Какие средства можно использовать для компьютерного моделирования в рассмотренной задаче

Обновлено: 30.06.2024

Современное программное и аппаратное обеспечение совершило настоящую революцию в работе инженеров-проектировщиков и дизайнеров. Проектирование с использованием моделирования несет с собой немало преимуществ, среди которых:

Экономия времени и денег благодаря меньшему числу физических тестов;
Возможность быстро выявлять лучшие решения еще на старте;
свобода экспериментов по принципу «что если», особенно при создании продуктов для новых рынков.

Дальнейшее внедрение моделирования даст инженерам-проектировщикам еще больше преимуществ. Но технологические и кадровые проблемы, привычка действовать «по накатанной» не позволяют компаниям в полной мере раскрыть потенциал методики. Что же способно изменить ситуацию?

1. Достижения в области аппаратного и программного обеспечения

Вычислительные мощности становятся все доступнее, а ПО моделирования оптимизировано таким образом, чтобы задействовать их в полной мере. Благодаря этому проектировщики могут использовать все преимущества моделирования.

Интересно, например, сравнить программное обеспечение COMSOL Multiphysics на рабочей станции Dell Precision трехлетней давности с их сегодняшними аналогами (подробности — ниже). Как выяснилось, современное аппаратное и программное обеспечение проводит эксперименты с моделями до шести раз быстрее!

Программный пакет для мультифизического моделирования

Чтобы избежать «узких мест» при работе с моделированием, требуется не только новейшее аппаратное и программное обеспечение. Для создания моделей, проведения расчетов и анализа результатов нужны обширные знания, которых большинству компаний не хватает. Даже обладая самыми быстрыми компьютерами и новейшим ПО, предприятия не могут работать без помощи экспертов.

Одно из решений проблемы — распространять нужные навыки среди широкого круга специалистов с помощью приложений, которые относительно просты в освоении. Так, технологии COMSOL Application Builder и COMSOL Server позволяют моделировать в COMSOL Multiphysics всему коллективу проектировщиков.

Даже сотрудники, не сведущие в отрасли, могут без помощи экспертов решать сложные задачи — настраивать переменные, запускать процессы моделирования и получать нужные ответы.

Приложения можно загружать в COMSOL Server — программу, которая позволяет запускать их откуда угодно в любом браузере или специализированном настольном клиенте.

Таким образом, Application Builder и COMSOL Server демократизируют моделирование. Организации используют эти приложения, чтобы оптимизировать исследования и разработки, расширить возможности своих инженеров и освободиться от рутинных задач, сосредоточившись на высокоуровневых решениях.

3. Распространение «культуры моделирования»

На фоне увеличения сложности продуктов и сокращения времени их выхода на рынок инженеры и предприниматели готовы менять рабочий процесс ради своей главной цели — инноваций. И все же внедрение проектирования, основанного на моделировании — это большое событие, которое требует совместных усилий руководства и рядовых сотрудников. Руководители должны понимать преимущества моделирования и правильно оценивать окупаемость инвестиций в эту технологию.

Массовое внедрение моделирования позволит компаниям разрабатывать лучшие и более качественные продукты, сокращать время их выхода на рынок и, соответственно, опережать конкурентов. Сейчас большинство инженерных организаций уже не представляют, как без моделирования создавать продукты уровнем выше базового. Но до недавнего времени сложность технологии ограничивала ее использование и не позволяла раскрыть весь потенциал ее потенциал.

ПО для моделирования с его математическими уравнениями, непростой процедурой установки и сложным пользовательским интерфейсом долго оставалось «на обочине» инженерии. Оно было предназначено небольшой группе подготовленных исследователей и разработчиков, которые хорошо понимали, как настраивать те или иные параметры. Также ПО имело ограниченную функциональность, поэтому было плохо приспособлено для решения многогранных задач при создании сложных инновационных продуктов.

Аппаратные ограничения

Область применения моделирования еще больше сужалась, когда речь заходила о технических требованиях для анализа конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD). Старым рабочим станциям не хватало мощности для адекватного управления сложными моделями и интенсивных вычислительных процессов.

Итак, нехватка квалифицированных специалистов и недостаточная мощность рабочих станций долгое время мешали организациям использовать весь потенциал моделирования. Но сегодня препятствия устранены. Методику могут применять почти все проектировщики — особенно на ранних этапах, когда она сильнее всего влияет на результат. Привлечение к моделированию всей команды на всех стадиях работы позволяет получить максимальную отдачу.

Компьютерное моделирование или физические испытания?

Компьютерное моделирование различных физических процессов существенно ускоряет процесс разработки продукции, позволяет значительно сэкономить на сборке испытательных моделей. С помощью современных вычислительных мощностей и программного обеспечения инженеры могут моделировать работу отдельных компонентов и узлов сложных систем, а в результате — сократить количество проводимых физических испытаний, необходимых перед запуском нового продукта. Промышленность сталкивается с такими проблемами как время на разработку нового изделия и стоимость разработки. А в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли без моделирования практически невозможно обойтись. Оно помогает значительно ускорить разработку и снизить затраты.

