vysokÉ uČenÍ technickÉ v brnĚ · 2. licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

VYUŽITÍ ADAPTIVNÍCH CAD SYSTÉMŮ PRO MODELOVÁNÍ

ELEKTRICKÝCH STROJŮ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE ANDREJ KANCIRAUTHOR

BRNO 2008

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONICENGINEERING

VYUŽITÍ ADAPTIVNÍCH CAD SYSTÉMŮ PROMODELOVÁNÍ ELEKTRICKÝCH STROJŮ

ADAPTIVE CAD SYSTEMS FOR MODELLING OF ELECTRICAL MACHINES

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE ANDREJ KANCIRAUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE doc. Dr. Ing. HANA KUCHYŇKOVÁSUPERVISOR

BRNO 2008

VYSOKÉ UČENÍTECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav výkonové elektrotechniky aelektroniky

Bakalářská prácebakalářský studijní obor

Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika

Student: Kancir Andrej ID: 78442Ročník: 3 Akademický rok: 2007/2008

NÁZEV TÉMATU:

Využití adaptivních CAD systémů pro modelování elektrických strojů

POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:

1. Popište nové možnosti programu 3ds max 9. 2. Pro vybraný typ elektrického stroje připravte manuál tvorby modelu. 3. Vytvořte animaci z oblasti silnoproudé elektrotechniky.

DOPORUČENÁ LITERATURA:

Dle pokynů vedoucího práce.

Termín zadání: 10.10.2007 Termín odevzdání: 6.6.2008

Vedoucí práce: doc. Dr. Ing. Hana Kuchyňková

doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc.předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ:

Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práve třetích osob, zejména nesmí zasahovatnedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152trestního zákona č. 140/1961 Sb.

LICENČNÍ SMLOUVA

POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO

uzavřená mezi smluvními stranami:

1. Pan/paní

Jméno a příjmení: Andrej Kancir

Bytem: Partizánska 1281, 01841, Dubnica nad Váhom

Narozen/a (datum a místo): 2.4.1986, Ilava

(dále jen "autor")

a

2. Vysoké učení technické v Brně

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

se sídlem Údolní 244/53, 60200 Brno 2

jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty:

doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc.

(dále jen "nabyvatel")

Článek 1

Specifikace školního díla

1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP):

disertační práce

diplomová práce

bakalářská práce

jiná práce, jejíž druh je specifikován jako .........................................................

(dále jen VŠKP nebo dílo)

Název VŠKP: Využití adaptivních CAD systémů pro modelování elektrických

strojů

Vedoucí/školitel VŠKP: doc. Dr. Ing. Hana Kuchyňková

Ústav: Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky

Datum obhajoby VŠKP: .........................................................

VŠKP odevzdal autor nabyvateli v:

tištěné formě - počet exemplářů 1

elektronické formě - počet exemplářů 1

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané

a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu

s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním.

3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění.

4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

Článek 2

Udělení licenčního oprávnění

1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo

nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně

pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin.

2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv

k dílu.

3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti

ihned po uzavření této smlouvy

1 rok po uzavření této smlouvy

3 roky po uzavření této smlouvy

5 let po uzavření této smlouvy

10 let po uzavření této smlouvy

(z důvodu utajení v něm obsažených informací)

4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona

č. 111/1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen

a oprávněn ze zákona.

Článek 3

Závěrečná ustanovení

1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení

obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP.

2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským

zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví,

v platném znění a popř. dalšími právními předpisy.

3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným

porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek.

4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami.

V Brně dne: ............................................................

............................................................ ............................................................

Nabyvatel Autor

ABSTRAKT

Daný semestrálny projekt sa zaoberá vytvorením animácie drápkového alternátora

s použitím nových možností v programe 3D Studio MAX 9. Prvá časť sa zaoberá novými

funkciami programu 3DS MAX 9. Druhá časť popisuje postup importovania rotora drápkového

alternátora do scény, aplikovanie materiálov a nastavenie osvetlenia. Tretia časť je venovaná

animovaniu modelu drápkového alternátora, nastaveniam vykresľovania, vykresľovaniu

pomocou iného počítača zapojeného v sieti a vytvoreniu videosúboru z renderovaných snímkov.

ABSTRACT

This semestral project deals with creation of an animation of a claw-pole alternator

with application of new possibilities in the 3D Studio MAX 9. The first part contains

the overview of new functions in 3D Studio MAX 9 software. The second part describes

procedure of importing claw-pole alternator`s rotor into a scene, materials application

and setting of lighting. The third part is concerned with the animation of the claw-pole alternator

model, with renderer modifications, rendering of the scene using another computer connected

to the network and with creation of the video file from rendered frames.

