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Last updated: November 2013 - December 2008. Kajiyama

A Handbook of Engineering 3-D Modeling Using SketchUp
3D-CADによるものの形のモデリング入門

グラフィックス・リテラシ−教育:
「図学 I ・図形情報 I 」科目修了後のコースウェアです.
「ソリッドモデルによるものの形のモデリング」コースもあります

福岡大学工学部図学教室   梶山 喜一郎

伝統的な作図・製図機 (T定規と機械式製図機)これらとともに使用する製図器(コンパス,デバイダー)
コンピュータ支援の作図・製図・設計機器(CAD)も今では仲間である.

  1. 2012年5月 SketchUpはGoogle社からTrimble社に移動した. 新たな無償版の名称は「SketchUp Make」,新バージョンからはNET Framework 4を必要とするので注意する.サポートのwebページも移動している.このwebページは修正中

    注意: すでに,インストールしているGoogle SketchUp 6/7/8は使用できるのでコンピュータから削除しないように.

  2. 2012年2月Jww_cad(ver7.11以降)はDXF出力時に3DSフォーマットのデータを出力する機能を追加した. SketchUp はファイル->インポートより*.3ds 拡張子でJwwの図面を読み込むことができる.ただしmmの単位で読み込む.Jww初期設定参照
  3. 2010年11月よりSketchUp 8日本語版が使用可能となる.
    SketchUp 8ではPro以外ではDWG/DXF インポータをサポートしない.データ変換にはProを買うか「SketchUp 6」をリユースして対応する. あるいはプラグインfreedxf.rbDxf_In.rbを利用する.
  4. 2010年2月 「SketchUp 7」のDXF インポータを有効にするためのプラグインが配布された.現在は配布終了した模様.データ変換には「SketchUp 6」をリユースで対応する.
  5. 2009年11月よりSketchUp 7日本語版が使用可能となる. ファイルを保存する時,これまでのSketchUp 6 の形式で保存するように.
講義と演習の目次

A. はじめに ―大学卒業後も持続的にCADを使う―

「図学I・図形情報I」で手書きで用紙に立体を表現する基礎理論と技術を学び,
「図学II・図形情報II」で「コンピュータの中にサーフェイスモデルで立体を表現」する技術とスキルを体験する.

「形を作り出すこと」,「作りだした形を記録すること」に興味を持ち,関連する知識とスキルを学んでもらいたい.大学生だけでなく,中学生・高校生も,この世界を体験してほしい.

  1. あなたも,すぐ,こんな作品にチャレンジする.
    1. 受講生の作品展示
    2. Trimble社 3Dギャラリー / 3Dギャラリー

  2. 3D-CAD(3次元CAD)とは
    1. SketchUpの公式ホームページ / x SketchUp Japan
    2. SketchUpとは -百科事典ウィキペディア
    3. CADとは -百科事典ウィキペディア

  3. モデリングの自習書と3DCAD操作の解説書  [ 教師用配布教材リスト ]

    わかりやすいマニュアルと操作がこのアプリケーションの特徴であり,教師に頼らず独習できる.授業を受けなくともCAD操作は学べる.
    1. 授業中は,質問する前に,
      (1)「ウインドウ」->「インストラクタ」をクリックと
      (2)「ヘルプ」->「SketchUpヘルプ」をクリックする.
    2. CAD操作の解説書
    3. CADによるモデリングの自習書
    4. 3DCADのイメージをビデオ チュートリアルで感じる
      3D-CADは何をするのか,何ができるのか.Google SketchUpが提供する動画を見て図形操作の「目的」と「手段」の関係のイメージを作り上げる.
      x(1)[初級] -ツールバーで何ができる・椅子を作る
      x(2)[中級] -鏡像図形・レイヤ・自動ホールディング
      x(3)[上級] -インポート・壁・ドア・窓(建築家向け)

  4. 3DCADの図学的基礎知識 (2D-CADと同じ考え方です)

