МОДЕЛИРОВАНИЕ 3D ОБЪЕКТОВ В ПРИКЛАДНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Аннотация:

Рассмотрен вопрос реализации прикладной интеллектуальной системы, состав и последовательность выполнения визуализации и моделирования корпусной мебели с использованием интеллектуальных приложений AutoCAD, а также решение задач оптимального раскроя и составление карт раскроя.

Abstract:

The question of the implementation of the application of intelligent system, the composition and sequence of visualization and modeling of furniture using AutoCAD intelligent applications, as well as solving problems and making optimal cutting layouts.

Ключевые слова:

компьютерное моделирование; объект; виртуальная реальность; интеллектуальная система; проект; модель; программный продукт.

Keywords:

computer modeling; object; virtual reality; intelligent system; project; model; software.

С развитием информационного общества возникла необходимость разработать совершенно новую, интеллектуальную информационную технологию. В процессе разработки прикладных интеллектуальных систем появляется необходимость создания базы знаний, которые могут быть созданы непосредственно разработчиком, без участия экспертов знаний. Несмотря на это, сложность создания прикладных интеллектуальных систем на порядок ниже, чем разработка программных приложений [1, с.7].
Прикладная интеллектуальная система должна включать в себя самые передовые достижения из области разработки программ искусственного интеллекта.
Визуализация и моделирование в реальной среде взаимодействия человека и проектируемых объектов осуществляется с помощью компьютерной технологии. Использование программного продукта AutoCAD ускоряет процесс моделирования и визуализации. Цель технологии визуализации заключается в создании твердотельных объектов корпусной мебели, с последующим светотеневым оформлением.
Развитие процесса визуализации привело к тому, что принятые технические решения четко отвечают поставленным требованиям. Требуется определенное время, чтобы проектировщик мог найти новые инновационные подходы, которые позволили бы сократить время и затраты на разработку. Повышая конкурентоспособность вновь создаваемого объекта, можно повысить деятельность целой компании. Использование компьютерной технологии, визуализации и моделирования в процессе проектирования мебельной продукции, сокращает их сроки изготовления.
Основной целью является создание прикладных интеллектуальных систем, с разработкой централизованной базы данных, которая содержит аналитические описания, процедурные модели и расчетные модули, что позволяет избежать необходимости повторной разработки аналогов имеющихся 3D моделей. Механизм поиска похожих аналитических описаний и процедурных моделей позволит уменьшить время для проведения оценки и прогнозирования состояния сложных объектов, т.к. у пользователя появится возможность доработать похожие процедурные модели или аналитические описания. Актуальность исследования заключается в необходимости разработки централизованной базы данных, что позволяет, используя аналоги мебельной продукции создать их 3D модели и тем самым сократить ресурсы времени затрачиваемое на создание 3D объектов, а также время на разработку конструкторской документации.
При изучении интеллектуальных информационных систем (ИИС) необходимо использовать понятие «знания» и учитывать их отличие от обычных данных [2, с.33].
Данные в интеллектуальных информационных системах являются разновидностью декларативной информации и представляют собой конкретные факты, характеризующие объекты, процессы и явления предметной области, а также их свойства.
Следует иметь в виду, что резкой границы между данными и знаниями нет, т.к. современные СУБД обеспечивают реализацию идентифицируемости всех информационных единиц, хранящихся в БД. В современных языках программирования гибкая структурированность достигается за счет использования абстрактных типов данных или объектно-ориентированного представления информации. При проектировании реляционных БД широко используется понятие функциональной зависимости. Использование объектно-ориентированного подхода при создании систем различного класса, хранимых процедур в БД и т.п. делает данные активными. Таким образом, с развитием средств информатики, отличия знаний от данных, сглаживаются.
На сегодняшний день AutoCAD является самой популярной средой автоматизированного проектирования. Эта среда выбрана многими разработчиками в качестве базовой графической платформы для создания машиностроительных, архитектурных, строительных, геодезических программ, мебельной продукций и систем инженерного анализа.
Интеллектуальное приложение AutoCAD дает мгновенный ответ на изменения, выполненные в виртуальной среде (например, изменение масштаба или размеров).
Виртуальная реальность позволяет освободить взаимодействие человека с виртуальной средой, т.е. нет никаких принципиальных ограничений в этом отношении, поэтому можно исследовать и опробовать любой компонент, любую трехмерную модель и ее виртуальный аналог. Как было установлено 3D модель, а также среда, в которой выполняется проектирование, свободна от ограничений физического пространства и времени [3, с.21].
Система автоматизированного проектирования AutoCAD позволяет не только создавать, но и улучшить конечный продукт, оценить и протестировать объект в реальной среде, так и в среде виртуальной реальности.
Таким образом, визуализация и моделирование реальной среды в системе AutoCAD становится особенно актуальной в процессе создания 3D объектов. Интеллектуальные приложения AutoCAD позволяют в несколько раз ускорить процесс разработки новых 3D объектов (Рис.1).
Использование технологии виртуального проектирования, т.е. создание виртуальных 3D моделей, предназначенных для последующего изготовления реального объекта, комплексная оценка его присутствия на сцене виртуального пространства, позволяют решать задачи эргономики, функциональности, работоспособности и т.д.
Ценность выполненных исследований заключается в разработке 3D моделей мебельной продукции, а также в параллельном решений задач оптимизации технологических процессов (оптимальный раскрой плитных материалов, решение производственной программы и т.д.) и в созданий базы данных.
Нами установлено, что при визуализации и моделировании 3D объектов важным является внешний вид продукта, его форма, характеристика, т.е. его дизайн.
Дизайн - новое приложение в области компьютерной графики в мебельной промышленности. Цель изучения дизайна мебели – это выбор наиболее успешной концепции внешнего вида изделия из множества вариантов и детального визуального анализа выбранной концепции [4, с.20].. Если сборка конструкции изделия выполняется с помощью интеллектуального приложения, то это может уменьшить время проектирования, а также общее время разработки в несколько раз. Ценность работы заключается в , существует достаточная экономия ресурсов, так как все аспекты внешнего вида оцениваются на компьютере, полномасштабным представлением моделей создаваемых объектов .
В процессе создания 3D моделей, мы создаем концептуальную модель, т.е. предварительный проект различных вариантов продукта, в итоге получаем "трехмерный контур", далее разрабатываются компьютерные "рисунки", которые являются ортогональными проекциями будущего продукта, в следующем этапе процесса моделирования создаем трехмерную модель объекта и завершаем оформление поверхностей этих объектов.
Основное назначение прикладной интеллектуальной системы проектирования, это – синтез конфигурации объектов, которые удовлетворяют определенным требованиям задачи проектирования [5, с.33].
Для дальнейшего развития внутреннего проектирования 3D объектов, т.е. для определения составляющих элементов мебели и выполнения проектных расчетов (карты раскроя, чертежной документации и т.д.), используем интеллектуальные приложения системы, которые осуществляют выбор материала (то есть, использует оптические свойства поверхностей), отбор и расположение источников света, выбор фона. Процесс моделирования завершается расчетом и подбором сцен с высокой степенью фотореализма (Рис.1).
Автоматизированное конструирование - наиболее важный из всех этапов жизненного цикла мебельного изделия. При автоматизированном конструировании формируется математическая модель изделия - основа автоматизации всех других этапов, а функциональность модуля конструирования определяет тот класс изделий, которые может выпускать предприятие.
Возможности автоматизированного конструирования во многом определяют возможности всей системы автоматизированного проектирования мебели [5, c.47].