KĽÚČOVÉ SLOVÁ

3D Studio MAX; Align; Animácia; Backburner; Car paint materiál; Drápkový alternátor;

Final gather; Import; Mental Ray; Preview; Pro boolean; Stereolitho; Render; Viewport

KEYWORDS

3D Studio MAX; Align; Animation; Backburner; Car paint material; Claw-pole alternator;

Final gather; Import; Mental Ray; Preview; Pro boolean; Stereolitho; Render; Viewport

BIBLIOGRAFICKÁ CITÁCIA

KANCIR, A. Využití adaptivních CAD systémů pro modelování elektrických strojů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008. 50 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Dr. Ing. Hana Kuchyňková.

PREHLÁSENIE

Prehlasujem, že svoju bakalársku prácu na tému Využitie parametrických CAD systémov

pre tvorbu elektrických strojov som vypracoval samostatne pod vedením vedúcej bakalárskej

práce a s použitím odbornej literatúry a ďalších informačných zdrojov, ktoré sú všetky citované

v práci a uvedené v zozname literatúry na konci práce.

Ako autor uvedenej bakalárskej práce ďalej prehlasujem, že v súvislosti s vytvorením tejto

bakalárskej práce som neporušil autorské práva tretích osôb, zvlášť som nezasiahol nedovoleným

spôsobom do cudzích autorských práv osobnostných a som si plne vedomý následkov porušenia

ustanovení § 11 a nasledujúcich autorského zákona č. 121/2000 Sb., vrátane možných

trestnoprávnych dôsledkov vyplývajúcich z ustanovení § 152 trestného zákona č. 140/1961 Sb.

V Brne dňa …………………………… Podpis autora ………………………………..

POĎAKOVANIE

Ďakujem vedúcej bakalárskej práce doc. Dr. Ing. Hane Kuchyňkovej za účinnú metodickú,

pedagogickú a odbornú pomoc a ďalšie cenné rady pri spracovaní mojej bakalárskej práce.

V Brne dňa …………………………… Podpis autora ………………………………..

OBSAH

1 Nové možnosti programu 3D Studio MAX...........................................................121.1 Úvod...................................................................................................................121.2 Viewport statistics..............................................................................................121.3 Bitmap proxies...................................................................................................141.4 Pro boolean........................................................................................................151.5 Mental ray 3.5....................................................................................................161.6 Animation layers................................................................................................191.7 Hair & fur...........................................................................................................201.8 Point cache modifier..........................................................................................201.9 Poly speed..........................................................................................................211.10 Paths.................................................................................................................211.11 Reactor.............................................................................................................211.12 64 bitová verzia................................................................................................211.13 DirectX.............................................................................................................21

2 Modelovanie scény s rotorom drápkového alternátora.......................................222.1 Import častí drápkového alternátora..................................................................222.2 Umiestnenie importovaných častí......................................................................262.3 Aplikovanie materiálov......................................................................................272.4 Pridanie Mental ray Sun....................................................................................29

3 Animovanie scény s rotorom drápkového alternátora........................................304 Render scény a tvorba videosúboru......................................................................32

4.1 Nastavenia Renderu...........................................................................................324.2 Výstup renderu a tvorba animácie v programe VirtualDub...............................354.3 Sieťový rendering pomocou programu Backburner..........................................37

5 Drápkový alternátor...............................................................................................395.1 Typ a menovité hodnoty zvoleného alternátora.................................................395.2 Konštrukcia drápkového alternátora..................................................................395.2.1 Stator...............................................................................................................395.2.2 Rotor...............................................................................................................405.2.3 Usmerňovač....................................................................................................415.2.4 Regulátor napätia............................................................................................425.2.5 Klinová remenica............................................................................................435.2.6 Predné a zadné víko........................................................................................445.3 Princíp činnosti..................................................................................................45

6 Záver.........................................................................................................................48

9

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKYFakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Vysoké učení technické v Brně

