Создание моделей, сложных объектов. (Технология обратного проектирования. Рендеринг. Полигональная сетка.)

9 класс Урок 13

Тема: Создание моделей, сложных объектов.

Технология обратного проектирования. Рендеринг. Полигональная сетка.

Цели:

- ознакомиться с понятиями «технология обратного проектирования», «рендеринг», «полигональная сетка» в 3D;

- пополнить сведения о 3D моделировании;

- развивать память, внимание, мышление;

– воспитывать аккуратность и внимательность, интерес к профессии будущего.

 Тип урока: изучение и закрепление нового материала.

Межпредметные связи: информатика, ИЗО.

Оборудование: альбом, карандаши, проектор.

План урока

1. Организационный момент

2. Повторение ранее изученного материала

1. Каковы особенности станков с ЧПУ? (Станки с ЧПУ (числовым

программным управлением) – это автоматизированные станки-роботы, которые могут производить операции по заданной на компьютере программе без непосредственного участия человека.

Когда мы говорим о станках с ЧПУ, то имеем в виду механизмы, создающие деталь вычитанием лишнего материала из заготовки, а не добавлением нового. Экстрактивные процессы в производстве принято называть механической обработкой, сокращенно — механобработкой.

1. Охарактеризуйте области применения ЧПУ. (Станки с ЧПУ используются в

таких областях промышленности: металлообработка, деревообработка, пластиковая промышленность, автомобильная промышленность, медицинская промышленность,

электронная промышленность.)

1. Изучение новой темы

1. Технологии обратного проектирования.

Обратное проектирование - это специальный метод, который позволяет воссоздать объект в виде виртуальной модели по существующей физической детали. Полученная 3D модель в дальнейшем может использоваться для конструирования (CAD), производства (CAM) и проектирования на компьютере (CAE). Упрощенно этот процесс можно представить как измерение объекта специальным прибором (3D сканером) и последующую реконструкцию в виде трехмерной модели.

Задачи обратного проектирования (также используется реверс-инжиниринг) многообразны. Это и определение функциональности продукта и отдельных его компонентов, восстановление и создание технической документации. На современном производстве практически все детали проходят процедуру 3D сканирования для получения технической документации деталей, сконструированных до широкого распространения программ САПР.

Измерение объектов может происходить с помощью аддитивной техники - стационарных и портативных 3D сканеров, а также роботизированных манипуляторов с установленным оборудованием для сканирования. Данные, полученные в результате измерений - это облако точек, которое затем преобразуется в файл STL (сетчатая структура с треугольной формой ячейки). Этот файл можно использовать для моделирования твердотельных моделей САПР или совокупности поверхностей (NURBS - неоднородные рациональные сплайны).

Обратное проектирование используется повсеместно - и в больших и в крупных компаниях. Преобразование физических объектов в цифровые модели широко востребованы в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, архитектуре и искусстве.

Вот лишь некоторые примеры того, как реверс-инжиниринг применяется в разных областях:

Автомобилестроение

•  Работа с листовыми металлами. Изготовление штампов для вырубки деталей, которые были изготовлены вручную и не имеют цифровой модели.

•  Оцифровка моделей из глины и других пластичных материалов для разработки нового дизайна.

Аэрокосмическая промышленность

•  Оцифровка компонентов для сборки, проверка их собираемости.

•  Создание архивов деталей самолетов.

•  Изготовление полноразмерных моделей самолетов для анализа.

Архитектура и искусство

•  Оцифровка уникальных объектов культурного наследия.

•  Создание копий изделий для строительства, изготовленных вручную.

Цель обратного проектирования

Для обратного проектирования важно точно понимать цель работы - знать результат работы и точность проектирования. Настоящий процесс реверс-инжиниринга намного более сложный, чем получение данных из цифровой модели. Можно легко получить виртуальную модель с помощью сканирования, но на этом процесс обратного проектирования не заканчивается.

Параметрическая модель - это конечная цель обратного проектирования. Как следует из названия, она отражает точные параметры изделия, каким бы сложным оно не было. Для создания параметрической модели используется специальное программное обеспечение САПР (Solidworks, Geomagic Design X и другие), которые позволяют получить готовую техническую документацию.

Использование ПО (програмного обеспечения) необходимо, так как в процессе обратного проектирования имеются потери точности, которые возникают по некоторым причинам:

•  Погрешность измерительного оборудования. Каждый 3D сканер имеет свою погрешность. Даже топовые модели, таких производителей как ScanTECH или Shining 3D имеют погрешность в несколько микрон. Одним из нежелательных эффектов сканирования может стать исчезновение острой кромки детали.

