MODELIRANJE OBJEKATA ZA 3D ISPIS U VIRTUALNOJ STVARNOSTI

Ana Agić1

1Sveučilište u Zagrebu Grafički fakultet, Getaldićeva 2, Zagreb

Sažetak

U ovom radu cilj istraživanja su metode 3D modeliranja pomoću sustava za virtualnu stvarnost, u aplikaciji koja korisnika stavlja u virtualno okruženje pomoću sistema HTC Vive. U istraživanju je korištena aplikacija „Kodon“, u kojem su istražene opcije za izradu i manipulaciju objektima. Iste uključuju „sculpt“ metode manipulacije 3D objektom, direktno prostorno podešavanje pojedinačnih poligona, kao i odabir vizualnog prikaza materijala. Izrađeni trodimenzionalni model pohranjen je kao .obj datoteka, te ga je kao takvog moguće ispisati na 3D printeru. Tehnologija 3D ispisa posljednjih se godina sve više razvija, ne samo u tehnološkom već i u softverskom aspektu modeliranja 3D grafike. Softvera za modeliranje na tržištu ima mnogo, a neki od njih su 3ds Max, Blender i Maya koji funkcioniraju na principu manipulacije trodimenzionalnim objektima na dvodimenzionalnom zaslonu pomoću programskog sučelja.
Ključne riječi: virtualna stvarnost, 3D modeliranje, 3D ispis

MODELING OF 3D OBJECTS IN VIRTUAL REALITY FOR 3D PRINTING

Abstract

The research purpose in this paper are the methods of 3D modeling with a virtual reality system, using an application which sets the user in a virtual environment with the help of the HTC Vive system. The “Kodon” application has been used in this research, primarily its object developing and manipulating options. These include “sculpt” methods of 3D object manipulation, direct spatial adjustment of individual polygons, as well as the visual material representation. Created three-dimensional object was save as an .obj file, which enables its physical creation using a 3D printer3D printing technology has been rapidly advancing in the last few years, not only within its technological aspects, but also its 3D modeling software capabilities. The market offers a plethora of modeling software choices, including, but not limited to 3ds Max, Blender and Maya, which offer the capability of manipulating a three-dimensional object on a two-dimensional screen, by using each individual program’s interfaces..
Key words: virtual reality, 3D modeling, 3D printing

1. Uvod

U ovom radu tema istraživanja je trodimenzionalno modeliranje u virtualnoj stvarnosti i mogućnosti koje se trenutno nude u usporedbi sa klasičnom računalnom aplikacijom za 3D modeliranje kao što je Blender.  Noviteti u tehnologiji virtualne stvarnosti i aplikacije koje nam omogućavaju bolju interakciju sa istom potiču na stvaranje i istraživanje, interakciju i imerziju čovjeka sa virtualnim svijetom. U ovom radu u prvom dijelu istraživanja korištena je računalna aplikacija Blender u kojoj je modeliran objekt jednostavnog drveta „low poly“ tehnikom manipulacije objektima te hobotnica upotrebom kiparske (eng. sculpting) tehnike oblikovanja modela, koji su detaljnije opisani u slijedećim poglavljima. Drugi dio istraživanja usmjeren je na trodimenzionalno modeliranje u virtualnoj stvarnosti, korištena aplikacija je Kodon VR u kojoj su napravljeni modeli jednostavnog drveta i hobotnice u približno sličnim modalitetima rada kao u Blenderu. Uređaj koji stavlja korisnika u virtualno okruženje je HTC Vive. Važno je napomenuti kako je moguće iste te modelirane objekte spremiti na računalo i otisnuti na 3D printeru.

2. Teoretski dio

Kad se govori o virtualnoj stvarnosti kao trenutno multimedijski naprednijim sustavima za doživljaj slike i zvuka, potrebno je istu i definirati. Jedna od definicija kaže kako je to simulacija u kojoj je kompjuterska grafika korištena za stvaranje okruženja realističnog izgleda koji uključuje simulaciju u stvarnom vremenu i interakciju kroz nekoliko osjetnih kanala, koji mogu biti vizualni, auditorni, taktilni, olfaktorni i gustatorni [1], dok druga definira virtualnu stvarnost kao umjetno okruženje koje se doživljava kroz senzorne podražaje (vid i sluh) koje generira računalo i u kojem okruženju korisnikove akcije djelomično određuju što se u okruženju događa [2]. Jedan od prvih uređaja za virtualnu stvarnost, Sensorama Miltona Heiliga ranih 1960, bio je patentirani uređaj koji je pružao iluziju stvarnosti koristeći 3D sliku u pokretu u kombinaciji sa pokretljivom vibracionom stolicom, mirisom, stereo zvukom i umjetnim vjetrom [3], [4]. Logičan korak u razvoju uređaja za virtualnu stvarnost su bolji i kvalitetniji aparati za vizualiziranje slike sa širim vidnim poljem, kvalitetnijim lećama, većom rezolucijom i lakši za nošenje na glavi. Tako trenutno jedan od najrazvijenijih uređaja je HTC Vive  koji ima širinu vidnog polja 110°, oled zaslone rezolucije 2160x1080 piksela i teži 555 grama [5]. Na slici 1 je prikazan HTC Vive koji se sastoji od uređaja za gledanje koji stavljamo na glavu, dva kontrolera koji služe za kretanje po virtualnoj sceni i interakciju sa istom i dvije bazne stanice koje emitiraju IR svijetlo i lasere koji imaju funkciju da se kontrolerima i uređaju za glavu može znati pozicija u prostoru u stvarnom vremenu [6].


