Тема 10 Основи створення тривимірних каркасів.

 

1.      Загальні відомості про каркасні моделі

Каркасна модель являє собою скелетний опис 3D об'єкту, що складається з відрізків і кривих. Каркасна модель є візуальним представленням тривимірного або фізичного об'єкта, що використовується в 3D графіці. Вона створюється шляхом зазначення кожної грані фізичного об'єкта, на місці перетину двох математично безперервних гладких поверхонь, або шляхом вказання вершин об'єкта та з’єднання їх за допомогою прямої лінії або кривої.

Термін походить від каркасного дизайну, що використовує металевий дріт для представлення тривимірної форми твердих предметів. 3D каркас дозволяє створювати і редагувати твердотільні поверхні та об’єкти.

Використання каркасних моделей дозволяє візуалізувати основну структуру 3D-моделі. На основі коркасної моделі можуть бути створені традиційні двовимірні проекції шляхом відповідного обертання об'єкта та видалення невидимих ліній за допомогою січних площин.

Оскільки каркасна візуалізація є відносно простою і не потребують значних обчислювальних потужностей, вони часто використовуються у випадках, коли необхідно забезпечити висока частоту оновлення кадрів (наприклад, при роботі з особливо складними 3D-моделями, або в системах реального часу, що моделюють природні явища). При потребі більшої деталізаціх, після завершення початкового рендеринга каркасу автоматично можуть бути додані текстури поверхні. Це дозволяє розробнику швидко переглянути або повернути об'єкт у бажаний вид без тривалих затримок, пов'язаних з більш реалістичним рендерингом.

Рис. 10.1 Приклади простих каркасних моделей

Формат каркасних моделей також добре підходить і широко використовується в програмуванні траєкторії інструменту для DNC верстатів (з прямим цифровим керуванням). Каркасні моделі також використовуються в якості вхідних даних для CAM (САПР ТП).

Використання каркасних моделей дозволяє:

·         Розглядати моделі з будь-якої точки.

·         Автоматично генерувати ортогональні і додаткові види.

·         Легко генерувати розчленовані і перспективні види.

·         Розглядати взаємне розташування елементів у просторі, оцінювати найкоротші відстані між вершинами і ребрами і т.д.

·         Скоротити число необхідних вихідних елементів моделі.

Каркасні моделі складаються тільки з точок, відрізків і кривих, що описують кромки об'єкта. Оскільки кожна зі складових такої моделі об'єктів повинна створюватись і розміщуватися незалежно від інших, витрати часу на моделювання часто бувають вкрай великі.

Рис. 10.2 Приклад каркасної моделі прес-форми, створеної в САПР NX

Створення каркасних 3D моделей є більш трудомістким процесом, ніж побудова їх двовимірних проекцій. У зв'язку з цим рекомендується дотримуватись наступних інструкцій, що дозволяє підвищити ефективність роботи:

·         Спланувати пошарову структуру створюваної моделі таким чином, щоб можна було спрощувати виведену модель відключенням певних елементів.

·         Використовувати кольори для ідентифікації об'єктів на різних видах.

·         Використовувати допоміжні елементи для оцінки форми моделі.

·         Використовувати кілька видів, особливо ізометричних, для візуалізації моделі та спрощення вибору об'єктів.

·         Вивчити керування ПСК в 3D просторі. Площина XY поточної ПСК є площиною побудов, яка задає орієнтацію плоских об'єктів, таких як кола і дуги. ПСК також визначає площину для виконання операцій обрізки, подовження, зміщення і повороту об'єктів.

·         Використовувати режими об'єктної і крокової прив'язки для забезпечення точності побудови моделі.

·         Використовувати координатні фільтри для побудови перпендикулярів і вказання точок у тривимірному просторі на основі координат точок наявних об'єктів.

 

2.      Способи побудови каркасних моделей.

Усі САПР надають можливість створювати каркасні моделі шляхом розміщення плоских 2D об'єктів в будь-якому місці 3D простору. Для цього пропонуються такі способи:

·         Введення значень 3D точок. Введення значень 3D точок (з координатами X, Y і Z) в ході побудови об'єкта.

·         Задання площин побудов за замовчуванням (тобто площини XY ПСК) для рисування об'єкта.

·         Переміщення або копіювання створеного 2D об'єкта для задання його просторової орієнтації.

Каркасний об'єкт задається двома таблицями: таблицею вершин (vertex table) і таблицею ребер (edge table). Таблиця вершин складається з тривимірних координат значення для кожної вершини з посиланням на походження, в той час як в таблиці ребер зазначні початок і закінчення вершин для кожного ребра.

 

Рис. 10.3 Приклад таблиць вершин та ребер для каркасної моделі куба

Після відповідних розрахунків для перетворення 3D-координат вершин в 2D координати екрану, створюється каркасне представлення, шляхом проведення прямих ліній по координатах відповідних вершин, використовуючи список ребер. На відміну від більш докладного представлення, яке необхідне для рендеринга, в даному випадку не вказується інформація про грані (вона повинна бути розрахована, якщо виникає необхідність твердотільного представлення).

Рис. 10.4 Приклад каркасу куба, створеного на основі даних з таблиць на рис. 10.3

 

3.      Недоліки каркасних моделей

·         Неоднозначність - для того, щоб представити модель в каркасному вигляді, потрібно представити всі ребра (цей ефект може призвести до непередбачуваних результатів).

·         Не можна відрізнити видимі грані від невидимих. Операцію з видалення невидимих ліній можна виконати тільки вручну із застосуванням команд редагування кожної окремої лінії, але результат цієї роботи рівносильний руйнуванню всієї створеної каркасної конструкції, тому що лінії невидимі в одному виді і видимі в іншому);

·         Неможливість розпізнавання криволінійних граней - уявних ребер (бічні поверхні циліндричної форми реально не мають ребер, хоча на ілюстраціях наводять зображення деяких уявних ребер, які обмежують такі поверхні). Розташування цих уявних ребер змінюється залежно від напрямку виду, тому ці силуети не приймаються як елементи каркасної моделі і не відображаються на ній;

·         Неможливість виявити взаємний вплив компонент (каркасна модель не несе інформації про поверхні, що обмежують форму, що обумовлює неможливість виявлення небажаних взаємодій між гранями об'єкта і суттєво обмежує використання каркасної моделі в пакетах, що імітують траєкторію руху інструменту або функціонування робота, тому що при такому моделюванні не можуть бути виявлені на стадії проектування багато колізій, що з'являються під час збирання;

·         Труднощі, пов'язані з обчисленням фізичних характеристик;

·         Відсутність засобів виконання тонових зображень (основним принципом техніки виконання тонових зображень, тобто забезпечення плавних переходів різних кольорів і нанесення світлотіні, є те, що затіненню піддаються грані, а не ребра).

Рис. 10.5. Каркасна модель террасекта та ілюстрація неоднозначності такої моделі