Эволюция: хард и софт

Производители и эксперты приложили немало усилий, чтобы преимущества моделирования при создании проектов были доступны широкому кругу специалистов. Тем не менее, сейчас организации лишь начинают получать выгоду от массового внедрения методики. Этому способствуют достижения во многих технологических областях и их широкое применение на практике. Мощные процессоры, высокопроизводительные твердотельные накопители (SSD) и большая емкость памяти позволяют современным рабочим станциям успешно решать задачи с крупными моделями. Здесь на новом уровне применяются возможности параллельной обработки данных.

Снижение цен на рабочие станции сделало их доступными для широкого круга пользователей. Теперь компании могут значительно увеличить свою вычислительную мощность при тех же инвестициях.

Решать задачи по моделированию, слишком сложные для средней рабочей станции, позволяют достижения в области высокопроизводительных вычислений (HPC). Сегодня компаниям доступна кластерная технология. Ведущее ПО для моделирования сертифицировано для работы на кластерах HPC, а новое поколение ПО облегчает управление этим оборудованием.

Программное обеспечение для моделирования также значительно изменилось за последние годы. Новые интуитивно понятные пользовательские интерфейсы сглаживают сложность технологий, а сами приложения стали намного мощнее и одновременно проще в настройке.

Поставщики ПО для моделирования активно работают над сертификацией. Они оптимизируют программы, чтобы использовать все функции современной рабочей станции: мультиядерность, обновленный набор инструкций, более быстрые SSD. Параллельная обработка данных и многопотоковость работы позволяют решать сложнейшие задачи намного быстрее и точнее.

Машина времени: из 2012 в 2015

На фоне таких радикальных перемен мы рассмотрели, какие результаты приносят увеличение аппаратной производительности и обновление ПО до последней версии. Для примера мы сравнили современную конфигурацию рабочей станции Dell и новейшую версию COMSOL Multiphysics с этими же продуктами трехлетней давности.

Средняя компания каждые три года оценивает свои возможности для обновления аппаратного и программного обеспечения. Для этого ее руководство анализирует формальную рентабельность инвестиций (ROI).

Давайте сравним последнюю версию ПО COMSOL Multiphysics на современной рабочей станции с аппаратным и программным обеспечением, которое было стандартным три года назад. В частности, рассмотрим, сколько времени занимает создание различных моделей на рабочей станции Dell Precision T3500 и рабочей станции текущего поколения — Dell Precision Tower 7810.

Станция Dell Precision T3500 оснащена одним процессором Intel Xeon W3505 с тактовой частотой 2,53 ГГц, двумя ядрами, 12 ГБ оперативной памяти и жестким диском на 300 ГБ. Она работает под Windows 7 Pro и использует COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.

Современная рабочая стация Dell Precision Tower 7810 оснащена двумя процессорами Intel Xeon E5-2687W v3, которые работают на частоте 3,1 ГГц и задействуют 20 ядер. Система снабжена 64 ГБ оперативной памяти, диском SCSI на 500 ГБ и твердотельным накопителем Samsung SS85 SSGB емкостью 512 ГБ. Интерфейс MPI обеспечивает поддержку гибридной параллельной обработки кластерного типа. Программное обеспечение — по-прежнему Windows 7 Pro (так наше сравнение будет объективным), но версия COMSOL установлена последняя — 5.0.1.276.

Мы выбрали модели различных типов, чтобы увидеть, как на новом оборудовании проявляются все преимущества COMSOL.

3D Fluid-Structure Interaction (трехмерная модель жидкостно-структурного взаимодействия), где задействованы ламинарное течение и структурная механика.
Tonpilz Piezo-Transducer (модель пьезопреобразователя Тонпильца), требующая параметрического исследования.
Aluminum Extrusion (модель экструзии алюминия), которая сочетает структурную механику, ламинарное течение и теплообмен.
Electrical Switch (модель электрического выключателя), которая задействует структурную механику, электрический ток и теплопередачу.

Результаты моделирования

Моделирование физических процессов на рабочих станциях за три года значительно продвинулось вперед — и по размеру моделей, и по их сложности, и конечно, по скорости работы. Станция Dell Precision Tower 7810 благодаря намного большему числу ядер и объему памяти, параллельной обработке данных и возможностям для гибридного моделирования в последней версии COMSOL показала рост производительности до шести раз (в зависимости от типа модели и области физики). Например, работа с моделью Aluminium Extrusion с 4,23 млн степеней свободы три года назад занимала 920 секунд, а теперь — всего 153 секунды: в шесть раз меньше.

Модель 3D Fluid-Structure Interaction со 290 000 степенями свободы на Dell Precision T7810 и COMSOL 5.0.1.276 была обработана за 906 секунд по сравнению с 4617 секундами на Dell Precision T3500 и COMSOL 4.2.0.288. Это пятикратное увеличение скорости. Модель электрического выключателя теперь обрабатывается в четыре раза быстрее — за 255 секунд вместо 1028. Модель пьезопреобразователя Tonpilz с 56 000 степенями свободы показала более скромные результаты из-за своего небольшого размера. Тем не менее, на новом оборудовании с использованием последней версии COMSOL скорость выросла более чем вдвое: 209 секунд по сравнению с 481 секундой на аппаратном и программном обеспечении трехлетней давности.

