3D-partikkelit aloittelijoille : tarkastelussa 3D-Kalevala-projekti

Opinnäytteeni teososana on 3D-Kalevala projektinimellä tunnetun animaation partikkeliefektit. Tarkastelen tarkemmin elokuvan Lumi-, Kylä-, Paja- ja Luola-kohtauksia. 3D-Kalevala on tietokoneella tehty animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan päähenkilöstä Väinämöisestä. Elokuvassa vanha Väinämöinen muistelee nuoruutensa tapahtumia. 3D-Kalevala-projekti käynnistettiin vuonna 2003, mutta sen alkuperäiset tekijät eivät saaneet sitä valmiiksi, ja projektin teko keskeytettiin vuonna 2005. Vuoden 2006 keväällä projektiin perustettiin uusi kahden verkkoviestinnän opiskelijan projektiryhmä, jonka tehtävänä oli saada elokuva valmiiksi vuoden 2007 kevääseen mennessä. Kun aloitimme projektin tekemisen, olin kolmiulotteisessa mallinnuksessa aloittelija. Tästä johtuen opinnäytteen kirjallinen osa on opas aloittelijoille partikkelien maailmaan. Selvitän raportissani miten elokuvan partikkeliefektit rakennettiin, mitä niiden tekeminen minulta vaati ja miten ne loppujen lopuksi mielestäni onnistuivat. Elokuvan efektit tehtiin 3D Studio Max-ohjelman versiolla 6.0, ja tämän takia kirjoitankin efektien rakentamisesta kyseisen ohjelman keinoin. Projektin suuruuden vuoksi molemmat tekijät pääsivät tekemään monenlaisia töitä, mutta päävastuualueet olivat selvät. Minun osani oli tehdä elokuvaan efektejä. Partikkeliefektit ovat proseduraalisia efektejä, joiden avulla on mahdollista tehdä aidon näköisiä luonnonilmiöitä, kuten tulta, savua, kipinöitä ja veden roiskeita. Koska partikkeliefektit mallintavat reaalimaailman ilmiöitä, on tekijän hyvä olla kiinnostunut selvittämään ilmiöiden käyttäytymistä luonnossa. Raportoin myös projektin aikana huomaamistani hyvistä tavoista opiskella itsenäisesti partikkelien rakentamiseen käytettyjä tekniikoita. On hyvä lukea 3D Studio Maxin tasokasta käyttöohjesovellusta, tutustua Internetissä löytyviin 3D-aiheisiin foorumeihin, käydä aiheesta tutoriaaleja läpi sekä tutustua ohjelman ominaisuuksiin kokeilemalla ja tutkimalla itsenäisesti. Elokuvan efektit onnistuivat mielestäni kiitettävästi ottaen huomioon lähtötasoni. Löysin tapoja kehittää itseäni ja helppoja keinoja toteuttaa realistista jälkeä efektien rakentamisessa. Toivon, että raportistani olisi jollekin 3D-partikkeliefekteistä kiinnostuneelle hyötyä.

Prosessilaitosten asennusjärjestyksen simulointi 3D-malleilla

Työn tavoitteena on haihduttamon asennusjärjestyksen havainnollistaminen 3D animaatiota hyväksikäyttäen, sekä sen hyödyntäminen niin myynti- kuin asennusneuvotteluissa. Kirjallinen osio perustuu tehtyyn 3D-animaatioon, joka onjaettu kolmeen pääalueeseen. Ensimmäisessä vaiheessa kerrotaan lyhyesti Andritz Oy:n liiketoiminnasta sekä selvitetään haihduttamoprosessin toimintaperiaatteet. Toinen alue käsittää toimintaprojektin, jossa tuotettu 3D-animaatio linkitetään sen käyttöympäristöön. Kolmannessa alueessa käydään läpi 3D-animaation tekoon liittyvät asiat. Lopuksi ennen yhteenvetoa käydään vielä läpi käyttäjien kommentit tehdystä animaatiosta.

