Часть 1. Визуализация в проектировании



Разработка продуктов изменилась за последние несколько лет. С распространением краудфандинга произошел всплеск стартап-проектов, Интернет вещей требует учитывать в процессе разработки продуктов во всех сферах возможность подключения к глобальной сети, и даже старая гвардия — крупные производители — ищет пути эксплуатации возможностей сетевого подключения и массовой кастомизации.

Одновременно значительно изменилась и сама среда разработки продуктов. Конечно, ключевым фактором все еще остается срок вывода продукта на рынок (особенно это касается области бытовой электроники), но сегодня перед любой организацией также остро стоит вопрос сокращения цикла разработки.

Вдобавок к этому растут требования потребителей к приобретаемой продукции: за свои деньги они хотят получить больше возможностей индивидуальной настройки, широкий ассортимент и высокую надежность. Это проявляется во всех сферах — от автомобилестроения до промышленной автоматизации и медицины.

Сдвиг рынка и смена инструментария

Сдвиг происходит также и в инструментах разработки продукта. Разработчики и инженеры более не ограничены средствами двухмерного проектирования: трехмерное проектирование — уже устоявшийся стандарт.

С распространением средств трехмерного проектирования расширились преимущества использования базовой трехмерной модели, создаваемой в процессе разработки, для решения сопутствующих задач. Речь идет, например, о моделировании эксплуатации продукта в условиях реальных нагрузок, прототипировании и, конечно, визуализации экстерьера продукта.

В частности, визуализация вышла за рамки привычного круга пользователей в сферах промышленного дизайна и проектирования продуктов. Сегодня большинство пользователей трехмерных САПР в той или иной мере применяют визуализацию и рендеринг в процессе проектирования.

В основном это вызвано необходимостью свести к минимуму количество физических прототипов и сэкономить время. Там, где окончательную форму продукта обычно было невозможно увидеть до создания первых прототипов, с помощью технологий фотореалистичной визуализации любой участвующий в процессе принятия решений может увидеть и оценить внешний вид будущего продукта задолго до того, как станут доступны промышленные образцы.


В системе SOLIDWORKS Visualize от компании Dassault используется гибридная технология рендеринга, благодаря чему она очень хорошо подходит как для обзора проектных решений, так и для создания ресурсов высокого разрешения (изображение предоставлено компанией Dassault Systemes).


Такие системы, как VRED, 3DS Max и Maya компании Autodesk, KeyShot компании Luxion, VRAY компании Chaos Group, 3DExcite компании Dassault Systemes и Live Render производства CATIA уже стали оплотом индустрии визуализации. Эти системы можно объединить в одну категорию под заголовком «Визуализация с помощью центрального процессора». Для выполнения вычислений и мгновенного отображения изменений в обрабатываемой сцене они используют вычислительные возможности процессора Intel. Xeon., установленного в рабочей станции.

После ввода данных о геометрии, освещенности и материалах система приступает к вычислениям конечного результата и отображает его.

SOLIDWORKS Visualize

Программа Dassault Systemes SOLIDWORKS Visualize появилась на рынке систем рендеринга недавно. Эта программа основана на технологии IRAY, разработанной компанией NVIDIA, и в ней предложен богатый набор полезных инструментов для рендеринга продукта (как изображения, так и анимации), оценки концепции и создания маркетинговых материалов на этапе, предшествующем началу производства. Первоначальным разработчиком программы является компания Bunkspeed (приобретенная компанией RTT, которая два года назад сама перешла во владение компании Dassault Systemes).

После изменения компоновки продукт стал доступен для всех текущих клиентов компании SOLIDWORKS. Система может одновременно использовать преимущества расчетной визуализации и сцен с полной трассировкой лучей, что позволяет создавать высокоэффективные ресурсы и использовать одну систему как для обзора проектных решений, так и для презентаций Руководству.

Физически корректный рендеринг (PBR)

Прогресс в области вычислительной техники, который наблюдается в последние годы на уровне центральных и графических процессоров, привел к очередному сдвигу в механизме визуализации. Этот сдвиг связан с распространением физически корректного рендеринга (PBR).

Теперь в процессе визуализации сцены пользователям не нужно ждать завершения вычислений, чтобы увидеть конечный результат, так как результаты отображаются на экране непосредственно во время рендеринга, и практически сразу можно увидеть, как приблизительно будет выглядеть итоговый продукт.

Системы PBR наиболее эффективны при построении сцен. В качестве базового компонента освещенности в них применяются HDR-изображения (изображения с расширенным динамическим диапазоном), поэтому пользователи могут сконцентрироваться на настройках сцены и получении правильного результата, не отвлекаясь на создание освещенности и построение сцены. Кроме того, материалы, как правило, более реалистичны, а некоторые современные системы поддерживают использование смоделированных материалов, полученных из образцов реальных.

