UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
DIPLOMSKO DELO
LUKA OBAL
LJUBLJANA 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA TEKSTILSTVO, GRAFIKO IN OBLIKOVANJE
UPORABA 3D TEHNOLOGIJ V IDEJNI POSTAVITVI ZGRADBE
DIPLOMSKO DELO
LUKA OBAL
LJUBLJANA, september 2021
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF TEXTILES, GRAPHIC ARTS AND DESIGN
THE USE OF 3D TECHNOLOGIES IN THE CONCEPTUAL STRUCTURING OF A BUILDING
DIPLOMA THESIS
LUKA OBAL
LJUBLJANA, September 2021
iv PODATKI O DIPLOMSKEM DELU
Število listov: 52 Število strani: 41 Število slik: 32 Število preglednic: 0
Število literaturnih virov: 25 Število prilog: 0
Študijski program: visokošolski strokovni študijski program (1. stopnja) Grafična in medijska tehnika
Komisija za zagovor diplomskega dela:
Predsednica: prof. dr. Klementina Možina Mentorica: prof. dr. Deja Muck
Somentorica: prof. Karin Košak
Članica: prof. dr. Helena Gabrijelčič Tomc
Ljubljana, ………..
v
ZAHVALA
Predvsem bi se rad zahvalil svoji mentorici Deji Muck, ki mi je vedno stala ob strani, me usmerjala proti cilju, pomagala reševati morebitne težave in, kar je najpomembnejše – dajala svobodo samostojnega raziskovanja ter ustvarjanja, ko je to bilo potrebno.
Zahvalil bi se tudi Metodu Kulčarju, ki mi je pomagal pri kreiranju zasnove ter pri tehnični izvedbi.
Seveda bi se rad zahvalil tudi vsem, ki so mi v tem času stali ob strani in me podpirali.
vi
IZVLEČEK
Diplomsko delo je bilo zastavljeno z namenom prikaza možnosti uporabe 3D-tehnologij v idejni postavitvi zgradbe, pri kateri se je izvedlo upodabljanje 3D-scene ter izdelovanje fizične makete idejne postavitve zgradbe. V teoretičnem delu je bil predstavljen delokrog 3D-tehnologij, arhitekturni stil parametrizma, 3D-grafika ter 3D-tisk. V eksperimentalnem delu je opredeljena izdelava same zasnove idejne postavitve zgradbe, 3D-modeliranje, teksturiranje, izdelovanje upodobitev, pripravljanje modela za 3D-tisk ter tisk. Za izdelavo zasnove je bilo uporabljeno programsko okolje Autodesk Maya oziroma orodje, ki je omogočilo določanje specifičnih parametrov, s katerimi je bil zagotovljen zadovoljiv rezultat. Z omenjenim programom je bil izdelan končni model postavitve ter na podlagi tega prirejena tudi okolica. Modele, katerih namen je bil teksturiranje v programskem okolju Substance Painter, je bilo potrebno primerno UV mapirati in jim določiti primerne materiale, katere je bilo potrebno povezati v Mayi. S postavitvijo luči, kamer ter nastavitvijo upodobljevalnika so bile dosežene upodobitve, ki so bile primerno urejene v programu Adobe Photoshop. Model je bil primerno pripravljen za tisk in natisnjen s 3D-tiskalnikom s tehnologijo polimerizacije v kadi. Maketa se je po tisku še primerno naknadno obdelala. Končni izdelek diplomskega dela je 3D-parametrično modeliran, teksturiran in upodobljen model ter 3D-tiskana maketa, ki predstavljata zasnovano, idejno postavitev zgradbe z uporabo delokroga 3D-tehnologij.
Ključne besede: 3D-modeliranje, 3D-upodabljanje, 3D-tisk, tisk makete, parametrizem
vii
ABSTRACT
The purpose of the diploma thesis was to present the use of 3D technologies in the conceptual structuring of a building, in which 3D renders and a physical model of a building was made. In the theoretical part, the terms work scope of 3D technologies, parametricism as an architectural style, 3D graphics and 3D printing were defined. In the experimental part, the concept of the building was constructed, modelled, textured, rendered, prepared for execution and 3D printed.
Through analysis, it was determined which programs were needed for the specific tasks in the thesis. The concept was created with a tool that allowed the setting of parameters in Autodesk Maya software environment. With the mentioned program, the final conceptual model of the building was created and based on that the surroundings were adapted accordingly. The models that needed texturing were UV mapped and transferred to the program Substance Painter, where they were assigned the correct materials which were then connected to the corresponding models in Maya. 3D renders were made by setting the correct lighting, cameras and render settings. The retouching process was done in Adobe Photoshop. The model was prepared and 3D printed. The model was thoroughly processed after the printing. The final product of the diploma thesis is a 3D modelled, textured, rendered object and a 3D printed model, that represents the use of 3D technologies in the conceptual structuring of a building.
Key words: 3D modeling, 3D rendering, 3D printing, model printing, parametricism
viii
VSEBINSKO KAZALO
IZVLEČEK vi
ABSTRACT vii
VSEBINSKO KAZALO viii
SEZNAM SLIK x
SEZNAM OKRAJŠAV IN SIMBOLOV xii
1 UVOD 1
2 TEORETIČNI DEL 2
2.1 DELOKROG 3D-TEHNOLOGIJ 2
2.2 PARAMETRIZEM 3
2.3 3D-RAČUNALNIŠKA GRAFIKA 6
2.3.1 MODELIRANJE 7
2.3.2 MATERIALI IN TEKSTURIRANJE 8
2.3.3 SVETLOBNI VIRI 9
2.3.4 KAMERA 9
2.3.5 UPODABLJANJE 9
2.4 3D-TISK 10
2.4.1 VPLIV 3D-TISKA NA PODROČJU ARHITEKTURE 10
2.4.2 PRIPRAVA MODELA NA 3D-TISK 10
2.4.3 PROJEKCIJSKO DIGITALNO PROCESIRANJE SVETLOBE 11
3 EKSPERIMENTALNI DEL 12
3.1 MATERIALI IN OPREMA 12
3.1.1 MATERIALI 12
3.1.2 PROGRAMSKA OPREMA 12
3.1.3 STROJNA OPREMA 13
3.1.4 ZAŠČITNA OPREMA 14
ix
3.1.5 ORODJE 14
3.1.6 POTROŠNI MATERIAL 14
3.2 DELOKROG IDEJNE POSTAVITVE ZGRADBE 15
3.2.1 ZASNOVA 16
3.2.2 MODELIRANJE 17
3.2.3 TEKSTURIRANJE 20
3.2.4 PRIPRAVA MODELA ZA TISK 23
4 REZULTATI IN RAZPRAVA 25
4.1 UPODABLJANJE 25
4.2 3D-TISK PREDMETA 32
5 ZAKLJUČEK 38
6 LITERATURA 39
x
SEZNAM SLIK
Slika 1: Delokrog 3D-tehnologij, povzeto po viru [1] ... 2
Slika 2: Parametrična arhitektura [3] ... 3
Slika 3: Heydar Aliyev Center, Baku – Zaha Hadid Architects [9] ... 4
Slika 4: Leeza Soho tower, Beijing – Zaha Hadid Architects [10] ... 5
Slika 5: Galaxy Soho, Beijing – Zaha Hadid Achitects [11] ... 5
Slika 6: Osnovni modeli, implementirani v orodjarno [13] ... 6
Slika 7: Zaobljeni rob ... 7
Slika 8: Tiskalnik Photocentric Crystal Liquid Pro [22] ... 13
Slika 9: Osnovna idejna zasnova ... 16
Slika 10: Končna zasnova zgradbe ... 17
Slika 11: Temeljne plošče zgradbe ... 17
Slika 12: Steklene površine, stekleni nosilci, tesnila, temeljne plošče, stebri ter zidovi zgradbe ... 18
Slika 13: Model zgradbe in okolice ... 19
Slika 14: Programsko okolje Substance Painter ... 20
Slika 15: Vozlišče materiala uvoženega modela trave ... 22
Slika 16: Shema vozlišč vseh materialov v nalogi ... 22
Slika 17: Za tisk pripravljen model ... 23
Slika 18: Model s podpornimi elementi ... 24
Slika 19: Nastavitve upodabljanja in kamere ... 26
Slika 20: Končna upodobitev 1 ... 26
Slika 21: Končna upodobitev 2 ... 28
Slika 22: Končna upodobitev 3 ... 29
Slika 23: Končna upodobitev 4 ... 30
Slika 24: Končna upodobitev 5 ... 31
Slika 25: Maketa in podpore na delovni plošči tiskalnika... 33
Slika 26: Maketa z odstranjenimi podporami ... 33
Slika 27: Maketa med procesom brušenja ... 34
Slika 28: Maketa po poobdelavi ... 34
Slika 29: Šablone in paus papir ... 35
Slika 30: Prednji del makete ... 36
xi Slika 31: Vhod v zgradbo makete ... 36 Slika 32: Zadnji del makete ... 37
xii
SEZNAM OKRAJŠAV IN SIMBOLOV
2D – dvodimenzionalno (angl. Two-dimensional) 3D – tridimenzonalno (angl. Three-dimensional)
4K – ločljivost 3840 × 2160 slikovnih pik (angl. 3840 × 2160 pixels) 8K – ločljivost 7680 × 4320 slikovnih pik (angl. 7680 × 4320 pixels) 16K – ločljivost 15360 × 8640 slikovnih pik (angl. 15360 × 8640 pixels) obj – datotečna oblika zapisa v 3D-prostoru (angl. Object file)
UV-mapiranje – razvijanje 3D-modela v 2D-prostor z osema u in v (angl. UV mapping) DLP – digitalno procesiranje svetlobe (angl. Digital Light Processing)
stl – datotečna oblika zapisa v 3D-prostoru (angl. Standard Tessellation Language) UV-svetloba – ultravijolična svetloba (angl. Ultraviolet light)
BIM – proces izdelovanja in upravljanje digitalnega modela (angl. Building Information Modeling)
DEM – računalniška grafika, ki predstavlja višinske razlike reliefa (angl. Digital elevation model)
NURBS – matematične krivulje s kontrolnimi točkami (angl. Non-Uniform Rational Basis Spline)
G-koda – numerična programska koda, uporabljena pri 3D-tisku (angl. G code) MASH – orodje za grajenje sistemov z določenimi parametri (angl. Motion Graphics Workflow)
JPEG – rastrska oblika slikovnega zapisa z brezizgubno kompresijo (angl. Joint Photographic Experts Group)
TIFF – rastrska oblika zapisa visoko kakovostnih slik (angl. Tagged Image File Format) sRGB – standardni (rdeča, zelena, modra) barvni prostor (angl. Standard (red, green, blue) color space)
RAW – oblika slikovnega zapisa brez izgube (angl. RAW image file)
1
1 UVOD
3D-grafika se je zasnovala po človeškem vstopu v digitalni svet. Z dodajanjem tretje dimenzije smo dosegli digitalni približek realnega prostora, s katerim danes lahko upravljamo z napravami v naših žepih. Industrija 3D-grafike se nepredstavljivo hitro razvija in v nekaterih primerih je nemogoče ločiti generirane 3D-grafike od zajema realnega okolja.
