Modul Grasshopper

Tags: CAD | Programování

pro vizuální parametrické programování ve Rhinu

Programováním jsem téměř nedotčen (pokud nepočítám jazyk Karel na IQ 151 a několik úvodních kapitol Pascalu) a jakýkoliv text s očíslovanými řádky a nenulovým výskytem špičatých závorek se pro mě stává krajně podezřelým. Jak je tedy možné, že jsem nedávno programovat začal a dokonce mě to baví víc než samotné modelování? Odpovědí je zásuvný modul Grasshopper pro 3D modelář Rhinoceros, který umožňuje tvořit interaktivní „programy“ bez napsání jediné čárky kódu. A navíc si ho můžete stáhnout zcela zdarma.

 Generativní modelování

Pokud vás zajímá, jak snadno se v Grasshopperu (pro úsporu místa dále jen GH) dá vytvářet plně parametrický a interaktivní grafický program (nazývá se také generativní model), nainstalujte si nejprve Rhino (postačí i demoverze), stáhněte si GH z domovské stránky Grasshopper3D.com a pusťte se do krátkých návodů v tomto článku. Uvidíte, jak nečekaně snadné to je.

Na GH je příjemné, že můžete tvořit šikovné „programy“ jen s využitím klasických příkazů a funkcí, které znáte přímo z Rhina, nebo můžete tvořit extrémně složité definice s vloženými programy v C++ a složitými datovými strukturami a stromy. Uživatel, který chce občas vytvořit nějaký parametrický model jako pomůcku pro svoji práci, tak není nucen pronikat do všech tajů programu, ale krásně si vystačí jen s jednoduchými nástroji, jak ostatně za chvíli uvidíte sami. Na své si zkrátka přijde zvídavý student i globální ateliéry a firmy jako Zaha Hadid nebo Ove Arup.

Uspořádání okna Grasshopperu

Když nainstalujete GH a spustíte Rhino, stačí do příkazového řádku zadat Grasshopper a stisknout Enter a spustí se vlastní editor GH. V horní části okna se nachází roletové menu a hned pod ním jsou uspořádány veškeré příkazy GH do logických celků, které můžete přepínat pomocí záložek. Při klepnutí na danou záložku se zobrazí ikony, které jsou opět rozděleny do skupin. Editor obsahuje tyto záložky: Params (vkládání parametrů a ovládacích prvků), Logic (logické operace), Scalar (skalární operace), Vector (vektorové operace), Curve (tvorba a editace křivek), Surface (tvorba a editace ploch), Mesh (tvorba a editace polygonových sítí), Intersect (řešení přůsečíků mezi objekty) a XForm. Když na nějaké ikoně podržíte na zlomek sekundy myš, objeví se její název a stručný popis.

Pod těmito ikonami se nachází další horizontální pás ikon, které slouží zejména k orientaci v programu. Důležitá je ikona, která vypadá jako smažené vajíčko – slouží k „zapečení“ libovolné části definice GH do podoby skutečné fyzické geometrie ve Rhinu (body, křivky, plochy nebo sítě), se kterou lze dále pracovat jako s jakýmkoliv jiným objektem ve Rhinu.

Největší část okna tvoří pracovní plocha, v názvosloví GH se uvádí jako „plátno“. Na plátno umisťujete jednotlivé prvky programu, kterému souhrnně říkáme „definice“. Pokud jste si v mládí hráli s elektronikou a pájeli jste „šváby“ na desky plošných spojů, bude vám práce v GH povědomá. Jedná se totiž také o propojování „integrovaných obvodů“ pomocí drátků.

Typy definičních objektů

Prvky na plátně (tedy ony „integrované obvody“) rozdělujeme do dvou základních skupin – komponenty a parametry. Komponenty provádějí akci, to znamená, že něco vykonávají. Je to vlastně obdoba příkazů Rhina. Parametry obsahují data, to znamená, že něco ukládají, nesou nějakou geometrickou informaci (zastupují skutečně existující křivku, plochu, bod nebo polygonovou síť v modelu Rhina) nebo hodnotu (numerickou, logickou atd).

