Моделирование объекта в трехмерном пространстве

Содержание

 

Введение                                                                                                                       5

1 Постановка  задачи                                                                                                    6

2  Подготовка рабочей среды в AutoCAD                                                               7

2.1 Общие  сведения                                                                                                   7

2.2 Настройка  видов                                                                                                    8

2.3 Определение параметров вывода на печать                                                      10

2.4 Настройка  параметров чертежа                                                                          11

2.4.1 Установка  размера чертежа                                                                             11

2.4.2 Установка  точности линейных и угловых  единиц измерения                     12

2.4.3 Установка  шага курсора и координатной  сетки                                            13

3 Выбор используемых  элементов модели, стилей                                                14

3.1 Выбор  используемых стилей                                                                              14

3.1.1 Текстовые  стили                                                                                               14

3.1.2 Размерные  стили                                                                                               15

3.2 Штриховка                                                                                                            18

3.3 Двумерные  графические примитивы                                                                 23

3.4 Трёхмерные  графические примитивы                                                               25

4 Метод построения моделей                                                                                   26

4.1 Построение с использованием отношений                                                       26

4.2 Построение  с использованием преобразований                                               26

4.3 Построение  кривых                                                                                             27

4.4 Построение  поверхностей                                                                                   28

5 Тип модели                                                                                                              29

6  Удаление  скрытых линий и поверхностей. Реалистичное представление 

сцен                                                                                                                             30

6.1 Удаление  скрытых линий и поверхностей                                                        30

6.1.1 Классификация методов удаления невидимых частей                                 30

6.1.2 Алгоритмы  удаления линий                                                                            30

6.1.3 Подавление скрытых линий и раскрашивание                                              31

6.2 Реалистичное представление сцен                                                                     33

6.2.1 Модели закраски                                                                                               33

6.4 Освещение и тени                                                                                                35

Заключение                                                                                                                 42

Список использованной литературы                                                                     43

Графическая часть                                                                                                     44

 

 

Введение

 

Компьютерной графикой 3D (в отличие от компьютерной графики 2D) являются графика, которая использует трехмерное представление геометрических данных, которые хранятся в компьютере для проведения расчетов и обработки 2D изображений. Такие образы могут  использоваться для последующего просмотра  или для представления предмета в режиме реального времени. Несмотря на различия, компьютерная графика 3D полагаться на те же алгоритмы компьютера, что и 2D векторная графика в каркасной модели и 2D растровая графика. В программном обеспечении компьютерной графики различие между 2D и 3D иногда стерта: 2D-приложения могут использовать 3D методы достижения таких эффектов, как освещение, так же как и представление 3D может использовать методы визуализации представления 2D. Компьютерную графику 3D часто называют 3D-моделью. Однако есть и отличия. 3D модель является математическим представлением любого трехмерного объекта. Благодаря 3D печати, 3D модели не ограничиваются виртуальным пространством. Модель может быть отображена визуально, как двухмерное изображение с помощью процесса, называемого 3D-рендеринга, или использована в других, неграфических, компьютерных симуляциях и расчетах.

Трехмерная компьютерная графика и автоматизация проектирования в AutoCAD 2007 представляет собой достаточно мощную среду трехмерного черчения, особенно в области твердотельного моделирования. В AutoCAD 2007 инструменты твердотельного моделирования, присутствовавшие во всех предыдущих версиях, были значительно доработаны и улучшены. AutoCAD уже не является системой автоматического проектирования (САПР) двухмерного черчения с добавлением средств для работы в трехмерном пространстве, а представляет собой мощный пакет, позволяющий как создавать традиционные чертежи, так и профессионально работать с трехмерными моделями.

 

 

1 Постановка задачи

 

Причиной  курсового проекта является приобретение практических навыков проектирования, моделирования,  редактирования, форматирования объектов в графической системе  AutoCAD.

При моделировании  в двухмерном пространстве необходимо изучить основные методы создания двухмерных объектов (линии, окружности и друге). Методы нанесения размерных линий.

