PowerSHAPE – recenzja

Podczas poszukiwań uniwersalnego programu do pracy z chmurą punktów, natrafiliśmy również na program PowerSHAPE firmy Delcam, która jest jednym z najbardziej znanych dostawców oprogramowania CAD/CAM dla przemysłu (m.in. lotniczego, samochodowego, medycznego lub narzędziowego). PowerSHAPE łączy narzędzia typowe dla programów CAD z modelowaniem chmury punktów i trójkątów. Zawiera w sobie narzędzia do importu, naprawy i edycji danych chmur ze skanerów 3D. Narzędzia do modelowania trójkątów pozwalają na naprawy siatki trójkątów oraz konwertowanie zeskanowanych punktów do edytowalnych siatek trójkątów. Ponadto umożliwia rzeźbienie w chmurze, co pozwala na usunięcie wszelkich wad. Siatki trójkątów mogą być konwertowane na powierzchnie jak również na bryły na ich podstawie.

Rys 1

Rys. 1 Figurka poddana skanowaniu 3D

Do skanowania 3D wybraliśmy figurkę słonia o wysokości 120 mm i szerokości 160 mm (Rys. 1), ze względu na mnogość trudnych do skanowania kształtów. Do procesu wykorzystaliśmy skaner David Laserscanner SLS-2.  Otrzymane chmury punktów w postaci pojedynczych skanów nie będą sprawiały trudności w trakcie ich łączenia i scalania, jednak do wielu powierzchni modelu światło skanera nie dotrze, co będzie generować błędy w postaci otworów. Ponadto powierzchnia figurki jest bardzo połyskliwa, w związku z tym pokryliśmy ją warstwą talku, lecz w małym stopniu równomierną aby otrzymać pewną liczbę zanieczyszczeń.

Podczas procesu skanowania otrzymaliśmy 14 skanów, 10 z nich powstało w wyniku obrotu modelu co 36 stopni w okół osi Z, 2 z nich stanowią widok z góry oraz 2 w widoku z dołu. W przypadku tego modelu nie było konieczne stosowanie specjalnych znaczników, ze względu na dużą ilość charakterystycznych powierzchni dzięki, którym program łatwo dopasował skany.

David Laserscanner dołączony do skanera nie miał żadnych problemów z dokładnym dopasowaniem do siebie pojedynczych chmur punktów. Każdy ze skanów pozostawiono z zanieczyszczeniami (fragmenty odbitego światła od podłoża czy połyskliwych części figurki) oraz scalono je bez uzupełniania otworów. Wygląd zeskanowanego modelu  3D został przedstawiony na rysunku (Rys.2)

Rys2

Rys. 2 Model powstały z danych pochodzących ze skanera 3D

Program PowerSHAPE jest bardzo intuicyjnym programem, głównie ze względu na duże ikony, jasno przedstawiające jakie efekty, wykorzystując dane narzędzie możemy otrzymać. W zależności od typu zaimportowanego pliku (przykładowo: chmura punktów – .xyz czy siatka – .obj) program automatycznie uaktywnia pasek narzędzi dostosowanych do interesującego nas formatu. Mamy również kilka pasków opcji uniwersalnych, które pojawiają się od początku i pozostają niezależnie od modułu pracy jaki wybierzemy. Dotyczą one możliwości PowerSHAPE jako programu typu CAD, czyli trybu modelowania i rysowania zarówno powierzchniowego jak i bryłowego. Możemy również w nim tworzyć złożenia oraz wykorzystywać dedykowane pod konkretne technologie kreatory (kreator form, elektrod czy matryc). Ponadto mamy 3 bloki dotyczące każdego modelu niezależnie od formatu: opcje ogólnej edycji  (np. dopasowywanie, obracanie, skalowanie i łączenie),  opcje naprawy modelu (upraszczanie, identyfikowanie nieprawidłowych powierzchni, doktor brył/siatki/chmury punktów), oraz opcje analizy modelu (przekroje, analizy grubości i jakości). Intuicyjność programu jest bardzo wysoka, głównie ze względu na obrazowe ikony i dokładne informacje na temat danego narzędzia, jednak niektóre rozwiązania wyboru i pogrupowania opcji nie są do końca jasne dlatego oceniamy go w tej kwestii na 4.

