Трехмерная графика.

Если в растровой и векторной графике объекты изображений создаются в координатной плоскости, декартовой системе координат, ограниченной осями X и Y, то в трехмерной графике используется пространственная декартовая система, в которой положение точки (части объекта) определяется тремя ортогональными осями - X, Y, Z.

Основой моделирования объемных тел в трехмерном пространстве являются плоские выпуклые многоугольники, в которых линии, проведенные между двумя любыми точками, будут всегда проходить внутри фигуры.

Существует два основных подхода к построению трехмерных поверхностей. Первый - это моделирование на основе сплайн-кривых, описываемых набором контрольных точек Безье. Второй - моделирование на основе геометрических примитивов, имеющихся в качестве инструментария во всех программах трехмерной графики.

Все объекты различных методов построения состоят из многоугольников, которые в программных итоговых расчетах все равно трансформируются в треугольники. Треугольник описывается координатами вершин и вектором нормали к его поверхности. Если вектор нормали направлен к плоскости обзора объекта, то эта сторона объекта является передней.

Трехмерный объект отображается в окне интерфейса программы. Физической аналогией отображения объекта - визуализации, является фотоаппарат или камера. Пользователь программы имеет возможность обзора объекта со всех ракурсов и расстояний, как в реальном манипулировании фото-видео техникой. Последними инновациями в этой области является моделирование эффекта глубины резкости. Получение фотографии либо видео-ролика являются основными прикладными направлениями трехмерной графики. В программах реализованы различные модели виртуальных видео камер, с гибкой системой настройки.

Для достижения реалистичности в трехмерном моделировании применяется метод наложения на поверхность объекта двумерных карт, имитирующих различные поверхности или материалы, например, стекло, дерево, керамика, металл.

Зеркальное отражение происходит от внешней поверхности объекта, при этом в месте блика, предмет окрашивается в цвет падающего света. Свет моделируется с помощью программных источников света, имеющих настройки аналогичные параметрам реального светового излучения. В результате построения трехмерной формы, создания материалов поверхностей, моделирования освещения и финальной визуализации получаются электронные фотографии либо видео ролики. Современные примеры трехмерной графики практически не возможно отличить от картин реальной жизни. Реалистичность, на данный момент, является основным критерием трехмерной графики. Вследствие этого, это направление компьютерного моделирования имеет большой спектр прикладного применения: моделирование в целях научного изучения пространственно- временных процессов, машиностроение, кинематограф, дизайн и архитектура. В ювелирном проектировании трехмерные технологии нашли применение в конце 90-х годов и сейчас консолидация методов трехмерного и ювелирного проектирования находится на начальной стадии развития.

На сегодняшний момент существует большое количество специализированных программ трехмерного моделирования, их называют CAD (Computer Aidad Design) системами, системами автоматизированного проектирования. Существующие трехмерные редакторы по созданию ювелирных моделей - Jewell CAD и Jewell САМ, не соответствуют требованиям ювелирного проектирования, как с технологической стороны, так и с пользовательской. Это утверждение сформировалось в результате изучения трехмерного редактора 3D Studio Мах, версий 2, 3, 4, 5.

Для проектирования ювелирных изделий метод трехмерного моделирования раскрывает возможности по разработке и созданию реалистичных моделей ювелирных изделий. Благодаря современному

уровню электронных технологий производства, дизайнеры и конструкторы получили возможность материального, машинного изготовления прототипа на основе трехмерной модели.

В 80-х годах на основе трехмерного моделирования в промышленных комплексах Америки и Европы начали свое развитие технологии быстрого прототипирования или RP - repid prototyping. Прототипирование - это изготовление материальной модели трехмерного объекта путем «выращивания» ее слой за слоем за счет изменения фазового состояния вещества на специальных производственных машинах. Как правило, используется переход из жидкого состояния в твердое. Построение модели происходит на основе трехмерного файла, полученного путем моделирования в CAD редакторах.

В комплексе, метод быстрого прототипирования состоит из этапов компьютерного проектирования трехмерной модели и ее машинным изготовлением. Принципы, использующиеся для создания физических моделей, основаны на разных физических принципах: точечном нанесении материала, лазерная резка материала, спекание металлических, керамических или полимерных порошков под действием излучения, полимеризацию, инициированную лазером.

