Uvod u 3D modeliranje

Zašto hologram počinje modelom

Riječ hologram u svakodnevnom govoru označava sliku koja lebdi u prostoru. Tehnički gledano, ono što naočale za miješanu stvarnost prikazuju nije zapis interferencije svjetlosti nego obična računalna grafika iscrtana na prozirnom zaslonu, s podatkom o dubini i s položajem vezanim uz prostoriju. Iz toga slijedi jednostavan zaključak: bez digitalnog modela nema što prikazati.

3D modeliranje je postupak kojim se oblik predmeta pretvara u zapis s kojim računalo može raditi. Ono što pritom nastane nije slika predmeta nego njegov brojčani opis: gdje leže njegove točke, koje su od njih međusobno spojene, kakva je ploha koju zatvaraju i od čega je napravljena. Isti takav zapis može poslužiti za izradu dijela na stroju, za proračun čvrstoće i za hologramski prikaz, ali svaka od tih namjena od njega traži nešto drugo.

Kroz cijelo područje pratimo isti zadatak. Projekt HT-1 prikazuje robotsku ćeliju u mjerilu 1:1 na praznom podu radionice, prije montaže. Tehnolog stavi naočale za miješanu stvarnost, stane na mjesto buduće ćelije i provjerava raspored strojeva, dosege robota, položaj sigurnosne ograde i put kojim će operater prilaziti. Ćelija u tom trenutku postoji samo kao model.

Radionica je duga 12 m, široka 8 m i visoka 3,4 m, a naočale od nje mapiraju 96 m² poda. Model ćelije dolazi iz konstrukcijskog programa sa 640 000 trokuta. Naočale smiju iscrtati 90 000. Cijeli prvi modul vodi prema toj brojci i prema tome da prikaz nakon smanjenja i dalje bude vjerodostojan.

Vrh, brid, poligon i mreža

Po građi se hologramski model ni po čemu ne razlikuje od svakog drugog poligonalnog modela. Nazivlje — vrh, brid, poligon, mreža — i pravilo da grafički sklop sve svodi na trokute obrađeni su u gradivu Proširena stvarnost, jedinica 1.1 i ovdje se uzimaju kao poznati.

Vrijedi zapamtiti samo brojčanu posljedicu tog pravila, jer se na nju u ovom modulu stalno vraćamo. Lice s n vrhova uređaj iscrtava kao n − 2 trokuta, pa broj koji pokazuje program za modeliranje i broj koji opterećuje naočale nisu isti broj. Sve ostalo u ovoj jedinici polazi od pitanja što se s takvom mrežom događa kad je uređaj mora iscrtati na prozirnom staklu, šezdeset puta u sekundi, uz bateriju na glavi.

Mreža ne pamti samo gdje vrhovi leže; uz svaki od njih drži i dodatne podatke. Za hologram je najvažniji onaj koji govori kamo ploha gleda — normala. Iz nje uređaj zaključuje koja je strana lica vanjska i kako na nju pada svjetlo. U hologramskom prikazu normala ima još jednu ulogu: plohe okrenute od promatrača često se uopće ne iscrtavaju, što je jedan od jeftinijih načina da se uštedi u proračunu trokuta. Ako su vrhovi zapisani u pogrešnom smjeru, dio modela naprosto nestane, a pogreška izgleda kao rupa u ćeliji.

Što prozirni zaslon mijenja

Na običnom zaslonu piksel emitira onu boju koju mu program zada, a crna znači da piksel ne svijetli. Na prozirnom zaslonu naočala kroz staklo prolazi svjetlo prostorije, a prikaz mu dodaje svoje svjetlo. Zbrajanje je jedini raspoloživi postupak: prikaz ne može oduzeti svjetlo koje dolazi iz radionice. Posljedica je jednostavna i za početnika iznenađujuća — crna ploha na modelu ne prikazuje se kao crnina nego kao praznina kroz koju se vidi radionica.

Iz toga slijedi nekoliko pravila koja se u ostatku modula stalno vraćaju. Tamne boje na hologramu gube se u prostoru, pa se obrisi crtaju svijetlim crtama umjesto tamnim. Materijali se postavljaju kao emisijski, to jest kao materijali koji sami svijetle i ne ovise o izvorima svjetla u sceni. Prozirnost se koristi namjerno, da bi se vidjelo kroz kućište, ali se plaća: svaka prozirna ploha znači dodatan prolaz iscrtavanja.

Osvjetljenje radionice u projektu HT-1 kreće se između 200 i 800 lx, a mjerenja pokazuju da iznad približno 1500 lx hologram vidljivo blijedi. To nije greška uređaja nego posljedica zbrajanja svjetla: kad podloga vraća više svjetla nego što ga prikaz dodaje, razlika se gubi. Zato se hologramski prikaz na otvorenom terenu izvodi teško, a u radionici s krovnim prozorima se planira prema dobu dana.

Hologram i stvarni prostor

Model na zaslonu lebdi u praznini koju je program sam nacrtao. Hologram stoji u prostoriji koja postoji neovisno o njemu i koju promatrač poznaje bolje od bilo koje scene. Zato se vjerodostojnost hologramskog prikaza ne mjeri ljepotom modela nego time koliko uvjerljivo model pripada tom prostoru.

