3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D ПРОТОТИПИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ В РАМКАХ ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

3D MODELING AND 3D PROTOTYPING OF COMPLEX SPATIAL FORMS IN THE FRAMEWORK OF COGNITIVE PROGRAMMING TECHNOLOGY

Rustam B. Samigullov

student, Department of Information Systems and Computer Engineering, Kokshetau State University of Shokan Ualikhanov,

Kazakhstan. Kokshetau

АННОТАЦИЯ

 В статье рассматривается проблема согласования процесса 3D моделирования и 3D прототипирования сложных пространственных форм в рамках технологии когнитивного программирования. Предложены пути ее решения на примере среды 3D Studio MAX.

ABSTRACT

The article considers the problem of matching the process of 3D modeling and 3D prototyping of complex spatial forms in the framework of cognitive programming technology. Ways to solve it are proposed using the example of 3D Studio MAX.

Ключевые слова: 3D моделирование, скульптинг, быстрое прототипирование, технология когнитивного программирования.

Keywords: 3D modeling, sculpting, rapid prototyping, cognitive programming technology.

Анализ стратегической тенденции развития цифровой программируемой технологии, от математического моделирования физических, биологических и других природных процессов при достижении производственно-элементной базы нано уровня привел к созданию технологии непосредственного воспроизводства трехмерных пространственных объектов сложных форм. Информатика уже не только онтология проектов, но и ее пространственная материализация. Биологические объекты искусственно воспроизводятся на основе технологии когнитивного программирования.

В настоящее время в мире во всех областях знания происходит всплеск цифрового моделирования: через компьютерный инжиниринг. Цифровое моделирование проходит практически любое новое изделие. На японских выставках уже производится наглядная демонстрация процесса объемного копирования: на входе производится цифровая съемка объектов, затем обработка в среде 3D моделирования — и в результате можно распечатать копию прототипа [1]. К сожалению, как отмечают эксперты [2], Казахстанская промышленность задержалась с переходом к цифровому инжинирингу и к быстрому прототипированию с использованием 3D-принтеров. Но сейчас это наверстывается скорейшими темпами. По данным тех же экспертов, Казахстан  сейчас один из самых быстрорастущих рынков специализированного программного обеспечения для проектирования.

Когнитивное программирование. Цифровые 3D технологии и когнитивное программирование открывают уникальные возможности воспроизведения сложнейших пространственных форм, объектов и инженерных конструкций, механизмов. Реализация этих возможностей связана с цифровой технологией управления материальными частицами в объемной среде инструментов 3D технологии, где осуществляется технологический процесс, определяющий свойства воспроизводимого объекта. Инновации индустриальных технологий ведут к слому привычных производственных цепочек и влекут за собой новый этап развития мировой цивилизации [3]. С одной стороны, технология когнитивного программирования является инновационным процессом цифрового творчества, промышленного и художественного производства в рамках цифровой программируемой технологии [4]. С другой стороны, еще до эпохи Возрождения естественной формой отражения окружающего мира и восприятия натуры являлись скульптуры, усложняя с развитием цивилизации процесс когнитивного творчества [5].

Инновации когнитивного программирования ведут к тиражированию сложных пространственных форм, даже тех, которые практически невозможно воссоздать без использования технологий 3D прототипирования [6,7].

Архитектура, неорганические и органические объекты [8], протоклетки [9] (рис. 1), начиненные электроникой роботы, все это области применения цифровых программируемых технологий быстрого прототипирования.

Рисунок 1. Полученное с помощью микроскопа изображение «напечатанной» на 3D-принтере сахарной заготовки, предназначенной для создания сосудистой сети в живой ткани [9].

Примеры цифровых копий изделий, реализованных на 3D-принтере, в том числе, в рамках разработки концепции когнитивного программирования [7], приведены на рис. 2. Необходимо отметить, что представленные на рисунке сложные пространственные фигуры трудно воспроизводимы на любом другом оборудовании, кроме 3D-принтера. Данные сложные трехмерные объекты изготовлены на 3D-принтере Connex 500 фирмы Object, использующем фотополимерную технологию PolyJet Matrix [10]. Необходимо отметить, что математическую модель непрерывной недифференцируемой функции Вейерштрасса — заполняющую пространство кривую (ЗПК) возможно визуализировать как материальный (физический) объект только на 3D-принтере.

Проблема согласования 3D модели и 3D прототипирования. Проблема применения 3D прототипирования заключается в том, что 3D-принтер может печатать только тот рельеф, который создан на основе полигонов, то есть представляет собой полигональную сетку. Однако в 3D-графике существуют различные способы создания рельефа на поверхности объекта, особенно если речь идет о мелких деталях сложной трехмерной модели.

Рисунок 2. Примеры реализации сложных пространственных форм по 3D технологии прототипирования: «кубик» Кантора и трехмерная ЗПК.