Každý komponent má nějaké vstupy nebo výstupy. Aby mohl provést nějakou akci, potřebuje stejně jako odpovídající příkaz ve Rhinu nějaká data na vstupu, a na výstupu pak vytvoří nějaký výsledek. Proto obsahuje většina komponentů sadu zahnízděných parametrů, kterým se říká vstupní a výstupní parametry. Vstupní parametry jsou umístěny na levé straně, výstupní jsou napravo. Veškerá práce uživatele pak spočívá v propojování vstupů a výstupů parametrů a komponent nebo v definici hodnot vstupů.

Představme si například komponentu s názvem „Cir“ (zkratka příkaz Circle neboli Kružnice), která vytvoří kružnici na základě zadaného bodu (středu), normálového vektoru a poloměru. Má tři vstupní parametry s názvy C, N a R (zkratky slov Center, Normal a Radius, česky střed, normála a poloměr) a jeden výstupní parametr s názvem C, který uchová výstupní kružnici. Všechny názvy lze změnit na více popisné, ale standardní komponenty jsou záměrně z hlediska popisu minimalistické kvůli šetření místem na obrazovce. Při výběru komponenta zežloutne.

Datové typy

Správa propojení

Jakmile se myš (se stisknutým levým tlačítkem) ocitne na pozici potenciálního zdroje parametru, změní se drát na plnou čáru. Toto spojení není trvalé do té doby, než pustíte myš:

Nové propojení z téhož vstupu standardně zruší již existující propojení. Protože je předpoklad, že nejčastěji budete používat pouze jednoduchá propojení, musíte pro definici více zdrojů udělat něco navíc. Pokud při tažení propojovacího drátu podržíte Shift nebo Ctrl, změní se ukazatel myši tak, že vám dá prostřednictvím zkratky ADD (přidat) nebo REM (odebrat) najevo, zda proběhne přidání nebo smazání propojení:

Pokud je v okamžiku uvolnění tlačítka myši aktivní kurzor s nápisem „ADD“, bude daný parametr přidán do seznamu zdrojů. Pokud specifikujete parametr, který je již definován jako zdroj, nic se nestane. Z jednoho zdroje nemůžete zdědit data více než jednou. Pokud je u kurzoru nápis „REM“, cílový zdroj bude ze seznamu zdrojů odstraněn. Pokud cíl není odnikud odkazován, nic se neprovede.

Zdroje můžete odpojit (ale ne připojit) pomocí kontextového menu daného vstupu volbou položky Disconnect.

Tolik alespoň k základní teorii, pokročilejší témata, jako je vektorový počet, použití seznamů a polí nebo mapování grafů, naleznete v bohaté dokumentaci, která je ke stažení na webu produktu a také v desítkách videonávodů. A teď se podíváme na první jednoduchý příklad použití GH.

1. úloha – „zakřivený žebřík“

V tomto příkladu si vytvoříme „žebřík“ mezi dvěma obecnými křivkami tak, že je rozdělíme na stejný počet dílků a tyto dílky navzájem propojíme příčnými úsečkami. Nejdříve si pomocí nástroje Křivka nakreslíme dvě obecné otevřené křivky (počet řídicích bodů ani tvar křivky není omezen, v rámci rozumného výsledku by ale bylo vhodné, aby křivky byly tvarově podobné) a příkazem Grasshopper spustíme stejnojmenný modul. Prvním krokem tvorby definice v Grasshopperu je vložení křivek, které jsme si nakreslili ve Rhinu, do programové definice na plátně Grasshopperu. V horizontální řadě ikon Grasshopperu si přepněte záložku Params, klepněte na skupinu nástrojů Geometry (nejlépe přímo na černý pruh s tímto nápisem) a rozbalí se nabídka všech nástrojů v této skupině. Zvolte nástroje Curve a přesuňte jej na plátno. Provedete to buď tak, že na nástroj klepnete a poté klepnete do plátna, nebo jej uchopíte myší a přetáhnete jej na plátno. Výsledek je v obou případech totožný – na plátně se objeví parametr Crv (zkratka slova curve – křivka).