3D-tisk je danes že izredno močno prisoten na vseh področjih, tako za izdelavo prototipov, kot za izdelavo orodij in kalupov ter neposredno digitalno izdelavo izdelkov, vse bolj pa se vključuje tudi na področju izdelave izdelkov za osebno uporabo. Najdemo ga že praktično na vseh področjih, tudi na področju arhitekture, in sicer predvsem za tisk maket – tako enostavnih kot zapletenih.
Povezava med digitalnim oblikovanjem in arhitekturo je danes izredno močna. Računalniški sistemi sami računajo statiko, se prilagajajo vnosu novih informacij in, kar je najpomembnejše, ponujajo večjo svobodo in varnost pri načrtovanju zgradb prihodnosti. Računalniško generirana arhitektura obdaja svet in je pripomogla k razvoju povsem novega stila arhitekture, ki ga imenujemo parametrizem. Orodja za te podvige niso tako nedostopna, kot se zdijo.
V teoretičnem delu smo predstavili delokrog 3D-tehnologij, opredelili pojem parametrizma, 3D-računalniške grafike in tiska. V eksperimentalnem delu smo vključili modeliranje zgradbe na osnovi parametrizma, postopke izdelave upodobitve ter na koncu priprave tiska in tiska makete.
Namen diplomskega dela je bil vključiti celoten delokrog 3D-tehnologij v idejni postavitvi zgradbe in s tem nadgraditi svoje znanje ter se približati svetu arhitekture.
Pri diplomskem delu smo si zastavili naslednje cilje, in sicer: ustvariti idejno postavitev zgradbe; izdelati 3D-model na osnovi parametrizma; podrobneje spoznati prednosti in omejitve tehnologij 3D-tiska, ki deluje na osnovi fotopolimerizacije v kadi; ter digitalno in fizično upodobiti končni izdelek s 3D-računalniško grafiko in 3D-tiskom.
2
2 TEORETIČNI DEL
2.1 DELOKROG 3D-TEHNOLOGIJ
3D-delokrog zahteva pridobitev digitalnega modela, s katerim se v nadaljevanju ukvarja.
Osnovni model pridobimo s skeniranjem obstoječih predmetov oz. okolice ali z digitalnim modeliranjem oz. digitalnim kiparjenjem. Zatem nastopi reproduciranje digitalnih modelov.
Poznamo upodabljanje, animiranje, virtualno resničnost in obogateno resničnost. Digitalni model lahko reproduciramo tudi v fizični 3D-prostor z dodajalnimi tehnologijami oziroma tehnologijami 3D-tiska. Na sliki 1 je prikazana shema delokroga 3D-tehnologij. [1]
Slika 1: Delokrog 3D-tehnologij, povzeto po viru [1]
Način izbire reprodukcije temelji na zahtevah končne aplikacije. Na področju digitalne reprodukcije je pogosto najbolj kakovostni izdelek upodobitev, saj načeloma prihaja do najmanjšega prilagajanja glede na strojno opremo in časovne omejitve. Pri animaciji se pogosto kakovost zniža zaradi optimiziranja parametrov upodabljanja, ker bi sicer slednje trajalo predolgo, a se s tem pridobi boljši občutek 3D-prostora. V kolikor je potrebno skrajšati čas upodabljanja, je treba optimizirati delokrog, kar največkrat povzroči zmanjšanje kakovosti. Če kasnejša uporaba zahteva večjo stopnjo interaktivnosti oziroma upodabljanje v realnem času, uporabimo obogateno in virtualno resničnost, kjer je zagotovljen najboljši prostorski občutek ter interakcija v 3D-prostoru. Zaradi velike obremenitve strojne opreme je pogosto potrebna optimizacija delokrogov upodabljanja v realnem času. Tudi v tem primeru lahko strojno opremo delno razbremenimo s prilagoditvijo topologije modela, materialov, tekstur, osvetljevanja ter osebnih učinkov. Če uporaba zahteva izdelovanje zasnovnih in funkcionalnih prototipov, je potrebno digitalni model pretvoriti v fizični predmet. Pri tem uporabljamo dodajalne tehnologije oziroma 3D-tisk. [1]
3 2.2 PARAMETRIZEM
Parametrizem je nov globalni arhitekturni in urbanistični stil, ki oblikuje našo sedanjost in predvsem prihodnost. Parametrizem kot arhitekturni stil (slika 2) je leta 2008 v manifestu Parametrizma razglasil Patrik Schumacher. [2]
Slika 2: Parametrična arhitektura [3]
Parametrizem je globalni stil sodobne avantgardne arhitekture, ki združuje vrednote, načela in hevristiko oblikovanja v vseh lestvicah in disciplinah grajenega okolja, vključno z arhitekturnim, urbanističnim in notranjim oblikovanjem, oblikovanjem izdelkov ter modnim oblikovanjem. Njegova najbolj opazna zunanja značilnost je zapletena in dinamična ukrivljenost, ki jo poudarja širjenje nenehno neenakih komponent. Poleg takšnih očitnih površinskih značilnosti lahko prepoznamo vrsto novih zasnov in metod, ki se tako razlikujejo od skupkov del tradicionalne kot moderne arhitekture, da lahko upravičeno govorimo o nastanku novih vzorcev v arhitekturi. Skupne zasnove, formalni skupki del, tektonska logika in računske tehnike, ki so značilne za to delo, resnično spodbujajo oblikovanje novega stila. [4]
Parametrično oblikovanje izhaja iz pojava informacijskega modeliranja zgradb (BIM), kjer parametrična pravila ustvarjajo razmerja med različnimi elementi zasnove. Tako se lahko na primer ustvari pravilo, ki zagotavlja medsebojni odnos med stropi in tlemi. Če se nato spremeni višina tal, se bodo stene samodejno prilagodile. Enak algoritem se lahko uporablja v celotnem modelu, tako da če se določen element ali pravilo spremeni, se prilagodi celoten model. Model
4 je dejansko predstavitev vseh pravil, ki jih je uporabnik določil. [5] Računalniški programi, ki ustrezajo delokrogu BIM, so Maya, Rhino, Revit, GeneretiveComponents in tako naprej. [6]
Programska oprema, kot je Autodesk Maya, ponuja celovit nabor orodij in velik potencial za 3D-modeliranje v arhitekturnem pomenu. Autodesk Maya vključuje nelinearne tehnike modeliranja, ki so povezane z animacijo, simulacijo, digitalnim izdelovanjem in iskanjem novih oblik v 2D in 3D-prostoru. [7]
Najbolj znan izvajalec parametričnega stila je zagotovo arhitekturni studio Zaha Hadid Architects. Podjetje je ustanovila Zaha Hadid in vodila projekte, ki so skozi leta spreminjali naše dojemanje arhitekture. Ob njeni smrti je kot direktor in arhitekt prevzel njeno mesto Patrik Schumacher. [8] Med znana dela studia spada Heydar Aliyev Center (slika 3), Leeza Soho tower (slika 4), Galaxy Soho (slika 5) ...
