CADの原子力技術

この記事では、特殊なCADシステムの開発者の観点から幾何学モデリングライブラリの概要を簡単に説明し、C3Dコアの統合に関する私の経験を共有します。



「大規模な」デザインプログラムの市場は、AutoCAD、SolidWorks、NX、Creo Elements、CATIAなどの主要なプレーヤーに長い間分割されてきましたが、窓や階段、キャビネット、布張りの家具、パイプライン、エンクロージャーは非常に広くダイナミックです。 私の意見では、これには2つの理由があります。第一に、大規模なCADシステムを購入するコストが高いことと、その中で効果的に作業する方法を知っている従業員です。 そして、第二に、大規模なCADシステムの特定の製品の設計に適応できないため、それらの製品の専門製品の設計速度が遅いという事実につながります。



特殊なCADシステムがこれらの問題に対する答えであり、プログラマーはそれらを作成する2つの方法に直面しています。 1つ目は、提供されているAPI、プラグイン、あらゆる種類のスクリプトを使用した大規模なCADの改良です。 このアプローチは常に正当とは限りません。 その結果、ユーザーのCADのコストが増加し（大規模なCADと適応の両方に費用を支払う必要があります）、そのようなコンバインで作業するために必要なエンジニアの資格（およびその結果、トレーニングとメンテナンスのコスト）が非常に高くなります。 2番目の方法は、ゼロからシステムを作成することです。 このパスは間違いなくはるかに難しいです。なぜなら、 膨大な機能を最初から開発する必要があります。 しかし、それにもかかわらず、製品の成功を決定するエンドユーザーにとっては、はるかに安価で便利な場合があります。



ニッチなCADシステムの作成は、間違いなく非常に高価な開発であり、3次元モデルの幾何学的モデリングのアルゴリズムは非常に複雑です。 この問題の解決に役立つライブラリについては、さらに説明します。 しかし、レビューを開始する前に、幾何学的なコアから取得したい機能を決定します。 CADは家具設計用に設計されているため、次の要件が形成されています：カットアウト付きの任意形状の平板、一定断面のプロファイル、回転体、いわゆる曲げパネル、およびこれらのボディの構造ジオメトリ操作、作成された投影ボディに基づく構造、セクション。



CADの適用された観点から、すべての幾何学的モデリングソリューションは、ポリゴン、ボクセル、および境界の表現を使用して、3つのグループに分けることができます。 オブジェクトの多角形モデリングとは、一連の多角形（通常は三角形）の形でオブジェクトを生成することで、OpenGLやDirectXなどのグラフィカルAPIを使用して視覚化します。 この方法が最も簡単に実装できます。 ポリゴンボディの作成とそれらを使用した建設的な操作は、独立して作成するか、CGALなどのオープンライブラリを使用できます。 私たちは長年このような自己記述の実装を使用し、それは完全に報われました：安くて陽気な。 したがって、かなり長い間、私たちは特別な手間をかけずに、かなり複雑な家具製品、たとえば湾曲したファサードをモデリングしました。 ただし、ポリゴン表現には重大な欠点があり、最終的に代替ソリューションの検索につながりました。 これらの欠点は次のとおりです。ポリゴンモデルでは、サーフェス上のボディ（円弧、円、スプライン）を囲む曲線に関する情報がないため、デザイナーの作業が大幅に複雑になり、非平面サーフェス（円筒、円錐、球面、放物面など）から正確に構築することが困難になります建設的なCSG操作では、設計されたオブジェクトの正確な図面の作成、正確な表面積の計算、体の容積などが不可能になります。 ボクセルモデリングも非常に具体的であり、典型的な設計上の問題を解決することを目的としていません。



別の解決策は、 BREP境界表現を使用してオブジェクトをモデル化することです。 BREPは、これらのボディの境界を一連の接続された面として記述する3次元ボディの表現であり、各面は表面の輪郭です（たとえば、平面、円筒、球、円錐、またはNURBS）。 この方法には、ポリゴンモデルの欠点がありませんが（視覚化または計算の中間段階としてポリゴンモデルを使用します）、大部分のCADシステムで使用されています。 しかし、そのようなモデリングのための数学的装置は計り知れないほど複雑であり、ライブラリの選択は非常に限られています。 それらのほとんどはC ++で書かれており、他の言語で使用するためのラッパーを持っているものもあります。



