Доспехи для носорога

В Лондоне показали новые возможности Rhino 3D

Четверть века назад американец Роберт МакНил, по образованию бухгалтер, основал в Сиэтле компанию Robert McNeel & Associates (RMA), ставшую одним из первых реселлеров AutoCAD. Продавая эту набиравшую популярность чертежную систему, Боб раньше других увидел и осознал перспективы трехмерного моделирования, основанного на развитом функционале поверхностей свободной формы. Компания RMA начала разрабатывать соответствующий плагин для AutoCAD в начале 1990-х - когда подобных систем, работающих на персональных компьютерах, просто не существовало. (Позже появилась SolidWorks, первая в мире трехмерная САПР для Windows, но ее возможности по работе с поверхностями свободной формы были и остаются до сих пор крайне ограниченными.) То, что выпустила компания RMA в 1998 г. под именем Rhinoceros 1.0 ("Носорог"), было абсолютно уникальным продуктом. В процессе разработки Боб и его команда отказались от идеи создать плагин для AutoCAD и разработали свой продукт с нуля. Причем его технологическая основа - библиотека OpenNURBS - была опубликована в открытом коде, что позволило любому желающему получить полный доступ к записи/чтению/модификации геометрических данных и открыло дорогу к широкой интеграции Rhino с другими САПР и созданию многочисленных (к настоящему моменту - более 200) плагинов (подключаемых модулей), разработанных как RMA, так и независимыми разработчиками. А самое главное - возможности Rhinoceros по моделированию поверхностей свободной формы были и остаются до сих пор непревзойденными в этой ценовой нише (однопользовательская лицензия на Rhinoceros стоит в США меньше тысячи долларов). Аналогичные функции моделирования можно найти сегодня только в системах, которые стоят на порядок дороже (CATIA, Alias).

Неудивительно, что система Rhinoceros быстро набрала популярность в нише промышленного дизайна, проектирования яхт, интерьеров, предметов мебели, ювелирных изделий - т.е. во всех областях, где требуется работать с изделиями сложной формы, и где типичными пользователями являются индивидуальные дизайнеры или небольшие коллективы, которым невыгодно покупать лицензии на high-end CAD (адресованные, прежде всего, автомобильной и авиационной отраслям промышленности). Интересно, что RMA заняла эту нишу рынка без лишнего шума - компания никогда не отличалась активным маркетингом, сосредоточившись вместо этого на продвижение продукта самими пользователями, многие из которых позднее переквалифицировались в реселлеры.

В Европе самым успешным реселлером Rhinoceros стала Британская компания Simply Rhino Limited. Думаю, в немалой степени своим успехом она обязана расположению - Лондон является признанным дизайнерским и архитектурным центром мира. Компания  является настолько успешной, что может позволить себе организацию конференции пользователей Rhino UK User Meeting, которая состоялась в Лондоне в Музее дизайна (а где же еще?!) 6 июля 2011 г.

Поскольку компания RMA сама не устраивает конференции пользователей, то любое Rhino-мероприятие автоматически становится событием мирового масштаба, привлекая внимание пользователей, разработчиков и реселлеров со всего мира. Так произошло и в этот раз. Любопытно, что возможность выступить с докладами на конференции была предоставлена лишь четырем компаниям-разработчикам плагинов. И мне весьма лестно, что одной из таких компаний стала возглавляемая мной новосибирская фирма ЛЕДАС (три другие - это американские компании T-Splines и Intact Solutions, а также немецкая фирма Virtual Shape Research).