Rys3

Rys. 3 Wyodrębnione odizolowane od modelu powierzchnie

 

W poprzednich recenzjach w pierwszej kolejności sprawdzaliśmy możliwości programów odnośnie scalania skanów. W przypadku PowerSHAPE nie mamy dedykowanego do tego procesu narzędzia. Są opcje takie jak „Dopasuj zgrubnie ustawione elementy” (mające na celu dokładne dopasowanie dwóch obiektów)  oraz „Doszyj element” (łączenie dwóch obiektów) jednak posługiwanie się nimi byłoby zbyt długie i żmudne aby móc je stosować w codziennej praktyce. Dlatego ten aspekt pracy z danymi ze skanera 3D pominiemy, posłużymy się modelem otrzymanym w wyniku scalenia w programie David Laserscanner.

Z początku należy zająć się widocznymi zanieczyszczeniami, które należy usunąć aby możliwa była dalsza praca z modelem. Aby usunąć niepotrzebne fragmenty powierzchni możemy użyć kilku opcji filtry oznaczające odizolowane od wybranego modelu elementy, filtry podziału siatki lub manualnie poprzez oznaczanie trójkątów prostokątem, lassem lub wielokątem). Najszybszym wyjściem jest wyodrębnienie odizolowanych części i ich usunięcie, w przypadku naszego modelu, program odnalazł takich powierzchni aż 502. (Rys.4)

Rys4

Rys. 4 Jedna z faz naprawy modelu w Doktorze Siatki

Rys5

Rys. 5 Błędy wykryte w Mesh Doktor programu Geomagic Studio

Po tym zabiegu pozostał nam sam model bez widocznych okiem błędów, oprócz otworów. Potrzebujemy jednak jeszcze informacji o nieprawidłowościach takich jak podcięcia, przecinające się powierzchnie, szczeliny itp. W tym celu używamy najbardziej rozbudowanego narzędzia programu czyli Doktora Siatki. Naprawa przeprowadzana jest stopniowo, podzielona na fazy. Graficzne przedstawienie błędów jednej z faz  (tu: wadliwe krawędzie) oraz ich ilość zaprezentowana została na rysunku (Rys.4).

Dokładna ilość błędów, które wystąpiły w modelu według PowerSHAPE:

Wadliwe krawędzie: 370; Szczeliny :3; Duże otwory : 394; Samoprzecięcia: 998; Nakładania: 2

Rys6

Rys. 6 Model po wypełnieniu możliwej liczby otworów

Doktor brył stopniowo pokazuje błędy, umożliwiając nam kilka opcji naprawy. Możemy wybrać opcję automatyczną – program sam wybiera najlepsze narzędzie naprawy, lub sami wybieramy jaki zabieg w konkretnym przypadku ma zostać zastosowany (jak na przykład usunięcie najmniejszego trójkąta). Dla porównania sprawdzimy model na tym samym etapie obróbki w programie Geomagic Studio. Ilość otrzymanych błędów znacznie przewyższa znalezioną przez Doktora Siatki, dokładna ich liczba pokazana została na rysunku (Rys. 5).