Slika 1 HTC Vive uređaj za virtualnu stvarnost

3. Eksperimentalni dio

Eksperimentalni dio ovog rada podijeljen je na dva dijela, prvi dio je modeliranje u klasičnom računalnom tipu aplikacije kao što je Blender i drugi dio je modeliranje u računalnoj aplikaciji koja se koristi i pokreće u sustavima za virtualnu stvarnost Kodon VR.

3.1 Modeliranje u Blender aplikaciji

Eksperimentalni dio ovog rada sastoji se od dva dijela. Prvi dio je klasično 3D modeliranje u Blender aplikaciji. Blender je besplatna računalna aplikacija koja ima nekoliko glavnih opcija za rad. Jedna od njih je objektno modeliranje koje omogućava korisniku da dodaje klasične objekte kao što su kocka, sfera i cilindar u scenu i da s njima manipulira u smislu veličine, prostorne orijentacije, boje i teksture i apliciranje različitih prilagodba geometrije korištenjem modifikatora. Slijedeći korak kod uređivanja objekata je „edit mode“  u kojem se može detaljnije manipulirati dijelovima objektom, mijenjajući poziciju određenih dijelova, dodavati dijelove, označavati plohe, rubove ili vrhove, mijenjati broj poligona i izvoditi mnoge druge zahvate. Na slici 2 „Drvo – Blender aplikacija“ je jednostavni primjer drveta modeliranog u Blenderu.


Slika 2 Drvo - Blender aplikacija

Druga metoda modeliranja koja se istražuje kao mogućnost u klasičnom i virtualnom okruženju je skulpturiranje  ili „sculpt mode“ koja funkcionira na principu sličnom kao „edit mode“, samo što kod ovog načina modeliranja objekt se mijenja korištenjem kistova koji automatski označavaju dijelove modela ovisno o postavkama kista. Najbliži opis bi bio modeliranje plastelina ili gline. Na slici 3  „Hobotnica – Blender aplikacija“ je jednostavni primjer hobotnice modelirane kiparenjem u Blenderu.


Slika 3 Hobotnica - Blender aplikacija

3.1 Modeliranje u Kodon VR aplikaciji

Kodon aplikacija za modeliranje u virtualnoj stvarnosti dostupna je na Steam platformi za računalne i VR igre i aplikacije. Također je bitno spomenuti da Kodon VR aplikacija još u razvoju i stoga je logično očekivati određene poteškoće u radu. Za modeliranje u virtualnoj stvarnosti potreban je uređaj za virtualnu stvarnost, u ovom slučaju to je HTC VIve uređaj, a računalo koje sve pokreće se sastoji od slijedećih komponenti: GeForce GTX 1070 grafičke kartica, 16 GB RAM-a, Intel i7 procesor. On također ima dva modaliteta rada koja su vrlo slična prethodno navedenima za Blender aplikaciju. To su poligonalno modeliranje i kiparenje. Kao prvi primjer Kodon VR aplikacije je drvo napravljeno u poligonalnom modalitetu, gdje je pokušano napraviti što sličniji model kao u Blenderu. Svaki objekt modeliran u ovoj aplikaciji moguće je spremiti kao objektnu (.obj) datoteku na računalo i naknadno modificirati u nekom programu koji podržava uvoz te vrste datoteke. Na slici 4 „Kodon VR  – sučelje i dio modela“ vidljiva je scena i virtualno okruženje u kojem se trodimenzionalno modelira.


