Ανακατασκευή μοντέλων CAD με χαρακτηριστικά βασισμένη στη μορφολογία του νέφους σημείων

Abstract

Reverse engineering, the process of obtaining a geometric CAD model from measurements obtained by scanning an existing physical model, is widely used in numerous applications, such as manufacturing, industrial design and jewellery design. In this work we propose a framework for reverse engineering objects of mechanical or freeform design to obtain fully editable feature-based CAD model that can be reproduced or modified before production. We focus on the process of detecting features on a point cloud and we present efficient methods for analyzing the morphology of the surface defined by the point cloud. We compute a point wise characteristic called point concavity intensity and we use this quantity along with the variations in the surface normal to detect regions corresponding to object features. The boundaries of the regions representing features are extracted and approximated by a collection of piecewise cubic rational Bezier curves that best fit the detected border point cloud and are G1 continuous. We present a fast and efficient linear curve approximation approach to fit feature boundaries with such curves that can be used along with the representative feature region points for feature reconstruction. Feature reconstruction is implemented with solid modeling techniques (sweeping, skinning, covering etc.) and parameters are defined to provide editability of the features. We present examples and discuss extensions to our suggested framework.

Η ανάστροφη μηχανική (reverse engineering) είναι μια διαδικασία μέσω της οποίας ανακατασκευάζουμε ένα γεωμετρικό μοντέλο με βάση τον υπολογιστή (CAD) από μετρήσεις που λαμβάνονται από την επιφάνεια ενός αντικειμένου, μέσω τεχνικών σάρωσης, και έχουν τη μορφή ενός νέφους σημείων. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες εφαρμογές, όπως στη παραγωγή, βιομηχανική σχεδίαση και στη σχεδίαση και αναπαραγωγή κοσμημάτων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες μορφές αναπαράστασης για τα ανακατασκευασμένα μοντέλα, όπως πολυγωνικά μοντέλα, μοντέλα CSG και μοντέλα υποδιαίρεσης χώρου σε στοιχειώδη στερεά στοιχεία (voxel). Παραδοσιακά στις περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούνται μοντέλα αναπαράστασης ορίων (boundary representations). ?στόσο η σύγχρονη τάση, ειδικά στις εφαρμογές ανακατασκευής και αναπαραγωγής αντικειμένων ελεύθερης σχεδίασης, είναι η χρήση αναπαράστασης βασισμένη σε χαρακτηριστικά και περιορισμούς. Αυτό συμβαίνει διότι αυτό το μοντέλο αναπαράστασης είναι ευέλικτο και ακριβές, επιτρέπει την τροποποίηση ή/και επανασχεδιασμό του αρχικού αντικειμένου και μπορεί να εκφράσει την σχεδιαστική πρόθεση του χρήστη-σχεδιαστή. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ένα σχήμα για την ανακατασκευή αντικειμένου από νέφος σημείων με σκοπό την απόκτηση μιας παραμετρικής και επεξεργάσιμης αναπαράστασης CAD με βάση χαρακτηριστικά και περιορισμούς (feature-based and constraint-based) που να μπορεί να τροποποιηθεί και αναπαραχθεί. Σκοπός μας είναι να εντοπίζονται και να εξάγονται χαρακτηριστικά του αντικειμένου από το νέφος σημείων ώστε να είναι δυνατή η τροποποίηση ή ο επανασχεδιασμός του αρχικού αντικειμένου, σύμφωνα με τις προτιμήσεις του χρήστη-σχεδιαστή. Επίσης, δίδεται η δυνατότητα στον χρήστη να μπορεί να εισάγει και να χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά στη σχεδίαση άλλου αντικειμένου. Πιο συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια μέθοδος για τον εντοπισμό και την εξαγωγή χαρακτηριστικών από ένα νέφος σημείων. Το νέφος σημείων πρέπει να χωριστεί σε υποσύνολα τέτοια ώστε κάθε υποσύνολο να μπορεί να αντιστοιχηθεί σε κάποιο χαρακτηριστικό (feature) του αρχικού αντικειμένου. Ορίζουμε ένα χαρακτηριστικό μέγεθος για κάθε σημείο που ονομάζουμε «point concavity intensity», το οποίο περιγράφει την ένταση κοιλότητας που εμφανίζει το αντικείμενο στο συγκεκριμένο σημείο και ορίζεται ως η μικρότερη απόσταση του σημείου από την κοντινότερη έδρα του convex hull. Αυτό το μέγεθος ουσιαστικά εντοπίζει τα χαρακτηριστικά του νέφους που βρίσκονται ανάμεσα ή που σχηματίζονται από κοιλότητες. Αναπτύξαμε έναν γρήγορο και αποδοτικό αλγόριθμο για τον υπολογισμό αυτού του χαρακτηριστικού. Επίσης αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος για region growing που υλοποιεί το διαχωρισμό του νέφους σημείων σε υποσύνολα που αντιστοιχούν σε χαρακτηριστικά με βάση τις τιμές του point concavity intensity κάθε σημείου και την μεταβολή του κάθετου διανύσματος της τοπικής επιφάνειας που σχηματίζουν γειτονικά σημεία. Αυτή η μεθοδολογία οδηγεί στην εξαγωγή