Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи синтеза и параметризации геометрических моделей в трехмерном дизайне 14
1.1. Способы представления и построения трехмерных геометрических моделей 15
1.1.1. Математические принципы представления трехмерных геометрических моделей,... 15
1.1.2. Граничное представление и кусочно-поверхностная технология моделирования 20
1.1.3. Твердотельное моделирование 23
1.2. Кинематический и каркасный методы построения твердотельных примитивов 25
1.2.1. Способы кинематического синтеза поверхностей и тел 25
1.2.2. Каркасное представление поверхностей и тел 28
1.3. Методы параметризации геометрических моделей 33
1.3.1. Размерная параметризация 33
1.3.2. Параметризация поверхностей свободной формы 35
1.3.3. Смысловая информация в описании геометрической модели 36
1.4. Высокоуровневое описание объекта моделирования 37
1.5. Выводы и постановка задачи 40
2. Кинематический синтез геометрических моделей сложной формы . 43
2.1. Аморфное преобразование образующей кривой 43
2.1.1. Требования к преобразованию... 44
2.1.2. Преобразование геометрических примитивов 46
2.1.3. Согласование состава кривых 49
2.1.4. Гладкость кривой-результата преобразования 53
2.1.5. Преобразование для произвольного количества кривых 56
2.2. Синтез поверхности модели 57
2.2.1. Модификация образующей кривой по направляющим кривым 58
2.2.2. Формообразование на основе плоских сечений 62
2.2.3. Аппроксимация аморфной модели 68
2.2.4. Сплайновое формообразование 70
2.2,5. Синтез поверхности при неполных (частичных) кривых в сетке 72
2.3. Представление аморфной модели связной сеткой кривых 74
2.3.1. Описание сетки кривых матрицей топологических связей 74
2.3.2; Условие целостности модели на матрице связей 75
2.4. Выводы по второй главе 76
3. Метод высокоуровневой параметризации геометрических моделей 78
3.1. Многоуровневая организация данных об объекте и его геометрической модели 80
3.2. Параметризация геометрических моделей на основе типовых образцов 84
3.2.1. Построение сплайновой гиперповерхности 87
3.2.2. Параметризация ГМ при одинаковой топологии образцов 92
3.2.3. Параметризация ГМ при изменяющейся топологии образцов 96
3.3. Описание формы модели на базе аппарата нечетких множеств 101
3.3.1. Обобщенные геометрические параметры как нечеткие характеристики 102
3.3.2. Описание обобщенных геометрических параметров лингвистическими переменными 103
3.3.3. Комбинирование и модификация нечетких множеств 104
3.3.4. Приведение нечетких множеств к четким параметрам 105
3.4. Нечеткие правила и вывод как процесс расчета геометрической модели 106
3.5. Выводы по третьей главе 108
4. Система концептуального геометрического моделирования «sculpter» 110
4.1. Структура системы «Sculpter» 111
4.1.1. Управляющая подсистема 112
4.1.2. Подсистема работы с геометрической моделью 115
4.1.3. Подсистема построения и расчета параметрической модели 119
4.1.4. Подсистема нечеткого высокоуровневого описания модели 121
4.1.5. Подсистема управления растровыми подложками 122
4.1.6. Программные средства реализации 123
4.2. Технология моделирования в «Sculpter» 124
4.2.1. Процесс разработки геометрической модели. 124
4.2.2. Применение «Sculpter» для концептуальной проработки геометрических моделей 128
4.2.3. Применение «Sculpter» для геометрического моделирования головы человека 129
4.3. Выводы по четвертой главе 132
Заключение 134
Список литературы 137
Приложение1
- Кинематический и каркасный методы построения твердотельных примитивов
- Модификация образующей кривой по направляющим кривым
- Описание обобщенных геометрических параметров лингвистическими переменными
- Применение «Sculpter» для концептуальной проработки геометрических моделей
Введение к работе
Актуальность работы. Современные стандарты качества требуют внедрения CALS технологий, где электронная модель изделия, в том числе геометрическая модель (ГМ), должна формироваться и на самых ранних стадиях проектирования (концептуальное, эскизное). Однако трудоемкость создания ГМ сложной формы существующими методами и высокие требования к пользователям систем геометрического моделирования затрудняют широкое использование трехмерной графики в областях, где происходит творческий поиск геометрической формы.
