Rhinoceros 4.0 a jeho technologie UDT ve šperkařství
Publikováno: 28.1.2007 | Autor: Daniele Nale | Rubrika: Rhinoceros | Komentáře: 2 - Doporučit
Již několik let jsme svědky významných změn v procesu výroby šperků. Tato proměna je způsoben širokým zavedením CAD systémů v oblasti návrhu a výroby šperků. CAD systémy umožňují vyvinout vysoce kvalitní návrh v kratším čase než pomocí tradiční ruční práce, mnohé však vyžadují delší dobu pro zaškolení a představují také nemalou nákladovou položku. To však není případ Rhina 4 s technologií UDT.
Autor Daniele Nale - Oroproject - Bulgari. Řím, Itálie
V tomto článku si předvedeme možné využití programu Rhinoceros 4, který přichází s novou technologií UDT, která je zvláště užitečná pro šperkaře, protože výrazně zjednodušuje přístup k trojrozměrnému modelování.
Rhino vyniká zejména těmito charakteristikami:
- Neomezené nástroje pro volné 3D modelování, které obvykle nabízí pouze velice nákladné systémy.
- Schopnost vymodelovat všechny myslitelné tvary.
- Požadovaná přesnost pro návrh, tvorbu prototypů, analýzu a výrobu jakéhokoliv modelu, od letadla po šperk.
- Kompatibilita se všemi ostatními programy pro design, modelování, CAM, engineering, analýzu, renderování, animaci a ilustraci.
- Načítání a oprava velice složitých souborů IGES.
- Přístupnost. Jeho používání a naučení je tak snadné, že se můžete soustředit na modelování a vizualizaci, aniž byste byli vyrušování programem.
- Rychlost, i na obyčejném notebooku. Není potřeba žádný speciální hardware.
- Dostupný všem. Stačí obvyklý hardware. Strmá křivka učení. Nižší cena než u jiných modelovacích programů. Žádné udržovací poplatky.
Úvod
UDT je akronymem slov Universal Deformation Technology, což je nová trojrozměrná modelovací technologie, kterou si nechalo patentovat matematické oddělení společnosti Robert Mc Neel & Associated ze Seattlu (Washington, USA). Tato technologie převratně zjednodušuje způsob, jak vytvářet šperky velice složitého tvaru. Můžete ho využít také v jiných výrobních oblastech, jako je obuvnický průmysl, loďařství, průmyslový design, engineering, modelování postav atd. Rhinoceros je 3D NURBS modelovací software pro Windows, který spadá do kategorie CAID systémů (Computer Aided Industrial Design). Rhinoceros 4 se ve šperkařství používá zejména pro modelování složitých tvarů díky své snadné použitelnosti a nízké ceně při porovnání s ostatními programy stejné kategorie.
Technologie UDT je prvním pokusem o sloučení operací, které obvykle provádí zlatníci (ohýbání, kroucení, deformace za účelem napasování atd.), s nástroji, které poskytuje CAID software.
Technologie UDT zjednodušuje operace trojrozměrného modelování, protože umožňuje transformovat objemové modely (tělesa) ale i plochy a spojené plochy, které jsou obvykle vytvořené v rovině, do 3D prostoru, aniž by byla porušena hermetická vodotěsnost těles. Tato podmínka je nezbytná pro převod do formátu STL který se běžně používá pro stereolithografii. Rhinoceros navíc dokáže zaznamenat celou “historii” modelování. Jakákoliv změna původního modelu je proto ihned promítnuta do výsledného objektu.
UDT představuje neoddiskutovatelnou výhodu také pro ty zlatníky, kteří mají obvykle odpor k používání software pro svoji práci. V některých případech vyžaduje modelování dosti komplexní znalosti deskriptivní a diferenciální geometrie, zvláště pokud se potýkáte s dvojitou křivostí, šroubovicemi nebo zkroucenými plochami (plochy bez tečné roviny). V těchto případech nemá šperkař zrovna chuť učit se v časové tísni odpovídající postupy návrhu: jako na zavolanou ale přichází technologie UDT.
