автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Система проектирования ветвящихся узоров для разработки дизайна изделий

Полный текст автореферата диссертации по теме "Система проектирования ветвящихся узоров для разработки дизайна изделий"

На правах рукописи

Семенихин Дмитрий Вячеславович

Система проектирования ветвящихся узоров для разработки дизайна изделий

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный руководитель: Соколова Марина Леонидовна

Доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Официальные оппоненты: Кухта Мария Сергеевна

Доктор философских наук, профессор, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Жукова Любовь Тимофеевна Доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Ведущая организация: Московский архитектурный институт (государственная академия) (МархИ).

Защита состоится «20» ноября 2014 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.119.04 при ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета» по адресу: 664057, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, в ауд. Е212

Текст автореферата размещен на сайтах: http://www.mgupi.ru и http://www.istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ Автореферат разослан 15 октября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н

— Анна Эдуардовна Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из древнейших способов отражения видения природы человеком является декорирование объектов предметной среды различными узорами.

Наиболее частыми темами в узорах разных эпох и культур являются темы ветвления.

На протяжении всего своего существования, человек окружён множеством ветвящихся структур, от замысловатых переплетений ветвей деревьев до рисунка русел могучих рек, что не могло не отразиться на формировании его эстетического восприятия.

Упрощаясь и модифицируясь, ветвящееся структуры находили своё отражение во всевозможных растительных орнаментах различных эпох и культур.

Оставаясь актуальными и на сегодняшний день, ветвящиеся узоры используются в дизайне изделий различных форм и материалов.

До недавнего времени изделия с ветвящимися узорами разрабатывались и воплощались в материале посредством ручных технологий. Сложность и характер узора в этом случае напрямую зависели от сложности поверхности разрабатываемого изделия и мастерства автора.

На сегодняшний день, технологии быстрого прототипирования позволяют полностью автоматизировать процесс воспроизведения изделия с узорами сложной конфигурации в материале, значительно сокращая время на изготовление единицы продукции за определённый промежуток времени. Это позволяет рассматривать большее количество вариантов дизайна разрабатываемого изделия.

Этапу воссоздания изделия в материале по технологии быстрого прототипирования, предшествует этап создания виртуальной 3(1 (от англ. 3-сНтеп5юпа1 - трёхмерное) модели изделия.

В условиях современного рынка, немаловажным фактором

конкурентоспособности дизайнера является время, затраченное на

з

разработку дизайн проекта изделия, а так же количество вариантов, предоставляемое заказчику за определённый срок.

В связи с этим, разработку виртуальной 3с1 модели изделия с ветвящимся узором можно считать задачей, требующей возможности наибольшей параметризации.

Обычно, те или иные способы параметризации при разработке 3с1 моделей зависят от приложений, в которых ведётся разработка.

Таким образом, система должна обладать следующими качествами:

• Скорость. Снижение времени создания 3с1 модели ветвящегося узора по сравнению с существующими методами.

• Точность. Качество получаемой 3(1 модели.

• Параметризация. Возможность быстрого внесения изменений в 3с1 модель ветвящегося узора.

• Технологичность. Создаваемые Зё модели ветвящихся узоров и изделий с ними, должны учитывать особенности технологии воспроизведения узора в материале.

• Высокие эстетические свойства создаваемых ветвящихся узоров Среди современного программного обеспечения, отсутствуют

специализированные инструменты для проектирования Зс! моделей с ветвящимися узорами. В связи с этим, можно заключить, что, разработка параметризированной системы, позволяющей проектировать и редактировать Зс! модели с ветвящимися узорами средствами компьютерной графики, является актуальной задачей.

Цель работы: Разработать посредством компьютерной графики параметризированную систему проектирования ветвящихся узоров для создания и декорирования виртуальных 3(1 моделей художественных и прикладных изделий.

Согласно поставленной цели, был сформулирован ряд задач: 1. - Рассмотреть ветвящиеся узоры, встречающиеся в природе и в дизайне изделий.

2. - Проанализировать существующие методы компьютерной графики применительно к разработке виртуальной Зё модели изделия с ветвящимся узором.

3. - На основе проведённого анализа выделить и охарактеризовать основные особенности различных методов компьютерной графики для реализации ветвящихся узоров.

4. - Предложить метод компьютерной графики для реализации процесса разработки ветвящихся узоров, учитывающий достоинства и недостатки существующих методов.