Má oranžovou barvu, protože zatím není definován jeho obsah. Klikněte na něj pravým tlačítkem myši a objeví se kontextové menu, ve kterém můžete hned v prvním políčku změnit název tohoto parametru, abyste se v definici lépe orientovali. Nazvěte si jej třeba Křivka 1. Teď musíme definovat obsah tohoto parametru – musíme dát Grasshopperu nějak najevo, že parametr Křivka 1 bude zastupovat reálnou křivku z naší scény v Rhinu. Provedete to tak, že na parametr Křivka 1 kliknete opět pravým tlačítkem myši a v menu zvolíte položku Set one Curve (vybrat jednu křivku).

Grasshopper na chvíli zmizí a vy můžete ve Rhinu vybrat jednu ze dvou křivek, kterou jste si před chvílí nakreslili. Až křivku vyberete, vrátíte se ihned do Grasshopperu. Klepněte myší někam do prázdné plochy plátna a všimněte si, že parametr je nyní zobrazen černou barvou, na znamení toho, že již nese nějaký obsah.

Další úlohou bude rozdělení křivky na určitý počet dílků. Použijeme k tomu nástroj pro rozdělení křivky, který na křivce vygeneruje body v pravidelných roztečích. Přepněte si záložku Curve a ve skupině Division zvolte nástroj Divide Curve. Umístěte jej na plátno napravo od parametru Křivka 1. Tento příkaz má tři vstupy (C – křivka pro rozdělení, N – počet segmentů a K – logická hodnota pro rozdělení křivky ve zlomech) a tři výstupy (P – souřadnice výsledných bodů, T – tečné vektory křivky v těchto bodech a p – hodnoty parametru křivky v těchto bodech). V této chvíli nás bude zajímat vstup P. Abychom příkaz Divide aplikovali na naši křivku, stačí k tomu triviální operace – propojení vstupu příkazu Divide s parametrem Křivka 1. Teď nastane ta správná zábava, začneme totiž tahat drátky. Uchopte myší vstup P parametru Divide, držte stále stisknuté levé tlačítko myši a pohybujte kurzorem směrem k parametru Křivka 1. Všimněte si, že se kurzoru bude držet pružný „drátek“, a jakmile se přiblížíte k výstupu parametru Křivka 1, drátek k tomuto výstupu přiskočí. Pokud stále držíte stisknutou myš, můžete drátek odpojit a připojit někam jinam, my ale necháme drátek připojený.

Jakmile pustíte myš, všimněte si, co se stane s vaší křivkou – vygenerovaly se na ní body, které ji rozdělily na 10 stejně dlouhých částí. Ale proč zrovna 10? Odpověď hledejme ve výchozím nastavení vstupu N v příkazu Divide. Klepněte pravým tlačítkem myši na vstup „N“ tohoto příkazu a v roletovém menu vyberte položku Set integer. Rozvine se podmenu s numerickým políčkem, ve kterém je standardně zadána hodnota 10. Zkuste ji změnit a sledujte, co se stane s křivkou. Vraťte zpět hodnotu 10 a nakonec najeďte myší na výstup „P“ (bez stisknutí tlačítka).

Jak již bylo řečeno výše, jedná se o souřadnice vygenerovaných bodů na křivce. Protože jsem obě křivky nakreslil v rovině XY, je souřadnice Z u všech bodů nulová, ale naše definice bude samozřejmě fungovat na jakékoliv 3D prostorové křivky.