В прошлом создание фотореалистичного изображения было в большей степени процессом творческим, чем техническим, однако благодаря современным достижениям с этим вполне могут справиться специалисты без навыков работы со средствами визуализации. Теперь они могут создавать достаточно реалистичные изображения, применяя реальные физические параметры в отличие от художественного подхода, в котором используются приблизительные соответствия.


Система Keyshot от компании Luxion объединяет рендеринг, основанный на физических параметрах, и связи высокого уровня с геометрией, используемой САПР, поэтому обработка изменений проекта на поздней стадии выполняется быстро.


Это существенно сокращает вычислительный цикл, благодаря чему для создания, доработки и окончательного оформления сцены требуется гораздо меньше времени. Ускорение процесса дает ряд преимуществ перед традиционной физической моделью или прототипом и объединением нескольких фотоснимков. Решение в отношении продукта может быть принято быстрее и основано на гораздо более широком наборе моделей и вариантов, поскольку теперь для их создания требуется всего несколько минут. Для определения наиболее подходящих вариантов можно экспериментировать с цветовыми схемами, материалами и формами без необходимости создания физических моделей.

Кроме того, можно создавать маркетинговые материалы и использовать их в рекламе и в процессе разработки упаковки продукта задолго до начала его фактического производства. Это не только более быстрый, но и более дешевый способ, поскольку при этом не требуется привлекать специалистов для создания дорогостоящего прототипа продукта и устраивать длительную фотосъемку.

Интерактивные конфигураторы



Помимо модульной конструкции, одним из важнейших способов дифференциации сегодня является производство по индивидуальным заказам, поэтому многие компании стремятся предоставить своим клиентам возможность выбора и настройки конфигурации своих продуктов в Интернете. В этом случае фотореалистичные изображения повышают степень доверия, так как клиент может не только изучить характеристики продукта по своим требованиям, но и посмотреть, как будет выглядеть выбранная конфигурация после доставки товара.

Конечно, при этом возникает необходимость создания ресурсов для визуализации каждой возможной комбинации в семействе одного продукта, что при отсутствии достаточных средств для рендеринга может стать сдерживающим фактором.

Здесь на помощь придут системы для установки в стойку, например система Dell Precision Rack 7000, оснащенная процессором Intel Xeon. Эти системы можно интегрировать параллельно с используемыми веб-серверами для автоматизации и вычислительных возможностей, необходимых для создания и интеграции фотореалистичных изображений каждого отдельного варианта продукта, а также прочих требуемых ресурсов (для объемных моделей с круговым вращением), которые обеспечат полное взаимодействие и реалистичную демонстрацию.

Развитие графических процессоров

В недавнем прошлом начался поиск возможностей использования графических процессоров (графических плат) для ускорения рендеринга. Если рендеринг с помощью центрального процессора выполняется как повседневная задача, существует вероятность того, что он займет все ресурсы системы. Однако графический процессор переносит эту нагрузку на набор микросхем специального назначения. Сегодня разные производители представляют новые решения в этой области.

В последнее время также наблюдается появление новых технологий рендеринга, разрабатываемых крупнейшими поставщиками графических плат. Компания NVIDIA разработала собственную технологию IRAY, которая доступна как автономный подключаемый модуль для Rhino или интегрирована в системы SOLIDWORKS Visualize и 3DS Max.



Заключение

Способы визуализации и рендеринга во многих компаниях стали неотъемлемой частью процесса разработки продуктов и вышли далеко за рамки привычных сфер промышленного дизайна и проектирования продуктов.

Теперь пользователи могут легко импортировать геометрию, задать параметры освещенности, добавлять материалы, выполнять доработку и создавать фотореалистичные изображения. Это значительно облегчает освоение ресурсов первостепенной важности начинающими и дает дополнительные возможности опытным пользователям. Предпосылкой для этого сдвига служит интенсивное объединение и наращивание вычислительной мощности центрального процессора, создание специализированных графических процессоров и разработка интеллектуального программного обеспечения.

С течением времени, однако, появятся новые технологии, с помощью которых пользователи смогут выйти за рамки двухмерных, плоских изображений и анимации. Возрождение интереса к аппаратному обеспечению для виртуальной и дополненной реальности при значительном снижении его стоимости означает, что ресурсы станут более интерактивными и обеспечат недостижимый ранее эффект присутствия. Этому будут посвящены следующие публикации в нашем блоге.