この分野のリーダーは、 ParasolidおよびACISコアです。 CADの大部分で使用されています。 それらに加えて、 CCADとGraniteが知られています。これらは、大規模なCADシステムCatiaとCreo Elementsのコンポーネントで、最近ライセンスが利用可能になりました。 それらはすべて強力な機能を備えており、十分にテストされ最適化されています。 兄弟にとっての唯一の欠点は価格です。 非常に印象的な年間支払いと、各販売からの大きな割合の控除により、それらに基づく小さなCADの作成は高価なイベントになります。



Solids ++とSMLibはあまりよく知られていない2つの商用ライブラリであり、それらに基づくCADシステムに関する情報を見つけることができませんでした。 Webサイトの説明によると、どちらもジオメトリックコアに典型的な操作を実装しています。 それらがどの程度安定して信頼できるかは未解決の問題です。 SMLibには非常に大きな利点があります。他のすべての商用ライブラリとは異なり、SMLibはソースコードとともに販売されています。



当時利用できた国内開発は、ASCON for Compassで開発されたC3Dコアのみでした。 選択時には、市場に参入しただけで、価格と機能のバランスの取れた比率に興味を持ちました。 核の選択時に、 RGKは地平線にも登場しました-野心的な国内プロジェクト、それに関する記事はすでにハブhttp://habrahabr.ru/post/180455/およびhttp://habrahabr.ru/post/180707/に登場しましたが、何年もの間、彼に関するデータは公式ウェブサイト上でも取得できません。 そして、公式メールは手紙に返信しません。



検討中の最後のコア-OpenCASCADE-唯一の無料ソリューション。 それに基づいて、有名なFreeCADパッケージが作成されました。 カーネルは間違いなく機能を開発しており、私の意見では、かなり便利なAPIですが、残念ながら、かなり多くの欠陥があります。テスト中に、一致する顔を持つボディを減算する操作で不正確なジオメトリの形で表現され、投影とパーツのシルエットの生成でエラーが発生しました。 ただし、これは開いているプロジェクトであることを忘れないでください。可能であれば、自分でエラーを修正できます。 このコアは商用製品で無料で使用できますが、追加モジュール（ http://www.opencascade.org/support/products ）および技術サポートが支払われることを忘れないでください 。



もちろん、それぞれのパッケージで苦労せずに上記のパッケージを完全に比較することは不可能ですが、それらの機能に基づいて作られたCADシステムから機能の大まかなアイデアを得ることができます。 財務能力に基づいて、無料のOpenCASCADeまたは国内のC3Dのいずれかを選択しました。 安定性が高いため、C3Dを優先して選択しましたが、これは非常に重要でした。 エンジンで作成された膨大な数のモデルを正しくインポートする必要がありました。 また、OpenCASCADEを一見すると、バグを修正するのにどれだけ時間がかかるかを予測することは困難です。 同様に重要なのは、DXFのインポート/エクスポートの存在と、C3Dコアで投影とシルエットを生成するための安定したアルゴリズムです。 ただし、タスクの具体性が低い場合は、おそらくOpenCASCADEがより有益なソリューションになるでしょう。



その結果、ASCONからコアを導入することにしました。これにはかなりの時間がかかりました。この経験を読者と共有したいと思います。 C3Dコアは、BREPモデル、補助クラス、およびグローバル関数として設計されたアルゴリズムのセットを記述するC ++クラスのセットを表します。 実装の最初の段階では、C ++カーネルをプログラムに接続する方法を決定する必要がありました。これは、歴史的な理由から、Delphiで作成されていました。 必要なすべての機能のCインターフェイスを作成するのは、退屈で柔軟性に欠けるアプローチのように思えました。 ソリューションは非常に迅速に見つかりました-Delphiで直接使用できる純粋な抽象クラスを使用して、C ++で中間「インターフェイス」DLLを記述する それらには、VMTへのポインタが含まれています。幸いなことに、MSとEmbarcaderoのコンパイラはまったく同じ形式です。 その結果、OOPスタイルで必要な機能を提供し、DLLから1つの関数のみをエクスポートするDLLレイヤーを作成しました-メインインターフェイスを取得します。



