Blender je výkonný grafický opensource program určený pro modelování a renderování 2D a 3D počítačové grafiky a animací. Nejedná se tak o program, který je přímo určený pro inženýrské zpracování a vyhodnocení výsledkových dat z virtuálních FEM analýz. K tomu slouží přímo určené programy, tzv. postprocesory. Některé opensource varianty postprocesorů jsou uvedeny v seznamu CAE aplikací. Do programu Blender lze importovat externí 3D modely v několika běžně používaných formátech a lze tak pomocí něj vytvořit animace a vizualizace z výsledků FEM analýz. K dosažení požadovaných výstupů vizualizace je potřeba trochu více času a exportování 3D dat z postprocesorů, ale po grafické stránce jsou tyto vizualizace kvalitnější.
V tomto článku představíme postup, jak v Blenderu vytvořit jednoduchou scénu k renderování. Postup není koncipován jako návod krok za krokem, ale spíše jako obecné vodítko, jak importovat a renderovat scény s 3D FEM modely. Pro běžné inženýrské zpracování výsledkových dat ze simulací (postprocesing) tento postup není efektivní a použitelný, protože je časově náročný a v některých případech může mít omezení v podobě použití vertexových barev. Uplatnění a využití tohoto postupu je při tvorbě vizuálních podkladů pro marketingové účely, studie, postery apod. I když novější verze postprocesorů mají v omezené míře funkce renderování 3D modelů již implementované, tak vizuální výstupy nedosahují kvality Cycles enginu, který je v Blenderu dostupný.
Tento engine je založeny na fyzikálních vlastnostech trasování světla a generování vizualizace dle použitého HW a požadované úrovně kvality muže trvat desítky minut. Programy jako Blender nebo ParaView jsou tak často využívány pro vědecké a HPC vizualizace a takto zpracované animace výsledků například ze CFD simulací proudění s desítkami milionů objemových prvků jsou vizuálně velice poutavé. Přínos renderování je patrný i u výrazně deformovaných objektů jako mohou být výsledky simulace crash testů, kde vynikne hloubka struktury.
Výstup FEM analýzy
Pro náš ukázkový příklad použijeme výsledky z jednoduché statické FEM analýzy kabiny nákladního vozidla. Použitý FEM model kabiny vznikl jako jeden z výsledků výzkumného projektu TE01020020, zveřejněné výsledky a podrobnosti k projektu jsou dostupné online na webu IS VaVaI. Program Blender jak bylo zmíněno neslouží ke zpracování výsledků, výsledky je třeba nejdříve připravit v postprocesoru a ty následně exportovat v podporovaném grafickém formátu. Nejčastěji použitelné formáty 3D dat s možností uložení barevných informací z postprocesoru budou X3D, PLY a OBJ.
Příprava statická scény
Import FEM modelu
Program Blender umí importovat běžně používané formáty 3D dat a konkrétní nabídka se lehce liší použitou verzí programu. Z postprocesoru ParaView nebo jiného provedeme export požadovaných výsledků, v našem případě pevnostní FEM analýzy přichází k úvahu například celkové posuvy nebo napjatost konstrukce.
Při procesu importu dat do Blenderu lze sjednotit délkové jednotky modelu a scény. Dle použitého grafického formátu bude importovaný model obsahovat kromě geometrie i například uložené pozice kamer a světelných zdrojů. Struktura importovaných 3D dat je zobrazena v postranním panelu se stromem objektů.
Manipulace s FEM modelem
Ve většině případů stačí importovaný 3D model vhodně umístit, a to nejlépe do počátku souřadného systému. Používané funkce v Blenderu tak budou posuv (hotkey G), rotace (hotkey R), popř. měřítko (hotkey S), pokud při importu bylo zvoleno chybně a importovaný 3D model má velikost několik mm nebo naopak km a na první pohled není ve scéně vidět. Dále lze skrýt nepotřebné součásti a sestavy, vytvořit nové skupiny dílů pro efektivnější práci a připravit tak vzhled 3D modelu k finálnímu renderování.
Obecné nastavení scény a prostředí
Podle zvoleného renderovacího enginu Blenderu se v některých případech liší možnosti nastavení. Scénu je dále možné doplnit o další světelné zdroje, použít ambientní osvětlení nebo načíst světelné nastavení z externí exr souborů.
Úprava materiálu
Nyní asi nejdůležitější část článku a popis, jak dosáhnout toho, aby se na importovaném 3D modelu zobrazovaly správné barvy, které jsme zvolili v postprocesoru. Jako vstupní node pro barvu materiálu je nutné přidat atribut s názvem „Col". Upravit materiál lze v prostředí Shader editoru nebo v postranním menu v kartě materiál.
Upravený materiál je pak třeba jen přiřadit k jednotlivým dílům. Pro hromadné přiřazení materiálů lze využít funkci Link/Transfer Data (hotkey Ctrl+L) V této ukázce je pro celý 3D model přiřazen jeden materiál, tedy všechny díly přejímají barevnou informaci z FEM analýzy. V 3D modelu lze samozřejmě materiály různě kombinovat a některé díly mít třeba průhledné nebo s vlastnostmi skla apod. Po přepnutí rozhraní Blenderu pro zobrazení materiálů (Material preview) by měly být vidět již správné barvy.
Pro vizualizace výsledků FEM analýz není třeba vytvářet v Shader editoru komplikované fotorealistické materiály. Výstupní snímek vizualizace by měl stále nést zřetelnou a jednoznačnou inženýrskou informaci. Nevhodným nastavením nebo volbou typu materiálu s vysokou odrazivosti povrchu jsou tyto informace potlačeny nebo zkresleny a znemožňují tak interpretaci výsledků.
Kamera
Po přidání kamery lze pomocí klávesy Num0 zobrazit pohled na scénu. Korekci pohledu můžete následně upravovat pomocí Fly/Walk modu (hotkey Shift+f) V menu jde dále nastavit další parametry jako je velikost ohniska a hloubku ostrosti. V této ukázce je kamera statická a výstupem bude jeden vykreslený záběr scény. Výsledkem vizualizace může být i video s pohyblivou kamerou kolem 3D modelu. Příprava zdrojových dat modelu je však stejná a pouze se liší definováním trajektorie pohybu kamery.
Nastavení renderu
V Blenderu je možno renderovat scénu pomocí několika enginů. V úvahu připadá fyzikálně založený engine Cycles nebo OpenGL realtime engine EEVEE. Ten je relativně nový a v Blenderu je tento engine dostupný od verze 2.8. Podle hardware výbavy počítače lze zvolit renderování pomocí CPU nebo GPU. Dobručená nastavení velikostí vykreslovacích dlaždic jsou pro CPU 16 px, 32 px a pro GPU 256, 512 px. Podrobnější nastavení parametrů enginu je nezbytné u zpracování náročných scén a animací s velkým množstvím snímků. To má vliv na časová náročnost a při chybném nastavení muže být doba renderování výstupu neúnosně dlouhá. Pomocí klávesy F12 se spustí vykreslování aktivní scény.
Finální vizualizace FEM analýzy
Finální vykreslení importovaného 3D modelu může vypadat třeba takto.
Tento jednoduchý postup by vám měl poskytnout přehled o možnostech vykreslení 3D inženýrských výsledků pomocí Blenderu. Blender je poměrně náročný na učení, je to složitý program s mnoha funkcemi a možnostmi nastavení. Z počátku je tedy pravděpodobné, že výsledné vizualizace FEM analýz nebudou plně odpovídat představám.