POČÍTAČOVÁ GRAFIKA. Cesta od geometrického modelu objektu k fotorealistickému zobrazení GEOMETRICKÝ MODEL PROMÍTACÍ METODY VIDITELNOST

Transkript

1 POČÍTAČOVÁ GRAFIKA Podle klasické definice zajišťuje počítačová grafika převod grafických dat do počítače na data digitální a obráceně. Každý grafický systém používá jako stavební kameny při tvorbě obrazu grafické elementy entity (prvky, primitiva). Jsou to např.: přímka, lomená čára, sled značek, vyplnění oblasti, text, křivka, kružnice.tyto entity mají charakteristické znaky (atributy), brvu, typ,sílu (čáry), způsob vyplnění GEOMETRICKÝ MODEL PROMÍTACÍ METODY Při tvorbě fotorealistického zobrazení prostorových 3D objektů využívá počítačová grafika jejich geometrických (i topologických) vlastností. VIDITELNOST STÍNOVÁNÍ,OSVĚTLENÍ Cesta od geometrického modelu objektu k fotorealistickému zobrazení GRAFICKÝ VÝSTUP

2 MODELOVÁNÍ KŘIVEK Jedním z problémů počítačové vědy je vstup dat. -generování dat přímo počítačem -fyzické vkládání dat za pomocí vstupního zařízení Objekty v počítačové grafice jsou obyčejně množiny bodů, které jsou omezeny plochami, případně v rovině křivkami zjednodušit vstup křivek a ploch. Základy modelování křivek - matematici a inženýři v 60. letech - P.de Casteljau (f. Citröen), P. Beziére (f. Renault), S. Coons technická univerzita M.I.T., J. Fergusson (f. Boening) Křivku z matematického hlediska můžeme popsat: -Explicitně -Implicitně -Parametricky Ukázalo se, že pro modelování a počítačové zpracování je nejvhodnější parametrické zadávání křivek. Přelom používání racionálních Bézierových křivek s neuniformní parametrizací, tzv. NURBS. Tyto metody umožňují generovat klasické geometrické prvky (koule, válec, kuželosečky) pomocí metod aproximace

3 V technické praxi není situace jednoduchá. Křivka je často zadaná pomocí množiny řídících (opěrných bodů), které jsou výsledkem nějakého měření nebo vyplynou z technických požadavků. Cílem je nejenom křivky nakreslit, ale i vytvořit matematický model, který umožní další operace s nimi (změna tvaru, změna zadání) a studium jejich vlastností. Konstruktér se nesetká s matematickým modelem používaných křivek, ale zná jejich vlastnosti a způsob jejich zadávání. CAD systémy umožňují různé typy křivek počítačové grafiky: -interpolační křivky, které procházejí danými řídícími body (obr.č.1) -aproximační křivky, které nemusí procházet řídícími body a pouze kopírují tvar lomené čáry určené řídícími body, tato lomená čára se nazývá řídícím polygonem (mnohoúhelníkem) aproximační křivky (obr.č.2). Příklad aprox. křivky např. Beziérovy křivky (obr.č.3).. Obr.č.1 Obr.č.2 Obr.č.3

4 MODELOVÁNÍ PLOCH Užití ploch v praxi a jejich modelování úzce souvisí s modelováním křivek. Rozvoj CAD systémů s sebou přinesl používání aproximačních i interpolačních ploch (tzv. free surfaces) k vytváření povrchů karoserií, trupů a křídel letadla i dalších předmětů. Tyto plochy se používají k popisu přírodovědných jevů tj. geologických, fyzikálních, biologických, medicínských. Interpolační plochy jsou dány body nebo křivkami, které plocha musí obsahovat (obr.č.1) Aproximační plochy jsou dány sítí řídících bodů, které plocha nemusí obsahovat, plocha pouze kopíruje (sleduje) tvar mnohostěnu vzniklého z řídicí sítě (obr.č.2). Umožňují také interaktivní práci konstruktéra, okamžitou změnu návrhu plochy podle technických či estetických požadavků. Při vytváření matematického modelu plochy se neobejdeme bez jejího matematického vyjádření. (obr.č.1) (obr.č.2).

