Entwicklung eines Kontrollnetzes von Scandaten

In diesem Projekt werden wir untersuchen wie aus eingescannten 3D-Objekten ein gutes Kontrollnetz extrahiert werden kann. Ein solches Kontrollnetz kann zur weiteren Bearbeitung der Scandaten genutzt werden. Ziel ist es ein gutes, grobes Kontrollnetz für Unterteilungsflächen von dicht abgetasteten realen Modellen zu extrahieren. Ein digitales Produktdesign kann auf zwei Arten definiert werden. Entweder ein Entwickler kreiert das Modell, ab initio, mit professioneller CAD Software, oder er/sie macht ein Lehmmodel welches üblicherweise mit einem Laserscanner abgetastet wird. Im ab initio Fall braucht man leistungsstarke generative Software, welche dem Designer genug Freiheit und Flexibilität gibt um seine/ihre Ideen in 3D Modelle im Computer umzusetzen. Im zweiten Fall braucht man Software, welche grobe, editierbare Kontrollnetze von Scandaten erzeugt. Damit es dem Entwickler möglich ist, die Daten sinnvoll und kontrolliert zu bearbeiten, sollte die Anzahl der Datenpunkte reduziert werden. Ein grobes Netz erlaubt die spätere effiziente Weiterverarbeitung von Modellen am Computer. Wir nehmen an, es ist möglich ein gutes grobes Unterteilungsnetz von dicht abgetasteten Scandaten automatisch zu extrahieren und feine Details in einem Multiresolutionsverfahren zu repräsentieren. Dies würde es 3D Entwicklern ermöglichen weiterhin traditionelle Lehmmodelle zu nutzen und die Zeit diese Modelle in editierbare digitale Form zu bringen drastisch reduzieren. Die Detailinformation kann in einem Multiresolutionsverfahren beigefügt werden, wofür Unterteilungsflächen offensichtliche Kandidaten sind. Unser Hauptziel ist ein im Vergleich zu früheren Modellerfassungsmethoden sehr grobes Netz zu erzeugen. Wie man 3D Modelle erfasst ist gut erforscht und es ist möglich in Nachbearbeitung von diesen saubere 3D Netze mit hoher Genauigkeit zu produzieren. Wir konzentrieren uns daher darauf wie man eine gute grobe Repräsentation von nachbearbeiteten Scandaten erzeugt.

Beim Entwurf von neuen Produkten beginnt ein Designer oder eine Designerin oft mit einem realen Modell der Idee, z.B. einem Ton-Modell. Diese Modelle werden dann digitalisiert, z.B. mit Hilfe eines Laser Scanners. Die Punktwolken die beim Einscannen entstehen sind typischerweise sehr dicht. Sie können auf einem Bildschirm visualisiert werden, sind aber nicht geeignet um die Form weiter auf dem Computer zu bearbeiten. Damit man die Form kontrolliert ändern kann, muss die Anzahl der Datenpunkte reduziert werden. Zudem wird das Modell in einer größeren Produktentwicklungskette weiterverarbeitet. Dies erfordert das Umwandeln des Modells in eine mathematische Beschreibung, also Standard CAD Formate wie NURBS oder Subdivisionsflächen. Diese Repräsentationen ermöglichen es ein grobes Kontrollnetz zu manipulieren, welches mathematisch mit einer glatten Limitfläche, welche die Form darstellt, verbunden ist. Idealerweise ist das Kontrollnetz sehr weitmaschig, sodass die Form der glatten Limitfläche durch das Bewegen von wenigen Kontrollpunkten kontrolliert werden kann. Allerdings muss das Netz auch dicht genug sein um Details in der Fläche repräsentieren zu können. Ziel dieses Projektes war es die Umwandlung einer dichten Punktwolke zu einer mathematischen Beschreibung der Form zu vereinfachen, sodass ein Designer oder eine Designerin vom Entwurf in der realen Welt direkt zur Bearbeitung des Designs auf dem Computer übergehen kann. Im Zuge des Projekts haben wir einerseits Software entwickelt die die manuelle Erstellung der Kontrollnetze von Punktdaten vereinfacht indem der Designer oder die Designerin einfach ein Kontrollnetz auf die Punktwolke zeichnet. Die so erzeugten Netze werden automatisch in Kontrollnetze für Subdivisionsflächen konvertiert. Details können in das Kontrollnetz auch nachträglich eingebaut werden indem das Kontrollnetz an entsprechender Stelle markiert wird. Es wurde auch einen Algorithmus entwickelt der es ermöglicht Kontrollnetze automatisch zu erstellen wobei gewählt werden kann wie genau Details der Fläche im Kontrollnetz abgebildet werden. Man kann einerseits sehr grobe Kontrollnetze erstellen, welche Details in der Fläche ignorieren. Oder man erstellt Kontrollnetze mit variabler Dichte sodass alle Merkmale der Fläche abgebildet werden können. Um Kontrollnetze mit einer sehr hohen Dichte über die ganze Oberfläche zu vermeiden, erhöht der Algorithmus die Dichte nur lokal, sodass relativ flache Regionen nur wenige Kontrollpunkte erhalten, während Regionen mit hohem Detailgrad dichter vernetzt werden damit Detailinformation nicht verloren geht. Und schließlich, um Designparadigmen aus der CAD Welt und der realen Welt zu vereinen, ermöglichen wir Designer und Designerinnen auch die mathematische Formbeschreibung in einem virtuellen Raum darzustellen. Dort kann die Form entweder als CAD Modell behandeln und mit einem Kontrollnetz-Interface manipuliert werden, oder der Form physikalischen Materialeigenschaften geben werden, sodass es sich wie unser ursprüngliches Ton Modell verhält.