3183

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Г, Ф, МОРОЗОВА»

Лавлинский В.В.

Табаков Ю.Г.

Черников А.Н.

Компьютерный дизайн

Учебное пособие

для студентов по направлению подготовки 35.03.02 Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств

Воронеж, 2019

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие представляет собой реализацию учебного курса

«ВЭБ-дизайн и 3D объектов мебели». В учебном пособии рассматривается создание и 3D-визуализация интерьеров и экстерьеров в пакете Blender. Описаны оригинальные приемы моделирования с использованием всевозможных методов,

таких как экструзия, лофтинг и NURBS, а также методов полигонального моделирования и симуляции; технологии создания материалов любой сложности;

принципы постановки света, включая качественную визуализацию с помощью физической камеры, фотометрических источников света. Даны правила настройки физической камеры для экстерьерных и интерьерных ракурсов; дневного и вечернего освещения и другие возможности, необходимые для создания архитектурного и интерьерного проектов.

Так же раскрываются профессиональные секреты фотореалистичной визуализации, приведены алгоритмы работы над небольшими проектами и представлены основные правила, следуя которым, можно создавать проекты быстро и качественно. Многочисленные иллюстрации делают материал наглядным и доступным.

Может быть использовано в образовательных учреждениях на всех формах обучения бакалавров и дипломированных специалистов по направлениям подготовки "3D моделирование" и другим инженерным направлениям.

5

1 Основы геометрических моделей мебели и их модификации

Модель, представляющая спроектированное или проектируемое изделие,

может содержать данные, весьма, различные по характеру – геометрические,

технологические и т.д. В данной лекции мы рассмотрим геометрическое моделирование, т.е. представление изделий с точки зрения их геометрических свойств. Геометрическая модель занимает важное место в САПР.

Цель геометрического моделирования – это создание моделей для многих технических и технологических задач при разработке и при изготовлении изделия. Например, задание геометрических свойств необходимо при моделировании с использованием метода конечных элементов, при выдаче рабочих чертежей и при подготовке их в электронном виде для станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Предпроизводство (Pre-production) - процесс подготовки к созданию фильма,

музыкального произведения, рекламного ролика и любого другого произведения.

При разработке игры на данном этапе прорабатывается идея, разрабатывается дизайн-документ игры, реализиуется прототип геймплея, рисуются концептарты персонажей, окружения, идея презентуется инвестору/издателю.

Производство (разработка, production) – основной этап разработки какого либо продукта. При разработке игры на данном этапе выполняется основной объем работы – пишится логика геймплея, полноценно моделируются и текстурируются персонажи, добавляется звуковое окружение, проводится модульное и интеграционное тестирование. Подключаются к работе маркетологи – проводится работа с ЦА, публицуются первые анонсы, рассылаются бета-версии и др.

Постпроизводство (post-production) – финальная стадия разработки продукта.

При разработке игры, на данном этапе наводиться лоск – улучшаются модели и текстуры, оптимизируются непроизводительные участки кода. К рендеру игры могут прмиенятся различные постэффекты для улучшения качества изображения.

К этому моменту проект уже имеет альфа и бета-релизы, на основании которых получен фидбэк и исправлены многие недоработки.

6

История геометрического моделирования начинается с первых работ по машинной графике о графическом представлении и основы для алгоритмов удаления невидимых частей. Появляются первые системы для моделирования сплошных тел. В 70-х годах начинается промышленное применение моделирования сплошных тел, а в моделях учитываться функциональные особенности, прежде всего благодаря совершенствованию аппаратуры

(мультипликация, цвет и т.д.).

Геометрическая модель изделия является машинным представлением его формы и размеров. Двумерная модель изделия, которая может включать реляционную информацию, отличается от модели для визуализации, которая содержит векторные данные. Не следует думать, например, что используемая модель не относится к объемным моделям типа сплошного тела (в ней отсутствуют сведения о материале) лишь потому, что система может выводить на экран только линейные рисунки. Модель можно формировать различными методами, она может создаваться как результат вычислений, а отнюдь не на экране.

1.1 Основные виды моделей

Двумерные модели, которые позволяют формировать и изменять чертежи,

были первыми моделями, нашедшими применение. Применяются они в промышленности и до сих пор, т.к. существенно дешевле в отношении алгоритмов и программного обеспечения.

Однако двумерное представление часто не совсем удобно для достаточно сложных изделий. Трехмерная модель служит для того, чтобы создать виртуальное представление изделия во всех трех измерениях.

В работах, проведенных в этой области, и в соответствующих комплексах программного обеспечения выделяются три основных типа трехмерных моделей:

каркасные («проволочные») модели;

поверхностные модели;

модели сплошных тел («объемные»).

7

Исторически первыми появились каркасные модели. В них хранятся только координаты (x, y, z,) вершин и соединяющие их ребра.