При моделировании  в трехмерном пространстве необходимо изучить методы создания объемных тел (цилиндры, кубы, сферы и другие). Методы получения реалистичного  изображения по средствам нанесения  материалов на объекты, добавление различных  эффектов в сцену, таких как тени, прозрачность, отражение и других.

Задача  курсового проекта: согласно  варианту, начертить деталь в общем виде как представлен объект на рисунке  по варианту со всеми соответствующими размерами. Начертить объект в двух проекциях на плоскости и вид в разрезе, поставить размеры. Выполнить разрез в 3D пространстве. Смоделировать объект  в трехмерном пространстве.

Согласно 9 варианту (рисунок 1):

а) Начертить деталь в общем виде, проставить размеры

б) Начертить деталь в виде спереди, виде сверху и виде сбоку в разрезе

в) Начертить разрез объекта в трехмерном пространстве

г) Смоделировать объект в трехмерном пространстве.

 

 

 

Рисунок 1 - Задание по варианту 9

 

2  Подготовка рабочей среды в AutoCAD

 

2.1 Общие сведения

 

Запустить систему AutoCAD в операционной среде Windows можно следующим образом:

- С помощью  использования меню программ;

- Двойным  щелчком на ярлыке AutoCAD на рабочем столе.

При первом запуске Рабочий стол AutoCAD настроен по умолчанию (рисунок 2.1).

 

 

Рисунок 2.1 - Окно программы

 

В рабочий стол AutoCAD для Windows включены:

- падающие  меню – верхняя строка непосредственно  под заголовком окна программы.

Необязательные  панели инструментов:

- Стандартная  и Стили – вторая строка от заголовка

- Слои  и Свойства – третья строка

- Рисование  и Редактирование – столбцы  слева и справа

- строка  состояния – строка внизу окна  программы

- окно  командных строк – выше строки  состояния

- графическое  поле, занимающее остальную часть  Рабочего стола.

Чертежи системы AutoCAD хранятся в файлах с расширением dwg. Имена файлов могут содержать русские и латинские буквы, цифры, специальные знаки (@, #, $, &, -), а так же пробелы. Остальные символы, как правило, не допускаются, т. к. являются служебными  и могут быть неправильно интерпретированы операционной системой Windows.[2]

 

 

2.2 Настройка видов 

 

Назначение: Разделяет экран на несколько  видовых экранов, каждый из которых  может содержать отдельное изображение  чертежа.

Вызов команды: Командная строка: VPORTS

Выпадающее  меню: View > Viewports

Инструментальная панель: Viewports>Display Viewports Dialog

В ответ  на команду система открывает  диалоговое окно Viewports.

Окно  содержит две вкладки.

Вкладка New Viewports (Новые видовые экраны) (рисунок 2.2) позволяет задать новые видовые экраны. Вкладка содержит следующие элементы управления: поле ввода, список, два раскрывающихся списка и одну панель.

 

 

Рисунок 2.2 - Создание новых видовых экранов.

 

Поле  ввода New name (именованные видовые экраны) позволяет задать имя новой конфигурации видовых экранов.

Список  Standard viewports (стандартные окна) позволяет выбрать одну из стандартных конфигураций видовых экранов.

Раскрывающийся  список Apply to (применить к) позволяет применить выбранную конфигурацию видовых экранов либо ко всему графическому экрану, либо только к текущему видовому экрану. Использование последнего режима позволяет делить текущий видовой экран еще на несколько частей.

Раскрывающийся  список Setup позволяет задать стандартные начальные виды в создаваемых видовых экранах. При выборе пункта 2D изображения во всех вновь создаваемых видовых экранах будут соответствовать текущему изображению на графическом экране. При выборе пункта 3D во вновь создаваемых графических экранах будет сформирован стандартный набор ортогональных и изометрических видов.

Панель  Preview предназначена для предварительного просмотра новой конфигурации видовых экранов и задания начальных видов в этих экранах. Панель содержит графическое поле и один раскрывающийся список.

Графическое поле отображает видовые экраны выбранной  конфигурации так, как они будут  расположены на графическом экране системы. На изображении каждого  видового экрана отображается имя вида, который будет установлен в данном видовом экране.