    1. CAD画面は2次元の投影図
      立体図形(3Dモデル)はコンピュータ内に3Dの数値データで記録する.このため,頂点-稜線-面からなる立体形状を人は直接見ることができない.3Dの数値データで記述した3Dモデルを投影によりCAD画面に2Dの平面図形で視覚化する.
      投影法とCAD画面      -透視投影(遠近法)・平行投影-
      投影の方向と図面の名称 -視点-立体-投影面-投影図の関係-
      CADの画面ビューと平行投影図法
        -図面名称:平面図・正面図・側面図・背面図・底面図・等測(等角)図-

    2. CADで使う長さの単位はmm(ミリメートル・メートル系)
    3. 座標系 -実物世界の座標糸とCAD画面の座標系は異なる-
    4. 多面体の定義
    5. 立体図形を表現する形状モデル ( ワイヤーフレーム・サーフェイス・ソリッド)

B. 3DCADを動かす基本の基本操作−体験学習はこの章まで−
学習する心構えができたらCADアプリケーションを動かす
(教室は2011年度よりインストール済み)
  1. SketchUpのインストールと起動・図面表示・終了
    1. 新 Trimble社 SketchUp Makeのインストール
    2. 旧 Google社 SketchUp のインストール
    3. 起動と終了・ファイルの保存

  2. 3DCADの操作画面と専門用語
    1. 3DCADの「インターフェイスとツール」
    2. 「カメラ」によるCAD画面操作
      -「オービット・パン・ズーム」による視点・視線の移動-

    3. マテリアル(色・材質)のライブラリ」 -マテリアルの追加-
    4. コンポーネント(3D部品)のライブラリ
      この利用は,SketchUp Ver7より初心者にとって注意を要するようになった.
      ・3D-CADで準備している基本図形のライブラリ

  3. SketchUpで必ず行う最初の設定

    1. システム環境の初期設定
    2. システムの問題事象
    3. 教材配布: 授業で使うテンプレート2枚と授業で使うプラグイン

      1. 指定したテンプレートは,自宅の「Cドライブ:Program Files」->「Google」->「Google SketchUp X」->「Resources」->「ja」->「Templates」の中に.
      2. 指定したプラグインは,自宅の「Cドライブ:/Program Files」->「Google」->「Google SketchUp X」->「Plugins」の中に入れる.
      3. 教室では「Gドライブ:USB」

  4. モデリングのための3D図面の知識を理解する

    1. 製図用紙に描く
      1. 寸法の単位はmm単位とする
      2. 授業用の3Dテンプレート用紙(mm単位)を選ぶ
      3. 製図用紙を白くする   -「スタイル]-
      4. 間違った3D図面の縮尺を変更する   -「メジャー」-
      5. 作図後は,3D図面のデータを軽くする     -「モデル情報]-

    2. モデリングの内容は3D図面のレイヤに書き分ける
      1. 立体をレイヤに分ける・レイヤ間移動
      2. レイヤ表示・カラー表示-

    3. 3D図面に基準線と座標軸を準備する
      1. 基準線 (構築線・構築点) の作図 -「メジャー」「分度器」-
      2. 立体方眼紙を用いる -「プラグイン(grid.rb)」-
      3. 3D図面の座標軸を移動する   -「軸」-

    4. 3D図面の表現様式を選ぶ
      1. 図面の稜線表現を指定する  -「エッジスタイル」-
      2. 図面の面表現を指定する    -「面スタイル」-

    5. 2つの図面を開き,図面間で立体図形をコピペする.
    6. 困ったときのバックアップファイル[.skb]の再利用

  5. 演習:最初の3DCAD操作による平面図形の作図過程-2DCADと同じ操作

    1. [用紙を選ぶ]-[製図道具を選ぶ]-[描く]-[消す]-[図面の保存]

    2. テンプレートから指定の3D製図用紙を選ぶ

    3. 基本の製図道具(鉛筆,三角定規,コンパス,消しゴム)
      1. 数値を入力して作図 -「値制御ボックス (VCB)」-
      2. 作った立体は「グループ」・「コンポーネント」化する
      3. 3DCAD操作は「ウインドウ」−>「インストラクタ」にたずねる

      4. 「長方形」ツールの使い方
      5. 「ポリゴン(多角形)」ツールの使い方
      6. 「円」ツールの使い方
      7. 「円弧」ツールの使い方
      8. 「線」ツールの使い方
      9. 「消しゴム」ツールで図形を消す (切り取る)

