SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE 3D ANIMÁCIA PRE VÝUČBU GEOMETRIE REZNÉHO KLINA BAKALÁRSKA PRÁCA MTF Ivan Jaček

2 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE Ústav výrobných technológií Katedra obrábania a montáže 3D ANIMÁCIA PRE VÝUČBU GEOMETRIE REZNÉHO KLINA BAKALÁRSKA PRÁCA MTF Študijný program: Počítačová podpora výrobných technológií Číslo a názov študijného odboru: výrobné technológie Školiace pracovisko: MTF STU KOM Trnava Vedúci záverečnej práce/školiteľ: Ing. Miloš Polakovič, PhD 2010 Ivan Jaček

3

4 SÚHRN JAČEK Ivan: 3D animácia pre výučbu geometrie rezného klina [Bakalárska práca] Slovenská technická univerzita v Bratislave. Materiálovotechnologická fakulta so sídlom v Trnave, Ústav výrobných technológií. Školiteľ: Ing. Miloš Polakovič Trnava: MTF STU, Kľúčové slová: technológia obrábania, geometria rezného klina, 3ds Max, návrh animácie Prvá kapitola bakalárskej práce sa zaoberá technológiou obrábania, ktorá popisuje geometriu rezného klina a všetky potrebné veci k pochopeniu tejto časti. V druhej kapitole je opísaný program 3ds Max, na ktorom je táto animácia zhotovená. Jeho možnosti a následne aj príklady jeho schopností. V tretej kapitole je názorne zobrazený a popísaný postup prípravy a výroby tejto animácie. ABSTRACT JAČEK Ivan: 3D animation for teaching geometery cutting tool [Bachelor Thesis] Slovak University of Technology in Bratislava. Faculty of Materials Science and Technology, Institute of Production Technologies. Supervisor: Ing. Miloš Polakovič Trnava: MTF STU, Key words: technology of tooling, geometry cutting tool, 3ds Max, aplication animation The first chapter of bachelor thesis deals with technology of tooling, which he describes geometry cutting tool and all needs things to understanding this parts. In the second chapter is described software 3ds Max, where is this animation produced. In third chapter is object display and described progression make-ready and production this animation.

5 Obsah Zoznam ilustrácií... 6 Zoznam skratiek a symbolov... 8 ÚVOD GEOMETRIA REZNÉHO KLINA Rezný klin Základné pojmy Rezná hrana Ostatné pojmy Geometria reznej časti nástroja Nástrojové uhly rezného klina Nástrojové uhly čela a chrbta Vyšetrovanie geometrie rezného klina SOFTVÉR PRE ANIMÁCIU AUTODESK 3DS MAX Úvod do 3ds Max Tvorba geometrie Animácia modelov Renderovanie finálnej scény Materiály Textúry a mapy Osvetlenie NÁVRH ANIMÁCIE VYBRANEJ REZNEJ GEOMETRIE Popis práce v 3ds Max Popis práce v Adobe Premiere Pro Titulky Postupné vysvetlenie a popis jednotlivých častí animácie ZÁVER Zoznam bibliografických odkazov

6 Zoznam ilustrácií Obr. 1.1 Obr. 1.2 Obr. 1.3 Obr. 1.4 Obr. 1.5 Obr. 1.6 Obr. 1.7 Obr. 1.8 Obr. 1.9 Obr. 2.1 Obr. 2.2 Obr. 2.3 Obr. 2.4 Obr. 2.5 Obr. 3.1 Obr. 3.2 Obr. 3.3 Obr. 3.4 Obr. 3.5 Obr. 3.6 Obr. 3.7 Obr. 3.8 Obr. 3.9 Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Grafický model rezného klinu Rezný klin Plochy na rôznych typoch nástrojov Hrot rezného klina Rez rezným klinom Nástrojová súradnicová sústava Priestorové znázornenie Roviny rezného klina Geometria rezného klina v statickej nástrojovej sústave Modely vytvorené v programe 3ds Max (auto, dom) Modely vytvorené v programe 3ds Max (postavy) Hlavné zobrazovacie metódy Materiál editor Príklady štandardných a fotometrických svetiel Základné rozhranie programu Názorne ukázané jednotlivé pohľady Funkcia Box Odobratie materiálu Vytvorenie steny Kamery Svetlo Animovanie kamier a objektov Pohyb objektov Zobrazovanie plôch Adobe premiere Pro Prechody cross dissolve Prechod cube spin Titulky a texty Pohyb textu Uvažovaný bod a smer rezného klina Vrcholové uhly rezného klina Rovina Pf 6

7 Obr Obr Obr Obr Obr Prierez roviny Pf Rovina Pp Prierez roviny Pp Rovina Po Prierez roviny Po 7

8 Zoznam skratiek a symbolov 3D - trojrozmerný, priestorový, 3 dimension RK - rezný klin P r - základná nástrojová rovina P f - bočná nástrojová rovina P p - zadná nástrojová rovina P s - rovina reznej hrany P 0 - ortogonálna nástrojová rovina P n - normálová nástrojová rovina α - Uhol chrbta β - Uhol rezného klinu γ - Uhol čela δ - Uhol rezu κ - Uhol nastavenia λ - Uhol sklonu reznej hrany 8

9 Úvod Mojou úlohou je vytvoriť animáciu, ktorá bude zobrazovať a zároveň aj vysvetľovať geometriu rezného nástroja, resp. klina. Pomocou rôznych dostupných programov som vymodeloval a dal do pohybu moju predstavu o tejto pomôcke k výučbe. Na začiatku tejto práce sú vysvetlené pojmy, potrebné k pochopeniu uvedenej problematiky a následne praktická ukážka geometrie rezného klina. Mojim cieľom je prakticky a zrozumiteľne ukázať rôzne uhly a roviny súvisiace s rezným klinom. Pretože 3D animácia je oveľa efektívnejšia oproti obrázkom, divák si to môže predstaviť oveľa jednoduchšie. Skôr pochopí takéto prelínanie týchto rovín a uhlov. Touto prácou som sa chcel aj zdokonaliť, resp. naučiť sa modelovať, animovať a vytvárať rôzne krátke scény. Tento profesionálny program má takmer neobmedzené možnosti. Treba na to samozrejme veľa úsilia a veľa rokov tvrdého tréningu. Pri svojej práci som použil odbornú literatúru, ktorú nenapísal žiadny spisovateľ, ale napísal ju univerzitný profesor. Okrem nej som hľadal na internete rôzne tréningové videá, podľa ktorých som sa učil pracovať v tomto programe. Osvojil som si funkcie a skúšal som možnosti využitia. Táto práca mi priniesla nový pohľad na počítačovú grafiku v dnešnej dobe. Som rád, že som mal možnosť vyrobiť pre študentov pomôcku, ktorá by im mala pomáhať pri vyučovaní. Predpokladám, že takéto názorné vyučovanie bude pre nich oveľa zaujímavejšie a efektívnejšie. 9

