Microsoft Word - fafandjel_clanak_SORTA2012

Транскрипт

1 Nikša, FAFANDJEL, Tehnički fakultet Rijeka,Vukovarska 58, Rijeka, Marko, HADJINA, Tehnički fakultet Rijeka,Vukovarska 58, Rijeka, Tin, MATULJA, Tehnički fakultet Rijeka,Vukovarska 58, Rijeka, Josip, ANDRIĆ, mag. ing., Ogranak Matice hrvatske u Rabu, Banjol 6, Rab OSNIVANJE RAČUNALNOG 3D MODELA FORME TRUPA RAPSKE LADJE Sažetak Akvatorij sjevernog Jadrana i njegovih otoka i u prošlosti je sadržavao brojna mala brodogradilišta u kojima se njegovala drvena brodogradnja različitih tradicionalnih tipova formi plovila. Danas se u pojedinim europskim zemljama tradicijsko brodograđevno nasljeđe posebno koristi u razvoju turizma, dok se znanja i vještine hrvatske drvene brodogradnje nisu adekvatno očuvala i arhivirala. Stoga se predlaže metodologija temeljena na primjeni suvremenih tehnika i alata za digitalizaciju, modeliranje i projektiranje tradicijskih formi brodova. U radu je prikazana digitalizacija makete rapske ladje, jer niti jedan objekt u stvarnoj veličini nije sačuvan, te osnivanje računalnog modela forme trupa primjenom fotogrametrije i računalnog 3D modeliranja. Temeljem tako osnovanog modela omogućena je izrada cjelokupne izvedbene dokumentacije rapske ladje prema kojoj će se izgraditi replika. Ključne riječi: model Forma trupa tradicijkog plovila, rapska ladja, digitalizacija, 3D računalni RAB GALLEY SHIP HULL 3D COMPUTER MODEL DESIGN Summary The north Adriatic coastal area was always rich with small shipyards in which wooden construction of various traditional and typical ship forms were cherished. In some European countries this shipbuilding heritage is well exploited for touristic purposes, while such knowledge and skills of Croatian shipbuilding is not well preserved and archived. Therefore, a methodology is proposed which is based on modern techniques and tools applied for digitalization, modeling and design of such traditional hull forms. In this paper, the digitalization of the Rab Galley scaled model is presented, since no real size sample was preserved, and ship hull computer model design is developed using photogrammetric and 3D modeling methods. The developed digital 3D model was used for further design of complete manufacturing documentation of the Rab Galley which enables an original replica of such a boat to be built. Key words: Traditional hull form, Rab galley, digitalization, 3D computer model