Для ювелирного дизайна основными технологиями формирования RJP моделей, применяющимися на данный момент, является фрезерная резка, лазерная поляризация и трехмерная печать. В рамках нашего исследования осуществлялось производство моделей на машинах Roland, 3D Systems и Solidscape. Каждый производитель развивает свое направление технологии получения моделей. В машинах Roland используется фрезерная, трехмерная, но с ограничениями, резка воскового материала или гравировка плоских металлических пластин на основе растрового изображения.

изготавливаются из полимерных материалов. Компания SolidScape применяет в своих машинах технологию точечного нанесения материала - термопластика, на основе воска. Эти машины называются трехмерными принтерами и сейчас позволяют получать модели самого высокого качества. На данном этапе развития трехмерного прототипирования качество модели определяется параметрами толщины слоя нанесения материала. Минимальная толщина слоя - 12 мкм, достигается только на машинах компании SolidScape.

На сегодняшний день технологии быстрого прототипирования находят активное применение в работе конструкторских бюро по проектированию авиа космической техники, автомобилей, архитектуры и предметов интерьера. В промышленном производстве деталей машин на стадии проектирования применяются CAD системы и прототипирование. В ювелирной промышленности технологии изготовления моделей прототипирования успешно развиваются в течение последних 10 лет. Отечественная промышленность только начинает осваивать этот сектор инноваций, в результате в конце 90-х в институте лазерных и информационных технологий был разработан первый отечественный экспериментальный лазерный стереолитограф.

Модели прототипирования могут изготавливаться для тестирования характеристик формы или финального производства. Если выполненная модель соответствует требованиям конструктора, то ее формуют в резину и получают пресс формы для отливки восковых моделей. Воск, попадая в резиновые пресс формы, внутри которых находится отпечаток детали прототипирования, полностью заполняет пространство, и, застывая, образует восковую модель. Когда воск остывает, его извлекают из пресс формы. Затем восковая модель передается в литейное производство для изготовления металлических моделей.

Таким образом, настоящее освоение технологий трехмерного проектирования и прототипирования является наиболее перспективным

направлением электронных технологий, применимых в процессах ювелирного производства.

В рамках данной исследовательской работы нами был проведен эксперимент по использованию технологий компьютерной графики и RP технологий в процессе проектирования ювелирных изделий. По • его результатам была составлена схема (см. рис. 100), иллюстрирующая структуру видов компьютерной графики, программного обеспечения и механизмов его работы, аппаратного обеспечения и прикладного значения каждой программы.

Основным направлением компьютерной графики для использования в процессе проектирования ювелирных изделий является трехмерное моделирование. Этот тезис основан на определении возможных практических реализаций технологий трехмерного моделирования. Во- первых, создание трехмерной модели ювелирного изделия позволит использовать ее в процессах трехмерного быстрого прототипирования. Во- вторых, электронные растровые снимки модели и ее узлов конструкций могут быть использованы в процессе создания эскизов, чертежей, схем сборки конструкции будущего изделия. В результате процесса рендеринга (визуализации) построенной модели изделия программа рассчитывает электронные растровые изображения с точек обзора, установленных пользователем. Эти изображения являются эскизами изделия и чрезвычайно важны для проектирования и презентации проектов.

Следует отметить, что, работая в трехмерном графическом редакторе, дизайнер имеет возможность пространственного обзора конструкции при одновременном наблюдении основных четырех ракурсов проектируемого изделия. Возможности трехмерной графики в моделировании сложных форм и конструкций безналичны, что открывает большие перспективы для реализации замыслов дизайнера. Максимальным результатом трехмерного моделирования является построение таких моделей ювелирных изделий,

Рис. 100. Анализ технологий компьютерной графики для процесса проектирования ювелирных изделий.

Программное обеспечение и его функциональное содержание

3D Studio Мах 6.0 Трехмерный редактор для создания трехмерных моделей, электронных статичных изображений и анимационных видеороликов

Adobe Photoshop 7.0 Растровый редактор 2D графики для редактирования и создания электронных изображений

Corel Draw 1J Редактор создания и редактирования векторной графики

WBSWβW

Подключаемые модули Kails Power Tools к редактору растровой графики Photoshop 7.0 Встроенные фрактальные параметры трехмерных объектов трехмерной графики в программе 3D Studio Мах 6.0

ββww⅛⅛s

Прикладное значение для проектирования ювелирных изделий

1, Создание трехмерной модели ювелирного изделия для последующего прототипирования.

3. Создание фотореалистичных фотографий спроектированного изделия.

4. Создание видео-роликов, позволяющих видеть будущий проект изделия.