Рисунок 1. Виртуальная модель мебели

Сегодня интеллектуальные прикладные системы автоматизированного проектирования уверенно заняли свою экологическую нишу: решение трудоемких, но хорошо формализованных задач, таких как, построение моделей изделий, режущих материалов, разработка программ для станков с ЧПУ, карты раскроя и т.д.
В каждой задаче реализуется свой модуль, который работает на ограниченном пространстве проекта. Преимущество такой автоматизации не вызывает сомнений, но она способна улучшить общую эффективность проектирования и производства не более чем на 25%. Дальнейшее повышение взаимодействия между ведомствами и, следовательно, между отдельными   субъектами можно поднять эффективность за счет автоматизации конструирования [6].
Созданная нами  система конструирует различные взаимосвязи описаний объектов друг с другом и проверяет, удовлетворяют ли эти конфигурации установленным ограничениям и требованиям. Система также составляет  карту раскроя, а окончательное решение при этом принимается экспертом (Рис.2).
Для производства щитовых деталей мебели используются МДФ плиты  «n» типоразмеров A_i = 1,n.  Раскрой каждого  i-го типоразмера производится согласно картам раскроя, количество которых равно «m» A_j = 1,m.
Процент полезного выхода МДФ при раскрое листа i-го типоразмера по j-й схеме составляет Р_ij, а заготовки k-го типоразмера получают в количестве С_ijk штук. Потребное количество заготовок k-го типоразмера  b_k шт., а количество плит на складе каждого i-го типоразмера равно N_i.

Рисунок 2. Автоматизированное конструирование

Определяется оптимальный план раскроя МДФ, обеспечивающий максимальный процент полезного выхода с учетом комплектности при ограниченных ресурсах плитных материалов.
Плиты размером 2600×1810 мм подлежат раскрою на заготовки четырех типоразмеров (рис.3). Требуется получить необходимое количество типоразмеров заготовок. При этом суммарное количество отходов должно быть минимально. Решение и определение оптимального варианта карты раскроя определяется интеллектуальной системой.
Работа проводилась в созданной нами среде программного продукта "Раскрой", эта программа легко может быть интегрирована в любую из современных систем AutoCAD, BCAD и т.д., имеет возможность подключения к пользовательским модулям для расширения базовой возможности.
При составлении карт раскроя, на первом этапе составляется множество вариантов расположения деталей мебели на карте, которые построены согласно принятым критериям, на втором, программа из множества вариантов карт раскроя выбирает оптимальный. В соответствии с процессом резания плит по карте раскроя решаются проблемы двух основных направлений. Сначала решается задача геометрического моделирования на компьютере, в котором затрагивается вопрос о размещении заготовок на одном листе и получение карты раскроя, затем, решается задача оптимизации. Как показали исследования и практический опыт, решение задач оптимизации может быть сведена к решению проблем перебора, например, к задаче минимизации целевой функций, определенного на множестве перестановок расположения деталей мебели на карте раскроя [7, с. 26], или использованием детерминированного метода динамической сортировки [8, с. 337].


Рисунок 3.  Карты раскроя

Хотя применение оптимизационных алгоритмов и повышает вероятность построения рациональной раскройной карты, но их эффективность сильно зависит от методов получения раскройных карт. Именно от эффективности методов, работающих на этапе генерации раскройных карт, зависит результативность оптимизационных алгоритмов, что осуществляется с помощью программы «РАСКРОЙ». Применение различных методов для укладки заготовок позволяет наиболее полно использовать мощь оптимизационных алгоритмов. Особое внимание уделено методам генерации допустимых раскройных карт. Нами исследованы различные специализированные алгоритмы построения раскройных карт, как для случая прямоугольных объектов, так и для объектов произвольной формы (Рис.4). Описаны способы расположения геометрических объектов произвольной формы и способы повышения быстродействия и качества алгоритмов, работающих с произвольной геометрией заготовок. Разобраны основные приемы и алгоритмы проектирования раскройных карт.

В 3D модели корпусной мебели нами создана база знаний, использованы интеллектуальные приложения системы AutoCAD. Встроенный модуль базы данных с неограниченными возможностями представляет собой сочетание SQL и мощь AutoCAD. Такое сочетание позволяет выбрать необходимую текстуру материала со специфическими поверхностными свойствами (глянец, прозрачность и т.д.), фурнитуру, шарниры, детали мебельной продукции и т.д.


Рисунок 4. Блок-схемы поиска решения задачи о раскрое

Далее система выполняет переход к составлению алгоритмов компоновки, для этого в созданной базе хранятся файлы в DWG, которые позволяют в AutoCAD открыть файл, выбрать необходимый объект, доработать его или вносить изменения, менять текстуру, масштаб, размеры, конфигурацию и переходить к составлению конструкторской документации. Что позволяет ощутимо снизить временные, человеческие и т.д. ресурсы.
Процесс разработки нового продукта происходит в режиме тесного сотрудничества дизайнеров и инженеров, что обеспечивает обратную связь, позволяющую еще на стадии разработки проекта (а не тогда, когда уже продукт готов), довести модель "до ума", и это делает использование прикладных интеллектуальных систем, жизненно важным для проектируемых объектов [6, с.47].
В результате созданную нами, с помощью прикладных интеллектуальных приложений, 3D модель корпусной мебели, можно разместить в различных средах, моделировать и отслеживать не только движение его в виртуальном пространстве, но и продемонстрировать различные варианты компоновки. Используя разработанный программный продукт «РАСКРОЙ» можно составить несколько вариантов карт раскроя, с последующим выбором оптимальных вариантов, что позволит снизить объем отходов и в свою очередь снизит себестоимость продукции. Параллельно создается база данных, где хранится информация.
Таким образом, виртуальная реальность, созданная с помощью прикладных интеллектуальных систем, может быть использована в качестве средства общения между дизайнером, технологом и заказчиком, что позволит дизайнеру, специалисту по надежности систем, технологу и другим экспертам обсудить и сделать замечания, находясь в разных частях мира, с помощью Интернета. Оценить преимущества и недостатки проекта с использованием виртуальной модели в качестве наглядного пособия. Это неизбежно приведет к лучшему пониманию сущности проблем и быстрой разработки 3D моделей с использованием прикладных интеллектуальных систем и их различных вариантов компоновки, а также устранению возможных трудностей возникающих при проектировании и производстве любого объекта.