5 MODELOVÁNÍ TĚLES Těleso je reálný objekt, který má nejrůznější geometrické a fyzikální vlastnosti (tvar, barvu, materiál). CAD systémy zaměřené na technické aplikace uvažují též technologické a konstrukční vlastnosti těles (objem, způsob opracování). Pro zjednodušení si můžeme těleso představit jako mnohostěn (obr.č.1). (obr.č.1) MODEL TĚLESA Je soubor informací, které jednoznačně definují geometrický objekt -geometrie modelu je ta část informací, které definují velikost, tvar tělesa a jeho umístění v prostoru. Jsou to zpravidla souřadnice vrcholů. -topologie modelu je ta část informací, které popisují vazby mezi objekty modelu. -Hranový model - obsahuje informace, kterými je jednoznačně definován, tvořený pouze vrcholy a hranami tělesa (nejednoznačně definováno těleso) -Plošný model - obsahuje informace, které jednoznačně definují objekt, tvořený pláštěm tělesa (vrcholy,hranami, stěnami) odstranění nejednoznačnosti -Objemové modely Solid obsahuje informace, které jednoznačně definují prostor, vyplněný tělesem. Algoritmy nad objemovými modely rozpoznají hmotu tělesa, umí rozlišit vnitřní body, vnější body a body hranice tělesa

6 VIZUALIZACE - RENDERING Rendering je tvorba reálného obrazu na základě počítačového modelu, nejčastěji 3D. Rendering obsahuje v závislosti na softwaru mnoho parametrů a nastavení, kterými lze ovlivnit konečný vzhled scény. Pod pojmem rendering rozumíme souhrn metod, které slouží k vytvoření fotorealistického obrazu prostorového (3D) objektu na grafickém výstupním zařízení (obrazovka, tiskárna). Techniky renderingu simulují barvy, povrchy a světelné efekty pro obraz ideálního, virtuálního modelu. Syntéza obrazu je odvětví, které významně ovlivňuje tvorbu počítačových her, programů pro tvorbu grafiky a animaci a programů CAD/CAM.Realistické počítačové obrazy nacházejí uplatnění při tvorbě filmových efektů, architektuře, vojenství, při simulaci fyzikálních jevů nebo projektech pracující s virtuální realitou. GEOMETRICKÝ MODEL PROMÍTACÍ METODY VIDITELNOST STÍNOVÁNÍ,OSVĚTLENÍ GRAFICKÝ VÝSTUP

7 VSTUPNÍ ZAŘÍZENÍ - 3D skenery V současné době rostou požadavky na rychlé získání digitální podoby nejrůznějších objektů (od strojních součástí přes lidské tělo až po budovy). Digitální model lze vytvořit dvěma způsoby: Ve 3D modeléru (Studio 3D Max, Lightwave, CAD systémy,...) jde o softwarovou tvorbu modelu, která je časově náročná, digitální model není přesnou kopií reálného objektu Pomocí 3D digitizérů (Microscribe, Freepoint, Atos,...) vytvoření modelu hardwarovou cestou je mnohem rychlejší a efektivnější než předchozí způsob, digitální model je přesnou kopií, která se dá ještě upravovat Použitím 2D skeneru jsme využili nejjednodušší cesty, jak přenést fotografii do počítače. U 3D skenerů jde opět o nejjednodušší cestu k přenosu reality, tentokrát však do počítače vkládáme prostorové objekty. Množství přenesených dat je, v porovnání s 2D skenerem, mnohem větší, proto je nutné mít ke zpracování výkonnou výpočetní techniku. I přes možnosti využití v jiných oborech se 3D skenery nejčastěji používají ve strojírenské výrobě. Proces přenosu reálné součásti do 3D dat má odborný název Reverse Engineering a mnoho způsobů využití. Současní špičkový designéři vytvářejí své návrhy v podobě hliněných modelů, které je pro potřeby výroby nutné převést do CAD aplikací, a to je možné pouze s použitím technologie 3D skenování. Tohoto způsobu vytvoření geometrie se nejvíce využívá v automobilovém průmyslu, kde se pracuje s velmi složitými křivkami, jejichž vymodelování je téměř nemožné.