Technologie UDT však navíc při své integraci s novými polygonovými nástroji Rhina 4 umožňuje opravovat a spojovat volné hrany souborů STL a dovoluje aplikovat 3D polygonové sítě a IGES plochy, získané z bitmapových obrázků, z 3D skenů nebo z jiných modelů na 3D NURBS objekty bez omezení tvaru nebo složitosti. Momentálně neexistuje jiná technologie, která by umožňovala transformovat rovinné obrázky, pořízené dokonce skenováním (malá zvířata, tváře a jiné), do IGES ploch nebo 3D polygonových modelů či 3D těles a poté je nabalit na plochu s jednoduchou nebo dvojitou křivostí nebo na zkroucenou plochu a poté převést výsledný model do formátu STL pro rapid prototyping. To vše pro vás zařídí jediný program: Rhinoceros 4. Tento postup lze spíše popsat termínem digitální socha než 3D modelování. Jedná se tedy o absolutní inovaci, nejenom v oblasti šperků.
Až dosud bylo na poli šperkařství pro provedení operací digitálního sochařství zapotřebí využít kombinaci mnoha typů programů, které vyžadovaly dlouhé zaučování a někdy navíc představovaly velkou investici.
Na obrázku 1 vidíte možné implementace UDT pro šperkaře. N obrázku vidíte tři druhy prstenů (kočka, lvi a had) a brož (květina), které byly vytvořeny kombinovaným použitím UDT a pokročilými technikami adaptace IGES ploch a 3D sítí. Všimněte si zejména hlavy hada: reliéfní dekorace je IGES plocha (také by to mohla být 3D síť), vytvořená z 24-bitového obrázku a přenesená (adaptovaná) na část NURBS plochy hlavy. Po spojení případných volných hran jsou všechny modely vodotěsně uzavřeny a připraveny na odeslání do rapid prototypingového stroje ve formátu STL.
Nyní, díky technologii UDT a novým polygonovým nástrojům v programu Rhinoceros 4, společně s bezplatným programem Zsurf 4, můžete vytvořit cokoliv: reprodukovat basreliéf z bitmapového obrázku, generovat 3D plochy a sítě s vysokou přesností a spolehlivostí, využít 3D organické modely, získané skenováním nebo modelováním, deformovat je pomocí UDT a vytvořit z nich složité modely, bez jakýchkoliv omezení, překvapivě snadným způsobem.
Obrázek 1 – příklady implementace technologie UDT ve šperkařství. S novými nástroji UDT můžete vytvářet digitální sochy.
Jak funguje UDT
Deformační nástroje UDT můžete použít pro transformaci jakékoliv křivky, NURBS plochy nebo trojrozměrného tělesa nebo sítě, vytvořené původně v rovině, do podoby mnohem složitější 3D geometrie, která je jinak tvarovaná a distribuovaná v 3D prostoru: říkáme tomu morfologické transformace v trojrozměrném prostoru.
Tyto transformace hrají velice důležitou roli v počítačovém navrhování šperků, protože nám umožňují provádět digitální sochařské operace v krátkém čase a s výsledky, které jsou určitým způsobem blízké klasickému sochařství. Princip fungování UDT přímo souvisí s určitým odvětvím geometrie, kterému říkáme “topologie”.
Topologie se zabývá vztahy, které nastávají při transformaci geometrie do jiného tvaru, který se může od toho prvního dokonce i velice lišit. V technickém jazyku tyto transformace nazýváme “afinitní transformace”. Zlatníci obvykle implementují koncept “afinitních transformací”, když pracují se zlatými slitinami . Začnou s jednoduchou kovovou tyčí nebo s plátkem zlata a na konci procesu vytvoří zlatý prsten nebo náramek jiného tvaru. Materiál je přitom ohýbán, kroucen, spojován, stříhán atd. a takto je krok po kroku vytvářena konečná podoba artefaktu. Stejný postup je implementován chytrým použitím UDT. UDT formuje tvary jako z hlíny a pomůže vám nahradit mnohem dražší komerční programy. Svoji pozornost byste měli zaměřit také na Zsurf 4, skvělý bezplatný software, který umožňuje vytvářet z bitmapových obrázků perfektně hladké basreliéfy v podobě IGES ploch! Rhinoceros 4 a Zsurf 4 jsou dostatečnými nástroji pro tvorbu šperků.
