3D MODELOVÁNÍ - teorie „HIGH TECHNOLOGY – další vzdělávání v 3D technologii“, registrační číslo projektu CZ.1.07/3.2.10/ Ing. Jiří Bukvald

Témata Základy 3D Techniky 3D modelování Vizualizace Simulace a technologie výroby

Základy 3D 2D vs. 3D, bod, křivka, plocha, těleso, pixel vs. voxel

2D vs. 3D | Základy 3D Souřadný systém (SS)  pravoúhlý a pravotočivý – Kartézská soustava souřadnic

2D vs. 3D | Základy 3D Pravidlo pravé ruky  Z počátku vede kladný směr osy X (palec), kolmo a vlevo na něj je osa Y (ukazovák) a kolmo na rovinu definovanou osami X a Y vede osa Z (vztyčený prostředník).

2D vs. 3D | Základy 3D Zadávání souřadnic  Kartézské (2D i 3D)  Polární (2D)

2D vs. 3D | Základy 3D Druhy promítání | Rovnoběžné

2D vs. 3D | Základy 3D Druhy promítání | Axonometrické

2D vs. 3D | Základy 3D Druhy promítání | Perspektivní

2D vs. 3D | Bod Bod  Bod je základní objekt definovaný souřadnicemi v souřadném systému  Souřadnice bodu jsou zapsané v pořadí [X,Y,Z]

2D vs. 3D | Křivka Křivka  Přímka  Interpolační křivka  Aproximační křivka  Beziérova křivka  B-splajn  NURBS

2D vs. 3D | Plocha Plocha  Plocha je trojrozměrně definovaný objekt se čtyřmi řídícími křivkami.

2D vs. 3D | Plocha Racionální vs. neracionální geometrie  Neracionální geometrie je matematicky definována jako součet polynomů  Racionální geometrie je poměr součtu polynomů  Racionální geometrie je matematicky více komplexní a jednodušší CAD programy s ní neumí pracovat  Neracionální geometrie je flexibilnější při jejím transformování  Racionální geometrie je přesná a používá se k definici matematicky přesné geometrie

2D vs. 3D | Plocha Surface vs. Polysurface  Anglický termín Surface označuje jednotlivou plochu (může být tvořena jedním nebo více segmenty). Polysurface znamená (nejen) uzavřené objemové těleso složené z více ploch (Surface). Tyto termíny se v závislosti na použitém programu mohou lišit a je potřeba nastudovat terminologii pro každý konkrétní program

2D vs. 3D | Plocha Křivka na ploše  Speciální typ křivky ležící v určité toleranci na ploše.

2D vs. 3D | Plocha Ořezaná plocha  NURBS geometrie zná pouze plochy o čtyřech hranách, pro vytvoření děr a více nebo méně hraných ploch musíme použít tzv. ořezání.

2D vs. 3D | Těleso Těleso  Základní geometrická tělesa – primitiva, jsou složena s jednoduchých ploch a obvykle se dají v 3D programech exaktně editovat jejich parametry na rozdíl od obecných ploch.

2D vs. 3D | Pixel vs. voxel Pixel vs. voxel  Pixel je nejmenší jednotka digitální rastrové grafiky (2D)  Voxel je prostorovou reprezentací dvourozměrného pixelu a označuje částici objemu.

Techniky 3D modelování Technický přístup, objemové modelování, sochařský přístup, výměna 3D dat mezi programy

Techniky 3D modelování | Technický přístup Křivky – plochy - objemy  Pokud dopředu víme, jakého tvaru chceme dosáhnout a nepotřebujeme tzv. hledat tvar, lze 3D model tvořit na základě křivek, které definují hranice ploch a tedy výsledný tvar. Zpětně se lze vracet ke kterékoliv fázi modelování, ale vždy je třeba přizpůsobit zbylý tvar provedené změně. U tohoto způsobu modelování lze kontrolovat každý geometrický prvek a ovládat např. křivost tvořících křivek, návaznost křivek i ploch. Dle typu software, který k tomuto modelování používáme, můžeme dokonce měnit vnitřní geometrii výsledných ploch a dokonale tak řídit výsledný tvar. Pro další použití 3D modelu pro výrobu by měl výsledný model tvořit uzavřené, objemové, těleso.