Prvo sredstvo je sidrenje. Hologram se veže uz točku prostorne karte koju su naočale izgradile mapiranjem poda i zidova, pa ostaje na mjestu dok promatrač hoda oko njega. Kvaliteta sidrenja mjeri se pomakom: u projektu HT-1 dopušten je pomak do 5 mm na 2 m udaljenosti, a izmjereno je 6 mm nakon dvadeset minuta rada. Razlika je mala, ali dovoljna da se rub ograde više ne poklopi s trakom zalijepljenom na podu.

Drugo su dubinski tragovi. Ljudsko oko procjenjuje udaljenost prema zaklanjanju, sjeni, veličini i položaju na podu. Hologram od toga dobiva malo: on ne baca sjenu i rijetko je zaklonjen stvarnim predmetom. Zato se modelu namjerno dodaju pomagala — svijetli obris tlocrta na podu, uspravne crte od ruba ćelije do poda, mreža na plohi na kojoj objekt stoji. Bez njih tehnolog ne može procijeniti stoji li transporter uz zid ili pola metra od njega.

Treće je zaklanjanje stvarnim predmetima. Ako naočale znaju gdje je stup u radionici, mogu prestati iscrtavati dio holograma koji bi se našao iza njega. Bez toga hologram uvijek izgleda kao da je ispred svega, pa i onda kad bi po položaju morao biti iza. U projektu HT-1 zaklanjanje se oslanja na mapiranu plohu poda od 96 m² i na zidove, dok su sitniji predmeti u prostoru namjerno maknuti prije prikaza.

Mjerilo, ishodište i mjerna jedinica

Model na zaslonu može biti bilo kolik — gledatelj ga zumira. Hologram tu slobodu nema. Ćelija u projektu HT-1 stoji u mjerilu 1:1 na podu radionice i tehnolog oko nje hoda. Ako je model izveden u krivim jedinicama, greška se ne vidi kao čudan broj nego kao ćelija koja probija zid ili kao maketa velika poput kutije za alat.

Konstrukcijski programi rade u milimetrima, a razvojna okruženja za miješanu stvarnost u metrima. Datoteka sama najčešće nosi samo broj, pa prijevod jedinice ovisi o postavci pri izvozu i uvozu. Model postolja duljine 1200 mm koji se učita kao 1200 m ne vidi se uopće: promatrač stoji unutar njega. Suprotna pogreška daje objekt tisuću puta manji, koji se izgubi u podu.

Jednako je važno gdje leži ishodište modela. Objekt se u sceni sidri prema svojoj točki (0, 0, 0), pa se ishodište ćelije postavlja na donji kut njezina tlocrta, onaj koji na podu odgovara mjestu obilježenom trakom. Ako ishodište ostane u geometrijskom središtu, ćelija će pola svoje visine propasti kroz pod, a tehnolog će je pri svakom pokretanju ručno namještati.

Treći dogovor je smjer uspravne osi. Konstrukcijski programi obično uzimaju Z kao uspravnu os, a razvojna okruženja Y. Model izvezen bez zaokreta zato često legne na bok. Zaokret za 90 stupnjeva rješava problem, ali ga treba riješiti jednom, pri izvozu, a ne popravljati u svakoj sceni.

Koliko model smije težiti

Model se na uređaj prenosi kao datoteka i ondje zauzima radnu memoriju. Obje veličine ovise o dvjema skupinama podataka: o geometriji, koja raste približno razmjerno broju trokuta, i o teksturama, čija veličina raste s kvadratom stranice slike. Tekstura stranice 2048 nosi četiri puta više podataka od teksture stranice 1024.

Na projektu HT-1 put modela ima tri koraka. Datoteka STEP iz konstrukcije zauzima 86 MB jer nosi točan matematički opis svake plohe. Izvoz u mrežu i format FBX daje 14,2 MB. Nakon smanjenja tekstura s 2048 na 1024 piksela i sažimanja geometrije, datoteka glTF pada na 3,6 MB, a to je veličina koju naočale učitaju bez čekanja.

Prikaz pokazuje odnos koji vrijedi u svakom projektu: geometrija i teksture rastu neovisno jedna o drugoj. Nema smisla brusiti mrežu na 60 000 trokuta ako uz nju idu četiri teksture stranice 4096. Jednako tako, model s jednom malom teksturom i 600 000 trokuta neće stati u proračun ni uz najbolju kompresiju slika.

Alati i tijek rada u projektu HT-1

Nijedan hologramski prikaz ne prolazi kroz samo jedan program. Konstrukcijski program daje točan oblik s mjerama. Program za oblikovanje mreže čisti i prorjeđuje geometriju. Program za teksturiranje priprema materijale, uključujući svjetleće i prozirne. Razvojno okruženje slaže scenu, postavlja sidro i gradi aplikaciju za naočale. Svaki korak ima svoju provjeru, a preskočena provjera se gotovo uvijek osveti tek na uređaju, kad je ispravak najskuplji.

Zbog tog lanca se već pri modeliranju misli na njegov kraj. Dio izveden s tisuću sitnih zaobljenja bit će težak u svakom sljedećem koraku. Sklop bez urednih imena dijelova postat će nepregledan čim ga preuzme netko drugi. Model kojemu je ishodište postavljeno nasumično tražit će ručno namještanje pri svakom pokretanju aplikacije.

Projekt HT-1 izrađivale su tri osobe kroz pet tjedana. Najveći dio tog vremena nije otišao na modeliranje nego na pripremu: na prorjeđivanje mreže, na pečenje tekstura i na mjerenja na uređaju. To je uobičajen omjer i dobar razlog da se model od početka gradi onako kako ga hologramski prikaz na kraju treba.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.