financovaného z fondů EU

spsks.cz 3D Modelování

Zpracováno v rámci projektu CZ.1.07/3,2, 10/04.0024 financovaného z fondů EU

kapitoly 1, 6, 11 3D Modelování

kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Obsah 1

Základy 3D............................................................................................................... 4 1.1

2D (dvourozměrný) vs. 3D (třírozměrný) ........................................................... 4

1.1.1

Souřadný systém......................................................................................... 4

1.1.2

Zadávání souřadnic ..................................................................................... 4

1.1.3

Promítání ..................................................................................................... 5

1.2

Bod..................................................................................................................... 6

1.3

Křivky ................................................................................................................. 7

1.3.1 1.4

Plocha ................................................................................................................ 8

1.4.1

Řídicí body a isoparametry .......................................................................... 9

1.4.2

Racionální a neracionální geometrie ........................................................... 9

1.4.3

Surface vs. polysurface ............................................................................. 10

1.4.4

Křivka na ploše .......................................................................................... 10

1.4.5

2

Typy křivek .................................................................................................. 7

spsks.cz

Ořezané plochy ......................................................................................... 11

1.5

Těleso (základní přehled těles) ........................................................................ 12

1.6

Pixel vs. voxel .................................................................................................. 14

3D modelování....................................................................................................... 15 2.1

Technický přístup: křivky – plochy - objemy..................................................... 15

2.2 Sochařský přístup: těleso - úprava pomocí řídicích bodů/globální modifikace tvaru 15 2.3

Objemové modelování ..................................................................................... 15

2.3.1 2.4

Výměna 3D dat mezi programy........................................................................ 15

2.5

Nejznámější obecné formáty a jejich základní vlastnosti ................................. 16

2.5.1

Plošné/objemové formáty .......................................................................... 16

2.5.2

Formáty pro přenos polygonových dat ...................................................... 16

2.6 3

Parametrizace 3D modelů ......................................................................... 15

Měřítko modelu a tolerance.............................................................................. 16

Vizualizace............................................................................................................. 18 3.1

Texturování ...................................................................................................... 18

3.1.1

Barva ......................................................................................................... 18

3.1.2

Textury....................................................................................................... 18

3.1.3

Mapování textur......................................................................................... 18

3.2

Světla ............................................................................................................... 21

3.3

Druhy stínování ................................................................................................ 21

3.3.1

Konstantní stínování.................................................................................. 21

2

kapitola 1 3D Modelování

4

kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

3.3.2

Gouraudovo stínování................................................................................ 22

3.3.3

Phongovo stínování ................................................................................... 22

3.3.4

Catmull-Clarkův algoritmus stínování ........................................................ 23

3.4

Anti-Aliasing ..................................................................................................... 23

3.5

Renderování..................................................................................................... 23

3.5.1

Ray casting ................................................................................................ 24

3.5.2

Ray tracing................................................................................................. 25

3.5.3

Radiozita .................................................................................................... 26

Technologie výroby ................................................................................................ 28 4.1

Dělicí rovina...................................................................................................... 28

4.1.1 4.2

Jak najít dělicí rovinu ................................................................................. 29

Přizpůsobení modelu výrobní technologii ......................................................... 29

5

Zdroje ..................................................................................................................... 30

6

Úvod ....................................................................................................................... 35 6.1

Seznámení s paží............................................................................................. 35

6.2

Uživatelské rozhraní ......................................................................................... 36

6.3

7.2

spsks.cz

7.3

Texturování a obarvování................................................................................. 49

7.4

Renderování..................................................................................................... 49

7.5

Export modelu .................................................................................................. 50

6.4 6.5 7

Object list.......................................................................................................... 37 Vytvoření nového modelu a první zkoušení funkcí ........................................... 38 Úprava busty .................................................................................................... 42

Vytvoření 3D modelu z 2D podkladu ...................................................................... 43 7.1

Vytažení modelu............................................................................................... 44 Embosování ..................................................................................................... 48

7.5.1

Oprava meshe pro export .......................................................................... 52

7.5.2

Zmenšení počtu polygonů pro export......................................................... 53

8

Vytvoření formy pro lití............................................................................................ 54

9

Práce s Patches/solids ........................................................................................... 58 9.1

Autosurfacer ..................................................................................................... 62

3


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

1 Základy 3D 1.1 2D (dvourozměrný) vs. 3D (třírozměrný) 1.1.1 Souřadný systém Pro snadnou orientaci v rovině nebo prostoru používáme tzv. souřadný systém (dále jen SS). Základní SS je pravoúhlý a pravotočivý a nazývá se kartézská soustava souřadnic. Určit směr os můžeme pomocí pravé ruky. Z počátku vede kladný směr osy X (palec), kolmo a vlevo na něj je osa Y (ukazovák) a kolmo na rovinu definovanou osami X a Y vede osa Z (vztyčený prostředník). Pomocí pravidla pravé ruky určíme kladný směr osy otáčení. Uchopíme osu do pravé ruky tak, že palec směřuje v kladném směru osy a prsty ukazují kladný směr otáčení.

spsks.cz Obrázek 1 - Pravidlo pravé ruky [1]

1.1.2 Zadávání souřadnic

Souřadnice můžeme zadávat dvěma způsoby. V kartézské nebo polární soustavě souřadnic. Kartézská soustava souřadnic je pravoúhlá, osy se protínají v jednom bodě – počátku souřadnic - a jednotky se volí ve všech osách stejné. Souřadnice zadávané polárně definujeme nejkratší vzdáleností od počátku souřadnic a úhlem této spojnice od základní osy (nejčastěji jí odpovídá osa X kartézského souřadného systému). Definice objektu pomocí polární soustavy souřadnic lze využít pouze ve 2D prostoru.

4


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Obrázek 2 -Kartézské (vlevo) a polární (vpravo) zadávání souřadnic [2]

1.1.3 Promítání Promítání je transformace, která charakterizuje převod trojrozměrného objektu do dvojrozměrné reprezentace. Při promítání dochází ke ztrátě prostorové informace a tím i k možnému zkreslení názoru pozorovatele na skutečný tvar objektu. Proto jsou pro určité obory vybírány různé způsoby promítání a jsou doplňovány dalšími pravidly a postupy pro zvýšení reálného vjemu promítnutého objektu. Obecně je promítání určeno středem (směrem) promítání a průmětnou. Pro oba druhy promítání lze volit umístění (obvykle) rovinné průmětny v prostoru. Rovinné projekce dělíme na dvě základní třídy – rovnoběžné (paralelní) a perspektivní. [3] Rovnoběžné Pokud je střed promítání nevlastní, mluvíme o rovnoběžném promítání a promítací přímky jsou určeny směrem promítání (všechny promítací paprsky mají stejný směr). Rovnoběžné promítání zachovává relativní velikost modelu. [4]

spsks.cz Obrázek 3 - Rovnoběžné promítání [5]

Axonometrické Axonometrické promítání- druh rovnoběžného promítání, které je zajímavé z hlediska tvorby tzv. vizuálního paradoxu, kterého využíval ve svém díle M.C.Escher. V rovině se zvolí tři osy x, y a z, jež spolu svírají stejné nebo různé úhly. Rozměry těles se pak nanášejí v určitém měřítku rovnoběžně s těmito osami. Hlavní výhoda axonometrie proti složitějším metodám promítání je v tom, že se průmět snadno konstruuje a že se z něj

5


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

dají odečíst rozměry. Nevýhoda může být v tom, že v axonometrické projekci se rovnoběžky nesbíhají, a proto je perspektivní dojem nedokonalý. [6]

Obrázek 4 - Axonometrické promítání [7] Perspektivní Pokud je střed promítání vlastní, mluvíme o perspektivním promítání a promítací přímky procházejí tímto středem promítání (promítací paprsky vycházejí z jediného bodu). Perspektivní promítání respektuje optický model, který vyjadřuje lidské vidění reálného světa. Modeluje proporcionální změnu předmětů při vzrůstající vzdálenosti od pozorovatele. Poskytuje dobrý prostorový vjem na rovinné průmětně. [8]

spsks.cz

Rozlišujeme tři základní druhy perspektivního promítání: Jednobodová perspektiva – je určena jedním středem promítání. [9] Dvoubodová perspektiva – je určena dvěma středy promítání. [10] Tříbodová perspektiva – je určena třemi středy promítání. [11]

Obrázek 5 - Perspektiva [12]

1.2 Bod Bod je základní objekt definovaný souřadnicemi v souřadném systému. V pravoúhlém SS (dále budeme hovořit pouze o pravoúhlém a pravotočivém souřadném systému) jsou souřadnice průmětem vzdálenosti na jednotlivé osy.

6


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Souřadnice bodu jsou zapsané v pořadí [X, Y, Z]. Ve 2D využijeme pouze první dvě souřadnice a to [X, Y].

spsks.cz Obrázek 6 - Bod v 3D prostoru [13]

1.3 Křivky

1.3.1 Typy křivek

Přímka Přímka je nejbližší spojnice dvou bodů v prostoru (s nekonečně velkým poloměrem). [14] Interpolační křivky Jsou křivky, které procházejí všemi zadanými body.

Obrázek 7 - Interpolační křivka [15] Aproximační křivky Jsou křivky, které neprochází všemi přesně zadanými body. Tvar křivky se definuje jiným způsobem než u křivek interpolačních. Tvar této křivky se řídí

7


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

řídicími body. Aproximační křivka n-tého stupně je určena n+1 řídicími body. Spojnice mezi těmito body nazýváme řídicím polygonem. Stupeň křivky je dán mocninou řídicího polynomu. Křivka 1. stupně je lineární (úsečka), 2. stupně kvadratická (kuželosečka) a 3. stupně kubická (obecná křivka). Základním parametrem křivky je její stupeň. [16]

Obrázek 8 - Aproximační křivka [17] Beziérova křivka Patrně nejpopulárnější aproximační křivky používané pro modelování ve dvou rozměrech, ale i pro definici trojrozměrných objektů. Tyto křivky se používají i při definici písma (fontu). [18]

spsks.cz

B-spline křivka Jsou nejčastěji používanými křivkami v počítačové grafice. Vychází z přirozeného splajnu, který ale není aproximační křivkou. B-spline je tvořen křivkami o třetím stupni, které jsou v uzlech spojitě navázané. [19] NURBS křivka Křivky NURBS (neuniformní racionální B-spline) jsou dvojitým zobecněním Bspline. Neuniformnost vyjadřuje vlastnost, kde vzdálenost uzlů nemusí být konstantní. Racionalita definuje, že každý řídicí bod má přiřazenou vlastní váhu. Změna polohy řídicího bodu nebo hodnota váhy bodu nemění celou geometrii křivky. [20]

1.4 Plocha Plocha je trojrozměrně definovaný objekt se čtyřmi řídicími křivkami. Dvě sousedící křivky mají společný vrchol. Každá plocha má směr U a V, které jsou dány řídicími křivkami. Tyto směry jsou obdobou os X a Y souřadného systému. V každém z těchto směrů má plocha určitý stupeň, který je definován řídicí křivkou. Komplikovanější plochy mají uzly, které dělí plochy na segmenty isoparametrickými čarami (isoparametrami).