8 Digitalizace - nazývaná také trojrozměrná numerizace -je komplexním řešením pro různá použití při tvorbě modelů či rekonstrukci 3D fyzických předmětů do CAD systémů. -šetří čas, zvyšuje produktivitu, vysoká přesnost, což zvyšuje kvalitu výroby prototypů. -Využití v celé řadě výrobních sektorů; automobilový, letecký, lodní či v průmyslovém designu. Využívá se měřících zařízení, tzv. digitizérů, skenerů, které snímají prostorové souřadnice bodů z povrchu snímané 3D fyzické součásti a zobrazují je v reálném čase. Body jsou snímány prostřednictvím systémů připojených k trojrozměrnému mobilnímu měřícímu zařízení. Výstupní veličinou z prostorové digitalizace je soubor 3D bodů, nazývaný cloud of points či jinak mrak bodů. Snímací zařízení se dělí podle snímání na : kontaktní a nebo bezkontaktní. Nejčastěji používané jsou 3D digitizéry a stacionární souřadnicové systémy CMM (Control Measuring Machine). Dále zařízení pro digitalizaci 3D desktop (stolní) a systémy pro měření objektů až několik metrů velkých. Bezkontaktní systémy měření jsou skenery pracující nejčastěji na laserovém nebo optickém principu. Tato zařízení vytváří hustou síť bodů. Všechny uvedené typy přístrojů jsou vhodné pro snímání vnější geometrie. Existují i systémy pro snímání geometrie vnitřní. Dále se dělí podle dosaženého stupně přesnosti, a to na zařízení použitelná např. pro Rapid Prototyping nebo Rapid Inspection.

9 1. Mechanické 3D skenery Objekt je fyzicky osaháván hrotem, který je zavěšený na mechanickém rameni. V každém kloubu ramene je senzor, který zaznamenává natočení ramene v daném místě. Poloha skenovaného bodu se získá vyhodnocením ze všech kloubů ramene. Nevýhodou je nutná dobrá znalost obsluhy, která předem na objekt vyznačí body, které musí nasnímat, aby se získal přesný digitální obraz fyzického objektu. A časová náročnost. Výstupem z tohoto zařízení jsou body definované souřadnicemi (x, y, z). -vhodné pro digitalizaci složitých těles jak s dutinami, tak i s nerovnoměrným povrchem -nedají se získat informace o textuře povrchu Dotykový skener Microscribe

10 2. Optické skenery Objekt je snímán z několika úhlů pomocí optického zařízení. Natáčení objektu se provádí ručně a nebo pomocí polohovacího zařízení (krokový motorek řízený počítačem). Princip je takový, že objekt se vyfotí a data se odešlou do počítače. Po získání snímků ze všech úhlů se data zpracují a pomocí metody aproximace se vytvoří digitalizovaný model. Většina skenerů umožňuje vytvářet modely užitím sejmutých bodů, polygonů, křivek typu spline a dalších standardních geometrických entit. Kvalita zdigitalozovaného objektu je ovlivněna počtem získaných snímků a jednobarevným pozadím kontrastujícím se skenovaným objektem. Výhodou tohoto snímacího zařízení je informace o povrchu objektu (textuře) získaná na snímcích (2D fotografiích). Značnou nevýhodou je nedokonalost zreprodukování prohlubní na snímaném objektu, které nejsou průchozí. Zařízení dokáže pouze rozeznat náznaky změn prohlubní v kritických místech. Optický skener Atos II

11 3. Laserové 3D skenery Tato snímací zařízení pracují na stejném principu jako např. sonar. Využívá se vlastnosti laserového paprsku. Skenování objektu spočívá v tom, že se kolmo proti předmětu vyšle laserový paprsek, který se od něj odrazí a vrátí se zpět do skenovacího zařízení, kde se vyhodnotí. Vyhodnocením doby, která uplyne od vyslání do vracení paprsku, získáme informaci o rozměru předmětu ve směru letu paprsku. Informace o zakřivení povrchu plyne z úhlu pod jakým se paprsek vrátí zpět do zařízení. Spojením těchto informací se získá přesná poloha bodu, která se odešle do počítače. Dochází k tzv. obkroužení tělesa, které se popřípadě otáčí a skenovací zařízení stojí. Kvalita digitalizovaného objektu je dána hustotou s jakou laserový paprsek pokryl plochu reálného tělesa. Výstupem je soubor dat o polygonech definující geometrii povrchu tělesa. Tato zařízení jsou vysoce přesná, nenáročná na obsluhu a v praxi nejvíce žádaná. Což se odráží na jejich ceně. Laserový skener Vivid 700

12 4. Destruktivní 3D skenery Zařízení, která snímají jak vnitřní, tak i vnější povrch objektu. Jak už napovídá název, tak digitalizovaný objekt je po použití této metody zničen. Skenovaná součást je před procesem digitalizace pokryta speciálním materiálem, který při zpracování 2D snímků poskytne vysoký kontrast mezi součástí a výplňovým materiálem. Poté se z prostoru vyčerpá vzduch, čímž vznikne vakuum, které způsobí, že se speciální materiál dostane do všech dutin skenovaného objektu. Takto připravený blok se přemístí do skenovacího zařízení, kde se připevní k frézovacímu stolu a vlastní skenování proběhne v okamžiku odfrézování ultratenké vrstvy materiálu. Nově vzniklý povrch se pak skenuje pomocí optického skeneru a získaná data se odešlou ke zpracování. Použití převážně při složité vnitřní digitalizaci objektu. Destruktivní skener RE 1000