Эксплуатация старых рабочих станций или версий программного обеспечения — привычное дело для компаний с ограниченным бюджетом. Но на самом деле они больше теряют, пытаясь моделировать на устаревших ресурсах, которые не соответствуют растущим размерам и сложности проектов.

Достижения в области аппаратного обеспечения за последние три года помогли серьезно увеличить объемы моделирования и скорость обработки данных. Современные рабочие станции оснащены процессорами с большим количеством ядер, что позволяет использовать их для параллельной обработки — опции, которая три года назад была доступна только в кластерах.

Современное ПО для моделирования имеет автоматическую поддержку нескольких ядер и функцию параллельной обработки данных. Раньше специально обученный профессионал должен был вручную вносить изменения, чтобы настроить ПО для параллельной обработки на той или иной платформе.

Задача: Aluminum Extrusion
Число степеней свободы: 4 235 000
Области физики: взаимодействие структурной механики, ламинарного течения и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 920 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 153 сек
Прирост скорости: 6,01 раза

Задача: 3D Fluid-Structure Interaction
Число степеней свободы: 290 000
Области физики: тесное взаимодействие ламинарного течения и структурной механики
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 4617 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 906 сек
Прирост скорости: 5,1 раза

Задача: Multiphysics Electrical Switch
Число степеней свободы: 115 000
Области физики: тесное взаимодействие структурной механики, электрического тока и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 1028 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 255 сек
Прирост скорости: 4,03 раза

Задача: Tonpilz Piezo-Transducer
Число степеней свободы: 56 000
Области физики: параметрическое исследование взаимодействия акустической структуры с пьезоэлектрическим преобразователем
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 481 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 209 сек
Прирост скорости: 2,3 раза

Рабочая станция Dell Precision Tower 7810

Современное поколение рабочих станций Dell Precision включает в себя модель Dell Precision Tower 7810 с двумя процессорами Intel Xeon E5-2600 v3 (до 18 ядер каждый), новейшими видеокартами NVIDIA Quadro и AMD FirePro, а также до 256 ГБ системной памяти с инновационной технологией DDR4 RDIMM. Особая конструкция шасси облегчает доступ к компонентам системы и упрощает ее обновление.

Среди опций Dell Tower 7810 — твердотельный накопитель PCIe с активным охлаждением, который работает на 180% быстрее, чем традиционный SSD-накопитель SATA. Доступны и варианты с традиционным жестким диском. Такая комплектация почти не влияет на производительность: программные решения Intel CAS-W обеспечивают скорость ввода-вывода, сравнимую с твердотельным накопителем, по цене обычного HDD.

Станции Dell Precision сертифицированы независимыми поставщиками ПО, что обеспечивает бесперебойную работу всех популярных приложений для проектирования. ПО Dell Precision Optimizer повышает производительность системы, автоматически настраивая ее для запуска любых программ с максимальной скоростью.

Также Dell Precision 7810 предлагает решения для безопасности: шифрование, расширенную проверку подлинности, защиту от вредоносных программ.

В следующем материале мы подробно расскажем, какие задачи по проектированию решают компании на рабочих станциях Dell, как они применяют моделирование и каких результатов достигают с его помощью.

Моделирование – это метод научного исследования явлений, процессов, объектов, устройств или систем, основанный на построении, изучении и использовании моделей с целью получения новых знаний, совершенствования характеристик объектов исследования или управления ими.

Моделирование необходимо для изучения сущности изучаемого объекта, определения способ управления им, прогнозирования возможных последствий тех или иных событий, решения задач прикладного характера – все это делает моделирование необходимым изобретением для многих сфер жизни общества. Одним из видов моделирования является компьютерноемоделирование.

Компьютерное моделирование – это метод решения задачи, анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.

Компьютерная модель бывает двух видов:

1. Структурно-функциональная модель – условный образ объекта, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, диаграмм, рисунков и т.д.

2. Имитационная модель– отдельная программа, позволяющая воспроизводить процессы функционирования объекта при воздействии на него различных факторов.

Компьютерное моделирование, как деятельность, предполагает поэтапность :

Анализ требований и проектирование (постановка цели и задачи моделирования, сбор информации об объекте, построение концептуальной и проверка её достоверности)
Разработка модели ( выбор среды моделирования, составление логической модели, назначение модели и модельного времени, проверка истинности и адекватности модели)
Проведение эксперимента ( запуск, прогноз и отладка модели, анализ результатов моделирования и подведение итогов)

Нас интересует второй этап, а именно среда моделирования.

Несмотря на наличие множества специализированных пакетов компьютерного моделирования, табличный процессор Microsoft Excel является наиболее доступным, поэтому именно его применяют для решения большинства прикладных задач. В связи с этим рассмотрим именно его в качестве примера.

Microsoft Excel позволяет решать оптимизационные задачи, что является актуальным для коммерсанта. Среди них выделяют следующие :

Задача сетевого планирования и управления.
Задачи массового обслуживания.
Задачи управления запасами
Задачи распределения ресурсов
Задачи ремонта и замены оборудования
Задачи составления расписания.
Задачи планировки и размещения
Задачи выбора маршрута или сетевые задачи.

