Алгоритм конструирования мультимедийной модели устройства для очистки внутренней поверхности ("Крот")

Размещено на http://www.allbest.ru/

Армавир

2007

Алгоритм конструирования мультимедийной модели устройства для очистки внутренней поверхности («Крот»)

Функциональное назначение разработки, область применения, ее ограничения. Алгоритм конструирования мультимедийной модели «Крот» спроектирован с целью использования его при создании мультимедийной визуализационной модели автоматизированного устройства для очистки внутренней поверхности канализационных полимерных труб от загрязнений. Данный алгоритм может найти широкое применение в процессе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ студентов и преподавателей вузов при конструировании анимационных моделей процессов, явлений машин, приборов и устройств для создания виртуальных учебных мультимедийных роликов.

Данный алгоритм включает следующие этапы конструирования:

1. Создание описания конструкции устройства «Крот» и принципа его действия.

2. Формализация последовательности и технологии проектирования элементов конструкции устройства «Крот» с использованием 3-х мерной графики и анимации.

3. Создание объекта устройства «Крот».

4. Проектирование освещения в сцене.

5. Формирование изображения на основе геометрии объектов, параметров материалов, освещения и камеры - рендеринг.

Конструирование компьютерной мультимедийной модели устройства «Крот» начинается с создания принципиальной схемы конструкции устройства «Крот», описания принципа действия и формулирования технических требований к его отдельным деталям.

На рис.1 приведена схема устройства «Крот». Он состоит из катушки индуктивности, сильфона, сердечника, пружины цилиндрических щеток, трубы для подвода электрического кабеля и стопорного винта.

Техническое устройство «Крот» предназначено для очистки полимерных канализационных труб диаметром 109 мм от загрязнений.

Устройство «Крот» работает следующим образом: на катушку индуктивности по соединительному кабелю подается постоянный электрический ток, при этом сердечник зажимает переднюю щетку и сжимает пружину соленоида, тем самым подтягивая заднюю щетку прибора вперед, после чего задняя щетка зажимается, а передняя отпускается, напряжение с соленоида снимается и пружина толкает сердечник и вместе с ним переднюю щетку вперед. Задняя щетка остается распертой в трубе, после чего цикл повторяется. Таким образом, происходит движение прибора, скорость перемещения равна 1м/мин.

Рис.1.Принципиальная схема устройства «Крот»

мультимедийный очистка труба загрязнение

Все болты и фланец состоят из нержавеющей стали Х18Н95.

Сердечник выполняется из стали 40, катушка индуктивности изготавливается из медной проволоки МЛ диаметром 0,6 мм, пружина выполнена из пружинистой стали, труба - поливинилхлоридная.

В процессе формализации последовательности и технологии проектирования элементов конструкции устройства «Крот» с использованием компьютерной программы 3-х мерной графики и анимации можно воспользоваться готовыми стандартными примитивами и создании новых по мере их надобности.

При конструировании канализационной трубы в раскрывающемся свитке стандартных примитивов использовали команду «Труба», и включив 2-х мерную привязку, в любом из удобных окон проекции (в данном случае на виде сверху), курсором необходимо изменить параметры канализационной трубы: длину, внутренний и внешний радиусы.

Рис.2. Свиток стандартных примитивов (слева) и вид трубы в окнах проекций, созданной стандартным примитивом (справа)

На рис. 2 приведен свиток стандартных примитивов (слева) и вид трубы в окнах проекций, созданной стандартным примитивом (справа).

Таким образом, сконструирован готовый 3-х мерный объект, который является основным в сцене.

Затем необходимо перейти к созданию других частей устройства «Крот»: ерша, электромагнита, подставок для трубы, основной плоскости.

Для совмещения главного объекта - трубы и подставок необходимо воспользоваться интегрированной в 3D Studio MAX функцией CONNECT раздела «Compound Obgects»: выделить объект, к которому присоединяем части, выбрать вкладку «Создать» (Create) - «Составной объект» (Compound Obgect) - «Соединить» (Connect). Во второй вкладке «Изменить» (Modify) - выбрать «Указать объект» (Pick operand), который следует присоединить.

В результате проделанных операций будет получен цельный объект (рис. 3).

Для имитации загрязнений внутри трубы необходимо использовать объект системы частиц PArray, входящий в стандартный набор 3D Studio MAX.

Рис.3.Вид трубы после присоединения к составным объектам

Этот тип объекта предназначен для создания отдельных элементов (частиц), которые принадлежат одному объекту и подчиняются одним правилам, таким как скорость, количество, направление, геометрическая форма, время жизни частиц и т.д.

Для построения загрязнений применение системы частиц очень выгодно. Для того, чтобы элементы системы частиц удерживались на внутренней плоскости трубы, необходимо в параметрах PArray указать в качестве излучателя трубу.

На рис. 4 представлена схема изображения системы частиц PArray, а на рис. 5 - схема использования системы частиц.

При создании объекта устройства «Крот» необходимо выполнить моделирование главного объекта.

Рис.4. Изображения системы частиц PArray

Рис.5. Использование системы частиц

Целесообразно начинать с создания щеток. Щетка конструируется путем создания массива (tools->array...) из цилиндров (рис. 6).