10 1.GEOMETRIA REZNÉHO NÁSTROJA Aktívnym činiteľom v sústave obrábania (SNOP) je rezný nástroj. Funkčným prvkom rezného nástroja je rezný klin. Časť nástroja, ktorá je v kontakte s obrobkom, je rezná časť nástroja. Plochy tejto reznej časti sú pod rôznymi uhlami, ktoré nazývame geometria rezného klinu. Obr.1.1 Grafický model rezného klinu[1] 1.1 Rezný klin V technológii obrábania pojmom nástroj na obrábanie rozumieme vo všeobecnosti nástroj, ktorý pozostáva z telesa nástroja a z aktívnej časti - rezného klina, resp. viacerých rezných klinov. Rozumieme tým nástroje s definovanou geometriou, t.j. vieme jednoznačne stanoviť geometrické prvky rezného klina. Špeciálnu skupinu tvoria nástroje s nedefinovanou geometriou rezného klina, ako sú brúsne kotúče, kamene a pod. Pojmom rezný klin (RK) rozumieme aktívnu časť nástroja (obr.1.1), ktorá má schopnosť vnikať do obrábaného materiálu. RK je tvorený navzájom rôzne orientovanými plochami čela a chrbta, resp. plochami vedľajšieho chrbta. Prienik plochy čela a chrbta, a čela a vedľajšieho chrbta, nám dáva hlavnú, resp. vedľajšiu reznú hranu. Vo všeobecnosti 10

11 uvedené plochy môžu byť charakteru rovinného, alebo valcovej, kužeľovej, skrutkovej plochy a pod. Rezná hrana potom bude buď priamkového charakteru, časť kružnice, skrutkovice, alebo ľubovoľná priestorová krivka. Obr.1.2 Rezný klin [4] Obr Plochy na rôznych typoch nástrojov [4] 1 - čelná plocha 2 - hlavná chrbtová plocha 3 - vedľajší chrbát 4 - hlavná rezná hrana 5 - vedľajšia rezná hrana 6 - hrot Základné pojmy Na začiatok treba vysvetliť pár základných pojmov pre lepšie pochopenie a orientáciu v danej problematike: 11

12 Rezná časť nástroja - časť alebo časti nástroja, ktoré umožňujú proces rezania. Reznú časť tvorí rezná hrana, čelo a chrbát, (čelná a chrbtová plocha). Nástrojový držiak (stopka) - časť nástroja, ktorá slúži k jeho upevneniu vonkajším povrchom. [2] Teleso nástroja - časť nástroja, na ktorej sú vytvorené alebo upevnené rezné časti nástroja. Rezný klin - časť nástroja, ktorá je vytvorená čelom a chrbtom. Čelo A y - plocha alebo viac plôch nástroja, po ktorých odchádza odobratá trieska. Chrbát A a - plocha alebo viac plôch nástroja, ktoré sú priklonené k reznej ploche (hlavný chrbát) a k obrobenej ploche (vedľajší chrbát) (obr.1.4). Hlavný chrbát A a - časť chrbta, ktorá pri pretnutí s čelom vytvorí hlavnú reznú hranu. Vedľajší chrbát A ' a - časť chrbta, ktorá pri pretnutí s čelom vytvorí vedľajšiu reznú hranu[2] Obr. 1.4 Hrot rezného klina[2] Obr. 1.5 Rez rezným klinom[2] A y Aa Aa' - plocha čela RK; je to plocha, po ktorej odchádza trieska, - plocha chrbta RK je priklonená k reznej ploche, - vedľajšia chrbtová plocha, priklonená k obrobenej ploche, S - hlavná rezná hrana, prienik: A y a A a, S' - vedľajšia rezná hrana, prienik: A y a A a ' Rezná hrana Rezná hrana - priesečnica čela a chrbta, je tvorená prienikom plochy chrbta, alebo vedľajšieho chrbta, s plochou čela. Nástroj tak môže mať dve rezné hrany, hlavnú a vedľajšiu. [2] 12

