robossembler.org/docs/technologies/cad_cg_pipeline.md

id	title
cad-cg-pipeline	Экспорт моделей из САПР

Предисловие

Основными разновидностями моделирования в 3D-графике являются:

• Полигональное моделирование, описывает поверхность массивом точек (Mesh);
• САПР моделирование, описывает поверхность математической функцией (CAD).

При полигональном моделировании выбирается некий предел точек, поэтому не возможно избежать изломов криволинейной поверхности, создать идеальную ее плавность. В данном случае САПР имеет преимущество.

В то же время, для визуализации 3д графики на мониторе компьютера, необходимо чтоб все 3D-модели были в Mesh виде, в том числе и САПР, которые автоматически переводятся в полигональную сетку. В данном случае полигональное моделирование имеет преимущество.

• При визуализации полигональных моделей, их поверхность практически не изменяется (некоторое изменение будет в любом случае).

• 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.

Примеры популярных алгоритмов тесселяции (meshing)

Все алгоритмы тесселяции схожи в том, что строят массив точек, иcходя из предела дискретизации. Разделим алгоритмы по назначению:

1. 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

2. Алгоритмы тесселяции для Метода Конечных Элементов (FEM)

Приведем несколько следующих алгоритмов схожих по назначению, это, в основном, механика твёрдого деформируемого тела, и подобные исследования для материалов объемов тел, которые расчитываются FEM методами.

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

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

Процесс подготовки САПР моделей в виртуальные среды, симуляторы

1. Тесселяция САПР модели.
2. Ретопология результата тесселяции модели.
3. Физические свойства материала результата ретопологии модели (шейдинг).
4. Текстурирование физического материала результата шейдинга модели.
5. Запекание растровых текстур физического материала результата текстурирования модели.
6. В результате получается 3D ассет - полигональная модель с материалом + набор текстур.

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

Выбор алгоритма тесселяции

Основываясь на статье Алгоритмы тесселяции моделей САПР для виртуальных сред, симуляторов и прочих целей визуального характера выбираем Алгоритм триангуляции Делоне с помощью алгоритма Ватсона в виде его реализации BRepMesh_IncrementalMesh.

Обход недостаточной предсказуемости алгоритмов тесселяции при высоких отклонениях

Для наглядного примера возьмем символ "O" шрифта Arial:

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

Мы знаем этот символ, он должен быть симметричным, а сейчас мы видим что он симметричен только на высоких уровнях тесселяции. Это происходит вледствие разного расстояния и разной кривизны между ключевыми точками. И вообщем не возможно добиваться на производственных моделях равномерности расстояния и кривизны между точками. Поэтому мы предлагаем следующий способ - проводить тесселяцию с минимальным допуском отклонения от истинной геометрии САПР модели, в ущерб ресурсоемкости.

• минусом будет повышенная ресурсоемкость на этапе ретопологии (где она и будет снижена)

• плюсом будет предсказуемая точность полигональной модели 3д ассета.

Забегая вперед, посмотрим на следующий пример ретопологии:

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 3д 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.

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.

Подготовка 3д модели детали

Требуется выбрать и подготовить целевую деталь для соответствия следующим требованиям:

1. не может содержать 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 3д симулятора и 3д 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
   Как вариант допускается выполнить 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 3д 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

Экспорт

Для экспорта требуется:

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