomicheskiy-stol-i-3d-atlas-dlya-obuchenia-vrachey

Да и сравнительно недавно медВУЗы стали осваивать ещё и виртуальную реальность. Пока что в качестве эксперимента, но будущие и действующие врачи скорой помощи уже знакомятся с визуализацией оборудования машины неотложки, учатся ориентироваться в «полевых» операциях, сложным хирургическим приёмам и даже ортопедии.

3D реконструкция кровотока (Flow 3D), получаемая с помощью допплеровского картирования при EPB. Источник: izomedalpha.ru/page/edu.htm#Flow3DGy

Не менее важно 3D и для правильной постановки диагноза. Так, некоторые люди не особо задумываются над вопросом качественной 3D-визуализации собственных сосудов, позвоночника или мозга, пока сами не сталкиваются с такой проблемой. Дело в том, что, например, КТ использует принципы точности прогноза, характе́рные для обычного рентгеновского исследования, однако самих снимков больше, они производятся в разных проекциях, имеют большее разрешение и обрабатываются мощным компьютером. Таким образом, на основе серии снимков создаётся 3D-модель исследуемого участка организма. По сути, КТ является более узкоспециализированной версией 3D-сканирования, о котором мы рассказывали в прошлом посте.

3D-модель на базе компьютерной томографии (КТ) слева и компьютерная томограмма с контрастным веществом в сосудах справа.

При этом различные органы, и даже их части обладают разной плотностью и структурой, а значит, неодинаково пропускают рентгеновские лучи. Кроме того, в некоторых случаях используют контрастное вещество — соли йода или бария в количествах, относительно безопасных для пациента. Таким образом, они «подсвечивают» сосуды, или даже отдельные органы, чтобы проследить их форму и направление кровотока.

За годы практики была собрана обширная статистика, по которой определяется норма состояния и визуализации здорового организма. Врач учитывает общее положение пациента и фиксирует визуальные отклонения от нормы. Обычно причиняющие дискомфорт изменения хорошо заметны невооружённым глазом. В других случаях может потребоваться назначение иных исследований.

Мультиспиральная компьютерная томография — частная разновидность КТ, обладающая большим разрешением и, благодаря этому, более точным моделированием. Источник: https://www.fdoctor.ru/kompyuternaya-tomografiya-kt-grudnogo-otdela-pozvonochnika/

▍ 3D в массовой культуре. Музеи и выставки

Вот это, на самом деле, весьма неожиданное подспорье музейным работникам. Дело в том, что при хранении экспонатов неизбежны трудности вследствие специфики изначального материала.

Стоп-кадр из виртуального музея Google arts & Cultures. Источник: artsandculture.google.com/u/0/project/natural-history

Будь то зоологический музей, галерея картин, выставка древнегреческих скульптур или здания, имеющие историческую ценность, всё это подвержено множеству опасностей:

• Вре́менным изменениям. Многие материалы сами по себе могут терять присущие им свойства (по причине распада молекул, действия воздуха и т. п.). Так, даже в асептических условиях с поддержанием влажности многие чучела в зоомузеях начинают лысеть, шкура портится, а перья рассыпаются.
• Вредителям. Даже хорошо обработанное дерево или кожа не защищено на 100% от действия бактерий, специализированных сапротрофных насекомых и плесени. Эта проблема одинаково опасна как для музейных экспонатов в виде чучел и высушенных образцов, так и для гербариев, и для исторических зданий с деревянными перекрытиями. Например, даже мою личную коллекцию бабочек умудрились сожрать неведомо каким образом пробравшиеся в железную коробку кожееды. Впрочем, бетон и кирпич, как оказалось, также могут попасть «на зуб» азотных бактерий.
• Выветриванию и выцветанию. Первая проблема, прежде всего, касается памятников культуры и искусства на открытом воздухе — скульптур, архитектурных композиций, монументов. Впрочем, при нарушении условий хранения, то же, можно сказать, и про биологические объекты. А вот выцветание — проблема, напрямую касающаяся не только картин и фресок, но и зоологических и гербарных коллекций. Через десятки лет чучела животных и засушенные бабочки, особенно яркие, теряют свой цвет. Для их сохранения коллекции затеняют, однако недостаток света делает бессмысленным сам процесс демонстрации подобных вещей в музее.
• Человеческому фактору. По сути, всё вышесказанное имеет в своей основе именно антропогенную причину. Люди ответственные за подготовку и хранение коллекции зачастую сами являются катализатором утраты коллекционируемого по причине порчи. Кроме того, сюда же можно отнести и акты сознательного вреда (как, например, вандализм и порчу экспонатов), а также кражу или ограбление музея.

Частично (в перспективе — полностью) эта проблема решается с помощью 3D-моделирования и технологий виртуальной или дополненной реальности.

Виртуальная выставка Google, посвящённая вымершему водному ящеру. Видео сделано в формате панорамной съёмки, поэтому объект можно вращать и рассматривать под любым углом. Особенно хорошо подобные вещи смотреть в VR-шлеме.

Кроме того, многие музеи переносят свои экспонаты в цифровой формат. Некоторые из них создают собственные виртуальные коллекции, организуя специальные платформы и облачные хранилища. Другие, как музей Естественной истории Валенсии, пользуются свободными площадками, размещая высококачественные сканы на интернет-ресурсах наподобие Scetchfab.


Череп обезьяны-дрилла из коллекции Музея естественной истории. По ссылке можно покрутить модель. Источник sketchfab.com/3d-models/craneo-de-drill-mandrillus-leucophaeus-121c49ebfb604af38c3350d7237bb610

Но не только крупные музеи занимаются сохранением культурных ценностей. Зачастую свой вклад делают энтузиасты, разжившиеся приличным оборудованием и заражённые хорошей идеей.


3D-модель библиотеки в сердце Колумбийского университета. Скан помещения можно покрутить и почитать интерактивные заметки. 

Скан травяной ящерицы от пользователя ffish.asia / floraZia.com. Источник sketchfab.com/3d-models/grass-lizard-takydromus-tachydromoides-8ec4811184f34fc5b6699eca34008f68

Вот на этом мы, пожалуй, немного притормозим. Статья, итак, приобрела большие объёмы, а если здесь ещё и растечься мыслью по древу фильмов, игр, культурно-массовых явлений, да в придачу попытаться объяснить некоторые тонкости этой премудрости, то читать вам придётся аж до следующей недели.