CC BY
17
УДК 530.1+681.3
ВИРТУАЛЬНОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ — СОВРЕМЕННОЕ СРЕДСТВО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНОЙ ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКИ
Э. Э. Дзнеладзе
заместитель начальника управления по ГО, защите населения и территории Главного управления МЧС по Ленинградской области, капитан 3 ранга
Ю. И. Жуков
профессор кафедры пожарной тактики Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы МЧС России, доктор технических наук, профессор
И. Г. Малыгин
начальник кафедры пожарной тактики Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы МЧС России, доктор технических наук, профессор, полковник внутренней службы
А. В. Смольников
доцент кафедры пожарной тактики Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат технических наук, доцент
Дзнеладзе Эмзар Элдарович
Рассмотрены вопросы применения виртуального динамического моделирования, которое позволяет заменить дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая экономию значительных средств и выход на рынок (в том числе и международный) со всесторонне оптимизированными изделиями сложной пожарной техники. Предложена методика использования доступных средств виртуального динамического моделирования (AutoCAD и 3DSMAX) на примере создания трехмерной динамической модели такого сложного объекта, каким является пожарный корабль.
Если среди существующих средств математического моделирования, используемых для решения задач проектирования изделий сложной пожарной техники, в последнее время доминировало имитационное моделирование, то развитие информационных компьютерных технологий привело к созданию средств виртуального динамического моделирования, наиболее адекватных процессам, рассматриваемым при решении задач проектирования изделий сложной пожарной техники [1,2].
Не умоляя достоинств имитационного моделирования, следует признать, что его средства отображения результатов достаточно трудно интерпретировать при оценке итогов моделирования задач проектирования изделий сложной пожарной техники.
Конечно, трудоемкость создания полномасштабных виртуальных динамических моделей процесса тушения пожара на различных объектах пока является значительной, однако совершенствование компьютерных средств разработки пространственных моделей объектов, а также анимационных средств позволяет прогнозировать значительный прогресс и в этой области пожарной науки в бли-
жайшее время. Кроме того, оптимизм усиливает и тот факт, что динамика разработки специальных средств построения виртуальных динамических моделей опережает другие направления развития современного программного обеспечения.
Если при традиционном подходе для создания виртуальной динамической модели использовались, в основном, средства автоматизированного конструирования (САБ-системы) и разработки трехмерных моделей типа ЗББМАХ, то появление специальных программных средств для виртуального моделирования сложных машин и механизмов, таких как МБС.Аёаш8, позволило значительно повысить эффективность создания и использования виртуальных динамических моделей, в том числе и для решения задач проектирования изделий сложной пожарной техники [З].
Виртуальное динамическое моделирование заменяет дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями сложной пожарной тех-
ники. С помощью MSC.Adams быстро создается полностью параметризированная модель образца сложной пожарной техники. Виртуальная динамическая модель строится непосредственно в пред-процессоре или импортируется из используемых CAD-систем. Задав связи компонентов модели, приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив режим расчета, можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний пожарно-техни-ческой системы. Таким образом, представление о работе сложной пожарной техники складывается еще до начала процесса изготовления опытного образца.
Однако стоимость специализированных систем виртуального динамического моделирования достаточно высока, а опыт их использования в отечественной практике еще не достаточен, поэтому рассмотрим методику использования доступных средств — AutoCAD и 3DSMAX — на примере создания трехмерной динамической модели такого сложного объекта, каким является пожарный корабль.
Программы для графического моделирования AutoCAD и 3DSMAX — очень сложные, обладающие тысячами опций.
В экранном окне интерфейса программы AutoCAD присутствует встроенная командная консоль. Пользователь может выбирать инструменты моделирования как визуально, так и вводя соответствующие команды в консоли. Консоль обладает также рядом функций, не доступных при использовании визуального интерфейса. Например, при задании точек фигуры в пространстве через консоль можно вызвать калькулятор, который позволит точно рассчитать необходимые координаты, используя при этом координаты других точек. Эффективное применение программы предполагает использование как консоли, так и визуального интерфейса.
В программный пакет AutoCAD входят также все необходимые разработчику рамки и шрифты, соответствующие требованиям ГОСТ.
