---
id: cad-cg-pipeline
title: 'Экспорт для технологии компьютерной графики и симуляции.'
---
# Введение
## Основные методы описания трёхмерных объектов

### Полигональное моделирование
Описывает поверхность массивом точек (Mesh). При этом типе моделирования выбирается некий **предел** точек, поэтому невозможно избежать **изломов** криволинейной поверхности, создать **идеальную** ее плавность. Метод применяется для визуализации моделей на мониторе компьютера, что обусловлено эффективностью  обработки Mesh с помощью видео-ускорителей. При визуализации полигональных моделей, их поверхность практически не изменяется (некоторое изменение будет в любом случае).

### САПР моделирование
Описывает поверхность математической функцией в случае Конструктивной блочной геометрии (Constructive Solid Geometry, CSG) или Граничным представлением (Boundary representation, BREP). При визуализация САПР моделей происходит автоматическая **тесселяция**, которая дискретизирует поверхность в сетку из треугольников, при этом нужно выбирать баланс между избыточной **ресурсоемкостью**  на визуализацию, либо **точностью** визуализации.


# Технологии компьютерной графики и симуляции
## Технологический цикл производства

1. Тесселяция САПР модели.
2. Ретопология и оптимизация от результата тесселяции.
3. Придание физических свойств объекту назначением материала.
4. Параметрическое текстурирование фактуры физического материала модели.
5. Запекание растровых текстур физического материала.
6. Экспорт CG ассета (низкополигональная модель с материалом и набором текстур).

Качественный 3D ассет имеет хороший баланс между точностью геометрии и реcурсоёмкостью. То есть, хочется точность геометрии иметь выше, а ресурсоемкость - ниже.

## 1. Тесселяция САПР модели
### Виды алгоритмов тесселяции
Все алгоритмы тесселяции схожи в том, что строят массив точек, иcходя из предела дискретизации, однако отличаются друг от друга по назначению.

### Алгоритмы тесселяции для **Визуализации**
#### Алгоритм триангуляции Делоне с помощью алгоритма Ватсона
Реализация алгоритма BRepMesh_IncrementalMesh является частью САПР библиотеки Open CASCADE Technology (OCCT). Это инкрементный алгоритм, который разбивает треугольники до тех пор, пока результат тдискретизации не будет удовлетворять критериям отклонения **допуска** отклонения по расстоянию и углу. Результат для допустимой замкнутой оболочки, может считаться твердотельным, поскольку алгоритм учитывает закрытость оболочки.
Сетка подходит для визуализации, машинного обучения, симуляции машин и механизмов и для многих алгоритмов с контролируемой точностью.

Подробнее в статье [OCCT User Guides](https://dev.opencascade.org/doc/overview/html/occt_user_guides__mesh.html)

### Алгоритмы тесселяции для **Метода Конечных Элементов** (FEM)
Применяются для расчёта механики твёрдого деформируемого тела и других исследований, где используются FEM-методы.
#### Алгоритм Netgen
Netgen использует несколько параметров, включая максимальный и минимальный размеры элементов, степень детализации сетки, количество шагов оптимизации и т.д. Netgen в основном работает в 3D. В зависимости от заданных параметров он может изготавливать элементы с размерами, адаптированными к локальным кривизнам - большими на участках плоской поверхности и меньшими на гнутых участках. Как только сетка построена для ребер и граней, Netgen выполняет дополнительные итерации для упрощения сетки. Установка этого параметра в 0 отключает упрощение. Netgen в целом медленнее, чем, например, Gmsh, и более чувствителен к качеству входных моделей.

Подробнее на сайте проекта [ngsolve.org](https://ngsolve.org/)

#### Алгоритм Gmsh
Gmsh работает в 3D и делает 4 прохода: анализ геометрии, анализ сетки, тесселяция, постобработка. Gmsh использует упомянутую выше OCCT для функций конструктивной геометрии и взаимодействует с дополнительной внешней сеткой и библиотеками адаптации сетки Netgen и Mmg3d для упрощения на этапе постобработки.