http://www.feec.vutbr.cz/UVEE/

ZOZNAM OBRÁZKOV

Obr. 1: Detail zapnutej funkcie Viewport statisticsObr. 2: Nastavenia Viewport StatisticsObr. 3: Textúra z bitmapového obrázka - vľavo plná veľkosť, vpravo komprimovaný obr. na 1/8 veľkostiObr. 4: Chybová hláška programu spôsobená funkciou Pro booleanObr. 5: Zobrazenie práve počítaných Final gather bodov pred renderomObr. 6: Dokončený render scény pri nastavenom čase 11:00 funkcie MR Sun & skyObr. 7: Dokončený render scény pri nastavení času 18:00 funkcie MR Sun & skyObr. 8: Ukážka Car paint materialObr. 9: Princíp simulácie automobilového náteru pomocou Car paint materialObr. 10: Panel nástrojov pre Animation layersObr. 11: Aplikácia modifikátoru hair and fur na objekt (guľa), render a nástroje pre jeho editáciuObr. 12: Import súborov .STL drápkového alternátoraObr. 13: Nastavenia parametrov pri importovaní STL súborovObr. 14: Modifikovaný importovaný model s vypnutou funkciou "Weld"Obr. 15: Geometria importovaná zo súboru STL (hore) a upravená geometria (dole)Obr. 16: Renderované snímky hriadeľa zo súboru STL (hore) a upraveného modelu (dole) s použitím modifikátora MeshsmoothObr. 17: Deformácia importovanej neupravenej geometrie po použití modifikátora MeshsmoothObr. 18: Importované časti rotoraObr. 19: Výber materiálu "Car paint material"Obr. 20: Editovanie parametrov pre "Car paint material"Obr. 21: Render po aplikovaní Car paint materiáluObr. 22: Render po aplikovaní MR sunObr. 23: Redner rotora v zloženom stave po aplikovaní Car paint material a MR sunObr. 24: Animovanie scényObr. 25: Nastavenie náhladu animácieObr. 26: Nastavenie Motion BlurObr. 27: Nastavenie Final GatherObr. 28: Renderovaná scéna bez Global IlluminationObr. 29: Renderovaná scéna so zapnutou funkciou Global IlluminationObr. 30: Prostredie programu VirtualDubObr. 31: Backburner manager a Backburner server počas renderovania na PC v sietiObr. 32: Backburner monitorObr. 33: StatorObr. 34: Rotorová časťObr. 35: Blok diód usmerňovačaObr. 36: Regulátor napätiaObr. 37: RemenicaObr. 38: Predné a zadné víkoObr. 39: Schéma usmerňovača s naznačenou cestou budiaceho prúdu z cudzieho zdrojaObr. 40: Schéma usmerňovača s naznačenou prúdovou cestou pri bežnej prevádzke

10




ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK

Render

Z anglického slova „urobiť“. V terminológii modelovania, animovania a v neposlednom

rade aj počítačových hier tento pojem označuje vytvorenie jedného alebo viacerých obrázkov,

ktoré sú výsledkom výpočtu zahŕňajúceho model, textúry, osvetlenie, použité efekty a iné.

Vygenerované snímky sa zobrazujú na obrazovke ( najmä pri počítačových hrách), alebo

ukladajú do súborov (prípad tvorby animácie). Pojem renderovanie sa dá prirovnať

ku kompilovaniu programu, pričom vstupné parametre renderu sa podobajú zdrojovému kódu

programu.

Renderovanie snímkov je časovo veľmi náročné. Pri vysokej náročnosti modelu, textúr,

osvetlenia a výsledného rozlíšenia sa jediná snímka spracováva niekoľko hodín. V prípade

počítačových hier, kde je nutné dosiahnuť veľký počet obrázkov za krátky čas (používa

sa pojem FPS - frames per second ), sa scéna aj výpočet vo veľkej miere zjednodušujú.

Viewport

Viewport je v prípade modelovacích a animačných programov časť obrazovky, v ktorej

sa zobrazuje pohľad na model. Uhol a priblíženie pohľadu je možné nastaviť. Štandardom je,

ak otáčanie a približovanie (zoom) neovplyvňuje aktívny príkaz programu, pretože na

vytvorenie zmeny modelu je niekedy potrebné si pohľad niekoľkokrát prispôsobiť. Viewport

je najdôležitejšia časť každého programu zaoberajúceho sa grafikou. Užívateľ pomocou neho

vytvára scénu a zároveň má spätnú väzbu o tom, ako scéna vyzerá. Obsah viewportu je v

podstate obrázok a na jeho zobrazenie je potrebné scénu renderovať. Kvalita zobrazenia nie je

dôležitá, podstatná je rýchlosť, preto sa vykonávajú len základné výpočty. Navyše sa môže

nastaviť náhradné zobrazovanie (tzv. Adaptive degradation) zložitého objektu objektom

podstatne jednoduchším - kockou. Vykresľovanie viewportu je rovnaké ako v počítačových

hrách, pomocou DirectX alebo OpenGL.

11




1 Nové možnosti programu 3D Studio MAX

1.1 Úvod

Táto kapitola sa zaoberá funkciami 3D Studia MAX 9, ktoré boli v tejto verzii novo

pridané, alebo vylepšené. Kvôli názornosti sú k popisu funkcií pridané obrázky priamo

z prostredia 3DS MAX 9.

1.2 Viewport statistics

Vylepšené zobrazenie údajov o scéne - počet polygónov, hrán, bodov a obrázkov

za sekundu pre celú scénu, alebo len vybraté objekty. Po zapnutí sa zobrazuje v ľavom

hornom rohu aktívneho viewportu. Pre každý viewport je možné štatistiku zapnúť jednotlivo.