UDT dokáže vytvářet velice složité prostorové transformace. Podívejme se na příklad na obrázku 2, který nám pomůže pochopit funkci UDT. Vidíme zde jednoduchý horizontální kvádr, který bude zdeformován tak, aby se adaptoval podle tvaru kružnice. Pokud na původní těleso – kvádr – aplikujeme libovolnou operaci UDT, provede se ihned požadovaná změna i na výsledném tvaru, který je nabalen na kružnici. Všimněte si přitom, že původní kvádr měl jednoduchou „páteř“ - křivku, kterou jsme nechali transformovat do podoby existující kružnice (definující průměr prstene nebo náramku) a tato páteř při své transformaci „vzala s sebou“ i celé vstupní těleso a odpovídajícím způsobem je deformovala také. Po transformaci se z kvádru stane prsten a bude tvořen uzavřeným tělesem, stejně jako původní kvádr. Nad to dokáže UDT zaznamenávat “historii” transformací. Pokud na vstupní objekt aplikujeme novou transformaci, v našem případě zkroucení, bude tato transformace automaticky přenesena také na výsledné těleso. V případě obrázku 2 jsme tak získaly velice známou Möbiovu pásku, plochu, která se velice obtížně parametrizuje a modeluje s momentálně dostupným software.
Möbiova páska nemá žádnou tečnou rovinu. To znamená, že není možné vytvořit její kompletní prototyp na numerickém CNC stroji, dokonce ani na 5osé frézce, protože Möbiova páska převrací směr normály plochy. Prototypy Möbiovy pásky lze vytvořit pouze stereolitografií.
Obrázek 2 – princip fungování UDT, aplikovaný na kvádr. UDT zaznamenává historii postupných transformací. Všechny transformace původního tělesa jsou převedeny na transformované těleso. Po zkroucení kvádru vznikla na výsledném tělese známá Möbiova páska.
Použití UDT
Příklad s kvádrem je velice jednoduchý. UDT transformace lze samozřejmě aplikovat i na sadu těles. V případě obrázku 3 byly transformace aplikovány na svazek tenkých válců. Několik UDT transformací původního svazku nám umožní vytvořit skvělé variace tvarů, při kterých je jediným omezením vaše fantazie.
Obrázek 3 – UDT aplikovaná na sadu těles. Rozdílné transformace UDT, aplikované na původní tělesa, byly zaznamenány a převedeny do tvarové změny výsledného tělesa.
Jak již bylo řečeno, technologie UDT významně zjednodušuje práci, potřebnou pro vytvoření šperku. V dosti komplikovaných případech můžete využít rozšíření této technologie. Pomocí jednoduchých transformací, které ústí v deformaci podél křivky, můžete snadno a v krátkém čase dosáhnout takových tvarů šperků, které by dříve vyžadovaly hodiny práce, zvláště v případě ploch s dvojitou křivostí nebo zkroucených ploch. Transformace můžete využít také v případě dutých těles nebo těles s poměrně striktními specifikacemi designu, zvláště tam, kde by celý šperk měl mít pouze několik desetin milimetru tlusté stěny (duté šperky). V takovém případě je velice snadné vymodelovat nejprve tvar šperku na rovině a poté implementovat UDT deformaci pro vytvoření trojrozměrného výsledného rozměru. Pokud se podíváte na obrázek 4, uvidíte, že modelování takového šperku tradičními postupy bude vyžadovat velké promýšlení předem, protože plochy mají dvojnásobnou křivost a navíc je zde požadavek na tloušťku celého prstenu 0.8 mm. Na horní ploše prstenu je navíc dekorace (logo Playboy).