Компания ЛЕДАС долгие годы была известна САПР-сообществу в качестве поставщика услуг и технологий на рынке наукоемкого программирования: с 1999 г. мы выполняем заказы Dassault Systemes, Exigen, Cimatron и других компаний, разрабатывая для них вычислительные библиотеки для решения сложных задач ресурсно-календарного планирования, параметрической оптимизации, инженерии знаний, решению задач с ограничениями, определению столкновений, моделированию движения и проч. В 2009 г. наша компания впервые вышла на рынок конечно-пользовательского ПО, объявив о разработке параметрических плагинов семейства Driving Dimensions ("управляющие размеры") для SketchUp и Rhinoceros. Оба они вызвали заметный резонанс в соответствующих пользовательских сообществах, ведь благодаря этим плагинам популярные системы трехмерного моделирования превращаются в полноценные параметрические САПР с возможностью не только создавать геометрические модели, но и модифицировать их удобным образом. Функциональность плагина для Rhino недавно была нами существенно расширена, и - одновременно с выпуском новой версии 2.0 - он получил новое название RhinoWorks, отражающее широкий спектр его возможностей: от параметрической модификации простых конструктивных элементов (призмы, отверстия, скругления) и интеллектуального редактирования импортированной геометрии с автоматическим распознаванием намерений проектировщика (design intent) до восходящего проектирования сборок с использованием геометрических сопряжений и управляющих размеров, решения задач прямой и инверсной кинематики - вплоть до получения высококачественных трехмерных анимаций движущихся механизмов.

К сожалению, на пути роста популярности этого плагина стоят устоявшиеся предубеждения о том, что параметрическое проектирование - это что-то сложное, доступное лишь в дорогих системах, требующее предварительного обучения и - самое главное - в конечном счете лишь затрудняющее модификацию сложной геометрической модели. Все это так, пока речь идет о параметрическом проектировании на основе истории построения, где изменение параметра подразумевает регенерацию геометрии и повторное выполнение всех операций, использованных при создании модели. Понятно, что дерево построения хоть сколь-нибудь нетривиальной модели оказывается совершенно необозримым, а вероятность того, что в нем найдется именно тот параметр, который вам необходимо изменить в данный момент, прямо пропорциональна опыту и прозорливости пользователя, создавшего эту модель.

Пользователи Rhino уже имели возможность вкусить плоды параметрического проектирования, основанного на регенерации модели в соответствии со сценарием ее создания. Самым известным продуктом на эту тему является плагин Grasshopper, разрабатываемый и (пока) бесплатно распространяемый самой компанией RMA. Немногочисленные пользователи-энтузиасты овладели этим методом проектирования и не устают восхищаться его мощью. Однако, даже они согласны с тем, что убедить неискушенных пользователей Rhino использовать этот плагин весьма непросто. Джерард Петерсен, глава голландской компании RhinoCentre, демонстрируя на конференции Rhino UK User Meeting 2011 созданную им лично впечатляющую модель яхты вместе с лежащей в ее основе диаграммой Grasshopper, ехидно заметил: "итальянцам это должно понравиться", намекая на очевидные ассоциации диаграммы с доброй порцией спагетти:

Спагетти, безусловно, вкусное блюдо (особенно, приготовленное итальянцем), но представьте себе, что вам нужно найти в тарелке (а то и в целой кастрюле) одну единственную спагетину и идентифицировать в ней место, где расположен нужный параметр. Причем, существует немалая вероятность, что нужного параметра там просто не окажется - если только его не заложил туда "повар", приготовивший это "блюдо".

А что делать, если модель была создана без Grasshopper или вообще импортирована в Rhino из другой системы (например, из SolidWorks)? Отказаться от параметрической модификации? К счастью, у всех этих проблем есть решение, состоящее в отказе от дерева построения в пользу набора ограничений. Ограничение - это сущность, определяющая форму и взаимное расположение элементов модели. В твердотельных и поверхностных трехмерных моделях такими элементами выступают  грани, ребра (на стыке граней) и вершины (на стыке ребер). Между ними можно задавать разные ограничения: совпадение, параллельность, перпендикулярность, касание, заданное расстояние и угол. Для ребер в виде дуг окружностей и граней, являющихся частями сферических, цилиндрических и торических поверхностей можно также задавать ограничения радиуса и концентричности. Заданные ограничения влияют на геометрические формы вашей модели, а также помогают позиционировать конструктивные элементы и детали в сборке. Важно, что плагин RhinoWorks способен самостоятельно распознать многие ограничения (совпадение, параллельность, равенство радиусов и др.), избавляя вас от необходимости задавать их вручную. Таким образом, обычно вам достаточно задать лишь несколько управляющих размеров, требующихся для модификации модели нужным вам образом. Заданные ограничения (вместе с автоматически распознанными) затем решаются высокопроизводительным геометрическим решателем (уникальная разработка компании ЛЕДАС, доступная для лицензирования сторонним разработчикам), а все изменения в модели происходят локально, не требуя дорогостоящей процедуры регенерации модели с нуля. Важно и то, что ограничения (в отличие от дерева построения) вы можете добавить к любой существующей модели, включая импортированную в Rhino. Таким образом, очевидны основные достоинства подхода к параметризации, реализованного в плагине RhinoWorks: простота, мощь, универсальность.