8


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Obrázek 9 – Popis prvků na obecné ploše [21]

spsks.cz

1.4.1 Řídicí body a isoparametry

Každá plocha má řídicí body stejně jako křivka. Plocha je určena stupněm v každém směru (U, V) a má n+1 řídicích bodů. Tyto řídicí body tvoří řídicí polygon. Změnou polohy řídicího bodu se mění geometrie celé plochy. V případě, že je plocha vytvořena z křivek o více než jednom segmentu, ve směru kolmém na tuto křivku je plocha rozdělena na příslušný počet segmentů. V tomto místě se vytvoří isoparametra. Výraz isoparametra se ale používá pro dva různé významy. První je již vysvětlený způsob. Přesně se nazývá isoparametra editačního bodu řídicí křivky a plocha jich má v každém směru tolik, kolik segmentů (editačních bodů) má řídicí křivka. Přidání této isoparametry do plochy změní její geometrii. Druhý typ je popisná isoparametra. Ta má pouze vizuální charakter a její přidání do plochy nijak nemění geometrii. Poloha isoparametry na ploše je poměrově ve stejném místě ve směru U a V (vždy tvoří mřížku). Slouží k vizualizaci tvaru plochy a tedy lepšímu pochopení jejího tvaru. [22]

1.4.2 Racionální a neracionální geometrie Neracionální geometrie je matematicky definována jako součet polynomů, kdežto racionální geometrie je poměr součtu polynomů. Racionální geometrie je matematicky více komplexní a jednodušší CAD programy s ní neumí pracovat. Racionální geometrie zpomaluje manipulaci s geometrií při modelování a zpomaluje renderování. [24] Neracionální geometrie je flexibilnější při jejím transformování. Racionální geometrie je přesná a používá se k definici matematicky přesné geometrie. Následující obrázek ukazuje příklad neracionální a racionální geometrie na příkladu kružnice. Levá kružnice je neracionální geometrie, kdy váha každého bodu (přeneseně síla, která přitahuje křivku k řídicímu bodu) je stejná a rovná se 1,0. Pravá kružnice je racionální – váhy jednotlivých bodů se liší a navíc se využívá tzv. několikanásobných uzlů (multi-knots). [25]

9


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Obrázek 10 - Neracionální vs. racionální geometrie na příkladu kružnice [26] Pokud bychom měřili velikost rádia po obvodu kružnice, zjistili bychom, že u neracionální geometrie kružnice bude hodnota rádia proměnná. Racionální geometrie má po celém obvodu stejnou hodnotu rádia. To stejné platí pro křivost (ta je definována jako převrácená hodnota lokálního rádia) – u neracionální hodnoty kolísá, kdežto u racionální kružnice je konstantní.

spsks.cz

Obrázek 11 - Křivostní analýza kružnice s neracionální a racionální geometrii [27]

1.4.3 Surface vs. polysurface

Anglický termín surface označuje jednotlivou plochu (může být tvořena jedním nebo více segmenty). Polysurface znamená (nejen) uzavřené objemové těleso složené z více ploch (surface). Tyto termíny se v závislosti na použitém programu mohou lišit a je potřeba nastudovat terminologii pro každý konkrétní program.

1.4.4 Křivka na ploše Je speciální typ křivky, která leží v určité toleranci na ploše. Užívá se k definování linie, podél které dojde k ořezání plochy. Tento typ speciálních křivek je definován v prostoru UV příslušné plochy, nikoliv v obecném prostoru XYZ. Křivka na ploše nemá řídicí body a její tvar se řídí pomocí editačních bodů. Křivku na ploše lze vytvořit nakreslením přímo na plochu, projekcí již existující křivky na plochu nebo průnikem s jinou plochou. Tyto křivky jsou používány k ořezu ploch nebo k definování hrany nové plochy. [28]

10


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Obrázek 12 - Křivka na ploše [29]

spsks.cz

1.4.5 Ořezané plochy

Protože NURBS geometrie zná pouze plochy o čtyřech hranách, musíme pro vytvoření děr a více nebo méně hranných ploch použít tzv. ořezání. To spočívá ve vizuálním oříznutí, uříznutí nebo vytvoření díry. Původní geometrie tedy existuje i nadále a je možné ji vyvolat zpět.

Obrázek 13 - Ořezaná plocha [30]

11


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

1.5 Těleso (základní přehled těles) Základní geometrická tělesa – primitiva, jsou složena z jednoduchých ploch a obvykle se dají ve 3D programech, na rozdíl od obecných ploch, exaktně editovat jejich parametry.

spsks.cz

12


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

spsks.cz Obrázek 14 - Výčet základních těles (primitiv) – koule (a), krychle (b), anuloid (c), kvádr (d), válec (e), kužel (f), komolý kužel (g), jehlan (h), elipsoid (ch). [31] Každý 3D program má další základní tělesa, která jsou obvykle modifikací jmenovaných objektů.

13


kapitoly 2, 7, 12

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

1.6 Pixel vs. voxel Pixel je nejmenší jednotka digitální rastrové grafiky (2D). Název vznikl zkrácením dvou anglických slov picture element (obrazový prvek). Představuje jeden bod obrázku (na monitoru) definovaný svou barvou, např. ve formátu RGB nebo CMYK. [32]

spsks.cz Obrázek 15 – Pixel [33]

Voxel je prostorovou reprezentací dvourozměrného pixelu a označuje částici objemu. Název vznikl zkrácením dvou anglických slov volumetric element (objemový prvek). Voxely se používají při vizualizaci a analýze lékařských a vědeckých dat nebo pro 3D modelování s definicí barvy objektu v celé jeho hloubce. [34]

Obrázek 16 – Voxel [35]

14


kapitola 2

kapitoly 3, 8, 13

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

2 3D modelování Modelování lze rozdělit na dva přístupy. Objemové modelování se používá v oblasti konstrukce. Touto technikou se tvoří přesná geometrie, děje se tak obvykle na základě rozměrově přesně definovaných skic. Pro design, šperkařství, sochařství, 3D grafiku a jiné kreativní obory se používá technika volného modelování. Software je pro plošné nebo tzv. polygonové modelování. Základní modelovací techniky pro volné tvary

2.1 Technický přístup: křivky – plochy - objemy Pokud dopředu víme, jakého tvaru chceme dosáhnout, a nepotřebujeme tzv. hledat tvar, lze 3D model tvořit na základě křivek, které definují hranice ploch, a tedy výsledný tvar. Zpětně se lze vracet ke kterékoliv fázi modelování, ale vždy je třeba přizpůsobit zbylý tvar provedené změně. U tohoto způsobu modelování lze kontrolovat každý geometrický prvek a ovládat např. křivost tvořících křivek, návaznost křivek i ploch. Dle typu softwaru, který k tomuto modelování používáme, můžeme dokonce měnit vnitřní geometrii výsledných ploch a dokonale tak řídit výsledný tvar. Pro další použití 3D modelu pro výrobu by měl výsledný model tvořit uzavřené objemové těleso.

2.2 Sochařský přístup: těleso - úprava pomocí řídicích bodů/globální modifikace tvaru

spsks.cz

Zcela opačný přístup lze využít, pokud výsledný tvar teprve hledáme a potřebujeme volnost pro jeho tvorbu. Tento typ modelování umí software jak pro plošné, tak pro polygonové modelování. Spočívá v modifikaci základních těles pomocí řídicích bodů nebo vrcholů jednotlivých polygonů. Tímto způsobem lze efektivně modelovat organické tvary nebo vytvářet rychle a jednoduše podkladové tvary pro přesné modelování pomocí křivek a ploch.

2.3 Objemové modelování

Slouží převážně pro přesnou práci ve strojírenství. Objemové modeláře obvykle neumožňují modelovat volné tvary. Některé objemové modeláře mají nadstavby, které umožňují modelovat volné tvary, ale v omezené míře. 3D model v průběhu práce i na jejím konci je vždy uzavřený a tvoří objem (z toho název objemové modelování).

2.3.1 Parametrizace 3D modelů U objemových modelářů je obvyklé, že zadáváme geometrii úplně. To znamená, že definujeme každý aspekt geometrie – délku, úhel, geometrické vazby (kolmost, rovnoběžnost, soustřednost a další). Při tomto způsobu práce vzniká strom modelu, který definuje objekty řídicí (rodič) a podřízené (potomek). V průběhu práce se lze vracet stromem v jeho struktuře a měnit již zadané parametry. Tyto změny se promítají do navazujících objektů.

2.4 Výměna 3D dat mezi programy Mezi jednotlivými programy lze převádět 2D a 3D data dvěma způsoby. První je pomocí nativních formátů konkrétních programů. Obvykle je to možné mezi programy od jednoho výrobce a podobného zaměření. Některé nativní formáty zobecněly natolik, že se staly standardem pro výměnu dat mezi všemi programy ve stejné oblasti. Např. formát AI, který je nativním formátem pro Adobe Illustrator a obecně slouží pro přenos

15


kapitola 2

kapitola 3

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

2D grafiky. Velmi oblíbený formát PDF od Adobe pro přenos nejen grafických dokumentů pro tisk a zobrazování. Dříve formáty programu AutoCAD, DWG a DWF od firmy Autodesk pro přenos 2D a 3D geometrie mezi CAD programy.