Подробнее на сайте проекта [gmsh.info](https://gmsh.info/)


### Выбор алгоритма тесселяции

Основываясь на упомянутой выше статье [Алгоритмы тесселяции моделей САПР](https://dev.opencascade.org/doc/overview/html/occt_user_guides__mesh.html) для экспорта виртуальные среды, симуляторы и прочих целей визуального характера целесообразно выбирать **Алгоритм триангуляции Делоне с помощью алгоритма Ватсона** в виде его реализации `BRepMesh_IncrementalMesh` из Геометрического ядра OpenCascade.


#### Обход недостаточной предсказуемости алгоритмов тесселяции при высоких отклонениях
Для наглядного примера возьмем символ "O" шрифта Arial:

![](img/O1.jpg "символ О шрифта Arial")

Доведем ситуацию до абсурда, чтоб было нагляднее, - выставим нулевой уровень тесселяции контура:

![](img/O2.jpg "нулевой уровень тесселяции символа О шрифта Arial")

Этот символ должен быть симметричным, но на иллюстрации заметно, что он симметричен только на высоких уровнях тесселяции. Это происходит вследствие **разного расстояния** и **разной кривизны** между ключевыми точками. Добиваться на производственных моделях равномерности расстояния и кривизны между точками очень сложно, поэтому мы предлагаем следующий способ - проводить тесселяцию с минимальным допуском отклонения от истинной геометрии САПР модели в ущерб ресурсоёмкости.

![](img/O3.jpg "тесселяция с малым допуском отклонения символа О шрифта Arial")

- минусом будет **повышенная ресурсоемкость** на этапе ретопологии (где она и будет снижена)
+ плюсом будет **предсказуемая точность** полигональной модели 3D ассета.

Забегая вперед, посмотрим на следующий пример ретопологии:

![](img/O4.jpg "пример результата ретопологии с количеством полигонов нулевого уровеня тесселяции символа О шрифта Arial")

На примере выше видно, что и при таком минимуме способ показывает свою состоятельность. Результат получился симметричнее, так как кривизна левой и правой стороны, если не близка, то очень похожа. То есть результат предсказуемый.
Для производственного 3D ассета нужно, конечно, выбирать уровень ретопологии с большим количеством полигонов, таким, чтобы обеспечить минимальное отклонение геометрии от САПР модели.

Вывод: проводить тесселяцию с минимальным допуском отклонения от истинной геометрии САПР модели, в ущерб ресурсоемкости.

## 2. Ретопология и оптимизация от результата тесселяции

Выше было сказано про предсказуемость результата алгоритмов тесселяции мы указали, что целесообразно выгонять детализированные 3д объекты, в ущерб их оптимизации. В этой части будет рассказано как добиться хорошего качества 3д модели при высокой ее оптимизации.

#### Ретопология комплексной сборочной 3д модели

![](img/retopo_02.jpg "Сборочная модель")

Весь внутренний состав сборочной модели задействуется только для производственных целей.
Напротив, для целей компьютерной графики, в основном требуется получить только видимую оболочку 3д объекта

![](img/retopo_01.jpg "Состав сборочная модели")

Методика состоит в том чтобы найти отличительную особенность внешних граней сборки от внутренних. В данном случае мы предлагаем использовать метод ретопологии OpenVDB.
OpenVDB — это программная библиотека с открытым исходным кодом для работы с разреженными объемными данными. Он предоставляет иерархическую структуру данных и связанные функции, помогающие вычислять объемные эффекты в приложениях компьютерной графики.
В общем случае процесс можно представить как закваска теста. Можно регулировать степень разбухания, эффектом этого становится слияние деталей, щелей, отверстий размерами менее, чем размер разбухания. В итоге получается монолитное "тесто" которое можно представить в качестве "вакуумной упаковки", которая проецируется на оригинальную поверхность корпуса сборочной модели. В конце идет перестроение поверхности по на заданный предел по количеству точек 3д модели.