Obr. 1: Detail zapnutej funkcie Viewport statistics

12




Obr. 2: Nastavenia Viewport Statistics

13




1.3 Bitmap proxies

Pomocou Bitmap proxies je možné nastaviť zníženie kvality bitmapových obrázkov

pri renderovaní a vo viewporte. Znižuje sa tým množstvo využitej pamäte a renderovací čas.

Originálny obrázok je možné zmenšiť 2, 4 a 8 - krát. Bitmap proxies je možné zapnúť

v dialógovom okne pre render (klávesa F10) v sekcii Common.

Obr. 3: Textúra z bitmapového obrázka - vľavo plná veľkosť, vpravo komprimovaný obr. na 1/8 veľkosti

14




1.4 Pro boolean

Nová funkcia pre booleanské operácie, ktoré slúžia na sčítanie, odčítanie alebo prienik

objektov v scéne. Práca s výberom operandov je rýchlejšia, avšak objekty možno vyberať

len jednotlivo. Pri aplikovaní na Mesh alebo Poly sa operácia neaplikuje len na polygóny,

ale objekt sa tvári ako vyplnený (Solid). Pro boolean nenahradzuje pôvodnú funkciu Boolean,

ktorá bola zachovaná. Nezriedka chybou tejto funkcie havaruje celý program, čo sa stáva

pomerne často. Boolean operácie v 3DS MAX majú oproti iným programom značné medzery

v stabilite a výsledku operácie. Pro Boolean nie uspokojivým riešením stability programu.

Obr. 4: Chybová hláška programu spôsobená funkciou Pro boolean

15




1.5 Mental ray 3.5

Funkcia Mental Ray Sun & Sky simuluje pohyb slnečného osvetlenia a zafarbenia

horizontu, ktoré je v mnohých prípadoch dostačujúce. V MR Sky sa jedná o prechod medzi

dvoma farbami predstavujúcimi oblohu, jednu nastaviteľnú farbu pre zem a zobrazenie slnka.

Farby oblohy sú závislé od nastaveného času, slnko sa na oblohe zobrazuje nielen podľa času,

ale aj nastavenej zemepisnej polohy. Svetové strany sa nastavia otáčaním ikony Daylight,

ktorú pre použitie MR Sun & Sky treba do scény vložiť.

Pri rendrovaní sa pri zapnutom Final gather zobrazuje výsledok výpočtu samotných

Final gather bodov, ktoré sa neskôr spracujú pri samotnom renderovaní. Výsledok je náhľad

s rozlíšením, ktorý závisí od nastavení vo Final gather. Možno tak uvážiť, či dané osvetlenie

zodpovedá požiadavkám užívateľa bez dlhého čakania na výsledok samotného renderu, čím

sa stáva nastavovanie rýchlejšie.

Funkcia Final Gather slúži ako doplnková funkcia k nepriamemu osvetleniu – Global

illumination. Napriek vypnutej funkcii Global illumination možno pomocou Final gather

dosiahnuť značné zlepšenie výsledku už pri nastavení minimálnych parametrov.

Obr. 5: Zobrazenie práve počítaných Final gather bodov pred renderom

16




Obr. 7: Dokončený render scény pri nastavení času 18:00 funkcie MR Sun & sky

Obr. 6: Dokončený render scény pri nastavenom čase 11:00 funkcie MR Sun & sky

17




Bol pridaný nový Arch & design a Car paint materiál.

Arch & design materiál je shader určený na pokrytie čo najväčšieho množstva

materiálov používaných v stavebníctve ako je drevo, sklo a kov. Nahrádza DGS materiál

pre rýchle výpočty lesku a lomu svetla. Zároveň nahrádza Dielectric material určený najmä na

výpočet kvalitne vyzerajúceho skla. Medzi hlavné prednosti patrí „nemožnosť“ vytvoriť

nerealisticky vyzerajúci objekt, možnosť definovania závislosti reflektivity od uhla pohľadu

a simulácia zaoblených hrán.

Car paint materiál, ako vyplýva z názvu, simuluje zobrazenie automobilových náterov.

Pri použití tohto materálu vznikajú pri výpočte dva odrazy. Jeden odraz vzniká na povrchu,

rovnako ako pri iných materiáloch. Druhý odraz simuluje kovové častice v nátere, ktoré

odrážajú svetlo pod rôznymi uhlami.

Obr. 8: Ukážka Car paint material

18




1.6 Animation layers

Hladiny pre animačné kľúče. Na jeden objekt je možné vytvoriť viacero nezávislých

animácií. Nie je treba kvôli animácii kopírovať celý objekt, čo šetrí pamäť, zjednodušuje

prácu a sprehľadňuje scénu. Hladiny možno prekrývať, takže výsledná animácia je súčtom

animácií jednotlivých hladín.

Obr. 9: Princíp simulácie automobilového náteru pomocou Car paint material

Obr. 10: Panel nástrojov pre Animation layers

19




1.7 Hair & fur

Nástroj pre tvorbu vlasov a srsti. Editovanie sa na rozdiel od predchádzajúcej verzie

realizuje priamo vo viewporte. Je možný prevod zo Splines, vytvorenie Splines alebo Mesh.

