Blisko digital twin, a jednak obok – ciężkie dane 3D CAD
Czy Ciebie też czasem irytuje, że w projekcie znów musisz wczytać do layoutu zbyt złożony model 3D w formacie STEP, DWG czy OBJ? Wiesz przecież, że 500 MB nie uczyni Twojego layoutu fabryki lżejszym. Ale prostą reprezentacją blokową nikogo już na obecnym etapie planowania nie zachwycisz. Na zlecenie usługodawcy jest za późno, a budżet na ten cel i tak został wyczerpany. Powstaje dylemat z presji czasu i problemów komunikacyjnych. Czy da się jeszcze przed terminem zejść z tym modelem do 5 MB?
Właśnie o tym jest ten artykuł. Jakie są praktyczne rozwiązania radykalnego i przede wszystkim automatycznego upraszczania danych 3D do planowania layoutu? Przedstawione tu rozwiązania to wybrane przykłady bez pretensji do kompletności. Treści będą w przyszłości regularnie aktualizowane.
Radykalnie prosto dzięki remeshingowi zamiast redukcji
Za pomocą tzw. metod remesh lub shrinkwrap rzeczywiście można automatycznie sprowadzić ogromne ilości danych modeli 3D CAD do 1 %, a nawet 0,1 % pierwotnej wielkości. Oszczędność czasu i bardzo silną redukcję okupuje się jednak stratami w jakości modelu. Warto to wiedzieć z góry. Ale to i tak lepsze niż brak jakiegokolwiek modelu 3D pod ręką, prawda?
Mówiąc w uproszczeniu, remeshing to wygenerowanie zupełnie nowej siatki powierzchni na bardzo złożonym modelu 3D. Pierwotna geometria służy tylko jako odniesienie dla mocno uproszczonego modelu powłokowego. Można to sobie wyobrazić jak pokrowiec na łodzi na zdjęciu powyżej albo folię termokurczliwą na warzywach w dziale świeżej żywności. W idealnym przypadku znikają przy tym drobne detale, jak otwory i śruby, a także wewnętrzne części modelu CAD wyposażenia fabrycznego.
Przykład stanowiska montażowego – automatyczne upraszczanie 3D CAD
W praktyce oznacza to, że prawdziwe podejście remesh potrafi często usunąć do 99 %, a czasem nawet do 99,9 % danych. Mimo to zewnętrzny wygląd wyposażenia w wygenerowanym modelu powłokowym zostaje w dużej mierze zachowany. Poniżej przykład złożonego stołu montażowego, który dzięki remeshingowi został mocno uproszczony w 1–2 minuty:
Otwarta, ażurowa i złożona konstrukcja to zasadniczo najtrudniejszy przypadek. Zwłaszcza ręczne upraszczanie jest tu często bardzo czasochłonne, bo prawie nie ma części wewnętrznych, które można by po prostu usunąć.
Powierzchnia ustawienia wyposażenia jest bardzo dobrze zachowana. Wraz z rosnącą redukcją widać wyraźne straty jakości odwzorowania. Godna uwagi jest także redukcja liczby obiektów geometrycznych z 350 do jednej geometrii. Informację o kolorach model otrzymuje z automatycznie wygenerowanego atlasu tekstur:
Ostatecznie daje to ogromne przyspieszenie wyświetlania 3D w Twoim layoucie fabryki. W odczuciu użytkownika może to być przeskok od „ledwo się da pracować” do „działa superpłynnie”. W praktyce ta możliwość potrafi przesądzić o sukcesie warsztatu planistycznego albo całego projektu.
Inne możliwości automatycznego upraszczania modeli 3D – Polygon Cruncher
Obok opisanego wyżej podejścia remesh zwykłe reduktory próbują jedynie dopasować i uprościć każdy pojedynczy obiekt (geometrię) w zespole. Otwory, śruby, a także części wewnętrzne i niewidoczne często pozostają jako ledwo rozpoznawalne detale, jeśli oprogramowanie ich nie odfiltruje. Zasadniczo wszystkie części składowe zostają więc zachowane. Złożone zestawy danych CAD mogą zawierać kilkadziesiąt tysięcy części.