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Satamanosturin dynamiikan reaaliaikasimulointi

Työn tavoitteena oli mallintaa satamanosturin dynamiikkaa mahdollisimman tarkasti kuvaava yksinkertaistettu malli Simulink-ohjelmalla, jonka jälkeen malli käännettiin edelleen reaaliaikasimulaattorille soveltuvaan muotoon. Nosturin malli yksinkertaistettiin käsittämään kolme osaa: Nosturin rungon, nostovaunun ja kontin. Voimista mallinnettiin pyörien kontaktivoimat, köysivoimat sekä siirtovoima. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin Opal-RT:n RT-LAB reaaliaikasimulointiohjelmistoa, sekä tavallisia PC-tietokoneita. Simulointiin liitettiin myös 3D-animaatio, jolla nosturin liikkeet saatiin visualisoitua. Animoitava grafiikka luotiin WorldUp-ohjelmistolla ja liitettiin RT-LAB-simulaatioon RT3D-rajapinnan ja WorldUp Player:n avulla. Työn tuloksena saatiin satamanosturin dynaamista käyttäytymistä kuvaava Simulink-malli, jota on mahdollista käyttää reaaliaikaisessa simuloinnissa. Mallia testattiin RT-LAB reaaliaikasimulaattorissa, ja simuloinnista saatuja tuloksia verrattiin Adams:lla simuloituihin tuloksiin. Saatujen tulosten perusteella mallia voidaan pitää onnistuneena. Myös RT-LAB reaaliaikasimulaattori visualisointeineen vaikuttaa toimivalta kokonaisuudelta.

MULTIMEDIATIETOPANKKI VERKOSSA

Työ käsittelee multimediatietopankin tietosisällön hallintaa ja kehittämistä. Multimediatietopankki verkossa –projektissa multimediatietopankilla tarkoitetaan vuorovaikutteista ja sisältörikasta liikkuvan ja staattisen kuvan (video, animaatio, valokuvat, 3D, grafiikka), äänten (musiikki ja muut äänet) ja tietokantojen yhdistelmää. Sisällön eri osa-alueet ja vuorovaikutteisuus tukevat kokonaisuutta, jolla on oma viestinnällinen tarkoituksensa. Tätä kokonaistoteutusta levitetään www:n, digitaalitelevision ja mobiililaitteiden välityksellä loppukäyttäjälle. Multimedia- ja matkaviestinteknologioiden nopea kehitys antaa mahdollisuuden kehittää uusia palveluja. Erilaisiin päätelaitteisiin ja vaihteleviin ympäristöihin tarkoitettujen helppokäyttöisten multimedia- ja mobiilipalvelujen kysyntä on jatkuvassa kasvussa. Multimediatietopankkiprojektissa esitetään kuinka multimediapalveluita voidaan toteuttaa integroidussa ympäristössä. Integroidulla ympäristöllä tässä työssä tarkoitetaan Internetin, mobiilien palvelujen, WAP:in, kämmentietokoneen, digitaalisen television sekä uusien multimediakännyköiden käyttöä multimediatietopankin tarjoamien palvelujen välittämisessä. Projekti on jaettu yksittäisiin lukuihin, joissa tarkoituksena on syventää multimediatietopankin yksityiskohtia sisällön tuottamisessa teknologian näkökannalta. Multimediatietokannan toteutuksessa mallinnetaan palvelun sisältö tietokantaan XHTML-muodossa mediaolioiden sisään sekä tallennetaan tietopankin metatietoa multimediarelaatiotietokantaan, josta on mahdollista hakea tietoa minkä tahansa päätelaitteen kyselyjen avulla.Tässä työssä keskitytään multimediatietokannan hallintajärjestelmän tehtäviin ja rakenteeseen, siihen miten multimediadata tallennetaan tietokantaan sekä siihen miten tietokannassa olevaa metatietoa haetaan käyttäen tietokannassa kehitettyjä hakumenetelmiä.

Towards an Integrative Information Society: Studies on Individuality in Speech and Sign