3D Studio MAX обладает возможностями моделировать рельефы различными способами. Например, с помощью карт материалов и специальных модификаторов, способных работать с этими картами, таких модификаторов, как модификаторы Noise (Зашумление) и Displace (Смещение), а также каналов редактора материалов Bump (Рельефность) и Displacement (Смещение), карты материала Noise (Зашумление), карты материала Normal Bump (Карта нормалей), а также объемной деформации Displace (Смещение). Принципиальная разница между моделированием рельефов вышеперечисленными способами заключается в том, что ряд методов моделирования, например, модификатор Displace (Смещение) и объемная деформация Displace (Смещение) способны создавать рельеф с помощью использования особых карт материалов, так называемых карт смещения. При этом происходит сдвиг полигональной сетки объекта, поэтому такой способ создания рельефа является одним из вариантов полигонального моделирования без использования самих модификаторов полигонального моделирования. В основе этого метода построения рельефа лежит способность программы выстраивать высоту рельефа в соответствии с градцией цвета карты материала — от белого до черного — методом сдвига вершин сетки объекта, выбранного в качестве основы для построения ландшафта. Рельеф, построенный любым из вышеперечисленных способов, то есть построенный на основе сдвига полигональной сетки, может быть напечатан на 3D-принтере.

Отличие от вышеперечисленных способов формирования полигонального рельефа, каналы редактора материалов Bump (Рельефность) и Displacement (Смещение), вне зависимости от типа примененных для построения рельефа карт, не вызывают реального сдвига полигональной сетки у полигонального объекта, поэтому построенный таким образом рельеф является всего лишь иллюзией объема и не может быть распечатан на 3D-принтере.

Ландшафт на рис. 3 создан с помощью объемной деформации Displace (Смещение). На фронтальном виде видна полигональная сетка объекта. Именно полигональную сетку и распознает 3D-принтер при печати объекта. В качестве основы выбран стандартный примитив Plane (Плоскость). В качестве карты смещения использована карта материала, изготовленная в программе Adobe Photoshop. На рис. 4 указаны параметры, необходимые для создания рельефа, изображенного на рис. 3.

На рис. 5 изображена одна из карт смещения, созданная в графическом редакторе Adobe Photoshop. Ландшафт на рис. 6 создан с помощью модификатора Displace (Смещение). На рис. 7 показаны параметры, с помощью которых создан данный ландшафт.

И во всех вышеперечисленных случаях на фронтальных видах можно видеть форму полигональной сетки объекта. Таким образом, можно судить о форме объекта, который будет распечатан 3D-принтером. Однако большой точности при создании рельефа таким способом добиться весьма сложно. Поэтому обычно при создании трехмерных моделей используются модификаторы полигонального моделирования Edit Mesh (Редактирование сетки) и Edit Poly (Редактирование полигонов)

Рисунок 5. Карта смещения, созданная в графическом редакторе Adobe Photoshop

На рис. 6 представлены заготовки для трехмерной модели рыбы. Под номером 1 на рис. 6 представлена в тонированном режиме заготовка, на которой чешуя передана с помощью канала редактора материалов Bump (Рельефность) и карты материала Normal Bump (Карта нормалей), имитирующей чешую.

На рис. 7 под номером 1 представлена та же модель, но в виде полигональной сетки. Рельефной чешуи на ней нет. Поэтому 3D-принтер не сможет напечатать рельефную чешую, модель будет гладкой.

Противоположность данной модели, модель, представленная на рис. 6 под номером 2, обладает поверхностью, реально имитирующей рельеф чешуи не только в тонированном режиме.

На рис. 7 под номером 2 видна полигональная сетка модели. Рельеф создан на поверхности модели с помощью нескольких последовательно выполненных операций полигонального моделирования. 3D-принтер способен распознать такой полигональный рельеф и напечатать модель с рельефной, а не гладкой, поверхностью.

Заключение. Развитие цифровых программируемых технологий привело к возможности непосредственной цифровизации трехмерных объектов, компьютерного 3D моделирования и репликации объектов. Для адекватной реализации объектов 3D моделирования по технологии быстрого прототипирования необходимо учитывать описанные выше ограничения. Создаваемый в 3D Studio Max для последующей печати рельеф должен быть выполнен с помощью операций полигонального моделирования, а не с помощью карт материалов.

Список литературы:

1. Милославская З. Человечество прыгнуло в иной мир. [Электронный ресурс]. — Доступ: http://www.utro.ru/2013/01/23/articles/internet/
2. Центр стратегических разработок «Северо-Запад». [Электронный ресурс]. — Доступ: http://csr-nw.ru/publications/publication
3. Дарьин К. Новая производственная революция. [Электронный ресурс]. — Доступ: http://expert.ru/2012/01/31/novaya-proizvodstvennaya-revolyutsiya/
4. Александров В.В., Сарычев В.А. Цифровые программируемые технологии. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. т.8. №11. С. 3–9.
5. Виппер Б.Р. Введение в историческое изучение искусства. Изд-во В. Шевчук, 2010. 366 с.