Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы компьютерной графики 3D-моделирование и 3D-печать. Учебное пособие
.pdf
Контрольные вопросы
51
водстве металлопорошков, является газовая атомизация. Основу технологии газовой атомизации составляет плавление металла в специальной камере с последующим его распылением в струе инертного газа под давлением. При этом одним из важных показателей получаемого порошка служит средний размер частиц и количество частиц примерно одинакового
размера. Порошок, в котором преобладают частицы одного размера, всегда лучшего качества. Поэтому в производстве порошков всегда применяют их сортировку по размеру частиц. Качество используемого порошка – главный фактор для качества конечного изделия.
Контрольные вопросы
1. Раскройте понятия аддитивные технологии и производства.
2. Когда появилась технология 3D-печати и на чём она основана?
3. Что представляет собой цифровая трёхмерная модель объекта?
4. Перечислите способы, которые используются для получения
цифровой трёхмерной модели объекта.
5. Приведите страны-лидеры по применению и развитию техноло-
гий аддитивного производства.
6. Кто является создателем первого в мире 3D-принтера?
7. Приведите сферы применения технологий аддитивного производ-
ства.
8. В чём состоят главные отличия разных технологий 3D-печати и
на чём основана их классификация.
9. Перечислите известные на сегодняшний день технологии 3D-пе-
чати.
10. На какие главные показатели обращают внимание при выборе
3D-принтера под соответствующую технологию?
11. Перечислите основные методы аддитивного производства.
12. В чём заключается экструзионный метод 3D-печати?
13. В чём заключается проволочный метод 3D-печати?
14. В чём заключается порошковый метод 3D-печати?
15. В чём заключается струйный метод 3D-печати?
16. В чём заключается метод ламинирования в 3D-печати?
17. В чём заключается метод полимеризации в 3D-печати?
3. Технологии 3D-печати
52
18. Какие технологии и расходные материалы используются в экс-
трузионном методе 3D-печати?
19. Какие технологии и расходные материалы используются в прово-
лочном методе 3D-печати?
20. Какие технологии и расходные материалы используются в по-
рошковом методе 3D-печати?
21. Какие технологии и расходные материалы используются в струй-
ном методе 3D-печати?
22. Какие технологии и расходные материалы используются в методе
ламинирования в 3D-печати?
23. Какие технологии и расходные материалы используются в методе
ламинирования при 3D-печати?
24. Какие технологии и расходные материалы используются в методе
полимеризации при 3D-печати?
25. Что представляют собой фотополимеры?
26. Перечислите наиболее популярные, протестированные пластики,
широко применяемые в современной 3D-печати.
27. Перечислите и дайте характеристику основных особенностей ме-
таллических порошков.
28. В чём заключается основная особенность технологии газовой
атомизации при производстве металлопорошков?
4.1. Основные технологии 3D-моделирования
53
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ 3D-МОДЕЛЕЙ
При подготовке материала раздела использовались источники [25–34].
3D-технологии начали интенсивно проникать во многие сферы че-
ловеческой деятельности в начале XXI в. Естественно, большинство людей свяжут 3D с киноискусством, мультипликацией и играми. Но это не
совсем так, ведь данная технология охватывает гораздо больше спектров
нашей жизни и перспектива ее применения значительно шире.
Существует большое количество способов и методов создания
3D-моделей объектов, используя которые можно будет распечатать на
3D-принтере соответствующий объект. 3D-принтер является програм-
мируемым устройством, которое создаёт объект в трёхмерном измерении на основе загружённой в него электронной модели. Иными словами,
с помощью принтера можно переносить любые виртуальные объекты в
реальный мир.
4.1. Основные технологии 3D-моделирования
Важнейшим этапом в процессе 3D-печати является создание модели объекта. От того, насколько будет полным соответствие между объектом и его моделью, зависит конечный результат 3D-печати. Этап создания
3D-модели объекта называется трёхмерным моделированием.
В зависимости от решаемых задач модель объекта может быть полной (монолитной), т.е. фактически являться дубликатом реального объекта, но может отражать только какую-то его сторону, рассматриваемую в
задаче. Например, для проектирования узлов и деталей в машиностроении
в основном требуется полная модель, которая должна содержать информацию как о внешней форме объекта, так и о его внутреннем устройстве.
При решении задач проектирования объектов архитектуры и строительства часто требуется отразить и работать только с поверхностью сооружения или, например, с какими-то общими планами. При создании программ управления роботами достаточно иметь каркасную или так называемую проволочную модель, которая является наиболее простой и поэтому
позволяет отслеживать движения робота в реальном масштабе времени.