13 5. Ultrazvukové 3D skenery Tato zařízení fungují na principu bezkontaktního snímání povrchu objektu ultrazvukovou sondou. Skenování se provádí manuálně ultrazvukovou sondou ve tvaru pistole s kovovým hrotem. Ten přikládáme ke skenovanému povrchu objektu a stiskem spouště dojde k vyslání ultrazvukového signálu, který je dekódován pomocí ultrazvukových čidel do prostorových souřadnic. Nevýhodou zařízení je jeho relativně malá přesnost, která se pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,5 mm. Tato malá přesnost je pro některé oblasti vytváření 3D modelů zanedbatelná. Ultrazvukový skener Freepoint

14 6. Rentgenové 3D skenery Tato zařízení se používají také na skenování vnitřní geometrie objektu, ale za použití rentgenového záření. Na rozdíl od destruktivních 3D skenerů nezpůsobují destrukci digitalizovaného objektu. Princip je stejný jako klasický rentgen používaný ve zdravotnictví s tím rozdílem, že se při záření používá vyšší intenzita. Většinou se používají spíše pro kontrolu objektů jako jsou potrubí, kotle a jiné uzavřené nádoby. Pro získání dat pro 3D model se převážně nepoužívají.

15 REVERSE ENGINEERING Klasický strojírenský proces vychází z CAD modelu a končí výrobou součástky. Proces Reverse Engineering je přesně opačný, na začátku je reálná součástka a ta se převádí do digitální podoby. Prvotním předpokladem pro použití Reverse Engineeringu je existence reálné součástky, ať už se jedná o prototyp nebo náhodně vybranou součástku z velké výrobní série, kterou potřebujeme převést do CAD systému. Tato součástka se musí zdigitalizovat pomocí vhodné skenovací technologie. Další fází je zpracování naskenovaných dat. K tomu slouží speciální programy pro práci s mrakem bodů a modifikaci obecných ploch. Součástka je nyní prezentována jako 3D model vytvořený v plošném CAD modeláři a může se načíst do klasického 3D CAD programu. V CAD programu se takto vymodelovaná součástka chová jako kterýkoliv jiný 3D model, ovšem bez historie vzniku. Nyní se může vytvořit chybějící výkresová dokumentace, modifikovat rozměry nebo tvar, provádět pevnostní, dynamické nebo kinematické analýzy, začlenit součástku do již existující sestavy, může se z ní vytvořit virtuální model přístupný na internetu nebo se může připravit pro výrobu na CNC strojích.

16 Využití Reverse Engineeringu Důvodů proč využívat Reverse Engineeringu je hned několik. Základním kriteriem je absence 3D digitálního modelu (máme k dispozici pouze výkresy, 2D CAD model nebo reálnou součástku). Pod pojmem Reverse Engineering si představme vytvoření 3D digitálního modelu z modelu reálného. V moderním průmyslovém odvětví jako je automobilový průmysl se Reverse Engineeringu využívá při kontrole designového návrhu karoserie automobilu. V první fázi designér navrhne tvary, které modeluje na reálném hliněném modelu. Tento hliněný model, který je většinou v měřítku 1:1, se pomocí 3D skeneru převede do CAD prostředí. Teď je tedy k dispozici digitální 3D model karoserie, který se může pomocí speciálního CAD/CAM softwaru přetransformovat na výrobní data, která se odešlou na výrobní zařízení. Zde se vyrobí zkušební série plechů, které se zdigitalizují opět pomocí 3D skeneru. V poslední fázi se porovnává shoda mezi návrhem designéra a vyrobeným vzorkem. Případné neshody se upravují na úrovni transformace dat do CAD/CAM systému. Oblastí blízkou Reverse Engineeringu je Quality Control, která se zabývá kontrolou rozměrů reálného výrobku. K tomuto účelu slouží jiné specializované softwary, které pracují přímo s výstupními daty 3D skeneru (mrakem bodů). Při porovnávání mají načtený teoretický 3D model (vytvořený v CADu), na který "přiloží" model tvořený naskenovanými prostorovými body. Tyto softwary dokáží vyhodnotit rozměrové nebo geometrické tolerance předepsané na teoretickém modelu. Rozdíly se zobrazí graficky na monitoru pomocí barevné palety. V automatickém provozu je možné určit, zda je daná součástka vadná a má se ze série odstranit. Příkladem tohoto typu softwaru může být např. Verdict od firmy Imageware.