Раскрывающийся  список Change view to позволяет указать один из стандартных или именованных видов, который требуется установить в выбранном видовом экране. Выбор экрана, в котором требуется установить новый вид, производится нажатием левой кнопки мыши на изображении соответствующего видового экрана на графическом поле панели Preview. Выбранный видовой экран изображается в двойной рамке.

Вкладка Named Viewports (рисунок 2.3) позволяет выбрать именованную конфигурацию видовых экранов. Вкладка содержит информационное поле, список и одну панель.

Информационное  поле Current name отображает имя текущей конфигурации видовых экранов.

Список  Named viewports позволяет выбрать одну из именованных конфигураций видовых экранов, имеющихся в чертеже.

Панель  Preview содержит графическое поле, предназначенное для предварительного просмотра выбранной конфигурации видовых экранов.

 

 

Рисунок 2.3 - Выбор именованной конфигурации видовых экранов.

 

Замечания: Работа в режиме нескольких видовых  экранов ведется так же, как  и в случае единого видового экрана, развернутого во весь графический экран  системы. При этом указание точек  и объектов в ответ на запросы  вводимых команд производится в текущем  видовом экране (отображается в толстой  рамке).

Все новые  построения и изменения объектов, произведенные в текущем видовом  экране, автоматически воспроизводятся  во всех остальных видовых экранах.

Для выбора нового текущего видового экрана необходимо перевести курсор в пределы данного  экрана и нажать левую кнопку мыши. Смену текущего видового экрана можно  производить в процессе выполнения команды.

В каждом видовом экране могут быть установлены  собственные системы координат.

Смена вида в текущем видовом экране производится обычными средствами системы.[2]

 

 

2.3 Определение параметров  вывода на печать 

 

Параметры печати задаются на вкладке Печать/Публикация диалогового окна Настройка (рисунок 2.4), где выбираем принтер, использующейся для печати.

 

 

Рисунок 2.4 - Диалоговое окно определения параметров вывода на печать.

 

 

2.4 Настройка параметров чертежа

 

2.4.1 Установка размера чертежа

 

Имеется возможность установить лимиты рисунка, т.е. ограничивающий его воображаемый прямоугольник. При включении сетки  ее узлы отображаются только в пределах лимитов.

Лимиты  должны полностью охватывать полномасштабную  модель. Например, если она имеет  размеры 100 x 200 мм, значения лимитов должны слегка превышать эти цифры.

В пространстве листа лимиты обычно задают равными формату листа бумаги.

Следовательно, сетка (если он включена) покрывает  при этом весь скомпонованный чертеж, включая графические объекты, размерные  элементы, основную надпись и т.п. Например, если формат листа равен 210 х 297 мм, следует установить десятичный формат единиц и определить лимиты заданием точек 0,0 (левый нижний угол прямоугольника) и 210,297 (правый верхний угол).

Для изменения  лимитов рисунка необходимо:

а) Из меню Format (Формат) выбрать Limits (Лимиты).

б) Указать левый нижний лимит, соответствующий левому нижнему углу листа. При нажатии ENTER без ввода значения принимается лимит по умолчанию (0,0).

в) Указать правый верхний лимит, соответствующий правому верхнему углу листа.

г) Дважды щелкнуть на слове Grid (Сетка) в строке состояния или нажать F7. После этого из меню View (Вид) выбрать Zoom (Показать), затем All (Все).

Экранное  увеличение меняется так, чтобы был  виден весь рисунок в его лимитах.

В командной  строке используется команда:  Limits (ЛИМИТЫ).[2]

 

 

2.4.2 Установка точности линейных  и угловых единиц измерения

 

В среде  разработки AutoCAD имеется возможность установки точности ли линейных и угловых единиц измерения. Установка производится через меню Format (Формат) командой Units (Единицы) (рисунок 2.5).

 

 

Рисунок 2.5 – Единицы чертежа

 

AutoCAD округляет все значения величин в соответствии с указанной точностью ввода.