Nyní si všechny kroky zopakujte pro druhou křivku – vytvořte parametr Crv, přejmenujte jej na Křivka 2, vložte do něj druhou křivku ze scény Rhina, vytvořte druhý příkaz Divide, umístěte jej napravo od parametru Křivka 2 a propojte jeho vstup C s tímto parametrem. Obě křivky by nyní měla být rozdělené na 10 úseků. Na výstupu dvou příkazů Divide tedy nyní máme 2 seznamy 11 bodů (pro rozdělení křivky na x segmentů potřebujeme x+1 bodů) a není nic jednoduššího než odpovídající dvojice bodů v těchto seznamech pospojovat úsečkami. V záložce Curve klepněte na příkazovou skupinu Primitive, zvolte příkaz Line a přetáhněte jej na plátno napravo od dosud vytvořených prvků. Příkaz Line má dva vstupy – bod A a B – a tak je jednoduché propojit tyto vstupy s odpovídajícími výstupy příkazů Divide.

Výsledkem bude okamžité propojení bodů na křivkách úsečkami. Zkuste křivky přesunovat a klávesou F10 si zobrazte jejich řídicí body a deformujte křivky přesunováním těchto řídicích bodů (zkuste také klávesy Alt + kurzorové šipky pro přesun bodů v krocích). To je skvělý rys Grasshopperu – veškeré změny v modelu se ihned promítají do výstupu z Grasshopperu a naopak. Nyní totiž můžete nejen měnit tvar a polohu křivek, ale můžete měnit i hodnoty vstupů v definici Grasshopperu a model na tyto změny bude reagovat okamžitým překreslením. Ukážeme si to na změně vstupního parametru „N“ v příkazech Divide. Můžete samozřejmě pomocí pravého tlačítka myši a položky menu „Set integer“ zadávat nové hodnoty počtu segmentů křivky, to ale není příliš pohodlné a už vůbec ne divácky vděčné. Provedeme to jinak – v záložce Params vyberte v příkazové skupině Special položku Number Slider a umístěte ji na plátno někam mezi parametry křivek. Jak správně tušíte, tento komponent slouží k plynulé změně vstupních hodnot pomocí posuvníku. Klepněte na něj pravým tlačítkem myši a vyberte položku Slider type > Integer. Budeme totiž měnit počet segmentů křivky a to je samozřejmě celočíselná hodnota. Dále v tomtéž menu vyberte položku Edit... a v dialogovém okně, které se objeví, nastavte dolní a horní hodnotu rozsahu na 3 a 30 (podle polohy posuvníku se bude křivka dělit na 3 až 30 dílků). Jako výchozí hodnotu nastavte ve spodní části okna 10.

Nakonec si propojte vstupy obou příkazů Divide s výstupem posuvníku a pohybujte posuvníkem. V reálném čase se bude měnit počet bodů na křivce, a tedy i počet propojek našeho virtuálního „žebříku“. Výsledek můžete navíc ještě ovlivňovat přesunováním a deformací vstupních křivek.

Vidíte, že „programování“ v Grasshopperu je záležitost značně jednoduchá a zábavná. Teď se podíváme na trochu komplikovanější případ, budeme v reálném čase provádět metamorfózu mezi dvěma obecnými plochami. O co složitěji to zní, o to jednodušší bude řešení této úlohy.

2. úloha – středová plocha

Protože jste již zkušení uživatelé GH, podívejte se na výslednou definici a obrázky výstupů. Na prvním obrázku je výsledná (červená) plocha přesně uprostřed mezi dvěma vstupními plochami, na druhém je pomocí posuvníku přesunuta blíže k dolní ploše a zároveň byl pomocí řídicích bodů upraven tvar vstupních ploch. Účinek všech těchto změn přitom vidíte okamžitě, protože výsledná plocha se překresluje v reálném čase.

Poté si můžete prohlédnout podrobný rozbor tvorby programu v českém videonávodu, jehož internetovou adresu najdete u tohoto článku. Přeji vám hodně zábavy při experimentování s Grasshopperem.

Autor pracuje ve společnosti Dimensio.

Užitečné odkazy:

Domovská stránka Rhina:
http://www.rhino3d.com/

Domovská stránka Grasshopperu:
http://www.grasshopper3d.com/

Druhá úloha z tohoto článku ve formě videa:
http://www.vimeo.com/3015074

Podrobné videonávody k jednotlivým funkcím
http://web.mac.com/rhino3dtv/GH/GH.html