Techniky 3D modelování | Objemové modelování Slouží převážně pro přesnou práci ve strojírenství. Objemové modeláře obvykle neumožňují modelovat volné tvary. Některé objemové modeláře mají nadstavby, které umožňují modelovat volné tvary, ale v omezené míře. 3D model v průběhu práce i na jejím konci je vždy uzavřený a tvoří objem (z toho název objemové modelování). Parametrizace modelu - definujeme každý aspekt geometrie – délku, úhel, geometrické vazby (kolmost, rovnoběžnost, soustřednost a další).

Techniky 3D modelování | Sochařský přístup Těleso - úprava pomocí řídících bodů / globální modifikace tvaru  Zcela opačný přístup lze využít, pokud výsledný tvar teprve hledáme a potřebujeme volnost pro jeho tvorbu. Tento typ modelování umí software jak pro plošné, tak polygonové modelování. Spočívá v modifikaci základních těles pomocí řídících bodů nebo vrcholů jednotlivých polygonů. Tímto způsobem lze efektivně modelovat organické tvary nebo vytvářet rychle a jednoduše podkladové tvary pro přesné modelování pomocí křivek a ploch.

Techniky 3D modelování | Výměna dat mezi programy Polygonová data  stl  obj  vrml / vrl Plošné / objemové formáty  iges  step / stp

Techniky 3D modelování | Měřítko a tolerance Strojírenství  Jednotky - mm Obecné a sochařské programy  Jednotky – definují se při startu programu nebo exportu dílu a lze je libovolně měnit Tolerance  V objemových a plošných modelářích  Hodnoty dle oblasti použití

Vizualizace Textury, světla, stínování, anti- aliasing, render

Vizualizace | Textury Pro výslednou prezentaci v co nejreálnější podobě, nestačí definovat pouze geometrii. Je nutné přiřadit modelu barvy a textury

Vizualizace | Textury - barva Základní vlastností modelu je barva. Tu můžeme definovat pro celý model stejně tak jako pro jednotlivé plochy/elementy. Obvykle ji definujeme v barevném prostoru RGB (Red, Green, Blue).

Vizualizace | Textury Textura je pokročilá definice (nejen) barvy povrchu objektu Na objektu lze zobrazit komplexní povrch – např. kůži, zašpinění, etiketu, atd. Umístění textur na modelu = mapování Kanály: diffuse, bump, reflection, refraction, specular, …

Vizualizace | Textury - mapování Trojrozměrný prostor má souřadnice X, Y a Z - povrch objektu je popsán souřadnicemi U, V, W Plošný vs. polygonový model

Vizualizace | Textury - mapování

Vizualizace | Světla Ambientní, bodové, kuželové, směrové, lineární, plošné, slunce, …

Vizualizace | Stínování Konstantní Gouraudovo Phongovo Catmull-Clarkův algoritmus

Vizualizace | Anti-Aliasing Technika používaná v počítačové grafice (obecně) ke zlepšení kvality obrazu. Česky je to tzv. vyhlazování hran.

Vizualizace | Render Renderování = proces generování obrazu virtuálního modelu (nebo virtuální scény) pomocí počítačových programů. Ray Casting – 3D hry v počátcích Ray Tracing – možná simulace optiky Radiosita – globální osvětlení scény

Technologie výroby Dělicí rovina, úkosy, přizpůsobení modelu výrobní technologii

Technologie výroby | Dělicí rovina a úkos Výroba ve formách = nutnost definovat dělicí rovinu => úkos

Technologie výroby | Přizpůsobení modelu výrobní technologii Podle technologie výroby definovat úkos Tloušťka stěn a styk více stěn Obrobitelnost Další technologické požadavky… Simulace kinematiky, pevnostního namáhání, vstřikování, proudění, … Zpětná vazba ke 3D modelu

Děkuji za pozornost