Skanowanie 3D i modelowanie

Sensable - wirtualne modelowanie 3D

Commodore 64, a następnie Amiga 500, takie było jeszcze nie tak dawno marzenie 'starego' już dziś pokolenia komputerowych pasjonatów. Polepszyć grafikę z 32 na 4096 kolorów i zamiast joysticka używać myszki. Zamienić 'zębatą' grafikę na paletę 256 kolorów i uruchomić program do renderingu - Sculpt 3D, Imagine lub Lightwave 3D to był szczyt marzeń interakcji z komputerem.
 
Nikt wtedy nie przewidywał, że przyrost technologiczny zamiast pędu osiągnie prędkość światła, a to co ludzkość stworzyła w ostatnich dziesięciu latach wyląduje na złomie stanowiąc potężny problem ekologiczny.
 
Dziś trzeba stwierdzić czasy w ktorych do obsługi komputera i projektowania 3D należało użyć kształcącej umysł wyobraźni bezpowrotnie juz minęły. I nie mówię tu o programach 3D, które przeszły olbrzymie przemiany przez ostatnie lata, lecz o niemożliwej do zaimplementowania dotychczas przez 'zwykłych śmiertelników' opisanej przez między innymi P. Stanisława Lema rzeczywistości wirtualnej.
 
Objęte patentem systemy budowano jedynie w wielkich korporacjach lub też potężnych centrach badawczych, a poziom cenowy wynosił nierzadko około miliona dolarów  za jedno małe ubogie w zastosowania urządzenie.
 
Dopiero w 2007 roku jednej z amerykańskich firm udało się wprowadzić na rynek pierwszy niedrogi system do modelowania 3D - modelowania w pełni wirtualnego i takiego na które może pozwolić sobie przeciętny operator 3D.
 
Mowa tu o systemach Omni i Phantom produkowanych przez Sensable Technogies. Cena tej, w pełni działającej (i umożliwiającej projektowanie 3D) rzeczywistości wirtualnej to mniej niż 3000 EUR, a możliwości, które urządzenia oferują wykraczają poza marzenia 'starej gwardii' użytkowników komputerów domowych.
 
Sensale Technologies wyprodukowało małe, przenośne manipulatory w postaci utrzymywanego na sensorowym ramieniu małego długopisu. Długopis spełnia rolę taką jak myszka, z tą jednak różnicą, iż ruchy nim powodują ruch kursora w programie 3D dostarczanym wraz z urządzeniem. Zapewne wielu z Państwa powie - takie urządzenia już są na rynku - zatem gdzie tu nowość? Jest ona ukryta tylko do momentu, gdy dotknie się urządzenia. Omni generuje bowiem - podobnie jak systemy rzeczywistości wirtualnej również siły zwrotne - gdy kursor prowadzony naszym pisakiem 'dotknie' powierzchni projektowanej w programie komputerowym figury, urządzenie dzięki kilku wbudownym silnikom generuje siły zwrotne (tzw. feedback) i nie pozwala naszej dłoni 'wbić się' w obiekt. Przykład generowanej siły zwrotnej pokazuje powyższy rysunek urządzenie reaguje na wirtualny model 3D i nie pozwala operatorowi "wcisnąć" kursora głębiej w kierunku obiektu. Pomijając kwestie techniczne można określić, że siła urządzenia jest porównywalna z siłą, którą dysponuje roczne dziecko - zatem jest to odczucie w pełni realne i wykorzystywalne w praktyce.

Nowy system projektowania 3D

Dla większości ludzi - nawet obeznanych z techniką 3D - odczucia i efekt jest oszałamiający! Wyobraźcie sobie Państwo pracę w glinie, ale bez gliny! Operator dosłownie 'rzeźbi' korzystając z manipulatora i może dotykać wirtualny obiekt. W zależności od oprogramowania urządzenie może wytworzyć symulację powierzchni twardych, elastycznych czy nawet zasymulować grawitację (!), którą 'czuć'. Jest to pierwsze na świecie narzędzie dla artystów plastyków, designerów i zwykłych ludzi profesjonalnie pracujących w rzeźbie, projektowaniu przemysłowym lub obrabiających dane ze skanerów 3D.
 
