Vizualizace 3d designu ve strojírenství

Vysoké učení technické v Brně Brno University of Technology

Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor průmyslového designu

Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design / Department of Industrial Design

Vizualizace 3d designu ve strojírenství Pojednání ke státní doktorské zkoušce Discourse on the Dissertation Thesis

Autor práce: Ing. Jan Preiss Author

Brno 2007

OBSAH

1. Vymezení řešené problematiky - Cíle řešení 2. Přehled současného stavu na poli 3d vizualizací

2.1 Terminologie počítačové 3d grafiky a vizualizace



2.2 Metody vizualizace v projektech průmyslového designu

3. Zhodnocení současných 3d vizualizačních metod

3.2 Kriteria hodnocení 3d vizualizace



3.3 Současný způsob testování 3d vizualizací

4. Cíl disertační práce

4.1 Metodika postupu řešení



4.2 Dílčí cíle řešení



4.3 Další postup řešení

5. Závěr

VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY - CÍLE ŘEŠENÍ

Úvod Pro každý designérský projekt dnešní doby je zřejmá potřeba jej kvalitně a atraktivně prezentovat jak pro marketingové tak i pro technické účely. Dokonalé pochopení možností vizualizačních nástrojů, jejich přínosu a také jejich limitů je rozhodujícím faktorem pro efektivnost designéra nejen v rámci projektu, ale i v rámci týmu.

1. Vymezení řešené problematiky Téma disertační práce spadá do oblasti tvůrčí činnosti. Hlavní obor je Průmyslový design a následně je specializován na část 3D vizualizací ve strojírenství. Základem práce je rozbor náročnosti konkrétních 3d vizualizačních technik a následnou aplikaci těchto metod na modelový projekt a vytvoření ukázkové multimediální prezentace s dokumentací.

2. Cíle řešení Cílem doktorské práce je komplexní analýza současných 3d vizualizačních metod užívaných pro projekty průmyslového designu a strojírenství, konkretizace nejefektivnějších metod 3d vizualizace a finálně vytvoření modelové multimediální prezentace designérského projektu.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU NA POLI 3D VIZUALIZACÍ

2. Přehled současného stavu na poli 3d vizualizací • Poznatky z teorie 3d vizualizací vztahující se k tématu disertační práce. • Popsány nejběžnější 3d vizualizační metody používané v projektech průmyslového designu

2.1 Terminologie počítačové 3d grafiky a vizualizace 2D vs. 3D grafika • 2D grafika - data určena k přímému zobrazení • 3D grafika - data grafického souboru uložena v počítači pro účel dalšího výpočtu a renderingu 2D obrazů. 3d grafika je závislá na stejných algoritmech. (např.. 2D vektorová grafika a drátěný 3d model, nebo 2D rastrová grafika a finální 3d render. ) 3d Model • matematická reprezentace jakéhokoliv třídimenzionálního objektu (živého či neživého) •  technicky vlastně není grafikou dokud není vizuálně zobrazen. • 3d modely nejsou omezeny na virtuální úroveň.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

TERMINOLOGIE POČÍTAČOVÉ 3D GRAFIKY A VIZUALIZACE

Proces tvorby 3d počítačové grafiky rozdělen do tří základních fází: 3D Modeling, Layout scény a Animace, Rendering 3D modeling • vzniká model, který definuje tvar objektu. • data pro 3d model vytvořena na počítači pomocí 3d software, anebo 3d naskenováním objektů reálného světa • data pro model lze generovat také procedurálně nebo fyzikální simulací

Layout scény a Animace • objekt umístěný do scény, která definuje prostorové vztahy mezi objekty. • animace definuje dočasný stav objektu, jak se pohybuje a deformuje v závislosti na čase. • metody animace: pomocí klíčových snímků, inverzní kinematiky a pomocí zachycení pohybu