The flow of information within modern information society has increased rapidly over the last decade. The major part of this information flow relies on the individual’s abilities to handle text or speech input. For the majority of us it presents no problems, but there are some individuals who would benefit from other means of conveying information, e.g. signed information flow. During the last decades the new results from various disciplines have all suggested towards the common background and processing for sign and speech and this was one of the key issues that I wanted to investigate further in this thesis. The basis of this thesis is firmly within speech research and that is why I wanted to design analogous test batteries for widely used speech perception tests for signers – to find out whether the results for signers would be the same as in speakers’ perception tests. One of the key findings within biology – and more precisely its effects on speech and communication research – is the mirror neuron system. That finding has enabled us to form new theories about evolution of communication, and it all seems to converge on the hypothesis that all communication has a common core within humans. In this thesis speech and sign are discussed as equal and analogical counterparts of communication and all research methods used in speech are modified for sign. Both speech and sign are thus investigated using similar test batteries. Furthermore, both production and perception of speech and sign are studied separately. An additional framework for studying production is given by gesture research using cry sounds. Results of cry sound research are then compared to results from children acquiring sign language. These results show that individuality manifests itself from very early on in human development. Articulation in adults, both in speech and sign, is studied from two perspectives: normal production and re-learning production when the apparatus has been changed. Normal production is studied both in speech and sign and the effects of changed articulation are studied with regards to speech. Both these studies are done by using carrier sentences. Furthermore, sign production is studied giving the informants possibility for spontaneous speech. The production data from the signing informants is also used as the basis for input in the sign synthesis stimuli used in sign perception test battery. Speech and sign perception were studied using the informants’ answers to questions using forced choice in identification and discrimination tasks. These answers were then compared across language modalities. Three different informant groups participated in the sign perception tests: native signers, sign language interpreters and Finnish adults with no knowledge of any signed language. This gave a chance to investigate which of the characteristics found in the results were due to the language per se and which were due to the changes in modality itself. As the analogous test batteries yielded similar results over different informant groups, some common threads of results could be observed. Starting from very early on in acquiring speech and sign the results were highly individual. However, the results were the same within one individual when the same test was repeated. This individuality of results represented along same patterns across different language modalities and - in some occasions - across language groups. As both modalities yield similar answers to analogous study questions, this has lead us to providing methods for basic input for sign language applications, i.e. signing avatars. This has also given us answers to questions on precision of the animation and intelligibility for the users – what are the parameters that govern intelligibility of synthesised speech or sign and how precise must the animation or synthetic speech be in order for it to be intelligible. The results also give additional support to the well-known fact that intelligibility in fact is not the same as naturalness. In some cases, as shown within the sign perception test battery design, naturalness decreases intelligibility. This also has to be taken into consideration when designing applications. All in all, results from each of the test batteries, be they for signers or speakers, yield strikingly similar patterns, which would indicate yet further support for the common core for all human communication. Thus, we can modify and deepen the phonetic framework models for human communication based on the knowledge obtained from the results of the test batteries within this thesis.

Mittausdatan havainnollistaminen MATLAB animaationa

The visualization of measurement data is important in the fields of engineering for research analysis and presentation purposes. A suitable visualization method for scientific visualization is needed when handling measurement data. Visualization methods and techniques will be presented throughout this work. They are the bases of scientific visualization from the abstract visualization process to the applied techniques suited for each situation. This work also proposes a visualization tool using the MATLAB® software. The tool was designed as general as possible to encompass the most needs in terms of measurement data visualization. It offers possibilities for both static and dynamic visualization of the data.

4D-aikataulutuksen mahdollisuudet voimalaitosprojekteissa

4D-aikataulutus yhdistää aikataulun ja 3D-mallin animaatioelokuvaksi, jossa projektin rakentuminen esitetään ajan funktiona. Tässä työssä on perehdytty 4D-aikataulutukseen voimalaitosprojektien kannalta. Lisäksi työssä on perehdytty projektijohtamiseen, ja sitä kautta aikataulun merkitykseen projekteille. Työn lopuksi on esitetty 4D-aikataulutuksen käyttöönottoa ja siinä huomioon otettavia seikkoja. 4D-aikataulutuksen avulla projektin asennussuunnittelua voidaan toteutusvaiheessa tehostaa, sillä 4D-aikataulutuksen avulla asennusten törmäysten tarkastelua voidaan tehdä hyvissä ajoin suunnitteluvaiheessa. Lisäksi vaihtoehtoisten asennusmallien tekeminen on mahdollista, ja niitä voidaan keskenäään vertailla. Projektit voivat 4D-aikataulutuksen avulla analysoida myös aikatauluviiveitä, sekä esittää vaihtoehtoisia toteutustapoja projektille. 4D-aikataulutus mahdollistaa myös projektivaiheiden jälkeisen käytön. Projektin jälkeen projektin suunnitteltua ja toteutunutta aikataulua voidaan analysoida keskenään ja siten saada toisiin projekteihin vertailukelpoista tietoa. Lisäksi seisokkitöiden suunnittelussa on 4D-aikataulun avulla mahdollista suunnitella töiden järjestäminen tehokkaasti sekä ottaa myös turvallisuusnäkökohdat huomioon.