13 Hlavná rezná hrana S - časť reznej hrany, ktorá začína v bode, kde uhol nastavenia K R má nulovú hodnotu a koná hlavnú reznú prácu. Vedľajšia rezná hrana S' - rezná hrana, ktorá vznikne prienikom čela a vedľajšieho chrbta a začína v bode, v ktorom vedľajší uhol nastavenia K ' R = 0. Hrot - časť reznej hrany, ktorá leží na spojnici hlavnej a vedľajšej reznej hrany (obr.1.3). Zaoblený hrot - (obr.1.3) prechodová rezná hrana oblúková. Zrazený hrot - (obr.1.3) prechodová rezná hrana priamková. Zaoblená rezná hrana - rezná hrana, ktorá v normálovej rovine P n má tvar oblúka. Uvažovaný bod reznej hrany - bod, ktorý leží v ľubovoľnom mieste reznej hrany a ku ktorému sa určujú uhly v prijatých sústavách. [2] Ostatné pojmy Sú to pojmy, ktoré nemusíme dokonale poznať, ale mali by sme o nich aspom čo to vedieť. Polomer hrotu r ε: - (obr.1.3) polomer zaoblenia hrotu nástroja, meraný v nástrojovej základnej rovine P r. Veľkosť zrazenia hrotu b ε - (obr.1.3) dĺžka prechodovej reznej hrany priamkovej, meraná v nástrojovej základnej rovine P r. Šírka fazetky čelnej b γ - (obr.1.4 ) dĺžkový rozmer danej časti roviny určovaný v rovinách, v ktorých sa merajú uhly čela a chrbta. Šírka fazetky sa označuje b γ (na čele), b α (na chrbte) alebo b' α (na vedľajšom chrbte). O označovaní šírok čela a chrbta s viacerými plochami platí to isté, čo o označovaní plôch, napr. šírka prvej čelnej plochy. Polomer zaoblenia reznej hrany r n - polomer meraný v normálovej rovine P n. [2] Niekedy je RK tvorený viacerými na seba nadväzujúcimi čelnými, resp. chrbtovými plochami. Potom ich označenie rozlišujeme indexami. Rez takýmto RK a označenie plôch sú zrejmé z obr.1.4 [2] 1.2 Geometria reznej časti nástroja Geometria reznej časti nástroja uvažuje ako geometria priestorového telesa v kľude. Poloha čela, chrbta, hlavných a vedľajších plôch nástroja, hlavných a vedľajších plôch rezného klina, ktoré tvoria reznú časť nástroja, sa určuje uhlami nástroja. Pre určenie uhlov reznej časti nástroja sú dané súradnicové roviny: nástrojová základná rovina P r ; - nástrojová ortogonálna rovina P 0 ; nástrojová rovina reznej hrany P s ; normálová rovina P n. 13

14 Roviny sústavy sa značia znakom zloženým z písmena P a indexu, ktorý určuje totožnosť roviny, napr. P s - nástrojová rovina reznej hrany. Uhly sa v sústave značia znakom zloženým zo zodpovedajúceho písmena gréckej abecedy a indexom určujúcim rovinu, v ktorej je uhol meraný, napr. y - nástrojový normálový uhol čela. Označovanie rovín a uhlov sústavy, ako je to uvedené ďalej, sa vzťahuje k prípadu, kedy uvažovaný bod reznej hrany leží na hlavnej reznej hrane. Pre uvažovaný bod vedľajšej reznej hrany, označovanie rovín alebo uhlov, musí byť doplnené čiarkou, napr. P' s ; y' n. Ak sa čelo a chrbát skladajú z viacerých plôch, vtedy pre označovanie uhlov, ktoré medzi sebou zvierajú, platia rovnaké zásady ako pre označovanie samotných plôh, napr. uhol prvého čela v normálovej rovine sa označí y n i a pod. Geometria reznej časti nástroja sa určuje v dvoch sústavách: nástrojová súradnicová sústava (statická): sa používa pre stanovenie geometrie nástroja pri konštrukcii, výrobe a kontrole, pracovná súradnicová sústava (kinematická): sa používa pre stanovenie geometrie nástroja pri reznom procese. Obe tieto sústavy sú dané n-ticou nástrojových rovín, ktoré sa vzťahujú na definovaný bod na reznej hrane reznéhoho klinu (RK). Základný rozdiel medzi oboma sústavami je v tom, že nástrojová sústava statická sa vzťahuje na predpokladaný smer vektora hlavného rezného pohybu - reznú rýchlosť a pracovná nástrojová sústava sa vzťahuje na konkrétny smer vektora výsledného rezného pohybu. V oboch prípadoch si treba uvedomiť, že smer vektora je priamka, na ktorej daný vektor leží. Pri vyšetrovaní vektora výsledného rezného pohybu platí zásada, že bez ohľadu na metódu obrábania, vyšetrujeme relatívny pohyb nástroja proti nehybnému obrobku. Ak niektorý pohyb vykonáva obrobok, musíme pri skladaní vektorov priradiť tento pohyb nástroju na rovnakom smere (priamke), ale opačne orientovaný. Len tak správne určíme smer vektora výsledného rezného pohybu, na ktorý sa pracovná sústava vzťahuje. 14

15 Statická nástrojová sústava - je tvorená rovinami: P r - základná nástrojová rovina - rovina, ktorá prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je kolmá na predpokladaný smer vektora hlavného rezného pohybu; P f - bočná nástrojová rovina - prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je daná predpokladaným smerom vektora hlavného rezného pohybu a predpokladaným smerom vektora posuvu; P p - zadná nástrojová rovina - prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je kolmá na základnú rovinu P r a súčasne na bočnú rovinu P f ; P s - rovina reznej hrany - je to rovina, ktorá sa dotýka v uvažovanom bode reznej hrany a súčasne je kolmá na rovinu základnú P r ; P 0 - ortogonálna nástrojová rovina - prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je kolmá na rovinu základnú P r a súčasne na rovinu reznej hrany P s ; P n - normálová nástrojová rovina - prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je kolmá na reznú hranu S. [4] Nástrojové uhly rezného klina Nástrojové uhly - (v statickej sústave) sa určujú pomocou rovín nástrojovej súradnicovej sústavy Uhol chrbta α Je to uhol medzi plochou chrbta a rovinou, v ktorej leží vektor hlavného rezného pohybu. Zabraňuje treniu chrbta nástroja o obrobenú plochu, čím znižuje zahrievanie a opotrebenie a zvyšuje trvanlivosť reznej hrany. Jeho prílišná veľkosť však zmenší uhol rezného klinu. Jeho hodnota sa pohybuje od 2 - pre hrubovanie, cez 15 - pre obrábanie na čisto, až po 20 - pre mäkké materiály. Normalizovaná hodnota je 8. Uhol rezného klinu β Je to uhol medzi plochou čela a plochou chrbta nástroja. Čím je uhol rezného klinu menší, tým rezný klin lepšie vniká do materiálu, ale zároveň má menšiu tuhosť a pevnosť, t.j. narastá riziko chvenia a zlomenia hrotu. Preto sa pre obrábanie menej pevných materiálov používajú nástroje s menším uhlom rezného klinu, pre pevnejšie, alebo tvrdé materiály, sa 15