2.5 Nejznámější obecné formáty a jejich základní vlastnosti 2.5.1 Plošné/objemové formáty IGES (Initial Graphics Exchange Specification) je starší formát souborů používaný pro výměnu CAD dat ve strojírenství. Formát je určen organizací ANSI a bývá označován též jako ASME Y14.26M. Soubor ve formátu IGES je složen z pevných 80znakových ASCII záznamů - vět. [36] STEP (STandard for Exchange of Product model data) je mezinárodní standard pro výměnu CAD dat (ISO 10303). Je vyvíjen od roku 1984 jako nástupce formátů IGES a německého VDA-FS. Specifikace formátu STEP zahrnuje několik tzv. aplikačních protokolů (Application Protocol, AP). Ty popisují jednotlivé oblasti produktových dat - např. 2D výkresy, plechařina, materiály, nábytek, elektronika, loďařství, dynamika proudění, obaly. [37]

2.5.2 Formáty pro přenos polygonových dat STL je formát souboru stereolitografie. Jde pomocí něj tisknout 3D modely na 3D tiskárnách. Jde exportovat z mnoha 3D programů. [38] OBJ. VRLM (Virtual Reality Modeling Language) je formát pro vyjádření 3D modelů nebo scén. Formát popisuje vrcholy, hrany a plochy těles a jejich materiálové vlastnosti - barvu, lesk, texturu. Soubor VRML může obsahovat i popis animace, světel, pohybu, pohledů nebo uživatelské akce. [39]

spsks.cz

2.6 Měřítko modelu a tolerance

Určité skupiny programů pro 3D modelování používají odlišný způsob definování měřítka modelu. Objemové modeláře pro technické modelování ve strojírenství používají jako základní jednotky zásadně milimetry. Obecné programy pro 3D modelování a pro virtuální sochařství (např. Rhinoceros 3D, 3D Studio Max, Cinema 4D, Sensable) používají systém, v němž se modeluje bez konkrétní definice jednotek. Až při exportu geometrie z programu definujete, ve kterých jednotkách model bude. S tím souvisí i tolerance, které programy používají. Tolerance používají plošné a objemové modeláře. Programy, které využívají k modelování polygony (programy pro virtuální sochařství), tolerance nepoužívají. Způsob, jakým je zadávána geometrie, je nepotřebuje. Tolerance pro definici korektnosti geometrie se dělí podle oblasti, na kterou se programy zaměřují.

ProEngineer

Solidworks

ClassA

Mezera mezi křivkami

0,002 mm

0,001 mm

0,001 mm

Mezera mezi plochami

0,1 mm

0,02 mm

0,001 mm

Tečná návaznost (G1)

0,1˚

0,1˚

0,05˚

16


kapitola 2

kapitola 3

kapitoly4, 9, 14

kapitoly 5, 10, 15

Křivostní návaznost (G2)

0,1˚

0,1˚

0,05˚

Mezera pro sešití

0,1

0,02 mm

0,001 mm

Křivka na ploše

0,001 mm

0,005 mm

0,001 mm

Tabulka tolerancí (tolerance ClassA se může lišit v každé automobilce) [40]

spsks.cz

17


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

3 Vizualizace 3.1 Texturování Aby šlo výsledný model prezentovat v co nejreálnější podobě, nestačí definovat pouze jeho geometrii. Texturování je nutné přiřadit modelu

3.1.1 Barva Základní vlastností modelu je barva. Tu můžeme definovat jak pro celý model, tak pro jednotlivé plochy/elementy. Obvykle ji definujeme v barevném prostoru RGB (Red, Green, Blue).

3.1.2 Textury Textura je pokročilá definice (nejen) barvy povrchu objektu. Textura je bitmapa (složená z pixelů), kde každý pixel může definovat jinou barvu nebo jiný parametr. Tímto způsobem lze na objektu zobrazit komplexní povrch – např. kůži, zašpinění, etiketu atd. Textura je 2D objekt a pro jeho korektní nanesení na 3D objekt se používá mapování textur. Kanály textur Diffuse – kanály RGB obsahují základní obrazovou informaci při rovnoměrném nasvícení povrchu. Kanál A (Alpha) bývá používán jako alfa kanál určující hodnotu průhlednosti. Nižší hodnota obvykle znamená vyšší průhlednost. Bump (normálový kanál) – kanály RGB značí XYZ hodnotu normálového vektoru v tečném prostoru. Příležitostně se využívá A (Alpha) kanál pro informaci o výšce - vyšší hodnota pak většinou odpovídá výstupku nad povrchem. Specular (odraz) – kanály RGB označují barvu a intenzitu odlesku (přesněji: barevnou změnu vstupního světla) pixelu po nasvícení. Refraction (lom světla) – používá se pro definici materiálů, které lámou světlo – např. nerovné sklo. Bývá zjednodušována jako zápis vektorů odchýlení pixelů obrazu za povrchem ve scéně v RGB, podobně jako normálové vektory zapsané v normálové mapě.

spsks.cz

3.1.3 Mapování textur Aby textury na geometrii 3D modelu seděly tak, jak si autor přeje, je třeba definovat jejich umístění. A k tomuto slouží nástroje mapování textur. Trojrozměrný prostor má souřadnice X, Y a Z pro snadnou orientaci uvnitř něj. Povrch objektu je analogicky popsán souřadnicemi U, V, W. Zde se výrazně liší popis objektu tvořeného plochami a polygony. Zatímco u plošného modelu má každá plocha své souřadnice UVW a jejich orientace může být vůči sousední ploše jiná, polygonový model lze rozvinout do jednoho UVW prostoru a poté lze snadno nanést příslušné textury. Rozvinutí polygonového modelu je však složité a využívají se zde sofistikované programy.

18


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

Další metody mapování jsou jednoduché, založené na promítání textury z geometrického primitiva na požadovaný objekt – např. sférické, kubické, válcové nebo plošné.

spsks.cz

19


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

spsks.cz Obrázek 17 - Základní metody mapování – textura je barevná mřížka (a vlevo), okolo konvičky je zeleně zobrazen drátový model primitiva podle metody promítání a) UV mapování b) sférické c) kubické d) cylindrické e) plošné [41]

20


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

3.2 Světla Ambientní - světlo, které definuje nejtmavší místa na objektech v referované scéně. Tato místa jsou přechodem mezi barvou ambientního světla a barvou objektu. Bodové - objekt, který vyzařuje světlo z jediného bodu všemi směry. Kuželové - objekt, který vyzařuje světlo z jednoho bodu v definovaném kuželu. Tento kužel může mít definovanou oblast s úbytkem jasu světla (obvykle od středu ke kraji). Toto světlo se podobá světlu vyzařovanému např. ze stolní lampy. Směrové - objekt, který vyzařuje světlo s rovnoběžnými paprsky v jednom směru (simuluje slunce). Lineární - světlo, které imituje ve scéně světelnou trubici. Plošné - objekt vyzařující světlo z obdélníkového pole světel. Toto světlo simuluje např. světlo vnikající do místnosti oknem. Slunce - simuluje slunce se všemi jeho vlastnostmi – barva, stíny a poloha vůči globálnímu souřadnému systému a časovému určení.

spsks.cz Obrázek 18 - Výčet základních typů světel a jejich efekt na scénu[42]

3.3 Druhy stínování 3.3.1 Konstantní stínování Jde o nejjednodušší a zároveň velmi rychlou metodu, jak vystínovat prostorový objekt. Převážně se používá pro zobrazování rovinných ploch nebo - v

21


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

případě potřeby velmi rychlého vystínování - obecných ploch aproximovaných rovinnými záplatami. Samotný algoritmus počítá s tím, že každá plocha má pouze jednu normálu. Podle normály je vypočítána barva, která je následně přiřazena všem pixelům dané plochy. Nevýhodou tohoto stínování je zjevná vlastnost, že celá plocha má naprosto stejnou barvu. Navíc pak není do světelného modelu zahrnuto zrcadlové osvětlení (odlesky na zobrazovaném objektu, které mohou mít jinou barvu, než jakou má objekt). Pro tvorbu mnohostěnů je však toto stínování ve většině případů postačující. U obecnějších těles ale konstantní stínování spíše kazí celkový dojem objektu, protože spíše ukazuje, že celý jeho povrch je aproximován skupinou plošek. [43]

spsks.cz Obrázek 19 - Konstantní stínování [44]

3.3.2 Gouraudovo stínování

Tato metoda byla navržena pro objekty, které jsou tvořeny množinou rovinných ploch, a byla poprvé uvedena H. Gouraudem. Gouraudova metoda zajišťuje plynulé stínování křivých povrchů tak, že aproximace povrchů ploškami není zřetelná. Přesto ani tento způsob stínování neposkytuje zcela věrný obraz reálných objektů - interpolace samotného odstínu barvy totiž nemůže způsobit místní zvýšení jasu na plošce, která nahrazuje oblinu kolmou na dopadající světelný paprsek. Nemůže také kvalitně vytvořit odlesky způsobené odraženým světlem. Dá se říci, že tato metoda zahlazuje barevné rozdíly u místních nerovností povrchu. [45]

3.3.3 Phongovo stínování Tato metoda je určena ke spojitému stínování těles, jejichž povrch je tvořen množinou rovinných ploch. Jejím autorem je Bui-Tuong Phong. Pro daný výpočet je třeba (stejně jako u Gouraudova stínování) nejprve určit normálové vektory ve vrcholech stínované plochy. Zde však nejsou vypočteny barevné odstíny v těchto vrcholech, ale jsou použity k interpolaci normálových vektorů v ostatních bodech plošky. Současně s rozkladem plochy na pixely jsou vypočítávány normály ve vnitřních bodech plochy a pomocí nich je ze světelného modelu určen odstín barvy každého pixelu.