Оптимизационная задача– это экономико-математическая задача, цель которой состоит в нахождении наилучшего варианта использования имеющихся ресурсов.

Давайте рассмотрим некоторые аспекты работы с Microsoft Excel, позволяющие решать оптимизационные задачи.

Элементы экрана : открываяMicrosoft Excelмы видим таблицу, которая называется рабочим листом. Таблица состоит из строк и столбцов, образуя ячейки в которые вводятся данные. Сверху таблицы находиться строка заголовка, строка меню и строка формулы с отображением активной ячейки. Все это можно увидеть на рисунке.

Формулы служат для проведения разнообразных расчетов. С помощью Excel можно быстро вводить формулу. Формула состоит из трех основных частей :

Знак равенства
Совокупность значений или ссылки на ячейки, с которыми выполняются расчеты
Операторы

Если знак равенства не введен, то вводимые значения воспринимаются как просто данные.

Так же функцию можно ввести нажав на специальную кнопку вызова функции.

Надстройка – поиск решения : Надстройка «поиск решения» позволяет решать оптимизационные задачи.

В строке меню выбираем поиск решения и у нас открывается диалоговое окно «параметры поиска решения», в которых указаны три основных поля:

1. Оптимизировать целевую функцию

2. Изменяя ячейки переменных

3. В соответствии с ограничениями.

Оптимизировать целевую ячейку означает выбрать ту ячейку, которая будет связана с другими ячейками формулой и которая будет отображать результат задачи. Можно выбирать поиск max и min значения ячейки, в зависимости от условия.

Изменяя ячейки переменных означает, что нужно указать переменные ячейки, которые не должны содержать формул и в которых изменение их значения должно повлиять на результат целевой ячейки.

В соответствии с ограничениям означает, что надо указать ячейки, которые будут отображать ограничения данной задачи. Все это можно увидеть на рисунке.

В целом решение оптимизационной задачи в Microsoft Excel состоит из следующих этапов:

Ввести исходные данные
Ввести зависимость для целевой функции
Ввести зависимость для ограничений
Запустить команду Поиск решения
Оптимизировать целевую функцию
Изменить ячейки переменных
Ввести ограничения
Найти решение и создать отчеты.

В данной работе мы в краткой форме рассмотрели сущность компьютерного моделирования, как вид моделирования и один из видов программного обеспечения, а именно Microsoft Excel, предназначенного для моделирования на ЭВМ. А в Excel был продемонстрирован один способов решения прикладных задач, связанных с компьютерным моделированием, тем самым была обоснована актуальность данной темы.

Моделирование является одним из способов познания мира.

Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул.

Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания.

Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью . Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения.

Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель – точную копию оригинала – бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель – это определенный способ описания реального мира.

Создание модели.
Изучение модели.
Применение результатов исследования на практике и/или формулирование теоретических выводов.

Видов моделирования огромное количество. Вот некоторые примеры типов моделей:

Математические модели . Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения.

Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания. Здесь наглядность модели выходит на первый план.

Имитационные модели. Позволяют наблюдать изменение поведения элементов системы-модели, проводить эксперименты, изменяя некоторые параметры модели.

Над созданием модели могут работать специалисты из разных областей, т.к. в моделировании достаточно велика роль межпредметных связей.

Совершенствование вычислительной техники и широкое распространение персональных компьютеров открыло перед моделированием огромные перспективы для исследования процессов и явлений окружающего мира, включая сюда и человеческое общество.

Компьютерное моделирование – это в определенной степени, то же самое, описанное выше моделирование, но реализуемое с помощью компьютерной техники.

Для компьютерного моделирования важно наличие определенного программного обеспечения.

При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть как достаточно универсальным (например, обычные текстовые и графические процессоры), так и весьма специализированными, предназначенными лишь для определенного вида моделирования.

Очень часто компьютеры используются для математического моделирования. Здесь их роль неоценима в выполнении численных операций, в то время как анализ задачи обычно ложится на плечи человека.

Обычно в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. Так, если математическая формула очень сложна, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь приходят графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей.

С появлением мощных компьютеров распространилось графическое моделирование на основе инженерных систем для создания чертежей, схем, графиков.

Если система сложна, а требуется проследить за каждым ее элементом, то на помощь могут придти компьютерные имитационные модели. На компьютере можно воспроизвести последовательность временных событий, а потом обработать большой объем информации.

Однако следует четко понимать, что компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.

Одной из важных проблем в области разработки и создания современных сложных технических систем является исследование динамики их функционирования на различных этапах проектирования, испытания и эксплуатации. Сложными системами называются системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. При исследовании сложных систем возникают задачи исследования как отдельных видов оборудования и аппаратуры, входящих в систему, так и системы в целом.

К разряду сложных систем относятся крупные технические, технологические, энергетические и производственные комплексы.

При проектировании сложных систем ставится задача разработки систем, удовлетворяющих заданным техническим характеристикам. Поставленная задача может быть решена одним из следующих методов:

методом синтеза оптимальной структуры системы с заданными характеристиками;
методом анализа различных вариантов структуры системы для обеспечения требуемых технических характеристик.