5. - Определить систему параметров для предложенного метода компьютерной графики, позволяющих генерировать ветвящиеся узоры и моделировать изделия на их основе.

6. - Применить разработанную систему проектирования для создания и декорирования художественных и прикладных изделий.

7. - Создать коллекцию изделий на основе предложенной системы проектирования.

Научная новизна:

1. - Определенны характеристики узоров позволяющие выделить ветвящиеся узоры в отдельный класс.

2. - Разработана классификация типов ветвления.

3. - Предложено решение задачи создания ветвящихся узоров средствами компьютерной графики.

4. - Определены параметры, позволяющие создавать ветвящиеся узоры и модели изделий на их основе.

5. - Установлена зависимость формы узора от диапазона значений параметров.

Практическая значимость:

1. - Предложенный метод создания ветвящихся узоров средствами компьютерной графики, расширяет возможности дизайнера в процессе проектно-художественного поиска, что позволяет увеличить число вариантов дизайна разрабатываемого изделия в определённый промежуток времени, что обеспечивает высокое качество работы дизайнера.

2. - Разработанная система создания 3с1 моделей ветвящихся узоров, решает проблему моделирования узоров, обладающих сложной конфигурацией, и требующих большой доли ручного труда.

3. - Разработанная система, позволяет создавать 3(1 модели ветвящихся узоров, соответствующие технологическим требованиям производства, по технологиям быстрого прототипирования.

4. - Разработаны 3с1 модели ювелирных украшений на основе предложенной системы моделирования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах, в том числе 2 статьи в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ.

Материалы диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях: XVIII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых», ( Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), 2012); Международная научная конференция «Достижения европейской науки» (Тамбов, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, 2013); «Ш-я научно -практическая конференция на тему: Наука и образование в области технической эстетики, дизайна и технологии художественной обработки материалов», ( Санкт - Петербург, СПГУТД, 2013); «Информатика и технология" (Москва, МГУПИ, 2014).

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, глав, и заключения, изложена на 97 страницах, содержит 76 рисунков, 3 таблиц, и библиографию из 92 наименований.

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи, отражается научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава работы, посвящена рассмотрению процессов ветвления в природе и их визуальной реализации средствами ЭВМ. Были рассмотрены типы ветвления растений и иные ветвящиеся мотивы, встречающиеся в реальном мире. Было установлено, что большинство ветвящихся структур встречающихся в природе, являются одним из видов фракталов.

Фрактал (лат. fractus — дроблёный) — термин, введённый Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных самоподобных множеств.

Далее были рассмотрены модели реализации фрактальных структур, визуальным отображение которых, являются ветвящиеся узоры.

1. Модель L-Systems;

2. Модели клеточных автоматов, в частности модель диффузионно-ограниченной агрегации (Diffusion Limited'Aggregation, DLA).

L-systems - это математическая модель, разработанная ботаником

Аристидом Линдермайером, в 1968 г. Изначально предназначалась для

изучения развития простых многоклеточных организмов но в последствии

получила более широкое распространение в связи с особенностями своего

построения. Модели L-systems строятся путём ввода простых правил,

состоящих их строковых символов и параметров их исполнения. Основной

принцип L-system — это постоянная перезапись элементов строки, что

7

позволяет строить различные линейные фракталы, обладающие свойством самоподобия. Для графического представления Ь-вувСеш используется, так называемый, принцип «черепашьего алгоритма». Принцип заключается в том, что точка (черепашка) перемещается по экрану с дискретными шагами, прочерчивая за собой свой путь. Модели Ь-5уз1еш8 строятся итерационно, то есть финальный узор формируется не сразу, а пошагово, путём задания количества генераций пользователем (рис. 1.).

Рисунок 1. Процесс генерации ветвления с числом итераций равным 5.

Клеточные автоматы - это дискретные динамические системы, поведение которых полностью определяется в терминах локальных зависимостей.

Клеточные автоматы можно разделить на детерминированные и вероятностные, подвижные и неподвижные, однородные и неоднородные, простые абстрактные и сложные, точно описывающие реальные системы.

Для построения моделей ветвления, в компьютерной графики популярность получила модель диффузионно-ограниченной агрегации (Diffusion Limited Aggregation, DLA).