Pre render už nie je nutné použiť výhradne osvetlenie mental ray, dá sa použiť hocijaký typ

svetla.

1.8 Point cache modifier

Pomocou tohto modifikátora je možné uložiť modifikátory ovplyvňujúce animáciu

objektov do súboru. Namiesto výpočtu v reálnom čase je animácia prehrávaná z uloženého

súboru, čo urýchľuje prehrávanie animácie vo viewporte. Je možné časovo naťahovať,

posúvať, prípadne použiť len časť danej animácie, nie je nutné posúvať všetky animačné

kľúče. Týmto je možné jedným Cache súborom vytvoriť zdanlivo odlišné animácie

pre viacero objektov pri použití minimálneho množstva pamäte.

Obr. 11: Aplikácia modifikátoru hair and fur na objekt (guľa), render a nástroje pre jeho editáciu

20




1.9 Poly speed

Zrýchlenie programu pri editovaní objektov s vysokým počtom polygónov - pri zmene

editovacieho nástroja, výbere, modifikácii a zobrazovaní. Rýchlosť aplikácie

je niekoľkonásobne vyššia ako v predchádzajúcich verziách, v ktorých kvôli dlhému čakaniu

prakticky nebolo možné upravovať komplexné objekty.

1.10 Paths

V ponuke Customize -> Configure user paths je v záložke File I/O možnosť vytvoriť

relatívnu cestu (Path). Stačí tak zmeniť umiestnenie aktuálneho projektu bez potreby

vykonávať rovnakú zmenu pre podadresáre, napríklad pre obrázky, render a podobne.

Pri zmene koreňového adresára, ktorý má cestu absolútnu, sa doň automaticky vytvoria všetky

podadresáre uvedené v záložke File I/O. Ďalej sa vytvorí textový súbor s príponou mxp,

v ktorom sú uvedené všetky adresáre nastaviteľné v ponuke Configure user paths.

1.11 Reactor

Nový Havok 3 engine oproti Havok 1 má rýchlejší a presnejší výpočet, ale obsahuje

menej funkcií. V náhľade je upravená scéna bodovým osvetlením oproti Havok 1, ktorý

má osvetlenie od okolia, tzv. Ambient light. Počas simulácie v náhľade je možné objektmi

manipulovať. V Havok 1 sa objektmi manipuluje pomocou ľavého tlačidla myši, v Havok 3

sa používa klávesa Space (medzera). K dispozícii sú v 3DS MAX 9 obe verzie Havok.

1.12 64 bitová verzia

Program je od verzie 9 k dispozícii aj v 64 bitovej verzii. Na to je potrebné vlastniť

64 bitový procesor a operačný systém musí byť rovnako v 64 bitovej verzii.

1.13 DirectX

3DS MAX 9 lepšie využíva možnosti DirectX 9. Podporuje viacero shaderov, lepšie

a rýchlejšie zobrazuje scény vo viewporte.

21




2 Modelovanie scény s rotorom drápkového alternátora

2.1 Import častí drápkového alternátora

Pri modelovaní máme k dispozícii súbory .STL (Stereolitho), ktoré importujeme

do scény v 3DS MAX. Pre jednoduchosť vložíme len rotorovú časť alternátora. Postup

je naznačený na obrázku.

Pri importovaní môžme nastaviť názov nového objektu, zaoblenie, spájanie vrcholov,

mazanie duplicitných plôch a nastavenie normál rovnakým smerom. Pre normály

sú len dva možné smery pre každú plochu. S pôvodnými nastaveniami 3DS MAX

sa renderujú iba plochy z tej strany, na ktorú normály ukazujú. Aby nedošlo k nezobrazeniu

niektorých plôch, normály sa možnosťou Unify normals nasmerujú rovnakým smerom.

Obr. 12: Import súborov .STL drápkového alternátora

22




Pri nepoužití funkcie Weld bude objekt importovaný ako jednotlivé plochy.

Ak by sme chceli model modifikovať, vrcholy jednotlivých plôch by neboli nijako spojené

a bolo by ich treba posunúť všetky naraz, alebo ich dodatočne spojiť. Obrázok znázorňuje

editovaný objekt, na ktorom boli jednotlivé vrcholy posunuté každý iným smerom.

Obr. 13: Nastavenia parametrov pri importovaní STL súborov

Obr. 14: Modifikovaný importovaný model s vypnutou funkciou "Weld"

23




Importované časti sú zložené z trojuholníkov. V 3D Studiu MAX sa bežne používa

geometria zložená zo štvoruholníkov, tzv. Mesh, alebo Poly. Štvoruholníková štruktúra

je prehľadnejšia ako geometria z trojuholníkov. Oba varianty sú znázornené na nasledujúcich

obrázkoch.

