VIRTUALNA STVARNOST
Modul 1
Modeliranje digitalnih objekata za virtualnu stvarnost
Prvi modul priprema građu za virtualnu stvarnost. Strojni dio iz CAD sustava i slobodno modelirani objekt pretvaraju se u lagan model u mjerilu 1 : 1, s ispravnim osima i ishodištima, materijalima PBR, teksturama, kolizijskim oblikom i razinama detalja. Sve se radi na istom primjeru: mobilnom robotu MR-1 koji korisnik u virtualnom laboratoriju VR-1 sklapa rukama.
- koristiti računalo i programe za 3D modeliranje uz ispravne jedinice, osi i razmjenu datoteka
- izraditi digitalne objekte parametarskim i slobodnim modeliranjem u mjerilu 1 : 1
- razlikovati vrste digitalnih objekata i zapisa te odabrati prikladan za primjenu u virtualnoj stvarnosti
- pripremiti mrežu za prikaz u stvarnom vremenu: teselacija, topologija, decimacija i ishodišta
- dodijeliti objektima materijale PBR, UV mape i teksture primjerene prikazu izbliza u stereu
- odrediti ulogu, kolizijski oblik, fizikalna svojstva i mjesto u hijerarhiji svakog objekta scene
- optimizirati modele prema budžetu okvira razinama detalja i smanjenjem poziva za crtanje
- provjeriti izrađene objekte prije uvoza i koristiti ih u razvijenom okruženju virtualne stvarnosti
O modulu
Svaki predmet koji korisnik u virtualnoj stvarnosti vidi, dodiruje ili uzima u ruku najprije je 3D model. Ako je taj model pogrešnog mjerila, zakrenutih osi ili pretežak za prikaz pri 90 Hz, nikakva programska logika u sceni to više ne može popraviti. Zato razvoj VR aplikacije počinje pripremom građe.
Modul prati put jednog modela od izvora do scene. Jedinice 1.1 do 1.4 postavljaju temelje: mjerilo 1 : 1 i mjerilo tijela, jedinice i koordinatne osi, lanac od CAD sustava preko programa za obradu mreže do razvojnog okruženja, parametarsko modeliranje s teselacijom i izvozom u zapise STEP, glTF i FBX, slobodno modeliranje s topologijom, decimacijom i ishodištima te pregled vrsta digitalnih objekata, od poligonalnih mreža i ploha NURBS do vokselnih modela, oblaka točaka i fotogrametrije.
Jedinice 1.5 do 1.7 model pripremaju za scenu: materijali PBR, UV mapiranje, teksture, atlas i druga UV mapa za svjetlo; uloga objekta u sceni s kolizijskim oblikom, fizikom i hijerarhijom; na kraju budžet okvira, razine detalja, spajanje mreža i kontrolna lista prije uvoza. Svaka jedinica ima računski prikaz, a tri vježbe (V1 do V3) provode isto na računalu.
Kroz cijeli modul koristi se isti primjer: mobilni robot MR-1 od 12 dijelova, dimenzija 220 × 180 × 110 mm. Njegov CAD izvor ima 38 MB i fino teseliran 312 000 trokuta, a gotov model za scenu 28 000 trokuta u najvišoj razini detalja, teksture od 1024 piksela i datoteku glTF od 3,2 MB. Zajedničke osnove modeliranja opisane su i u području Proširena stvarnost; ovdje se gledaju iz kuta virtualne stvarnosti: stereo iscrtavanje, 90 Hz, dohvat rukom i mjerilo tijela.
Nastavne jedinice
- Otvori
1.1
Uvod u 3D modeliranje za virtualnu stvarnost
Mjerilo 1 : 1, jedinice, osi i ishodište te lanac CAD sustav → program za mrežu → razvojno okruženje iz kuta korisnika koji stoji u sceni.
- Otvori
1.2
Parametarsko modeliranje i izvoz CAD modela
Priprema parametarskog sklopa za VR, teselacija s kordnom i kutnom tolerancijom te izvoz u formate STEP, glTF i FBX.
- Otvori
1.3
Slobodno modeliranje i obrada mreže
Topologija mreže, čišćenje nakon uvoza, decimacija do ciljnog broja trokuta, ishodišta i primjena transformacija prije izvoza u razvojno okruženje.
- Otvori
1.4
Vrste digitalnih objekata
Poligonalni, NURBS, vokselni zapis i oblak točaka, fotogrametrija te statički, pokretni i skeletni objekti u sceni virtualne stvarnosti.