Tą metodą uzyskuje się często tylko 50–90 % mniejsze modele, przy czym i tu mogą już występować wyraźnie widoczne błędy odwzorowania. Znane narzędzia klasycznej, także krawędziowej metody to m.in.
- SAP Visual Enterprise Author (dawniej Deep Exploration)
- VRSQUARE Meshmatic
- Mootools Polygon Cruncher
- Okino NuGraf
- Atangeo
- 3ds Max ProOptimizer (standardowa wtyczka)
Taka możliwość upraszczania istnieje praktycznie w każdym systemie autorskim pracującym na wielokątach. Także systemy CAD często pozwalają wybrać poziom szczegółowości lub rozdzielczość przy eksporcie zestawów danych. Przy wysoce złożonych danych produktowych pomagają one jednak tylko częściowo, bo w modelu wciąż pozostaje zbyt dużo danych. 10 % z miliona powierzchni to nadal 100 000 powierzchni – przy częstym użyciu może to stać się problemem w złożonym layoucie fabryki.
Optymalizacja 3D CAD zależy od zastosowania
Nie oznacza to zresztą, że te rozwiązania są z gruntu złe. Również rozwiązania remesh oferują tę metodę dodatkowo. Mają rację bytu przede wszystkim tam, gdzie chodzi o upraszczanie złożonych, organicznie ukształtowanych pojedynczych geometrii, albo w obszarze technicznym, gdy struktura części zespołu musi zostać zachowana. Te wymagania nie mają jednak znaczenia przy tworzeniu bardzo prostego modelu powłokowego do planowania koncepcyjnego fabryki.
Jakie oprogramowanie remesh służy do automatycznego upraszczania modeli 3D?
Zasadniczo rozwiązania remesh dzielą się na dwa obozy. Jest oprogramowanie z branży rozrywkowej, opracowane przede wszystkim z myślą o optymalizacji zasobów 3D w grach wideo. Uproszczone modele nazywa się tam Proxy-LOD. W grach są one automatycznie wyświetlane z większych odległości jako „geometria zastępcza”, aby zwiększyć wydajność 3D i liczbę klatek.
Te rozwiązania – obok wersji standalone – są też często zintegrowane z silnikami 3D, jak Unity czy Unreal. Należą do nich:
Są też rozwiązania o charakterze bardziej technicznym, wywodzące się ze środowiska multi-CAD albo celujące ogólnie w treści 3D z najróżniejszych obszarów, jak:
Ogólnie można powiedzieć, że istnieją już bardzo dojrzałe i łatwe w użyciu rozwiązania. Zwłaszcza w obszarze usług online do remeshingu rozwój wciąż trwa. Meshlab wspominamy tylko na marginesie jako bezpłatne rozwiązanie o charakterze eksperymentalnym.
Co liczy się w dobrym rozwiązaniu remesh do planowania koncepcyjnego?
W skrócie chodzi przede wszystkim o następujące punkty:
- Zachowanie granic modelu lub powierzchni ustawienia w osiach x, y i z dla wysokiej dokładności planowania
- Niezawodność i szybkość – radzi sobie bardzo dobrze także z ogromnymi zestawami danych (500 MB i więcej)
- Silne upraszczanie do 99 % i więcej – usuwa wszelkie detale wewnętrzne, części słabo widoczne lub niewidoczne oraz typowe cechy CAD, jak otwory i zaokrąglenia; redukuje jednorodnie z zadaną rozdzielczością do jednego lub zaledwie kilku pojedynczych obiektów
- Atlas tekstur UV – potrafi wygenerować obraz (teksturę) na podstawie pierwotnego, szczegółowego modelu i w ten sposób symulować detale w modelu uproszczonym – zachowuje wygląd zewnętrzny oryginału tak dobrze, jak to możliwe
- prosta obsługa – przetwarzanie za naciśnięciem przycisku, prosta konfiguracja niewielu parametrów
- różnorodność formatów – wczytuje i eksportuje wiele różnych formatów plików
- możliwość obliczeń lokalnych – niezależnie od niezweryfikowanych usług chmurowych, aby chronić wrażliwe dane
- rozsądna cena – zależnie od częstotliwości użycia i uzyskiwanych wyników
Większość kryteriów spełniają w zasadzie tylko rozwiązania z branży rozrywkowej. Simplygon generuje np. w bardzo krótkim czasie efektowne i bardzo mocno zoptymalizowane modele. Brakuje tu jednak typowych formatów wejściowych z obszaru CAD, jak STEP czy IGES. Konieczna jest więc wcześniejsza konwersja np. do Wavefront OBJ, aby narzędzie mogło pracować.