    4. 追加の製図道具
      1. 複線・平行線の作図  -「オフセット」-
      2. 長さと角度を測定 -「メジャー」「分度器」-
      3. 「ベジェ曲線」 プラグイン・ツールの使い方

    5. 今日の初心者向けのおまけ
      1. マテリアルで立体に色をつける
      2. コンポーネントで既製品の部品を取り込む
      3. 「ローカルコレクション」のコンポーネントで飛行機を取り込む -v8-

    6. 練習問題: □やってみよう自分の名前の立体文字制作 -「3Dテキスト」-
    C. 3DCADによるものの形のモデリング基礎 I

    1. モデルの作り方概論
      ・コンピュータの中にものの形を作ることをモデリングと呼ぶ.
      ・形を作り出す作業は試行錯誤の繰り返しである.
      ・形を自由に,繰り返し変形の操作ができる人とCADが求められている.

      1. モデルの作り方は一つではない
      2. 複雑なものは部品を作って組み立てる 住宅編  教会編
      3. 小さな部品を作り、それを組み立て、大きなオブジェを作る
      4. 柱・梁・壁・開口部を作り組み立てる RC造建築モデル
      5. 「アウトライン表示」でモデルの制作過程を管理する

    2. 平面図形を引き上げて立体化する  -「プッシュ・プル」-
      ・平面図形を軸方向に平行移動(スイープ)し,その軌跡を立体化

      1. 「線」で多角形を描き多角柱を作成
      2. 「長方形」で描き直方体を作成
      3. 「円」で描き円柱を作成
      4. 「円弧」で描き円弧の立体化
      5. 「ポリゴン」 で正多角形を描き正多角柱を作成
      6. 「フリーハンド」で図形を描きこれを立体化
      7. 「ベジェ曲線」 n-1 次曲線の立体化 -「プラグイン bezierspline.rb」-

    3. 平面図形を回転して立体化する  -「フォローミー」-
      ・平面図形を軸まわりに回転移動(スイープ)し,その軌跡を回転体化する.
      ・平面図形を通り道(パス)に沿って移動(スイープ)し,その軌跡を曲面化する.

      1. 回転体の作成の原理
      2. パイプ作成の原理
      3. 立体の面取り作成の原理
      4. 回転体「フォローミー」を応用すると:
         1.マグカップを作成
         2.ぐい飲み茶碗
         3.小鉢と茶碗

    4. 立体図形の移動とコピー -「移動/コピー」-
    5. 3D図面に文字と寸法を記入
      1. 「テキスト」で図面の文字記入
      2. 「寸法」で図面の寸法作図


    6. 部品を使って立体を組み立てる (アッセンブル)
      ・作った部品(パーツ)を移動・拡大縮小して複雑な形状モデルを組み立てる

      1. 平行移動・コピー・増殖配列  -「移動/コピー」-
      2. 回転移動              -「回転」「分度器」-
      3. 回転移動による放射状配列  -「回転」-
      4. 回転移動による立体の変形  -「回転」-
      5. 拡大縮小による立体の変形  -「尺度」-
      6. 鏡像図形を作成  -「反転方向」-
      7. 鏡像を作る原理  -「尺度」の値を-1にする-
      8. 鏡像図形をコピー -「プラグイン mirror.rb」-
      9. コンポーネントの移動・コピー・変形  -「移動/コピー」-
      10. コンポーネントの回転移動  -「移動/コピー」-

    7. アッセンブル操作の練習問題:-「移動/コピー」「コンポーネント」「グループ」-
       1.□福笑い,2.□街路灯,3.□フェンス,4.□積み木,5.□ピラミッド,6.□群像彫刻

    8. 内部を見る
      1. 断面を作る -「断面平面」-

    9. ものの形をモデリング: まとめて練習問題

      1. □マグカップを作成 -「フォローミー」-
      2. ぐい飲み茶碗 -断面を回転させ曲面体を作成「フォローミー」-
      3. 小鉢と茶碗 -「フォローミー」-
      4. プラトン立体 (正多面体・宇宙図形) -立体幾何の復習-
        正4面体・正6面体・正8面体の作成
        正12面体・正20面体の作成