Rendering • konverze 3d modelu na 2D obraz pomocí simulace přenosu světla pro fotorealistický výstup anebo pomocí metod pro nefotorealistické zobrazení. • základní operace : transport (definuje kolik světla se dostane z jednoho místa na druhé) a scattering (rozptyl, který definuje interakci povrchu se světlem)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

TERMINOLOGIE POČÍTAČOVÉ 3D GRAFIKY A VIZUALIZACE

Termín 3d vizualizace vs. multimediální prezentace 3d vizualizace • grafický soubor reprezentující určitý designérský proces, kterým může být reálný či fiktivní objekt průmyslového designu, architektury či dokonce grafiky. • výstup ve formě statických renderů či 3d animací (videosekvence znázorňující objekt při různých stavech). • Výstupním formátem jsou rastrovéi vektorové obrázky (JPEG, TIFF, SWF), či soubory obsahující video v typických formátech (AVI, MOV) Multimediální prezentace • soubor integrující více vizuálních prvků do jednoho výstupního prostředí (např.. FLASH, DHTML, PPS). • Integruje prvky 3d vizualizace s 2D grafikou, textem, videosekvencemi atd... v jednotném prostředí, • Může a nemusí být interaktivní s divákem. • Výsledkem je většinou soubor obsahující kompletní informace, nejen vizuálního charakteru

Pojem multimediální prezentace je nadřazenou skupinou, nikoliv však závislou pro 3d vizualizace.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

METODY VIZUALIZACE V PROJEKTECH PRŮMYSLOVÉHO DESIGNU

2.2 Metody vizualizace v projektech průmyslového designu V projektech průmyslového designu jsou nejčastěji užity tyto metody 3d vizualizace: Metoda RAYTRACE Výhodou je rychlost a poměrné realistické zobrazení reflexivních a refraktivních povrchů objektů. Omezením je z důvodu vypočtu lokálního osvětlení, že jsou stíny poměrně ostré a difuzní povrchy značně nerealistické. Dalším omezením je téměř výhradní použití bodových světel.

Metoda RADIOSITY Na výsledném osvětlení povrchu tělesa se podílí nejen přímé světelné zdroje, ale také odrazy od okolních světel a okolních povrchů. Výhodou je soubor hodnot vyzařování závislých na geometrii, ne na pohledu do scény. Jeden výpočet radiosity můžeme použít pro zobrazení jakéhokoliv pohledu do scény. Nevýhodou je nemožnost řešit otevřené scény, algoritmus nebere v úvahu jiné šíření světla než ideálně difuzní. Další nevýhodou je téměř nemožnost zobrazit lesklé a průsvitné objekty.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

METODY VIZUALIZACE V PROJEKTECH PRŮMYSLOVÉHO DESIGNU

Metoda osvětleni scény pomoci HDRI HDRI probe - zdroj světla, nejčastěji jako jediný zdroj osvětlení ve scéně. Kombinace technik pomocí metody Monte Carlo velmi přesná reprezentovace osvětlovací rovnice, řeší i problémy difuze materiálů a kaustiky. Díky naměřeným charakteristikám okolního světla lze pomocí HDRI modelovat chování syntetických scén v různých světelných podmínkách. Můžeme tedy scénu osvětlit exteriérovým nebo interiérovým světlem a zjistit vliv tohoto osvětlení na barevné vlastnosti materiálu, odrazy, refrakce.

Tato metoda je velmi vhodná i pro zobrazení dynamických scén protože díky okolní světelné mapě a všesměrovosti působí odlesky a difúzní odrazy na pozorovatele daleko věrohodněji, než u scén zobrazených pomocí metod Raytracing či Radiosity.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ZHODNOCENÍ SOUČASNÝCH 3D VIZUALIZAČNÍCH METOD

3. Zhodnocení současných 3d vizualizačních metod 3.2 Kriteria hodnocení 3d vizualizace V této práci jsem zvolil tři hlavní kritéria pro určení vlastností a výkonu 3d vizualizačních metod:

Kritérium vizuálního stylu Rozhodujícím faktorem je objektivní vizuální forma ztvárnění. • dvě kategorie: Non-Photorealistic vs. Photorealistic • NPR metody jsou používány pro zvýšení čitelnosti a přehlednosti. • znázornění v technické ilustraci není bezpodmínečně fotorealistické. • Proces fotorealistického renderingu je výpočetně velmi náročný Při objektivním srovnávání je patrné, že metody použité pro Non Photorealistic a pro Photorealistic renderování si navzájem nekonkurují. Účel je vždy přesně definován kvalitativním požadavkem na výstup.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ZHODNOCENÍ SOUČASNÝCH 3D VIZUALIZAČNÍCH METOD

Kritérium Použité metody Metody se navzájem liší v algoritmu pro interpretaci vizuálních dat • dělení podle příspěveku intenzity osvětlení povrchu okolním světlem ve vztahu scéna a objekt na lokální a globální metodu osvětlení (Local Illumination, Global illumination ). •  vychází z fyzikálních modelů, zejména z oblasti optiky, termodynamiky a nukleární fyziky (Raycasting, Raytrace, Radiosity, FEA, Monte Carlo, QMC,) které jsou následně adaptovány pro výpočet 3d grafiky •  Kvalita výstupu jednotlivých metod je dána výpočetním modelem jenž používají.

Při objektivním srovnávání je patrné, že vizualizační metody RAYTRACE, RADIOSITY A METODA OSVĚTLENÍ POMOCI HDRI RENDEROVÁNÍ si navzájem objektivně konkurují. Kvalita výstupního souboru a časová náročnost jsou v přímo závislém vztahu.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ZHODNOCENÍ SOUČASNÝCH 3D VIZUALIZAČNÍCH METOD

Kritérium Fyzikální reálnosti Dělení na dvě hlavní skupiny: BIASED a UNBIASED (Zkreslené a Nezkreslené). Toto je v podstatě nejobecnějším dělením vizualizace. • Metody UNBIASED - podstata fyzikálně korektní simulace světla - přesné fotorealistické rendery • Jediný artefakt který produkují je šum, výsledek konverguje v průběhu času k přesnému řešení • mají malé množství parametrů které musí uživatel nastavit. • Metody BIASED - Aproximační metody, počítají s určitým podílem chyby. • je ovšem možné chybu přesně vymezit a výpočet optimalizovat.

Při srovnávání se lze domnívat, že vizualizační metody používající BIASED a UNBIASED přístup k řešení osvětlení scény si navzájem konkurují pouze subjektivně. Při optimálním přístup kvalita výstupního souboru a časová náročnost nemusí být v přímo závislém vztahu.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

SOUČASNÝ ZPŮSOB TESTOVÁNÍ 3D VIZUALIZACÍ

3.3 Současný způsob testování 3d vizualizací Testování výkonnosti se většinou provádí srovnávací metodou. • Vstupní parametry: hardware konfigurace, použitý modul, popřípadě konfigurace modulu. • Jako srovnávací kriterium se obvykle čas potřebný pro danou úlohu.

I -Testování jednoho konkrétního renderovacího modulu v rámci různých hardwarových konfigurací. • možno objektivně zjistit optimální hardware pro danou aplikaci. • Toto testování se obvykle řeší pomocí Benchmark metod. • přesně dané modelové scény anebo přesný set testů

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

SOUČASNÝ ZPŮSOB TESTOVÁNÍ 3D VIZUALIZACÍ

II -Testování konfigurací renderovacího modulu v rámci neměnné hardwarové konfigurace • optimalizování parametrů výpočtu a k určení efektivnosti výpočtu • určení výkonu hardware • definování optimalizace nastavení konkrétního renderovacího modulu pro modelové případy vizualizace

III - Testování, kdy se v rámci jednotné hardwarové konfigurace testují různé renderovací systémy • při pokud možno identickém nastavení jejich parametrů. • kvalitativně určuje nejlepší vhodnost renderovacích modulů pro danou modelovou scénu či jejich výkonnost při konkrétní hardware