16 používajú nástroje s väčším uhlom rezného klinu. Veľkosť uhla býva v rozmedzí 40 až 90. Uhol čela γ Je to uhol medzi plochou čela a rovinou kolmou na smer hlavného rezného pohybu. Jeho veľkosť ovplyvňuje spôsob tvorenia triesky. Čím je väčší, tým ľahšie sa trieska oddeľuje od materiálu. Jeho zväčšovanie však zmenšuje uhol rezného klinu. Pre mäkké a nízkopevné materiály môže byť veľký. Pre vysokopevné materiály sa používa záporný (negatívny) uhol čela. Uhol čela ovplyvňuje aj namáhanie reznej hrany. Pri pozitívnom uhle sa najviac namáha hrot noža, čo znižuje jeho životnosť. Pri negatívnom uhle je najväčšie namáhanie prenesené na plochu čela. Uhol rezu δ Je daný súčtom uhlov chrbta a rezného klinu. Platí (v stupňoch): Čím je uhol rezu menší, tým je menší odpor proti vnikaniu rezného klinu do materiálu obrobku. Uhol nastavenia κ Je to uhol, v akom je rezná hrana priklonená k obrobku, meraný v rovine kolmej na smer hlavného rezného pohybu. Čím je uhol menší tým tenšia a širšia bude trieska a tým väčšia môže byť rezná rýchlosť. Veľkosť uhla je v rozmedzí 0 až 90. Pre obrábanie ocelí sa volí veľkosť 45 a pre obrábanie liatin 60. Uhol sklonu reznej hrany λ Je to uhol, v akom je rezná hrana sklonená od roviny kolmej na smer hlavného rezného pohybu. Môže byť kladný, nulový, alebo záporný. Pri kladnom uhle, ktorý sa používa pre obrábanie mäkkých materiálov sa prvý do záberu dostáva hrot. Pri zápornom uhle, ktorý sa používa pre obrábanie tvrdých materiálov sa prvý do záberu dostáva stred noža. Nástrojový uhol nastavenia hlavnej reznej hrany K r - uhol medzi nástrojovou rovinou reznej hrany P s a nástrojovou bočnou rovinou Pf v nástrojovej základnej rovine P r 16

17 . Obr. 1.6 Nástrojová súradnicová sústava 1 - predpokladaný smer hlavného pohybu, 2 - predpokladaný smer posuvného pohybu, 3 - základňa, 4 - uvažovaný bod Nástrojový uhol sklonu reznej hrany λ s - uhol medzi reznou hranou S a nástrojovou základnou rovinou P r v nástrojovej rovine reznej hrany P s Nástrojový uhol hrotu ε r - uhol medzi nástrojovou rovinou hlavnej reznej hrany P s a nástrojovou rovinou vedľajšej reznej hrany P' s v nástrojovej základnej rovine P r nástrojových rovín v statickej sústave Nástrojové uhly čela a chrbta Nástrojové uhly identifikujú polohu funkčných plôch reznej časti nástroja vzhľadom k nástrojovým rovinám. Nástrojový ortogonálny uhol čela γ o - uhol medzi čelom A γ a nástrojovou základnou rovinou P r v nástrojovej ortogonálnej rovine P o [2] Nástrojový normálový uhol čela γ n - uhol medzi čelom A γ a nástrojovou základnou rovinou P r v normálovej rovine P n [2] 17

18 Nástrojový bočný uhol čela γ f - uhol medzi čelom A γ a nástrojovou základnou rovinou P r v nástrojovej bočnej rovine P f [2] Nástrojový zadný uhol čela γ p - uhol medzi čelom A γ a nástrojovou základnou rovinou P r v nástrojovej zadnej rovine P p [2] Nástrojový uhol najväčšieho spádu čela γ g - uhol medzi čelom a nástrojovou základnou rovinou P r v nástrojovej rovine najväčšieho spádu čela P g. [2] Nástrojový ortogonálny uhol chrbta α o - uhol medzi chrbtom A α a nástrojovou rovinou reznej hrany P s v nástrojovej ortogonálnej rovine Po (obr.1.6, 1.7). [2] Nástrojový normálový uhol chrbta α n - uhol medzi chrbtom A a a nástrojovou rovinou reznej hrany P s v normálovej rovine P n (obr.1.6, 4.11, 1.7). [2] Nástrojový bočný uhol chrbta α f - uhol medzi chrbtom A α a nástrojovou rovinou reznej hrany P s v nástrojovej bočnej rovine P f (obr.1.6, 1.7). [2] PREDPOKLADANÝ SMER Obr. 1.7 Priestorové znázornenie[2] 18

19 Nástrojový zadný uhol chrbta α p - uhol medzi chrbtom A α a nástrojovou rovinou reznej hrany P s v nástrojovej zadnej rovine P p (obr.1.6, 1.7). Nástrojový uhol najväčšieho spádu chrbta α b - uhol medzi chrbtom A α a nástrojovou rovinou reznej hrany P s v nástrojovej rovine najväčšieho spádu chrbta P b. Nástrojový uhol polohy roviny najväčšieho spádu chrbta υ r - uhol medzi nástrojovou bočnou rovinou P f a nástrojovou rovinou najväčšieho spádu chrbta P b v nástrojovej základnej rovine P r ortogonálnej rovine P o (obr.1.6) [2] Obr.1.8 Roviny rezného klina[2] 19

20 1.2.3 Vyšetrovanie geometrie rezného klina Ak chceme vyšetriť geometriu RK, napr. na sústružníckom priamom uberacom noži, postupujeme takto: - Zvolíme si vyšetrovaný - uvažovaný bod na reznej hrane. - Stanovíme si predpokladaný smer vektora hlavného rezného pohybu a rovinu základnú. - Podľa uvedených definícií stanovíme ostatné nástrojové roviny. - Pomocou pravouhlého premietania - vyklopením, skonštruujeme rezy telesa RK v jednotlivých rovinách. - Vyznačíme jednotlivé geometrické prvky RK v príslušných rovinách rezu. 20