В главном экранном окне программы 3DSMAX кроме визуальных компонент для создания объектов присутствуют настройки анимации. Временная шкала расположена внизу главного окна. Программа 3DSMAX обладает гибкой системой настройки пользовательского интерфейса, который позволяет определить положение и количество панелей инструментов, а также сохранить эти настройки в специальном файле или загрузить их из уже существующего файла настроек. Но в отличие от AutoCAD программа 3DSMAX не имеет встроенной командной консоли.
Обе указанные программы предназначены для создания трехмерных моделей, но они различаются тем, что программа 3DSMAX использует сеточное построение объектов, а программа AutoCAD —
принцип твердотельного построения. Другими словами, если разрезать модель, построенную в программе 3DSMAX, то она окажется внутри полой, а модель в программе AutoCAD будет цельной.
Свойство твердотельности является очень важным, так как позволяет изучить внутреннее устройство построенной модели. С помощью специального инструмента задаются плоскости, по которым необходимо рассечь модель, далее программа сама прорисовывает внутреннее устройство модели, попавшее в разрез.
Модели, построенные в программе AutoCAD, являются более точными, чем созданные в программе 3DSMAX, поэтому рекомендуется первоначально строить модели сложных объектов в программе AutoCAD, а потом импортировать полученные модели в программу 3DSMAX и добавлять к ней анимацию и другие эффекты.
Методика моделирования программы 3DSMAX заключается в том, что в окно проекции помещаются чертежи видов моделируемого объекта. Затем по этим чертежам с помощью инструментов для работы с сеткой создается каркас сложной пожарно-тех-нической системы, например пожарного корабля. Сначала в соответствии со всеми видами создается одна плоскость, модифицируя которую и присоединяя к ней новые плоскости, в дальнейшем поэтапно создается трехмерная модель пожарного корабля.
После создания основного каркаса с помощью примитивов, таких как параллелепипед, сфера, цилиндр и т.д., создаются остальные детали пожарного корабля путем комбинирования этих объектов и редактирования их сеток.
Полученные объекты располагаются в нужных местах модели пожарного корабля. После этого сетка подвергается сглаживанию. В программе 3DSMAX существует множество способов сделать сетку более гладкой, например, для этого используются специальные модификаторы, группы сглаживания и т.д.
После создания сетки модели пожарного корабля на нее необходимо наложить материалы с соответствующими текстурами. Для создания материалов программа 3DSMAX предлагает сотни настроек, включающих как основные, так и незначительные физические свойства материала. При создании материала можно использовать специальные карты, позволяющие, например, создать шершавую поверхность, сделать так, чтобы поверхность превратилась в зеркало и т.д.
После создания материала необходимо определить на построенной сетке координаты наложения текстур. Этот этап необходим для того, чтобы накладываемая текстура разместилась на объекте нужным образом.
Проведя все вышеописанные процедуры, можно присвоить материалы соответствующим объектам модели пожарного корабля. Одним из самых
РИС.1. Чертежи видов пожарного корабля, наложенные на плоскость
важных этапов создания модели пожарного корабля является тот, на котором в окне проекции располагаются различные виды чертежа моделируемого объекта. Для построения модели допустимо использовать всего два вида чертежа, но это значительно повысит временные затраты на моделирование и сделает невозможным построение некоторых деталей моделей. Поэтому при моделировании лучше использовать хотя бы три вида чертежа объекта. Располагаются виды таким образом, чтобы размещаемые в пространстве фрагменты сетки полностью соответствовали всем видам. Другими словами, их расположение должно обеспечить пространственное соответствие будущей модели пожарного корабля и его видов по ширине, высоте и длине.
Для того чтобы расположить соответствующие виды в окне проекции программы 3DSMAX, нужно создать объект Plane (плоскость) для каждого из видов. Далее созданную плоскость необходимо требуемым образом расположить в окне проекции. После того как все необходимые плоскости созданы и имеют правильное пространственное положение, на них с помощью метода наложения текстур проецируются различные виды чертежа моделируемого объекта.
На рис. 1 представлены чертежи видов пожарного корабля, наложенные на плоскость.