Po automatycznym i manualnym (często na zasadzie prób i błędów) oczyszczeniu z błędów otrzymaliśmy model wolny od błędów ale z dużą ilością otworów. Aby załatać otwory możemy posłużyć się zarówno Doktorem Siatki jak i opcją „Wypełnij otwór”.  Możliwości narzędzia nie są zbyt rozbudowane. Wypełnić otwór możemy płaską nasadką lub nasadką krzywizny. W przypadku dużej ilości otworów zdecydowanie lepiej użyć Doktora Siatki, z tego względu, iż możemy masowo uzupełnić braki, inaczej w przypadku opcji „Wypełnij otwór”, gdzie musimy każdy zaznaczyć z osobna. Niestety program nie poradził sobie ze wszystkimi otworami, największe i najbardziej skomplikowane pozostały. Niektóre zostały niepoprawnie wypełnione. Wynika to ze zbyt małej liczby możliwych modyfikacji zwłaszcza granic konkretnego otworu. Jedyne co możemy w takiej sytuacji zrobić to dodawanie manualne trójkątów, jednak w przypadku dużych braków jest to niemiarodajne. Efekt wypełniania otworów pokazany został na rysunku (Rys. 6)

Rys7

Rys. 7 Model po redukcji siatki i pogrubieniu ścianek

Minusem programu jest brak możliwości konwersji siatki na chmurę punktów (odwrotny proces jest możliwy), co mogłoby wiele ułatwić. Będąc przy kwestii usprawniania procesu obróbki, warto sprawdzić możliwość uproszczenia siatki. W PowerSHAPE mamy taką opcję, możemy wybrać redukcję siatki do wartości procentowej oryginału, do liczby trójkątów lub do określonej tolerancji . Liczbą startową było 1556604 trójkątów, zredukowaliśmy do 50 000. Oprócz tego, możemy również dokonać podziału trójkątów (czyli zagęścić siatkę), a także zwiększyć grubość ścianek modelu.  Po zredukowaniu siatki i pogrubieniu ścianek, model wygląda trochę lepiej, jednak wciąż pozostały duże otwory. PowerSHAPE nadaje się do naprawy niewielkich błędów, powstałych na dobrej jakości skanach z małymi ubytkami. Z poważniejszymi zadaniami nie jest w stanie już sobie poradzić. Co najważniejsze w przypadku naszej figurki nie był w stanie stworzyć modelu, który nadawałby się do druku czyli byłby watertight. Końcowy efekt jaki udało nam się uzyskać pokazany został na rysunku. (Rys.7)

Ostatnim udoskonaleniem jakie możemy wprowadzić do modelu to wygładzenie go. Wpisujemy konkretną tolerancję i otrzymujemy według niej średnie wygładzenie. Niestety w tym przypadku program również nie podołał zadaniu, model nie wygląda korzystniej, a wręcz przeciwnie – pojawiła się duża liczba szczelin, a szczegóły takie jak oko znikły.  Efekt został przedstawiony na rysunku (Rys.8)

Rys8

Rys. 8 Model po wygładzeniu

PowerSHAPE okazał się programem, który nie jest w stanie sprostać każdemu zadaniu. Sprawia wrażenie uniwersalnego ze względu na mnogość opcji dedykowanych chmurze punktów, siatce oraz bryłom z osobna. Posiada moduł CAD, który również nie jest zbyt rozbudowany. Moim zdaniem nadaje się do pracy przy modelach nieskomplikowanych, o bardzo dobrej jakości skanowania (czyli otrzymanej z wysokiej klasy skanerów 3D). Jeżeli poddajemy skanowaniu tylko proste modele i do ich obróbki potrzebujemy niewiele operacji, ewentualnie zamodelować i dodać do nich prostą bryłę CAD program ten będzie wystarczający. Dla naszych potrzeb jednak program jest zbyt mało uniwersalny. Do jego zalet można przede wszystkim zaliczyć intuicyjność, możliwość konwertowania chmury punktów w siatkę, powierzchnię i końcowo w bryłę w zakresie jednego programu oraz przede wszystkim rozbudowane narzędzie naprawy modelu. Do wad należą mało rozbudowane narzędzia, brak możliwości konwersji siatki w chmurę punktów oraz brak modułu do łączenia skanów 3D.

Autor: Adrianna Kania, CAD Specialist in TriPioDi