2 1. Uvod Digitalizacija forme trupa manjih plovnih objekata postupak je određivanja prostornih pozicija točaka promatrane forme. Tako definiranim točkama, modela ili trupa u pravoj veličini, računalno se opisuje i modelira promatrana forma trupa broda. Dosadašnje metode koristile su se priručnim sredstvima, viskovima, drvenim ili aluminijskim letvama, gumenim cijevima, raznim nivelirajućim uređajima i to prvenstveno za određivanje referentnih ravnina (horizontalne ravnine referentne vodne linije i vertikalnih ravnina rebara okomitih na centralnu simetralnu ravninu broda), te mjernim trakama ili u novije vrijeme laserskim duljinomjerima za određivanje udaljenosti točaka od referentnih ravnina. Kao i kod svakog postupka pozicioniranja točaka, potrebno je odrediti pozicije točaka u karakterističnim ravninama. Najčešće su to ravnine rebara ili vodnih linija, pozicije točaka u centralnoj simetralnoj ravnini, te pozicije točaka na karakterističnim prostornim krivuljama. Pozicioniranjem točaka u ravninama rebara i/ili vodnih linija dobiva se skup točaka rebara i/ili skup točaka vodnih linija. Pozicioniranjem točaka u centralnoj simetralnoj ravnini dobiva se skup točaka pramčane i krmene statve, osnovice, kobilice itd., a pozicioniranjem točaka na prostornim krivuljama dobivaju se skupovi točaka razme, zgibova, krmenog zrcala itd. Pozicioniranje takvih skupova točaka bitno olakšava postupak opisivanja forme, [1]. Ovakav postupak primjenjen je u funkciji očuvanja brodograđevne baštine, gdje se je na temelju pronađene makete Rapske ladje izvršila digitalizacija forme trupa te izvedbena dokumentacija za istu u prirodnoj veličini. 2. RAPSKA LADJA KROZ POVIJEST Izvornim se smatra plovilo ako je nastalo na određenom okruženju, u ovom slučaju to je sjeverni dio povijesne pokrajine Liburnije. Tradicijskim plovilom smatra se ono plovilo za koje se nakon istraživanja i rekonstrukcije određenog povijesnog plovila utvrdi da se koristilo u tom, i tome sličnom obliku, u dužem vremenskom razdoblju. Početak gradnje i korištenja rapske ladje nije poznat, a posljednji primjerak s Raba odnešen je u Split. Najstariji zapis s opisom plovila koji odgovara rapskoj ladji potječe od anonimnog autora iz godine. Odnos naše civilizacije prema brodu pokazuje se ponešto različitim od odnosa prema građevinama na čvrstom tlu. U životu, uz more, čovjek svoj drveni brod ne smatra samo objektom što uvjetuje bitno različit odnos prema plovilu od pažnje koja se poklanja čvrstim kopnenim građevinama. Stoga su brodovi rijetko za svog života uvršteni u popis kulturnih dobara, ili oni postaju kulturno dobro nakon svog eksploatacijskog vijeka, ili kada potonu i ostanu olupina, ili arheološko nalazište. Ovakva sudbina nije zaobišla niti rapsku ladju [2]. 2

3 Fig. 1 Rab galley in fishing, [3] Slika 1. Rapska ladja u ribolovu, [3] Prednosti i razlozi dugotrajne upotrebe ladje u rapskom akvatoriju su: - lako i jeftino održavanje (samouki kalafati) te izrada od drva kojeg je u šumama Velebita bilo u izobilju, - 26% obale čine pjeskoviti žali (lako izvlačenje, kretanje i ribolov u plitkom moru), a zbog debljine korita izvlačenjem na žal nije pričinjana znatna šteta ladji, - vrlo prikladna za tunolov mrežama stajaćicama (čak šest tunera istovremeno na otoku), - dobra razvedenost rapskog arhipelaga i zaštićenost od otvorenog mora i visokih valova, itd. 3. Digitalizacija makete rapske ladje Pristupljeno je osnivanju računalnog modela forme trupa rapske ladje primjenom metode fotogrametrije i računalnog 3D modeliranja. Pri tome, digitalizirana je maketa rapske ladje jer niti jedan objekt u stvarnoj veličini nije sačuvan. Temeljem tako osnovanog modela omogućena je izrada cjelokupne izvedbene dokumentacije rapske ladje prema kojoj treba izgraditi njenu repliku u pravoj veličini Teorijska osnova korištene metodologije digitalizacije Korišteni računalni softver za određivanje trodimenzionalnih pozicija točaka iz dvodimenzionalnih fotografija temelji se na metodi fotogrametrije. Fotogrametrija je optička mjerna metoda kojom se prostorne koordinate točaka promatranog predmeta određuju pomoću snimaka napravljenih fotoaparatom. Osnova metode je princip triangulacije, slika 2. Položaj točke u prostoru određuje se presjekom pravaca koji su određeni točkom na objektu P i njenom projekcijom P' na fotografiji [4]. 3