22


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

Oproti Gouraudovu stínování jsou zřetelné barevné odlesky světel na plochách. Tento způsob zajišťuje hladké vystínování ploch s korektně vykreslenými odlesky od světel. [46]

Obrázek 20 - Konstantní stínování – Gouraudovo stínování – Phongovo stínování [47]

3.3.4 Catmull-Clarkův algoritmus stínování Tento algoritmus se používá v počítačové grafice k zobrazení hladkých ploch pomocí „subdivision surface modeling“. Byl navrhnut Edwinem Catmullem a Jimem Clarkem v roce 1978 jako zobecnění bikubického uniformního B-splajnu plochy do libovolné topologie. [48]

spsks.cz

3.4 Anti-Aliasing

Je technikou používanou v počítačové grafice (obecně) ke zlepšení kvality obrazu. Česky je to tzv. vyhlazování hran.

Obrázek 21 - Anti-aliasing [49]

3.5 Renderování Jde o proces generování obrazu virtuálního modelu (nebo virtuální scény) pomocí počítačových programů. Virtuální scéna obsahuje objekty v přesně

23


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

definovaném jazyce (počítačovém) nebo struktuře. Ta může obsahovat geometrii, textury, světla, informace o stínování a popis virtuální scény. Data obsažená ve scéně jsou potom použita renderovacím programem ke spočítání výsledku do podoby digitálního dvourozměrného obrázku neboli grafického rastru. Termín rendering má analogii s uměleckou vizualizací scény (digitální malování). [50]

spsks.cz Obrázek 22 - Renderovaná vs. nerenderová scéna [51]

3.5.1 Ray casting

Tato metoda je základním renderovacím algoritmem pro zobrazování 3D počítačové grafiky, který využívá geometrického algoritmu sledování paprsku. Renderovací algoritmy založené na sledování paprsku umožňují transformovat virtuální trojrozměrné scény do dvourozměrného obrázku. Geometrie paprsků je sledována z oka pozorovatele do zdroje světla. Jednoduchost a rychlost metody raycasting je dána tím, že je počítána pouze barva světla bez opakovaného počítání dalších paprsků odražených od jiných ploch do stejného místa. Toto eliminuje možnost přesného zobrazení odrazů, průhledností nebo přirozeného úbytku stínu. Všechny tyto vlastnosti ale mohou být napodobeny kreativním přístupem k vytváření textur. Vysoká rychlost výstupů renderu touto metodou byla využívána v počátcích 3D her. [52]

24


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

spsks.cz

Obrázek 23 - Typické použití Ray-castingu v jedné z prvních 3D her Doom [53]

3.5.2 Ray tracing

Sledování paprsků (z anglického ray tracing) je metoda renderování (výpočtu a zobrazení) 3D počítačové grafiky; přesněji řečeno metoda globálního osvětlení. Na rozdíl od běžného života, kdy se paprsky pohybují od zdroje, odráží se a lámou, až se nakonec střetnou s okem pozorovatele, zde paprsky vycházejí z kamery. To proto, že ze zdrojů světla vychází nekonečné množství paprsků a nedalo by se v rozumném čase spočítat, které dopadnou na pixely plátna, skrz které se oko dívá. [54] Metoda sledování paprsku je též využívána k simulaci optických systémů. Výhodou je univerzálnost metody. Metodu je možno použít i k simulaci systémů, jejichž analytický popis je jen přibližný nebo není vůbec možný: nelineární optické prvky, prvky pro rentgenovou optiku atd. Nevýhodou je vysoká výpočetní náročnost metody. [55]

25


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

spsks.cz

Obrázek 24 - Pomocí metody Ray-tracing je možné věrně zobrazit lom světla [56]

3.5.3 Radiozita

Radiozita je metoda globálního osvětlení scény (šíření světelné energie) používaná k renderování 3D scény v počítačové grafice. Radiozita jako renderovací metoda byla představena v roce 1984 výzkumníky na Cornell University. Vychází ze zákona zachování energie. Proto vyžaduje energeticky uzavřené scény. Nedokáže pracovat s průhlednými objekty, zrcadly a texturami. Scéna musí být reprezentována polygonálním modelem. Plochy nejen odrážejí světlo, ale mohou mít i vlastní zářivost. Šíří se pouze difúzní odraz světla. Před vlastním výpočtem je třeba polygony ve scéně rozdělit na malé plošky a spočítat konfigurační faktory (vliv každé plošky na každou jinou plošku ve scéně). Iterační výpočet má výhodu postupného zobrazení výsledku po každé iteraci. [57]

26


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

spsks.cz Obrázek 25 - Interiér je typická scéna pro radiozitu [58]

27


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitoly 5, 10, 15

4 Technologie výroby Jakýkoliv výrobek, který navrhneme a bude se vyrábět, musí splňovat příslušné technologické požadavky zvolené výrobní technologie. Nejčastější metody výroby jsou dnes vysokotlaké vstřikování (plastů, ale i např. hliníkových nebo hořčíkových slitin), lisování plastů, přesné lití na vytavitelný model, gravitační a rotační lití, lití kovu do pískových forem, svařování a další. Poté následuje celá řada dokončovacích prací až po finální montáž. Jakýkoliv výrobek, který se bude vyrábět ve formách, musí splňovat technologické požadavky pro samotný proces výroby i vytažení z formy. Toto bychom měli zohlednit při návrhu i při tvorbě digitálních podkladů pro výrobu.

4.1 Dělicí rovina Aby výroba jakéhokoliv produktu byla ekonomicky výhodná, měla by zvolená výrobní technologie zohledňovat mnoho aspektů. Některými z nich jsou například celkový počet vyrobených kusů, požadovaný materiál, vlastnosti výrobku, předem dané náklady na výrobu jednoho kusu a další. Výrobní technologie jistě ovlivní vzhled výrobku – ať už možností použití materiálů nebo technologickými požadavky. Jestliže bude k výrobě dílu potřeba forma, je nutné přizpůsobit některé detaily příslušné technologii. Forma se obvykle skládá minimálně ze dvou částí. Místo, kde se poloviny formy stýkají, se nazývá dělicí rovina. V tomto místě obvykle vzniká na výrobku viditelný šev (otřep). Aby šel výrobek z formy vytáhnout, musí mít plochy od dělicí roviny určitý sklon, tzv. úkos. Velikost úkosu je dána použitou výrobní technologií a pohybuje se v určitém rozmezí doporučených hodnot. Orientační hodnoty nejdete v následující tabulce (tyto hodnoty se budou lišit v závislosti na detailech konstrukce a také know-how výrobce).

spsks.cz Obrázek 26 -Úkos [59]

28


kapitola 2

kapitola 3

výkovky vstřikování plastů rotační lití plastů lití do pískových forem thermoforming (vakuové tváření plastů)

kapitola 4 min 2˚ 0,5˚ 2˚ 0,5˚ 1˚

kapitoly 5, 10, 15 max 10˚ 2˚ 5˚ 5˚ 4˚

Orientační hodnoty technologických úkosů pro vybrané výrobní technologie [60]

4.1.1 Jak najít dělicí rovinu Jestliže z dělicí roviny přímo nevycházíme od začátku práce na 3D modelu, musíme ji najít pomocí příslušného analytického nástroje, který obsahuje většina CAD programů. Tato funkce zkoumá hodnotu úkosu k zadanému směru a barevně (nebo křivkou na ploše) vyznačí hranici mezi úkosem v kladném a záporném směru. Jestliže známe dělicí rovinu (může to být nejen rovina, ale i komplexní plocha), měli bychom zvážit její použitelnost a případně opravit tvar výrobku tak, aby vše splňovalo naše (estetické, funkční) i technologické požadavky.

spsks.cz Obrázek 27 -Zobrazení úkosů – modře kladný, červeně záporný úkos a dělící roviny – hranice mezi barvami [61]

4.2 Přizpůsobení modelu výrobní technologii Použitá výrobní technologie má obvykle více požadavků než jen určitou velikost úkosu od dělicí roviny. Například dodržení podobné tloušťky stěny v celém průřezu, existují i pravidla pro vytváření rohů a styku dvou stěn (aby nevznikala v místě staženiny a poté na viditelných plochách výrobku zborcená místa). Dále je nutno vědět, zda materiál v případě vstřikování a odlévání všude zateče apod. Všechny tyto technologické aspekty je důležité zvážit a počítat s nimi při tvorbě 3D modelu. Dnes již mnoho výrobců komunikuje a vyrábí na základě 3D podkladů. Tyto virtuální podklady se dají použít pro virtuální testování nebo simulaci (například simulace zatékání plastu při vstřikování, pevnostní analýzy, kinematické simulace a mnoho dalších) a umožňují tak předejít mnoha problémům při výrobě a používání výrobku. Navrhnutá geometrie 3D modelu jde zpětně měnit podle těchto virtuálních testů a zapracovávat do ní požadavky konstruktérů, technologů a designérů.

29


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Proto je 3D modelování/navrhování důležitým procesem ve vývoji nového výrobku. V jistém smyslu urychluje vývojový proces a usnadňuje pochopení a vytváření složitých sestav, které by jinak nebylo možné realizovat.