Virtuaalinen käyttöönottoympäristö automaatiojärjestelmälle

Valmistavan teollisuuden kiristyvät vaatimukset suunnittelusta markkinoille -ajassa (engl. time-to-market), laadussa, kustannustehokkuudessa ja turvallisuudessa luovat paineita uusien toimintatapojen etsimisessä. Usein laitteiston ohjausalgoritmeja ei ole mahdollista testata todellisen laitteiston kanssa, vaan ainoaksi ennakoivaksi vaihtoehdoksi jää todellisen laitteiston virtuaalinen mallintaminen. Eräs uusista toimintavoista on virtuaalinen käyttöönotto, jossa tuotantolinja tai laitteisto mallinnetaan ja sen käyttäytymistä simuloidaan ohjausalgoritmien parantamista ja todentamista varten. Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa virtuaalinen käyttöönottoympäristö, jolla laitteiston 3D-mallinnettua virtuaalista mallia voidaan ohjata reaaliajassa todellisen laitteiston ohjauslaitteistolla. Käyttöönottoympäristön toteuttamisen lopullisena tavoitteena on tutkia, millaisia hyötyjä sillä voidaan saavuttaa Outotec (Finland) Oy:n automaatiojärjestelmien suunnittelussa ja käyttöönotossa kiristyvien vaatimusten täyttämiseksi. Työssä toteutetulla käyttöönottoympäristöllä pystytään simuloimaan 3D-mallinnetun laitteiston osan toimintaa reaaliajassa. Todellisen laitteiston ominaisuuksista määritettyjä vaatimuksia ei kustannussyistä täytetty, sillä ennen sitä haluttiin varmistua valitun alustan ominaisuuksista, toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Toteutuksen katsotaan kuitenkin täyttävän pehmeän reaaliaikaisuuden kriteerin noin 40 ms aikatasolla ja 80 ms reaktioajalla. Toteutettu virtuaalinen käyttöönottoympäristö osoittautui toimivaksi ja soveltuvaksi, sekä sen todettiin tuovan potentiaalisia hyötyjä Outotec (Finland) Oy:lle, esimerkiksi kosketusnäyttöjen visualisoinnin parannus, hybridikäyttöönottomahdollisuus sekä automaatio-ohjauksien kehittäminen. Työn perusteella arvioidaan onko Outotec:lla tarvetta jatkaa valitulla alustalla todellisen laitteiston aikavaatimukset täyttävään reaaliaika-toteutukseen, jota työssä esitellään.

Keräilykorttipelin toteutus HTML5- ja Javascript-tekniikoilla

HTML5-tekniikka sekä Javascript tuen laajuus selaimissa vaihtelee. Tässä työssä kyseisiä tekniikoita tutkitaan ja selvitetään niiden toimivuus keräilykorttipelin tarvittavien ominaisuuksien osalta. Tuet kartoitetaan viiden yleisimmän selaimen osalta. HTML5 tukee WebSocket-ominaisuutta, mutta kaikki selaimet eivät tue ominaisuutta tai se on poistettu käytöstä. Työssä etsitään tiedonsiirtotekniikan korvaaja, jota testataan ja verrattaan yleisesti käytettäviin tekniikoihin. Socket.io oli nopea tekniikka ja viisi yleisintä selainta tuki kyseistä tekniikkaa. Tämän vuoksi Socket.io-tekniikka soveltuu keräilykorttipeliin hyvin. Työssä tutkitaan keräilykorttipeliin liittyviä ongelmia sekä ratkaistaan ilmenneet ongelmat. Keräilykorttipelissä kyseisiä ongelmia ilmeni hyvin vähän. HTML5 animaatio tutkitaan että se on optimoitu hyvin, jotta käyttäjälle tulee miellyttävä peli kokemus. Keräilykorttipeliin lisäksi tehdään käytännön toteutuksena pakkaeditorin prototyyppi, jossa käytetään drag&drop-tekniikkaa. Tämän vuoksi myös drag&drop-tekniikan tuki on selainten osalta kartoitettu myös työssä, sekä testattu käytännön toteutuksena prototyypissä. Prototyypin tarkoitus on kartoittaa mahdolliset tulevat ongelmat sekä auttaa varsinaisen pakkaeditorin tuotantoversiossa.