4. Методы и средства создания 3D-моделей
54
Перечисленные пространственные модели – каркасные, поверхностные монолитные – описывают реальные объекты с разной степенью
подробности, что определяет их разную вычислительную сложность. Познакомимся с особенностями перечисленных моделей и сферами их использования.
Каркасная модель. В такой модели описываются только точки и
связывающие их рёбра, и полностью отсутствует описание поверхностей.
Поэтому основное отличие модели – её прозрачность. Естественно к каркасной модели неприемлемо понятие объёма. В этом случае при визуализации такой модели только для довольно простых моделей можно получить представление о форме и устройстве объекта.
Основной областью применения каркасных моделей является робототехника, где одной из самых распространённых задач является моделирование движения робота. Так как каркасная модель наиболее простая, то
для работы с ней не требуется особых вычислительных ресурсов. Поэтому
задача анализа движения робота решается практически в реальном масштабе времени.
Поверхностная модель. В представлении поверхностной модели
описываются не только точки и ребра, но и поверхности. Поэтому при
выполнении визуализации объекта можно применять механизм удаления
скрытых линий и поверхностей, что создаёт условия для однозначного
представления о форме объекта.
Основными областями применения поверхностных моделей являются архитектура и строительство, а также те области, где решаются задачи моделирования динамических поверхностей – фюзеляжи самолетов,
обводы судов, воздушные каналы и другие поверхности. В основе создания поверхностных моделей лежат различные методы аппроксимации,
позволяющие формировать поверхности с заданными характеристиками.
Монолитная модель. Как отмечалось выше, монолитная (полная)
модель является практически цифровым дубликатом реального объекта и
поэтому она наиболее сложная и требующая повышенных вычислительных ресурсов при выполнении моделирования.
Так как монолитная модель содержит всю информацию о рёбрах,
поверхностях и внутреннем устройстве, то она имеет объём и массу, сле-
4.1. Основные технологии 3D-моделирования
55
довательно, и сведения о материале. Основной областью применения монолитных моделей является машиностроение.
При создании модели для анимации необходимо учесть её внешнюю привлекательность, а также выполнить её оптимизацию для последующей работы. При этом в качестве критериев оптимизации используется топология и количество полигонов.
Одним из способов представления 3D-модели является использование полигональных сеток.
Полигон и полигональная сетка. Полигон – многоугольник, минимальная поверхность для визуализации объекта в 3D-графике. Полигональная сетка задаётся тремя множествами – множеством вершин, множеством граней и множеством рёбер. Перечисленные множества однозначно
задают форму объекта в 3D-графике. Чаще всего грани представляют собой полигоны из трёх или четырёх вершин, так как это упрощает рендеринг. Термин «рендеринг» означает процесс визуализации объекта по его
модели посредством программных средств. При этом модель представляет собой описание объекта средствами принятого языка или в виде определённой структуры данных. Типовыми операциями в процессе преобразований полигональных сеток, как правило, являются операции булевой
алгебры, сглаживания, упрощения и другие.
Полигональную сетку можно представить разными способами. Выбор того или иного способа зависит от решаемой задачи. Для представления полигональной сетки используются несколько видов полигонов.
Полигон, состоящий из трёх вершин. Такой полигон – самый
простой вариант, так как состоит из минимального числа вершин и рёбер.
Сетки из таких полигонов обычно применяют в компьютерных играх.
Полигон, состоящий из четырёх вершин. Наиболее широко при-
меняемый вид полигона для создания 3D-форм и при выполнении различных преобразований в полигональных сетках. Если предполагается, что
3D-модель в будущем будет подвергаться изменениям, анимированию и
сглаживанию, то создание полигональной сетки из таких полигонов является обязательным.
Полигон, состоящий из пяти и более вершин. Используется при
построении полигональных сеток редко, так как возникает ряд отрицательных моментов, таких как:
4. Методы и средства создания 3D-моделей
56
• появление дополнительных сложностей при выполнении тексту-
рирования, рендеринга или анимации;
• появление трудностей при решении задачи сглаживания на по-
верхностях, имеющих много изгибов.
Как указывалось выше, 3D-модель для анимации необходимо оптимизировать по таким критериям, как топология и количество полигонов. При этом понятие топологи подразумевает следующие её свойства:
• плавность и потоковость в организации полигонов;
• непротиворечивость полигональной сетки и её непрерывность;
• оптимальное количество полигонов сетки;
• отсутствие каких-либо пересечений и загибов;
• грани полигонов должны быть непрерывными и плавными лини-
ями.