Slika 3: Heydar Aliyev Center, Baku – Zaha Hadid Architects [9]
5
Slika 4: Leeza Soho tower, Beijing – Zaha Hadid Architects [10]
Slika 5: Galaxy Soho, Beijing – Zaha Hadid Achitects [11]
6 2.3 3D-RAČUNALNIŠKA GRAFIKA
3D-računalniška grafika je disciplina, ki pokriva vidik ustvarjanja in upravljanja vizualnih vsebin v tridimenzionalnem prostoru in njihove integracije skozi različne medije, bodisi dvodimenzionalne bodisi tridimenzionalne. Izdelovanje 3D-modelov poteka v primernih programih, ki na podlagi mnogih parametrov ponujajo orodja za kreacijo v omenjenem prostoru. Za uspešno prikazovanje preko medija potrebujemo modelirnik ter upodobljevalnik.
Z modelirnikom združujemo oglišča v robove, robove v poligone in poligone v modele, s katerimi dobimo celoto. Upodobljevalnik je ključen za prikazovanje 3D-prostora, saj ima vključene parametre in algoritme, ki v osnovi poskušajo združiti modeliran prostor oziroma model z načeli fizike. [12]
Najosnovnejši element v 3D-svetu je točka, saj nam podaja informacijo lokacije v koordinatnem sistemu oziroma 3D-prostoru. Ne vsebuje nobene druge lastnosti. Točke so predvsem pomembne, ko si pogledamo robove 3D-modelov, kajti vsebujejo informacije o povezavi z drugimi točkami oziroma verteksi. Z dvema točkama, ki sta povezani, lahko določimo, če gre za premico, daljico ali vektor, vendar se v 3D-grafiki najpogosteje uporablja daljica, saj je točkovno omejena, kar pomeni, da ima natančno določeno dolžino. S pomočjo najmanj dveh linij pa lahko ustvarimo ravnino. Ravnina je prvi element, ki ga upodobljevalnik lahko zazna ter upodobi. Površino, ki je omejena z daljicami, imenujemo poligon. Z združenjem poligonov dobimo večje, raznovrstne površine, ki gradijo modele. [12]
V veliki večini programov imamo na izbiro nekaj osnovnejših modelov (primitivov), iz katerih lahko izhajamo pri naprednejšem modeliranju. Delimo jih na ploskovna in pravilna telesa, piramide, kroglo, elipso, torus, valj, stožec ter prisekani stožec (slika 6). Ploskovna telesa imajo ključno značilnost, in sicer imajo vse točke v isti ravnini. Točke v tej ravnini so določene glede na izbrano telo, kot je na primer krog ali kvadrat. Z uporabo določenih orodij lahko iz omenjenih ploskovnih teles ustvarimo modele. Od omenjenih osnovnih elementov vsak program ponuja knjižnico svojih modelov, za katere domnevajo, da so koristni in prihranijo čas modeliranja.
[12]
Slika 6: Osnovni modeli, implementirani v orodjarno [13]
7 2.3.1 MODELIRANJE
Modeliranje predstavlja velik del celostnega procesa ustvarjanja 3D-računalniške grafike.
Poznamo več načinov modeliranja, najpogostejši pa so že omenjeni poligoni, NURBS-i, s subdivizijo, teksturami, preoblikovalci in tako naprej. [12]
Poligone opredeljujejo njihova velikost, število stranic in verteksov, rotacijo v 3D-prostoru ter medsebojni odnos s sosednjimi poligoni oziroma drugimi elementi. V osnovnem principu nam količina poligonov v določenem modelu lahko pove, kakšen potencial kakovosti ima. Nekoliko drugačen način modeliranja predstavljajo NURBS-i (Angl. Non-Uniform Rational Basis Spline), ki delujejo na principu matematičnih krivulj s kontrolnimi točkami. Z njimi upravljamo ukrivljenost in posledično vplivamo na črte, ploskovne površine in celoten model. [12]
V 3D-programih nam različna orodja omogočajo načine in posege modelov, na katerih delamo.
Ta orodja delujejo na principih poligonskega modeliranja in v nekaterih primerih tudi NURBS modeliranja. Med temeljna orodja spadajo premikanje, velikost in rotacija. Gotovo med pomembnejša orodja spada Boolova operacija. Gre za orodje, ki temelji na logičnih operatorjih IN, ALI ter NE, ki se prenesejo v unijo, presek ali razliko. Dva modela lahko združimo v enega, obdržimo predel, kjer sta prepletena, ali obdržimo primarni izbrani model z izsekom drugega.
Za pridobivanje realističnih rezultatov pa je zagotovo med pomembnejšimi orodji funkcija za zaobljenje robov, saj ima vsak predmet v realnem svetu zaobljen rob, bodisi malo bodisi zelo (slika 7). [12]
Slika 7: Zaobljeni rob
8 2.3.2 MATERIALI IN TEKSTURIRANJE
Z modeliranjem dobimo modele, ki geometrično ustrezajo našim zahtevam, vendar rabimo še informacije o površini, s katerimi 3D-računalniška grafika res zaživi. Omenjene informacije materialov dobimo s prilagajanjem lastnosti parametrov in dodajanjem potrebnih podatkov. Ena izmed teh lastnosti je barva, ki sama po sebi deluje na principu odboja in absorpcije določenega spektra svetlobe, ki reagira s površino modela. Odbojnost in difuznost sta dve lastnosti, ki sta medsebojno povezani, in sicer tako, da si nasprotujeta. Z njima določamo odboj svetlobe.
Vplivnost visoke odbojnosti opažamo pri modelu, ko ima predel, ki je najbolj osvetljen, zgoščen odboj. Difuznost je lastnost materiala, pri kateri se odbojna svetloba razprši in daje matiran videz. Naslednja lastnost je odsevnost, ki se določi z vrednostjo večje ali manjše odbojnosti zunanjega prostora na površini materiala. Zelo visoka vrednost odsevnosti bi lahko predstavljala material ogledala. Kot lahko že sklepamo po imenu lastnosti, se prozornost nanaša na količino svetlobe, ki jo prepusti material. Na koncu pa pridemo do reliefnosti, ki je pomembna predvsem pri doseganju realističnosti, saj nam daje reliefne informacije, brez da bi spreminjali topologijo modela. Deluje na principu DEM, kjer slika določa reliefnost. Po potrebi lahko uporabimo tudi opcijo mapiranja prestavitev, kjer dosežemo intenzivnejšo deformacijo topologije in je uporabna ob potrebi po deformaciji robov. [12]
Ko imajo materiali nepravilnosti v komponentah, govorimo o teksturah. Mapiranje je proces virtualnega nanosa slike na model. Modeli se med sabo razlikujejo, zato obstaja več vrst mapiranja glede na njihovo obliko. Poznamo ploskovno, krogelno, cilindrično, kubično in UV- mapiranje. Ko upravljamo z nastavitvami tekstur in njihovimi aplikacijami, nastavljamo tudi orientacijo, intenziteto, velikost in način ponavljanja ter mešanja. [12]
Na izbiro vpliva oblika modela in posledično vir projekcije, kar pride v poštev v vseh primerih razen UV-mapiranja. V tem primeru gre pogosto za raznovrstne modele, s katerimi so drugi načini mapiranja neuspešni. UV-mapiranje deluje na principu plašča, saj se tekstura raztegne v dvodimenzionalno sliko modela, katero nato nadalje oblikujemo in transformiramo. S to obliko mapiranja dosežemo prilagajanje UV-mape modelu, saj je vezana na njega. [12]
9 2.3.3 SVETLOBNI VIRI
Naravo in svetlobo je težko prenesti v digitalni svet. Vsebujeta veliko medsebojno odvisnih parametrov, katere je potrebno algoritmično prenesti v računalniški svet za uspešno upodabljanje. Zato programi uporabljajo posebne algoritme, ki se skušajo čim bolj približati naravnim fizikalnim pojavom in lastnostim. Osnovne nastavitve luči so v veliki večini vrsta svetlobnega vira, intenziteta, barva, prostorsko pojemanje, vrsta sence, ekskluzivnost vira svetlobe v povezavi z modelom ter volumetričnost. [12]
2.3.4 KAMERA
Kamere v 3D-programih delujejo na istih principih kot v realnem svetu. Ponujajo nastavitve zaslonke, zaklopke, leče, goriščne razdalje, globine in vidni kot. Kamere se glede vrste delijo na ortografsko ter klasično. Ortografska kamera je uporabna predvsem za modeliranje ter upodabljanje načrtov, saj ima samo dve dimenziji in vedno lahko prikaže samo eno stranico.
Klasična kamera pa oponaša kamero v realnem svetu z vsemi nastavitvami omenjenega aparata.