- Otvori
1.5
Materijali, teksture i UV mapiranje
Materijali PBR, UV razmotavanje, teksture i mip-razine, atlas tekstura i druga UV mapa za svjetlo — iz kuta prikaza izbliza i u stereu.
- Otvori
1.6
Uloga digitalnih objekata u virtualnom okruženju
Objekti okoliša, interaktivni i informacijski objekti te avatar; kolizijski oblici, fizika, hijerarhija i ishodišta u sceni.
- Otvori
1.7
Priprema i optimizacija modela za virtualnu stvarnost
Budžet okvira i scene, decimacija, razine detalja (LOD), spajanje mreža i pozivi za crtanje te kontrolna lista prije uvoza.
Ključni pojmovi modula
| Pojam | Značenje |
|---|---|
| mjerilo 1 : 1 (engl. real-world scale) | model je u sceni jednake veličine kao stvarni predmet; u VR-u je ravnalo tijelo korisnika |
| razmak zjenica, IPD (engl. interpupillary distance) | udaljenost između zjenica; određuje razmak dviju kamera stereo para i osjećaj veličine |
| parametarsko modeliranje (engl. parametric modeling) | modeliranje značajkama upravljanim mjerama i ograničenjima, s poviješću izrade |
| pojednostavljenje modela (engl. defeaturing) | uklanjanje značajki koje se u prikazu ne vide, a troše trokute |
| topologija (engl. topology) | raspored i povezanost vrhova, bridova i ploha u mreži |
| mnogostrukost (engl. manifold) | svojstvo mreže u kojoj svaki brid dijele najviše dvije plohe; uvjet za pouzdanu obradu |
| poligonalna mreža (engl. polygon mesh) | zapis površine vrhovima, bridovima i plohama; za prikaz se dijeli na trokute |
| NURBS (engl. non-uniform rational B-spline) | egzaktan matematički opis krivulja i ploha preko kontrolnih točaka i težina |
| fizikalno utemeljeno iscrtavanje (engl. physically based rendering, PBR) | opis materijala fizikalnim veličinama (bazna boja, metalnost, hrapavost) koje daju ispravan izgled pod različitim svjetlom |
| bazna boja (engl. base color, albedo) | boja površine bez upečenih sjena i odsjaja, zapisana u prostoru sRGB |
| kolizijski oblik (engl. collision shape, collider) | pojednostavljeno nevidljivo tijelo na kojem se provjeravaju sudari umjesto na vidnoj mreži |
| konveksna ljuska (engl. convex hull) | najmanje ispupčeno tijelo koje obuhvaća mrežu; dobar kompromis točnosti i cijene |
| vrijeme okvira (engl. frame time) | vrijeme za izradu jedne slike; pri 90 Hz 11,1 ms |
| poziv za crtanje (engl. draw call) | naredba procesora grafičkoj kartici da iscrta jednu mrežu s jednim materijalom |
Vježbe uz modul
Uz modul idu 3 vježbe, ukupno 6 sati. Pitanja u vježbama su bez odgovora, a rješenje se otvara gumbom Prikaži rješenje; upute za nastavnika su na dnu svake vježbe.
- Otvori
VJEŽBA V1 · 2 SATA
CAD model za VR: mjerilo, ishodište i izvoz
Sklop mobilnog robota MR-1 iz CAD sustava priprema se za virtualnu stvarnost: provjeravaju se mjerilo 1 : 1, jedinice i osi, postavljaju ishodišta i izvozi se mreža trokuta. Na kraju vježbe robot u programu za slobodno modeliranje stoji na stolu visine 750 mm u stvarnoj veličini.
- Otvori
VJEŽBA V2 · 2 SATA
Optimizacija mreže i razine detalja
Mreža mobilnog robota MR-1 smanjuje se s 312 000 na 28 000 trokuta, a zatim se izrađuju još dvije razine detalja za veće udaljenosti. Proračunom se provjerava drži li scena laboratorija VR-1 budžet trokuta i poziva za crtanje na samostalnim naočalama.
- Otvori
VJEŽBA V3 · 2 SATA
Materijali PBR, UV mapiranje i teksture
Dijelovi mobilnog robota MR-1 dobivaju UV mape, zapečene normale i materijale PBR s teksturama od 1024 piksela. Proračunom se provjeravaju gustoća teksela i memorija tekstura, pa se odlučuje kada je dovoljan jedan atlas.