Оптимальный синтез систем в большинстве случаев практически невозможен в силу сложности поставленной задачи и несовершенства современных методов синтеза сложных систем. Методы анализа сложных систем, включающие в себя элементы синтеза, в настоящее время достаточно развиты и получили широкое распространение.

Любая синтезированная или определенная каким-либо другим образом структура сложной системы для оценки ее показателей должна быть подвергнута испытаниям. Проведение испытаний системы является задачей анализа ее характеристик. Таким образом, конечным этапом проектирования сложной системы, осуществленного как методом синтеза структуры, так и методом анализа вариантов структур, является анализ показателей эффективности проектируемой системы.

Среди известных методов анализа показателей эффективности систем и исследования динамики их функционирования следует отметить:

аналитический метод;
метод натуральных испытаний;
метод полунатурального моделирования;
моделирование процесса функционирования системы на ЭВМ.

Строгое аналитическое исследование процесса функционирования сложных систем практически невозможно. Определение аналитической модели сложной системы затрудняется множеством условий, определяемых особенностями работы системы, взаимодействием ее составляющих частей, влиянием внешней среды и т.п.

Натуральные испытания сложных систем связаны с большими затратами времени и средств. Проведение испытаний предполагает наличие готового образца системы или ее физической модели, что исключает или затрудняет использование этого метода на этапе проектирования системы.

Широкое применение для исследования характеристик сложных систем находит метод полунатурального моделирования. При этом используется часть реальных устройств системы. Включенная в такую полунатуральную модель ЭВМ имитирует работы остальных устройств системы, отображенных математическими моделями. Однако в большинстве случаев этот метод также связан со значительными затратами и трудностями, в частности, аппаратной стыковкой натуральных частей с ЭВМ.

Исследование функционирования сложных систем с помощью моделирования их работы на ЭВМ помогает сократить время и средства на разработку.

Затраты рабочего времени и материальных средств на реализацию метода имитационного моделирования оказываются незначительными по сравнению с затратами, связанными с натурным экспериментом. Результаты моделирования по своей ценности для практического решения задач часто близки к результатам натурного эксперимента.

Метод имитационного моделирования основан на использовании алгоритмических (имитационных) моделей, реализуемых на ЭВМ, для исследования процесса функционирования сложных систем. Для реализации метода необходимо разработать специальный моделирующий алгоритм. В соответствии с этим алгоритмом в ЭВМ вырабатывается информация, описывающая элементарные процессы исследуемой системы с учетом взаимосвязей и взаимных влияний. При этом моделирующий алгоритм сроится в соответствии с логической структурой системы с сохранением последовательности протекаемых в ней процессов и отображением основных состояний системы.

Основными этапами метода имитационного моделирования являются:

моделирование входных и внешних воздействий;
воспроизведение работы моделируемой системы (моделирующий алгоритм);
интерпретация и обработка результатов моделирования.

Перечисленные этапы метода многократно повторяются для различных наборов входных и внешних воздействий, образуя внутренний цикл моделирования. Во внешнем цикле организуется просмотр заданных вариантов моделируемой системы. Процедура выбора оптимального варианта управляет просмотром вариантов, внося соответствующие коррективы в имитационную модель и в модели входных и внешних воздействий.

Процедура построения модели системы, контроля точности и корректировки модели по результатам машинного эксперимента задает и затем изменяет блок и внутреннего цикла в зависимости от фактических результатов моделирования. Таким образом, возникает внешний цикл, отражающий деятельность исследователя по формированию, контролю и корректировке модели.

Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности. Исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия, быть подверженной влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы, описываться весьма громоздкими соотношениями и т.п. Метод не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменять значения параметров исследуемых систем и начальных условий. Эффективность метода имитационного моделирования тем более высока, чем на более ранних этапах проектирования системы он начинает использоваться.

Следует, однако, помнить, что метод имитационного моделирования является численным методом. Его можно считать распространением метода Монте-Карло на случай сложных систем. Как любой численный метод, он обладает существенным недостатком – его решение всегда носит частный характер. Решение соответствует фиксированным значениям параметров системы и начальных условий. Для анализа системы приходится многократно моделировать процесс ее функционирования, варьируя исходные данные модели. Таким образом, для реализации имитационных моделей сложной модели необходимо наличие ЭВМ высокой производительности.

Для моделирования системы на ЭВМ необходимо записывать моделирующий алгоритм на одном из входных языков ЭВМ. В качестве входных языков для решения задач моделирования могут быть с успехом использованы универсальные алгоритмические языки высокого уровня, Си, Паскаль и др.

Анализ развития наиболее сложных технических систем позволяет сделать вывод о все более глубоком проникновении ЭВМ в их структуру. Вычислительные машины становятся неотъемлемой, а зачастую и основной частью таких систем. Прежде всего это относится к сложным радиоэлектронным системам. Среди них различные автоматические системы, в том числе системы автоматической коммутации (электронные АТС), системы радиосвязи, радиотелеметрические системы, системы радиолокации и радионавигации, различные системы управления.