Slika 4  Kodon VR - sučelje i dio modela

Drugi modalitet koji je bio istraživan je kiparenje u Kodonu VR gdje je pokušano reproducirati hobotnicu kao u Blender aplikaciji. Na klasičnom računalu korisnik za kretanje po sučelju koristi miš i tipkovnicu, dok se u virtualnoj stvarnosti koriste dva kontrolera koji se drže u ruci. Kontroleri imaju nekoliko tipki koje imaju svoje funkcije, kao što su primanje objekata, selekcija materijala i kistova, odabir menija, umetanje pozadinske slike, spremanje objekta na računalo. Različiti uređaji za virtualnu stvarnost imaju različite kontrolere za kretanje po virtualnom okruženju i potrebno je navikavanje na iste. Na slici 5 „Hobotnica - Kodon VR“ je slika hobotnice u modalitetu za kiparenje u Kodon VR aplikaciji.


Slika 5 Hobotnica - Kodon VR

4. Rezultati

Trodimenzionalno modeliranje u klasičnoj aplikaciji kao što je Blender ima svoje prednosti i mane, tako i modeliranje u virtualnoj stvarnosti. Može se reći da je modeliranje u virtualnom prostoru bilo uspješno, iako Kodon VR ima svojih prednosti i mana. Jedna od mana je prikazana na slici 6 „Kodon VR - dio modela sa rupama“, gdje je vidljivo da model nakon spremanja ima rupe i nije pogodan za otiskivanje na 3D printeru u takvom stanju. Model je moguće otvoriti u bilo kojem programu koji podržava uvoz .obj datoteke i popraviti isti kako bi bio pogodan za otiskivanje na 3D printeru.  


Slika 6 Kodon VR - dio modela sa rupama

Model drveta je bio podijeljen na nekoliko dijelova koji su naknadno popravljeni i spojeni u Blender aplikaciji. Na slici 7 „lijevo - drvo Blender, desno - drvo Kodon VR“ se vidi usporedno drvo iz Blendera i drvo iz Kodon VR aplikacije. Još je jedan nedostatak uočen a to je odnos veličine objekta koju korisnik vidi u aplikaciji i one spremljene na računalu, jer kad se datoteka otvori u nekom programu, jako je malih dimenzija (0.5 cm) stoga objekt treba proporcionalno povećati.


Slika 7 lijevo - drvo Blender,  desno - drvo Kodon VR

Diskusija i zaključak
Cilj ovog rada bio je istražiti mogućnosti trodimenzionalnog modeliranja objekata u virtualnoj stvarnosti. Korištene su dvije aplikacije, prva je Blender kao klasična aplikacija za 3D modeliranje na računalu a druga aplikacija je Kodon VR koja služi za trodimenzionalno modeliranje u virtualnom okruženju. Na slikama u poglavlju 3. „Modeliranje u Blender aplikaciji“ i 3.1 „Modeliranje u Kodon VR aplikaciji“ i 4. „Rezultati“ prikazani su modelirani primjeri drveta i hobotnice u obje aplikacije korištenjem poligonalnog modaliteta za drvo i kiparskog modaliteta za hobotnicu, koji se mogu naknadno uređivati u programima za 3D modeliranje, kao i otisnuti na 3D printeru. Može se zaključiti kako je modeliranje u virtualnom okruženju bilo vrlo uspješno, usprkos nekolicini problema koji su se pojavili. Najveći problem bile su rupe u modelima, znači poligoni koji nedostaju i zbog kojih model drveta nije bio pogodan za otiskivanje u takvom stanju već ga je bilo potrebno popraviti nekom programu koji podržava uvoz objektne datoteke. Slijedeći nedostatak bio je što se svaki objekt koji se doda na scenu sprema kao zasebni objekt koji se mora također naknadno spojiti u jedan objekt. Isto tako, modeli napravljeni u virtualnom okruženju izgledaju veliko ali kada se prebace u klasični program uviđa se kako su objekti jako malih dimenzija, oko 0.5 cm i treba ih proporcionalno povećati. Pozitivna strana kod modeliranja u virtualnoj stvarnosti su jednostavnost korištenja uz navikavanje na kontrolere i različite kreativne mogućnosti koje dizajneri u takvom okruženju imaju.

Literatura
[1] Grigore C. Burdea.; Phillipe Coiffet; „Virtual reality technology“; izdavač: John Wiley and Sons, Inc, 2014, ISBN: 978-81-265-0789-4
[2] Meriam webster online riječnik; http://www.merriam-webster.com/dictionary/virtual%20reality,  pristupljeno 15.11.2016
[3] Patent: Heilig, M.; „Sensorama“;1962; patentni broj: US3050870A; dostupno na:    https://patents.google.com/patent/US3050870A/en?q=sensorama
[4] Davis S.;  Virtually there; Engineering & Technology; 2009, vol 4, str. 68-69, ISSN: 1750-9637
[5] https://www.vive.com/us/product/
[6] Dempsey, Paul; The Teardown: HTC Vive virtual reality headset, Engineering & Technology, vol. 11, issue 7, 2016, pg. 80-81, doi: 10.1049/et.2016.0731, ISSN: 1750-9637