По умолчанию  используется десятичный формат представления единиц (Измерения производятся в мм).[2]

 

 

2.4.3 Установка шага курсора и  координатной сетки

 

Установка шага курсора и координатной сетки  производится через меню Tools (Сервис) командой Drafting Settings (Режимы рисования) (рисунок 2.6).

В окне настроек имеется 4 вкладки:

- Шаг и сетка;

- Отслеживание;

- Объектная привязка;

- Динамический ввод.

 

 

Рисунок 2.6 – Режимы рисование

 

Настройка шага курсора и координатной сетки  производится в первой вкладке. Чтобы  включить шаг, необходимо установив  флажок On в поле Шаг Вкл, для сетки – в поле Сетка Вкл. Далее можно задать необходимое значение шага движения курсора и задать необходимое значение интервала для узлов сетки.[2]

 

3 Выбор используемых элементов  модели, стилей

 

3.1 Выбор используемых  стилей

 

3.1.1 Текстовые стили

 

Текстовый стиль - это поименованная совокупность значений параметров, которые определяют общие стилевые особенности и  отличительные детали рисунка символов. Текстовые стили можно создавать, модифицировать, удалять, переименовывать  и переносить на другой чертеж. 

 Работа  с текстовыми стилями осуществляется  с помощью команды STYLE (СТИЛЬ), которой соответствует пункт Text Style (Текстовые стили) падающего меню Format (Формат) и кнопка панелей Text (Текст) и Styles (Стили). Диалоговое окно Text Style представлено на рисунке 3.1.

 

 
Рисунок 3.1 -  Диалоговое окно Стиль текста

 

В этом окне находится раскрывающийся список стилей, имеющихся в данном рисунке. Описываются параметры шрифта, использованные в текущем стиле: имя шрифта, начертание (курсив и т. п.) и высота букв, различные эффекты (переворачивание, растяжение и др.). Имена, слева от которых нарисован значок , — это имена традиционных SHX-шрифтов AutoCAD, которые хранятся в папке Fonts программного обеспечения системы AutoCAD, в файлах с расширением shx. Имена, слева от которых нарисован значок — это шрифты типа True Type, установленные в Windows. Оба типа шрифтов доступны для использования в текстовом стиле.

Стиль Standard, базирующийся на шрифте txt.shx и действующий по умолчанию в новом рисунке, не может быть ни удален с помощью кнопки Delete (Удалить), ни переименован с помощью кнопки Rename (Переименовать) панели Text Style (Текстовые стили). Этот стиль может быть лишь изменен (путем изменения параметров стиля или имени файла шрифта).

Область Effects (Эффекты) содержит несколько возможностей влияния на шрифты или стиль написания (Upside down переворачивает буквы вверх ногами, Backwards заставляет писать буквы справа налево, Vertical располагает буквы надписи по вертикали, Width Factor служит для растяжения или сжатия шрифтов относительно их эталонного написания, Oblique Angle задает угол наклона букв относительно вертикали).

Созданный описанной выше последовательностью  действий текстовый стиль может  быть в дальнейшем использован для  новых или редактирования уже  имеющихся в рисунке однострочных текстов.[2]

 

 

3.1.2 Размерные стили

 

Основанием для определения  величины изображенной детали и ее фрагментов служат размерные числа, нанесенные на чертеже. До тех пор  пока размеры не определены, чертеж малопонятен и не может быть документом, по которому изготавливается деталь. Процесс нанесения размеров является одним из самых трудоемких при подготовке проектно-конструкторской документации. Система AutoCAD также обладает обширными возможностями для нанесения размеров на подготовленное изображение проектируемой детали.

Работа  с размерными стилями выполняется  с помощью пункта Dimension Style (Размерные стили) падающего меню Format (Формат).

   Если новый рисунок создается  с помощью простейшего шаблона,  то в рисунке будет лишь  один размерный стиль с именем ISO-25.  
   Команда DIMSTYLE открывает диалоговое окно Dimension Style Manager (рисунок 3.2).