Geometria importovaná zo súborov STL nemá vždy dostatočný počet polygónov,

aby vyzerala dostatočne reálne. Jednoduchým riešením je použiť modifikátor Meshsmooth.

Aby modifikátor Meshsmooth splnil svoj účel, musia sa importované časti takmer vždy

upraviť, niekedy dokonca celé prekresliť.

Obr. 15: Geometria importovaná zo súboru STL (hore) a upravená geometria (dole)

24




Obr. 16: Renderované snímky hriadeľa zo súboru STL (hore) a upraveného modelu (dole) s použitím modifikátora Meshsmooth

Obr. 17: Deformácia importovanej neupravenej geometrie po použití modifikátora Meshsmooth

25




2.2 Umiestnenie importovaných častí

Importované modely častí rotora posunieme pomocou funkcie Align do jednej roviny

tak, aby do seba zapadali. Stačí, ak sa vo funkcii Align nastaví stred (Center) pre vybraný

objekt, aj objekt, ku ktorému sa vybratý objekt zarovnáva. Môže sa stať, že objekt bude mať

stred na inom mieste, ako je žiadúce. Pri troche precíznosti je možné dosiahnuť uspokojivý

výsledok ručným posunutím objektu funkciou Move.

Obr. 18: Importované časti rotora

26




2.3 Aplikovanie materiálov

Na všetky časti, okrem ventilátorov, aplikujeme materiál Car paint material, ktorému

nastavíme šedú farbu a zvýrazníme efekt tvorený kovovými šupinkami, ktoré tento materiál

simuluje. Pre ventilátory, z dôvodu farebného odlíšenia, volíme červenú farbu.

Obr. 19: Výber materiálu "Car paint material"

27




Obr. 20: Editovanie parametrov pre "Car paint material"

Obr. 21: Render po aplikovaní Car paint materiálu

28




2.4 Pridanie Mental ray Sun

Do scény vložíme systém osvetlenia Daylight a nastavíme v ňom Sunlight na MR Sun

a Skylight na MR Sky (Mental ray Sun & Sky). Nastavíme farbu zeme - Ground color na šedú,

aby farebne príliš neovplyvňovala odrazy od častí rotora. Horizont posunieme smerom dole,

aby bolo vidieť oblohu aj pri nastavenom uhle kamery. Aby scéna nebola príliš presvetlená,

nastavíme v MR sky parameters -> Multiplier na 0,01 a MR sun parameters -> Multiplier

na 0,05, alebo aplikujeme Logarithmic exposure control v menu Enviroment and effects.

Obr. 23: Redner rotora v zloženom stave po aplikovaní Car paint material a MR sun

Obr. 22: Render po aplikovaní MR sun

29




3 Animovanie scény s rotorom drápkového alternátora

Animáciu v danej scéne vytvoríme jednoducho. Nastavíme sa na poslednú snímku,

zapneme Auto key (na obrázku červené tlačítko) a posúvame všetky časti k sebe, aby tvorili

zložený celok. Všetky objekty sa potom budú pohybovať rovnakým spôsobom v rovnakom

čase z pôvodnej polohy do požadovanej polohy. Animáciu pre každú časť je takto možné

tvoriť nezávisle od ostatných. K ich kolízii nedôjde preto, lebo boli pred animovaním

umiestnené za sebou tak, ako do zostavy patrili.

Obr. 24: Animovanie scény

30




Danú animáciu je možné si uložiť bez potreby renderovania. Animácia bude vykreslená

rovnako ako viewport.

Obr. 25: Nastavenie náhladu animácie

31




4 Render scény a tvorba videosúboru

4.1 Nastavenia Renderu

Pred renderovaním si nastavíme parametre rendereru. V záložke Indirect Illumination

zapneme Final Gather a nastavíme mu najnižšiu kvalitu. Final Gather slúži ako doplnkový

výpočet k nepriamemu osvetleniu - Global illumination. Tento typ výpočtu používať

nebudeme, pretože je časovo náročný. Dané nastavenia Final Gather sú na efekt nepriameho

osvetlenia dostačujúce. V záložke Renderer zapneme efekt Motion Blur, ktorý slúži na verné

zobrazenie pohybujúcich sa objektov. Objekty v pohybe sú po renderovaní rozmazané

v závislosti od rýchlosti a smeru pohybu. Výpočet pohybu sa robí na základe

predchádzajúcich a nasledujúcich snímkov, ktoré sa renderujú a vo výsledku medzi sebou

určitým spôsobom prekryjú.

32




Obr. 26: Nastavenie Motion BlurObr. 27: Nastavenie Final Gather

33




Výsledky s výpočtom aj bez výpočtu nepriameho osvetlenia funkciou Global

Illumination sú v danej scéne takmer rovnaké.