5 Zdroje [1] Autor neuveden. Přehled uživatelského souřadnicového systému (USS) [online]. [cit. 25.7.2013]. Dostupné z: http://docs.autodesk.com/ACD/2013/CSY/images/GUID3BF28E8C-A4A4-4DDE-A3A3-99851A4C1AA5-low.png [2] Autor neuveden. Polární soustava souřadnic [online]. [cit. 25.7.2013]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Polarni_soustava_souradnic.svg [3, 4, 6, 8, 9, 10, 11] Promítání. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011, 2011-12-10 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Geometrie/Promítání [5] Promítání. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011, 2011-12-10 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Soubor:Promitani_rovnobezne.png

spsks.cz

[7] Promítání. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011, 2011-12-10 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Soubor:Promitani_axonometrie.png [12] Promítání. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011, 2011-12-10 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Geometrie/Promítání/ [13] Obrázek autora učebnice [14] Přímka. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001, 2013-04-05 [cit. 2013-04-21]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Přímka [15] Obrázek autora učebnice [16] ZOUHAR, Jan. Teorie křivek a ploch. Brno, 2011 [17] Obrázek autora učebnice [18] ŽÁRA, Jiří, Bedřich BENEŠ, Jiří SOCHOR a Petr FELKEL. Moderní počítačová grafika. 2. přepracované a doplněné vydání. Brno: Computer Press, 2004, s. 190. ISBN 80-251-0454-0 [19] ŽÁRA, Jiří, Bedřich BENEŠ, Jiří SOCHOR a Petr FELKEL. Moderní počítačová grafika. 2. přepracované a doplněné vydání. Brno: Computer Press, 2004, s. 192. ISBN 80-251-0454-0

30


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

[20] ZOUHAR, Jan. Teorie křivek a ploch. Brno, 2011 [21] Obrázek autora učebnice [22] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Isoparametric curves. 2013. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2014/Help/0245-Alias_He245/0246Alias_Co246/0260-Surfaces260/0261-Isoparam261 [23] Obrázek autora učebnice [24, 25] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Rational vs. non-rational geometry. 2013. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2014/Help/0245Alias_He245/0246-Alias_Co246/0252-Curves252/0256-Rational256 [25] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Rational vs. non-rational geometry. 2013. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2014/Help/0245Alias_He245/0246-Alias_Co246/0252-Curves252/0256-Rational256 [26] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Rational vs. non-rational geometry. 2013. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2014/Help/0245Alias_He245/0246-Alias_Co246/0252-Curves252/0256-Rational256/

spsks.cz

[27] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Rational vs. non-rational geometry. 2013. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2014/Help/0245Alias_He245/0246-Alias_Co246/0252-Curves252/0256-Rational256/ [28] AUTODESK, Inc. Autodesk WikiHelp: Curves-on-surface. 2012. Dostupné z: http://wikihelp.autodesk.com/Alias/enu/2013/Help/0124-Autodesk124/0125Alias_Co125/0139-Surfaces139/0143-Curves-o143 [29, 30, 31] Obrázek autora učebnice [32] Pixel. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2013-03-08 [cit. 2013-05-05]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Pixel [33] Obrázek autora učebnice [34] Voxel. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2013-03-21 [cit. 2013-06-25]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Voxel] [35] Obrázek autora učebnice [36] http://www.cadwiki.cz/IGES.ashx [37] http://www.cadwiki.cz/STEP.ashx [38] http://www.cadwiki.cz/STL.ashx

31


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

[39] http://www.cadwiki.cz/VRML.ashx [40] Tabulka autora učebnice [41] Obrázek autora učebnice [42] http://software.intel.com/en-us/articles/3d-lighting-in-softimage [43] Geometrie/Stínování. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2009, 2009-11-11 [cit. 2013-06-20]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Geometrie/Stínování [44] Obrázek autora učebnice [45, 46] Geometrie/Stínování. In: Wikibooks [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2009, 2009-11-11 [cit. 2013-06-20]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Geometrie/Stínování [47] http://prosjekt.ffi.no/unik-4660/lectures04/chapters/Introduction.html [48] Catmull–Clark subdivision surface. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2013-06-18 [cit. 2013-06-21]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Catmull-Clark_subdivision_surface

spsks.cz

[49] http://i.stack.imgur.com/pA7uy.png

[50] Rendering (computer graphics). In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit. 2013-06-20]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Rendering_(computer_graphics) [51] Autor obrázku AllCity – vizualizace skenu sochy Austrie pro kalendář MCAE Systems [52] Rendering (computer graphics). In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2013-05-29 [cit. 2013-06-20]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/ Ray_casting [53] http://www.rustyarcade.com/uploads/articles/Doom1.jpg [54] Ray Tracing. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001, 2013-03-08 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing [55] Ray Tracing. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001, 2013-03-08 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing [56] http://venturebeat.files.wordpress.com/2009/03/raytracing-2.jpga

32


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

[57] Radiozita. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001, 2013-03-12 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Radiozita [58] http://i.iinfo.cz/urs/povray34_12-122566646473927.jpg [59] Obrázek autora učebnice [60] Tabulka autora učebnice [61] Obrázek autora učebnice

spsks.cz

33


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

spsks.cz

Praktická část 3D modelování

34


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

6 Úvod Freeform plus od firmy 3D Systems, Inc. patří mezí 3D modelovací software, konkrétněji se nazývá Digital sculpting či Computer aided sculpting. Mezi jeho nedílnou součást patří i tzv. haptická paže, která se používá k určení polohy a k citovému vjemu. Máme zde 2 základní verze haptické paže - Phantom omni (nyní touch) - nejnižší verze haptické paže a Phantom Desktop (nyní touch X, budu používat již zažitý název Phantom), který má oproti Phantom Omni větší pracovní prostor, větší přesnost a dokáže dávat větší odpor (feedback). Haptická paže je to, co odlišuje tuto aplikaci od ostatních – cítíte každý dotek s modelem. Freeform plus je především Voxelový modelovací software, ale umí upravovat i trojúhelníkovou síť a plošný model. Do voxelové sítě je možno importovat (načítat) jak trojúhelníkovou síť, tak i plošný model. Následný export (ukládání) je možný ve voxelu a v trojúhelníkové síti. Pro uložení do plošného modelu se musí použít autosurfacer nebo oplošit model ručně – ruční oplošení modelu je časové náročné, zatímco autosurfacer to za vás udělá automaticky. Nižší verze Freeform a Claytools postrádají možnost editace plošného modelu – dovolují pouze import do voxelové sítě.

6.1 Seznámení s paží

spsks.cz Obrázek 28 - Správné uchopení paže Haptickou paži držíme stejně jako například propisovací tužku. Pokud ji budete držet jinak, bude to pro vás nepohodlně a nebude s ní možné pracovat. Oproti myši, která pracuje pouze 2D (osa XY), haptická paže Phantom Desktop (nyní Touch X) pracuje rovnou v šesti osách – XYZ a v každé ose je možná i rotace, zkrácený název je 6DOF. Další velkou výhodou je přesnost, která je 0,023 mm.

35


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Díky hmatové odezvě (paže dokáže dávat odpor téměř 8N) nám dává paže odpor v okamžiku doteku s modelem, který máme načtený v počítači. Ze začátku pro vás bude práce s touto paží nepohodlná. Každou minutou se jí však vaše ruka a váš mozek budou přizpůsobovat víc a víc. Je to velký rozdíl oproti běžné myši, která pracuje pouze ve dvou osách. Jak Phantom Desktop, tak i Phantom omni nabízí i další využití kromě aplikace freeform, a to díky SDK openhaptics. Je to soubor aplikací a knihoven, díky kterým můžeme doprogramovat podporu do různých aplikací.

6.2 Uživatelské rozhraní

spsks.cz Obrázek 29 - Uživatelské rozhraní Nalevo se nachází nástroje, které jsou umístěny na „paletách“ a jsou ukotvené pod sebou. Můžete je skrývat a také přesunovat různě po obrazovce. Dole se nachází lišta, která bude u každého nástroje rozdílná. Obvykle se zde nastavuje tvrdost hlíny, velikost nástroje a mnoho dalších funkcí. Poklikáním na obrázek nástroje se dostanete do nápovědy, která vám vysvětlí postup. Napravo se nachází object list, který nám umožňuje přepínání, skrývání a další editaci modelu. Dále se tu nachází okno s pomocným pohledem, které se nastavuje pomocí F6 – F9. Pomocí F10 můžete pomocný pohled deaktivovat. Pomocí F2 - F5 měníte pohled hlavního okna. Nahoře se nachází standardní lišta, kde se nachází mnoho funkcí, například ukládání, načítání modelu a v neposlední řadě nastavení pro úpravu prostředí, které vám bude vyhovovat (například velikost ikon).

36


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Pomocí kláves G můžeme „chytnout“ model a volně s ním pohybovat i rotovat, pomocí H můžeme s modelem pohybovat bez možnosti rotace, pomocí J můžeme naopak pouze rotovat. Když se vám ztratí model z pohledu, pomocí klávesnice F si ho vrátíme do středu obrazovky.

6.3 Object list

Aktivuje námi vybraný model k editaci

Nastavení hrubosti modelu Spustí automatické oplošení námi vybraného modelu Přemístění modelu (piece) a origin Spojí 2 modely k sobě Odstraní prolínající část z modelu Odstraní neprolínající část modelu Zarovná modely k sobě tak, aby se co nejvíc prolínaly

spsks.cz

Skrytí/Zobrazení částí ve stejné složce

Skrytí/Zobrazení modelu či celé složky

37


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

6.4 Vytvoření nového modelu a první zkoušení funkcí Nyní se vrhneme na vyzkoušení funkcí a především na seznámení s prací v 6 osách. Ze začátku vám to téměř určitě nepůjde – je to kvůli zvyku práce s myší, se kterou nemůžeme pracovat v ose Z. Vytvoříme si nyní základní model – krychle, válec, koule či kužel. Klikněte v nabídce File (vlevo nahoře), poté dáte New, objeví se vám okno, které je na obrázku níže.

spsks.cz Obrázek 30 - Vytvoření nového modelu - New model Model Shape And size o Start with empty model – začít s prázdným modelem; o Start with Shape – začít se základním tvarem; Width - šířka; Height - výška; Depth - hloubka; Diameter – průměr. Model Properties o Clay Coarseness – délka hrany; Rough shape – hrubý tvar; Refine shape – zjemněný tvar; Add detail – přidat detail; Add fine detail – přidat jemný detail;

38


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Custom – vlastní tvar, nedoporučuje se změnit na víc než trojnásobek jemného detailu. Clay Coarseness se nastavuje jak při načítání modelu, který chceme jen upravit, tak i v průběhu vytváření modelu. Pokud začínáme „od nuly“, můžeme si nastavit Rough či Refine shape. Jestliže chceme přidávat detaily, tak si je v object listu můžeme změnit – to si také posléze ukážeme.

spsks.cz Pokud naopak chceme načíst hotový model (například ze skeneru ATOS compact Scan), je vhodné si jeho kvalitu nastavit na ADD fine detail či Custom a tam si tento model můžeme ještě více zjemnit. Nyní již máte vytvořen základní model a my si na něm vyzkoušíme nástroje z palety Sculpt Clay. Sculpt clay – jedná se o nástroje určené k odebírání, přidávání a vyhlazování modelu.