Nastavljamo lahko tudi razmerje vidnega polja. [12]
2.3.5 UPODABLJANJE
Upodabljanje je združevanje vseh elementov v celoto. V tem procesu računalnik zbere vse informacije od geometrije, materialov in svetlobe ter začne z izračunavanjem dvodimenzionalne slike tridimenzionalnega prostora. Glede na obsežnost geometrije in drugih parametrov se daljša čas upodabljanja. Uporabniki 3D-programov uporabljajo univerzalno pravilo optimiziranja svojih projektov tako, da glede na potrebe vzdržujejo razmerje med časom upodabljanja in kakovostjo vsebine. Osnovne nastavitve upodabljanja so ločljivost slike, glajenje robov, zmanjšanje šuma, globina rekurzije ter shranjevanje. Upodobitve shranjujemo po potrebi. Shranimo lahko izrise na mediju, posamezno sliko ali animacijo oziroma serijo slik.
Izris na mediju običajno uporabljamo za testne namene, jih pa seveda lahko shranimo.
Posamezne slike lahko shranimo na nekaj različnih načinov oziroma oblik, na primer v jpeg format. [12]
10 2.4 3D-TISK
3D-tiskanje je proces izdelave fizičnih predmetov iz računalniško generiranega 3D-modela, načeloma z zaporednim slojevitim dodajanjem materiala na delovno površino. Računalniško generiran model se prenese v fizično obliko z dodajanjem slojev materiala. Gre za dodajalni proces, ki zajema več tehnologij. 3D-tisk prinaša dve ključni novosti, in sicer upravljanje z modeli v digitalni obliki in izdelavo novih oblik (organske, vkleščene, vgnezdene strukture) z dodajanjem materiala. Proces tiskanja lahko razdelimo na šest korakov. Prvi korak je računalniško generiranje modelov v 3D-prostoru, kjer jih nato pretvorimo v enega izmed formatov, ki so standardni in široko uporabljeni. Najpogosteje se uporablja pretvorba v datoteko stl. To datoteko nato 3D-tiskalnik procesira in dobi kodo G, ki vsebuje informacije vseh premikov tiskalne glave in delovne mize ter ostalih parametrov, vezanih na proces slojevite gradnje oziroma tiska predmeta. Z naslednjim korakom izvedemo umerjanje tiskalnika. Peti korak predstavlja proces tiska predmeta, šesti pa naknadno obdelavo tiskanega predmeta do željenega rezultata. [1]
2.4.1 VPLIV 3D-TISKA NA PODROČJU ARHITEKTURE
Velik vpliv 3D-tiska se je začutil na področju gradbeništva in arhitekture predvsem pri izdelovanju maket. Makete predstavljajo ključni način prenašanja idej in zasnov podjetij do strank. 3D-tisk omogoča izdelavo natančnih in kompleksnejših maket, ki so cenovno ugodne ter predvsem prihranijo čas v primerjavi s klasičnimi načini izdelave. Makete ponujajo lažje popravke z naknadnim tiskom novih ali spremenjenih elementov, kar prinaša nadgradnjo interaktivnosti oziroma komunikacije podjetja s strankami. Veliko arhitekturnih podjetij že ima svoje 3D-tiskalnike. [14]
2.4.2 PRIPRAVA MODELA NA 3D-TISK
3D-model, ki ga želimo natisniti, je potrebno zato pripraviti. Vsak model namreč ni primeren za tisk. Najprej je pomembno zagotoviti, da so na modelu med seboj povezani vsi robovi in poligoni. S tem dosežemo vodotesnost modela in zagotovimo uspešen tisk. Obenem je potrebno zagotoviti, da model nima nobenih dvojnih robov. To se pogosto dogaja pri uporabljanju boolean funkcije, kjer se običajno ustvari preveč robov, ki se prekrivajo. Modelu je priporočljivo prirediti število poligonov glede na željeno končno kakovost. To vpliva tako na videz površine kot kakovost tiska posameznih podrobnosti. Potrebno je tudi primerno določiti velikost glede na omejitve delovne površine tiskalnika in nato preveriti, ali so dimenzije
11 najmanjših elementov znotraj zmožnosti tiska tiskalnika. Na koncu je pri pripravi modela za tisk pomembna tudi njegova orientacija. Ta vpliva na končni videz tiskanega predmeta, predvsem videz površine in pa njegove mehanske lastnosti. Zelo pogosto se moramo pri tisku posluževati dodajanja podpornih struktur, ki omogočijo ustrezno orientacijo modela in tisk previsnih delov predmeta. Pred začetkom tiska je treba model pretvoriti v tiskalniku razumljive ukaze. Tako najpogosteje izvedemo izvoz pripravljenega modela za tisk v obliko datoteke stl, nato pa jo program tiskalnika pretvori v kodo G. [1]
2.4.3 PROJEKCIJSKO DIGITALNO PROCESIRANJE SVETLOBE
DLP oziroma projekcijsko digitalno procesiranje svetlobe je tehnologija tiska fotopolimerizacije v kadi. To se navezuje na fiksiranje polimerne smole, ko je izpostavljena določenemu spektru svetlobe. Na tem področju se običajno uporabljajo smole, ki se utrjujejo pri UV-svetlobi ali pri dnevni svetlobi. DLP tehnologija deluje na principu dvigovanja delovne plošče iz kadi, ki je napolnjena s fotopolimerno smolo. Proces tiska se začne, ko se delovna plošča potopi v smolo z natančnim razmikom enega sloja med dnom kadi in delovno površino.
Nato projektor osvetli smolo z dvodimenzionalno sliko. Smola se na osvetljenih predelih fiksira, delovna plošča se nekoliko dvigne in spet potopi, tokrat za en sloj višje. Postopek se ponavlja s primernimi slikami in tako nastane 3D-predmet. Slike izhajajo iz projektorja, kar posledično pomeni, da so sestavljene iz pikslov. Uporablja se za izdelovanje funkcionalnih končnih izdelkov, v protetiki, izdelovanju nakita ter podobno. [1]
12
3 EKSPERIMENTALNI DEL
3.1 MATERIALI IN OPREMA
3.1.1 MATERIALI
Za tisk smo uporabili tekoči polimer, ki se utrjuje s pomočjo dnevne svetlobe – Photosentric Daylight, in sicer črne barve. [15] Za dosežek končnega videza makete smo jo prebarvali z barvnim sprejem. Za izdelavo steklenih površin makete smo uporabili paus papir, katerega smo na maketo pritrdili s sekundnim lepilom.
3.1.2 PROGRAMSKA OPREMA Autodesk Maya
Program smo uporabili za izdelavo zasnove, končno modeliranje modela in okolice, UV- mapiranje, upodabljanje ter pripravo za tisk. Autodesk Maya je programska oprema, ki je pogosto uporabljena za vizualne efekte, upodobitve ter animacije. Že več let predstavlja industrijski standard, kar narekujejo naprednejše lastnosti samega delokroga, integrirano napredno UV-mapiranje ter dodatni efekti, kot je na primer simulator tekočin. [16]
Substance Painter
Za apliciranje materialov na modele smo uporabili program Substance Painter. Ta omogoča kreiranje in uporabo materialov ter tekstur. Uvoženim modelom, ki so primerno pripravljeni, se lahko ročno priredi željen material ali pa se izbere že obstoječi material, kateri se nahaja v integrirani knjižnici. Substance Painter vsebuje tudi možnost spreminjanja lastnosti materialov, kot je velikost, ponavljanje, barva, odbojnost, višina materiala ter številne druge nastavitve.
[17]
Quixel Bridge
Za izdelavo okolice smo uporabili 3D-modele iz programa Quixel Bridge. Bridge je knjižnica 3D-modelov, tekstur in drugih sredstev v obliki programa, katerega je možno prenesti brezplačno. [18]
13 Adobe Photoshop
S programom Adobe Photoshop smo prilagodili upodobitve ter dosegli končni videz digitalne predstavitve zgradbe. Sicer ga poznamo kot program za urejanje fotografij. [19]
Photocentric Studio
Photocentric studio je programska oprema za tisk, specifično optimizirana za Photocentric tiskalnike. [20] Uporabili smo jo za nastavitev lastnosti tiska ter za izvoz tiskalniku berljivih navodil.
3.1.3 STROJNA OPREMA Računalniška oprema
Računalniško delo smo izvajali na prenosniku Acer Predator G9-791 s specifikacijami: Intel i7- 6700HQ, 32GB RAM, Nvidia GTX 970M.
3D-tiskalnik
3D-tiskalnik Photocentric Crystal Liquid Pro (slika 8) deluje na podlagi DLP tehnologije tiska.