Parametr testování celková doba renderingu do finálního výsledku pro biased systémy. Parametr testování fixně daná doba a srovnávaní parametru vizuální kvality v případě unbiased metod.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE - METODIKA POSTUPU ŘEŠENÍ

4. Cíl disertační práce 4.1 Metodika postupu řešení • Zhodnocení současného stavu • Teoretická analýza renderovacích metod • Kategorizace vizuálních metod • Praktická analýza vybraných renderovacích modulů • Výběr nejefektivnější metody a aplikace na modelovou scénu • Vytvoření multimediální prezentace projektu

4.2 Dílčí cíle řešení • provedeno zhodnocení současného stavu na poli 3d vizualizačních metod • stanovena jednotlivá kritéria a metodika pro praktickou analýzu a vlastní hodnocení efektivnosti 3d vizualizačních metod.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE - METODIKA POSTUPU ŘEŠENÍ

4.3 Další postup řešení Praktická analýza, zabývající se již konkrétními výsledky pro závislosti renderovacích modulů a hardwarových konfigurací. Evaluace těchto výsledků a výběrem nejvhodnější metody či metod pro aplikaci na projekty průmyslového designu.

4.3.1 Praktická analýza • systematické testování renderovacích systémůna různých renderovacích modulech při zachování stejných obecných parametrů modelové scény (materiály objektů, definice scény, osvětlení scény..). • Hlavním cílem je určit výkonnost jednotlivých renderovacích modulů • Parametrem je poměr vizuální efektivnosti vztažené k časové náročnosti. • efektivnost je částečně subjektivní kriterium, bude nutno vytvořit určitý testovací vzorek Praktická analýza bude uzavřena vyhodnocením renderovacích systémů dle kriterií • vizuální efektivnost (výsledná kvalita výstupu dle vstupních požadavků) • výuková křivka (složitost přípravy vstupních dat pro renderovací modul) • čas výpočtu (doba samotného výpočtu pro dosažení požadované standardní kvality)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE - METODIKA POSTUPU ŘEŠENÍ

4.3.2 Moduly pro testování Vybrány tak aby pokryly nejčastěji používané nástroje pro vizualizaci designérských projektů. Do testů budou také zahrnuty některé Open Source moduly pro rozšíření testovacích metod. Testovaný software:

Rhinoceros 3D – Nurbs modeler Cinema4D – Polygon modeler

Testované moduly:

Flamingo Rhino renderer V-RAY Maxwell renderer Advanced render v2.5 final render stage2 Indigo

Testované metody:

Non Photo Realistic Raytrace Global illumination Image based lighting - HDRI Unbiased rendering

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ZÁVĚR

5. Závěr V projektech průmyslového designu je v současnosti používáno široké spektrum 3d vizualizačních technik, založených na různých výpočetních metodách. Přesto že se tyto metody dnes již běžně integrují do řešení projektů, je patrné, že často není využit plně jejich potenciál anebo naopak není správně odhadnuta efektivnost metody ze strany uživatele. V praxi se pak běžně užívá zbytečně komplexní metoda na poměrně elementární úkol a naopak. Po zhodnocení současného stavu na poli 3d vizualizací bylo zjištěno, že pro srovnání výkonnosti a efektivnosti 3d vizualizačních metod existují pouze omezené studie. Komplexnější srovnání, které by přesněji definovalo vhodnost určitých metod či metody pro konkrétní typ projektu není v běžné praxi řešeno. Další fází této práce bude praktická analýza, kdy bude hodnocena efektivnost jednotlivých metod v závislosti na kvalitě výstupu a časové náročnosti. Vybraná vizualizační metoda, která ve srovnávací studii se prokáže jako nejefektivnější bude poté použita ve finální etapě pro vytvoření modelové 3d vizualizace.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Děkuji za pozornost