Проблема высокой трудоемкости построения ГМ и завышенных требований к квалификации специалистов-дизайнеров связана с тем, что существующие общепринятые подходы к разработке ГМ не учитывают специфику данного этапа. Геометрическое моделирование на начальных этапах проектирования характеризуются следующими основными особенностями:
-
Прорабатывается в основном внешняя форма объекта моделирования, функциональные детали представляются схематично, минимальным количеством геометрических объектов.
-
Большое значение имеет интерактивная визуализация и простые, интуитивно понятные инструменты построения ГМ.
-
Процесс моделирования направлен не на «статичный» единичный результат, а на генерацию множества альтернативных решений, оцениваемых другими участниками разработки (в т.ч. заказчиком).
-
Объект моделирования, в т.ч. его геометрическая форма часто описываются словесно, неформально.
Основные развивающиеся направления автоматизации геометрического моделирования на концептуальной стадии:
ЬЙОСПГ
j РОС HAU
і БИ Б J
-
Развитие средств создания растровых плоских изображений с возможным последующим построением трехмерной модели традиционными методами.
-
Развитие средств моделирования с использованием специального дорогостоящего оборудования виртуальной реальи
* """-НАЦИОНАЛЬНА БИБЛИОТЕКА
4 Существует потребность в средствах быстрой разработки геометрических моделей на основе простого инструментария и без привлечения дорогостоящего оборудования. Нами была поставлена задача исследования и разработки способов быстрого создания ГМ на основе традиционных, общепринятых методов геометрического моделирования. Это с одной стороны позволит на ранних стадиях проектирования разрабатывать трехмерные ГМ приемлемого качества, а с другой -позволит достаточно легко встраивать новые методы в существующие системы геометрического моделирования и САПР.
Объектом исследования является математическое и компьютерное моделирование геометрической формы объектов реального мира и воображаемых. Предмет исследования - процесс построения трехмерной ГМ, включая способы описания (в том числе высокоуровневого) геометрической формы, способы ее преобразования, структура и инструментарий процесса моделирования с ориентацией на задачи предварительной проработки формы.
Цель работы - сокращение трудоемкости разработки трехмерных ГМ и требований к квалификации разработчика (дизайнера) в задачах геометрического моделирования объектов, содержащих поверхности свободных форм на этапе концептуального трехмерного дизайна, путем адаптации традиционных методов геометрического моделирования и разработки новых, позволяющих эффективно организовать процесс работы с геометрической формой.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
исследование существующих методов разработки ГМ, способов кинематического синтеза и каркасного описания ГМ, методов параметризации ГМ на предмет выявления их элементов, требующих развития и адаптации для использования в задачах интерактивного геометрического моделирования на концептуальной стадии проектирования;
разработка способа кинематического синтеза ГМ на основе каркаса (сетки) составных кривых из сечений и профилей, разработка технологии и инструментария построения и модификации предложенного типа моделей, методов ее полигональной и сплайновой аппроксимации;
разработка метода гладкой сплайновой интерполяции функции многих переменных, заданной многомерной сеткой значений на основе кубических полиномиальных функций для представления параметрического преобразования формы ГМ;
разработка алгоритмов параметризации формы ГМ на основе набора типовых образцов формы и многопараметрической функции интерполяции элементов ГМ;
разработка способов высокоуровневого описания ГМ и расчета формы по такому описанию на основе нечеткой логики и предложенного метода параметризации формы на основе типовых ГМ образцов;
- реализация разработанных алгоритмов и методов в виде программы-
прототипа системы геометрического моделирования и исследование предложен
ных методов на примере скульптурных портретов, и других объектов из области
предметного концептуального дизайна.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием теории множеств, линейной, векторной и матричной алгебры, вычислительной геометрии, теории интерполяции и сплайнов, нечеткой логики. Экспериментальные исследования выполнены с помощью разработанного прототипа системы геометрического моделирования.
На защиту выносятся:
- результаты системного поиска путей решения задачи автоматизации гео
метрического моделирования на концептуальной стадии, полученные на основе
анализа существующих технологий и методов разработки ГМ;
способ кинематического синтеза ГМ, позволяющий эффективно организовать процесс ее разработки, описывать геометрическую форму сравнительно небольшим количеством исходных составных кривых;
способ параметрического описания изменений формы ГМ на основе набора типовых образцов формы, позволяющий автоматически генерировать варианты ГМ и плавно модифицировать форму модели между заданными вариантами посредством определенных дизайнером параметров;
способ высокоуровневого описания формы ГМ и построения модели по такому описанию, позволяющий эффективно организовать использование библиотек ранее созданных параметрических моделей;
разработанная автором программная система, а также методика организации процесса моделирования на предварительных этапах разработки ГМ, представляющая собой последовательность действий и применяемых инструментов моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложен способ модификации образующей в рамках кинематического метода порождения поверхности на основе каркаса кривых, позволяющий упростить процесс разработки модели сложной геометрической формы за счет сокращения объема ее описания и ручных операций.