21 2.SOFTVÉR PRE ANIMÁCIU AUTODESK 3DS MAX Tu sa zameriame na program, v ktorom bola animácia vymodelovaná a následne aj animovaná. Jeho názov je 3ds Max od firmy Autodesk. 2.1 Úvod do 3ds Max Program Autodesk 3ds Max je svetovo najrozšírenejším animačným a vizualizačným programom. Je určený pre tvorbu vizuálnych efektov, animácií postáv a tvorbu počítačových hier. Ponúka interaktívne prostredie, rýchly rendering. Plne prispôsobiteľná a otvorená architektúra poskytuje absolútnu slobodu. Pre 3ds Max je k dispozícii rozsiahla knihovňa doplnkových plug-in aplikácií dalších vývojárov. Vo svete bolo len do roku 2006 predaných viac ako licencií a viac ako 50 % všetkých animačných pracovísk je vybavených práve programom 3ds Max. Medzi uživateľov 3ds Max patria napríklad spoločnosti Accolade, Ensemble Studios (Age of Empires), Core Design (Tomb Raider), DreamWorks, Maxis (Simcity), Westwood (Blade Runner), UbiSoft (King Kong), Acclaim Entertainment, Lion Head Studios, Kuju Entertainment, Argonaut Games PLC, Blizzard Entertainment a ďalšie. K tisícom počítačových hier, vytvorených pomocou 3ds Max, patrí napr. Unreal Tournament, Tom Clancy's Splinter Cell, Grand Theft Auto: Vice City, Warcraft III, Spider-Man,... Autodesk 3ds Max bol použitý pre filmové efekty v známych filmoch ako X-Men a X-Men 2, Den poté, Panic Room, Equilibrium, Minority Report, Tomb Raider, Jeepers Creepers, Matrix Reloaded, Dr. DoLittle II, Alamo, Liga vyjímečných, Poslední samuraj, Mumia sa vracia. 3D Studio Max je asi najkvalitnejší a najkomplexnejší program pre tvorbu 3D grafiky. Obsahuje takmer neobmedzené možnosti vo všetkých svojich aspektech, (modelovanie, animácia, renderovanie...), dosahuje špičkové hodnoty. Program disponuje širokým spektrom vyhladzovacích efektov a pod. 3ds Max je veľký a všestranný softwarový balík s mnohými možnosťami. V oblasti 3D počítačovej grafiky to je profesionálny program. Perfektné výsledky sa však dosahujú často veľmi pomaly a za cenu značného úsilia. Ako pomoc pri práci s týmto programom bola použitá kniha od Borisa Kulagina - 3ds Max 8 - Sprievodca modelovania a animácie. 21

22 V tejto knihe nájde každý presne to, čo hľadá a potrebuje, t.j. stručné a bohato ilustrované postupy, ktoré sú akoby šité na mieru aktuálnym potrebám užívateľa. Ľahko si možno čokoľvek vyhľadať, prečítať a ihneď použiť v praxi. Veľa typov a doporučení pomôže aj pokročilým užívateľom a to napríklad, ako zvýšiť efektivitu pri tvorbe 3D scén. Taktiež zvláda aktuálne trendy v oblasti modelovania vysoko detailných 3D modelov, alebo prípravy modelov a animácie pre počítačové hry. Hlavné charakteristiky tohto softwaru je možné zhrnúť nasledovne: - Tvorba realistických a efektívnych materiálov - Architektonické objekty a systém osvetlenia - Elementárne modelovacie techniky a postupy - Vytváranie 3D modelu pomocou polygonového modelovania - Animácie postáv, dynamiky a časticových systémov - Automatizácia práce pomocou nástroja MAXScript - Príprava komplexných textúr pre Photoshop - Výmena dát s externými aplikáciami (Terragen, Mudbox) Obr Modely vytvorené v programe 3ds Max (auto, dom) [5] 22

23 Obr Modely vytvorené v programe 3ds Max (postavy) [5] V programe 3ds Max sa dajú vytvárať až neuveriteľné realistické grafiky a obrázky. Samozrejme, vytvoriť niečo také prináša veľa rokov tvrdej práce a tréningu. Sú to profesionálne osoby, ktoré tým žijú, zarábajú si a tak denno-denne zdokonaľujú svoje zručnosti. Ako príklad pre lepšiu predstavivosť som sem zaradil niekoľko obrázkov, ktoré sa dajú vytvoriť v tomto programe, ale musím opäť zdôrazniť, že ide o profesionálov. 3D Studio MAX je parametrický, 3D grafický a animačný systém, v ktorom sa predstava zhoduje s tým, čo vytvoríte. Pokročilé, elegantné používateľské rozhranie sa dá veľmi jednoducho ovládať. Moderné nástroje umožňujú vytvárať prevratné 3D obrazy. Interaktívne vytieňované pohľady poskytujú v reálnom čase bezprostrednú spätnú väzbu o tom, ako sa manipuluje s objektami a s ich textúrami. 23

24 3D Studio MAX je vlastne operačný systém pre svoje komponenty, ktoré stelesňujú jednotlivé aspekty 3D grafiky. Je navrhnutý preto, aby rástol vďaka ďalším novo naprogramovaným modulom, napísaným v jazyku Visual C++. Čím viac plug-in aplikácií bude na trhu, tým bude možné lepšie prispôsobiť prostredie v 3ds Max k maximálnej produktivite a k možnosti vytvárať unikátne efekty. A naviac, všetky moduly používajú rovnaký štýl rozhrania, takže sa ľahko stávajú neoddeliteľnou súčasťou používateľského prostredia. Maximálna interaktivita truovania 2.2 Tvorba geometrie Vďaka uchytávaniu objektov, hrán, vrcholov a pomocnej mriežky je uľahčené i presné konštruovanie. Parametre je možné zadávať interaktívne i priamym vstupom z klávesnice. Flexibilná je tiež voľba jednotiek, ktorú je možné pri práci prepínať bez akýchkoľvek problémov, s veľkosťou objektov. Konštrukcia a transformácia môžu byť uskutočňované v rôznych súradnicových systémoch, ako napríklad v lokálnych súradniciach, pohľadových, v súradnicových systémoch iných objektov atď. Objekty je možné presne umiestniť pomocou funkcie zarovnávania a to ako plochy, tak aj normály. Celý rad ďalších typov pomocných objektov ako páska, či pracovný bod napomáhajú zvládnuť aj zložité konštrukčné akcie a presné animácie. Editácia polygonálnej geometrie zahŕňa prácu na úrovni vrcholov, hrán i stien. Obsahuje pokročilé operácie, ako napríklad magnet, vytiahnutie, optimalizácia a mnoho ďalších. Sú podporované tiež logické operácie prienikov, zjednotenia a rozdielu medzi geometrickými objektami, ktoré sú dokonca i animovateľné. Okrem triangulárnej siete je možné využiť tzv. patch modelovanie. Táto metóda umožňuje veľmi príjemnú úpravu objektov modifikácií kontrolných bodov, ktoré riadia tvar hladkého povrchu. Medzi patch modelovaním a polygonálnym modelovaním je možné dokonca prechádzať. Zobrazovanie objektov 3ds Max dokáže zobraziť geometrické objekty niekoľkými spôsobmi. Hlavné metódy zobrazenia sú Wired (drôtený) a Shaded (tieňovaný). Medzi nimi sa prepína klávesou F3. Po kliknutí pravým tlačítkom myši na názov výrezu si možno vybrať ďalšie zobrazovacie metódy. Hlavný mód Shaded spoločne s Edged faces. Môžeme ich aktivovať klávesou F4. 24

25 Obr. 2.3 Hlavné zobrazovacie metódy a)drátený model b) tieňový model c) drátený + tieňový model Editácia polygonálnej geometrie zahŕňa prácu na úrovni vrcholov, hrán i stien. Obsahuje pokročilé operácie, ako napríklad magnet, vytiahnutie, optimalizácia a mnoho ďalších. Sú podporované tiež logické operácie prienikov, zjednotenia a rozdielu medzi geometrickými objektami, ktoré sú dokonca i animovateľné. Okrem triangulárnej siete je možné využiť tzv. patch modelovanie. Táto metóda umožňuje veľmi príjemnú úpravu objektov modifikácií kontrolných bodov, ktoré riadia tvar hladkého povrchu. Medzi patch modelovaním a polygonálnym modelovaním je možné dokonca prechádzať. 2.3 Animácia modelov V tomto bode sa popisuje priebeh a vytváranie jednoduchej animácie. Základné rozdelenie je na dve hlavné skupiny, Animácia pohybu kamery, alebo Vytvorenie a nastavenie kostry modelu. Pri animácii geometrie rezného klina bola použitá prvá spomínaná skupina. Animácia pohybu kamery 3D Studio Max je profesionálna aplikácia na tvorbu 3D grafiky. Používa sa na modelovanie, animáciu a vizualizáciu vytvorených modelov. Pomocou nej sa dajú vytvárať 25

26 fotorealistické obrázky a animácie. Je široko využívaná aj medzi ľuďmi pracujúcimi v oblasti architektúry a na tvorbu modelov budov a ich vizualizáciu. Taktiež poskytuje vysoký komfort pri tvorbe modelov do počítačových hier. Dobrý pohyb kamery nie je až taká jednoduchá záležitosť, ako sa môže zdať. Je dosť obtiažne vyhnúť sa nechcenému približovaniu, alebo odďaľovaniu kamery. Animáciu vytvoríme nasledovne. Vytvoríme si napr. kružnicu, alebo nejaký úsek, po ktorom chceme aby prechádzala kamera. V ponuke si vyberieme kameru, ktorú správne nastavíme a umiestnime. Určíme aj uhol, pod ktorým bude kamera snímať. Medzi parametrami si určíme čas, resp. rýchlosť posunu kamery medzi bodmi na časovej priamke. Týmto vznikne automatizovaný pohyb, ktorý vytvorí súvislú animáciu. 2.4 Renderovanie finálnej scény Jeden z najdôležitejších pojmov vo vizualizácii a 3D modelovaní je Rendering. Jednoducho povedané, ide o vygenerovanie obrazu zo zadaných údajov. Tieto údaje sú predovšetkým body trojrozmerného priestoru, informácie o farbe, svetle, fyzikálné vlastnosti jednotlivých objektov a mnoho ďalších. Render je teda nástroj, ktorý renderuje obraz.v súčastnosti sú rozšírené dva typy renderov: Scanline a Raytrace. Scanline render je hlavný typ pre štandardný render. Kamera vysiela lúče, ktoré prehľadávajú scénu. Keď narazia na objekt, je jeho povrch v tomto bode analyzovaný, t.j. parametre materiálu, úroveň osvetlenia, uhol medzi povrchom a zdrojom svetla a ďalšie vlastnosti. Informácie sa vracajú ku kamere a sú uložené. Nevýhody tejto metódy sú zrejmé: nemožno obdržať fyzikálne správne odrazy a lomy. Na druhej strane je scanline veľmi rýchly, čo je dôležitá výhoda. Raytrace používa komplexný výpočet a umožňuje získať viacnásobné odrazy a lomy. Robí sa hlbšia analýza povrchu materiálu, čo zvyšuje dobu renderu. V praxi sa často používa kombinácia oboch týchto metód Materiály Neformálna definícia materiálov by mohla byť nasledujúca: Je to sada parametrov, ktoré určujú, ako by mal povrch reagovať na svetlo. Ak sa pridá materiál, napr. drevo alebo sklo, mali by sme si uvedomiť, že sa to vzťahuje iba k povrchu. Material Editor je základný nástroj na tvorbu a editáciu materiálov. 26

27 Obr. 2.4 Materiál editor Textúry a mapy Textúra alebo mapa sa môže aplikovať takmer na akýkoľvek materiál. Mapa môže byť aplikovaná ako farebná textúra a preto je komplexnejšia. Mapa je, jednoducho povedané, určitý obrázok alebo fotografia. Rozlišujeme množstvo typov máp. Tie najzákladnejšie sú: Diffuse map, Bump,Refraction a Transparency. Diffuse map určuje základný vzhľad materiálu. Je ňou spravidla farebná fotografia alebo iný obrázok. Bump je obyčajne čierno biely obrázok alebo fotografia. Definuje štruktúru materiálu. Refraction sú mapy určujúce hlavne odrazy a lom svetla od materiálov a tým aj ich odlesky. Tran sparency mapy, určujúce priehľadnosť a priesvitnosť materiálu Osvetlenie Pre nasvietenie objektov na scéne by sa mali vytvoriť svetelné zdroje. Tie sa nezobrazujú behom renderovania, až na svetlá mental ray, ktoré túto možnosť ponúkajú. Program ponúka dva typy svetiel: štandardné a fotometrické. Štandardné svetlo Omni má rovnakú intenzitu vo všetkých smeroch. V reálnom svete je toto svetlo ako elektrická žiarovka bez tienidla, ktoré by mohlo svetlo nasmerovať. 27