Многие реальные физические процессы хорошо описываются DLA-моделью. Это, прежде всего электролиз, кристаллизация жидкости, осаждение частиц при напылении твердых аэрозолей. В DLA- процессе на начальном этапе в центре области устанавливается затравочное зерно, затем из удаленного источника на границе области поочередно выпускаются частицы, которые совершают броуновское движение и в конечном итоге

\|

прилипают к неподвижному зерну. Таким образом, происходит рост ЭЬА-кластера.

Классическим примером БЬА модели является Броуновское дерево (рис.2.).

Рисунок 2. Модель Броуновского дерева Проанализировав особенности формирования каждой из рассмотренных моделей, было выделено два типа развития ветвления:

• Линейное. Характеризующаяся линейной зависимостью одних параметров развития ветвления от других.

• Нелинейное. Заключающееся в отсутствии линейной зависимости одних параметров от других. Например, нелинейное поведение системы может заключаться в экспоненциальном росте уровня реакции на входные данные.

Таким образом, в первой главе, показано, что ветвящиеся узоры можно выделить в отдельный класс объектов дизайнерской деятельности, что, рассмотрев способы реализации ветвящихся узоров средствами ЭВМ, выделены и проанализированы их основные особенности формирования и на основе проведённого анализа, охарактеризованы два класса ветвления, по типу алгоритмов их формирующих (линейное и нелинейное).

Во второй главе уделено внимание рассмотрению особенностей 3(1 моделей. Были рассмотрены основные виды 3(1 моделей в компьютерной графике:

-Полигональные модели -Поверхностные модели -Твердотельные модели Проведён анализ данных типов моделей в контексте проектирования 3(1 моделей изделий с ветвящимися узорами и учётом требований производственной технологии. В результате анализа было установлено, что для реализации изделий с ветвящимся узором по технологии быстрого прототипирования, оптимальным подходом, будет использование полигональных моделей и методов работы с ними.

Далее были выделены основные методы, для работы с полигональными моделями и проведён их сравнительный анализ, относительно требований предъявляемых к разрабатываемой системе (табл.1).

Скорость Точность Параметризация Технологичность

Интуитивное моделирование + -/+ +

Моделирование на основе векторной двумерной кривой + + + +

Моделирование на основе растрового изображения + - - +

Таблица 1. Сравнительный анализ методов полигонального моделирования

Из анализа полигональных методов моделирования, было установлено, что оптимальным подходом при создании полигональных 3(1 моделей с ветвящимся узором, является сочетание двух методов: моделирование на основе векторной двумерной линеарной кривой и ручное моделирование.

Из этого можно заключить, что для реализации параметризированной системы проектирования 3d моделей ветвящихся узоров, необходимо реализовать возможность параметризированного создания векторной линеарной двумерной модели ветвящегося узора.

Для реализации системы параметризированного создания линиарной двумерной модели ветвящегося узора, с возможностью дальнейшего создания трёхмерных моделей на их основе, и учётом всех требований предъявляемых к системе, в качестве основной программной платформы, был выбран и описан пакет для работы с трёхмерной графикой - Houdini, от компании Side Effects Software.

Таким образом, во второй главе показано, что:

1. Проведён анализ особенностей наиболее распространенных типов моделей в компьютерной графики, применяемых для разработки трёхмерных объектов. На основе предъявляемых требований к системе проектирования изделий с ветвящимся узором, для разработки был выбран полигональный тип моделей и методы работы с ним.

2. Рассмотрены методы полигонального моделирования в контексте разработки моделей с ветвящимся узором и выделены достоинства и недостатки каждого из них.

3. Выбраны методы моделирования, позволяющие реализовывать трёхмерные модели с ветвящимся узором в рамках предъявляемых требований к разрабатываемой системе проектирования.

4. Выбрано и описано средство разработки системы проектирования трёхмерных моделей с ветвящимися узорами.

В третьей главе, описывается процесс разработки системы проектирования ветвящихся узоров, на базе программного пакета для работы с трёхмерной графикой - Houdini.

Благодаря возможности сочетания стандартных операторов Houdini с возможностью реализации собственных, путём написания программного кода, были разработаны методы реализации линейного и нелинейного ветвления, строящие двумерную векторную кривую.

В основе метода линейного ветвления, лежит процесс создания базового элемента узора, по средствам L-systems, с последующим применением к нему различных видов симметрии.

Нелинейный метод, разработан при помощи встроенного языка программирования VEX (vector expression language) и основан на принципах DLA модели развития ветвления.

