Parametarsko modeliranje i izvoz CAD modela

Parametarski model kao izvor

Većina strojnih dijelova koji se pojavljuju u industrijskim VR aplikacijama već postoji kao parametarski model u CAD sustavu. To je prednost: mjere su točne, sklop je složen, dijelovi su imenovani. Ali parametarski model nosi i mnogo toga što prikazu u stvarnom vremenu ne treba ili mu smeta.

Načela parametarskog modeliranja — skice, ograničenja, značajke, stablo izrade i sklopovi — obrađena su u području Proširena stvarnost, u jedinici Parametarsko modeliranje. Ovdje polazimo od gotovog modela i pitamo: što iz njega treba virtualnom laboratoriju VR-1?

Pojednostavljenje i priprema sklopa

Pojednostavljenje modela (engl. defeaturing) znači uklanjanje značajki koje u prikazu ne donose ništa, a troše trokute. Kriterij nije konstrukcijski nego vizualni: što korisnik može vidjeti s udaljenosti s koje gleda. Na udaljenosti od 0,6 m detalj od 1 mm na uređaju A zauzima oko 2 piksela. Sve sitnije od toga — navoji, zaobljenja rubova polumjera ispod milimetra, utisnuti natpisi — bolje je prenijeti u teksturu ili mapu normala nego u geometriju.

Dobra praksa je u CAD sustavu napraviti posebnu konfiguraciju ili inačicu sklopa za prikaz. Izvorni konstrukcijski model tako ostaje netaknut, a pojednostavljena inačica ažurira se s njim. Za robot MR-1 priprema izgleda ovako:

1. Sklop ostaje podijeljen na 12 dijelova koje korisnik zasebno hvata i ugrađuje: šasija, poklopac, dva pogonska kotača Ø65 mm, dva motora s reduktorom, kuglični oslonac, baterija, upravljačka pločica, ultrazvučni senzor udaljenosti, modul s dva IR senzora linije i prekidač.
2. Vijci, matice i odstojnici nisu zasebni dijelovi u sceni. Vidljivi se spajaju s dijelom koji drže, a skriveni se izostavljaju.
3. Elektronika na pločici svodi se na vanjski obris i nekoliko većih komponenata; sitne komponente prelaze u teksturu.
4. Sklop se postavlja u sklopljeni referentni položaj, s ishodištem na podlozi između dodirnih točaka kotača i s prednjom stranom (senzor udaljenosti) u dogovorenom smjeru osi.
5. Svaki dio dobiva naziv prema dogovoru projekta, npr. MR1_motor_L, jer se po nazivu u sceni veže logika.

Masa i težište iz CAD sustava ne prenose se kroz formate za prikaz, nego se ručno upisuju u fizikalna svojstva objekta u razvojnom okruženju. Za sklop MR-1 to je 1,2 kg, a za dijelove njihove mase iz CAD modela. Težište određuje kako se dio ponaša kad ga korisnik ispusti ili gurne; ako je ishodište dijela u težištu, dio u ruci djeluje prirodnije.

Teselacija: od ploha do trokuta

CAD model opisuje oblik egzaktnim plohama. Grafički procesor iscrtava samo trokute, pa se pri izvozu plohe aproksimiraju mrežom trokuta. Taj postupak zove se teselacija (engl. tessellation). Ravna ploha pravokutne šasije dobiva dva trokuta bez obzira na veličinu, dok zakrivljene plohe trebaju mnogo trokuta: tetive zamjenjuju luk, a što su tetive kraće, odstupanje je manje.

Izvoznici obično nude tri postavke, a naziv se može razlikovati po inačici programa:

• Kordna tolerancija (engl. chordal deviation) — najveće dopušteno odstupanje h tetive od plohe, u milimetrima.
• Kutna tolerancija (engl. angular tolerance) — najveći kut između normala susjednih trokuta; čuva oblik malih polumjera.
• Najveća duljina brida — sprječava vrlo dugačke, uske trokute na velikim plohama.

Mjerodavna je ona postavka koja daje više segmenata. Za kotač Ø65 mm s kordnom tolerancijom 0,1 mm dobiva se 41 segment po opsegu, a s kutnom tolerancijom od 15° samo 24; vrijedi dakle 41. Glatke normale uz to mogu sakriti da je ploha sastavljena od ravnih trokuta, pa se nepravilnost vidi uglavnom na obrisu.

Normale i sjenčanje bridova

Uz položaje vrhova izvoznik zapisuje i normale — vektore koji određuju kako se ploha sjenča. Prednost izvoza iz CAD sustava je što se normale računaju iz egzaktne plohe, pa su na zakrivljenim površinama točne i bez teselacijskih artefakata. Na oštrom bridu, primjerice između gornje i bočne plohe šasije, normala se mijenja naglo. Zato se vrh na takvom bridu u mreži zapisuje dvaput, jednom sa svakom normalom. To je razlog zašto broj vrhova u gotovom modelu redovito premašuje teorijski minimum.