Собственно, именно об этом я и рассказал 150 участникам конференции Rhino UK User Meeting, сопроводив свое выступление живой демонстрацией работы плагина на примерах с простыми формами, с импортированной из SolidWorks геометрией, с производственным роботом. Накануне, пользуясь еще одним любезным приглашением Пола Коуэлла (главы Simply Rhino), я провел аналогичную презентацию в Лондонском архитектурном бюро Zaha Hadid Architects еще примерно для 50 пользователей Rhino. Оба выступления вызвали заметный интерес аудитории: в индивидуальном порядке мне задали множество вопросов по возможностям плагина и нашим планам по его развитию. Пользователи горячо одобрили все планируемые нами функции: переменные размеры и уравнения, управление размерами с помощью таблиц Microsoft Excel, группировка ограничений в папки, диагностика взаимного непроникновения деталей механизма и др. Многие присутствующие захотели приобрести плагин немедленно (компания Simply Rhino, эксклюзивный реселлер RhinoWorks в Соединенном Королевстве, получила несколько заказов на плагин).

А началась конференция докладом Карлоса Переза, главы европейского офиса RMA, расположенного в Барселоне. Карлос сообщил, что за 13 лет, прошедших с выпуска первой версии Rhinoceros, только легальная пользовательская база достигла 300 тыс. инсталляций (нелегальная не поддается исчислению, но оценивается как минимум пятикратно большим числом). Главным рынком для Rhino по-прежнему остается промышленный дизайн, но в последнее время наибольший прирост пользователей обеспечивают архитектурные бюро. Система Rhino установлена в 10 тысячах образовательных учреждений по всему миру. Общее число зарегистрированных разработчиков достигло 12 тысяч. С момента выпуска четвертой версии в 2007 г. продажи коммерческих лицензий выросли на 200%, образовательных - на 400%. Недавно была запущена социальная сеть пользователей Rhinoceros - RhinoFabLab.

Основную часть своего выступления Карлос посвятил описанию нововведений Rhino V5 - долгожданной новой версии системы. Точная дата ее выпуска пока не называется, но известно, что до релиза остались считанные месяцы. Пользователи-энтузиасты уже могут попробовать рабочую версию Rhino 5 ("work in progress"). Доступны 32- и 64-разрядные Windows-версии, на подходе версия для Mac OS X. Для автоматизации в новой версии предлагается скриптовый язык RhinoPython. Скрипты на этом языке будут одинаково исполняться на всех поддерживаемых платформах. 

Важно, что в пятой версии наконец-то появится единый центр управления установленными плагинами, включая управление лицензиями (сейчас каждый разработчик плагинов предлагает свою собственную лицензионную модель и свой собственный инсталлятор). Кроме того, RMA продолжит развивать iRhino - вьюер трехмерных моделей в формате 3DM для iPhone/iPad. 

В Лондоне Карлос Перез вживую продемонстрировал некоторые возможности пятой версии Rhino: фотореалистичный рендеринг в реальном времени, редактирование твердых тел прямой деформацией их граней с помощью новой команды PointOn, перетаскивание граней тела мышкой в стиле SketchUp.