ПВЯЯЯМ

шв

I. Монтаж эскизов, технических карт и презентационных материалов по разрабатываемому проекту ювелирного изделия.

2. Цветовая и тоновая коррекция электронных изображений, полученных с устройств ввода информации - фотокамеры или сканера, а также изображений, созданных в трехмерном редакторе,

3, Подготовка изображений к локальной или типогоаЛичеекой печати.

__________________________________________

1. Монтаж эскизов, технических карт и презентационных материалов по разрабатываемому проекту ювелирного изделия. 2. Подготовка изображений к локальной или типографической печати.

3. Подготовка изображений для плоттерной резки.

1. Моделирование параметров природных

фракталов в трехмерных моделях.

2. Создание компьютерных изображений

фрактальных множеств.

3. Изучение процессов природного фрактального формообразования

которые невозможно изготовить ручным способом, либо на их изготовление уйдут месяцы работы мастеров-ювелиров.

Последним прикладным аспектом трехмерной графики в проектировании ювелирных изделий является создание видео роликов, основными «героями» которых являются трехмерные модели украшений.

Применение трехмерной графики в процессе проектирования ювелирных изделий позволит получить всю визуальную и материальную информацию о будущем изделии.

Растровую и векторную графику следует рассматривать, как единый механизм создания и редактирования двумерных изображений. Программно эта интеграция осуществляется через поддержку форматов файлов и интегрированные инструменты управления растровыми и векторными объектами. Создание, редактирование, монтаж и допечатная подготовка проектной информации осуществляется с применением программ двумерной графики.

Фрактальные алгоритмы реализованы во всех видах графики. Трехмерное моделирование использует фрактальные множества для расчета деформаций объектов и моделирования систем частиц - воды, снега, огня, облаков. В двумерной графике фрактальные вычисления лежат в основе работы подключаемых модулей - плагинов (plugins). С помощью них происходит создание компьютерных плоскостных изображений фракталов. Для ювелирного проектирования фрактальные алгоритмы служат механизмами формирования свойств трехмерных поверхностей, а двумерные графические изображения фракталов служат ценным иллюстративным материалом для изучения природного фрактального формообразования.

Таким образом, установлена структура процесса применения компьютерных технологий в проектировании и производстве ювелирных изделий. На основе полученных данных в 4 главе диссертационного исследования помещены результаты экспериментальной апробации, предложенного метода. Определение необходимых инновационных

компьютерных технологий являлось завершающим этапом разработки теоретических основ проектирования и производства ювелирных изделий на основе закономерностей бионического формообразования. Мы объединили результаты исследования бионического ювелирного формообразования глав 2-3 и определили теоретическую структуру этого процесса, как основу метода бионического проектирования ювелирных изделий с применением компьютерных технологий моделирования и производства ювелирных изделий (см. рис. 101).

Рис. 10] .Структура метода проектирования ювелирных изделий на основе законов биоформ.

I

г

Проектное задание

Концепция

Формирование запроса к бионическим прототипам на основе функциональных аспектов проектируемых изделий

Этапы моделирования (прототип 1, прототип 2, прототип 3)

Ассортимент

Определение бионических систем по общим запросам бионики

Разработка трехмерных моделей проектируемых изделий с последующим применением технологий прототипирования

• Стилистические аспекты

Определение бионических прототипов

Монтаж эскизов, конструкторской, технической и презентационной документации

Эргономические аспекты

Технологические аспекты

Определение законов формообразования бионических прототипов

Выводы по главе

1. Выявлены и классифицированы законы формообразования бионических структур.

2. Определена структура морфологических путей роста и развития бионической формы и их математические модели.

3. В результате проведенных исследований эргономического и технологического параметров форм ювелирных изделий мы получили законченную структуру функциональных аспектов ювелирного формообразования.

4. Осуществлена систематизация существующих методов

классификации природных форм предлагаемых бионикой для поиска оптимальных бионических аналогов в рамках поставленных проектных задач (таблица).

5. Определена структура бионического исследования и моделирования природных форм для процесса проектирования ювелирных изделий.

6. В результате структурного анализа нами установлена последовательность этапов применения компьютерных программ и аппаратного обеспечения в процессе проектирования и производства ювелирных изделий.

7. Применение компьютерных технологий позволяет осуществлять сквозное автоматизированное проектирование ювелирных изделий.

8. Установлено, что применение технологий компьютерной графики позволит применять сквозное автоматизированное проектирование, то есть выполнять работу на компьютере от создания реалистичного эскиза до непосредственного изготовления модели ювелирных изделий.