НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ ОБЪЕМНОГО 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

1

• Авторы
• Файлы

А.С. Ковалев О.А. Шалимова Н.В. Польшакова Статья в формате PDF 284 KB

Наступает новый этап развития компьютерной графики для генерации стереоскопического изображения в мониторах (телевизорах), сканерах, принтерах и других устройств отображения видеоинформации (3DVision).

Применение 3DVision на пpaктике позволяет контролировать качество и выполнять процесс проверки соответствия изготовляемой, проектируемой продукции установленным стандартам. Наиболее близка эта сфера использования 3D инженерам, которые в процессе создания нового изделия выполняют несколько этапов: проектирование - изготовление макета - тестирование - доводка макета - внесение уточнений и выпуск документации. Среди этих этапов одним из самых важных и трудоемких является выпуск документации с учетом внесенных в готовый макет изменений. Не исключается возможность применения 3DVision для инженерного анализа при проведении переконструирования или использования полученных данных в различных целях. Машиностроительные 3D CAD-приложения имеют огромные преимущества - улучшают визуализацию, получают трехмерные данные об 3D конструкциях. Промышленный дизайн - оцифровка макета изготовленного вручную, с целью создания на его основе серийного изделия. Изготовление запасных частей и аксессуаров для автомобилей и другой техники. Цифровое архивирование - 3D сканирование и сохранение оригиналов, которые по какой-либо причине не должны быть сохранены в оригинальном виде. Репродуцирование и изготовление на заказ - 3D сканирование объектов, которые очень трудно смоделировать в CAD-системах из-за сложности геометрии. Воспроизводство моделей человеческих органов в образовательных целях, а также проектирование ортопедических скоб, браслетов и т.п. 3D находит в военном применении, в навигации ночного видения, биохимии и химии, рентгеновской кристаллографии, вычислительной химии, молекулярном моделировании, управлении воздушным движением.

3D монитор позволяет отображать трехмерное изображение и не требует для просмотра специальных очков. Монитор работает по принципу разных сигналов отдельно для правого и левого глаза - формат визуального стерео просмотра. Экран монитора состоит из микролинз, которые контролируют излучаемые световые потоки, а программное обеспечение занимается прорисовкой 3D изображения. Существует несколько разновидностей 3D мониторов: стереоскопический 3D монитор, автостереоскопический 3D монитор, голографический 3D монитор и объемный 3D монитор. Стереоскопический монитор формирует отдельные картины для каждого глаза. Автостереоскопический монитор воспроизводит трехмерное изображение без стереоочков и шлема виртуальной реальности. Голографический монитор имитирует прострaнcтвенное размещение световых волн в таком виде, если бы они располагались при отражении света от реального трехмерного объекта. Объемный монитор использует различные физические механизмы показа светящихся точек в пределах некоторого объема. Вместо пикселей в этих мониторах применяют воксели. Экран монитора состоит из множества плоскостей, которые формируют объемное изображение. Сканеры 3D для трехмерного лазерного сканирования являются самопозиционирующими и позволяют получать точные 3D модели реальных объектов путем излучения на объект света, ультразвука или рентгеновских лучей. Отраженный луч от объекта фиксируется и обpaбатывается средствами САПР.

3D принтер выращивает трехмерные объекты, используя передовые достижения в сферах прецизионной механики, электроники, химии полимеров. Принтер строит прототипы из сверхтонких слоев, что обеспечивает высокое качество быстрого прототипирования. 3D принтер позволяет создавать на стадии проектирования прототипы любой сложности непосредственно по трехмерным цифровым данным. Системы 3D принтера создают объемные физические прототипы путем затвердения слоев рассыпчатого порошка при помощи жидкого связывающего вещества.

Программное обеспечение, управляющее 3D принтерами, принимает все основные форматы файлов, содержащих 3D геометрию. Основной функцией программы является рассечение твердого объекта на множество слоев, создавая 2D изображения каждого слоя толщиной 0,1 мм в плоскости, перпендикулярной оси Z. Кроме разрезки модели на слои, программа использует дополнительный функционал изменения вида, масштаба, вращения, окраски, нанесение меток, копирование моделей. 3D принтер использует стандартную технологию струйной печати, создавая прототипы, слой за слоем, путем нанесения жидкого связывающего вещества на тонкие слои порошка. Эта задача выполняется с помощью подающего поршня и платформы, которая ступенчато поднимается на каждый следующий слой. Роликовый механизм переносит расходный материал из подающей камеры на платформу. После этого с помощью сжатого воздуха деталь очищается от налипшего расходного материала. Весь процесс занимает около 10 минут. Эта технология позволяет печатать одновременно множество деталей одну рядом с другой, затрачивая на это дополнительно незначительное количество времени по сравнению по сравнению с печатью одного изделия. При печати на 3D принтере точность, в основном, зависит от возможности нанесения материала в нужном месте и в нужное время. Данная возможность зависит от размера сопла и механических приводов. Использование высокоточных струйных головок в 3D принтере позволяет получать качественные детали с высоким разрешением. Увеличение общей скорости 3D принтера способствует и метод нанесения материала. Рабочие материалы 3D принтеров могут быть различными, к примеру, порошок на основе гипса, целлюлозы или гипсо-керамики, в зависимости от требуемых физических параметров. Если необходима дополнительная прочность, напечатанный прототип можно пропитать суперклеем или эпоксидными смолами. Высококачественный композитный материал используют при создании прочных цветных деталей с высоким разрешением. Этот наиболее широко используемый материал вкупе с технологией HD3DP позволяет создавать прототипы с разрешением 600 dpi. Высокая детализация мелких элементов и отличная прочность делают материал пригодным в широком в кругу применении. На пpaктике создают концептуальные прототипы и модели под литье. Материал состоит из специально разработанного гипса с множеством добавок, улучшающих качество поверхности изделий, их детализацию и прочность. Он идеально подходит для деталей с требованиями высокой прочности, деликатных тонкостенных прототипов, цветной 3D печати, точного воспроизведения изделий.

Контактные 3D сканеры построены по принципу обвода модели специальным высокочувствительным щупом, посредством которого в компьютер передаются трехмерные координаты сканируемого предмета. Бесконтактные 3D сканеры изготавливаются на основе фотограмметрической, структурированной и лазерной технологии. Они фотографируют объект с различных точек и воссоздают на основе полученных изображений 3D модель.

На пpaктике уже создан ПК со встроенным автостереоскопическим монитором. Это средство отображения информации, позволяющее видеть стереоскопическое изображение без специальных приспособлений (очков). В основе работы монитора лежит лантикулярный принцип. Слой монитора покрыт лантикулярной пленкой. Она преломляет лучи света от монитора таким образом, что определенные разные paкурсы изображения попадают в левый и правый глаз и создают стереоскопическое изображение. Для просмотра стереоконтента используется специальное программное обеспечение, при этом оптимальное расстояние просмотра составляет 3-5 метров. Контент для просмотра на мониторе должен быть приготовлен специальным образом. Каждый кадр анимации представляет собой 9 разных paкурсов/взглядов на виртуальную сцену. Благодаря лантикулярной пленке оператор в каждый момент времени видит только два из них, причем каждым глазом свой кадр. Эффективное разрешение трехмерного изображения не превышает 640х360. Чтобы монитор заработал в 3D-режиме, необходимо использование видеокарт NVIDIA начиная с 6-тысячной серии и специальных драйверов GeForce 3D Stereo Driver.

---