Obr. 29: Renderovaná scéna so zapnutou funkciou Global Illumination

Obr. 28: Renderovaná scéna bez Global Illumination

34




4.2 Výstup renderu a tvorba animácie v programe VirtualDub

V 3DS MAX, záložke Common nastavíme renderovanie celej animácie a ukladanie

snímkov do súboru vo formáte .JPG. Za názvom súboru sa automaticky vloží číslo snímku.

Vykresľovanie danej scény trvá na dvojjadrovom procesore s taktom 2GHz približne

18 hodín. Môže sa stať, že program alebo počítač havaruje. Pri ukladaní do obrázkov

je stratou len snímka, ktorá sa renderovala pri páde. Ak by sme animáciu ukladali priamo

do .AVI súboru (alebo iného videoformátu), nemuselo by sa nám podariť túto časť animácie

otvoriť. Nie je možné pokračovať v renderovaní do rovnakého súboru. V neposlednom rade

je dôležité animáciu vhodne skomprimovať, aby bola dostatočne kvalitná a dátový tok

primeraný. Kompresiu je výhodné vykonávať nezávisle od renderovania.

Pre vytvorenie videosúboru použijeme freeware program VirtualDub. Renderované

súbory vložíme možnosťou Open video file v záložke File. Zvolíme hocijaký z renderovaných

obrázkov. Program automaticky vloží všetky očíslované súbory. Čislovanie obrázkov

za zvoleným názvom súboru je pridané automaticky pri renderovaní, aby nedošlo

k prepisovaniu rovnakého súboru. V záložke Video -> Compression nastavíme kodek

pre komprimáciu videa. Posledným krokom je uloženie animácie v záložke File -> Save avi

as.

S použitím pluginu pre Frame tweaker môžeme vytvoriť efekt rozjasňovania

a stmievania na začiatok a na konci animácie. Frame tweaker je k dispozícii zdarma

na internete, nie je súčasťou programu VirtualDub. Tento plugin sa konfiguruje jednoduchými

príkazmi z textového súboru. Príkazy sú uvedené v manuáli, ktorý je k pluginu pripojený.

35




Obr. 30: Prostredie programu VirtualDub

36




4.3 Sieťový rendering pomocou programu Backburner

Backburner je súčasť inštalácie programu 3DS MAX. Slúži na využitie iných počítačov

k renderu. Na každom PC musí byť nainštalovaný 3DS MAX, spustený Backburner server

a Backburner manager, aby mohol slúžiť pre dodatočné sieťové renderovanie. Je vhodné

zadať pri uložení súboru sieťovú adresu, inak sa renderované snímky ukladajú lokálne, na PC,

na ktorom sa snímka renderuje. Počas sieťového renderovania je možné hocikedy pripojiť

(alebo odpojiť) ďalšie počítače. Tiež nie je potrebné, aby bol spustený počítač, ktorý

renderovanie zadal. Žiaden počítač neslúži ako server.

Backburner monitor slúži na monitorovanie úloh v sieti, dáva informácie o serveroch,

ich využití, priebehu úloh a dajú sa cez neho úlohy pozastavovať alebo rušiť.

Obr. 31: Backburner manager a Backburner server počas renderovania na PC v sieti

37




38



Obr. 32: Backburner monitor


5 Drápkový alternátor

5.1 Typ a menovité hodnoty zvoleného alternátora

Označenie: 9510 110, v priemerovej rade 108 mm.

Menovité napätie: 14 V

Menovitý prúd 42 A

Maximálne otáčky: 12000 ot/min

5.2 Konštrukcia drápkového alternátora

5.2.1 StatorStator je tvorený vzájomne odizolovanými plechmi s drážkami pre vinutie. Vinutie je

trojfázové, tvorené do série spojenými cievkami. Každá fáza má 6 až 8 cievok.

Obr. 33: Stator

39




5.2.2 RotorRotor je tvorený dvoma pólovými hviezdicami, budiacim vinutím, ložiskami,

ventilátorom a zberacími krúžkami. Pólové hviezdice sú lisované alebo frézované z mäkkej

ocele do tvaru drápkov lichobežníkového tvaru. Počet drápkov jednej hviezdice je 6 alebo 8.

Medzi hviezdicami je umiestnené budiace vinutie, ktorého konce sú vyvedené na zberacie

krúžky. Napätie sa na krúžky privádza pomocou uhlíkových kartáčov.

Obr. 34: Rotorová časť

40




5.2.3 UsmerňovačObsahuje diódy hlavného a pomocného usmerňovača zalisované do plechu, ktorý slúži

ako chladič.

Obr. 35: Blok diód usmerňovača

41




5.2.4 Regulátor napätiaJe umiestnený buď mimo alternátora, alebo bežnejšie je súčasťou držiaka kartáčov.

Ak regulátor nie je polovodičový prvok, ale elektromagnetické relé, musí byť umiestnený

mimo alternátora.