Мэтт Седерберг, глава и основатель компании T-Splines, продвигающей развитые средства для моделирования поверхностей подразделения, рассказал о нововведениях выпущенной недавно третьей версии T-Splines for Rhino. У внимательного читателя в этом месте может возникнуть вопрос: зачем пользователям Rhino нужны поверхности подразделения, если встроенными средствами можно создать NURBS-поверхности любой сложности? Дело в том, что классические NURBS-поверхности не могут обеспечить нужную степень гладкости и визуальной красоты в местах примыкания граней друг к другу. Это особенно важно при моделировании органических объектов, что и продемонстрировал Мэтт, показав присутствующим две версии Голлума (фантастического персонажа из киноверсии "Властелина колец" Питера Джексона): одна создана с помощью NURBS, вторая - на основе поверхностей подразделения. Разница между ними, видимая невооруженным глазом, в свое время заставила Голливудскую студию WETA полностью переделать моделирование персонажа, изначально выполненного в NURBS, с помощью поверхностей подразделения. Основную часть своей выступления Мэтт посвятил описанию новшеств третьей версии плагина.

Вадим Шапиро, профессор университета Висконсин-Мэдисон, разработал уникальный метод конечно-элементного анализа, не требующий построения сетки конечных элементов в явном виде (она строится неявно при расчетах - непосредственно на основе геометрической формы тела). Для коммерциализации этого метода расчетов была создана компания Intact Solutions, которая недавно выпустила Rhino-плагин Scan&Solve для статического экспресс-анализа напряжений и деформаций под нагрузкой. Во время своего выступления Вадим показал несколько интересных моделей (спроектированный с помощью T-Splines дизайнерский стул, здание кафедрального собора, машиностроительную деталь, статую Давида). Отличительной особенностью Scan&Solve является отсутствие необходимости удалять из модели мелкие детали (типа 3d-надписей) перед анализом. SolidWorks в этом месте требует от пользователя ручной работы, от которой полностью избавлены пользователи Scan&Solve!

Питер Зальцман рассказал о продуктах немецкой компании VSR (Virtual Shape Research). Компания основана бывшими сотрудниками ICEM, которые не захотели работать на Dassault Systemes после недавнего поглощения. К настоящему времени VSR выпустила уже два плагина: VSR Renderer (для фотореалистичного рендеринга в реальном времени) и VSR Shape Analysis (для нахождения геометрических ошибок в модели), а на конференции Питер объявил о грядущем выпуске третьего продукта: VSR Shape Modeling, которому и была посвящена большая часть его выступления.  Новый плагин предлагает удобные интерактивные операции редактирования поверхностей свободной формы. Можно создать поверхность по массиву точек, в каждой точке контролируя степень гладкости поверхности, перемещать точку с динамическим изменением формы поверхности, гладко соединять два куска поверхностей и т.п. Интересна возможность создавать прямоугольные лоскуты поверхностей по выбранным регионам полигональной сетки (и тем самым быстро и удобно превращать сеточную модель в NURBS). 

В конце своего выступления Питер показал впечатляющие возможности рендеринга в режиме реального времени. Интересно, что существует удобный полноэкранный режим с возможностью переключения между разными вариантами одной модели. Важно, что плагин умеет загружать все ядра процессора одновременно, полностью используя вычислительные ресурсы компьютера.

Помимо разработчиков плагинов для выступления на конференции Пол Коуэлл пригласил опытных пользователей Rhino - представителей лучших дизайнерских студий, которые продемонстрировали собравшимся исключительные примеры использования Rhino и рассказали о том, как они их создавали. Уже упомянутому Джерарду Петерсону для этого потребовалось годы. Джерард занимается дизайном яхт. Сначала он рисовал их на бумаге, затем стал использовать Rhino 1.0 и овладел всеми последующими версиями Rhino по мере их выпуска. В 2001 г. ему наконец удалось создать полную трехмерную модель лодки целиком в Rhino. Тогда же он - по предложению Боба МакНила - стал реселлером Rhino. Джерард показал впечатляющие модели спроектированных им в Rhino яхт и поделился со слушателями несколькими своими наблюдениями. Так, навигация по трехмерной модели (виртуальная прогулка по яхте), оказывается, является основной движущей силой продаж - клиент немедленно размещает заказ, как только видит внутренность своей будущей яхты. Кстати, для навигации по трехмерной модели Джерард использовал трехмерную мышку Space Navigator компании 3DConnexion, и когда кто-то из присутствующих спросил у него, что это за устройство, Джерард ответил, что эта штука примерно в 10 раз сокращает ему время проектирования. Вообще, по мнению Джерарда, будущее использование Rhino лежит в области интегрированного проектирования. Системе пора выходить из узких ниш концептуального дизайна, визуализации и проч. и занимать центральное место в процессе проектирования. И действительно: то, что создает Джерард с помощью Rhino, уже можно назвать приближением к хорошо известному в области машиностроительного проектирования понятию цифрового макета изделия.