После создания одного элемента - цилиндра, необходимо приступать к использованию инструмента «Массив» (Array) (рис. 7).

Этот инструмент позволяет создавать копии объекта с заданными параметрами, такими как движение, вращение и масштабирование, а также комбинации этих параметров.

Рис.6. Составной элемент щетки - а). Кол-во сегментов у цилиндров: а)3; б)5; в)18

Следующим этапом будет придание формы щетке. Для этого необходимо воспользоваться готовым шаблоном, состоящим из массива цилиндров, созданный на предыдущем этапе. Повторяя действия инструмента Array, в этот раз, используя другие параметры, получим необходимый результат, представленный на рис. 7. Каждый видимый объект, используемый в сцене, состоит из граней (вершины и ребра), информацию о которых необходимо хранить в памяти. Таким образом, можно наращивать огромное множество элементов, количество и качество которых ограничено лишь объемом оперативной памяти компьютера и скоростью центрального процессора.

Рис.7. Окно инструмента Array (массив) с заданными параметрами

Рис.8. Готовая модель щетки

Для создания «Сердечника» можно воспользоваться стандартным примитивом «Tube» (труба). После его создания необходимо сделать в нем вырез с одной из сторон для пружины, используя инструмент Boolin из группы Compound Obiects списка Geometry вкладки Create (рис. 9).

Рис.9. Применение инструмента Boolean

Далее создается объект такой формы, которую необходимо вычесть (вырезать) из заданного объекта. Для этих целей подойдет объект Вох. После создания и размещения объекта Вох необходимо выделить объект Tube, после чего активируется инструмент Boolen, щелкается на кнопке Pick Operand B и указывается вычитаемый объект Вох.

Инструмент Boolean учитывает пересечения полигональных объектов и создает в них новые вершины (vertices), тем самым, образуя новые полигоны. Далее, при включенном режиме Subtraction (А-В) инструмент удаляет вычитаемы объект (В), а модифицированный исходный (А) остается (рис.10).

Рис.10. Заготовка сердечника

Фланцы для крепления сильфона представляют объекты Cylinder с различными параметрами Radius: 15 спереди и 5,5 сзади (рис. 11 , рис. 12).

Объект «Сильфон», входящий в состав модели «Крот», является динамическим элементом, так как он не только изменяет свое положение в пространстве, но и изменяет свою форму в зависимости от положения зависимых объектов, которыми и являются фланцы. Передвигаясь в 3D пространстве фланцы увлекают за собой и сильфон, для которого можно воспользоваться встроенным в 3D Studio MAX объектом Spring, который, как никакой другой, подходит для этих целей (рис. 13).

Рис.11. Фланцы для крепления

Рис.12. Фланцы для крепления

Рис.13. Объект сильфон

Рис.14. Пружина в приборе «Крот»

Пружина (рис. 14) устройства «Крот» является объектом Spring из стандартного набора 3D Studio MAX, начиная с 2 версии этого программного пакета. Также, как в случае с объектом, сильфон, объект пружина является динамическим объектом, т.к. необходимо изменять геометрические размеры объекта в зависимости от положения других. Этими объектами являются фланцы.

Освещение в 3D Studio MAX представляет собой набор объектов, которые излучают свет в трехмерной сцене 3D Studio MAX, расположены во вкладке Create, раздела Lights. На выбор есть 2 группы оснащения: Standard - включает в себя 8 источников света и Photometric, включающий 8 источников освещения. Отличие этих двух групп велико и отличаются по способа освещения, а также использованием различных алгоритмов, заключающихся не только в излучении света, но и в отражении и преломлении его. С помощью источников света Photometric можно добиться фотографического качества изображения, при использовании дополнительных рендеров, таких как Mental Ray, VRay или BRAZIL Render. На рис. 15 представлена панель выбора источника света, а на рис. 16 - источник света Omni в сцене.

Рис.15. Панель выбора источника света

При конструировании устройства «Крот» целесообразно использовать один источник света, который относится к первой группе Standard Omni. Этот источник света распространяет свет во всех направлениях и подходит для освещения большинства не сложных сцен.

Рис.16. Источник света Omni в сцене

Рис.17. Параметры источника света Omni в сцене

Параметры источника света Omni показаны на рис. 17.

Рендеринг это процесс формирования изображения на основе геометрии объектов, параметров материалов, освещения и камеры. Термин "рендеринг" с недавних пор стал общеупотребительным и в русском языке, так как это, все-таки, не просто процесс визуализации.

Для конструирования устройства «Крот» нужно использовать стандартный рендеринг разрешением 640x480 пикселей, 25 кадров в секунду, сжатие Cinempac.

Время рендера одного кадра анимации занимает в среднем 1,5-2 минуты, всего в сцене 2000 кадров. Итого время рендера всего анимационного ролика займет около 60 часов.