-
Предложен алгоритм параметризации ГМ, определяемых каркасом кривых, основанный на использовании типовых образцов и множества признаков формы и заключающийся в сплайн-интерполяции элементов модели. Алгоритм позволяет значительно уменьшить трудоемкость разработки параметрических моделей, содержащих поверхности свободных форм.
-
Впервые предложено описание и способ модификации формы ГМ на базе аппарата матлогики нечетких множеств.
4. Предложена методика конструирования ГМ на этапе концептуального
проектирования, основанная на моделях, определяемых каркасом кривых, и сред
ствах параметризации их формы, реализующая концепцию постепенного услож
нения формы проектируемой модели.
Практическая полезность. Разработанные методы синтеза и параметризации ГМ позволяют существенно сократить трудоемкость начальных этапов проработки геометрической формы при создании ГМ объектов, характеризующихся наличием сложных «скульптурных» поверхностей.
Разработанная система «Sculpter» может быть использована для быстрого построения ГМ и ее интерактивной визуализации по набору эскизов, рисунков или
7 фотографий объекта моделирования в ортогональных проекциях. Возможными направлениями использования системы «Sculpter» могут быть:
создание параметрических скульптурных портретов и моделей персонажей;
предварительная проработка ГМ сложной формы с последующим экспортом в системы трехмерного дизайна для создания окончательного варианта ГМ;
обучение основам трехмерного моделирования дизайнеров и специалистов в области САПР.
Разработанная программная реализация предложенных методов в виде объектно-ориентированной библиотеки геометрического моделирования может быть использована при разработке модулей, интегрируемых с системами геометрического моделирования, имеющими открытую архитектуру и использоваться в приложениях трехмерного дизайна, на начальных стадиях разработки ГМ.
Метод параметрического описания изменений формы ГМ на основе набора типовых образцов формы может быть использован в анимации для описания сложных анимированных преобразований формы (например, мимика лица) на основе графиков изменения параметров формы, описывающих отдельные, относительно простые преобразования формы.
Способ высокоуровневого описания формы ГМ и построения модели по такому описанию может быть использован в криминалистике для разработки трехмерных текстурированных моделей человеческой головы (трехмерных фотороботов) по описанию, близком)' к естественно-языковому (например, по показаниям свидетелей). Трехмерная модель здесь позволяет рассмотреть лицо с разных ракурсов, при разных моделях освещения и т.д.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в «институте права, социального управления и безопасности» при Удмуртском государственном университете для построения текстурированных скульптурных портретов и трехмерных фотороботов как основа для исследований в области интеграции компьютерной графики с криминалистическими задачами.
Разработанные программные модули внедрены в ООО «Индизайн» (г. Ижевск) в качестве основы для разработки модулей расширения существующих
8 систем геометрического моделирования. Кроме того, материалы исследований используются в учебном процессе при чтении курса лекций «Геометрическое моделирование в САПР» в Ижевском государственном техническом университете, при выполнении дипломных работ студентов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались следующих международных конференциях: на 13-ой международной конференции по компьютерной графике и визуализации ГРАФИКОН-2003; на 14-ой международной конференции по компьютерной графике и визуализации ГРАФИКОН-2004; на международной научно-технической конференции IEEE AIS'04 (3-Ю сентября 2004 г.); на научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии 2004»; на 6-й всероссийской научной конференции с международным участием «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 147 машинописных страницах с иллюстрациями. Список литературы включает 122 наименования.
Кинематический и каркасный методы построения твердотельных примитивов
В кинематическом способе представления поверхность рассматривается как непрерывное множество положений перемещающейся в пространстве линии. Эту линию называют образующей (производящей) рассматриваемой кинематической поверхности. Закон перемещения образующей в пространстве удобно задавать неподвижными кривыми, которые называют направляющими.
Хорошая классификация кинематических поверхностей, принятых в начертательной геометрии приведена Бубенниковым А.В. [59]. Однако построение тел в системах геометрического моделирования осуществляется лишь небольшим подмножеством всего множества кинематических методов [32]. При этом нас будут интересовать кинематические поверхности, формирующие замкнутую оболочку и представимые в параметрической форме.
Синтез твердого тела удобно представить как движение плоской области (двумерного твердого тела), ограниченной плоской замкнутой кривой (контуром) [60]. Наиболее простыми способами построения тел являются тело выдавливания и тело вращения (рис. 1.3). Здесь чаще всего нет необходимости явно определять направляющую кривую — в первом случае это отрезок прямой, который может быть задан высотой выдавливания, а во втором - окружность или ее дуга, определяемая осью вращения.
M(v) - матричная функция, определяющая матрицу поворота касательного базиса в точке направляющей кривой (задающего поворот формообразующего контура в данной точке) относительно его начального положения.
Поверхность, представленная формулой (1.1) ограничивает тело заметания [60]. Если направляющая кривая замкнута, то образуется тело с топологией тора, а если не замкнута, то тело с топологией призмы (рис. 1.4 а, б). Если из формулы (1.1) исключить поворот (множитель M(v)), то тело, ограничиваемое данной поверхностью, представляет собой тело сдвига (рис. 1.4 в).
В описанных выше кинематических методах формообразующий контур не меняет своей формы в процессе движения. Однако в более сложных случаях он может изменяться по произвольным законам. Например, при кинематическом синтезе поверхности по двум направляющим контур помимо вращения может масштабироваться (рис. 1.5 а). Здесь одна направляющая является основной (представляет собой функцию g(v) в формуле (1.1)), а вторая - вспомогательной, используемой для вычисления M(v), определяющей матрицу поворота и масштаба.
Большее количество направляющих (профильных) кривых может определять более сложные преобразования образующей кривой, и соответственно более сложную форму. Например, изоморфная модель [61] определяется формообразующим контуром и двумя профилями, задающими четыре плоских направляющих кривых, определяющих масштабирование контура по двум осям (рис. 1.5 б). Рис. 1.5. Кинематические тела с несколькими направляющими Интересен метод построения тела на основе динамически параметризуемого формообразующего контура, предложенный в [61]. Геометрия контура здесь охарактеризована линейными, угловыми и радиальными размерами. Кроме траектории движения также определяются графики (профили) изменения данных размеров, что позволяет гибко контролировать форму тела в некоторых инженерных задачах.
Важным достоинством кинематических методов, используемых в системах геометрического моделирования для построения тел, является минимальность исходной геометрической информации (называемой в прикладной геометрии определителем [62]), определяющей тело. Это позволяет разрабатывать ГМ бы стро, что весьма важно в концептуальном проектировании. Однако возможности формообразования кинематических методов все же ограничены. Для построения поверхностей свободной формы используются каркасные методы.
Поверхность,, представленную каркасом можно сравнить с корпусом (обшивкой) судна, плавно обводящей ребра жесткости (шпангоуты и стрингеры). Каркас представляет собой множество опорных геометрических элементов поверхности, таких как линии, точки. Обвод поверхности строится с помощью алгоритма, называемого алгоритмом уплотнения каркаса [63]. В становлении и развитии теории каркаса принимали участие такие ученые как Котов И.И. [64, 65], Павлов А.В. [66], Рыжов Н.Н. [67, 68].
Для решаемой нами задачи наиболее интересны непрерывные каркасы, т.к. они представляют собой линии на поверхности похожие на те, которыми художники и дизайнеры описывают форму поверхности на эскизах. Непрерывный каркас представляет собой семейство непересекающихся линий или два семейства линий, где каждая линия одного семейства пересекает один раз каждую линию другого семейства (рис. 1.6).
Модификация образующей кривой по направляющим кривым
Рассматриваемое в данном параграфе дополнительное преобразование образующей кривой можно рассматривать как вписывание ее в заданный набор точек. Т.е. кривая r (t) получаемая в результате преобразования кривой r(t) должна проходить через заданное упорядоченное множество точек {pv...,pm} є r (t). При этом для нас важно, чтобы r (t) осталась составной, состоящей из тех же геометрических примитивов, и насколько это возможно сохранила гладкость. Установленным ограничениям удовлетворяют преобразования переноса, поворота и гомотетии, которые к тому же являются достаточно простыми и дающими предсказуемый результат. Именно с помощью них попытаемся выразить требуемое преобразование. Рассмотрим вписывание незамкнутой кривой в интервал между двумя точками р, и р2 (рис. 2.10). Последняя операция, которую необходимо осуществить - это перенос на р,. В конечном итоге преобразование G примет следующий вид (для простоты предполагаем, что t є [0, 1], хотя параметризация кривой может быть произвольной) В результате данного преобразования состав кривой не изменится, примитивы на г будут подобны примитивам на г, что следует из свойств использованных нами преобразований. Преобразование отрезка и NURBS-кривой сводится к преобразованию точек характеристической ломаной, а для дуги — преобразованию центра, повороту орт-векторов дуги и масштабированию радиуса. Вписывание произвольной кривой в упорядоченное множество точек {/7,,...,/7,,,} может быть представлено как последовательное вписывание ее частей в интервалы между парами точек ррр х , у = 1,...,т-1, где m — количество точек (профилей). Выше упоминалось, что профили, проходящие через вершины сечений, наряду с другими методами принимают участие в согласовании параметризации сечений. Это означает, что каждому профилю rjp) соответствует точка на каждом из сечений, имеющая параметрическую координату и(/\ которая «скользит» по данному профилю в процессе движения образующей кривой. Вследствие сказанного, преобразование G для участка образующей кривой, который будем обозначать г([и)р\и{$)), может быть записано так Множество точек {/7,,...,pj представляет собой соответствующие точки профилей rjp\v) при некотором фиксированном v = v0. Принцип образования аморфной модели иллюстрируется рисунком 2.11.
Принцип формообразования аморфной модели В процессе движения образующей кривой происходит преобразование ее формы от одного заданного сечения к другому и вписывание результата в соответствующие точки профилей. Порция поверхности аморфной модели между профилями rfpi(y) и т2(р)(г ) с учетом (2.14) В целом поверхность аморфной модели описывается так где «Jp) - значение параметра и, определяющее координатную линию на поверхности, совпадающую с профилем rjp); Ф(и,у) - функция преобразования образующей кривой (2.12), которая в свою очередь зависит от набора сечений r/s). Если сечения (и соответственно образующая кривая) замкнуты, то ) (р). Заметим, что если образующая кривая преобразуется посредством Ф, на результирующей поверхности в направлении v будут изломы в местах заданных сечений. Если сечения заданы не очень часто и изменение формы не слишком существенное, то изломы будут практически не заметны, что допустимо в решаемой нами задаче. В иных случаях для того, чтобы избежать изломов, необходимо применять преобразование Ф(5), что в сою очередь снизит общую про изводительность.
Отсутствие изломов здесь обуславливается тем, что преобразования Ф и G будут представлять собой линейную комбинацию гладких функций. Выбор между тем или иным преобразованием представляется для пользователя как режим синтеза модели. Остается невыясненным вопрос о параметризации профилей. Для кривых rjp)(y) мы предполагали, что существует некоторая функция t = tip)(y), посредством которой происходит согласование параметризации кривых rjp)(t). Два основных требования к функции репараметризации профильных кривых tip)(v) вытекают из свойств описанных выше преобразований:
Описание обобщенных геометрических параметров лингвистическими переменными
Охарактеризовать некоторый параметр формы модели в нечетких понятиях можно также представив его в виде лингвистической переменной. В данном случае универсальным множеством будет интервал значений признака. Как говорилось выше, данный интервал может быть задан пользователем произвольно в процессе определения параметрической модели, К примеру, интервал может быть задан как приблизительная оценка некоторого линейного размера (рис. 3.12, а) или как бальная оценка выраженности той или иной характеристики формы (рис. ЗЛ2, б), после чего при привлечении экспертных знаний можно охарактеризовать его нечеткими переменными.
Однако довольно часто та или иная характеристика формы ГМ зависит от дополнительных факторов. К примеру, характеристика «Нормальный» признака «Длина носа» для взрослого человека и ребенка несколько различается - т.е. дополнительно зависит от возраста. В этом случае возможно несколько решений. 1. Определение нескольких характеристических функций и выбор одной из них в зависимости от дополнительных условий. 2. Определение характеристических функций как зависимостей от нескольких параметров. Для примера изображенного на рисунке 3.12а характеристики будут представлять собой функции двух переменных от параметров «Длина носа» и «Возраст». 3. Получение характеристической функции с помощью зависимостей, определенных в виде нечетких правил. Нечеткое множество в таком случае получается в результате процесса логического вывода, который будет рассмотрен нами в следующем разделе. Приведенные здесь варианты можно комбинировать.
Для конструирования характеристик, близких к описанию на естественном языке недостаточно простых характеристик, приведенных выше. Необходимы
способы комбинирования и уточнения простых характеристик, которые в естественном языке выражаются связками «И», «ИЛИ» и модификаторами «НЕ», «ОЧЕНЬ», «ПОЧТИ», «БОЛЬШЕ» и т.д. Синтаксическая процедура G в формуле (1.7) позволяет построить расширенное терм-множество лингвистической переменной, содержащее все комбинации простых термов со всевозможными связками и модификаторами. Обычно процедуры модификации и комбинирования нечетких множеств в рамках систем с нечеткой логикой стандартизованы. Предлагаемый для задач описания геометрической формы способ реализации связок и модификаторов, характеризующийся простотой и очевидностью, приведен в приложении 1.
С точки зрения пользователя предлагаемый аппаратом нечетких множеств подход построения нечетких описаний позволяет компактно организовать базу знаний. Задав несколько термов, представляющих собой простые характеристики, появляется возможность построить новые, более сложные характеристики, комбинируя простые в манере, близкой к словесной.
Нечеткое описание, также как и результат нечеткого вывода (который будет рассмотрен далее) представляет собой набор нечетких множеств. Однако в рассматриваемой задаче построения формы по нечеткому описанию необходимы четкие значения параметров (для того чтобы произвести построение ГМ описанными в разделе 3.2 методами). Определение точки в нечетком множестве, представляющей его «наилучшее» значение называется дефаззификацией.
Существует несколько методов дефаззификации, наиболее часто используемые из которых- «центр тяжести» и «среднее максимумов». Метод вычисления центра тяжести может быть записан формально так
Данный метод характеризуется тем, что на позицию искомой точки влияет площадь под графиком характеристической функции, метод является более ресурсоемким. Его рекомендуется использовать в случаях, когда вся характеристическая функция должна влиять на оценку, а не только ее пиковые значения (см. приложение 2). Небольшие изменения характеристической функции приводят к плавному изменению результирующего четкого значения.
Поиск «наилучшего» значения во втором методе реализуется в два этапа. На первом этапе осуществляется поиск максимальных равных значений Xj, у-{1,..., N] характеристической функции. На втором этапе, если-ЛГ 1, вычисляется среднее найденных значений
Данный метод является более быстрым, чем предыдущий и учитывает только максимальные значения характеристической функции (см. приложение 2). Его рекомендуется применять в случаях, когда форма всей характеристической функции не так важна и области, где она принимает меньшие значения можно не учитывать. Например, если в случае функции треугольной формы необходимо в качестве четкого значения выделить точку пикового значения функции.
Применение «Sculpter» для концептуальной проработки геометрических моделей
Концептуальная проработка формы будущей модели зачастую производится на бумаге в виде набросков и эскизов. Особенно часто такой этап встречается в области промышленного дизайна. Средства автоматизация данного процесса в существующих системах, позиционирующихся разработчиками как системы для концептуального дизайна, чаще всего представляют собой развитые растровые редакторы, в которые включается некоторый инструментарий поверхностного моделирования.
Предлагаемая в «Sculpter» технология моделирования позволяет вместо проработки растровых эскизов, по которым производится достаточно трудоемкое моделирование (которое в результате может оказаться неуспешным и потребовать создания модели заново, особенно если пользователь не является профессиональным дизайнером) производить проработку модели сразу в пространстве. При этом разработчик модели работает с кривыми, сходными с плоскими эскизами, но может сразу видеть и оценивать трехмерную модель - приблизительный результат конечного моделирования.
Рассмотрим различные варианты процесса концептуальной проработки геометрической модели. Сначала разрабатывается некоторый исходный вариант модели (например, на основе растровых набросков и эскизов). Если пользователь имеет достаточно точное представление о том, какой должна быть форма, он может быстро доработать модель, изменяя исходные эскизные кривые, определяя новые. После проработки формы дизайнером могут быть разработаны растровые изображения объекта моделирования в проекциях, по которым строится текстурная карта (посредством которой реалистично раскрашенная модель может быть визуализирована в различных ракурсах).