Рассматривая трёхмерный объект после выполнения рендеринга,
можно не видеть полигональную сетку. Часто, создавая модель, разработчики применяют опцию «режим сетки», что помогает удобно менять составляющие полигонов и придавать модели объекта правильную форму.
4.2. Виды и методы 3D-моделирования
В 3D-моделировании особенно полезной является функция Subdivision (подразделение). В реальном мире нет идеальных углов, все они скруг-
лены. В связи с этим главной задачей функции Subdivision является разбиение (подразделение) полигонов на более мелкие части, что приводит к «разглаживанию» углов и визуальному эффекту гладких переходов.
Практически все 3D-редакторы имеют в своём составе функцию создания сплайнов (трёхмерных кривых), а одним из эффективных способов
представления 3D-моделей является применение сплайнового моделирования. В этом случае создание 3D-модели на базе сплайнов состоит в построении сплайнового каркаса, который используется в дальнейшем для создания огибающей трёхмерной поверхности. При этом широко применяется
набор сплайновых примитивов. Визуализация объекта на экране монитора
выполняется посредством видеокарты, которая работает только с полигональными объектами. Поэтому при подготовке визуализации объектов, содержащих сплайновые кривые, их необходимо разбить на полигоны.
4.2. Виды и методы 3D-моделирования
57
Скульптурное моделирование. Является одним из видов трёхмер-
ного моделирования, который ещё называют 3D-скульптинг. Этот вид моделирования существенно отличается от моделирования на основе полигональных сеток. В качестве основного метода формирования 3D-скульптур
используется деформация отдельных частей объекта, которая выполняется
с помощью набора инструментов скульптинга. При этом можно управлять
вогнутостью или выпуклостью модели, менять материал, углы и грани поверхности, и выполнять многие другие операции.
К 3D-скульптингу прибегают, когда эффективней создавать формы
из «виртуальной глины», чем по точкам редактировать полигоны. Этот
этап отличается возможностью использования творческого подхода. Далее следует дополнительная обработка модели инструментами программ
моделирования. Этот процесс называют ретопология, который фактически означает преобразование полигональной сетки.
На следующем этапе создания 3D-модели выполняют текстурирование, которое приближает поверхность модели к максимальной степени
реалистичности. Перед выполнением текстурирования, модель проходит
специальную подготовку, которую называют разверткой или маппингом.
Практически маппинг является раскроем модели, в процессе чего она разделяется на части. Далее эти части проецируются на квадратную плоскость. При этом с частями можно выполнять операции растягивания, выравнивания по размеру, масштабирования и плотного упаковывания, чтобы вписаться в квадрат. Выполнение этих операций позволяет не только
получить качественную детализацию текстуры 3D-модели, но и экономить память.
После завершения процедуры развёртки приступают к созданию
текстуры. При этом можно использовать любой графический редактор, в
котором имеется функция ручного рисования или есть возможность помещать выбранные текстуры в соответствующие полигоны 3D-модели.
В настоящее время имеются специальные программы, которые позволяют размещать текстуры непосредственно на модели с практически
одновременной визуализацией результата. Например, такими программами являются Substance painter или Substance Designer.
С целью приближения 3D-модели к реалистическому восприятию
была разработана модель PBR (Physically based rendering). Главной от-
4. Методы и средства создания 3D-моделей
58
личительной особенностью этой модели является учёт фактуры материала, а также возможность расчёта и визуализации реалистичной освещённости поверхности объекта. Для этого в модели хранятся нормали
каждой вершины. При этом все полигоны, имеющие общую вершину,
имеют одну и ту же нормаль, что и создаёт при визуализации кажущуюся плавность их формы. Такой эффект называют плавным затенением.
Кроме того, были разработаны текстуры, которые учитывают связь материала с его освещением.
Существуют различные способы создания материалов в разных
рендерах (визуализаторах). Поэтому в модели PBR предусмотрены несколько видов рабочих подходов. Среди них выделяются два в качестве
основных:
• Metalness/Roughness, который даёт право пользователю выбрать
материал как металл или как диэлектрик и задать шероховатость поверхности, что в результате определит размытость отражений;
• Specular/Gloss, который предоставляет пользователю возможность
регулирования силы отражений и получения глянца нужного качества.