17 VÝSTUPNÍ ZAŘÍZENÍ - takové zařízení, které nějakým způsobem zobrazuje výstup z počítače. V případě 3D modelování je výstupem buďto 2D technický výkres vytištěný na plotteru nebo 3D model vytištěný na 3D tiskárně a nebo obráběcí CNC stroj, cutter, robot, který je pomocí CAM řízen a tvoří hotový 3D prototyp. Technický výkres nese normalizované informace, podle kterých se dá prototyp vyrobit. Jako medium se používá papír navinutý na velkých rolích. Vpřípadě vytvoření 3D modelů jako výstupu z CAD systému je důležitý následující postup. Navržený model musí nést dokonalé geometrické informace, poté je aproximován pomocí trojúhelníků (triangulace). Parametry triangulace ovlivňují výslednou přesnost modelu a lze je nastavit. Pak už následuje uložení do požadovaného formátu, který ovlivňuje metodu Rapid Prototyping.

18 Rapid Prototyping (RP) 3D tiskárna Je moderní technologie, která umožňuje rychlou a levnou výrobu prototypů a modelů vytvořených konstrukcí v dostupných CAD systémech a nebo načtením objektu prostorovým skenerem. Nyní se tvorba modelů a prototypů (prezentačních i funkčních) směřuje především do oblasti výroby forem a nástrojů. Na významu nabývá také oblast koncepčního konstruování, kdy se ověřují definované vlastnosti budoucího výrobku. Ve specifických případech se modely vybudované pomocí RP využívají k simulacím nebo různým typům zkoušek (obtékání, namáhání, atd.), odstraňování chyb, kontrola, ergonomie, provádění funkčních úprav. Přednosti metod RP se využijí nejen v automobilovém, leteckém a elektrotechnickém průmyslu ale i ve výrobě spotřebního zboží. Ve všech oblastech se docílilo zkrácení vývojových časů, snížení nákladů a zvýšení kvality výrobku.

19 Vznik modelu metodou RP Při výrobě prototypu se může postupovat klasickými metodami jako je lití do formy nebo obrábění polotovaru. Přestože i tyto metody dnes už nabízejí propojení s CAD/CAM systémy jejich použití je technologicky velmi náročné a zdlouhavé. Technologie RP narozdíl od obrábění, kdy se materiál odebírá, pracuje na principu přidávání materiálu po vrstvách. Prostorový model je při tomto procesu vytvářen přímo podle dat, která přicházejí z počítače. 3D model načtený z CAD/CAM systému je příslušným postprocesorem rozdělen na geometrická data jednotlivých vrstev. Tato data je už schopen zpracovat prototypovací stroj, který fyzický model postupně vrstvu po vrstvě opět sestaví. Tímto způsobem se můžou vyrobit i tvarově velmi složité součástky s dutými vnitřními prostory, šikmými i vodorovnými spodními stěnami nebo žebry. V průběhu let se prosadilo hned několik technologií, které pracují na principu modelování pomocí postupného přidávání nebo vytvrzování vrstev materiálu. Mezi tyto technologie, které jsou souhrnně označovány termínem Rapid Prototyping patří: Stereolitografie Selective Laser Sintering (SLS) Laminated Manufacturing (LM) Solid Ground Curing (SGC) Fused Deposition Modelling (FDM) Metody Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing Multi-Jet Modelling

20 Stereolitografie Je nejpřesnější metoda, která vytváří model postupným vytvrzováním fotopolymeru (plastická hmota citlivá na světlo) pomocí UV laseru, který je na základě dat (ve formátu STL) zaměřován poměrně složitou optickou soustavou. Na základě dříve vytvořených informací o rozměrech příčných řezů jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítané řídící údaje, které vedou paprsek laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem. Model je tak vytvářen na nosné desce, která se na začátku nachází přímo pod hladinou polymeru. Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným odebráním z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model). Výhodou je rychlost a přesnost v rozmezí 0,05 0,2 mm/100 mm a široké spektrum použití. Nevýhodou stereolitografie je především pomalý proces tvrzení polymeru a u některých materiálů také malá tepelná odolnost vzniklého modelu. Stejně jako u většiny ostatních technologií je možno modely vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro vstřikování a lití. Princip stereolitografie