Sensable podłącza się do komputera PC przez złącze firewire, a dołączone oprogramowanie pod Windows występuje w wersji 32 i 64 bitowej. Całe urządzenie mieści się na biurku przed komputerem, a zakres ruchu długopisu został tak przemyślany by pracować w praktycznie nieograniczonej przestrzeni 3D. Jedynym ograniczeniem jest moc obliczeniowa komputera PC. Przykład modelowania wirtualnego opisuje powyższy rysunek. W zależności od modelu i oprogramowania proces projektowania zaczyna się od krzywych nurbs (urządzenie potrafi przyciągać pisak do krzywych nurbs) lub od pełnej bryły. Testy urządzenia wykazały, iż proces projektowania realistycznych obiektów 3D przy użyciu Phantom (postacie, twarze, rzeźby, obuwie, prototypy użytkowe) zmniejszył się 10-40 krotnie w stosunku do tradycyjnego oprogramowania CAD/CAM. Dla przykładu - wymodelowanie Moai z wysp wielkanocnych wprawny operator zrealizuje w .... 90 sekund. Nawet najmniejszy model Sensable pozwala tworzyć obiekty niedostępne dla obecnie stosowanych programów 3D ze względu na dotyk - ten bowiem oferuje najwyższy poziom wyrażania ekspresji od czasów poprzedzających człowieka pierwotnego.

Claytools - oprogramowanie na żywo

Od niedawna Sensable dostarcza nową wersję oprogramowania Claytools do najtańszych modeli (w niniejszym artykule zajmiemy się opisem najmniejszego z urządzeń - wersje bogatsze bowiem wymagają wielostronicowego opracowania).
 
Claytools v1.3 posiada nowy bardzo intuicyny interfejs wzbogacony o dodatkowe możliwości edycji i nakładania krzywych. Całość oprogramowania pracuje na obiektach podstawowych - "Clay", mogą obe być importowane z formatów Stl, Clc, Cly, Obj, Ply. System jednak pozwala na import i export formatów DXF i Iges co ma ogromne znaczenie w przemyśle i wzornictwie przemysłowym.
 
Menu główne programu przedstawia powyższy rysunek, ze względu na "wirtualność i dotyk" zrezygnowano całkowicie z menu tekstowego, natomiast oprogramowanie podpowiada znaczenie poszczególnych ikon w momencie, gdy operator zbliży kursor 3D do odpowiedniego przycisku na ekranie.
 
W ClayTools v1.3 menu zostało podzielone na grupy: Construct Clay, Curves, Planes, Sketch, Sculpt Clay, Detail Clay, Deform, Select/Move, Utility i Object list - który w rzeczywistości jest listą warstw obiektów.
 
Menu Construct Clay służy do budowy obiektów podstawowych (prócz importu ClayTools pozwala na budowanie obiektów z predefiniowanych brył, które możemy następnie deformować korzystając z różnorodnych narzędzi rzeźbiarskich), menu Construct Clay zarządza również funkcją Mirror - popularnego lustra w programach 3D.
 
Menu Curves służy do tworzenia - lub co bardzie istotne "obkładania" istniejących obiektów typu Clay krzywymi. Jedną z najczęściej używanych przez grafików 3D opcji jest automatyczne dopasowanie krzywej NURBS do powierzni obiektu. Dzięki "odczuciu" i realnie działającej wirtualnej rzeczywistości operator ma możliwość tworzenia krzywych oraz siatek NURBS praktycznie bez ograniczeń natury software'owej. Warto zaznaczyć, że krzywe te, również "czuje się" w przestrzeni 3D. Sensable Omni potrafi delikatnie przyciągnąć rękę operatora w 3D i znacząco "stuknąć" informując, że nasz kursor jest dokładnie przyklejony do krzywej Beziera. Dzięki tej możliwości Sensable Omni jest najszybszym z rozwiązań pozwalających na konwersję obiektów STL do formatu NURBS i jedynym .... pozwalającym zrobić to dokładnie tak jak życzy sobie użytkownik.
 
Sculpt Clay to menu, które pozwala na szeroko zakrojone prace rzeźbiarskie (rzeźbienie, dodawanie, wygniatanie, skrobanie oraz wygładzanie funkcją Smootch), w zależności od wersji systemu operator otrzymuje do dyspozycji wiekszą lub mniejszą ilość narzędzi rzeźbiarskich.