Поверхностная модель позволяет описывать иногда достаточно сложные поверхности. Возможны различные виды задания поверхностей – плоскости,

поверхности вращения, линейчатые поверхности. Используются различные математические модели аппроксимации поверхностей (методы Кунса, Безье, В-

сплайны). Они позволяют изменять характер поверхности с помощью параметров,

смысл которых доступен пользователю, не имеющему специальной подготовки.

Объемная модель позволяет представить сложные изделия с обеспечением логической связанности информации, в частности, благодаря введению понятия о материале.

1.2 Требования к геометрическому моделированию

Цель геометрического моделирования – представление объектов. Эти объекты являются реальными и должны удовлетворять целому ряду требований,

связанных с используемым при изготовлении оборудованием. Считается, что модель тем лучше, чем больше она учитывает ограничений, связанных с реальным объектом, его изготовлением и использованием. Сформируем требования, которые должны выполняться при геометрическом моделировании высокого уровня:

любая модель, которую можно сконструировать, не должна противоречить реальному объекту (правильность модели);

допустимо конструирование модели объекта целиком;

возможно вычисление ряда геометрических величин, например, объемов и

т. д.;

предусмотрено использование различных функций (ЧПУ, разработка серии изделий, расчет конструкций).

Для удовлетворения этих требований необходимо, чтобы модель обладала определенным набором математических свойств, например:

1. Однородность: тело должно быть заполнено внутри;

8

2.Конечность: тело должно занимать конечную часть пространства;

3.Жесткость: сплошное тело должно сохранять свою форму независимо от положения и ориентации.

Кроме того, программная система должна удовлетворять следующим

требованиям:

согласованность операций: любая операция, выполняемая над телами, должна приводить к образованию сплошных тел;

возможность описания: каждое тело должно быть представимо в машинном

виде;

непротиворечивость информации: точка пространства может принадлежать не более чем одному телу.

1.3 Техническое черчение

Под техническим черчением понимается использование методов, которые традиционно применяются чертежниками, но с использованием средств информатики (дисплеи, средства диалога и т. д.). Соответствующие программы для ЭВМ дают возможность пользователю формировать и изменять в интерактивном режиме чертежи.

Данные, которые хранятся в модели, значительно различаются в зависимости от требуемого качества моделирования. Рассмотрим, какого рода данные наиболее характерны для четырех основных типов моделей.

1.Двумерная модель. В простых моделях удовлетворяются тем, что работают

сэлементами, которые близки к уровню визуализации. В сложных моделях элементы ассоциируются функционально, например, размерные линии соотносятся с объектами или же запоминаются способы соединения элементов.

2.Каркасная модель. В ней хранится информация двух типов: топологическая

(ребра, определяемые вершинами) и геометрическая (координаты вершин).

3. Поверхностная модель. В моделях этого типа хранится только описание поверхностей. Однако эти поверхности могут сильно различаться. И разработчики моделей для работы с поверхностями используют математические методы

9

компактного представления, обеспечивающие возможность интерактивного режима и сложных расчетов.

4. Объемная модель. В такой модели хранится информация, позволяющая отличать материал от пустоты, при этом пустота может рассматриваться как особый вид материала.

В настоящее время используют два метода:

объект представлен в модели охватывающей его «оболочкой». Тогда, как и

вкаркасной модели, сохранятся информации геометрического и топологического типа, однако она более полная (грани заданы и ориентированы таким образом, что известны их наружная и внутренняя стороны)

объект представлен в модели операциями построения, использованными для его задания.

Врамках одного конкретного применения обычно используется не одна модель, а несколько. Во многих системах сосуществуют геометрическая модель (в

ряде случаев весьма высокого уровня – объемная, поверхностная) и модель для визуализации, которая дает возможность работать с информацией, близкой к чисто графической (при графическом выводе, интерактивной работе и т. д.).

Впроцессе традиционного проектирования и изготовления передача информации осуществляется с помощью тестов и чертежей. Таким образом, как для новых, так и для стандартизированных изделий большинство документов представлено в графической форме: чертежи, графики, диаграммы и т. д. (рис. 1).

10

Рис. 1. Виды деятельности в процессе проектирования САПР

На предприятиях и конструкторских бюро основными видами проектной деятельности от общей трудоемкости являются: черчение – 70%; организация архивов и их ведение – 15%; собственно проектирование – 15%; которое в свою очередь подразделяется на копирование – 70%; модификацию вариантов – 20%;

исправление ошибок – 9%; разработку – 1%.

Интерактивное создание детали и изготовление графических документов в САПР дает более качественное изображение, как в визуальном отображении, так и в твердой копии, чем работа моделирующей программы, которая выдает

11

несколько числовых значений. Для этого используется интерактивное

программное обеспечение:

центром всего комплекса является программа, которая должна выполнять расчеты, непосредственно связанные с данной областью;

исходная информация подается с помощью операций ввода, результаты выдаются с помощью операций вывода;

интерактивный режим (или диалог) ведет оператор, который анализирует результаты, может менять работу программы, вводя в нее новую исходную информацию.

12