      5. □図面(立面図・平面図)から教会を作成 -複面投影図の復習-
      6. ねじれの2直線と共通垂線 -立体幾何の復習-


    D. レンダリング(立体に質感を与える)基礎操作

    1. 色彩・マテリアル(材質)を立体の表面に貼り付ける -「ペイント」-
    2. 写真・画像を立体の表面に貼り付ける -「マテリアル」-
    3. 写真・画像を「マテリアル」として登録する方法 -□マグカップに写真を貼付ける
    4. 「影」で立体に陰影をつける
    5. 「フォグ」で立体に霧を吹き付ける
    6. レイトレーシングによるレンダリング


    E. 3Dモデルを静止画・動画で見せる -プレゼンテーション
    1. アニメーション
      1. カメラ・アニメーションの作成
         ・アニメーションの作成 -「シーン機能」
         ・ウォークスルー -カメラワークとシーンの撮影-
      2. オブジェクト・アニメーションの作成
    2. スタイル -線画表現パタ−ン-
    3. 建物や乗り物の狭い室内を撮影する -工夫します-
    4. 図面の印刷       -「スケール印刷・モデル範囲」-
    5. レポートに貼り付ける図・画像をpngで作成 -「エクスポート」-
    6. 立体視・アナグリフ画像を作成


    F. 立体模型製作のためのパーソナル3Dプリンティング入門

      SketchUpで3Dプリンター入門 講義と演習

    1. 手続を概観:熱溶解積層法のデータ処理と製作
    2. 熱溶解積層法による製作事例
      立体文字・ロゴで3Dプリンティング学習
      マグカップで3Dプリンティング学習
      教会堂(聖堂)で3Dプリンティング学習
      2つの重なった茶筒で3Dプリンティング学習
      プラトン図形で3Dプリンティング学習
      Vブロックで3Dプリンティング学習


    G. ものの形のモデリング基礎 II

    1. 立体の論理演算表現 -「モデルと交差」-

    2. 透視図・写真(2D)の図形情報から立体図形(3D)を作成 -「新規写真照合」-
      1. 写真から立体モデルを作成

    3. 立体あるいは地形を等高線で表現する  
      1. 標高投影と等高線の復習
      2. 福岡市動植物園の地形を等高線でモデル化する
        (1) Google Earthの地形の画像をSketchUpに取り込む
        (2) Google Earthの地形の画像から等高線の地形図を作る
      3. 火山の地形を等高線でモデル化する
        ・宮崎県霧島山新燃岳
        ・長崎県島原普賢岳
      4. 発電所の地形を等高線でモデル化する
        ・福島県双葉郡Tepco第1原発Tepco第2原発
        ・佐賀県東松浦郡九電玄海原発
      5. 福岡大学七隈キャンパスの地形を等高線でモデル化する
      6. 等高線に曲面を貼る-プラグイン「サンドボックス」 −中級編

    4. Jw_cadや他のCAD図面のDXF・3DSファイルをインポート(入力)

    5. 立体の断面・断面図を作成

    6. 道具「プラグイン」を利用して複雑な図形を作成 −中級編への案内
      1. プラグイン中級編解説
      2. 開口部・窓の作成 (windowizer.rb)
      3. らせんの作成 (DrawHelix13.rb)
      4. らせんを応用した立体図形の作成 (screw.rb)
      5. 折れ線・曲線図形を壁にする (extrude_lines.rb)
      6. ロフト図形の作成
      7. 基本立体図形の作成 (shapes.rb)
      8. 数理立体図形の作成 ([CASF]FunShapes.rb)

    7. どのようなプログラムで3DCADを動しているか −中級編への案内


    H. 実習課題 一人で考えて1人で作り上げる
    1. 大学特産品を創作する実習課題
           
      1. オンリーワンの笑顔のマグカップ [ 受講生の作品展示 ]
      2. ゴージャスなパイプ椅子  -「フォローミー」-
      3. ゴージャスな表札・ネームプレート

    2. 総合課題:
      画像や設計図面の情報を元に,描かれた立体を復元し3次元のサーフェイスモデルを作成するコンテスト.受講生はこの課題を提出できることが修了条件です.
      1. だまし絵プロジェクト作品
      2. モデリングプロジェクト作品
       

    I. ものの設計製図に進みたい学生のための
    次のステップ

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