Portale usług online jako elastyczne rozwiązanie?
Interesujące są z pewnością także rozwiązania takie jak DGG RapidCompact i Meshmatic, działające jak portale usług online. Wgrywasz tam pliki do przetworzenia, a wynik pobierasz często już po kilku minutach. Rodzi to oczywiście pytania o ochronę danych. Firmy niechętnie umieszczają dane w obcej chmurze. Tu DGG i Simplygon oferują rozwiązania lokalne – dane 3D CAD nie opuszczają wtedy Twojego komputera. Do rozliczeń przekazywana jest dostawcy np. tylko częstotliwość użycia. W każdym razie kwestię obchodzenia się z danymi warto wyjaśnić z dostawcą zawczasu, aby uniknąć niespodzianek przy danych wrażliwych.
Złożone i indywidualnie konfigurowalne rozwiązania optymalizacyjne
3D Evolution Simplifier firmy Coretechnologie jest z kolei stosowany w większych przedsiębiorstwach jako standardowe rozwiązanie do redukcji danych CAD „przez noc”. Jest stosunkowo złożony i oferuje liczne możliwości konfiguracji. Różni się tym od przeważnie prościej zbudowanych rozwiązań z branży rozrywkowej. Obszary zastosowań to np. zarządzanie danymi produktu, gdzie potrzebne są lekkie zestawy danych 3D do wspólnej analizy w zespole. Wymagania są więc bardzo podobne do partycypacyjnego planowania fabryki z wieloma uczestnikami. Razem z Simplygonem należy do rozwiązań z wyższej półki cenowej, zakładających regularne użycie. Plusem jest wczytywanie znanych formatów CAD, jak CATIA, NX, JT, Inventor, STEP, Creo i SOLIDWORKS.
Podsumowanie
Właśnie przy planowaniu koncepcyjnym fabryki Proxy-LOD, czyli proste geometrie zastępcze, pomagają opanować złożoność danych produktowych CAD. Wystarczy uzyskać jako wynik pojedynczą, mocno uproszczoną geometrię (model powłokowy) z w dużej mierze zachowaną informacją o kolorach (atlas tekstur) i powierzchnią ustawienia.
Ciekawe jest, że to właśnie rozwiązania z branży rozrywkowej, jak Simplygon, świetnie radzą sobie z tym zadaniem, ale nie obsługują typowych formatów CAD. Rozwiązania zorientowane technicznie bywają z kolei zbyt złożone, by adekwatnie pokryć ten dość prosty przypadek użycia, oferują jednak często potrzebne interfejsy CAD (3D Evolution Simplifier, Meshmatic). Nie można też zapominać o funkcjach shrinkwrap w systemach CAD, przeznaczonych np. do generowania uproszczonych siatek do zastosowań symulacyjnych. Nie dbają one wprawdzie o zachowanie informacji o kolorach, ale również potrafią mocno zredukować złożoność.
Między powierzchnią blokową a wysokiej jakości modelem planistycznym
Jeśli myślisz o prezentacji końcowej albo o warsztacie w VR, rozwiązanie remesh może nie zapewnić oczekiwanej jakości. Poziom szczegółowości Proxy-LOD najlepiej sprawdza się bowiem przy oglądaniu z większych odległości. Wtedy warto może jednak zawczasu zaplanować współpracę z profesjonalnym usługodawcą. Przekształci on Twoje dane CAD – co prawda znacznie większym nakładem pracy – w wysokiej jakości, lekkie modele 3D.