4 U matematičkom modelu rekonstrukcije pravaca definiraju se dva skupa koordinata: OBJEKTNE (X, Y, Z) koordinate točke na objektu; SLIKOVNE (x, y) položaj projekcije promatrane točke na fotografiji. Rješenje matematičkog modela postiže se metodom izjednačenja zrakovnog snopa, odnosno postavljanjem sustava jednadžbi u kojem su slikovne koordinate u funkciji: objektnih koordinata, parametara vanjske orijentacije kamere, tj. položaja i kuta fotoaparata kod snimanja svake fotografije, te unutrašnjih parametara kamere koji uključuju npr. karakteristike objektiva, CMOS čipa, i sl. Početne vrijednosti tih parametara određuju se u postupku predkalibracije fotoaparata. Snimanjem većeg broja fotografija povećava se broj jednadžbi slikovnih koordinata, pa sustav postaje znatno predefiniran tj. broj jednadžbi bitno je veći od broja nepoznanica. Takav predefinirani sustav nelinearnih jednadžbi rješava se iterativnim postupkom minimizacije odstupanja, a konačno rješenje su prostorne koordinate promatranih točaka i svi ostali parametri matematičkog modela. Fig. 2 Defining the point P 3D position using triangulation method with two photos Slika 2. Određivanje prostornog položaja točke P metodom triangulacije s dvije fotografije 3.2. Opis postupka digitalizacije makete rapske ladje Postupak računalne digitalizacije modela provodi se primjenom digitalnog fotoaparata odgovarajućih karakteristika (minimalno DSLR s 6 Mpix i 50mm objektivom) specijaliziranog fotogrametrijskog softvera s kojim se na osnovu snimljenih fotografija, slika 3., kreira digitalni 3D objekt fotografiranog stvarnog modela. 4

5 Fig. 3. Scale model of Rab galley with markers Slika.3. Maketa rapske ladje s oznakama Pri tome, postupak digitalizacije može se podijeliti u nekoliko osnovnih koraka: - planiranje projekta: uključuje izbor fotoaparata, izbor optimalnog objektiva prema tipu snimanog objekta, izbor mjesta snimanja, i tome sl.; - kalibracija digitalnog fotoaparata: za svaki objektiv digitalni fotoaparat treba biti kalibriran kako bi se uskladile karakteristike fotoaparata, objektiva sa softverom. Postupak je za svaki objektiv jednokratan; - označavanje stvarnog modela: model treba označiti odgovarajućim oznakama po relevantnim presjecima, linijama, plohama i sl; - fotografiranje označenog modela: označeni model se potom fotografira iz različitih kuteva; - unos snimljenih fotografija u računalni program: snimljene fotografije se unose u računalni program; - označavanje i referenciranje točaka na fotografijama: koristeći se principom triangulacije, slika 2, točke se obrađuju kako bi se odredio njihov prostorni položaj; - iterativni postupak procesiranja podataka do postizanja zadovoljavajuće točnosti: postupak je iterativan do postizanja zadovoljavajuće preciznosti (na duljinu modela od 1m, preciznost je 1 mm); - eksportiranje dobivenog prostornog oblaka točaka makete ladje, slika 4, u softver za daljnje 3D modeliranje forme trupa rapske ladje. 5

6 Fig. 4. Points cloud od rab galley Slika 4. Prostorni oblak točaka makete rapske ladje 4. Osnivanje računalnog modela i dokumentacije rapske ladje Na temelju određenih pozicija točaka, primjenom posebnog softvera za modeliranje [5], pristupa se modeliranju forme trupa, [6]. Pomoću točaka formiraju se ravninske krivulje kojima se opisuju rebra, pramčana i krmena statva, razma itd. Nadalje, temeljem definiranih rubnih uvjeta definiraju se plohe kojima se modelira forma trupa, slika 5. Istovremeno se kontrolira odstupanje formiranih krivulja i ploha od točaka dobivenih u fotogrametrijskom softveru. Fig. 5 Hull form surfaces following the defined points in space Slika 5. Plohe forme trupa koje prate definirane točke u prostoru 6

7 Nadalje, pristupa se daljnjem modeliranju konstrukcije i virtualnom opremanju plovnog objekta do konačnog i cjelovitog računalnog modela rapske ladje, slika 6. Fig. 6 Rab galley completed digitalized model Slika 6. Osnovani računalni model rapske ladje Također, pristupilo se renderiranju modela, slika 7. Prikazani fotorealistični rendering modela, može biti upotrebljen u razne promotivne, edukativne i slične svrhe. Fig. 7 Rab galley render Slika 7. Render rapske ladje 7