Современый рендер Metalness/Roughness выполняет многие расчёты и считается наиболее экономичным и автоматизированным. В основе
физически корректного рендера лежит теория микроповерхностей, в которой поверхность рассматривается как множество хаотично ориентированных микроплоскостей. При этом каждая из них имеет свою собственную нормаль, в результате чего свет отражается в единственном направлении. Для примера в табл. 4.1 приведём некоторые особенности популярных текстур.
Таблица 4.1
Особенности популярных текстур
Текстура
Особенности
Текстура Metal,
изображение
чёрно-белое
Белое изображение – металл, черное – диэлектрик, а различные оттенки серого цвета соответствуют крашеному,
грязному, ржавому металлу и т. д.
Roughness,
изображение
чёрно-белое
Можно управлять шероховатостью материала. При «грубом» материале отраженный свет рассеивается в нескольких направлениях
4.2. Виды и методы 3D-моделирования
59
Окончание табл. 4.1
Текстура
Особенности
Текстура Bump,
изображение
чёрно-белое
Возможно управление рельефом поверхности с большой
детализацией, что реализуется освещением поверхности и
чёрно-белой картой высот
Текстура Normal,
изображение
цветное
Возможно имитировать искривление поверхности, за счёт
изменения угла отражения света от поверхности. Повышенная точность по сравнению с Bump mapping
На сегодняшний день используются четыре основных метода создания моделей 3D-объектов: NURBS-моделирование, полигональное
моделирование, скульптурное моделирование и комбинированный подход. Каждый из названных методов может применяться в различных ситуациях: в одних – упрощает создание 3D-модели, в других – повышает
их точность, в-третьих – позволяет получить необычные эффекты.
NURBS-моделирование или векторное моделирование. NURBS –
аббревиатура от английского (Non-uniform rational B-spline) переводится как
неоднородный, рациональный B-сплайн. NURBS – математическая форма
представления кривых и поверхностей, которая из-за простоты и удобства
работы с ней получила признание в компьютерной графике. NURBS является
частным случаем (неоднородный и рациональный) B-сплайна.
Примерно 70 лет назад во многих отраслях машиностроения возникла задача точного, математического описания поверхностей произвольной формы, которое могло бы заменить физическую (материальную)
модель объекта. Поиск решения этой задачи тесно связан с именем француза Пьера Безье, познакомившего проектировщиков со сплайнами, среди
которых наиболее известными являются сплайны Безье. Позже на основе
сплайнов Безье было сделано обобщение в виде неоднородных, рациональных B-сплайнов. Термин B-сплайн является сокращением от словосочетания «базисный сплайн». B-сплайн позволяет описывать кривые,
заданные сплайн-функциями, как линейными комбинациями B-сплайнов.
Первые применения NURBS были в CAD-системах автомобильных
компаний, но со временем они появились практически во всех профессиональных приложениях для компьютерной графики, например в Maya,
3Ds Max, AutoCAD и других.
4. Методы и средства создания 3D-моделей
60
В настоящее время наиболее широкое применение NURBS находит
в машиностроении. Это обусловлено тем, что кривые и поверхности в
NURBS описываются функциями координат, которые достаточно точно
вычисляются в любых точках кривых и поверхностях. В свою очередь это
обеспечивает точную форму трёхмерной модели.
Полигональное моделирование. Ретроспективно полигональное
моделирование является наиболее старым методом моделирования, на
базе которого создаются практически любые пространственные формы.
Однако в некоторых случаях это не всегда можно сделать эффективно,
подразумевая простоту процесса и его быстроту. Точность метода невысокая, поэтому, например, при моделировании ювелирных изделий приходится часть работы выполнять приближённо.
Специфика полигонального моделирования позволяет существенно экономить вычислительные ресурсы компьютера. В связи с этим полигональные модели часто применяют для пространственной визуализации объекта.
Скульптурное моделирование, как уже указывалось выше, является
одним из видов трёхмерного моделирования. После того как пикселю придали координату высоты, т.е. сделали его трёхмерным, появилась возможность разбиения полигональной модели на большое количество граней и
работать с ней как с пластилином, глиной или воском. Такой подход позволил работать с очень мелкими деталями на трёхмерной модели и, как следствие, создавать формы с высокой детализацией и текстуры нормалей.
4.3. Технические средства 3D-сканирования
Общие замечания. Напомним, что 3D-модели для печати можно
получить тремя способами:
• найти подходящую модель в интернете и загрузить её;
• создать модель в программе 3D-моделирования или CAD-прило-
жении;
• получить модель с помощью 3D-сканера.
Первые два способа создания 3D-модели были описаны в предыдущих подразделах пособия. В этом подразделе познакомимся с техническими средствами 3D-сканирования.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]