ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ: Μία σύντομη αναφορά

20 Μαΐου 2019

Τα τελευταία χρόνια γίνεται πολύς λόγος για την Τρισδιάστατη Μοντελοποίηση (3D Modeling) και την Ψηφιακή Απεικόνιση της Πραγματικότητας (Reality Modeling), με χρήση τεχνολογικών μέσων συνεχώς πιο προσιτών στο ευρύ κοινό. Επίσης οι όροι Εικονική Πραγματικότητα (Virtual Reality), Επαυξημένη Πραγματικότητα (Augmented Reality) και Τεχνητή Νοημοσύνη (Artificial Intelligence) χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην καθημερινότητά μας, καθώς η διεύρυνση της τεχνολογίας και των έξυπνων συσκευών διευκολύνουν τις καθημερινές μας δραστηριότητες.

Τι είναι όμως το 3D Modeling και ποια πλεονεκτήματα προσφέρει στις μέρες μας;

Ορισμός

Ένας ορισμός που θα μπορούσε να αποδοθεί για την τρισδιάστατη μοντελοποίηση είναι: η διαδικασία παραγωγής ενός Tower buildingμαθηματικού μοντέλου απεικόνισης ενός τρισδιάστατου αντικειμένου ή σχήματος (άψυχου ή έμψυχου), με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού.

Το παραγόμενο αντικείμενο ονομάζεται τρισδιάστατο μοντέλο (3D model) και είτε απεικονίζεται ως εικόνα τρισδιάστατης φωτοσκίασης (3D rendering), είτε χρησιμοποιείται σε προσομοιώσεις φυσικών φαινομένων μέσω υπολογιστή. Το μοντέλο μπορεί επίσης να αναπαραχθεί φυσικά, με τη χρήση τρισδιάστατου εκτυπωτή.

Η παραγωγή των μοντέλων μπορεί να γίνει είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα. Στην πρώτη περίπτωση η παραγωγή γεωμετρικών δεδομένων για την τρισδιάστατη γραφική απεικόνιση σε υπολογιστή είναι η ίδια με την γλυπτική. Δημιουργούμε το μοντέλο στον υπολογιστή, όπως θα σμιλεύαμε ένα πλαστικό αντικείμενο στο χώρο. Αντιθέτως, στην αυτόματη παραγωγή μοντέλων χρησιμοποιείται ειδικό λογισμικό, για την αυτοματοποιημένη γραφική απεικόνιση των φυσικών αντικειμένων.

Μοντέλα

Τα τρισδιάστατα μοντέλα απεικονίζουν ένα φυσικό αντικείμενο, χρησιμοποιώντας σημεία του τρισδιάστατου χώρου, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με διάφορους τρόπους, όπως γραμμές, τρίγωνα, καμπυλωτές επιφάνειες, κ.λπ.. Δεδομένου ότι είναι συλλογές γραφικών πληροφοριών, μπορούν να σχεδιαστούν χειροκίνητα, αλγοριθμικά, ή με σάρωση. Ωστόσο, οι επιφάνειές τους μπορούν να καθοριστούν με περαιτέρω διαδικασίες παραγωγής υφών (textures).

Τα τρισδιάστατα μοντέλα χρησιμοποιούνται ευρέως - στο σχεδιασμό και τη γραφιστική με τη χρήση υπολογιστών. Η χρήση τους ξεκίνησε πριν ακόμα τη διάδοση των γραφικών στους προσωπικούς υπολογιστές. Πολλά παιχνίδια υπολογιστών χρησιμοποιούσαν προσχεδιασμένες φωτορεαλιστικές εικόνες, πριν την ανάπτυξη τεχνολογιών απευθείας παραγωγής φωτοσκιάσεων (rendering). Σήμερα, με τη χρήση σύγχρονων εφαρμογών, ο σχεδιαστής μπορεί να παρατηρήσει το μοντέλο από διάφορες όψεις και γωνίες, γεγονός που τον βοηθά να εξετάσει αν το παραγόμενο μοντέλο είναι το ζητούμενο, συγκρινόμενο με το αρχικό φυσικό αντικείμενο.

Χρήσεις Τρισδιάστατων Μοντέλων3D map

Στις μέρες μας, τα τρισδιάστατα μοντέλα χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία γκάμα πεδίων και εφαρμογών. Η βιομηχανία της ιατρικής χρησιμοποιεί μοντέλα οργάνων, τα οποία παράγονται από πολλαπλές δισδιάστατες τομές, με τι χρήση υπερήχων (MRI) ή αξονικής τομογραφίας (CT scan). Επίσης, η βιομηχανία του κινηματογράφου τα χρησιμοποιεί σαν χαρακτήρες ή αντικείμενα, για την παραγωγή κινούμενων εικόνων. Σημαντική είναι επίσης η χρήση τους στα βιντεοπαιχνίδια, ενώ υπάρχει πλειάδα επιστημονικών εφαρμογών όπως στην απεικόνιση λεπτομερών χημικών αλυσίδων.

Στην Αρχιτεκτονική, τα τρισδιάστατα μοντέλα χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση των προτεινόμενων κτιρίων και τοπίων, αντί των παραδοσιακών, φυσικών αρχιτεκτονικών μακετών. Στην Εφαρμοσμένη Μηχανική χρησιμοποιούνται ως πρότυπα παραγωγής νέων συσκευών, οχημάτων και κατασκευών, καθώς και σε πλήθος άλλων χρήσεων. Τις τελευταίες δεκαετίες ο κλάδος της Γεωπληροφορικής άρχισε επίσης να κατασκευάζει τρισδιάστατα γεωλογικά μοντέλα ως μια συνήθη πρακτική. Τα τρισδιάστατα μοντέλα μπορούν επίσης να αποτελέσουν τη βάση για τις φυσικές συσκευές που κατασκευάζονται με 3D εκτυπωτές ή μηχανές CNC.

Τύποι 3D Μοντέλων

Οι τύποι του 3D modeling περιλαμβάνουν κάθε είδους τρισδιάστατο σχήμα, από απλά-βασικά πολύγωνα (γεωμετρικά σχήματα όπως κύβοι, σφαίρες, πυραμίδες, κώνους, κυλίνδρους) έως πολύπλοκα κυρτά πολύγωνα (non-uniform rational b-spline, fractals) και πολύ-επίπεδες επιφάνειες.

Non-Uniform Rational B-Spilne (NURBS)
Non-Uniform Rational B-Spilne (NURBS)

Διαδικασίες Μοντελοποίησης

Υπάρχουν τρεις δημοφιλείς τρόποι αναπαραγωγής ενός μοντέλου:Πολυγωνική μοντελοποίηση

1. Πολυγωνική μοντελοποίηση: Τα σημεία στον τρισδιάστατο χώρο, που ονομάζονται κορυφές, συνδέονται μεταξύ τους με γραμμές για να σχηματίσουν ένα πλέγμα πολυγώνων. Η μεγάλη πλειοψηφία των τρισδιάστατων μοντέλων σήμερα είναι κατασκευασμένα ως πολυγωνικά μοντέλα με υφή, επειδή είναι ευέλικτα, περιγράφονται αναλυτικά από μαθηματικές εξισώσεις και μπορούν να υλοποιηθούν εύκολα σε υπολογιστικό περιβάλλον.Μοντελοποίηση καμπυλών

2. Μοντελοποίηση καμπυλών: Οι επιφάνειες ορίζονται από καμπύλες, οι οποίες προσαρμόζονται από τα σταθμισμένα σημεία ελέγχου. Η καμπύλη ακολουθεί (αλλά δεν αναπαράγει απαραιτήτως) τα σημεία αυτά. Η αύξηση του κέντρου βάρους ενός σημείου, θα τραβήξει την καμπύλη πιο κοντά στο σημείο αυτό.

3. Ψηφιακή γλυπτική: Πρόκειται για μια αρκετά νέα μέθοδο μοντελοποίησης, η οποία όμως έχει γίνει πολύ δημοφιλής στα λίγα χρόνια που χρησιμοποιείται. Υπάρχουν επί του παρόντος τρεις τύποι ψηφιακής γλυπτικής:

  • Μετατόπιση (Displacement), η οποία είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη Displacementμεταξύ των εφαρμογών αυτή τη στιγμή. Χρησιμοποιεί ένα πυκνό μοντέλο (που παράγεται συχνά από νέφη μικρότερων πολύ-επίπεδων επιφανειών ενός γενικότερου πολυγώνου) και αποθηκεύει νέες θέσεις για τις κορυφές, μέσω της χρήσης ενός χάρτη εικόνας. Είναι σαν να τυλίγουμε ένα σεντόνι γύρω από ένα αντικείμενο και να προσπαθούμε να ταιριάξουμε κάθε σημείο του σεντονιού στις λεπτομέρειες του αντικειμένου.
  • Ογκομέτρηση (Volometric), η οποία βασίζεται στα λεγόμενα voxels, έχει παρόμοιες δυνατότητες με την μετατόπιση VolometricVolometricαλλά δεν επηρεάζεται από δυναμικά μεταβαλλόμενα πολύγωνα. Η παραμόρφωση μιας περιοχής μπορεί να επιτευχθεί, χωρίς να απαιτείται η ύπαρξη πολυγώνων σε αυτή την περιοχή.
  • Δυναμική δημιουργία μωσαϊκών (Tesselation): είναι παρόμοια Tesselationμε τα voxels αλλά διαιρεί την επιφάνεια χρησιμοποιώντας τριγωνισμότρίγωνα (Delaunay, mascons), για να διατηρήσει μια λεία επιφάνεια και να επιτρέψει ακριβέστερες λεπτομέρειες.

Πλεονεκτήματα 3D Modeling στις Κατασκευές

Η εξέλιξη της τεχνολογίας στις μέρες μας καθιστά την υλοποίηση κάθε έργου γρηγορότερη και πιο αποδοτική. Εκμεταλλευόμενοι τις μετρητικές διατάξεις και τα υπολογιστικά μέσα που μας προσφέρει, έχουμε τη δυνατότητα να κάνουμε περισσότερα, χρησιμοποιώντας λιγότερους πόρους. Σχεδόν στο σύνολό τους οι επιστημονικοί τομείς ακολουθούν την εξέλιξη αυτή, προκειμένου να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις της σύγχρονης εποχής. Υιοθετώντας τις πρακτικές του Building Information Modeling (BIM) και της τρισδιάστατης μοντελοποίησης, οι σύγχρονες μέθοδοι υλοποίησης επιτρέπουν στη βιομηχανία των κατασκευών να μειώσει σημαντικά το χρόνο και το κόστος ενός έργου. Το 3D modeling αλλάζει τον τρόπο παρουσίασης των αρχιτεκτονικών σχεδίων, επιτρέποντας στους μηχανικούς και τους εργολάβους να είναι πιο δημιουργικοί και να πειραματίζονται με νέες πρακτικές.

Με τη σταδιακή ενσωμάτωση της τρισδιάστατης μοντελοποίησης, η οποία τα τελευταία χρόνια ξεκίνησε να εμπλέκεται σε όλο τον κύκλο ζωής ενός έργου, η υλοποίηση των κατασκευών, δεν απαιτεί πλέον την κατασκευή μακετών, ενώ περιορίζεται σταδιακά και η εκτύπωση σχεδίων και διαγραμμάτων. Η κατασκευή έχει γίνει σε μεγάλο βαθμό ψηφιακή. Οι αρχιτεκτονικές παρουσιάσεις έχουν μετακινηθεί πλέον από τα έντυπα σχέδια στους επιτραπέζιους υπολογιστές, τις φορητές συσκευές και τον παγκόσμιο ιστό.

Η υιοθέτηση του τρισδιάστατου μοντέλου στην κατασκευή έχει επιφέρει πολλά οφέλη. Η μοντελοποίηση της πραγματικότητας, όχι μόνο επιταχύνει τη διαδικασία σχεδιασμού, αλλά επιτρέπει στους εμπλεκόμενους μηχανικούς να δοκιμάζουν διαφορετικές ιδέες και να εντοπίζουν πιθανά σχεδιαστικά προβλήματα, πριν ακόμα αυτά ξεκινήσουν να υφίστανται. Συνδέοντας όλα τα κομμάτια μιας κατασκευής, το 3D modeling μπορεί να προσφέρει μια πραγματική εικόνα του τελικού αποτελέσματος. Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι μπορεί να “ζωντανέψει” μια κατασκευή, χωρίς να μετακινηθεί ούτε ένα κόκκος άμμου.

Design

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα τρισδιάστατης μοντελοποίησης αποτελεί επίσης το γεγονός εικονικής μετακίνησης. Ο ενδιαφερόμενος πελάτης μπορεί να παρατηρήσει εικονικά πολλά περισσότερα σε ένα μελλοντικό έργο, σε σύγκριση με όσα μπορεί να προσφέρει ένα δισδιάστατο σχέδιο. Στην πραγματικότητα οι πελάτες μπορούν να κάνουν έναν εικονικό περίπατο μέσα στην προτεινόμενη κατασκευή. Μπορούν να περιηγηθούν μέσα στο μελλοντικό τους σπίτι, να επισκεφθούν την κρεβατοκάμαρα ή ακόμα και να δειπνήσουν εικονικά με καλεσμένους στην τραπεζαρία. Και όλα αυτά από τη φάση ακόμη του σχεδιασμού, δηλαδή πριν την εγκατάσταση του εργοταξίου.

Με την τρισδιάστατη μοντελοποίηση μπορεί επίσης να γίνει εύκολα κατανοητός ο περιβάλλων χώρος. Αυτή είναι ακριβώς η δύναμη που προσφέρει η συγκεκριμένη πρακτική σε έναν αρχιτέκτονα: η δυνατότητα να μετατρέπει ένα κτίριο στο σπίτι των ονείρων μας, δημιουργώντας χώρους υψηλής αισθητικής. Τα αρχιτεκτονικά μοντέλα προσφέρουν έναν υψηλό βαθμό ρεαλιστικής απεικόνισης, που το σχέδιο δύο διαστάσεων δεν μπορεί να αποδώσει. Επιπλέον, το τελικό αποτέλεσμα γίνεται πιο εύληπτο για τους πελάτες καθιστώντας τους συν-δημιουργούς του τελικού αποτελέσματος. Είναι ενδιαφέρον ότι οι πρακτικές αυτές μας επιτρέπουν να παρατηρήσουμε τα υλικά κατασκευής των επιμέρους στοιχείων της κατασκευής (δάπεδα, οροφή, τοιχοποιία, κουφώματα κ.λπ.), να προτείνουμε πιθανές αλλαγές και να οπτικοποιήσουμε άμεσα το τελικό αποτέλεσμα.

Ο φωτορεαλισμός είναι επίσης ένα σημαντικό στοιχείο του 3D modeling, που μας επιτρέπει να αντιληφθούμε καλύτερα το χώρο. Τοποθετώντας τα διάφορα έπιπλα στο χώρο και επιλέγοντας την επιθυμητή διακόσμηση, μπορούμε να έχουμε μια καλύτερη αίσθηση του τελικού αποτελέσματος.

Όλα τα παραπάνω κάνουν αδιαμφισβήτητο το γεγονός ότι η τρισδιάστατη μοντελοποίηση μπορεί να προσφέρει καλύτερα αποτελέσματα και καλύτερη επιλογή των υλικών κατασκευής. Τα τρισδιάστατα μοντέλα μπορούν να τοποθετηθούν με διαφορετικούς τρόπους στο χώρο, προσφέροντας διαφορετικές προοπτικές. Συνοψίζοντας λοιπόν τα οφέλη που μας προσφέρει η τρισδιάστατη μοντελοποίηση, μπορούμε να πούμε ότι η υιοθέτηση αυτής της σύγχρονης πρακτικής μπορούμε να έχουμε: καλύτερο έλεγχο πιθανών σχεδιαστικών λαθών, βελτιωμένη αντίληψη της υφής των επιφανειών, δυνατότητα εικονικής περιήγησης και φωτορεαλιστική απεικόνιση των εσωτερικών και εξωτερικών χώρων. Το σύνολο των πλεονεκτημάτων αυτών μας επιτρέπουν να επιτύχουμε περισσότερα με λιγότερο κόστος, ενώ συμβάλλουν σημαντικά στην καλύτερη συνεργασία μεταξύ των ομάδων που εμπλέκονται στη διαδικασία κατασκευής.

Η Ιδανική Τρισδιάστατη Απεικόνιση

Τρισδιάστατη απεικόνιση
  • Δώστε προσοχή στην υφή των επιφανειών και την επιλογή των υλικών. Ο πελάτης πρέπει να είναι σε θέση να έχει μια εικόνα του τελικού προϊόντος, όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πραγματική.
  • Επικεντρωθείτε στο ρεαλιστικό φωτισμό. Χωρίς αυτόν ο χώρος θα φαντάζει μουντός και επίπεδος.
  • Μην ξεχάσετε να διαμορφώσετε τον περιβάλλοντα χώρο και το φόντο ορίζοντα . Κατασκευές οι οποίες αιωρούνται στο κενό δεν φαίνονται ρεαλιστικές. Δέντρα, Θάμνοι και γενικότερα ένα όμορφο τοπίο προσδίδουν την απαιτούμενη έμφαση ρεαλισμού στην κατασκευή σας.

Συμπεράσματα

Οι σημερινές τεχνολογικές εξελίξεις είναι ραγδαίες. Εργασίες που πριν απαιτούσαν πανάκριβο εξοπλισμό και μεγάλο χρόνο υλοποίησης έχουν πλέον αντικατασταθεί από πιο σύντομες και οικονομικές λύσεις. Μια τυπική φωτογραφική μηχανή και ένα ΣμηΕΑ (Drone) είναι αρκετά για να παραχθεί ένα υψηλής ευκρίνειας τρισδιάστατο μοντέλο. Σε συνδυασμό με ένα λογισμικό επεξεργασίας εικόνων, για την παραγωγή των τρισδιάστατων μοντέλων, η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει ακόμα γρηγορότερη και πιο αποδοτική.

Αντίστοιχες εφαρμογές οι οποίες αναφέρθηκαν στην αρχή (AR, VR, AI, Reality Modeling), καθώς και η γρήγορη ανάπτυξη “έξυπνων” συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους (M2M, IoT), καθιστούν επιτακτική την ανάγκη υιοθέτησης νέων πρακτικών στον κατασκευαστικό τομέα. Εταιρείες που δεν θα κατορθώσουν να ακολουθήσουν αυτές τις νέες τάσεις κινδυνεύουν να παραμείνουν στο περιθώριο.

Ίσως να ακούγεται τρομακτικό να επιτρέψουμε στις μηχανές να αντικαταστήσουν ορισμένες από τις καθημερινές μας δραστηριότητες, ωστόσο οι απαιτήσεις της σύγχρονης εποχής είναι τέτοιες που δεν μπορούμε πλέον να ζήσουμε χωρίς αυτές. Ας σκεφτούμε απλά τι θα γινόταν αν αύριο ξυπνούσαμε και δεν είχαμε το ίντερνετ!

 

Βασίλης Πρασσάς
Image