Uporablja tekoči fotopolimer, ki se utrjuje na dnevni svetlobi [21]:
• delovna površina tiskalnika: 470 × 240 × 350 mm
• način osvetljevanja: LCD panel z ločljivostjo 4K
• najnižja višina tiska plasti: 50 mikronov
• najhitrejša hitrost tiska: 50 sekund/sloj
• material: smola, ki se fiksira z dnevno svetlobo
Slika 8: Tiskalnik Photocentric Crystal Liquid Pro [22]
14 3.1.4 ZAŠČITNA OPREMA
Pri eksperimentalnem delu, ki se je osredotočal na 3D-tisk, smo uporabljali zaščitno opremo, ki se je uporabljala tekom tiska in poobdelave:
• rokavice;
• laboratorijsko haljo;
• zaščitna očala;
• masko.
3.1.5 ORODJE
Tekom tiska in poobdelave predmeta je bila potrebna uporaba ustreznega orodja:
• kad;
• klešče;
• set pilic;
• pinceta.
3.1.6 POTROŠNI MATERIAL
Pri izvedbi eksperimentalnega dela, in sicer 3D-tiska ter poobdelave predmeta, se je uporabljal potrošni material:
• papirna brisača v roli;
• izopropilni alkohol;
• čistilo na osnovi mila in vode;
• brusni papir;
• papir (za izdelavo šablon).
15 3.2 DELOKROG IDEJNE POSTAVITVE ZGRADBE
Ob natančni analizi arhitekturnega stila parametrizma in analizi različnih delokrogov, uporabljenih v profesionalnih studiih za 3D-grafiko, je bila jasna korelacija z uporabo iste programske opreme, in sicer Autodesk Maya, kar je olajšalo našo izbiro. Ugotovili smo, da delokrog modeliranja in teksturiranja poteka po okvirnem industrijskem standardu. Izvaja se po logičnem vrstnem redu pomembnosti, nato nastopi teksturiranje, testiranje kamer in svetlobe ter upodabljanje. Analiza je pokazala, da se ob večjih količinah poligonov in veliki kakovosti tekstur v 3D-prostoru oblikovalci izogibajo problematiki omejenosti strojne opreme z izdelavo knjižnice modelov s posebnim datotečnim zapisom, ki je nato navidezno uvožen v izvorno datoteko. Navidezni modeli so vidni samo pri procesu upodabljanja, torej se delokrog prilagodi v postopkovni sistem modeliranja in teksturiranja posamičnih modelov. Ta postopek je koristen tudi za grajenje knjižnic modelov s teksturami, ki so pripravljeni za takojšnjo uporabo pri drugih projektih.
Z analizo smo prišli do ugotovitve, da je pri velikih projektih potreben zastavljen nivo kakovosti modelov in smo zato v sklopu tega dela določili nivo detajlov, ki jih je v izbranem času izvedljivo doseči.
Z omenjenimi rezultati analize smo lahko vzpostavili načrt dela. Za sam postopek izdelovanja zasnove in modeliranja smo se odločili pridobiti okvirno obliko zgradbe, postaviti temeljne plošče ter stebre in dokončati modeliranje zgradbe ter okolice. Za naslednji korak, in sicer teksturiranje, smo se odločili izvesti subdivizijo izbranih modelov, jih UV-mapirati, ustrezno prirediti materiale in jih povezati s korektnimi vozlišči. Za tem smo se odločili vstaviti modele vegetacije, pridobljene s spletne knjižnice Quixel. Po tem smo datoteko pripravili za upodabljanje, in sicer smo ponastavili lastnosti upodobljevalnika, postavili kamere in priredili njihove lastnosti ter postavili luči in priredili tudi njihove lastnosti. Ob končani upodobitvi smo model pripravili za 3D-tisk, ga natisnili in primerno uredili.
16 3.2.1 ZASNOVA
Izdelovanje osnovne zasnove (slika 9) je potekalo v programu Autodesk Maya, saj ponuja ustrezna orodje za določanje matematičnih parametrov za ustvarjanje zasnove, in sicer MASH, tj. proceduralno orodje, ki omogoča določanje specifičnih parametrov. Najpogosteje je uporabljeno kot orodje za določevanje ponavljan, vendar ima tudi številne druge uporabe. [23]
Sama idejna zasnova sloni na vizualni podobi upogibanja papirja. Z uporabo osnovnega elementa valja in orodja MASH smo določili parametre, ki so nam podali zadovoljiv rezultat.
Slika 9: Osnovna idejna zasnova
Okoli osnovne zasnove smo nato ovili krivulje, in sicer dve krivulji na vsako etažo. Krivuljam smo spremenili lokacijo točk v Z osi in s tem pridobili spodnje in zgornje podaljške. S primernim orodjem smo ustvarili površino med krivuljami in dobili površino, ki obdaja celotno zgradbo.
17 3.2.2 MODELIRANJE
Zaradi fluidnosti končne zasnove smo priredili zunanje površine na način, da obdržijo svojo obliko, vendar vseeno ponujajo pričakovano funkcionalnost. To smo izvedli z deljenjem modela stekla na tri predele, in sicer na osrednji del, ki obdaja celotno nadstropje zgradbe, in spodnji ter zgornji del, ki predstavljata podaljške posameznega nadstropja (slika 10).
Slika 10: Končna zasnova zgradbe
Sledila je izdelava temeljnih plošč. To smo dosegli z orodjem za ekstrudiranje, in sicer z uporabo prej izdelanih površin zasnove. Najprej smo zasnovo podvojili in izbrisali spodnje ter zgornje podaljške. Za tem smo dvignili spodnje robove površine na vizualno primerno debelino temeljnih plošč. Izbrali smo vse površine in ekstrudirali površino v notranjost zgradbe. Na koncu smo izbrali notranje robove novega modela in ga ustrezno zaprli v eno točko, prikazano na sliki 11.
Slika 11: Temeljne plošče zgradbe
18 Po vizualni presoji smo med temeljne plošče postavili tudi zidove in stebre. Za namen doseganja realističnih rezultatov smo celotno površino, ki bo delovala kot steklo, razdelili na več manjših modelov s primernimi minimalnimi razmiki. Ker je bila površina stekla razdeljena na enako število poligonov, smo uporabili orodje za razrez. Topologijo smo razrezali na enako število delov in s tem dobili več manjših površin, katere smo ekstrudirali in izvedli subdivizijo oziroma zaobljenje robov. Na podlagi shranjenih različic steklenih površin smo z ekstrudiranjem izdelali še tesnila za stekla in steklene nosilce, ki so pritrjeni na temeljne plošče (slika 12).
Slika 12: Steklene površine, stekleni nosilci, tesnila, temeljne plošče, stebri ter zidovi zgradbe
Nato smo se osredotočili na zunanje površine modela. Izdelano je bilo reliefno urbano okolje, kjer smo ustvarili prostor za sprostitev. Najprej smo se okvirno omejili s prostorom. Za tem smo podvojili tla zgradbe in ekstrudirali model navzven, ga nekoliko priredili in omejili na okvirno površino zemljišča. S tem smo ustvarili pot okoli zgradbe. Dodali smo dve zgradbi, ki še dodatno oblikujeta fluidnost zemljišča in jima izdelali pot okoli zgradbe v drugačni višini.
Ostali del okolice smo izdelali na estetsko podoben način in dodali površine, kjer bo postavljen model trave in dreves. Izdelali smo tudi model klopi, ki je sestavljena iz betonskega nosilca in dveh kosov lesa.
Model dreves trave in lesa (model klopi) smo prenesli iz programske opreme Quixel, ki vsebuje knjižnico modelov ter drugih sredstev, saj bi bilo njihovo modeliranje časovno zamudno, niso
19 pa ključni pri tem delu. Prenesene modele smo uvozili v obstoječo datoteko ter s pomočjo vozlišč ustrezno povezali lastnosti tekstur z modelom.
Pri tej točki smo začeli uporabljati tehniko razbremenjevanja strojne opreme s pomočjo izvažanja modelov iz izvorne datoteke v namensko knjižnico. To smo dosegli z orodjem za izvažanje scene in posledičnim navideznim uvozom le-te. Omenjena datoteka bistveno ne vpliva na obremenitve računalniškega sistema med modeliranjem, saj geometrija ni neposredno uvožena. To je razvidno iz slike 13, kjer transparentni pravokotniki predstavljajo uvožene modele dreves. Brez te funkcije naloga ne bi bila izvedljiva, saj bi prišlo do preobremenitve, še posebej z modelom trave, ki je v okolju reproduciran več tisočkrat in skupaj z modeli dreves vsebujejo več milijonov poligonov.
Pri postavitvi modelov trave smo uporabili orodje MASH, ki je naključno porazdelilo modele po izbranih površinah. Določili smo količino ponavljanj, rotacijo in velikost modela, ki jo je orodje spreminjalo po nastavljenih parametrih.
Modeliranje smo zaključili z grobim oblikovanjem ožje soseske zgradb izključno zaradi namena boljšega rezultata pri upodabljanju.