При построении таких систем в значительной степени используются принципы и структуры организации вычислительных машин и вычислительных систем (ВС). Характерной особенностью является наличие в системах нескольких процессоров, объединенных различными способами в специализированную ВС. При этом осуществляется переход от «жесткой» логики функционирования технических систем к универсальной «программной» логике. В силу этого все более значительную роль в таких системах, наряду с аппаратными средствами, играет специализированное системное и прикладное программное обеспечение.

На этапах разработки, проектирования, отладки и испытания сложных систем с высоким удельным весом аппаратно-программных средств вычислительной техники ставится задача анализа и синтеза вариантов организации структуры аппаратных средств, а также разработки и отладки специализированного ПО большого объема. Эта задача может быть решена с помощью аппаратно-программного моделирования с использованием универсальных моделирующих комплексов, построенных на базе однородных ВС с программируемой структурой.

Аппаратно-программное моделирование можно считать частным случаем полунатурного моделирования. На первом этапе разрабатывается концептуальная модель заданного класса систем на основе анализа типовых процессов, структур и аппаратных блоков. Концептуальная модель реализуется на аппаратно-программных средствах моделирующего комплекса. При этом моделирующий комплекс может настраиваться на соответствующую структуру системы программным путем за счет возможности программирования структуры используемой микропроцессорной ВС. Часть аппаратных и программных средств микропроцессорной ВС моделирующего комплекса непосредственно отражает аппаратно-программные средства, входящие в исследуемую систему (аппаратное моделирование), другая часть реализует имитационную модель функциональных средств исследуемой системы, внешней обстановки, влияния помех и т.п. (программное моделирование).

Разработка аппаратно-программных моделирующих комплексов является сложной технической задачей. Несмотря на это, применение таких комплексов находит все большее распространение. При достаточной производительности вычислительных средств комплекса процесс исследования системы может вестись в реальном масштабе времени. В составе комплекса могут использоваться как универсальные микроЭВМ общего назначение, так и вычислительные средства, непосредственно входящие в исследуемую систему. Подобные моделирующие комплексы являются универсальными стендами для разработки и отладки аппаратно-программных средств, проектируемых систем заданного класса. Они могут использоваться в качестве тренажеров по обучению обслуживающего персонала.

Компьютерная графика, то направление искусства, которому почти нигде не учат на территории стран СНГ, поэтому новичок, решивший овладеть навыком 3D моделирования, вынужден искать информацию из сети. Главной проблемой становится отсутствие структурированного материала на русском языке, а обширное количество программ только больше сбивают с толку.

Эта статья будет полезна только новичкам, в ней я хочу поделиться своим опытом использования программ 3D моделирования и поверхностно, но структурировано, рассказать о том, какие они бывают.

Часть 1. Поиск референсов (вспомогательное изображение: рисунок или фотография, которые художник или дизайнер изучает перед работой, чтобы точнее передать детали, получить дополнительную информацию, идеи.)

Любой пайплайн (конвейер разработки 3D модели) начинается с идеи и подбора референсов. Начиная свой путь моделирования, я часто пренебрегал их поиском или использовал недостаточное количество, что приводило к низкому качеству конечной работы.
Пожалуй, лучшей программой для хранения и быстрого доступа к своим изображениям будет бесплатная pureref. Данный софт позволяет загружать в него неограниченное количество изображений и иметь быстрый доступ к ним.

Часть 2. Софт для 3D моделирования

С референсами мы определились, но в чем же мы буде моделировать?
Программ для 3D моделирования большое количество но все их можно поделить на три условные группы:
1. Программы для полигонального моделирования
2. Программы CAD использующие нурбсовые математические формулы
3. Программы для скульптинга

Начнём по очереди.

Полигональное моделирование.

В полигональном моделировании объекты строятся при помощи полигонов, которые задаются несколькими вершинами.

Выделим несколько самых популярных программ:

1. Autodesk 3dsMax — профессиональное программное обеспечение для 3D-моделирования, анимации и визуализации при создании игр и проектировании.
В основном используют для визуализации интерьера и архитектуры

Как и большинство программ Autodesk является платной.

2. Autodesk Maya — редактор трёхмерной графики, обладает широкой функциональностью 3D-анимации,
моделирования и визуализации.

На данный момент является стандартом геймдева, большинство студий работает именно в ней. Как и 3D Max является платной

3. Cinema 4D является универсальной комплексной программой для создания и редактирования двух- и трехмерных эффектов и объектов.

4. Blender — профессиональное свободное и открытое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов», а также создания 2D-анимаций.
Программа, с которой и начался мой путь.
Довольно дружелюбный софт для новичка, обладающий высокой стабильностью и весьма широким функционалом

И самое вкусное то, что программа абсолютно бесплатная и доступна в Стиме.
Это самые распространённые, но далеко не все программы полигонального моделирования.

Какую же программу стоит выбрать?
Если ваша главная цель добиться успеха в геймдеве, то без сомнения ваш выбор это MAYA, главный котируемый пакет большинства студий.
Если вы не хотите платить за софт и быстро освоить моделирование то ваш выбор это Blender, к тому же, просматривая вакансии на территории России, многие студии всё чаще начинают работать с блендером.