 

 

 

 

Рисунок 3.2 - Диалоговое окно Dimension Style Manager

 

Строка  Current Dimstyle (Текущий размерный стиль) показывает имя того размерного стиля, который является активным (текущим) — им выполняется оформление новых размеров в рисунке в данный момент. Перечень стилей отображается в левом поле Styles (Стили). Ниже перечня находится раскрывающийся список фильтра стилей List (Вывести в список). В нем можно выбрать опции All styles (Все стили) или Styles in use (Задействованные стили).   Флажок Don't list styles in Xrefs  позволяет не включать в перечень стили, порожденные вставкой в рисунок внешних ссылок.

В центральной  части диалогового окна поле просмотра  Preview of (Образец стиля) показывает внешний вид размеров, создаваемых данным стилем. Ниже, в поле Description (Описание), приводится комментарий к действующему стилю. В правой части окна находятся следующие кнопки:

Set Current (Установить), New (Новый), Modify (Изменить), Override (Переопределить), Compare (Сравнить).

Чтобы изменить стиль, следует нажать кнопку Modify (Изменить). Вслед за этим появится диалоговое окно Modify Dimension Style (Изменяемый размерный стиль), имеющее шесть вкладок (рисунок 3.3).

 

 

Рисунок 3.3 - Диалоговое окно Modify Dimension Style, вкладка Text

 

Параметры простановки размеров, собранные  в этой вкладке.

Вкладка Lines and Arrows содержит области, такие как Dimension Lines (Размерные линии) - установки построения размерных линий: Color (Цвет), Lineweight (Вес линии), Extend beyond ticks (Удлинение за выносные), Baseline spacing (Шаг в базовых размерах), Suppress Dim Line 1 (2) (Подавить 1-ю (2-ю) размерную), Extension Lines (Выносные линии) - содержит похожие установки, но уже для выносных линий, Arrowheads (Стрелки) - содержит соответствующие раскрывающиеся списки допустимых значений формы стрелок размерных линий и выноски, а также поле, определяющее величину стрелок.

   Вкладка Text описывает установки размерного текста и содержит следующее: Text style (Текстовый стиль), Text color (Цвет текста), Text height (Высота текста, Fraction height scale (Масштаб дробей).

   Вкладка Primary Units (Основные единицы) определяет параметры настройки единиц размерных чисел. Содержит: Unit format (Формат единиц), Precision (Точность), Fraction format (Формат дробей), Decimal separator (Десятичный разделитель), Round off (Округление), Prefix (Префикс), Suffix (Суффикс).[2]

Использование размерных и текстовых стилей наглядно представлено в Графической  части, 1 лист.

3.2 Штриховка

 

Штрихование — это заполнение указанной области  по определенному образцу.

Команда ВНАТСН, формирующая ассоциативную  штриховку, вызывается из падающего  меню Draw > Hatch... или щелчком мыши по пиктограмме Hatch на панели инструментов Draw. При обращении к команде ВНАТСН загружается диалоговое окно Boundary Hatch and Fill, показанное на рисунке 3.4.

 

 

Рисунок 3.4 - Диалоговое окно штриховки

 

Команда ВНАТСН позволяет наносить не только ассоциативную, но и не ассоциативную  штриховку.  
Ассоциативность здесь означает, что при изменении границ контура изменяется и штриховка. Не ассоциативная штриховка не зависит от контура границы.

Определение контура в команде ВНАТСН производится автоматически на основании указания точки, принадлежащей штрихуемой области.  
 Все объекты, полностью или частично попадающие в область штриховки и не являющиеся ее контуром, игнорируются и не влияют на процесс штриховки.  
 В некоторых случаях контур содержит выступающие края и островки, которые можно либо штриховать, либо пропускать. Островками называются замкнутые области, расположенные внутри области штрихования.  
Команда ВНАТСН позволяет штриховать область, ограниченную замкнутой кривой, как путем простого указания внутри контура, так и путем выбора объектов.  
 При этом контур определяется автоматически, а любые целые примитивы и их составляющие, которые не являются частью контура, игнорируются.  
 В поставку AutoCAD входит более 50 образцов штриховки, удовлетворяющих промышленным стандартам и служащих для обозначения различных компонентов объектов или графического представления различных материалов. В программе имеется 14 образцов штриховки, удовлетворяющих стандартам ISO (Международной организации по стандартизации).  
 Для штриховки по стандарту ISO можно задать ширину пера, которая определяет вес линии образца. Помимо образцов, поставляемых с AutoCAD, можно использовать образцы из внешних библиотек.  
Выбор образца штриховки осуществляется в области Pattern:. Удобно пользоваться как раскрывающимся списком, так и диалоговым окном Hatch Pattern Palette, показанным на рисунке 3.5 — там содержатся пиктограммы с графическими образцами различных штриховок. Для выбора образца штриховки достаточно указать его изображение.