![](img/retopo_03.jpg "Результат ретопологии сборочная модели")

Плюсы этого метода в том, что результат получается оптимизированным, качество модели хорошее. Минусы метода в том, что результат может вызвать проблемы на этапе 5. Запекание. Так же к минусам можно отнести точность поверхности, которая имеет ошибку до 10% от оригинальной поверхности.

Для получения максимальной оптимизации при максимальной аккуратности формы модели, рекомендуется выполнять процесс ретопологии вручную, пользуясь услугами 3д художников компьютерной графики.

#### Ретопология простой 3д модели

В отличие от сборочной модели, нет проблемы со внутренними деталями, и процесс сводится к простому перестроение поверхности по на заданный предел по количеству точек 3д модели для компенсации задатка при теселяции.

## 3. Придание физических свойств объекту назначением материала

На данном этапе предлагается для деталей применять FEM материалы, которые предназначены для описания физический свойств объекта, как типов (например: метал, пластик и др.) так и свойств (например: плотность, электропроводность и др.). Движки рендеринга разработанные для задач компьютерной графики, таких настроек не имеют, поэтому мы предлагаем назначать FEM материалы в САПР редакторе FreeCAD.

После экспорта из FreeCAD, наша технология предусматривает адаптацию FEM материала в 3д шейдер для рендеринга.

![](img/bake_01.jpg "Пример отображения 3д шейдера")

Как особенность нашей реализации, можно отметить "оплавление" острых граней объектов, как это обычно случается в реальной жизни - все острые грани либо обрабатываются, либо притупляются естественным путем, и никогда не бывают такими, как выглядят их производственные объекты в САПР редакторе. Этот момент мы считаем принципиальным.

## 4. Параметрическое текстурирование фактуры физического материала модели

Задачи машинного обучения и компьютерного зрения требуют от объекта не только 3д шейдер, но и фактуру, неоднородность поверхности, или рисунок. Это помогает алгоритмам распознавания объектов точнее выполнить свою задачу.

Мы предлагаем путь процедурной параметрической генерации фактуры. Для этого удобно использовать движок рендеринга Cycles в интерфейсе Blender или через его программный интерфейс.

![](img/bake_02.jpg "Пример сгенерированной фактуры симуляции 3д печати пластиком")

На данном примере можно увидеть слоистую фактуру, как это бывает с напечатанными деталями по технология послойного плавления пластиком.

Плюсы процедурной параметрической генерации в том, что фактура получается объекто-независимой, легко переносится и адаптируется под любые формы, требуя минимальных доработок или вовсе без них. В минус можно записать требования к квалификации художника по текстурам и относительный порог вхождения по сравнению с традиционной пиксельной графикой.

## 5. Запекание растровых текстур физического материала

Для этого шага нам потребуется ранее заготовленные 3д модели после этапов тесселяции и ретопологии. Попарно. Суть метода в том, чтобы перенести все параметрические данные и особенности формы поверхности с оригинального объекта, объекта после тесселяции, (высокополигональный объект) на оптимизированный объект (низкополигональный объект).
Данный пункт обширен, и будет рассмотрен в качестве беглого обзора.

#### Развертка поверхности низкополигонального объекта

Для начала выполняется раскройка поверхности низкополигонального объекта (т.н. развертка).

![](img/bake_03.jpg "Пример правильной непересекающейся развертки")

Ключевые особенности:
- Не должно быть наложений, пересечений кусочков. Каждый пиксель целевой текстуры должен быть представлен на модели только 1 раз.
- Кусочки не должны быть сильно растянуты по одной из сторон. Идеально, если они не растянуты вовсе.
- Все кусочки развёртки должны быть в едином масштабе. Допускается обоснованная вариация масштаба для повышения эффективности использования площади развертки.
- Расстояние между кусочками должно быть обосновано размером целевой текстуры. Например, для текстуры 4096 пикселей это расстояние должно быть равно не менее 32 пикселя. Это обеспечит качественное отображение текстуры на объекте в любых условиях использования.
- Занимаемая кусочками площадь должна занимать не менее 50% от общей площади развертки.