CAD моделирование

CAD программы используют математические формулы для задания геометрии.
Их главным плюсом является отсутствие полигональной сетки, что даёт возможность не волноваться о топологии (это то, как полигоны формируют 3D модель) во время процесса моделирования.
Изначально эти программы предназначены для использования промышленными станками и 3D принтерами, но и в игровой индустрии им удалось обрести славу.
Выделим наиболее подходящие из них для наших задач.

1. Fusion 360
Это программа CAD моделирования от Autodesk.
Ее главными плюсами для меня стало:
-наличие слайдеров для выставления высот, фасок и т.п
-бесплатная версия для не коммерческого использования
-наличие истории проделанных операций.
Минусом является:
-не высокая стабильность работы
-высокое требование к железу компьютера.

2. MoI3D (Moment of Inspiration)
Программа, использующая нурбсовые математические формулы для задания форм и поверхностей.
Главными ее достоинствами является:
-высокая стабильность
-невысокие системные требования
-полная адаптация для графического планшета
-возможность экспорта high poly (модели с плотной высокополигональной сеткой) модели.
Недостатки:
-отсутствие слайдеров для регулирования фасок
-высокая стоимость софта

На данный момент я использую в качестве основного инструмента Fusion 360, но со временем планирую изучить и Moi3D
Для геймдева CAD программы используют относительно недавно, но тем неимение они являются очень полезным софтом для изготовления hard-surface (твердотельных, не органических) моделей и легки в освоении. За два часа вполне возможно выучить базовый функционал Fusion360 и сделать свою первую модель.

Скульптинг

Скульптинг - это один из способов моделирования объектов, который позволяет интуитивно придавать форму и добавлять детали, подобно лепке из пластилина или глины.

Манипуляции с объектом осуществляются за счёт передвижения вершин, на высокополигональном меше (совокупность вершин, рёбер и полигонов, которые составляют один 3D объект), или вокселей (элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве).
Выделю три программы для скульптинга:

1. Blender
Да, в бесплатном блендере по мимо полигонального моделирования есть еще огромная гора всевозможного функционала, в его чилсе и скульптинг.
Плюсы:
- одна программа совмещает в себе большой функционал
-относительно интуитивный интерфейс
Минусы:
-Ограниченный набор инструментов
-Невысокая производительность ( в программах-конкурентах можно использовать мэши с намного более плотной полигональной сеткой)
Хоть блендер и не позиционирует себя как софт для профессионального скульптинга, но это не мешает людем делать в нем шедевры, как пример работа Pablo Dobarro.

2. Zbrush
Программа для 3D моделирования, созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» трёхмерной скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого трёхмерного объекта.
Мастодонт игровой индустрии. Именно «зеброй» пользуются почти все игровые девелоперы при создании персонажей или органических объектов.
Плюсы:
-Высокая производительность при скульптинге
-Наличие истории и возможность переключаться между ней
-Огромное количество кистей и их вариаций
-Наличие невероятно мощного функционала, позволяющего упростить моделирование high poly моделей. Например наличие функции polish, создающей фаски для запекания ( об этом дальше в статье). Возможность из high poly сделать хорошую low poly (низкополигональную) модель
-Наличие других встроенных плагинов.
Минусы:
-Тяжелая программа для освоения новичку.
-Не интуитивный интерфейс
-Высокая цена

3. 3D Coat
Коммерческая компьютерная программа для моделирования различных органических объектов и грубых низкополигональных 3D-моделей; предоставляет широкий набор инструментов, которые позволяют пользователям создавать скульптуры, добавляя топологию, создавать UV-карты, интерактивно текстурировать поверхность модели, производить визуализацию статичных сцен и круговую анимацию модели.
Во время скульптинга программа использует не полигоны, а воксели, что делает геометрию не полой внутри.
С 3D Coat я мало знаком, но некоторые его достоинства и недостатки выделить попытаюсь.
Плюсы:
-Программа подойдёт для быстрого создания концепта
-Дружелюбный к новичкам интерфейс
-Широкий функционал по мимо скульпта
-Наличие уникальных возможностей
-Неплохие возможности текстурирования
Минусы:
-Высокая цена

Если вы настроены всерьёз овладеть скульптингом, я бы посоветовал выучить ZBrush, все его недостатки полностью нивелируются огромным функционалом и вариативностью.

Часть 3. Развёртка и запекание

Итак, мы сделали свою первую модель и хотим раскрасить ее, что для этого нужно?
Для начала нам нужно две, почти одинаковых, модели. Одна high poly, на ней будет максимальное количество полигонов и большая детализация, другая low poly, на ней мало полигонов, именно эта модель используется в игровом движке.
Первое, что необходимо сделать перед началом текстурирования, это произвести UV развертку для low poly модели.
UV развертка - это проецирование трёхмерного объекта на двухмерную плоскость.
Выглядит это примерно так.