 

 

Рисунок 3.5 -  Диалоговое окно с образцами  штриховки

 

Для использования  стандартных образцов штриховок  необходимо в области Туре: выбрать  из раскрывающегося списка пункт  Predefined. Имя образца штриховки запоминается в системной переменной HPNAME.  
Текстовые поля Scale: и Angle: позволяют задать масштабный коэффициент и угол наклона для выбранного образца штриховки. При этом введенные параметры запоминаются в системных переменных HPSCALE и HPANG.  
Чтобы создать новый пользовательский образец штриховки, надо в области Туре: выбрать из раскрывающегося списка пункт User defined. При этом следует задать угол наклона в поле Angle:, расстояние между линиями штриховки — в поле Spacing: и, если необходимо, поставить флажок Double для отрисовки дополнительных линий под углом 90° к основным линиям штриховки.  
 В закладке Gradient диалогового окна Boundary Hatch and Fill, показанного на рисунке 3.6, устанавливаются параметры градиентной заливки, которая может состоять из оттенков одного цвета или представлять собой плавный переход из одного цвета в другой.

 

 

Рисунок 3.6 - Диалоговое окно градиентной заливки

 

Ассоциативность штриховки устанавливается в  области Composition выбором одного из параметров: Associative или Noassociative.  
Для автоматического определения контура штриховки путем указания точек необходимо нажать кнопку Pick Points. При этом выдается запрос:

- Select internal point: — указать внутреннюю точку; 
- Selecting everything. . . — осуществляется выбор всех объектов;  
- Selecting everything visible... — осуществляется выбор всех видимых объектов; 
- Analyzing the selected data... — осуществляется анализ выбранных данных;  
- Analyzing internal islands ...—осуществляется анализ внутренних островков;  
- Select internal point:—указать внутреннюю точку;  
- Analyzing internal islands... —осуществляется анализ внутренних островков; 
- Select internal point: —нажать клавишу Enter по завершении выбора штрихуемой области.

При определении  нескольких контуров штриховки необходимо выбрать несколько внутренних точек, а затем нажать клавишу Enter.  
Если AutoCAD определяет, что контур не замкнут или точка находится не внутри контура, то на экране появляется диалоговое окно Boundary Definition Error с сообщением об ошибке.  
 Для выбора любым стандартным способом объектов в качестве контура штриховки необходимо нажать кнопку Select objects.  
Контуры штриховки могут представлять собой любую комбинацию отрезков, дуг, окружностей, двумерных полилиний, эллипсов, сплайнов, блоков и видовых экранов пространства листа. Каждый из компонентов контура должен хотя бы частично находиться в текущем виде. По умолчанию AutoCAD определяет контуры путем анализа всех замкнутых объектов рисунка.  
 Когда штрихование производится стилем Normal, островки остаются незаштрихованными, а вложенные островки штрихуются, как показано на рисунке 3.7. При этом штрихование производится вовнутрь, начиная от внешнего контура. Если обнаружено внутреннее пересечение, штрихование прекращается, а на следующем пересечении возобновляется. Таким образом, данный стиль задает штрихование областей, отделенных от внешней части нечетным числом замкнутых контуров; области, отделенные четным числом контуров, не штрихуются.  
 При использовании игнорирующего Ignore и внешнего стиля Outer штриховка аналогичного контура выглядит иначе (рисунок 3.8, 3.9). Стиль Ignore задает штрихование всей области, ограниченной внешним контуром, без учета вложенных контуров.