Стюарт Вуд рассказал об опыте использования Rhino в Heatherwick Studio - лондонской дизайн-студии, известной многими масштабными проектами, выполненными для частных компаний и правительственных организаций, такими как новый двухэтажный автобус для Лондона Routemater:

В отличие от существующих он имеет три двери и две лестницы. Изначально используя AutoCAD для этого проекта, дизайнеры создали 3D-модель с помощью Rhino. Сейчас модель проходит испытания. 

Майкл Эден рассуждал о сочетании цифрового проектирования с ручным производством. Майкл делает керамические вазы изумительной сложности. 

Какая САПР-конференция в наше время обходится без демонстрации работы 3D-принтера? Вот и Rhino UK User Meeting не избежала этой участи. Грэхам Беннет из комнии CRDM, продающей в Великобритании 3D принтер HP Designjet подробно рассказал присутствующим о принципе его работы, стоимости самого принтера и расходных материалов к нему. Тут же любой желающий мог увидеть своими глазами магический процесс трехмерной печати. Напомним, что сам принтер HP Designjet является ничем иным как Stratasys uPrint. Идея с бедж-инжинирингом в данном случае сработала на ура - к бренду HP у покупателей очень высокое доверие. За полтора года в Великобритании было продано 220 принтеров этой модели. 

Конференция завершилась презентацией новинок Rhino 5, сделанной сотрудником Simply Rhino Филом Куком. Он показал работу новой команды Shell, продемонстрировал улучшения в работе команды Sweep. Рассказал, что команда Project обычно производит очень сложные кривые на поверхности - с большим количеством контрольных точек. Теперь в ней появилась опция, позволяющая упрощать проекцию. Важным нововведением Rhino 5 станет виртуальный манипулятор Gumball. Если дважды щелкнуть мышкой на одной из его стрелок, то можно ввести конкретное значение, на которое требуется переместить объект вдоль соответствующей оси. В заключение он продемонстрировал новые инструменты визуализации. 

Закрывая конференцию, Пол Коуэлл поблагодарил всех докладчиков за приезд в Лондон и рассказал о вебсайте www.rhino3d.co.uk, где уже сейчас можно найти несколько учебных роликов, демонстрирующих новые функции Rhino 5.

Покидая здание Музея дизайна и любуясь великолепным Тауэром (музей расположен на набережной сразу у этого старинного моста-крепости), я попытался просуммировать полученные впечатления. Очевидно, что нововведения в пятой версии Rhino вкупе с новыми (или существенно обновленными) плагинами T-Splines, VSR Shape Modeling, RhinoWorks и Scan&Solve, превращают старого доброго Носорога в мощную платформу, грозящую занять место систем проектирования среднего и верхнего уровней. За существенно меньшие деньги пользователь получает качественно лучший функционал: развитые методы моделирования поверхностей свободной формы, удобную параметризацию и автоматический экспресс-анализ. Ни о чем подобном пользователь того же SolidWorks не может и мечтать. Значит ли это, что Rhino 3D имеет шансы стать самой популярной системой трехмерного проектирования? Сложно сказать: все-таки масштабы компаний совершенно несопоставимы (число сотрудников RMA выражается двузначным числом, а за спиной у нее нет многомиллиардной корпорации). К тому же, разработчики плагинов разобщены, зачастую производят дублирующий функционал, а главное, имеют собственное видение рыночных ниш для Rhino и осуществляют самостоятельную маркетинговую политику. И пока Сиэтл не возьмет бразды правления в свои руки, удел Rhino - оставаться платформой, широко популярной в узких кругах и движимой в основном энтузиазмом пользователей и сторонних разработчиков. Впрочем, общеизвестно, что у носорога плохое зрение. Но разве этот мелкий недостаток когда-либо был для него проблемой?