Slika 13: Model zgradbe in okolice
20 3.2.3 TEKSTURIRANJE
Za teksturiranje v programu Substance Painter smo najprej nad modeli izvedli subdivizijo, saj bi bil njihov videz sicer pregrob, ter jih UV-mapirali. To smo izvedli z avtomatičnim UV- mapiranjem, ki je implementirano v Mayo. Vse modele smo tudi testirali za uspešno UV- mapiranje s pripenjanjem vgrajenega materiala za lažje pregledovanje nepravilnosti odvijanja teksture z videzom šahovske igralne deske. V našem primeru smo preverjali, če imajo vse površine iste velikosti kock in se korektno usklajujejo na robovih modelov. UV-mapiranim modelom smo določili osnovne materiale in jih poimenovali za lažje identificiranje, na katerega smo kasneje povezali materiale. Modele smo ločeno izvozili v obj obliki in s tem razbremenili strojno opremo ter jih uvozili v Substance Painter (slika 14), kjer smo izbrali primerne materiale.
Slika 14: Programsko okolje Substance Painter
Kot smo že omenili, smo uvažali celotno sceno posamično. Začeli smo z modeli, ki sestavljajo zgradbo. Izbira materialov se je začela s temeljnimi ploščami, in sicer smo želeli prikazati videz betona. To smo dosegli z uporabo materiala grobega betona. Način projiciranja materiala na model smo nastavili na način UV, kar pomeni, da je program izbral predhodno določeno UV- mapiranje, katerega smo opravili v Mayi. Določili smo UV-zavijanje, in sicer na način ponavljanja, kar pomeni, da se je izbran material ponavljal po površini modela in se ni namestil na model z originalno velikostjo, saj v večini primerov ne bi uspel pokriti celotne površine topologije. Velikost materiala smo konfigurirali na vrednost 20, da smo dobili primerno velikost videza materiala glede na velikost modela. Nato smo priredili barvo materiala, jo nekoliko posvetlili in nastavili grobost na vrednost 0,75. Ostale parametre smo pustili kot privzete. Za
21 notranje zidove in stebre smo izbrali material matirane barve, katere namen je videz stenske barve. Pri omenjenem materialu je način projiciranja in UV-zavijanja ostal isti. Določili smo, da bo vrednost velikosti materiala 70 in grobost 0,98. Skupkom modelov, kot so betonski robniki, betonske plošče v parku ter klopi smo priredili materiale na podoben način. Pri zadnjem koraku smo izbrali, katere od lastnosti materialov je potrebno izvoziti, v kateri obliki ter velikosti. Izbrali smo veliko ločljivost, in sicer 8K, saj nam način reprodukcije in strojna oprema to omogočata. Kot obliko zapisa smo izbrali tiff. Datoteke smo nato uvozili v Hypershade (slika 15), ki je del programske opreme Maya in služi kot urejevalnik vozlišč za teksture, materiale, svetlobne vire, orodja in posebne efekte. [24]
Delokrog povezovanja materialov v programski opremi Autodesk Maya je potekal po postopku povezovanja izvoženih datotek iz Substance Painterja v Mayino vozlišče materiala, katerega smo ustvarili pred izvozom v Substance Painter za vsak skupek modelov.
Najprej smo povezali datoteko, ki vsebuje informacije o barvah in je v našem primeru v tiff formatu. Določili smo, da bo barvni prostor sRGB, ki zajema standardni barvni prostor (rdeča, zelena, modra). Za tem smo povezali datoteko, ki vsebuje informacje o grobosti materiala.
Datoteka je slika črno-bele barve, iz katere se črpajo informacije o svetlosti (angl. alpha is luminance) in na podlagi tega določa grobost materiala. Barvni prostor smo ponastavili na RAW (oblika zapisa datoteke brez izgube in barvnega prostora) in odkljukali, da se iz slike črpajo kot informacije svetlosti (angl. alpha is luminance). Na enak način smo povezali lastnost materiala, in sicer metaličnost. Naslednja datoteka vpliva direktno na reliefnost materiala – slika, ki vpliva na normale oziroma mapa normal. Njen barvni prostor smo ponastavili na RAW, vendar v tem primeru ne črpamo informacij iz svetlosti, ampak barvnega prostora (barve). Pri modelih trave in dreves smo uporabili še različne oblike datotek, in sicer v jpg formatu.
Uporabljena je bila tudi datoteka prosojnosti, saj so listi dreves in trave delno prosojni.
Uporabili smo barvni prostor RAW, ob katerem smo tudi odkljukali nastavitev črpanja informacij iz svetlosti slike. [25]
Material stekla smo izdelali sami v Autodesk Mayi. Naše steklo se razlikuje od klasičnega, saj ima nekoliko povišano mero odbojnosti, kar se posledično nanaša na manjšo prosojnost.
Podobno kot pri steklu smo določili materiale modelov, ki so osnovnejše narave in jih je bilo možno kreirati v Mayi, kot so na primer kovinske površine, kjer za najosnovnejši material potrebujemo določiti samo vrednost metaličnosti. V celoti smo povezali 47 materialov (slika 16).
22
Slika 15: Vozlišče materiala uvoženega modela trave
Slika 16: Shema vozlišč vseh materialov v nalogi
23 3.2.4 PRIPRAVA MODELA ZA TISK
Celotni model smo kopirali v drugo Autodesk Maya datoteko. Za tem smo izbrisali celotno okolico in začeli postopkovno odstranjevati shranjene neuporabljene različice modelov, ki so nastale ob modeliranju. Sprejeli smo odločitev, da se bodo površine stekla aplicirale naknadno po tisku, saj smo hoteli doseči polprosojni videz površine, kar z izbrano tehnologijo tiska ni mogoče doseči. Tako je bil končni model za tisk sestavljen iz temeljnih plošč, stebrov, zidov, nosilcev ter steklenih površin (slika 17). Podrobneje smo pregledali, če se vsi modeli primerno prekrivajo, saj sicer lahko pride do napake. Zaradi nekaterih notranjih prostorov stavbe, ki so bili povsem zaprti, smo se odločili izrezati luknje v obliki vrat, da lahko ob tisku nestrjena fotopolimerna smola odteče in ne otežuje modela, ki je pritrjen na delovno ploščo. Odebelili smo tudi nosilce steklenih površin, in sicer na širino enega milimetra, ter s tem dosegli zanesljivejši tisk.
Slika 17: Za tisk pripravljen model
24 Po analizi in z ustreznimi adaptacijami modela smo v programskem okolju Photocentric Studio dokončno pripravili model za tisk in izvozili datoteko. Določili smo končno velikost modela, in sicer 250 mm × 107 mm × 102 mm. Prav tako smo model orientirali na kot 45 stopinj, saj smo s tem zagotovili gladko površino makete po tisku. Podpore smo v osnovi generirali s programskim analiziranjem modela, vendar smo naknadno dodali podpore, kjer smo menili, da bodo potrebne. Na sliki 18 je prikazan virtualni model z dodanimi podpornimi elementi pred začetkom procesa tiska. Tisk smo izvedli pri debelini sloja 100 mikrometrov. Predviden čas osvetljevanja pri omenjeni debelini je 85000 ms. Preden smo zaključili pripravo za tisk, smo si v programskem okolju ogledali predogled posamezne plasti tiska in se tako prepričali, da je model pripravljen za izvedbo 3D-tiska.
Slika 18: Model s podpornimi elementi
25
4 REZULTATI IN RAZPRAVA
Rezultat diplomskega dela predstavlja postavitev zgradbe, ki je prikazana s 3D-upodobitvami ter tiskano maketo. Z rezultatom smo relativno zadovoljni.
4.1 UPODABLJANJE
Za zadovoljive rezultate je potrebna kombinacija ustreznih nastavitev kamere, svetlobe ter samih nastavitev upodabljanja.
Svetloba je ključna za občutek v prostoru, zato smo se odločili prenesti željo po vstopu v zgradbo s temnejšimi upodobitvami, ki ponazarjajo neprijetne vremenske razmere. To smo dosegli s 16K HDRI fotografijo, ki napaja svetlobno kupolo. S svetlobno kupolo smo dosegli želeno vzdušje ter, kar je pomembnejše, dobili potrebne odseve v steklu za večjo stopnjo realizma. Uporabili smo tudi smerno luč, katera deluje kot sonce in nam povečuje intenziteto beline v odsevih stekla. V okolici smo postavili tudi sistem manjših luči, katere osvetljujejo pot okoli zgradbe ter osvetlili notranjost zgradbe s svetlobno zaveso, ki daje zamegljen videz notranjosti, istočasno pa deluje kot svetilo. Vsem svetilom smo nastavili vrednost vzorčenja na 3, kar posledično pomeni manjšo količino šuma pri upodabljanju.
Način delovanja kamer v programskem jeziku Maya je podoben kot pri fizični kameri. Najprej smo kamere kreirali, jih postavili na željeno lokacijo in rotacijo ter jim nastavili specifične lastnosti, za nas najpomembnejša pa je bila širina vidnega kota. Pri fotografiji arhitekture je pogostejša širša goriščna razdalja, saj z njo lažje zajamemo večje zgradbe, zato smo izbirali goriščno razdaljo med 20 in 35 mm (slika 19).