U virtualnoj stvarnosti greške sjenčanja vidljivije su nego na monitoru. Glava se stalno pomiče, pa se odsjaji na metalnim i lakiranim plohama pomiču s njom, a svako oko vidi odsjaj na malo drugom mjestu. Ploha s pogrešno okrenutim ili neujednačenim normalama tada „treperi“ i djeluje nemirno. Ovo je procjena iz iskustva s prikazom, a ne pravilo: rješenje je dosljedno postaviti granični kut izglađivanja (npr. 30–40°) i pregledati model u naočalama, ne samo na zaslonu.

Formati izvoza: STEP, glTF i FBX

Za put od CAD sustava do razvojnog okruženja koriste se dvije vrste formata. Neutralni CAD formati prenose egzaktne plohe, a formati za prikaz u stvarnom vremenu prenose gotove trokute s materijalima.

U primjeru VR-1 izvorni model u formatu STEP ima 38 MB, a gotov model u formatu glTF, nakon obrade opisane u jedinici 1.3, 3,2 MB — gotovo dvanaest puta manje, iako sadrži i materijale. Razlika nije posljedica sažimanja nego sadržaja: STEP nosi točan opis svake plohe, a glTF samo ono što treba za iscrtavanje.

Neka razvojna okruženja nude izravan uvoz CAD formata putem dodatka (engl. plugin) koji teselira model pri uvozu i pamti vezu s izvornom datotekom. To ubrzava ponovni uvoz nakon izmjene konstrukcije, ali ne zamjenjuje optimizaciju: trokuti su i dalje neobrađeni, a UV mape slabe. Dostupnost i naziv takvog alata ovise o okruženju, inačici i licenci.

Format glTF postoji u dva oblika: tekstualni .gltf s odvojenom binarnom datotekom i teksturama te jedna binarna datoteka .glb u kojoj je sve zajedno. Za predaju modela u projektu praktičniji je .glb, jer se ne mogu izgubiti pripadne datoteke.

Provjera izvezenog modela

Prije daljnje obrade izvezeni model otvorite u programu za obradu mreže ili u pregledniku formata i provjerite ga prema kratkoj listi. Svaka pogreška koja prođe ovdje pojavit će se kasnije, kad ju je teže pronaći.

Postavke izvoza (jedinica, os, tolerancije, izostavljeni dijelovi) zapišite u izvozni zapis uz model. Kad konstruktor promijeni dio, izvoz se ponavlja s istim postavkama, a rezultat se provjerava prema istoj listi. Ako se to radi češće od nekoliko puta, provjeru obuhvatnog kvadra, broja objekata i broja trokuta isplati se prepustiti kratkoj skripti u programu za obradu mreže umjesto da se svaki put gleda ručno.

Teselacija i vidljivost odstupanja u naočalama

Kut segmenta pri zadanoj kordnoj toleranciji h i polumjeru R iznosi θ = 2 · arccos(1 − h/R), a broj segmenata po opsegu n = ⌈2π / θ⌉. Kutna tolerancija α daje drugi uvjet, n ≥ 360° / α, i vrijedi veći od dvaju brojeva. Jednostavan valjak s n segmenata ima 2n trokuta na plaštu i po n − 2 na svakoj bazi, ukupno 4n − 4.

θ = 2 · arccos(1 − h / R)    n = max(⌈2π / θ⌉, ⌈360° / α⌉)    T_valjak = 4n − 4

Računski prikaz uz to procjenjuje koliko piksela odstupanje h zauzima na zaslonu uređaja A (prosječno 21,1 piksela po stupnju) kad se dio gleda s udaljenosti d.

Za kotač Ø65 mm i kordnu toleranciju 0,1 mm dobiva se 41 segment i 160 trokuta za jednostavan valjak. Na udaljenosti od 0,6 m to odstupanje zauzima samo oko 0,2 piksela, dakle nevidljivo je. S tolerancijom 0,5 mm kordni uvjet daje samo 18 segmenata, pa mjerodavna postaje kutna tolerancija od 15° s 24 segmenta (92 trokuta); stvarno odstupanje tada je oko 0,28 mm, a puno dopušteno odstupanje od 0,5 mm zauzelo bi oko 1 piksel, što je granica vidljivosti (računski prikaz pokazuje piksele za zadanu toleranciju h). Dio koji korisnik drži u ruci i gleda s 0,3 m zato zahtijeva nešto strožu toleranciju, oko 0,2 mm (29 segmenata, oko 0,8 piksela). Stvarni kotač s gumom, naplatkom i glavinom ima više ploha, pa ukupni broj trokuta raste, ali odnos ostaje isti: tolerancija 0,01 mm dala bi 127 segmenata i 504 trokuta bez ikakve vidljive razlike.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V1 CAD model za VR: mjerilo, ishodište i izvoz · 2 sata