Bez UDT by vytvoření takového modelu bylo velice náročnou operací a bylo by téměř nemožné vytvarovat dekoraci na povrchu zakřivené plochy prstenu (tohoto aspektu si ještě všimneme později). Obrázek 4 ilustruje postup těchto operací. Model byl navržen na rovinné ploše, poté mu byl ofsetem udělen objem a byl uzavřen do tělesa. Pomocí UDT bylo původní těleso přetransformováno do podoby tělesa zdeformovaného podle kružnice. Výsledný tvar tělesa jsme dosáhli dalšími operacemi UDT na odvozeném tělese.
Obrázek 4 – rozšíření technologie UDT, aplikované na komplexní tělesa, umožňuje definovat modely, charakterizované poměrně omezujícími specifikacemi návrhu.
Některé UDT operace vychází z konceptu “páteře”. V právě analyzovaných případech byly původními a cílovými páteřemi buď úsečky nebo kružnice. Přesněji řečeno, originální páteří je úsečka, zatímco cílovou páteří je obvod šperku, může to ale být křivka jakéhokoliv jiného tvaru. UDT umožňuje deformovat NURBS nebo IGES plochy, tělesa a prostorové polygonové sítě.
Morfologická transformace, která využívá UDT, vychází z referenční páteře (obvykle obdélníková nebo kruhová rovná plocha) a cílové páteře rozmanitého tvaru, která „obdrží“ transformovaný model, jenž se na této nové páteři tvarově přizpůsobí. Obrázek 5 ukazuje některé UDT transformace mezi IGES a NURBS plochami (růže), s rozšířenou UDT implementací na prstenu, mezi tělesy (květina) a mezi tělesy a 3D polygonovou sítí (had s dekorací na hlavě). V tomto specifickém případě jsme použili UDT transformace nazvané Sporph (Space morphing) a Splop (vytváří malé ornamenty a reliéfy, přiložené na povrch objektu). Na rozdíl od příkazu Sporph nevyžaduje příkaz Splop existenci referenční páteře, stačí mu pouze odvozená páteř.
Obrázek 5 – příklady UDT morfologických transformací, aplikovaných na IGES plochy, tělesa a 3D sítě, kde jsou originální a cílové páteře tvořeny NURBS plochami různých tvarů.
UDT lze aplikovat na kombinaci těles a 3D sítí, získaných laserovým skenováním (a také na mraky bodů) s tvary zvířat, lidských obličejů či nějakých soch nebo organických modelů, vytvořených v jiných programech.
Obrázek 6 ilustruje příklad implementace UDT při tvorbě modelů, získaných kombinací 3D skenování a těles, vytvořených v programu Rhinoceros 4. Hlava kočky, lva a koně pochází z laserového scanneru a tyto objekty byly různými způsoby aplikovány na NURBS tělesa a plochy.
Obrázek 6 – technologie UDT byla aplikovaná na kombinaci NURBS spojených ploch či těles a 3D sítí, získaných laserovým skenováním.
Možnosti uplatnění UDT pokrývají široký rozsah aplikací ve výrobě šperků. Nad rámec výše ilustrovaných příkladů, které se vztahují zejména k transformacím typu deformace podél křivky, ohýbání, kroucení a prostorový morphing, můžeme použít jinou zajímavou funkci UDT, která se jmenuje Maelstrom a která je zvláště užitečná v kombinaci s příkazy Sporph a Splop. Maelstrom generuje podobnou transformaci jako vír. Princip fungování Maelstromu je ilustrován na obrázku 7. Hvězda je původně těleso, ležící ve vertikální rovině. Použitím funkce Maelstrom jsme na něj aplikovali transformaci ve formě víru, navíc jsme použili adaptaci na jinou plochu s dvojitou křivostí pomocí funkce Splop. Je evidentní, že s kombinovanou implementací UDT dokážete vytvořit modely, které by bylo velice obtížné vymodelovat tradičními postupy, zejména pokud vám záleží na rychlosti modelování.