Правильно развернуть модель это целая наука, но об этом не в нашей статье.
Программы для полигонального моделирования обладают достаточно хорошим функционалом для разворачивания меший, но есть и отдельный софт для этого с более обширным функционалом.
Рассмотрим здесь программу rizomuv, специально разработанную для этих целей.
На ютуб канале videosmile есть неплохой мини курс по этой программе, советую к ознакомлению.
Самой главной и, пожалуй, решающей, для меня, функцией стала возможность удобной упаковки развёртки.
А минус в том, что она платная.

Мы развернули low poly, что теперь?
Теперь необходимо перепечь на него информацию с high poly меша, для создания карт нормалей.
Звучит странно, не так ли? Но обо всем по порядку.
Карты нормалей нужны для создания мнимой геометрии на низкополигональном объекте, а для их получения и производится запекание или по английские bake.
Карта нормалей — это такая текстура, которая позволяет за счет игры света эмулировать дополнительные (не существующие изначально) детали на 3d модели.
Ну как у UV развёртки, у карт normal map очень много подводных камней, которых касаться мы сейчас не будем.
На наглядном примере я вам покажу, как выглядят карты, и какой результат мы получаем.

И так на изображении мы видим три плоскости (на самом деле это кубы).
Две из них имеют одинаковые количества вершин и являются одинаковыми мешами. Какие именно?
Правильно, первый и третий! (Но стоп, как, ведь второй и третий одинаковые?!)
В этом и есть вся магия запекания карт нормалей. Мы взяли геометрию со второго высокополигонального куба и перенесли ее на первый, а результатом этой манипуляции стал наш третий объект.
А так это выглядит в режиме редактирования.

Хорошо, с теорией покончено, но где лучше запекать?
Канал Блендер Павлова очень хорошо ответил на этот вопрос.

Спойлер. В программе marmoset toolbag 4. В ней и я запекал карты для этого примера.

А вот так это выглядит наглядно
Вернёмся к тулбагу.
Плюсы:
-Настройка параметров карт нормалей.
-Печёт огромное количество разновидностей карт нормалей
-Возможность фикса багов запечки
-Программа подходит не только для запекания.
Из минусов только то, что она платная, а так прекрасный софт.

Глава 4. Текстурирование модели

В этой главе речь пойдёт о создании PBR текстур на модели.
PBR или Физически корректный рендеринг — метод компьютерной графики, который позволяет отображать объекты более достоверно, моделируя поток света в реальном мире.
Конечно затекстурить модель можно и в Blender и в Maya, но мы рассмотрим специализированный для этого софт.
Начнём мы с бесплатной программы от разработчиков Unreal Engine.
Quixel mixer. Эта программа работающая с библиотекой megascans ( отсканированными реальными материалами, перенесёнными в цифровой вид )
Плюсы:
-Работа с огромной библиотекой отсканированных материалов megascans
-Свободный доступ
Минусы:
-Не особо подходит для текстурирования моделей

Вы могли подумать что программа плохая, но это не так, в ней можно делать очень реалистичные тайловые (бесшовные ) текстуры.
Вот, например текстура, которую я сделал, для старой кирпичной стены.

А вот корявый нож, который я разукрасил в процессе изучения программы. Не судите строго, я только начинал свой путь в то время.

Ну и перейдём к моему любимчику. Программа от легендарного Adobe, стандарт игровой индустрии substance painter.
Данный софт обладает огромными возможностями по текстурированию 3D моделей, но печёт он паршиво, именно им я пользуюсь на постоянной основе.
Разберём его достоинства и недостатки.
Плюсы:
-Большое количество встроенных генераторов
-Возможность использования умных материалов, созданных другими юзерами
-Большая гибкость в настройке генераторов и фильтров
-Возможность экспортировать большое количество различных карт нормалей.
-Банально, но невысокая стоимость стиме.
-Совместимость (мост) с фотошопом
-Ну и просто интуитивно понятная программа.
Минусы:
-Сабстенс требовательный, очень требовательный. Для работы с большим количеством текстурных сетов вам нужен не слабый такой компьютер, желательно с 32 гб ОЗУ и больше.

P.S. Пока открывал проект, чтобы сделать скриншот, эта зараза успела зависнуть три раза.

Глочёк для мастерской контры ( кстати, движок Source не работает с pbr текстурами, по крайней мере со скинами, и тут только карта нормали)

Ладно, победитель очевиден, Substance Painter лидирует по всем параметрам. Но главное при текстурировании уделять большое внимание референсам и помните: никогда не используйте бездумно генераторы, если вы сделали поцарапанный корпус того же пистолета, не ленитесь ручками почитсить места где царапин физически быть не может.
Теперь мы экспортируем текстурки и наша модель полностью готова. Поздравляю!
Не забудьте правильно презентовать свою работу. Хорошо отрендерите ее ( для презентации работы проще всего использовать Marmoset ) и довести до идеала в Photoshop.

Ну что ж, мой дорогой друг, спасибо за прочтение. Буду рад любому фитбеку и пожеланиям, так же жду конструктивной критики и советов.
От себя хочу добавить, что работа 3D художника это очень тяжкий и недооценённый, незнающими людьми, труд и мне хотелось бы, чтобы у тебя, читатель, все получилось в нашей нелёгкой деятельности.

Читайте также: