Моделирование объекта в трехмерном пространстве

Твердотельное моделирование является основным видом  трехмерного проектирования изделий  машиностроения. Создаваемые в ходе такого моделирования тела воспринимаются системой как некие единые объекты, имеющие определенный объем. Твердотельные  модели могут подвергаться различным  расчетам, в том числе методом  конечных элементов.

При выполнении курсового проекта  в системе AutoCAD использовалось твердотельное моделирование (см. Графическая часть, лист 1).

Примитивы заданной формы были созданы путем выдавливания, осуществляемого командой Extrude. Из примитивов получают более сложные объемные модели объектов. Запускается команда Extrude из падающего меню Draw > Solids или из плавающей панели инструментов Solids.

При реализации графической части было использовано выдавливание таких примитивов, как  многоугольник, круг, область и полилиния. Направление выдавливания задавалось траекторией или указанием глубины и угла конусности.[2]

 

6  Удаление скрытых линий и поверхностей. Реалистичное представление сцен

 

6.1 Удаление скрытых линий и  поверхностей

 

6.1.1 Классификация методов удаления невидимых частей

 

Методы  удаления невидимых частей сцены  можно классифицировать:

а) По выбору удаляемых частей:  
      1) удаление невидимых линий;

2) удаление  невидимых ребер;

3) удаление  невидимых поверхностей;

4) удаление  невидимых объемов.

б) По порядку  обработки элементов сцены: 
удаление в произвольном порядке и в порядке, определяемом процессом визуализации;

в) По системе  координат:

1) алгоритмы, работающие в пространстве объектов, когда каждая из N граней объекта сравнивается с остальными N-1 гранями (объем вычислений растет как N²),

2) алгоритмы, работающие в пространстве изображения, когда для каждого пиксела изображения определяется какая из N граней объекта видна (при разрешении экрана M×M объем вычислений растет как M² ×N).[4]

 

 

6.1.2 Алгоритмы удаления линий

 

Применение - векторные устройства. Могут применяться и в растровых для ускорения процесса визуализации, но при этом не используется основное ценное качество растрового дисплея - возможность закраски поверхностей.

Наиболее  известный ранний алгоритм - алгоритм Робертса (1963 г.). Работает с только выпуклыми телами в пространстве объектов. Каждый объект сцены представляется многогранным телом, полученным в результате пересечения плоскостей. Т.е. тело описывается списком граней, состоящих из ребер, которые в свою очередь образованы вершинами.

Вначале из описания каждого тела удаляются  не лицевые плоскости, экранированные самим телом. Затем каждое из ребер  сравнивается с каждым телом для  определения видимости или невидимости. Т.е. объем вычислений растет как  квадрат числа объектов в сцене. Наконец вычисляются новые ребра, полученные при протыкании телами друг друга.[4]

 

 

 

 

6.1.3 Подавление скрытых линий и раскрашивание

 

Чтобы в  процессе разработки дизайна и по окончании формирования трехмерных поверхностных и твердотельных  моделей улучшить их визуализацию, используют следующие команды:  

HIDE —  подавляет скрытые линии на  трехмерном изображении объекта;   

SHADEMODE —  формирует раскрашенное изображение  модели на текущем видовом  экране;  

RENDER —  создает реалистическое изображение  модели в трехмерном пространстве.

 
Команда HIDE обеспечивает создание рисунка  без скрытых линий. Сложные трехмерные модели часто оказываются перегруженными, что затрудняет их чтение и просмотр результатов выполнения какой-либо команды на объекте. Можно устранить эту проблему, подавив скрытые (невидимые с данной точки зрения) линии. Команда HIDE вызывается из падающего меню View > Hide или щелчком мыши по пиктограмме Hide на плавающей панели инструментов Render.  
Команда HIDE интерпретирует окружности, фигуры, полосы, широкие сегменты полилиний, трехмерные грани, прямоугольные сети и выдавленные края примитивов как непрозрачные поверхности, скрывающие объекты, которые лежат за ними. Если кругам, фигурам, полосам и широким сегментам полилиний присвоена некоторая высота, то они рассматриваются как сплошные объекты с верхней и нижней поверхностями (телами).  
Пока невидимые линии не подавлены или не произведено тонирование, тела отображаются в виде каркаса. При таком представлении поверхность тела аппроксимируется ребрами граней и образующими линиями искривленных поверхностей.  
Количество образующих линий, отображаемых на искривленных поверхностях, задается значением системной переменной ISOLINES в момент создания объекта. При подавлении невидимых линий твердотельного объекта генерируются и удаляются невидимые линии объекта, представленного сетью. Этим процессом управляет системная переменная DISPSILH: если ее значение равно 0, то объект с подавленными линиями отображается в виде сети, если 1 - — в виде силуэтных линий тела. Например, для сферы силуэтной линией будет окружность. Подавленные скрытые линии остаются невидимыми до тех пор, пока не будет произведено какое-либо действие, вызывающее регенерацию, после чего на экране вновь появится изображение в виде каркасной модели.  
Команда SHADEMODE обеспечивает раскрашивание изображения (удаление невидимых линий и нанесение однотонных цветов на видимые поверхности) на текущем видовом экране. Хотя удаление скрытых линий значительно улучшает восприятие рисунка, изображение модели будет выглядеть более реалистично, если ее раскрасить. При осуществлении этой процедуры на текущем видовом экране AutoCAD автоматически удаляет скрытые линии. Подразумевается, что источник света один и расположен за спиной пользователя («свет из-за плеча»).  
Команда SHADEMODE вызывается из падающего меню View > Shade; далее выбирается один из вариантов:

- 2D Wireframe — объекты представляются в виде отрезков и кривых, как кромки граней и тел. Видны растровые и OLE-объекты; учитываются типы и веса линий. Даже если системная переменная COMPASS включена, компас на виде не отображается;

- 3D Wireframe — объекты представлены в виде отрезков и кривых, как кромки граней и тел. Появляется цветная трехмерная пиктограмма системы координат. Растровые и OLE-объекты не видны, типы и веса линий не учитываются. Если системная переменная COMPASS включена, на виде отображается компас. Объекты показаны с учетом цветов присвоенных им материалов;

- Hidden — объекты представляются в каркасном виде. При этом линии, относящиеся к задним граням, не отображаются;

- Flat Shaded — грани многоугольников окрашены в некоторый цвет. В отличие от раскрашивания по Гуро, эффектов плавного перехода здесь не создается. Видны материалы, присвоенные объектам;

- Gouraud Shaded — грани многоугольников окрашены в некоторый цвет, причем переходы от одной грани к другой сглаживаются благодаря использованию цветовых оттенков. Видны материалы, присвоенные объектам;

- Flat Shaded, Edges On — комбинация ключей Flat и Wireframe. К граням применяется плоское раскрашивание, каркас просвечивает сквозь них;

- Gouraud Shaded, Edges On — комбинация ключей Gouraud и Wireframe. К граням применяется раскрашивание по Гуро, каркас просвечивает сквозь них.

 При вычислении оттенка цвета (то есть яркости) каждой грани учитываются два фактора: угол наклона поверхности к направлению взгляда и установка системной переменной SHADEDIF. Чем больше значение системной переменной, тем выше контрастность отображения.  
Чем круче угол наклона поверхности по отношению к направлению взгляда, тем темнее оттенок ее раскраски. Расстояние от точки зрения до объекта при раскрашивании не играет никакой роли.  
Результаты раскрашивания различны для разных точек зрения. Для достижения наилучшего эффекта рекомендуется поэкспериментировать с различными видами.

Значение диффузного отражения, используемое программой для вычисления оттенка  каждой поверхности, определяется системной  переменной SHADEDIF. Системная переменная FACETRES регулирует плавность изображения при раскрашивании.

При раскрашивании моделей с  помощью команды SHADEMODE невозможно получать блики, перемещать имеющийся источник света и добавлять новые. Все  эти эффекты доступны лишь при  тонировании, которое выполняется командой RENDER. Скорость раскрашивания повышается с уменьшением площади видового экрана, поэтому для ускорения работы рекомендуется уменьшать видовой экран, насколько это возможно (см. Графическую часть, лист 1).[2]

 

 

 

6.2 Реалистичное представление сцен 

 

6.2.1 Модели закраски

 

В версии 2007 материал стал свойством  объекта. В связи с этим появились  дополнительные инструменты, облегчающие работу с материалами. Команда MATERIALS' (МАТЕРИАЛЫ) открывает немодальное окно MATERIALS¹ (МАТЕРИАЛЫ), которое отображает параметры материалов загруженных в рисунок (рисунок 6.1).

Прежде чем использовать материалы в объектах чертежа, эти  материалы необходимо предварительно загрузить в рисунок. Большое  количество материалов доступны в специально созданной для этого группе Materials (Материалы) окна TOOL PALETTES (ПАЛИТРЫ ИНСТРУМЕНТОВ) (рисунок 6.2). Загрузка материала с палитры выполняется простым перетаскиванием в рисунок.

Материалы фактически являются растровыми изображениями, которые  отображаются на гранях объектов. Для каждого такого отображения задаются начало отсчета, направления главных осей и параметры дополнительных преобразований, с помощью которых достигаются эффекты отражения, рассеяния, прозрачности, шероховатости, преломления и т. д.

 

 

Рисунок 6.1 - Окно MATERIALS

 

 

Рисунок 6.2 - Окно TOOL PALETTES группа Materials

 

 

Рисунок 6.3 - Реалистичный стиль с материалами

 

В верхней части окна MATERIALS (МАТЕРИАЛЫ) показаны изображения тех материалов, загрузка которых в рисунок уже выполнена. Загруженный материал можно присвоить объекту с помощью кнопки . Реалистичный стиль позволяет видеть присвоенные объектам материалы. Пример визуализации с отображением материалов показан на рисунок 6.3.

При открытии рисунков с  материалами, созданными в более ранних версиях, система должна преобразовать такие материалы в новую структуру. Для этого используется команда CONVERTOLDMATERIALS' (КОНВСТАРМАТ) (см. Графическую часть, лист 4).[1]

 

 

6.4 Освещение и тени

 

К рисунку можно добавить источники  освещения, которые могут быть четырех  типов солнечный свет, удаленный источник, точечный источник и прожектор. Солнечный свет — это аналог освещения, которое зависит от солнца, географического положения, латы и времени суток. Географическое положение пользователя (долгота и широта места) настраивается специальным образом и сохраняется в рисунке.

Удаленный источник прямолинейно распространяет свет в одном направлении, и интенсивность света не меняется с расстоянием.

Точечный источник испускает свет во всех направлениях, и его интенсивность падает с удалением от источника. С помощью точечных источников хорошо имитируются электрические лампы (например, при создании моделей помещений).

Лучи света от прожектора идут в заданном направлении, образуя конус, что создает на освещаемых объектах яркие световые пятна и зоны спада освещенности вокруг световых пятен. Угол конуса, соответствующего световому пятну, должен быть меньше угла полного светового конуса включающего в себя конус светового пятна и зону спада освещенности. Оба угла (угол полного светового конуса и угол конуса соответствующего яркому пятну) находятся в интервале между 0 и 160 градусами.

Точечные источники света и  прожекторы оформляются системой как  объекты, которые имеют условные изображения (рисунок 6.4).

 

 

Рисунок 6.4 - Условные изображения для точечного источника и прожектора

 

Команда P01NTL1GHT (ТОЧЕЧНЫЙСВЕТ) которой соответствует кнопка и пункт меню View | Render | Light | New Point Light (Вид | Тонирование | Свет | Точечный источник), используется для создания точечного источника света. Команда выдает запрос:

Specify source location <0,0,0>;

(Положение источника <0,0,0>.)

Необходимо указать точку размещения объема источника света Точечный источник создается как примитив типа LIGHT с установками по умолчанию. Их можно изменить с помощью следующего запроса:

Enter an option to change

[Name/Intensity/Status/shadoW/Attenuution/Cofar/eXit] <eXit>:

(Выберите опцию для изменения

[Имя/Интенсивность/Cmатус/Тень/Спад/Цвет/выХод] <выХод>;)

Перечислим опции:

- Name (Имя) — имя источника;

- Intensity (Интенсивность) — интенсивность (сила), минимальное зна- чение 0;

-  Status (Статус) — состояние: oN (Вкл) или oFf (Откл);

-  shadoW (Тень) — тип тени: Off (Нет), Sharp (Острая), soFt (Мягкая);

- Attenuation (Спад) — ослабление силы света в зависимости от рас-стояния до предмета.

-  Color (Цвет) — цвет источника

-  eXit (выХод) — выход из задания свойств точечного источника света

Свойства источника света отражаются в окне PROPERTIES (СВОЙСТВА), в котором их можно изменять.

На рисунке 6.5 показан результат тонирования с двумя точечными источниками, установленными перед объектом. На задних стенах дома виден свет, пробивающийся внутрь через отверстия окна и двери.

 

 

Рисунок 6.5 - Тонирование с точечными источниками

 

Команда SPOTLIGHT (ПРОЖЕКТОР), которой соответствуют кнопка и пункт меню View | Render | Light | New Spotlight (Вид | Тонирование | Свет | Прожектор), используется для добавления прожектора Первый запрос команды: