9 - 2003

Концептуальный дизайн — первый шаг к новому изделию!

Часть 2

Александр Лягушкин

Мы продолжаем публикацию серии статей, посвященных конструкторско-дизайнерским разработкам в программных продуктах, поставляемых отделением RAND Worldwide в СНГ.

В предыдущей статье мы рассмотрели один из возможных вариантов работы дизайнерского отдела и вероятные неоптимальные циклы работы при взаимодействии дизайнерского и конструкторского отделов (см. «САПР и графика» № 7’2003). Мы также начали знакомство с программным продуктом для концептуального дизайна — пакетом Pro/CONCEPT. Мы кратко ознакомились с его интерфейсом и инструментами, доступными для воплощения дизайнерской идеи в жизнь. В первой части статьи описывались средства Pro/CONCEPT, позволяющие рисовать 2D-эскизы и скетчи. Мы отметили удобство и разумную лаконичность интерфейса и инструментов данного пакета.

В данной статье мы более детально рассмотрим свойства Pro/CONCEPT, которые не доступны растровым редакторам и позиционируют этот пакет как средство разработки дизайна изделия.

Первое, на что следует обратить внимание, — это возможность наложения трехмерных текстур на объект. Проще говоря, можно просто «разрисовать» вашу модель в соответствии с необходимыми требованиями. Традиционно раскраска моделей сводилась к проецированию (по тому или иному алгоритму) заранее выбранной растровой картинки на поверхность объекта. Набор типов проецирования, как правило, ограничен плоским, сферическим и цилиндрическим типами проекций. Можете себе представить, как деформируется картинка при проецировании на объект в случае, если форма объекта далека от плоскости, сферы и цилиндра соответственно. Какое же пространственное воображение должно быть у дизайнера или сколько итераций по подбору и редактированию растровой картинки он должен совершить, чтобы добиться совпадения деталей текстуры с формой сложной модели!

Совсем другое дело, если вы работаете с Pro/CONCEPT. Возможности редактора этого пакета позволяют рисовать текстуру непосредственно на модели, поворачивая трехмерный объект в любой необходимый ракурс, и накладывать цвет (или фактуру Bump) при помощи любого инструмента, применяемого для рисования растровых картинок. После завершения создания текстуры на модели вы можете сохранить ее в виде обыкновенного растрового файла. При этом Pro/CONCEPT выполняет функцию, обратную традиционному направлению действий, то есть проецирует с поверхности модели текстуру на плоскую, цилиндрическую или сферическую поверхность (в зависимости от выбранного типа проецирования), а затем «разворачивает» данную картинку на плоскость. Типы проецирования выбираются в зависимости от топологии модели и удобства применения того или иного типа. Чем меньше геометрия объекта отстоит от геометрии плоскости, сферы или цилиндра соответственно, тем меньшим деформациям подвергнется текстура при преобразовании в растровую картинку.

Результаты такой работы («развертка» на плоскость растровой картинки текстуры) показаны на рис. 1. Пример 3D-модели, с которой взята эта текстура, приведен на рис. 5, в центре.

Только представьте, сколько времени надо потратить, чтобы создать подобный деформированный текстурный «шедевр» без функции пространственной раскраски модели! Да чтобы он точно «лег» на модель! Сколько итераций придется совершить, чтобы добиться приемлемого совпадения? А ведь всё это время и усилия, которые, как известно, выливаются в деньги.

В этом разделе мы коснулись лишь наиболее примечательных сторон создания текстур. За рамками статьи остались такие вопросы, как создание текстур прозрачности, распределение текстур декалей на слои и управление ими, задание базовых свойств материала модели и многое другое. Эти вопросы надо рассматривать при более близком знакомстве с программным продуктом во время реальной демонстрации его возможностей или при практической работе с ним. Хотя частично к некоторым вопросам работы с материалом модели мы обратимся в наших последующих статьях, посвященных особенностям рендеринга в Pro/CONCEPT.

До настоящего момента мы рассматривали функциональность пакета Pro/CONCEPT, которая в той или иной степени наличествовала у его предшественника — программы 3D Paint.

Теперь мы переходим к рассмотрению принципиально новой функциональности, которая кардинальным образом расширила возможности нового пакета. Вот первая из этих отличительных особенностей: Pro/CONCEPT позволяет импортировать и экспортировать трехмерные модели. При этом может быть использовано сразу несколько наиболее популярных форматов, таких как IGES, PRT, STL, OBJ, VRML. В более ограниченном объеме это было возможно и в 3D Paint. Но что действительно новое в Pro/CONCEPT — так это функции редактирования импортированной геометрии.

После импорта модели в Pro/CONCEPT она отображается в полигональном представлении, после чего становятся доступны функции управления сеткой полигонов импортированной модели, такие как сглаживание (Smooth), оптимизация сетки (Refine), уменьшение числа полигонов (Decimate), построение оболочки заданной толщины из полигональной модели (Shell), построение эквидистантной полигональной поверхности (Offset), а также некоторые другие функции по работе с участками сетки модели. Примеры работы таких функций отображены на рис. 2, 3, 4, 5. На рис. 2 слева направо изображены: исходная импортированная полигональная модель, модель после выполнения функции уменьшения числа полигонов, функции оптимизации сетки и модель кубика после выполнения функции сглаживания. На рис. 3 в верхнем ряду изображены слева направо: исходная модель и модели после построения эквидистантной сетки +3 мм и –3 мм. По рисункам видно, что применение даже таких простых средств по управлению сеткой полигонов, как функция Offset, позволяет получить интересные результаты (сравните форму лица на эквидистантах плюс-минус 3 мм).

Pro/CONCEPT предлагает специальные инструменты по деформированию и редактированию полигональный геометрии. На рис. 4 показаны слева направо: исходная модель, далее модели после применения инструментов деформирования, таких как Warp (смятие) и Bend (изгиб).

Давайте немного подробнее рассмотрим инструменты Smooth, Sculpt и Displace. Введение такого рода инструментов в пакет Pro/CONCEPT сразу усилило его позиции на рынке дизайнерских продуктов. Операции подобного рода очень упрощают работу на предварительных стадиях дизайна, когда дизайнер еще ищет форму и ему хочется «гнуть», «мять» и «разглаживать» объект, как кусок пластилина. Именно эти операции могут помочь дизайнеру воплотить свои замыслы в виртуальной реальности. Этими инструментами можно работать, как в скульптурной мастерской, — небольшими движениями, шаг за шагом меняя форму модели. Особенно это важно при разработке «органических форм», при отработке концепции мягких переходов из одной поверхности в другую и при «скульптурном» моделировании.

Операция Smooth позволяет сгладить острые или неровные грани модели, смягчить переходы, «размыть» рельеф поверхности объекта. В качестве инструмента может быть использовано такое же перо, как и для рисования; движок величины (диаметра) пера управляет величиной зоны сглаживания, а аналог движка прозрачности (здесь он называется Smooth) — степенью приложения эффекта сглаживания по радиусу пера.

Операция Sculpt дает возможность почувствовать себя настоящим скульптором. Изменяя форму и силу эффекта Sculpt при помощи редактора, подобного редактору пера, вы создаете инструмент деформации поверхности модели. Далее вы работаете этим инструментом, как на реальном пластилиновом или глиняном объекте, вдавливая или вытягивая зоны поверхности модели, создавая необходимую вам форму. Вы можете поворачивать ваш виртуальный трехмерный объект, редактировать любую зону в удобном для вас ракурсе, увеличивать на экране отдельные прорабатываемые участки — словом, применять все свои навыки в работе с реальными моделями, но уже в виртуальном пространстве. Всё очень похоже на работу дизайнера в реальном мире, правда, за небольшим, но важным исключением: в программе Pro/CONCEPT каждую стадию работы можно сохранить и отменить операции редактирования (Undo), тем самым экономя массу времени и сил, обычно затрачиваемых на поиск приемлемого варианта формы, удаление неудачных вариантов, воссоздание базовой геометрии и новых попыток поиска формы. На рис. 3 в нижнем ряду изображены модели лица человека, полученные в ходе редактирования исходной модели при помощи функции Sculpt.

Отдельно хотелось бы подчеркнуть, что возможности работы с такими интерактивными инструментами, как Sculpt, Smooth и др., значительно расширяют область применения пакета Pro/CONCEPT за рамки простого индустриального дизайна. Существенно упрощается работа по созданию и модификации геометрии моделей таких сложнейших объектов, как антропоморфные. Создание моделей частей человеческого тела или воссоздание модели лица человека — одна из сложнейших проблем моделирования, и такого типа задачи очень востребованы на рынке.

Операция Displace значительно облегчила жизнь дизайнерам, работающим с фактурой модели. Следует различать фактуру, созданную при помощи проецирования растровых картинок на объект, — фактуру Bump и операцию Displace. В принципе, если рассматривать их с точки зрения конечного результата — получения фотореалистичного изображения (результат рендеринга), то эффект может оказаться одним и тем же. Однако если речь идет о получении модели, то здесь существует принципиальная разница. Фактура Bump не меняет поверхности объекта! Это просто использование специального алгоритма, применяемого при расчете отражения и преломления лучей света при рендеринге изображения! Операция Displace, напротив, деформирует поверхность модели, перемещая полигоны модели (!) в соответствии с цветом наложенной текстуры. Если уж быть совсем точным, то перемещение полигонов модели внутрь или наружу от базового положения управляется 256 уровнями серого цвета; текстура объекта переводится в Grayscale. Чем больше перепад цвета, тем сильнее группа полигонов перемещается относительно базовой поверхности.

На рис. 5 можно увидеть результат рендеринга лица человека. Слева направо: модель без применения функции Displace, модель с текстурой, модель с фактурой Displace. Заметно, что поверхность полигональной модели деформировалась под управлением текстуры. Рендеринг моделей был намеренно выполнен без наложения текстур цвета, чтобы эффект работы функции Displace стал более заметным. К слову сказать, получение моделей барельефов и их воспроизведение становится предельно простым при наличии в пакете функции Displace. Добавьте лишь программу генерации управляющих программ станка ЧПУ, имеющую возможность воспринимать или транслировать полигональную геометрию (например, Pro/ENGINEER — разговор об этом пойдет в последующих статьях), и вы сможете воспроизводить большое количество сложных изделий по картинкам и фотографиям.

Итак, в данной статье мы продолжили изучение функциональности пакета Pro/CONCEPT, рассмотрели функции непосредственного создания текстур на поверхности моделей, вопросы импорта и редактирования полигональных моделей, коснулись новых и очень полезных функций управления и редактирования зон поверхности модели при помощи специальных «скульптурных» функций редактирования, таких как Smooth, Sculpt и Displace. Мы также изучили один из возможных путей получения изделий со сложной поверхностью (гравюр, барельефов, скульптур) при помощи совместной работы функции Displace пакета Pro/CONCEPT и растровой картинки текстуры.

В следующей статье мы завершим рассказ о программном продукте Pro/CONCEPT и поговорим о возможностях встроенного полигонального моделлера и об особенностях модуля рендеринга.

«САПР и графика» 9'2003