Niewielkie menu - potężne możliwości

Niewielkie Menu Detail Clay dostarcza bez wątpienia najbardziej pożądanych funkcji. Są to procedury związane z obróbką obiektów przy użyciu krzywych oraz operatorów takich jak np. bitmapa. ClayTools pozwala bowiem na projekcje bitmap bezpośrednio na obiekty 3D bez jakichkolwiek ograniczeń. Oprogramowanie czyta z obrazu informację o kolorze i przetwarza na informację o wysokości (bump) obrabianego obiektu. Dzięki temu, stworzenie faktury skóry czy włosów w określonej przestrzeni 3D trwa kilka sekund, a nie jak dotychczas kilka tygodni. Przykład projekcji bitmapy na rzeźbę 3D przedstawia powyższy rysunek.
 
Menu Deform Clay pozwala na "ugniatanie" obiektów oraz ich naciąganie. Wykorzystanie tego narzędzia daje efekt podobny do ugniatania lub naciągania plasteliny (rzecz jasna w całym programie mamy możliwość regulowania siły nacisku oraz wielkości używanego narzędzia). Dla większości grafików jest to podstawowe narzędzie do budowy obiektów artystycznych.
 
Menu Select/Move Clay pozwala na przemieszczanie obiektów w 3D zarówno w sposób dowolny jak i przy użyciu współrzędnych matematycznych. Z poziomu tego menu możemy również powielać obiekty lub ich części, korzystać z funkcji maski oraz powielać obiekty według zadanej krzywej 3D (funkcja niezwykle często wykorzystywana w grawerstwie i zdobnictwie).

Phantom desktop - wirtualne laboratorium

Menu Utility dostarcza dodatkowych funkcji związanych z prezentacją obiektów na ekranie komputera.
 
Menu Sketch oraz Planes natomiast pozwalają na tworzenie w przestrzeni 3D płaszczyzn na których możemy opisać obiekty CAD (np. zaimportowane z innych programów) lub też bitmapy - np. zdjęcia, szkice i ryciny na podstawie których możemy tworzyć i wyciągać obiekty 3D. Funkcje sketch planes wykorzystywane są bardzo często przy przekształcaniu zdjęć-fotografii w trójwymiarowe płaskorzeźby.
 
Okno Programu Object List jest odpowiednikiem okna warstw w oprogramowaniu graficznym. Dzięki liście obiektów możemy pracować na warstwach, przy czym są to warstwy 3D (!), podobnie jak w programach graficznych 2D możliwe jest dokonywanie operacji logicznych pomiędzy obiektami 3D, są to operacje Boolean oraz inne niedostępne w żadnej innej aplikacji 3D.
 
Podczas pracy z Sensable Omni oprogramowanie wyświetla dodatkowe możliwości każdej funkcji na pasku stanu (u dołu ekranu), występują tam opcje numeryczne, siła oddziaływania (nacisku narzędzia), moc wygładzania czy moc danego operatora.
 
Obecnie urządzenia te stosuje się w grawerstwie, filmie, rzeźbie, projektowaniu gier, modelarstwie, jubilerstwie, przemyśle obuwniczym oraz przy korekcie błędów formatu STL i skanerów 3D oraz innych branżach przemysłu. Choć w polsce urządzenia Sensable oferowane są w połączeniu z darmowym szkoleniem większość odbiorców opanowuje samodzielnie oprogamowanie w kilka dni. Od pełnej interakcji z komputerem nie sposób się po prostu oderwać.
 
Wyobraźmy sobie teraz przyszłość ... Omni na każdym biurku, gra w Quake 7, w której można 'zderzyć się' z przeciwnikiem lub poważnie oberwać i odczuć to... na własnej ręce. Można też pokusić się i pójść dalej - dotykalny czat 3D - lub strony o tematyce erotycznej wzbogacone w możliwość dotyku. Choć dla większości z nas brzmi to absurdalnie przyszłość jest już prawie pewna, w najbliższych pięciu latach wzbogacimy nasze komputery o sensor dotyku, ogromna machina biznesu znów napędzi nowe możliwości wszystkim z nas. Przyszłość jest jasna, tylko czy my wszyscy jesteśmy gotowi?