ГЛАВА 6. ПРИКЛАДНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МАШИННОЙ ГРАФИКИ

6.1. АРХИТЕКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

В архитектурном проектировании существует задача анализа внешнего вида архитектурного сооружения до строительства в целях выбора облика здания, его согласования с ландшафтом и исторической застройкой. Внешний облик здания тесно связан с внутренней планировкой, а последняя, определяюще воздействует на интерьер. Таким образом, архитектурное проектирование представляет собой комплексную проблему в области художественного трехмерного моделирования [98]. Традиционное решение обычно связано с физическим макетированием здания из пенопласта, пластилина, гипса и других подходящих материалов. Можно назвать следующие основные недостатки этого подхода: трудоемкость изготовления, сложности корректировки модели, значительные затраты на изменение оптических свойств поверхностей, узкий диапазон изменения условий освещения, ограниченность диапазона обзора и положения точки наблюдателя. Трудоемкость изготовления обусловлена, как правило, ручным трудом в единичном уникальном производстве. Любое изменение конструкции связано с физическими переделками модели.

Как правило, физические модели наблюдают при текущем естественном или фиксированном искусственном освещении, что не дает полной картины изменения освещенности и теней в течение светового дня. Заметим, что тень является важным составным элементом облика архитектурного сооружения. Наконец, физические модели наблюдают "с высоты птичьего полета", что не эквивалентно реальным условиям наблюдениям человеком в действительных масштабах, и, как правило, с направлением взгляда снизу-вверх или из окна. Последний недостаток очень часто проявляется в том, что эффектно смотрящееся здание в плане при физическом наблюдении человеком с поверхности Земли представляется негармоничным или ординарным.

Реальной альтернативой традиционному подходу является использование трехмерной машинной графики в качестве инструмента моделирования. Сущность метода вполне ясна: вместо физического макета создают математическую модель и затем отображают ее с помощью ЭВМ [106].

Моделирование объекта – здания осуществляют методом сплошных тел или полигональными полями. В качестве алгоритма построения изображения могут быть выбраны методы сканирующей строки, Робертса, трассирования лучей [130,132,136]. Применение последнего подхода оправдано только в случае очень сложных объектов с криволинейными поверхностями. Для большинства объектов эффективным является интервальный метод построчного сканирования, так как многие строительные элементы современных зданий образованы плоскостями [26]. Подавляющее большинство коммерческих программных продуктов архитектурного проектирования (Autocad, Arclnfo Tin, Syscad, Gable ...) базируются на использовании полигональных полей или сплошных тел-многогранников в качестве модели объекта и метода сканирующей строки в качестве модели визуализации. Изображения, построенные такими системами, характеризуются следующими изобразительными признаками и особенностями: псевдоцветовое окрашивание поверхностей; отсутствие собственных и падающих теней; ортогональное проецирование. Эффективность метода визуализации позволяет за несколько секунд отображать объекты, состоящие из сотен поверхностей, при использовании 386-го микропроцессора.

Применение машинной графики позволяет спрогнозировать облик и для наземного наблюдателя, и для обзора с крыши, из окна, с самолета, с соседних зданий. Можно достаточно простыми средствами изменять окраску стен и другие их оптические свойства. Возможности компьютерного синтеза изображений позволяют имитировать современные строительные материалы и моделировать, например, сплошное покрытие поверхности матированными стеклами. В таком случае корректный облик сооружения с зеркальным отражением окружающей застройки может быть построен только с помощью метода трассирования лучей.

Одним из необходимых условий для прогнозирования облика архитектурного сооружения является не только отображение формы здания, но и текстуры, цвета, отражательной способности, геометрического рисунка на поверхности, облика окон и фигурных украшений. Непосредственное математическое описание последних и синтез их изображений трудоемки и требуют значительных вычислительных мощностей. Для разрешения затруднений подобного рода без ущерба для цели самого проектирования применяют следующее упрощение. На этапе математического моделирования отдельно описывают геометрическую форму здания с оптически однородными поверхностями без окон, плоских узоров, текстуры и других подобных деталей. Эти накладывающиеся на фасад элементы создают отдельно в виде изображений и в оцифрованном виде вводят и хранят в памяти машины. После генерации облика здания картину стены автоматически переносят на сгенерированное изображение по опорным или реперным точкам. Реперными точками в данном случае будут называться соответствующие точки на изображении плоского узора и изображении объекта.

На рис. 6.1.1 показан случай нанесения картины окон на внутреннюю поверхность цилиндрического здания. На первом этапе (а) проектировщик создает трехмерную модель здания в системе  в виде сплошного однородного тела. Художественным, фотографическим или иным методом строится плоская картина текстуры или узора фасада (рис. 1.6.1,б) в некоторой прямоугольной системе . На этой картине выбираются опорные точки 1,2,…10 и проставляются позиции, соответствующие им в трехмерной модели (рис.1.6.1,а).

Рис. 6.1.1. Нанесение рисунка на поверхность здания методом трансформирования

Затем методами машинной графики в заданных условиях строится изображение здания в системе координат изображения  (рис.1.6.1,в), одновременно с которым определяется положение изображений  опорных точек в системе .

Узор (рис.1.6.1,б) трансформируют по опорным точкам ( в ) в положение (рис.1.6.1,г) на изображении и совмещают два изображения (рис.1.6.1,г и в) в единое целое (рис.1.6.1,д), корректное по характеру картины фасада, теням, тонам и др. Часть трансформируемого фасада может быть закрыта другими деталями; в этом случае она удаляется вручную.

Для развертывающихся поверхностей может быть построена автоматическая система перенесения узора, основанная на использовании метода трассирования лучей (рис.6.1.2). Пусть визирующий луч встречается с объектом в точке  (рис.6.1.2,а); тогда, как ясно из рисунка, координаты  плоской развертки фасада определяются по правилу ; . В этих координатах определяется уровень тона предварительно построенного узла (рис.6.1.2,б), который и используется в качестве мультипликативного коэффициента яркости при вычислении освещенности. При таком подходе удается избежать осложнений при экранировании поверхностей и добиться полного автоматизма.

Рис. 6.1.2. Нанесение рисунка на развертывающуюся поверхность

Машинная графика является незаменимым средством архитектурного проектирования новых зданий в местах исторической застройки, где внешний вид здания должен не только разрушать специфический стиль района, но и гармонировать с ним. Многочисленные работы по этой теме основаны на идее фотографирования района застройки с нескольких информативных ракурсов и впечатывании в полученные фотографии синтезированных на ЭВМ изображений нового здания. Анализ полученных комбинированных изображений позволяет значительно повышать объективность принятия решения в выборе облика здания. Рассмотрим этот подход более подробно.

Как и во многих других прикладных задачах, сначала создают математическую модель трехмерной математической формы и оптических свойств поверхности проектируемого объекта. Описание хранят в базе данных ЭВМ. Затем производят натурное фотографирование панорамы исторической застройки в районе спроектированного места строительства. Фотографирование выполняют с нескольких информативных позиций и каждый раз условия фотографирования вводят в память ЭВМ. К этим условиям относятся: положение камеры в системе координат места застройки, ориентация оптической оси, фокусное расстояние аппаратуры съемки, положение Солнца в системе координат места застройки и другие параметры (вид и уровень облачности, относительное отверстие объектива, удаление от объекта). Последние параметры позволяют более корректно рассчитывать освещенность изображения будущего здания, согласующуюся со световым фоном всей сцены. Заметим, что некорректный расчет по освещенности всегда может быть интерактивно исправлен на комбинированном изображении. Затем методами машинной графики синтезируют изображение проектируемого объекта. При этом объект размещают в выбранном месте в системе координат строительной площадки, а условия синтезирования выбирают такими же, какими они были в момент реальной съемки. В результате такой операции синтезированное изображение по масштабу, тонам, теням, ракурсу и т. д. полностью соответствует условиям реального фотографирования в каждой позиции наблюдения. Частота дискретизации синтезированного изображения должна быть достаточно высокой для достижения однородности по качеству машинного и реального участков результирующего (комбинированного) изображения. Критерии частоты дискретизации изложены в § 5.1. Последний этап заключается в интерактивном впечатывании синтезированного изображения объекта на поле оцифрованной фотографии района застройки.

Полученное комбинированное изображение позволяет объективно оценивать качество проектирования. В случае необходимости в модель здания могут быть внесены изменения и повторен цикл синтеза и впечатывания для достижения требуемой эстетичности конечной картины.