•  Потери при преобразовании данных. Сглаживание и разрежение точек нужно учитывать при обратном проектировании. Это автоматические процессы преобразования, повлиять на которые чаще всего нельзя.

•  Развертывание поверхности NURBS в сеть. Наиболее распространенные погрешности этой процедуры - ошибки аппроксимации и непрерывность кривых. 

Аппроксима́ция (от лат. proxima — ближайшая) или приближе́ние — научный метод, состоящий в замене одних объектов другими, в каком-то смысле близкими к исходным, но более простыми.

1. Рендеринг.

Как всем известно, все, что мы видим – это свет. Совсем не объекты мира мы видим, нет! Мы видим отраженный ими свет!

Поэтому вся компьютерная графика – это попытка воссоздать реалистичную модель поведения света. Посему, такой термин как рендеринг, обозначает всего лишь получение информации о том, сколько и какой свет попал в нашу виртуальную камеру и воспроизведение этой информации на устройстве отображения. Все как в фотоаппарате – он тоже принимает весь свет, попавший в его объектив, и запечатлеет его на пленке.

 Некоторые рендеры построены на основе модели, очень близкой к реальности.

Это так называемый ray-trace rendering. Как в фотоаппарате каждое зерно пленки реагирует на попавший в нее луч света, так и ray-trace render собирает информацию обо всем свете, который приходит в камеру. Точнее он (рендер) отдельно для каждого пикселя изображения вычисляет свет, пришедший с лучом, который попал в этот пиксель.

Такая модель рендера полностью повторяет реальную физику, но является весьма проблематичной с точки зрения производительности. Посему были созданы друге подходы, моделирующие поведение света не настолько прямолинейно. Так начали создаваться векторные, воксельные и, наконец, полигональные рендеры. Последние, в результате получили аппаратную поддержку и заняли доминирующее место в ряду реал-тайм рендеров.
        Основополагающей идеей полигональных рендеров есть то, что человек в большинстве случаев видит свет, отраженный объектами мира, а не идущий напрямую от источников света. Таким образом, полигональные рендеры могут воспроизводить лишь отраженный свет, а так как свет отражают разного рода поверхности, то справедливо сказать, что полигональные рендеры оперируют поверхностями, отражающими(поглощающими) свет. Все что не является поверхностью (объем, например) полигональный рендер обработать не в состоянии, поэтому такие объекты симулируются поверхностями (спрайтовые пыль, туман, источники света).

1. Полигональная сетка — это самый распространенный способ

создания 3D-моделей из простых плоских фигур, таких как, например, треугольники или четырехугольники. Представьте, что вы хотите смоделировать трехмерный новогодний шар. Но компьютеру может быть сложно обрабатывать гладкую сферу в графическом редакторе, поэтому для упрощения работы он превращает все изогнутые поверхности в совокупности плоских геометрических фигур, например четырехугольников. Каждый из них — это полигон, а все они вместе — полигональная сетка, потому что визуально напоминают сеть из нитей.

Структура сетки хорошо видна на скриншоте (это снимок экрана компьютера) из программы для 3D-моделирования. Пример представления с заполненным объемом (Solid) и незаполненной сеткой (Wireframe) в Blender.

Полигональная сетка применяется везде, где есть компьютерное 3D-

моделирование: при разработке игр, спецэффектов для кино, при проектировании зданий, в инженерии и многих других областях. Это своего рода каркас, который определяет внешний вид и поведение объектов. 

Пиксель – точка на экране с фиксированным местом и размерами.

Тексель же – это точка на текстуре, которой покрыт полигон, и при различном расположении проекции этого полигона, на экране может представлять из себя несколько пикселей). Таким образом можно добиться различных цветовых переходов в пределе одного полигона. 

1. Физкультминутка

2. Практическая часть

1. Проанализируйте возможности технологии обратного проектирования.

2. Поясните термин «полигональная сетка» и где она используется.

1. Итог урока. Рефлексия

2. Домашнее задание

1. Выучить конспект урока.

2. Составьте сообщение о применении полигональной сетки.

3. *Просмотрите видео урок:

https://www.youtube.com/watch?v=KXl5C5Jgxzk

«Аддитивные технологии. Видео урок». (6:04) (Популярная технология АМГПГУ). После просмотра, составьте план-конспект.

Ознакомиться:

https://www.youtube.com/watch?v=BDU3cw1KT_4 (7:30)

Особенности строения полигональной сетки Настройки Soft Selection. Урок 9.