28 Svetlo TargetSpootlight má nasmerovaný svetelný lúč, ktorým je kužeľ, definovaný cieľom. Svetlo Free Direct má nasmerovaný svetelný lúč, ktorým je valec. Ide o bodový svetelný zdroj. S určitou rezervou toto svetlo môžme prirovnať k slnku. Všetky typy svetiel sa môžu medzi sebou ľahko konvertovať. Obr. 2.5 Príklady štandardných a fotometrických svetiel 28

29 3. NÁVRH ANIMÁCIE VYBRANEJ REZNEJ GEOMETRIE Táto kapitola sa venuje priamo modelovaniu rezného nástroja s následnou animáciou v tom istom programe. Urobí sa viac kratších animácií, ktoré sú neskôr pospájané do jedného celku v programe s názvom Adobe Premiere Pro. Ako nástroj bol použitý priamy uberací nôž. 3.1 Popis práce v 3ds Max Na začiatku je ukázané, v akom prostredí sa bude pohybovať uživateľ (obr.3.1), v ktorom bude znázornený nákres nástroja (priamy uberací nôž pravý). Tento nôž som si vybral preto, lebo je dosť používaný a dá sa to na ňom prehľadne vysvetliť. V danom programe sa treba najprv oboznámiť s funkciami, ktoré budú potrebné pri príprave a nákrese rezného nástroja. Program má štyri rozhranič. V každom si môže užívateľ nastaviť pohľady, ktorými sa sleduje daný kreslený klin. Obr. 3.1 Základné rozhranie programu 29

30 Obr. 3.2 Názorne ukázané jednotlivé pohľady Najprv sa vytvorí tvar rezného nástroja. Použije sa funkcia Box (obr.xx) na vytvorenie kvádra, z ktorého sa bude neskôr uberať materiál dovtedy, kým nenadobudne tvar rezného nástroja. Vytvorí sa tvar, ktorý bude z daného materiálu odobratý. Všetko sa vymodeluje a porovná vo viacerých pohľadoch (obr.xx), až kým nevznikne požadovaný tvar. Obr. 3.3 Funkcia Box 30

31 Obr. 3.4 Odobratie materiálu Následne, keď je už vytvorený model rezného nástroja, vytvorí sa tzv. stena do pozadia, ktorá bude dostatočne veľká. Vytvorí sa pomocou krivky, zohnutej vo veľkom polomere, ktorý je vytvorený pomocou príkazu Fillet, aplikovaný na vrcholy. Pre hladký povrch sa zmení typ vrcholov na typ Bezier. Výsledná stena sa získa pomocou funkcie Extrude. Obr. 3.5 Vytvorenie steny 31

32 Objekt sa presunie pred túto stenu a pokračuje sa modelovaním scény, teda vložením vhodných svetiel a neskôr aj kamier. Všetky objekty treba nasmerovať čo najoptimálnejšie, aby scéna nebola ani moc presvietená, ale ani tmavá. Použili sa štandardné Free Direct svetlá, ktoré sa dajú ľahko umiestniť, nasmerovať a dobre nasvietiť. V tomto prípade bola snaha o osvietenie celého objektu čo najviac, zo všetkých strán, bez tieňa. Obr. 3.6 Kamery Ďalej sa použili kamery, ktoré sa budú pohybovať v našom prípade, po vopred určenej kružnici. Nájdeme ich v hlavnej ponuke vpravo. Použila sa kamera Free, nakoľko sa s ňou lepšie pracuje pre jej tzv. voľnosť. Nastaví sa podľa potrieb a dobrej viditeľnosti. Neskôr sa aj tak pohľady upravia podľa potreby. Obr. 3.7 Svetlo 32

33 Všetky pohyby kamier, ako aj všetkých objektov v danom prostredí, sa animujú pomocou priameho nahrávania pohybov, tlačítkom Auto Key a posuvným ukazaovateľom na časovej osi. Treba sa prepnúť na posuvný mód pomocou tlačítka Select and Move a pohybovať objekatami alebo kamerami pomocou pohybových ukazovateľov. Obr. 3.8 Animovanie kamier a objektov Obr. 3.9 Pohyb objektov Na znázornenie prierezu, alebo určitej plochy, bol nástroj rozrezaný stenou, ktorá sa vytvorila pomocou funkcie Plane. Týmto spôsobom sa znázorní, resp. rozrežie každá jedna plocha, ktorá je potrebná na zobrazenie geometrie rezného nástroja resp. klina. 33

34 Obr Zobrazovanie plôch 3.2 Popis práce v Adobe Premiere Pro V tejto kapitole sa popisuje práca s programom Adobre Premiere Pro, ktorý slúži na prácu s videom. Dokáže veľmi efektívne spracovávať viac videií, resp. animácií, ako aj rôzne efekty a prechody medzi obrazmi. Napr. prechod cross dissolve, ktorý tzv. preniká do druheho snímku až do stratena. Obr Adobe premiere Pro 34

35 Obr Prechody cross dissolve Na časovej priamke máme vedľa seba poukladané všetky animácie, fotky a na nich rôzne efekty a prechody. Idú za sebou v poradí, ktoré sme zvolili na začiatku. Napr. bol použitý prechod cube spin, ktorý urobí prechod, ako keď sa otočí kocka. Všetky efekty a prechody nájdeme dolu vľavo v paneli Effect. Obr Prechod cube spin 35