Obrázek 31 - Paleta SculptClay

39


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Prvních 8 nástrojů jsou pro odebírání claye klasickou metodou, kterou lze znát z klasické sochařiny. Další 3 jsou už specifické nástroje, například nástroj spikes nám dělá hroty… Dále tu máme smooth a smooth Area, která nám slouží pro vyhlazování hrbolků, které nechceme mít na modelu. Mezi nimi se nachází Hot wax neboli horký vosk. Poslední vidíte Limit to Depth – slouží k nastavení maximální hloubky, po kterou můžeme model upravovat. Všechny nástroje lze používat i z vnitřku modelu. Jejich funkcionalita bude obvykle opačná – u nástrojů Carve budeme naopak clay „vytlačovat“ ven, u spikes budeme vytvářet hroty dovnitř modelu… U Smooth a Hot wax nám to v určitých případech také pomůže – vyhlazování hrany je lepší dělat z vnitřní strany modelu. Na závěr si vyzkoušíme TUG, který se nachází v paletě Deform clay, abychom si posléze mohli vyzkoušet první jednoduchý příklad.

spsks.cz Obrázek 32 -

Paleta Deform clay

Je to hned první funkce nalevo. Druhá funkce vedle ní funguje stejně, jediný rozdíl je, že pracujeme v uzavřené křivce. Křivky se vytváří v paletě Curves.

Obrázek 33 -

Paleta Deform clay

Jedná se především o druhou funkci. Ve spodní liště můžete nastavit mnoho vlastností. Nás bude zajímat Fit to clay . Tato funkce nám zajistí, že se bude vždy křivka přizpůsobovat clayi a bude na ni vždy nalepena. Křivky jsou pro nás důležité, neboť je požaduje hodně nástrojů a pomáhají nám udělat přesnější model. Pokud se stane, že zapomenete tuto křivku „přifitnout“, slouží nám k tomu třetí nástroj – vyberete křivku, kterou chcete fitnout, a už se sama přilepí na aktivní model. Křivku můžete ukončit ve spodní liště červeným tlačítkem „End“ nebo jednodušeji zmáčknutím klávesy E.

40


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Máme tu mnoho dalších funkcí, jako je prodlužování křivek (extend/retract curve), vytváření ofsetových křivek (offset curve), zrcadlení křivek (mirror curves) apod.

spsks.cz

41


kapitola 2

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

6.5 Úprava busty

spsks.cz Obrázek 34 - Výchozí stav modelu Nyní si otevřeme soubor busta.stl – vlevo nahoře klikneme na File a dáme import. Stejným způsobem se otevírají i další formáty, jako jsou například OBJ, VRML či formáty plošného a objemového modelování, jako jsou například STP, IGS či Parasolid x_b.

Obrázek 35 - Spodní lišta u importu Po importu se zobrazí dole lišta Import model. Import as nám určí, jak chceme model naimportovat – buď jako Clay, nebo jako Mesh. My chceme mesh. Další možností je Fill Style neboli lepení děr, obvykle se dává Fill holes. V tomto případě můžeme napravo nastavit, jak chceme díry lepit – Fill surface, nejvíce se osvědčilo Curved geo. Další a poslední, co nás bude zajímat, je Clay Coarseness – o tom již v kapitole 1.4. Na tomto modelu si vyhladíte malé dírky pomocí smooth a domodelujete část chybějícího nosu – k tomu poslouží nástroj Tug, ale můžete si to vyzkoušet i pomocí nástrojů carve with ball nebo smudge.

42


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

7 Vytvoření 3D modelu z 2D podkladu V menu File klikneme na Import to plane, abychom mohli udělat základní tvar. Z obrázku potřebujeme minimálně dva obrázky (vyfocené například z vrchu – půdorys a z boku – bokorys), pokud nám nevyhovuje poloha rovin, tak si v object listu klikněte na obrázek roviny, kterou chcete editovat a dáte Edit Plane, 4. Ve spodní liště funkcí Switch orientation měníte orientaci roviny, můžete si rovinu upravit i pomocí paže tím, že na ni najedete. Přesněji ji upravíte rozkliknutím malé šipečky, která se nachází téměř napravo ve spodní liště.

spsks.cz Obrázek 36 -vytažený a oříznutý model boty

Obrázek 37 - Paleta SketchClay K výsledku, který vidíte výše, se dopracujeme pomocí nástrojů umístěných v paletě Sketch a Construct clay. Podle obrázku obvykle pochopíte, k čemu slouží. Nás bude zajímat především 5. (volná, interpolační křivka) 6. (Bézierova křivka) a 8. (čára) nástroj, ale samozřejmě si vysvětlíme i ostatní nástroje. Vlevo vidíte pod volnou

43


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

křivkou Round Corner (zaoblení) podle námi určeného poloměru. Pokud chceme upravit již hotovou křivku, slouží nám k tomu 1. nástroj (select Sketch object). Můžeme tam přidávat a ubírat řídicí body a samozřejmě upravovat celou křivku. Zrcadlení, ve výchozím stavu je „mirror line“ ve středu roviny. Pokud ji tak chceme nechat, přepneme si ve spodní liště na zrcadlení. V opačném případě si nejprve vytvoříme čáru (8. nástroj), přes kterou chceme zrcadlit. Hned vedle Zrcadlení se nachází nástroj Trim neboli oříznutí, který ořízne námi vybranou křivku. Musí se protínat s jinou křivkou a musí být neuzavřená nebo se musí protínat na dvou místech. Krom těchto nástrojů tu máme ještě ofset a další, které si můžete sami vyzkoušet – pokud si nebudete vědět rady, tak se poklikáním na obrázek nástroje (vlevo dole) dostanete do nápovědy, která vám vysvětlí postup. Abychom mohli model vytáhnout z profilu, tak musí zmodrat – to nám naznačuje, že je křivka uzavřena. Nyní se již pustíme do tvorby boty. Pomocí volné či Bézierovy křivky si vytvoříme obrys boty. V místech, kde je bota rovná, je lepší použít čáru, kterou pak ořízneme a poté můžeme použít zaoblení. Totéž uděláme i z boku.

7.1 Vytažení modelu

spsks.cz Obrázek 38 - Paleta Construct clay

Vytažení modelu uděláme pomocí nástroje Wire Cut Clay, který se nachází v Paletě Construct clay. Je to hned druhý nástroj a na něj nyní klikneme. Postup je následující: Obrázek 39 - Spodní lišta u nástroje „Wire Cut Clay“ 1. Vybereme z roviny profil, který jsme si před chvíli vytvořili. 2. Klikneme ve spodní liště na šipku, která nám nyní zezelenala. 3. Necháme Mode nastaven na „To Plane“, Plane Dist nám ukazuje, jak dlouhý bude model. Draft Angle necháme také na nule, slouží k vytvoření úkosu (dobré například pro zaformování). 4. Hned vedle se nachází 2 kuličky – to nám označuje, že ho chceme vytvořit jako nový model, zaklikneme ho (tato ikonka se bude zobrazovat poměrně často). Nyní se nám zobrazí okno s nastavením, které znáte z kapitoly 1.4 – nastavíme refine shape. 5. U vytvoření máme 3 možnosti, vytvořit model uvnitř, oříznout model uvnitř a oříznou model z vnějšku.

44


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Postup nyní znáte, při vytažení prvního modelu necháme vytvořit model uvnitř a u druhého profilu naopak necháme model na vnějšku oříznout, tímto se dopracujeme k výsledku, který jste viděli na začátku kapitoly. V případě, že zbyl kus modelu, který je nežádoucí, slouží k tomu nástroje z paletky Select/Move Clay.

Obrázek 40 - Select/Move clay Model můžete vybrat kuličkou, výběrem pomocí boxu (vyberete nejdříve XY osu a poté Z osu), podle profilu na rovině, vybrat tzv „lump“ (to jsou malé díly, které nejdou žádným nástrojem vybrat) a nebo řezem podle roviny. Nejvhodnější je výběr pomocí „Select lump of clay“. Ve spodní liště se nám zobrazí nástroje viz další stránka.

spsks.cz Obrázek 41 - Spodní lišta u nástrojů Select clay

Tuto spodní lištu mají až na drobnosti všechny nástroje pro výběr stejné (na tomto obrázku to je napravo diameter – průměr). Gumou invertujete nástroj, takže se bude chovat opačně. 2. a 3. volba je výběr celého respektive zrušení výběru části modelu. 4. volba je inverze již vybraného dílu – toto se nám hodí v okamžiku, když máme v okolí modelu tzv. lump. Vybereme hlavní díl modelu. Poté klikneme na inverzi a máme vybrány všechny kostky, které tam nechceme.

45


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Další čtyři volby jsou k určení, co s vybranou částí chceme udělat – jedná se o smazání, zkopírování do schránky, vytvoření modelu ze schránky a vytvoření modelu jako nový díl. Poslední dva nástroje se nám zobrazí tehdy, když máme vybranou část modelu smazanou nebo danou ve schránce. Na závěr nás bude zajímat poslední 4. funkce – vytvoříme tzv. Mask nebo Buck. Mask nám udělá vybranou část neaktivní, ale můžete přidávat clay. Buck nám udělá vybranou část neaktivní – ničím ji nemůžete umazat a ani z ní přidat clay. Nyní si můžete pomocí funkcí, které znáte, vytvořit základní tvar boty. Jedná se především o funkce z palety Sculpt clay a z palety deform clay. Pokud vám přijde, že máte příliš nízký detail, tak si v Object listu (kapitola 1.3) přepněte Clay Coarseness na vyšší detail. Pomocí nástrojů select clay rozdělíme botu na více dílů. Nejvhodnější je použít Select by profile, kdy si na rovině vytvoříme profil, kterým chceme řezat (profil musí být uzavřený) podobně jak při vytváření modelu. Poté klikneme na nástroj select by profile (3. Ikonka v paletě Select Clay) a následně vybereme profil, kterým chceme řezat. Můžeme si navolit vzdálenost a poté potvrdíme ve spodní liště posledním tlačítkem „Select Now“. Tímto od boty oddělíme podrážku a jazyk od boty. V object listu se nám nyní zobrazí více objektů. Vždy upravujeme aktivní díl – v object listu má aktivní prvek žlutou barvu, zatímco ostatní jsou hnědé. Pokud chcete aktivovat jiný model, klikněte si v object listu na kostku vedle modelu a dejte activate. Pokud nevíte, jakou část chcete aktivovat, tak při najetí na název a kliknutí vám ta část v prostoru zezelená. Tkaničky uděláme jednodušše – vytvoříme si křivky, které nebudou fitnuté na clayi, ale budou volné. Křivky nelze lámat, vždy musíte křivku ukončit a pak na ni navázat. Paže vám v tom pomůže – až budete mít kurzor na křivce, tak vás po ní povede, na konci křivky dá ještě větší odpor. V paletě Construct clay se nachází nástroj Pipe, který vidíte níže na obrázku:

spsks.cz

46


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Obrázek 42 - Paleta Construct clay a nástroj Pipe Nástroj je poměrně jednoduchý – určíme mu průměr na začátku. Zvolíme, zda ho chceme vytvořit jako nový model (zaklikneme, že chceme) a pak že chceme přidat (add). Pokud chceme mít jiný průměr na konci, stačí zakliknout end diameter. Kromě vytvoření trubky můžeme pomocí něj i mazat – stačí místo add dát remove. Nezapomeňtě si model průběžně ukládat – ve File dáte save as, popřípadě k tomu slouží klávesová zkratka ctrl + S.

spsks.cz Obrázek 43 - Vytváření reliéfu Nyní se vrhneme na vytvoření dezénu u podrážky. Můžeme si vytvořit reliéf nějakého loga (na obrázku logo Sensable®), dále můžeme například udělat povrch hrubší. Ve freeformu se tyto funkce nazývaj emboss, embosování.