Чтобы ускорить процесс визуализации в 3D Studio MAX включена возможность сетевого рендеринга. Его смысл заключается в распределении кадров всей анимации на компьютеры, соединенные в одну локальную сеть. В этой локальной сети должен быть главный компьютер, в задачи которого входит распределение кадров анимации и сборе всех кадров в одну последовательность, которая в следствии станет анимационным роликом, а также серверы, которые производят расчет кадров анимации. После того, как все компьютеры настроены на визуализацию, главный компьютер начинает рассылать серверам кадры для визуализации. Сервер визуализируют кадр за кадром, которые отправляются на главный компьютер. И так эта операция проходит на всех серверах, до тех пор, пока все кадры не будут исчерпаны. Это очень удобный инструмент для крупномасштабных, проектов, в которых количество кадров превышает десятки тысяч, а время, отведенное для визуализации очень мало. Именно в таких случаях в дело вступает сетевой рендеринг.

Общие принципы по настройке сетевого рендера (Network Render).

Подготовку сцены для сетевого рендера необходимо вести при следующих условиях:

1. Необходимо, чтобы все текстуры сцены и путь для вывода изображений (секвенции) находились в СВОБОДНОМ доступе по сети (через сетевое окружение) без пароля.

2. Путь вывода изображений и пути к текстурам в сцене должны быть сетевыми (вида \\computer\textures) и на папку вывода изображений должны быть выставлены права на запись файлов любыми пользователями (чтобы сервера имели право сохранять в папку вывода файлы).

3. Версии всех 3D Studio MAX, плагинов, скриптов, утилит должны ПОЛНОСТЬЮ СОВПАДАТЬ на всех машинах, участвующих в сетевом рентдере.

4. Если в сцене не хватает текстур, и при открытии сцены в максе, возникает окно Missing Textures, то сетевой рендер не запустится. Ошибок в текстурах (пусть даже и не задействованных) быть не должно. Тоже самое касается конфликтов версий плагинов (hydrautil.dll к примеру). Любые ошибки 3D Studio MAX при запуске и при открытии сцены, которые даже не влияют на сцену, будут приводить к выходу из строя сетевого рендера.

Для запуска сетевого рендера не надо запускать сцену на всех машинах, необходимо только запустить backburner serve.

Настройки менеджера (главный компьютер - раздаёт задания серверам)

1. Необходимо запустить backburner manager (все настройки оставьте по умолчанию).

2. Запустить backburner queue monitor, нажать кнопку connect.

3. В окне Connect to manager - необходимо оставить все настройки по умолчанию(если менеджер и backburner queue monitor запущены на одной машине). В случае, если необходимо следить за ходом выполнения сетевого рендера с любой другой машины, нужно установить правильную маску подсети для автоматического поиска менеджера.

Настройки серверов (компьютеры, на которых будет происходить сетевой рендер)

1. Необходимо запустить backburner server, установите в настройках правильную маску подсети для автоматического поиска менеджера.

Как только сервер подсоединиться к менеджеру, в окне появится надпись "Registration to *.*.*.* (ip-адрес менеджера) accepted.

Сepвep или сервера готовы к работе.

Назначение задания для сетевого рендера.

Пояснение: система устроена таким образом, что можно давать задания сетевому рендеру не только с машины - менеджера. Можно делать это с любой машины.

l. Необходимо открыть 3D Studio MAX и загрузить необходимую сцену для сетевого рендера.

2. Нужно проверить все необходимые условия, описанные выше и убедиться, что сцена не содержит ошибок. В настройках рендера (f10) выставить флажок Net Render и нажать на кнопку Render.

3. Появиться окно Network job assignment dialog. При необходимости заполните поля Job name, description (имя работы и описание работы) эти 2 поля служат просто для обозначения сцены - можно оставлять по умолчению. Затем ввести правильную маску подсети для автоматического поиска менеджера и нажать CONNECT.

4. Во вкладке all servers вылетит список зарегистрированных серверов в менеджере в случае соединения с менеджером.

5. Необходимо поставить флажок use all servers, Include maps, render frame window.

6. Нажать submit (сначала 3D Studio MAX сохранит сцену), а через некоторое время в окне queue monitor можно увидеть сцену. Окно backburner manager будет информировать о ходе назначения задач, коннекте серверов, ошибках и т.д.

На рис. 18 показан процесс доработки анимации устройства «Крот», а на рис. 19. - общий вид конструкции устройства «Крот», смоделированной на компьютере с использованием программы 3D Studio MAX.

2. Используемые технические средства

В качестве технических средств, которые необходимо использовать для реализации алгоритма конструирования мультимедийной модели устройства для очистки внутренней поверхности канализационных полимерных труб рекомендуется применять персональный компьютер типа Pentium IV с объемом памяти не менее 512 Мб.

3. Условия передачи документации на разработку или ее продажу

Алгоритм конструирования мультимедийной модели устройства для очистки внутренней поверхности труб может быть передан любому юридическому или физическому лицу по договору на создание электронного продукта.

Рис.18. Процесс доработки анимации объекта «Крот»

Рис.19. Общий вид конструкции устройства «Крот», смоделированный на компьютере с использованием программ 3D Studio MAX

Рис.20. Действующее устройство для чистки труб «Крот»(Наука и жизнь 2005, №2.с.56.)

Размещено на Allbest.ru