После проделанных операций необходимо убедиться в правильности наложения текстур и пространственного положения плоскостей, так как ошибки на этом этапе моделирования могут привести к ошибкам построения модели пожарного корабля. Если качество изображения видов на плоскостях не позволяет точно ориентироваться при моделировании, то это значит, что чертежи создаваемого объекта необходимо отсканировать с большим разрешением и заново разместить их на плоскостях.
При моделировании объекта его будущая сетка формируется путем различных деформаций и присоединения компонентов к исходной плоскости, поэтому правильное размещение исходной плоскости в соответствии со всеми видами чертежа обеспечивает точность построения сетки объекта.
Создаваемая плоскость должна иметь по одному сегменту по горизонтали и вертикали. Это требование необходимо для облегчения процесса формирования сетки и уменьшения времени формирования изображения моделируемого объекта в файлах растровых картинок или в видеофайлах.
РИС.2. Плоскость, имеющая правильное пространственное положение
На рис. 2 представлена плоскость, имеющая правильное пространственное положение.
Место, где должна быть расположена исходная плоскость, определяет сам пользователь в соответствии со своим планом построения сетки.
При создании сложных объектов после того, как сетка построена, ее упрощают, убирая вершины и ребра, которые не изменяют качество изображения. После построения и размещения исходной плоскости к ней начинают присоединять другие поверхности, которым путем различных преобразований и размещений придают форму объекту. Количество новых построенных поверхностей определяется сложностью топологии объекта — пожарного корабля. На рис. 3 представлена исходная поверхность с присоединенными к ней дополнительными поверхностями.
Для работы с сеткой в ЗББМАХ имеется множество способов и специальных инструментов, которые позволяют соединять между собой вершины, разбивать ребра сетки, добавлять новые вершины, ребра, полигоны, сглаживать сетку, выдавливать полигоны и т.д. Эти инструменты дают возможность создавать оптимизированную сетку с топологией, точно повторяющей форму моделируемого объекта.
В любых сложных объектах кроме больших элементов нестандартной формы присутствуют и мелкие детали. Для их построения нецелесообразно использовать вышеизложенный метод моделирования, так как он приведет к существенным временным затратам. В этом случае удобнее применить стандартные примитивы, а затем с помощью различных средств программы ЗББМАХ изменить нужным образом их топологию.
Для того чтобы построить несложный объект в соответствующем месте моделируемого пожарного корабля, необходимо:
• разместить стандартный примитив в соответствии с видами чертежа моделируемого объекта;
• составить план изменения топологии примитива, обеспечивающий как можно более простой способ построения объекта;
• с помощью инструментов ЗББМАХ произвести необходимые изменения геометрии примитива. На рис. 4 представлен стандартный примитив
после изменения топологии его сетки. Полученный результат был достигнут путем перемещения и соединения вершин, выдавливания полигонов и других специальных операций над стандартным примитивом.
Объекты в программе ЗББМАХ имеют однотонную окраску и одинаковые блики. Для того что-
РИС.3. Исходная поверхность с присоединенными к ней дополнительными поверхностями
РИС.4. Стандартный примитив после изменения топологии его сетки
бы это изменить, необходимо назначить объектам новый материал. Он полностью определяет вид поверхности объекта, в то время как сетка описывает форму этой поверхности. Материал определяет такие параметры поверхности, как цвет, рельеф, размер и форма блика, вид зеркального отражения и т. д. Все они задаются числом, цветом либо с помощью текстурных карт, работа с которыми позволяет достичь реалистичных эффектов. Материалы создаются и настраиваются в редакторе материалов; это относится ко всем материалам, присутствующим в сцене.
Настройка материалов с использованием текстурных карт достаточна сложна, но позволяет добиться хороших результатов. Главное при распределении материалов — следить за точностью выбора объектов, так как при большом количестве объектов в сцене не исключены ситуации, когда материал будет ошибочно присвоен не тому объекту.