47


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

7.2 Embosování

Obrázek 44 - Paleta Detail Clay Embosování funguje na jednoduchém principu – načteme nějakou texturu či obrázek ve formátu jpg, bmp a další. Nejvhodnější je si načíst černobílou texturu, barevnou texturu načte také, ale převede si ji opět do černobílé barvy, přičemž nám díky tomu vznikne nekvalitní textura, kterou je nutné po vyembosování vyhladit a občas i domodelovat. Princip je jednoduchý – bílá nám určuje nejnižší bod a černá naopak ten nejvyšší, takže světle šedá bude výš než bíla, ale níž než tmavě šedá atd. Některé nástroje umí barvu invertovat. Navíc si můžeme zvolit, jestli chceme přidávat či ubírat clay, samozřejmě si můžeme nastavit maximální výšku reliéfu. Než texturu vyembosujeme, můžeme použít preview (náhled) pro ukázku, jak bude bota vypadat. Embosování může trvat i několik desítek vteřin v závislosti na ploše, kterou chceme texturovat, a v závislosti na délky hrany (clay coarseness). Ve freeformu máme 4 možnosti embosování: 1. Emboss area – nanášíme barevnou mapu pomocí kuličky (v případě čtveraté textury to nebude kulička), můžeme tu nastavit průhlednost a také do jaké míry chceme embosovat do ztracena. 2. Emboss with image – jedná se o nejjednodušší druh embosování – nanášíme texturu pro embosování z roviny. Můžeme kromě textury embosovat i text a navíc u tohoto nástroje můžeme invertovat barvy. 3. Emboss with wrapped image je velmi podobný funkci předešlé. Rozdíl je v tom, že ho omezíme podle uzavřené křivky, která je přichycena na clayi. Postup je jednoduchý – klikneme na uzavřenou křivku a poté doprostřed křivky. 4. Emboss alon curve - jedná se o nejnovější funkci pro embosování. Nanáší texturu podél křivky či křivek. Jsou tu celkem 3 módy: a. Along one curve – nanese texturu pro embosování podél námi určené křivky. Můžeme mu určit šířku a počet opakování textury. b. Between two curves – chová se podobně jako Along one curve, ale s tím rozdílem, že ho omezíme pomocí dvou křivek. c. Along curve with Guide – Chová se podobně jak Between two curves, ale první křivka funguje jako zrcadlo.

spsks.cz

Nyní se můžeme vrhnout na samotné embosování. Jak jste mohli vidět výše, tak podrážku je nejvhodnější rozdělit na 3 samostatné díly pomocí křivek a každou zvlášť embosovat pomocí funkce Emboss with wrapped image. Pokud se vám textury, které jsou obsaženy ve freeformu nelíbí, můžete si vytvořit vlastní pomocí malování, photoshopu či gimpu. Pokud je povrch po vyembosování příliš hrubý, přenastavte si clay coarseness (kapitola 1.3) na fine detail, popřípadě Custom pokud nastavíte příliš vysoký detail, tak se bude model dlouho přepočítávat a navíc se s ním bude hůře pracovat

48


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Pro získání vroubkovaného povrchu celé boty můžeme embosovat například funkcí Emboss area. Nic vám nebrání, abyste si botu upravili dle vašich představ - zespodu můžete vytvořit číslo boty, dát jazyku či podrážce jinou texturu než zbytku boty atd.

7.3 Texturování a obarvování Po vytvoření modelu si můžeme v programu freeform plus různě obarvit model nebo nanést texturu. Jedná se o přípravu pro renderování. Pomocí renderování vytvoříme z počítačového modelu reálně vypadající obraz. Především díky možnosti nastavit modelu průhlednost, průsvitnost či lesklost, jak jste se již mohli dozvědět v teoretické části. V teorii jste se dozvěděli o projektování textury pomocí UVW mapy. Freeform funguje na trošku jiném principu - na obarvování trojúhelníkové sítě – výhoda je v jednoduchosti nanášení textury a naopak nevýhoda spočívá v tom, že každý trojúhelník může mít pouze jednu barvu a díky tomu při přiblížení není barva tak ostrá jako při použití UVW mapy. Převod z UVW mapy na trojúhelníkovou síť je možný pomocí specializovaných programů, jako je například meshlab. Opačně je to velmi komplikované a prakticky téměř nemožné – je jednodušší si nanést texturu ručně pomocí UVW mapy. V paletě Paint clay jsou 4 nástroje:

spsks.cz Obrázek 45 - Paleta Paint clay

1. Paint – jedná se o jednoduché malování pomocí kuličky, můžeme v něm nastavit průměr (diameter) kuličky a zda chceme nanášet barvu do ztracena. Pokud chceme změnit barvu celého modelu, nemusíme obarvovat celý model, ale stačí změnit barvu Piece. 2. Airbrush - je téměř stejný nástroj jako Paint, akorát místo kuličky používáme rozprašovač. Podle vzdálenosti od claye se mění velikost a intenzita nástroje. 3. Project image – funguje stejně jak Emboss with image, texturu nevyembosujeme, ale naneseme ji na model. 4. Wrap image – Texturu nám nanese uvnitř námi vytvořené uzavřené křivky. U tohoto nástroje a u nástroje Project image si můžete při přiblížení všimnout horší kvality textury, což je zapříčiněno nízkou hustotou trojúhelníků.

Nyní si můžeme nastavit u každého materiálu barvu – například u podrážky černou a u samotné boty hnědou. Nebrání vám nic předvést svou fantazii a barvy si nakombinovat (viz obrázek v kapitole 2.4 – Renderování). Dejte si na tom záležet, protože barvy, směr a druh světla skryjí při renderování nedostatky modelu.

7.4 Renderování Nyní se dostáváme k samotnému renderování. Vše, co bude zapotřebí k vyrenderování, se nachází v paletě rendering.

49


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

Obrázek 46 - Paleta Rendering 1. Ikonka je nastavení materiálu. Nastavuje se vždy u vybraného dílu modelu v object listu. Klikneme na edit a buď tam můžeme nastavit předdefinovaný materiál, nebo si ho sami můžeme upravit v tabulce – Gloss je lesk (nastavuje se od 0 do 1), Reflection je odraz (0 – 1). Shinines jsou odlesky (0 – 100), Transparency je průhlednost (0 – 1) a index of refraction je index lomu světla (ta se nastavuje od 0 do 200). Všechny funkce se nastavují s přesností na tisícinu, tedy třeba 0.162. Místo desetinné čárky se používá desetinná tečka. 2. Ikonka je natavení světla – Spot light, Infinite light a Point light, které již znáte z teoretické části. Zvolíme světlo, které chceme použít, a pak klikneme v prostoru pro jeho umístění. U spot light můžeme upravit rozpětí světla (Spread) a tvar světla (cone). 3. Display scene – zde nastavujeme, v jakém prostředí se bude renderovat. Máme na výběr 3 základní – místnost (room, 3 roviny), floor (podlaha, rovina zespodu) a pak Back screen (rovina je zezadu). U všech scén si můžeme nastavit jeho velikost. 4. Je již samotné renderování – máme zde 4 nastavení kvality renderování. Při kliknutí na edit si ji můžete upravit – čím vyšší čísla nastavíte, tím bude vypadat vyrenderovaný obrázek reálněji, ale na druhou stranu se výsledek bude delší dobu renderovat. 5. Apply texture to redndering plane – na rovinu pomocí této funkce můžete dát texturu či obrázek.

spsks.cz Obrázek 47 - Vyrenderovaný obrázek

7.5 Export modelu Pokud již máme model hotový, můžeme ho nyní vyexportovat. Například do formátu STL, který se běžně používá pro 3D tisk, ale i pro obrábění, například CAD/CAM Tebis pomocí něho umí obrábět, popřípadě ho můžeme použít jako podklad pro ruční oplošení (v Tebisu se tato funkce nazývá BREP). Pokud jej chceme vyexportovat pro 3D tisk, tak je důležité, aby byl model spojen. Toho docílíme tím, že v object listu poklikáme na modely, které chceme spojit

50


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

do jednoho celku. Je při tom důležité držet klávesu ctrl. Pokud máme vše vybráno, klikneme u jednoho z modelů na kostku a dáme Combine as New. Poté nám vyskočí tabulka, která nás upozorňuje, že jsou modely v různé přesnosti. Zvolíme, že chceme model podle nejpřesnějšího modelu, který se v tabulce nachází. Nyní již máme objekt spojen v jeden, ten si nyní převedeme na mesh, opět klikneme na kostku v object listu u námi vybraného modelu, dáme clay utilities a copy to mesh. Ve stejné nabídce je i analyze and repair a další funkce je Reduce.

spsks.cz

51


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

7.5.1 Oprava meshe pro export

spsks.cz Obrázek 48 - Funkce pro opravu sítě

Analyze and Repair mesh slouží pro opravu trojúhelníkové sítě tak, aby neobsahovala chyby, jako například dvojité stěny, aby byla uzavřena a pro mnoho dalšího. Jinak by se mohlo stát, že by model nešel vyfrézovat nebo vytisknout. Ne vždy je třeba opravovat data, i když se nám tady zobrazí mnoho chyb, ve skutečnosti to 3D tiskárnám nevadí – především FDM technologie. Data z freeformu jsou díky voxelovému modelování uzavřená a nemají žádné zdvojené plošky.