36 3.3 Titulky K tejto animácii boli vytvorené aj rôzne popisy a vysvetlenia pre lepšie pochopenie. Titulky sa robia pomocou funkcie title. Tento program má veľkú databázu rôznych fontov a mnoho funkcií k spestreniu titulkov. Možno ich dať do pohybu ktorýmkoľvek smerom, ale najpoužívanejšie spôsoby sú horizontálny a vertikálny. Do pohybu v rovinách x, y použijeme funkciu Roll/Crawl options, priamo v okne s titulkami. Ovládanie je jednoduché a prehľadné. Obr Titulky a texty Obr Pohyb textu 36

37 3.4 Postupné vysvetlenie a popis jednotlivých častí animácie Na vymodelovanom pozadí boli nastavené kamery takým smerom, aby bola znázornená vždy daná nástrojová rovina alebo situácia, ktorú treba snímať. Podľa vyšetrovania geometrie rezného klina sa určia nasledovné kroky, ako treba postupovať pri určení smeru rezného klina a vyšetrenie geometrie všetkých nástrojových rovín. Na animácii je znázornený smer rezného klina a uvažovaný bod reznej hrany (UBRH). Hrot nástroja je pod uhlami κ, ε, κ, ktoré majú spolu 180. Obr Uvažovaný bod a smer rezného klina Obr Vrcholové uhly rezného klina Ďalej sa prešlo ku kroku, ktorým bolo znázornenie nástrojových rovín. Začalo sa bočnou nástrojovou rovinou, nasledovala zadná nástrojová rovina a nakoniec ortogonálna nástrojová rovina. Najskôr treba ukázať kade bude viesť rez a potom aj úplny prierez s danými uhlami. 37

38 Obr.3.18 Rovina P f Obr Prierez roviny P f Tu bola označená zadná nástrojová rovina P p a následne znázornený prierez tým istým spôsobom ako v predchádzajúcom prípade. Táto rovina prechádza uvažovaným bodom reznej hrany a je kolmá na základnú rovinu a súčasne na bočnú rovinu. Obr Rovina P P 38

39 Obr Prierez roviny P P Teraz je označená ďalšia rovina, tentokrát to je ortogonálna rovina Po a následne opäť jej prierez. Táto rovina prechádza uvažovaným bodom reznej rany a je kolmá na rovinu základnú a súčasne na rovinu reznej hrany. Obr Rovina P o Obr Prierez roviny P o 39

40 Pri daných rovinách boli znázornené všetky nástrojové uhly. Všetky tieto scény boli nakoniec pospájané do uceleného videa, so všetkými textami, resp. titulkami, ktoré k tomu patrili. 40

41 Záver Nakoľko moja práca bola pre mňa výzvou, pustil som sa do nej s dávkou nadšenia a odhodlania. Pracoval a učil som sa samostatne a to mi prinášalo mnoho problémov, ktoré bolo treba vyriešiť. Mnohokrát sa mi nedarilo a nemal som už chuť do práce, keď som nevedel vyriešiť problémy, ktoré nastávali. Ale odstránením každej prekážky som dostal chuť pokračovať a pracovať ďalej. Celá moja práca začala naštudovaním geometrie rezného nástroja a plánovaním celého priebehu animácie. Môj uhol pohľadu sa zmenil oproti začiatku, keď som tento projekt iba plánoval. Získal som konkrétnejší pohľad na danú problematiku. Na začiatku práce som si predstavoval mnohé veci ľahšie a zrozumiteľnejšie. Ale počas vytvárania animácie sa vyskytli problémy spojené s kamerami, ktoré sa nastavujú priamo v programe. Problém bol v prelínaní kamier medzi sebou. Prepínanie danej kamery a prepínanie na ďalšiu. Nakoniec som tento problém odstránil v programe Adobe Premiere Pro. Nastrihal som animáciu na kratšie videá a vytvoril rôzne vhodné prechody medzi týmito videami, aby bol obraz plynulý. Dúfam, že moja animácia bude mať prínos pri vysvetľovaní geometrie rezného nástroja a bude efektívna, aby divák lepšie a rýchlejšie pochopil podstatu tejto geometrie rezného klina. Prínos tejto práce pre mňa je ten, že som sa pokúsil vymyslieť pomôcku pre študentov, ktorí sa chcú, potrebujú, alebo len zaujímajú o výučbu geometrie rezného klina a verím, že sa mi to aj podarilo. Zároveň som sa naučil pracovať aj s programom 3ds Max, čo je pre mňa zadosťučinením. Vedomosti a zručnosti, ktoré som pri tejto práci získal, plánujem využiť v mojom ďalšom živote, hlavne vo svojom budúcom zamestnaní. Verím, že získané vedomosti mi pomôžu ľahšie sa zamestnať a tak dokázať, že práca s videom a počítačovou grafikou ma baví. Želám si, aby ma táto práca dokázala v budúcnosti aj uživiť. 41

42 Zoznam bibliografických odkazov 1. BÉKES, J., HRUBEC, J., et al.: Technológia obrábania, Trnava, STU, 1999, 157s., ISBN JANÁČ, A., BÁTORA, B., et al.: Technológia obrábania, Trnava, STU, 2004, 288s., ISBN JANÁČ, A., KICKO, J., LIPA, Z., CHARBULA, J., PETERKA, J.: Technológia obrábania, montáže a základy strojárskej metrológie, Trnava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, Materiálovo-technologická fakulta, 1994, 316s., ISBN JANÁČ, A., LIPA, Z., et al.: Technológia obrábania a metrológia, Trnava, STU, 2002, 193s., ISBN KULAGIN, B.:3ds Max 8, sprievodca modelovaním a animáciami, Brno, Computer Press, 2007, 389s., ISBN PECINOVSKÝ, J.: Adobe premiere Pro 2.0, Praha, Grada Publishing, 2006, 266s., ISBN Zdroje dostupné na internete 7. 3ds max tutorial [online], [citované ] Dostupné na internete: <: > 8. 3D scéna [online], [citované ] Dostupné na internete: <: 9. 3D Systems [online], [citované ]. Dostupné na internete: <: E Praha Engineering. Tandem Solid Works SUFRCAM. In Strojárstvo, [online], [citované ] Dostupné na internete: <: 11. Domovská stránka spoločnosti AUTODESK: [online], [citované ] Dostupné na internete: <: 12. Sgproduction [online], [citované ]. Dostupné na internete: <: 42