На основе разработанных методов была реализована система, состоящая из 4 программных модулей, каждый отвечающих за отдельный этап разработки 3d модели ветвящегося узора: LBrunch (модуль линейного ветвления); NBrunch (модуль нелинейного ветвления); Projection (модуль обеспечивающий модификацию двумерной линеарной модели узора); Create Polygone (модуль создания объёмной геометрии на основе двумерной линеарной модели узора).

Путём комбинаций модулей и их управляющих параметров, возможно построение различных 3d моделей ветвящихся узоров (рис.3.).

Рисунок 3. 3<1 модели ветвящихся узоров созданных при помощи комбинации программных модулей разработанной системы проектирования

На рисунке 4 представлена общая схема процесса создания ветвящегося узора при помощи разработанных методов.

Рисунок 4. Схема рабочего процесса системы проектирования ветвящихся узоров.

Таким образом, в третьей главе:

• разработаны методы реализации двух ранее выделенных типов ветвления, линейного и нелинейного;

• разработана схема процесса создания 3с1 модели ветвящихся узоров;

• на базе ранее выбранного пакета компьютерной графики НоисНш, реализована система проектирования 3(1 моделей ветвящихся узоров;

• Выделены и описаны основные параметры, необходимые для процесса проектно-художественного поиска при разработке изделий с ветвящимся узором.

В четвёртой главе, описывается применение разработанной системы, для разработки 3<1 моделей ювелирных изделий и подготовки их к воспроизведению по технологии быстрого прототипирования.

Для отражения возможностей разработанной системы, был разработан и описан процесс создания 3(1 модели ветвящегося узора, сочетающего результаты как линейного, так и нелинейного ветвления (рис. 5.).

4

5

6

Рисунок 5. Этапы создания 3(1 модели ветвящегося узора.

14

1) векторная модель узора полученная линейным ветвлением;

2) объёмная модель на основе векторной;

3) интуитивное добавление деталей к узору;

4) задание множества точек по всему объему модели;

5) осуществление процесса нелинейного ветвления на основании

заданных точек;

6) совмещение результатов линейного и нелинейного ветвления.

Далее, следует этап финальной подготовки 3с1 модели изделия к воспроизведению.

В настоящее время, производство ювелирных изделий, является одним из самых технологично развивающихся видов бизнеса. Если раньше, производство ювелирного изделия сложной формы, было возможно только при использовании ручных технологий, то сейчас технологии быстрого прототипирования, позволяют создавать изделия сложной конфигурации, без применения ручного труда, как из полимерных материалов так и из металла.

Быстрое прототипирование изделий выполняется путем послойного наращивания материала, из которого состоит модель, до образования единого целого - готового изделия. Особенность технологии снимает все ограничения на внутреннюю структуру получаемой модели.

Дело в том, что технология быстрого прототипирования, подразумевает процесс передачи 3(1 модели между программным пакетам и оборудованием производства. Для этих целей существует специальный формат хранения данных 3с1 моделей. При экспорте модели из пакета компьютерной графики, происходит процесс конвертации модели.

Данный процесс может привести к нежелательным ошибкам в геометрической структуре Зс! модели.

Для качественного воспроизведения в материале по технологии быстрого прототипирования, трёхмерная модель изделия должна отвечать следующим требованиям:

1. Модель не должна иметь дыр в топологии. То есть бьггь замкнутой. '2. Вектора нормалей к поверхности, должны смотреть наружу, иначе модель будет вывернута наизнанку

3. Не должно быть пересекающихся полигонов.

С целью проверки 3d модели и исправлению возможных ошибок, применяется программный продукт Netfabb Studio (рис.6.).

Были описаны инструменты программы и оптимальные значения основных параметров, влияющих на качество воспроизведения.

• количество треугольников (Triangles) — менее 1.000.000;

• 0 Holes (отсутствуют дыры);

• 0 Border edges (отсутствуют незакрытые участки);

• 0 Flipped triangles (отсутствуют инвертированные треугольники);

• минимальные размеры модели: 0.2 см х 0.2 см х 0.2 см;

• максимальные размеры: 49 см х 39 см х 20 см:

• положительный объём (значение Volume должно быть выше нуля);

• замкнутая поверхность модели (в строчке «surface is closed» должно быть значение «yes»);

• ориентируемая поверхность модели (в строчке «Surface is orientable» должно быть значение «yes»);

Был проведён анализ 3d модели изделия с ветвящимся узором (рис7).