52


kapitola 7

kapitola 3

kapitola 4

kapitola 5

7.5.2 Zmenšení počtu polygonů pro export Reduce slouží ke zmenšení počtu trojúhelníků. Běžně má model ve freeformu i několik miliónů (občas až několik desítek miliónu) trojúhelníku, čímž má výsledný soubor až několik GB. To je pro přenos nevhodné a zároveň s takovým počtem polygonů je téměř nereálné pracovat.

spsks.cz Obrázek 49 - Reduce Mesh Reduce mesh má mnoho možností nastavení. Můžeme zmenšovat buď podle počtu trojúhelníků – Triangle Coung, nebo podle tolerance. Může se vždy nastavit buď první, nebo druhá hodnota. V advanced můžete nastavit kvalitu zakřivení (curvature Quality) a pak obecně kvalitu celého meshe (Mesh Quality). Když nastavíte Curvature Quality na Max, tak na každém zakřivení bude mnohem více polygonů než na rovině. Obvykle se Advanced nechává odkliknutý, aby si program sám vybral vhodnou míru kvality.

53


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 4

kapitola 5

8 Vytvoření formy pro lití Nyní vytvoříme jednoduchou formu pro lití. Jako model použijeme medved.stl. Velikost hrany (Clay Coarseness) dejte na Add fine detail. V horní liště vyberte View/Pull direction/Show colors, nyní jsou záda medvěda modrá a okraj oranžový, popřípadě červený.

spsks.cz Vytvořte si rovinu zhruba uprostřed medvěda tak, aby například v uchu nešla rovina vidět.

Obrázek 50 - Paleta Mold - formování

54


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 4

kapitola 5

První funkce Set Pull direction nám určuje směr řezu – necháme tak, jak je. Druhá Funkce Parting line Curve nám vytvoří dělicí křivku, my použijeme místo této funkce funkci Plane Intersection Curve

, která se nachází v paletě Curves (úplně

nahoře), ta nám vytvoří křivku v místě průniku námi vybrané roviny aktivního modelu. Další důležitou funkcí je Fix draft, pomocí tohoto nástroje automaticky přidáme nebo naopak ořízneme část modelu, která by nám bránila vytvořit jednoduchou formu. My budeme pomocí tohoto nástroje řezat, takže zaklikneme ve spodní lište tuto ikonku

. Druhá a třetí ikonka ve spodní liště nám určuje, zda-li chceme

ořezávat přední nebo zadní část. Pomocí Draft angle volíme úhel, pod kterým má ořezávat. Pokud by byl úhel 0°, tak by model z formy nemusel jít vytáhnout, necháme tedy 5°.

Obrázek 51 - Spodni lišta nástroje Fix draft

spsks.cz

55


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 4

kapitola 5

Obrázek 52 - Náhled na model s dělicí rovinou

spsks.cz

Po Fix draft byste měli dosáhnout podobného výsledku, jako je vyobrazen na obrázcích nahoře. Všimněte si, že nám zmizel oranžový a červený přechod – díky nim by nám nešel vytáhnout z formy odlitek. Další funkce je Shell

, pomocí této funkce vytvoříme skořepinu dovnitř

modelu. My ale chceme vytvořit naopak vnější ofset – v horní nabídce Pieces/create offset piece, vzdálenost nastavíme na 8 mm (klidně můžete i míň) a zaklikneme Offset to the outside – tím určíme, že chceme vytvořit vnější ofset. Nyní uděláme booleanovskou operaci Remove from – klikneme v object listu na kvádr vedle medvěda. Zhruba uprostřed se nachází funkce Remove from a vybereme, že ho chceme odstranit z Positive Offset of medved. Opět vytvoříme dělicí křivky podle roviny pomocí funkce Plane Intersection Curve a vrhneme se na funkci Split Joint – vytvoření drážky. Ve funkci Split joint máme 3 možnosti vytvoření drážek. Nejvhodnější je Groove Joint, ale vyzkoušet můžete klidně ShipLap Joint. Hodnoty nastavte stejné, jak vidíte na další straně na obrázku, Width (délka) může být klidně větší, stejně tak i Depth a další. Pokud máme navoleno, tak stačí kliknout na křivku, která se nachází na vnější straně medvěda. Teď už stačí jen použít nástroj Make part

56


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 4

kapitola 5

Obrázek 53 - Tabulka Groove Joint

Obrázek 54 - Spodní lišta nástroje Make Part

spsks.cz

Díl lze vytvořit jak ze skořepiny (Shelled Piece) – náš případ, tak i z plného modelu (Solid Piece). Klikneme na vnější a vnitřní křivku, nyní máme druhou ikonku zežloutlou. Klikneme na ni a poté na přední část medvěda. Nyní již máme medvěda hotového, měli byste dosáhnout podobného výsledku, jako je na obrázku dole. V object listu se můžete přepnout na mesh core 2, což jsou záda medvěda.

Obrázek 55 -Hotová forma

57


9

kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

Práce s Patches/solids

Kromě práce s meshem a voxelama tu máme možnost vytvářet i upravovat již hotové objemové a plošné modely ve formátech IGS, step či parasolid x_t a x_b. Hodí se to především, pokud potřebujeme přesný model s dezénem a ostrými hranami. Máme tu i možnost převodu meshe či claye do plošného modelu, ke kterému je třeba speciální nástroj, tzv. autosurfacer, který si popíšeme později.

Obrázek 56 - Paleta Patches/solids

spsks.cz

Některé nástroje jsou stejné jako při práci s clay. Mezi nimi je i nástroj Wire cut solid, který již znáte. Vy si vytvořte ve sketchi nějaký tvar a poté ho pomocí Wire cut solid vytáhnete. Je to podobné jako u kapitoly 2.1. Nyní přejdeme ke Convert to clay. Obsahuje celkem 4 módy: 1) Convert Solid or clay nám převede celý model do claye, hodí se, pokud nepotřebujeme převod zpět do objemu. 2) Convert Faces se naopak hodí, pokud potřebujeme přidat nějaký detail, jako je například dezén, a pak ho převést zpět do objemu. 3) Convert with profile – zkonvertuje část podle profilu na rovině. 4) Convert with Curve loop – podobná funkce jako Convert with profile, ale vybíráme pomocí křivky, která je přichycena na objemu.

58


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

Obrázek 57 - Zkopírované křivky z hran a vytvořený ofset

spsks.cz

My použijme Convert Faces, tloušťku (Thickness ) nastavíme na cca 10 mm, inset 0 mm a overbuild 3 mm.

Obrázek 58 - Paleta Curves Pomocí nástroje Copy from edge si zkopírujeme křivku z hrany ploch – stačí jen klikat na křivky, které chcete vytvořit. Poté vytvoříme ofset minimálně 1 mm pomocí nástroje ofset curve. Směr ofsetu musí být stejný jako na předchozí stránce na obrázku – směr nám ukazuje šipka, pokud není, tak směr můžete pomocí Set tool vector změnit. Toto jsme udělali proto, abychom si vymezili pracovní prostor. Pokud bychom pracovali s modelem až ke kraji, tak by se posléze nemusel povést převod zpět do ploch či objemu. Nyní můžete přidat nějaký detail, například funkcí Emboss.

59


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

Obrázek 59 - Převod claye do plochy

spsks.cz

Jakmile je dokončeno, tak pomocí Select (hotkey S) vyberete plochu. Šipkou si zobrazíte detailní nastavení a zkontrolujte, zda je zaškrtnuté Precise fit (precizní přichycení plochy k clayi) a Auto divide patches (automatické dělení ploch). Poté klikněte dole na druhou ikonku Fit to clay. Převod se ne vždy musí povést – z důvodu podběhů, moc vysoký clay,…

60


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

spsks.cz Obrázek 60 - Povedený převod do objemového modelu

61


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

9.1 Autosurfacer

spsks.cz Obrázek 61 - AutoSurfacer

Většina CAD a CAM software neumí pracovat s trojúhelníkovou sítí. Převod plošného modelu na trojúhelníkovou síť je poměrně jednoduchý, opačně to ovšem tak jednoduše nejde. V tomto případě nám k tomu napomáhají nástroje, jako je například autosurfacer. Výstup z autosurfaceru není ideální – především kvůli jeho výsledné velikosti, která způsobuje, že se špatně edituje. Další nevýhodou je, že zaobluje strany. Pokud ale nepotřebujeme dále nijak moc upravovat model a kulaté hrany nám nevadí, je autosurfacer výborný nástroj, který nám ušetří několik hodin, ale klidně i několik dní práce. Na předchozí tabulce vidíte, že autosurfacer má mnoho možností nastavení. Geometry type – pokud chceme oplošit organický tvar (např. busta člověka, sochy…), tak je vhodné použít Organic. Pokud naopak chceme mechanické díly (např. ozubené kolo), je lepší použit Mechanical. Patch count – zde určujeme, kolik chceme mít na modelu ploch – čím méně ploch máme, tím víc model ztrácí detail. Obvykle nechávám nastaveno AutoEstimate (program si vygeneruje tolik ploch, kolik je pro něj nejdůležitější). Surface Detail – čím méně, tím je výsledný soubor menší, kratší dobu se generuje, ale zase má méně detailů. Surface Fiting – zde nastavujeme, jaká může být maximální vzdálenost ploch. Máme na výběr buď adaptive (obvykle se nastavuje okolo 0.01, ale

62


kapitola 7

kapitola 8

kapitola 9

kapitola 5

nedoporučuje se nastavit více než 0.2 mm), nebo Constant (tudíž vzdálenost bude nejmenší, co jde). Čím nastavíme menší toleranci, tím výsledný soubor bude větší a navíc se bude déle generovat. U Constant bude výsledný soubor největší.

spsks.cz

63

financovaného z fondů EU

Recommend Documents