#### Запекание в набор текстур.

Для полного отображения информации о высокополигональном объекте на низкополигональном требуется следующий набор текстур:
- Цвет. Аlbedo. Еще это может быть Diffuse, но с оговорками. Он представляет собой простой оттенок материала, или нескольких материалов, без теней.
- Карта нормалей. Normal. В ней записано чем отличается низкополигональный объект от высокополигонального, плюс особенности рельефа фактуры материала.
- Локальные тени. Ambient occlusion. Это тени объекта, отбрасываемые самим собой на самого себя.
- Шероховатость. Roughness. Текстура поверхности с указанием локальной шероховатости в диапазоне 0-1.
- Металлик. Metallic. Локально определяет тип поверхности метал/неметал. Может быть либо 0, либо 1.

Последние 3 текстуры являются скалярными (черно-белыми) величинами, поэтому их обычно упаковывают в 1 текстуру по RGB каналам. Это положительно сказывается на производительности в 3д движке симуляции, так как снижает количество обращений - на 2 меньше. Например для 10ти материалов будет уже экономия на 20 обращений!

![](img/bake_04.jpg "Пакет текстур")

## 6. Экспорт CG ассета (низкополигональная модель с материалом и набором текстур)

Выполняется экспорт в один из универсальных 3д форматов обмена. 3д формат зависит от 3д движка. Как правило, в современных движках используется формат FBX. Также для задач физических симуляций могут применяться форматы DAE (очень близкий к FBX) или OBJ (старый формат, не рекомендуется использовать).

Устаревшие форматы, такие как 3ds, не рекомендуется использовать. Они могут портить модель или не поддерживать (терять) данные.

Дополнительно, в качестве формата для объектов коллизий (как, например, в Gazebo), могут быть задействованы такие форматы как STL .

![](img/bake_05.jpg "Полигональная сетка CG ассета")

На изображении показана полигональная сетка CG (computer graphics) ассета. Можно видеть что неформообразующие детали существуют только на текстуре и фактически отсутствуют на геометрии.

![](img/bake_06.jpg "CG ассет")

Вид импортированного в 3д движок CG ассета.


## Приложение

### Рекомендации для инженера-конструктора по экспорту САПР моделей

Для реализации готовой САПР детали инженеру потребуется переносить модель детали между редакторами моделей. Для хорошей практики при этом предлагается перед экспортом выполнить следующие требования.

### Требования к деталям для экспорта
1. Не содержит несущие соединения или шарниры. Детали между шарнирами (соединениями) считаются как отдельные детали. Самостоятельная, отделенная от родительских и дочерних элементов, деталь является понятным и законченным звеном механизма.
2. Не может иметь взаимные или самопересекающиеся объемы. Отдельные элементы детали не должны проникать друг в друга. Деталь имеет понятные законченные элементы.
3. Иметь все наружные элементы и исключить внутренние, которых не видно снаружи. Внутренние элементы не требуются для 3D симулятора и 3D визуализации, и их лучше совсем исключить из процесса экспорта.
4. Иметь имя латиницей, без спецсимволов и без пробелов и быть в нижнем регистре. Нелатинские символы, спецсимволы и пробелы могут вызвать ошибку поиска объекта (файла) модели. В Windows API имеется особенность - не отличать имена с буквами в верхнем и нижнем регистре, и в этом случае, как говориться, ССЗБ.
5. Иметь нулевые трансформации
6. Стоять в точке или плоскости симметрии
7. Очевидная ось модели должна быть совмещена с одной из осей мира
8. Стоять в центре мира, в нуле. Допускается выполнять предварительный экспорт модели в STEP для запекания истории и обнуления трансформаций. Отцентрированная модель в 0-й позиции обеспечивает, как минимум, единообразие каталога моделей и, как максимум, возможность ее предсказуемой автоматизированной сборки с другими моделями. В этом случае будет точно известно где появится модель. Модели, не размещенные в начале координат, могут сливаться со сценой, и их будет трудно (или невозможно) найти в зависимости от их импортированного положения.

### Подготовка соединения
Для построения цельного механизма в 3D симуляторе требуется задать соединение(я):
1. Задать **позицию** крепления или **ось** (точку) вращения шарнира **дочерней** детали
2. Задать степени свободы дочерней детали
3. Назвать полученный служебный объект используя имя целевой детали как суффикс

### Порядок экспорта
1. Выполнить экспорт детали в формат STEP
2. Имя файла экспорта должно совпадать с именем детали
3. Выполнить экспорт соединения в формат JSON
4. Имя файла экспорта должно совпадать с именем соединения
5. Экспорт должен производиться в отдельную директорию экспорта
6. Директория экспорта должна иметь имя целевого механизма `+ cad`
7. Все файлы экспорта всех деталей одного механизма должны находиться в директории экспорта

## Способы задания систем координат в CAD-системах

Задание вспомогательных систем координат является достаточно часто используемой операцией. Общие принципы их задания, в целом, одинаковы для CAD-систем, таких как Catia V5, Solidworks, FreeCAD, SiemensNX и т.д.

В большинстве случаев используется ортогональная трёхмерная декартова система координат. Однако, есть информация, что некоторые CAD'ы, такие как Inventor, позволяют использовать так же сферические и полярные системы координат. Отголоски этого в прочих системах видны, например, при построении отрезков, когда отрезок строится по углу наклона и длине. 

В любой построенной модели существует глобальная система координат, которая создается автоматически. Никаких манипуляций сделать с ней невозможно. Пользователь имеет возможность создать любое количество вспомогательных СК по своему усмотрению.

Использование вспомогательных систем координат позволяет удобно ориентировать модель в глобальном пространстве. Если "мировой ноль" нельзя сдвинуть или уничтожить, то подобные операции с вспомогательными СК, напротив, достаточно удобны. Так же, благодаря вспомогательным СК возможно быстро сопрягать элементы в сборке, задавая, например, ключевые точки элементов креплений, отверстия или участки захвата. Подобный подход, например, используется в верстаке Assembly4 во FreeCAD, позволяя собирать конструкции без использования сложных солверов(solver, решатель), которые используются для расчета сборок в Assembly3 и прочих.

Способ задания систем координат в разных CAD отличается только конкретными интерфейсными решениями. Обобщённый способ таков:

1. Необходимо задать некую начальную точку. Ее возможно задать как координатно, так и с привязкой к существующим примитивам (центры окружностей или плоскостей, вершины граней, концы отрезков, точки пересечения отрезков и т.д.)
2. Нужно выбрать минимум два ортогональных направления. Третье направление строится автоматически по принципам право- или левосторонней системы координат (в зависимости от выбранных настроек пользователем). Выбрать данные направления можно различными путями, например, возможно выбрать ось цилиндрической поверхности, прямолинейную грань, нормаль к поверхности. Так же можно задать ось или отрезок собственноручно, как и обычный примитив. В том случае, если направления не выбирать, CAD может выбрать их по умолчанию. В таком случае они будут совпадать с направлениями глобальной СК
3. После задания направлений CAD достраивает недостающее направление и СК оказывается построенной. 

Как выяснилось, на данный момент вспомогательные СК не сохраняются при экспорте в STP, IGS и STL-файлы. Официальный сайт Autodesk, например, заявляет, что экспорт пользовательских СК на данный момент невозможен. Официальное руководство Solidworks указывает, что есть возможность выбрать *активную* систему координат, которая при экспорте заменит собой глобальный ноль. Однако, SW позволяет экспортировать эскизные элементы, такие как окружности и кривые. Эти кривые будут существовать как отдельная геометрия и потенциально может быть использована как основа для прописывания локальных СК.

При этом глобальный ноль существует всегда. Поскольку STP-файл представляет собой текстовое и редактируемое описание геометрии детали, потенциально можно прописывать специальные примитивы (например, 3 ортогональных оси и точку), которые могут играть роль вспомогательных СК.