Анимация является ключевым понятием для пакета ЗББМАХ. Эффект движения в компьютерной анимации создается за счет использования принципа инертности восприятия. Каждое отмеченное глазом изображение остается в нашем восприятии как статическая картинка до тех пор, пока ее не сменит новая. За счет очень частой смены подобных картинок мы видим практически непрерывное движение. Согласно профессиональной терминологии эти изображения называются кадрами. Естественно, чем выше частота смены кадров (т.е. меньше временной промежуток между соседними кадрами), тем более плавным будет казаться полученное движение. В пакете ЗББМАХ плавные переходы между ключевыми кадрами создаются автоматически с помощью так называемых контролеров анимации. Задачей пользователя остается только правильное размещение ключевых кадров на временной шкале.
Анимацию в программе ЗББМАХ можно создавать не только для движения объектов, но и для различных параметров: объекта (цвет, высота, ширина, длина, количество полигонов), модификаторов, материалов объекта и т.д. Все вышеупомянутые виды анимаций можно создать с помощью ключевых кадров.
В случае сложной анимации, требующей ручной настройки, необходимо будет воспользоваться редактором треков, который позволяет изменять промежуточные кадры анимации.
Несмотря на то, что визуализировать можно любой вид в программе ЗББМАХ, включая любое окно проекции, как ортогональное, так и аксонометрическое, окончательную обработку (визуализацию) рекомендуется проводить с помощью камер. Камеры имеют несложную, гибкую систему настройки и перемещения в пространстве. Как и реальные, камеры в ЗББМАХ имеют фокусное расстояние, что позволяет уменьшать и увеличивать
РИС.5. Результат визуализации трехмерной модели пожарного корабля с использованием камеры
объекты. Кроме этого, они поддерживают замену линз и другие немаловажные возможности.
Камеры имеют также две плоскости отсечения. Если какой-либо объект находиться ближе, чем первая плоскость, либо дальше, чем вторая, он не виден из камеры, которой эти плоскости назначены. Если необходимо, чтобы объект не просто был не виден из камеры как при использовании плоскостей отсечения, а как бы исчезал в тумане, то применяют стандартный туман.
Все эти настройки позволяют быстро и просто получить нужный результат, но самой трудной задачей является определение точки съемки.
Обычная точка съемки, когда камера установлена на уровне глаз и направлена по горизонтали, привычна для человека по большинству фильмов. При использовании такой камеры у зрителя создается ощущение присутствия в сцене.
Для задания сложного и точного движения камеры программа поддерживает применение сплайнов в качестве ограничителей движения камеры. Таким образом, пользователь в начале создает сплайн, который точно повторяет требуемую траекторию движения камеры, а затем назначает этот сплайн в качестве ограничителя движения камеры. Кроме этого, имеются еще и специальные настройки поведения камеры при перемещении на сплайне. С их помощью можно, например, создавать имитации облета предмета или полета.
В пакете ЗББМАХ имеется возможность производить видеомонтаж непосредственно в программе. Функциями видеомонтажа, поддерживаемого по умолчанию ЗББМАХ, являются следующие: определение временного отрезка работы каждой камеры, что позволяет получить конечную анимацию, отснятую с неограниченного числа камер, на
ложение различных видов бликов, свечений, зернистости и размытости изображения и т.д. Все эти функции очень полезны при создании сложных реалистичных сцен.
На рис.5 представлен результат визуализации модели пожарного корабля с использованием камеры.
Приведенная в статье методика применения пакета ЗББМЛХ для создания виртуальной динамической модели пожарного корабля может быть ис-
пользована и для создания подобных моделей других образцов сложной пожарной техники, на которых удобно исследовать эффективность подобной техники при ее работе в конкретных условиях тушения пожаров. Это позволит существенно сократить затраты заказчика (в нашем случае — МЧС России) и разработчиков сложной пожарной техники на создание натурных образцов (макетов) и проведение их испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуков Ю. И., Малыгин И. Г., СмольниковА. В. Применение функционального моделирования в деятельности Государственной противопожарной службы // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. № 2(5). С. 66-69.
2. Жуков Ю. И., Малыгин И. Г., Смольников А. В. Математические модели тушения пожаров на воде с использованием пожарного корабля // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. № 3(6). С. 82-85.
3. Малыгин И. Г., СмольниковА. В. Метод использования технологий информационной поддержки (САЬБ-технологий) при разработке сложной пожарной и спасательной техники // По-жаровзрывобезопасность. 2004. Т. 13. № 3. С. 38-43.
Поступила в редакцию 16.02.05.