Рисунок 7. 3d модель ветвящегося узора в программе Netfabb Studio

После чего сделан тест на ошибки, который показал полное соответствие данной модели к воспроизведению на оборудование быстрого прототипирования (рис.8).

MBH Y пик

Minimum Maximum SCe С' 10 21.36 212t- 526 ; \0УЬ S.8S 013 2133 21.20

Volume: 37.8486 mm» Area: 4.8510 cm*

Points 20452 Edges: 61965

Triangles: 41310 Shells: 10

Holes: 0 Bad edges: 0

Boundary edges: 0 Boundary LengO 00 mm

Flipped triangles: 0

Surface is closed Yes

Surface a orientable: Y M

Min Max: 0 Dev

Edges/Point ЛХ> MOO «» m

Triangles/Edge :к :x 2-Х ox

Triangle Quality ах 100 OK 323

Рисунок 8.Таблица проверки модели на ошибки.

Далее, при помощи созданной системы проетирования, была разработана серия Зd моделей ветвящихся узоров.

Рисунок 9. Трёхмерные модели ветвящихся узоров, полученные при помощи разработанной системы проектирования.

Таким образом, в четвёртой главе:

1. Описан процесс создания трёхмерной модели ветвящихся узоров при помощи разработанной системы проектирования.

2. Проанализирован процесс подготовки трёхмерной модели ветвящегося узора для производства по технологии быстрого прототипирования.

3. На основе данных анализа трёхмерных моделей ветвящихся узоров на соответствие требованиям которые предъявляются технологией быстрого прототипирования, установлено, что разработанная система проектирования, позволяет создавать трёхмерные модели, соответствующие заданным требованиям.

4. Разработана серия трёхмерных моделей изделий с ветвящимся узором.

Основные результаты работы:

1. Установлены характеристики узоров позволяющие выделить ветвящиеся узоры в отдельный объект дизайнерской деятельности, и охарактеризованы по типу формообразования два класса ветвящихся узоров: линейные и нелинейные.

2. Проведен анализ существующих методов разработки 3(1 моделей изделий с ветвящимися узорами. Показана необходимость разработки нового метода, дающего дизайнерам возможность формировать ветвящиеся узоры и моделировать трехмерные модели на их основе в достаточном количестве вариантов.

3. Предложен метод компьютерной графики позволяющий создавать 3(1 модели ветвящихся узоров, заключающийся в применении Ь-зу51еш5 для реализации линейного типа ветвления и модели ОЬА для реализации нелинейного ветвления.

4. Реализованная параметризация формирования ветвящегося узора, позволяет увеличить число вариантов дизайна разрабатываемого изделия в определённый промежуток времени.

5. На основе разработанного подхода создана коллекция ювелирных изделий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ. Статьи, опубликованные в рецензируемых изданиях из Перечня ВАК РФ:

1. Семенихин Д.В. Применение систем Линденмайера в разработке дизайна ювелирных изделий [Текст] / Д.В.Сееменихин, Н.Е.Мильчакова // Дизайн. Теория и практика [Электронный ресурс]. 2014. - выпуск №16 -С. 52-60.

2. Семенихин Д.В. Процедурный дизайн орнаментов при помощи 1-systems [Текст] / Д.В. Семенихин, Н.Е.Мильчакова // Дизайн. Материалы. Технология. 2013г.- Т.2.- №27. С. 13-17.

Статьи опубликованные в сборниках научных трудов:

3. Семенихин Д.В. Применение фракталов в дизайне [Текст] / Д.В. Семенихин // Наука в центральной России. ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. Спецвыпуск по материалам международной научной конференции «Достижения европейской науки». 2013. - С. 18-22

4. Семенихин Д.В. Процедурный подход к моделированию 3d объектов в дизайне [Текст] / Д.В. Семенихин // Современные техника и технологии. Сборник трудов 8 международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. Томск. 2012,- С. 307-308.

5. Семенихин Д.В. Разработка дизайна ювелирных изделий посредствам L-Systems [Текст] / Д.В.Семенихин, М.Л.Соколова // Информатика и технология. По материалам студенческой научной конференции факультета «Технологическая информатика» МГУПИ, Москва. -2014 - С. 137-142

Подписано в печать 13.10.2014 г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №23160 Тираж: 80 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ni

U-1 2502

201

41574

9

2014157409