Obrázek 7 – příklad implementace posloupnosti transformací UDT. V tomto případě jsme použili dvě různé transformace UDT: Maelstrom a Splop
UDT a Zsurf
Jak jste se již mohli přesvědčit, UDT umožňuje snadnou transformaci nejen těles a objemových 3D sítí, ale také NURBS a IGES ploch. Dokonce i když je Rhinoceros 4 vybaven novými pokročilými nástroji pro tvorbu 3D sítí, můžeme s výhodou využít funkcí bezplatného programu Zsurf 4 (psali jsme o něm v tomto článku), který dokáže vytvořit IGES plochy z 24 a 32 bitových bitmap, které vytváří perfektní basreliéfy. Po importu IGES ploch do Rhina můžete využít UDT pro adaptaci těchto IGES ploch na povrch libovolného modelu. Díky tomu můžete své šperky ozdobit složitými skulpturami.
Zsurf 4 je zcela zdarma a můžete si ho stáhnout na adrese http://www.amdpiu.com/transfer/3dsmile/ZSURF4.zip . Snadno se používá a dokáže generovat perfektně vyhlazené IGES plochy, místo obvyklých 3D sítí, které bývají někdy ploškovité a nepřesné. Rhinoceros dokáže s IGES plochami snadno pracovat a umožňuje s nimi provádět precizní operace, zvláště jejich umisťování na jiné NURBS modely. Rhinoceros 4 je vybaven pokročilými nástroji pro generování a práci s 3D polygonovými sítěmi. Patří mezi ně booleovské operace jako součet, rozdíl a průnik. Také separace, stříhání, analýza, oprava a spojování volných hran, které se mohou vyskytnout v STL modelech, jsou prováděny velice podobně jako v programu Magic, který se používá pro analýzu STL modelů.
Zsurf 4 pracuje s černobílými bitmapami a převádí je na IGES plochy tak, že generuje výškovou mapu přímo z obrázku. Rhinoceros 4 pracuje také s obrázky, ale z těchto obrázků dokáže s vysokou přesností získat spíše sítě než plochy, i když tento druh operací dokáže také provádět. V sochařství by měla být plocha, získaná z obrázku, co možná nejhladší a nejpřesnější.
Obrázek 8 ukazuje příklady IGES ploch, které byly vygenerovány z obrázku v programu Zsurf 4. Vidíte, že plochy jsou perfektně zaoblené a přesně reprodukují tvary originální bitmapy. Každý z těchto povrchů lze přesně adaptovat na jakoukoliv NURBS plochu nebo můžete tento model použít v jiných aplikacích.
Obrázek 8 – příklady deformace IGES ploch (vlevo), vygenerovaných z černobílých obrázků (vpravo) s 24-bitovou hloubkou.
IGES plochy, vygenerované z bitmapy, jsou poté adaptovány na plochu, mohou být snadno spojeny podél hran u můžete tak získat uzavřené těleso mnohem snadněji, než kdybyste se snažili uzavřít volné hrany polygonové sítě. Nakonec můžete vyexportovat platnou uzavřenou spojenou plochu ve formátu STL pro následnou stereolitografii.
Rhinoceros 4.0 dokáže vyřešit jakýkoliv problém zcela jednoduchým způsobem a za velice nízkou cenu ve srovnání s momentálně dostupným komerčním softwarem. Rhino 4 ja kompletní produkt pro návrh a výrobu a šperků. Technologie UDT je od patentovaná výrobcem a představuje revoluční doplněk, který dokáže vyřešit mnoho problémů v souvislostí s modelováním šperků.
Obrázek 9 – IGES plocha. Detailní basreliéf Ramsese, vygenerovaný z bitmapového obrázku.
Diskuse k článku
[2] frazajj – 01. 02. 2007, 12:08 – reakce na [1]
reagovat
Vypadá to, že se nám zlatníkům blýská na lepší časy :) frazajj
[1] Petull – 29. 01. 2007, 01:17
Reaguje: [2] - reagovat
Tento článok ma ako zlatníka veľmi potešil. Všetko čo sa týka 3D modelovania a šperkov doslova "žerem". Preto veľké DÍK za článok Pife.