Nazadnje smo nastavili še lastnosti upodabljanja. Upodabljali smo v .jpg format, ločljivost pa se je prilagajala specifični kameri oziroma določenemu razmerju. Ker smo pri svetlobi izbrali višje vzorčenje, smo lahko pri vzorčenju upodobitve izbrali nižjo vrednost in dobili boljši rezultat glede na čas. Izbrali smo tudi možnost adaptivnega vzorčenja, kar pomeni, da upodobljevalnik zazna, kje je potrebno večje število vzorčenj. S tem smo pridobili manj šuma v temnejših predelih upodobitve, vendar prihranili nekaj časa, saj je bilo večje vzorčenje omejeno le na težavne predele upodobitve z več šuma. Priredili smo tudi lastnosti difuzije za kakovostnejše sence ter transmisijo, saj imamo v okolju veliko steklenih površin.
26
Slika 19: Nastavitve upodabljanja in kamere
Končane upodobitve smo še primerno uredili, in sicer v programskem okolju Adobe Photoshop.
Uvoženim fotografijam smo potemnili predel trave in s tem dobili fotografijo z večjo globino.
Spremenili smo tudi barvni odtenek na zelenkasto ter priredili svetlobno krivuljo, saj smo hoteli poudariti že obstoječi stil upodobitve. Z načinom upodabljanja smo dosegli zanimiv pristop k zajemu 3D-prostora in predstavili zgradbo v drugi luči. Pri upodobitvah bi lahko bilo še manj šuma, kar bo prirejeno v prihodnosti.
Upodobitev 1 (slika 20) prikazuje samo zgradbo in podlago. Pri upodobitvi 2 (slika 21) je razvidna zgradba ter okolica iz predvidenega vhoda na posest. Upodobitev 3 (slika 22) prikazuje zgradbo iz ptičje perspektive. Upodobitev 4 (slika 23) in upodobitev 5 (slika 24) pa podajata vpogled v manjši park za zgradbo.
Končne upodobitve:
Slika 20: Končna upodobitev 1
27 Na sliki 20 je prikazana končna upodobitev 1. Namen upodobitve je bil prikazati le zgradbo, vendar smo skozi postavitev kompozicije ugotovili, da je primerneje vključiti še nekatere modele okolice, kot so betonske plošče poti in steze skozi zelenico, s katerimi smo pridobili vodilne črte kompozicije, katere vodijo pogled do glavnega subjekta, ki je zgradba. Upodobitev ocenjujemo kot uspešno, saj kakovost upodobitve ustreza prikazovanju namenjenim medijem, kot so zasloni in projektorji, ob tem pa tudi v tisku diplomskega dela. Glede na prikazan čas in vremenske razmere je scena primerno osvetljena ter nastavljena korektna osvetlitev luči v sceni.
Na sliki 21 je prikazana končna upodobitev 2. Namen upodobitve je prikazati vhod na zemljišče in pot ob zgradbi do glavnega vhoda. Ob tem so vidne fluidne krivulje zgradbe. Upodobitev ocenjujemo kot uspešno, saj podobno kot pri upodobitvi 1 zadovoljuje omenjene kriterije. Kljub zadovoljivim rezultatom bi upodobitev lahko bila dodelana in nadgrajena. Pri postavitvi modela trave je potrebna večja raznovrstnost razporeditve, saj prihaja do ponavljajočih se vzorcev. To bi dosegli z rotacijo modela, večanjem in manjšanjem posameznih skupkov modelov trave ter manjšim spreminjanjem lokacije skupkov trave v Z osi. Dodala bi se lahko še dodatna vegetacija, na primer grmovje. Pri betonskih ploščah bi se v prihodnosti lahko dodal večji element reliefnosti in vstavile luže, ki bi dodale večjo stopnjo raznovrstnosti in posledično resničnosti.
Upodobitev 3 na sliki 22 prikazuje zgradbo ter zadnji del okolice s ptičje perspektive. Namen upodobitve je bil prikazati sceno iz druge perspektive in podati občutek velikosti zadnjega dela okolice skozi kompozicijo, ki vseeno vodi gledalca do glavnega subjekta. Z upodobitvijo smo zadovoljni in jo ocenjujemo kot uspešno, vendar lahko pri temnejših predelih, kot so pri vhodu, opazimo večjo količino šuma, katero bi odpravili z večjim številom vzorčenja. V bodoče bi se lahko zamenjal material betona okoli zgradbe s ploščami v parku, saj bi to ponujalo večjo raznolikost med materialom temeljnih plošč in okolice.
Pri četrti upodobitvi na sliki 23 je prikazana zgradba, zgradbe v okolici ter manjši park. Namen upodobitve je bil prikazati fluidnost oziroma zakrivljenost zgradbe, ki jo komplementira narava, v našem primeru drevo. Upodobitev smo ocenili kot uspešno, ker ustreza uporabi in izpolnjuje svoj namen. Priredila bi se lahko odbojnost teksture debla, in sicer z znižanjem vrednosti odbojnosti. V prihodnosti bi se lahko dodala večja raznovrstnost zgradb v okolici, katere bi ponujale večjo stopnjo fotorealizma.
Pri upodobitvi 5 na sliki 24 je prikazan park in zgradba. Perspektiva izhaja iz poti skozi park, kjer kompozicija vodi gledalca do glavnega subjekta. Na sliki so vidne klopi, ki so namenjene
28 počitku in sprostitvi v naravnem okolju ob izhodu iz zgradbe. Namen upodobitve je bil ustvariti temačno vzdušje, kjer zavetje ponuja mehko osvetljena zgradba. Končno upodobitev 5 štejemo kot uspešno, saj izpolnjuje osnovne pogoje uporabe, omenjene pri končni upodobitvi 1 ter ustreza namenom. V prihodnje bi se priredila odbojnost debla drevesa ter dodala vegetacija, kot so rože in grmovje.
Slika 21: Končna upodobitev 2
29
Slika 22: Končna upodobitev 3
30
Slika 23: Končna upodobitev 4
31
Slika 24: Končna upodobitev 5
32 4.2 3D-TISK PREDMETA
Ko je bila datoteka pripravljena za tisk, smo vključili tiskalnik in izvedli umerjanje delovne plošče. Nato smo delovno ploščo z računalniškim ukazom dvignili in v kad tiskalnika vlili fotopolimerno smolo, ki se utrjuje na dnevni svetlobi. V kad je bilo nalitih 1000 mililitrov fotopolimerne smole, od katerih smo rabili 270 mililitrov za tisk predmeta. V tiskalnik je bilo potrebno naliti večjo količino smole, saj smo morali zagotoviti celotno pokritost delovne površine tiskalnika s smolo. Za tem smo na računalniku podali ukaz za začetek tiska.
Na sliki 25 je prikazan rezultat 3D-tiska, in sicer tiskana maketa s podporami na delovni plošči tiskalnika. Hitrost tiska v Z smeri je bila 1,42 mm/h. To je resnično zelo nizka hitrost, ki je posledica dolgotrajnega osvetljevanja posamezne plasti (85000 ms). Celoten tisk je tako trajal 72 ur. Z omenjenimi podporami smo dosegli ustrezno orientacijo makete na delovni plošči in preprečili njeno deformacijo. Najprej smo odstranili tiskani predmet iz delovne površine tiskalnika. Sledilo je čiščenje tiskalnika s pomočjo izopropilnega alkohola in čistila na osnovi vode ter mila. Medtem smo celoten model potopopili v kad, napolnjeno z izopropilnim alkoholom in počakali 10 minut z namenom odstranitve nefiksirane fotopolimerne smole s površine predmeta. Med čakanjem smo predmet nekajkrat rahlo stresli za boljši rezultat čiščenja. Na koncu smo korak še enkrat ponovili s svežim izopropilnim alkoholom. Predmet smo s papirno brisačo zbrisali in se prepričali, da na površini ni več neutrjene fotopolimerne smole. Zaradi majhnih dimenzij, predvsem premera nosilcev oziroma stebrov med posameznimi nadstropji stavbe, se je kljub previdnemu odstranjevanju podpor nekaj nosilcev zlomilo. Kot orodje za lomljenje podpor smo uporabili primerne klešče. Po odstranitvi podpor smo se prepričali, da je bil tisk uspešen in izdelana maketa ustreza digitalnemu modelu (slika 26).
33
Slika 25: Maketa in podpore na delovni plošči tiskalnika
Sledilo je naknadno odstranjevanje ostankov podpor na maketi s postopkom brušenja in uporabo brusnega papirja, manjših pilic ter pincete (slika 27). Zaradi izbrane temnejše barve fotopolimerne smole so po brušenju na maketi postali določeni deli svetlejši (slika 28), kar smo rešili tako, da smo maketo prebarvali s tankim nanosom barvnega pršila.
Slika 26: Maketa z odstranjenimi podporami
34
Slika 27: Maketa med procesom brušenja
Slika 28: Maketa po poobdelavi
35 Maketo smo opremili s steklenimi površinami, ki smo jih imitirali z uporabo paus papirja višje gramature (slika 29). Digitalni model steklenih površin zgradbe smo razgrnili v 2D-obliko in natisnili šablone, s katerimi smo izrezali paus papir in ga nato nalepili na model s sekundnim lepilom (slika 30).
