přednáška 1 Grafické programy pro tvorbu 3D modelů Úvodní přednáška bude věnována vysvětlení obecných základních pojmů, které se v souvislosti s počítačovým modelováním používají a principu, na kterém jsou modelovací metody založené. Dnešní rozvoj zejména počítačové techniky zapřičiňuje její zásah také do jiných průmyslových odvětví, zejména pak high-tech odvětví jako letecký či automobilový průmysl, kde se 3D modelování stalo nezbytností. Propojení vývoje, konstrukce v podobě konstrukčních 3D programů s sebou přináší velké finanční úspory. Například vymodelování konstruovaného objektu umožňuje ve většině 3D konstrukčních programů generaci 2D výkresů pro výrobu, vytvoření vizualizací, podklady prototypingu, simulaci rúzných situací v podobě animace nebo vytvoření analýz (pevnostních, objemových, atp.). 2D modelace - Modelování probíhá v prostoru vymezeném dvěma navzájem kolmými osami a zobrazení je dáno rovnoběžným promítáním. Toto modelování je praktkováno např. při tvorbě technických výkresů. 3D modelování - Zkratka třídimensionálního modelování, která označuje tvorbu objektů v prostoru vymezeném třemi navzájem kolmými osami. Jedná se o perspektivní pohled, přičemž typ promítání je dán využívaným programem. 1.1 Typy grafických dat Bitmapová - Obsahují informace o velikosti obrazu, kompresi dat či kódování barev. Taková data dnes využívají především grafické programy jako jsou např. Corel Draw, apod., které vytvářejí formáty typu BMP, JPG, TIFF, GIF, apod. Prostorová iluze je zde vyvolána barevnými kontrasty nebo gradienty. Vektorová - Data popisují množiny bodů s určitou vlastností (vektory), jejichž velikost lze měnit. Takový soubor obsahuje údaje o objektech složených z křivek a jednoduchých těles, které umožńují geometrickou konstrukci, tzn. informace o jednoduchých entitách, ze kterých je objekt složen. Vektorová grafika se uplatňuje jak ve 2D technických výkresech (CAD) nebo při popisu písma (fontu). Dalším příkladem takového formátu je DWG, DXF nebo uchování dat typu 3DM (Rhinoceros), 3DS (3D Studio Max) nebo C4D (Cinema 4D). 5
1.2 Rozdělení 3D modelářů dle specializace Plošný modelář - Modelovací software, který jakékoliv 3D tělesa (objemy) skládá z hraničních ploch, které ho definují, tzn. jedná se o dutý objekt. Takovým příkladem je Rhonoceros nebo Surfacer. Objekt složený z ploch je nazýván spojenou plochou a při operaci s ním se chová jako jeden objem, je však možné jej rozložit na jednotlivé plochy, viz. Obr. 1-1. Při Boolenovských operacích s nimi (sčítání, odčítání, průnik) jsou v místech změny tvaru (objemu) vytvořeny nové plochy, které opět vytvářejí uzavřený objekt. Při ořezání nikoliv, objekt zůstává otevřený. Obr. 1-1 Rozpad kvadru vytvořeného plošným modelářem na jednostlivé plochy Objemový modelář - Vytvořené objekty nejsou tvořeny pouze hraničními plochami, ale celým objemem, tzn. při všech operacích těleso zůstává celistvé. Příkladem objemového modeláře s možností plošného modelování (tzv. hybridní) je například Invertor, Mechanical Desktop, ProEngeneer, Solid Works nebo Catia. Tyto programy se dále dělí dle ovládání na parametrické a neparametrické. 6
1.3 Prezentace 3D modelů Určena dvěma způsoby, přičemž oba využívají metodu tzv. hraniční prezentace objektů, tzn. objekt je popisován pomocí svých hraničních křivek. Polygonální modelování - Ploškové modelování. Jakékoliv těleso je prezentováno aproximací pomocí elementárních rovinných ploch, tzv. MESH. Tyto n-stranné plochy (nejčastěji n=3, tzn. trojúhelník) popisují povrchy s přesností danou množstvím polygonů. Čím vyšší počet, tím je plocha popsána přesněji. Příkladem software využívajícího polygonální objekty je 3D Studio Max (dnes již ovládá také NURBS, viz. níže, ale polygonální modelování zůstává dominantní). Obr. 1-2 Stejná součást definovaná pomocí NURBS křivek (vlevo) a pomocí polygonů (vpravo). NURBS - Jedná se o analytické vyjádření tzv. Non Uniform Rational B-Splines, nebo-li Neuniformní racionální B-splajn křivky. Tyto křivky a povrchy jsou nejvhodnější pro vytváření organických hladkých povrchů, mají vysokou přesnost při vyjádření kuželoseček. NURBS křivky využívá při své práci např. Rhinoceros, Pro Engineer. Křivky jsou určovány svými tzv. řídícími (aproximačními) body, které mohou ležet na vlastní křivce (v případě linearity, tzn. stupeň 1), v případě vyšších stupňů takových křivek leží mimo. Svojí polohou ovlivňují tvar křivky nebo plochy. Aproximační body tvoří řídící polygon. [1] Dalšími určujícími body jsou tzv. editační (interpolační) body ležící na křivce. Změnou jejich polohy se pozmění křivka pouze lokálně (mezi sousedními body). Obr. 1-3. 7
NURBS křivky jsou většinou tvořeny více segmenty. Body, ve kterých jsou segemnty křivek spojeny se nazývají uzly. NURBS plochy jsou podobně jako křivky určeny aproximačními (řídícími) body. Každý plošný objekt je opatřen vlastním souřadným systémem U, V (v případě 3D UVN), který je potřebný pro práci s tzv. isočarami, křivkami, které mají jednu souřadnici konstantní, druhá se mění dle průběhu plochy. Takové křivky se také označují jako hlavní a hraniční. Hraniční křivky jsou zvláštním případem křivek hlavních. Viz. Obr. 1-4. Výhodou takovýchto ploch je jejich snadná editace - změna velikosti či tvaru, možnost snadného spojování či navazování. Obr. 1-3 NURBS křivka se zobrazeným řídícím polygonem (modrý), řídícími body (P 0 -P 7 ) a editačními body (na křivce). Obr. 1-4 Zobrazení NURBS plochy s vyznačením isočar. 1.4 Renderování Jedná se o činnost některých programů nebo pug-in (zásuvné moduly pro modelovací programy) pro vytváření vizualizací, kdy ze zadaných dat vzniká cílový obraz. Při vizualizacích jsou využívány pro svou snadnější a časově méně náročnější realizaci polygonální modely. V případech renderování v programech pracujících s NURBS prezentací jsou objekty nejdříve převáděny na polygolnální. 8
1 Pomocí renderingu vznikají bitmapové obrazy, které zobrazují vymodelovaný objekt včetně nastavení jeho materiálů, lesků, průhlednosti, nasvícení, stínů, apod. Příklad modelu připraveného pro rendering je na Obr. 1-5. Obr. 1-5 Scéna s modelem připraveným pro renderování v renderovaném zobrazení. Obr. 1-6 Příklad renderu s nastavením průhlednosti. Obr. 1-8 Render Hummeru. Obr. 1-7 Render modelu z Obr. 1-5. Obr. 1-9 Render Hi-fi věže. 9