8 4.1. Izrada dokumentacija rapske ladje Osnovani računalni model, u nastavku se koristi kao temelj za izradu projektne i izvedbene dokumentacije [7]. Model je osnovan s visokom razinom detaljnosti koja u potpunosti uključuje sve dijelova rapske ladje odnosno dijelove strukture trupa broda, dijelove oplate te opremu broda. Razradom takvog modela u mjerilu je izrađena slijedeća dokumentacija: - Linije rapske ladje; - Opći plan rapske ladje, verzija bez jarbola, slika 8; - Opći plan rapske ladje, verzija sa jarbolom; - Presjek na glavnom rebru; - Konstrukcijski nacrt, verzija bez jarbola; - Konstrukcijski nacrt, verzija sa jarbolom, slika 9; - Izvedbena dokumentacija sa razrađenom i opisanom tehnologijom gradnje u fazama od 1.-6.; - Nacrt svakog rebra pojedinačno; - Nacrt relevantih karakterističnih presjeka; - Popis materijala. Fig. 8 General arrangement of Rab galley Slika 8. Opći plan rapske ladje 8

9 Fig. 9 Construction drawing of Rab galley Slika 9. Konstrukcijski nacrt rapske ladje 5. Zaključak Prikazanim postupkom preslikavanja fizičkog modela trupa plovnog objekta, u ovom slučaju makete rapske ladje, primjenom fotogrametrijske metode kreiran je digitalni model trupa te zatim projektna i izvedbena dokumentacija. Prikazanom metodom se u znatno kraćem vremenu postiže veća preciznost u odnosu na, u uvodu opisanu, konvencionalno korištenu metodu. Korištena metoda označavanja točaka po trupu broda u kombinaciji s fotogrametrijskom metodom i odgovarajućim specijaliziranim softverom, omogućava praktično i precizno označavanje. Pri tome se, za razliku od konvencionalne metode, u tom dijelu postupka, ne mora voditi računa o prostornoj poziciji točke, odnosno njenoj udaljenosti od referentnih ravnina, već se taj dio posla obrađuje kasnije pomoću fotogrametrijskog softvera. Takav pristup značajno ubrzava fizički dio posla i omogućava precizniji opis forme većim brojem točaka, a pozicije točaka u odnosu na usvojeni koordinatni sustav, precizno su određene. Tako opisana forma trupa može se primijeniti za izradu projektne i izvedbene dokumentacije. Nadalje, tako kreirani računalni model trupa broda, nadgrađa broda ili manjih elemenata broda može se koristiti i kao ulazna baza podataka za CNC strojeve. Istaknuto je da se ovim postupkom postiže i veća preciznost računalnog modela, odnosno dozvoljenu pogrešku do najviše 1mm, što je ispitano i potvrđeno u praksi. Primjenom ovakve metodologije predlaže se digitalizacija i drugih tradicionalnih plovila našeg kraja karakterističnih formi trupova. Na taj način biti će kvalitetno arhiviran i očuvan važan dio hrvatske tradicionalne brodograđevne baštine. 9

10 Literatura [1]. Fafandjel, N., Margić, I., Hadjina, M, Matulja, T.: Digitalizacija forme trupa malih plovnih objekata, Znanstveno stručni skup Mala brodogradnja - Zbornik radova, Rijeka, [2]. Andrić, J: Rapska ladja, Rapski zbornik II, Matica hrvatska, [3]. Marojević, M.: Rapska ladja i ribolov s tratom, fotografija, [4]. American Society of Photogrammetry and Remote Sensing, Digital photogrammetry: an addendum to the Manual of Photogrammetry, Falls Church, Va., American Society of Photogrammetry and Remote Sensing, 1996 [5]. Robert McNeel & Associates, Rhinoceros 2.0, Nurbs Modeling for Windows User Manual, [6]. N. Fafandjel, M. Hadjina, T. Matulja: Osnivanje 3D modela rapske ladje, Projekt za Ogranak Matice hrvatske u Rabu, Tehnički fakultet Rijeka, Rijeka, [7]. N. Fafandjel, M. Hadjina, T. Matulja: Izrada izvedbene dokumentacije rapske ladje, Projekt za Ogranak Matice hrvatske u Rabu, Tehnički fakultet Rijeka, Rijeka,