В случаях, когда конечная форма не ясна, и необходимо рассмотреть различные варианты модели (происходит творческий поиск формы), значительную помощь может оказать предлагаемый способ параметризации изменений формы. Здесь изначально определяется параметрическая модель, также строится исходный вариант модели. Затем на основе исходного разрабатываются другие варианты, где пользователь изменяет форму различных элементов или частей модели, означивая каждое изменение некоторым именем (параметром). Определив параметрическую модель, пользователь путем варьирования значений параметров может получать варианты формы, являющиеся промежуточными между заданными моделями-образцами. Наиболее удачные варианты могут быть сохранены отдельно и раскрашены текстурой (как описано выше). Сама параметрическая модель также может быть сохранена для последующего использования, что позволяет накапливать пригодные для повторного использования идеи в удобном и функциональном виде. При наличии библиотеки таких параметрических заготовок (особенно для элементов, которые можно назвать типовыми) процесс отработки концепции новой формы может быть значительно ускорен.
Такая организация концептуального этапа проектирования позволяет более эффективно организовать работы по моделированию, особенно при рецензировании творческих идей (например, заказчиком). После согласования и утверждения концепции разработчики могут приступать к рабочему проектированию, значительно сократив риск того, что модель придется перепроектировать заново. При этом за основу могут быть взяты уже разработанные кривые и поверхности. Особенно эффективными предложенные методы могут стать, будучи составной частью существующих систем геометрического моделирования.
Задача моделирования так называемых «органических» объектов и в частности тела человека является достаточно сложной и трудоемкой. Одним из самых сложных для моделирования элементов тела человека является его голова. Для существующих систем опытными специалистами разрабатываются различные методики построения моделей головы человека, но при этом задача остается достаточно трудоемкой.
Предлагаемые в «Sculpter» инструменты и технология моделирования позволяет решать эту задачу достаточно эффективно. Рассмотрим процесс моделирования головы человека на конкретном примере (использованы кадры из фильма «Схватка» Warner Bros, 1995).
1. На начальном этапе пользователь может сформировать набор растровых изображений объекта моделирования в разных видах и согласовать их (рис. 4.10,4.11).
Возможность реалистичной визуализации модели в произвольном ракурсе, построенной при помощи изображений в одном или нескольких фиксированных ракурсах делает предложенные методы востребованными в частности в такой области, как криминалистика. Другие примеры приведены в приложении 5.
Наиболее удобные способы моделирования головы человека предлагаются специализированными системами, реализующими параметрическую модель, форма которой определяется набором параметров. Параметрические возможности «Sculpter» также позволяют создавать скульптурные модели, форму которых можно плавно варьировать посредством настройки значений набора параметров. Отличие «Sculpter» в данном способе моделирования от существующих систем заключается в том, что параметрические модели в «Sculpter» не являются «зашитыми» в систему (кроме головы человека могут быть созданы параметрические модели любых других объектов сложной формы) и могут быть разработаны пользователем не высокой квалификации. Кроме того, в существующих системах для внесения коррективов в модель, не предусмотренных множеством параметров приходится редактировать полигональную модель или сплайновые поверхности, что достаточно трудоемко. «Sculpter» в свою очередь имеет простую и единообразную технологию корректировки формы, описанную выше, и позволяет изменять ее, редактируя исходные кривые.
Возможности расчета формы на основе высокоуровневого описания позволяют строить трехмерную модель по описанию, близкому к словесному. Такая технология позволяет производить моделирование очень быстро и также может быть востребована в криминалистике для построения трехмерных фотороботов по словесному описанию (на смену способам компонования лица из набора плоских изображений).
В данной главе описывается система «Sculpter», в которой реализуются методы, описанные в главах 2 и 3. Описаны структура, подсистемы и инструментарий «Sculpter». Также представлена предлагаемая технология геометриче ского моделирования в «Sculpter», которая характеризуется тем, что при минимально необходимом инструментарии позволяет эффективно разрабатывать модели сложной формы, следуя стандартизованному процессу моделирования. Минимальность инструментария и стандартизованность процесса моделирования позволяют пользователю быстро осваивать систему, полноценно работать с ней, не имея значительного опыта и высокой квалификации.
Также в главе приведены примеры того, как могут использоваться предложенные в данной работе методы в приложениях концептуального дизайна и разработки моделей, содержащих сложные скульптурные поверхности. Показано, что даже для такой, слабо связанной с задачами трехмерного дизайна области как криминалистика, предложенные методы могут иметь значительную практическую полезность.