Obr. 36: Regulátor napätia

42




5.2.5 Klinová remenicaMechanicky spája alternátor s motorom, ktorý uvádza do pohybu rotor drápkového

alternátora. Pretože alternátor má maximálne otáčky 12000 min-1, je medzi motorom

a alternátorom zaradený prevod dopomala (pomer medzi maximálnymi otáčkami motora a

alternátora je približne 0,6).

Obr. 37: Remenica

43




5.2.6 Predné a zadné víkoSú vyrobené z hliníkovej zliatiny. Sú v nich uložené ložiská, ktoré nesú rotor. Zadné

víko navyše nesie usmerňovač a držiak kartáčov.

Obr. 38: Predné a zadné víko

44




5.3 Princíp činnosti

Stator drápkového alternátora je rovnaký ako stator asynchrónneho motora. Rotor

sa skladá z dvoch oproti sebe otočených hviezdic. Drápky jednej hviezdice zasahujú medzi

drápky druhej hviezdice. Cievka prstencového tvaru, ktorá je umiestnená medzi hviezdice,

tvorí pri napájaní jednosmerným prúdom elektromagnet. Hviezdice, pretože sú magneticky

vodivejšie ako vzduch, vhodne deformujú vzniknuté magnetické pole. Hviezdica, ktorá

je bližšie k severnému pólu, sa považuje za severný pól. Druhá hviezdica je pól južný. Pretože

drápky hviezdic do seba zasahujú, tvorí sa pri otáčaní rotora točivé magnetické pole.

Nad touto oblasťou, kde sa striedajú drápky severného a južného pólu, je umiestnené statorové

vinutie, v ktorom sa indukuje napätie. Lichobežníkový tvar drápkov hviezdic spôsobuje,

že indukované napätie má priebeh podobný sínusovému priebehu.

Remanentný magnetizmus drápkov je malý a pri nízkych otáčkach sa indukuje

v statorovom vinutí iba malé napätie. Toto napätie nestačí na otvorenie diód pomocného

usmerňovača. Preto je pri rozbehu potrebné dodať budiaci prúd z cudzieho zdroja. V

statorovom vinutí sa v tomto prípade indukuje dostatočne veľké napätie na otvorenie diód

a alternátor sa začne budiť sám. Zároveň sa otvoria aj diódy hlavného usmerňovača

a alternátor dokáže už pri voľnobežných otáčkach dodávať dostatočne veľký prúd na nabíjanie

akumulátora a napájanie spotrebičov. Budiaci prúd tvorí približne 5% až 8% z celkového

dodávaného prúdu. Prúdové trasy v obvode usmerňovača sú znázornené na nasledujúcich

obrázkoch.

45




Obr. 39: Schéma usmerňovača s naznačenou cestou budiaceho prúdu z cudzieho zdroja

46




Obr. 40: Schéma usmerňovača s naznačenou prúdovou cestou pri bežnej prevádzke

47




6 Záver

Bakalárska práca sa týka využitia programu 3D Studio MAX 9 pri tvorbe animácie

drápkovného alternátora. Práca bola rozdelená na tri časti.

Prvá časť rozoberala nové funkcie programu 3D Studio MAX 9. V druhej časti bol

znázornený postup práce pri vytváraní animácie drápkového alternátora. Pre zachovanie

jednoduchosti a názornosti obsahovala táto časť len základné kroky pre tvorbu animácie.

Treťou časťou bakalárskej práce bolo vytvorenie animácie drápkového alternátora

pre výukové účely. Ako podklad slúžili súbory .STL dodané spoločnosťou Magneton.

Niektoré časti bolo nutné vymodelovať odznova, pretože importované časti neboli dostatočne

detailné alebo nemali vhodnú geometriu. Renderovanie výslednej animácie trvalo

asi 250 hodín. Sieťový rendering nefungoval spoľahlivo z dôvodu zabezpečenia počítačovej

siete. Preto bol použitý iba jediný počítač v počítačovej učebni v Ústave výkonovej

elektrotechniky a elektroniky.

48




LITERATÚRA

[1] 3DS MAX 9 dokumentácia

[2] http://www.autodesk.com/

[3] http://vyuka.fel.zcu.cz/kae/NSA/Texty/Alternatory.pdf

[4] http://docs.gimp.org/en

[5] http://wiki.services.openoffice.org/wiki/Documentation

[6] http://www.slex.sk/

49



http://wiki.services.openoffice.org/wiki/Documentation

http://vyuka.fel.zcu.cz/kae/NSA/Texty/Alternatory.pdf

http://www.autodesk.com/


PRÍLOHY

DVD obsahujúce text bakalárskej práce, animáciu, model a použité podklady

50




vysokÉ uČenÍ technickÉ v brnĚ · 2. licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu...

Documents