Slika 29: Šablone in paus papir
36
Slika 30: Prednji del makete
Slika 31: Vhod v zgradbo makete
37
Slika 32: Zadnji del makete
S končnim rezultatom tiska smo zadovoljni. Verjetno bi bil videz makete lepši, v kolikor bi uporabili tekoči folotoplimer bele barve. Lahko bi se tudi uporabil strojni razrez paus papirja, ki bi podal natančnejše robove steklenih površin. Prišlo je tudi do neenakosti lepljenja paus papirja na maketo, kar bi se rešilo z večjo količino lepila.
Sicer se zavedamo, da obstajajo druge tehnologije 3D-tiska, ki bi nam lahko omogočile res kakovosten tisk makete v enem prehodu s sočasno uporabo različnih materialov. V mislih imamo tehnologijo kapljičnega nanašanja oziroma brizganja fotopolimernega materiala. Tako bi lahko uporabili bel, neprozoren material za tisk konstrukcije zgradbe (betonski elementi) ter prozoren material za tisk steklenih površin.
Ker zgradba temelji na fluidni obliki, a je v osnovi zgrajena iz primitivnih elementov (ploskev in stebričkov), bi lahko uporabili tudi laserski razrez materiala, a bi se posledično podaljšal čas izdelave zaradi ročnega sestavljanja makete.
38
5 ZAKLJUČEK
Podrobneje smo spoznali arhitekturni stil parametrizem, ga preučili in s pomočjo programske opreme izdelali računalniško generiran model zgradbe. S pomočjo zasnove smo izdelali 3D- model postavitve zgradbe in urbanega okolja. Projekt smo upodobili na zanimiv in netipičen način z drugačnim pristopom, spoznali in uporabili 3D-tiskalnik na osnovi polimerizacije v kadi ter izdelali maketo.
Celotno diplomsko delo opredeljujemo kot uspešno, saj smo dokazali, da je mogoča zadovoljiva izvedba raznovrstnega projekta. Skozi delo smo spoznali nova orodja, nove pristope in delokroge. S pristopom izvažanja modelov in uvažanja navideznih modelov smo si olajšali ta projekt in vse ostale, ki sledijo.
Postavitev zgradbe z uporabo delokroga 3D-tehnologij je bila uspešna. Uporabili smo proces parametričnega modeliranja, vizualizacije oziroma upodobitve, pripravo modela makete ter proces tiska.
V kolikor bi se ponovno soočili s podobnim izzivom, bi pri tisku makete raje izbrali bel tekoči fotopolimerni material. Na ta način bi bile poškodbe po odstranitvi podpor na končni maketi manj opazne. Še boljše pa bi bilo, če bi lahko uporabili tehnologijo, ki bi nam omogočila sočasni tisk z vsaj dvema različnima materialoma, od katerih bi bil eden neprozoren(za tisk betonskih struktur) in drugi transparenten (za tisk steklenih delov zgradbe). Ena izmed tehnologij, ki to omogoča, je tehnologija kapljičnega nanašanja oziroma brizganja fotopolimernega materiala.
V prihodnosti bi lahko v podoben delokrog dela dodatno vključili še obogateno resničnost. Tako bi lahko digitalni model zgradbe vključili v realno okolje. Na ta način bi pridobili ključni vpogled v dinamiko same postavitve zgradbe ter njen odnos z okoljem.
39
6 LITERATURA
1. MUCK, D. in KRIŽANOVSKIJ, I. 3D-tisk. Ljubljana : Založba Pasadena, d. o. o., 2015, str. 17‒90.
2. Parametrism. V Patrik Schumacher [dostopno na daljavo]. [citirano 3. 1. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.patrikschumacher.com/Texts/Parametricism%20-
%20A%20New%20Global%20Style%20for%20Architecture%20and%20Urban%20D esign.html>.
3. Smart city Rublyovo: Arkhangelskoye by Zaha Hadid Architects. V detail-online [dostopno na daljavo]. [citirano 4. 1. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.detail-online.com/blog-article/smart-city-rublyovo-arkhangelskoye-by- zaha-hadid-architects-33368/>.
4. Parametricism article. V Archagenda [dostopno na daljavo]. [citirano 3. 1. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://archagenda.com/parametricism>.
5. Parametricism. V Designing buildings [dostopno na daljavo]. [citirano 3. 1. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Parametricism>.
6. House style of the future: parametricism, parametric design of the 21st century. V thought co. [dostopno na daljavo]. [citirano 4. 1. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.thoughtco.com/house-style-of-the-future-parametricism-177493>.
7. Parametric building design using Autodesk Maya: Ming Tang. V Parametric Architecture [dostopno na daljavo]. [citirano 26. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://parametric-architecture.com/parametric-building-design-using- autodesk-maya/>.
8. People: Zaha Hadid. V Zaha Hadid [dostopno na daljavo]. [citirano 26. 7. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.zaha-hadid.com/people/zaha-hadid/>.
9. Heydar Aliyev Cultural Center: The genius of Zaha Hadid. V Back Studio Milan [dostopno na daljavo]. [citirano 26. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://backstudiomilan.com/heydar-aliyev-cultural-center-the-genius-of-zaha- hadid/>.
10. Commercial architecture projects: Leeza SOHO Tower by Zaha Hadid Architects. V Archiexpo [dostopno na daljavo]. [citirano 26. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://projects.archiexpo.com/project-270588.html>.
40 11. Galaxy Soho: Zaha Hadid Architects by Hufton + Crow. V Archdaily [dostopno na daljavo]. [citirano 26. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.archdaily.com/294549/galaxy-soho-zaha-hadid-architects-by-hufton- crow/50a642fcb3fc4b46eb000068-galaxy-soho-zaha-hadid-architects-by-hufton-crow- photo?next_project=no>.
12. ERZETIČ, B. in GABRIJELČIČ, H. 3D od točke do upodobitve. Ljubljana: Založba Pasadena, d. o. o., 2010, str. 13‒120.
13. Maya LT/Maya: Interface overview for game environment modeling - beginner tutorial series 2/13. V World of level design [dostopno na daljavo]. [citirano 3. 8. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.worldofleveldesign.com/categories/3d- game-modeling/beginner-series/02-mayalt-interface-overview.php>.
14. 3D printing in architecture: The effectiveness of 3D printing in architectural industry. V Zeal 3D printing services [dostopno na daljavo]. [citirano 27. 6. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.zeal3dprinting.com.au/effectiveness-of-3d-printing- in-architectural-industry/>.
15. Product: Daylight firm. V Photocentric group [dostopno na daljavo]. [citirano 8. 6.
2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://photocentricgroup.com/product/daylight-firm/>.
16. What is Maya? V EDUCBA [dostopno na daljavo]. [citirano 25. 5. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.educba.com/what-is-maya/>.
17. What is Substance Painter?: simply explained. V ALL3DP [dostopno na daljavo].
[citirano 25. 5. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://all3dp.com/2/what-is- substance-painter-simply-explained/>.
18. Bridge. V Quixel [dostopno na daljavo]. [citirano 3. 6. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://quixel.com/bridge>.
19. Adobe Creative Suite: What is Photoshop? V Univerity of Washington [dostopno na daljavo]. [citirano 5. 6. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://itconnect.uw.edu/learn/workshops/online-tutorials/graphics-and-design- workshops/adobe-cs/photoshop/>.
20. Photocentric studio. V Photocentric group [dostopno na daljavo]. [citirano 8. 6. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://photocentricgroup.com/studio/>.
21. 3D printers: Liquid crystal PRO, photocentric. V ANIWAA [dostopno na daljavo].
[citirano 5. 6. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.aniwaa.com/product/3d-printers/photocentric-liquid-crystal-pro/>.
41 22. Izdelek: Photocentric liquid crystal PRO. V 3way [dostopno na daljavo]. [citirano 5. 6.
2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.3way.si/izdelek/photocentric- liquid-crystal-pro/>.
23. Motion graphics workflow with MASH: What is MASH what is proceduralism? V Linkedin [dostopno na daljavo]. [citirano 5. 6. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:<https://www.linkedin.com/learning/maya-motion-graphics-workflow-with- mash/what-is-mash-what-is-proceduralism>.
24. Support and learining: Hypershade windows. V Knowledge Autodesk [dostopno na daljavo]. [citirano 7. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://knowledge.autodesk.com/support/maya/learn-
explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2020/ENU/Maya-LightingShading/files/GUID- 252707EC-4AAF-4D3F-9600-804F783652B7-htm.html>.
25. Courses: Substance guide to Rendering in Arnold, A guide to rendering Substance textures using Arnold in Maya. V Substance 3D [dostopno na daljavo]. [citirano 5. 8.
2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://substance3d.adobe.com/tutorials/courses/Substance-guide-to-Rendering-in- Arnold>.