次の段階は、初期データに基づいたC3Dコア内のすべての必要なボディの構築、それらの三角測量、および視覚化のための三角測量の取得です。 この部分に問題はありませんでした。 ExtrusionSolid、EvolutionSolidの構築関数に基づいて、ボディが構築され、BooleanResult関数を使用して、減算、加算、交差によって互いに結合されます。 出力では、BREPデータを含むMbSolidボディ（MbFaceフェース、MbEdgeエッジなど）を形成します。 多かれ少なかれ複雑なモデルのテストを開始するまで、すべては素晴らしいようでした-キャッシュなしで膨大な数のオブジェクトを構築することはそれほど速くないことが判明しました-自己記述アプローチと比較した速度は10回ごとに低下しました。 ここでは、C3DのTPに敬意を表さなければなりません。彼らは、最も一般的なボディを「手動で」構築する機能の書き換えを支援しました ボディの各面を個別に作成し、それらのすべてのエッジを記述し、それらを互いに接続して、出力で正しい閉じたボディを取得するボディを構築し始めました。



次のステップは視覚化でした-C3Dから三角形分割を選択して描画します。 タスクは簡単に見えました（既存のOpenGLレンダリングを考えると）、予期せぬキャッチがありました：テクスチャを使用したオブジェクトの視覚化は私たちにとって非常に重要ですが、C3Dコアのテクスチャ座標の明示的なサポートはありません（明らかに、Compass 3Dにないため）。 次のようにツイストしなければなりませんでした：コアは、三角形のいわゆるパラメトリック座標を生成することを可能にし、各面に対して、テクスチャを多かれ少なかれリアルにすることができるスケーリング係数を計算できます。 ただし、この方法では、複数の面に関連付けられたテクスチャ座標を計算できません。 追加の「クランチ」を作成し、属性を使用して、面上のテクスチャの座標を互いに接続する必要がありました。 さらに、モデルの視覚化と編集のために、さまざまなデータを転送する必要があります。また、属性を使用して保存することをお勧めします。属性は、ボディ、面、エッジに割り当てることができる配列（名前と値）です。



統合の最も困難な部分は、湾曲したファサードのボディのモデリングでした。



そのようなボディの構築は非常に骨の折れる作業であることが判明しました。 このタスクは、タスクのコアの3つの最も重要な欠点を明らかにしました：変形操作の欠如、ルールドサーフェスを含むボディの構造操作および精度の問題は非常に不安定であり、自己記述コアの精度が低いためにモデルをサポートする必要があり、公差の制御ができないために悪化しましたC3Dコア。



統合の最終段階は、さまざまなエクスポート/インポート操作（STEP、DXF）、身体の相対位置の分析などでした。 幸いなことに、開発者によって多かれ少なかれ迅速に解決された、カーネルでかなりの数のエラーが検出されたデバッグについて、別の言葉で言いたいと思います。 ここで、私たちが遭遇した主な問題を要約したいと思います。

1.多くのレガシーコード、2D / 3Dへのすべてのタイプの分離、2Dでの不便で統一されていない機能、STLを繰り返す自己記述タイプおよび構造を備えた、不十分で便利な構造化API

2.すべての構成要素に名前を付けるための文書化されていないメカニズムと、それらが使用されていなくても送信する必要性

3.すべてのデータを1e-6のオーダーの精度にする必要性、精度管理の欠如、および観測されない場合に発生するさまざまなエラー

4.ボディのフライス加工と変形の経路を構築するための操作の欠如



一般に、幾何学的モデリングのカーネルは非常に複雑なソフトウェアであり、それらの統合におけるさまざまな種類の問題は避けられません。 私たちの場合、内部ソリューションから本格的なカーネルへの移行は、膨大な時間を節約し、蓄積された問題のレイヤー全体を解決しました。後悔しなければならないことは、最初に既製のライブラリを探すことを気にしなかったことです。 次の利点は、本格的なジオメトリコアへの移行とは区別できます。

1.大幅な時間の節約（独自のソリューションの作成と維持に費やした）

2.作成されたジオメトリの品質、曲面および境界の正しい構築を改善しました

3.不可視の線を削除して高品質の図面を取得する

4.「Saprovsky」3d形式（STEP、SAT、XT、DXF）へのエクスポート/インポート



読者の1人が同様のライブラリを使用した経験がある場合は、その実装の経験も共有することを願っています。