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Last updated: February 2012 - December 2008. Kajiyama

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．


・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.rb・Dxf_In.rbを利用する．

・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．

・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
  1. 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. Google 3Dギャラリー　/　3Dギャラリー

    2.　3D-CAD(3次元CAD)とは
    1. Google SketchUpの公式ホームページ　/　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．
      (1)[初級] -ツールバーで何ができる・椅子を作る
      (2)[中級] -鏡像図形・レイヤ・自動ホールディング
      (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)

  2. 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

    1.　SketchUpのインストールと起動・図面表示・終了
    1. 自宅でのインストール　(教室は2011年度よりインストール済み)
    2. 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. 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
      ・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．
      ・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．

    4.　モデリングのための3D図面の知識を理解する

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

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

    5. 3D図面に基準線と座標軸を準備する
      ・基準線 (構築線・構築点) の作図　-「メジャー」「分度器」-
      ・立体方眼紙を用いる　-「プラグイン(grid.rb)」-
      ・3D図面の座標軸を移動する   -「軸」-

    6. 3D図面の表現様式を選ぶ
      ・図面の稜線表現を指定する　　-「エッジスタイル」-
      ・図面の面表現を指定する　　　　-「面スタイル」-

    7. 2つの図面を開き，図面間で立体図形をコピペする．
    8. 困ったときのバックアップファイル[.skb]の再利用

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

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

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

    4. 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」-
  1. 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.　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

    5.　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　　　　　-「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」-

    11. 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

    6.　ものの形をモデリング　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-

  2. 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り付ける
    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

  3. 作成した図・画像でプレゼンテーション

    1.　カメラアニメーションの作成
    　　a.　アニメーションの作成　-「シーン機能」
    　　b.　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
    3.　スタイル　-線画表現パタ−ン-
    4.　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

  4. 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. ドコモ住吉ビルの写真から立体モデルを作成

    3.　立体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
      ・福島県双葉郡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.　立体の断面・断面図を作成

    5.　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)

    6.　3D画像から立体模型制作　-3Dプリンタで3Dプリント-未消化
    1. i.materialise.comの3Dプリント　　　i.materialise.com日本語サイト
    2. GoogleSketchUpの3D画像データを3Dプリントする
    3. GoogleSketchUp+Ｚで立体模型制作 pdf
    4. SketchUpでの個人製作：入門書
    5. GoogleSketchUp用プラクイン

  5. 実習課題　一人で考えて作り上げる


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


  6. 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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