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Nuages de Points et Surfaces de Coque Original

Contexte

En 2013, j'ai eu l'occasion de traiter certaines données du nuage de points dans une surface de coque. J'ai jeté un coup d'œil autour de moi pour trouver des outils qui appuieraient cette approche, mais j'ai été surpris de constater qu'aucun n'offrait vraiment la capacité de traiter les relevés effectués dans l'environnement marin et de générer des surfaces convenant au génie maritime et à l'architecture navale. J'ai développé ma propre solution et c'est le résultat, y compris un document de l'ICCAS[1] (Vo) et une vidéo de présentation. J'aimerais voir ce que vous pensez de mon approche. Regardez les vidéos à la fin de la page pour vous faire une idée de l'expérience et si vous choisissez d'essayer PolyCAD, vous trouverez une explication détaillée de la configuration ici. (WIP)

Technologies Emergentes

Les techniques de relevés optiques, comme le balayage laser, deviennent de plus en plus accessibles aux projets à mesure que le coût de l'équipement diminue et que l'expertise se développe. Ces techniques utilisent des ondes électromagnétiques projetées à partir d'une station de base pour mesurer les distances entre les surfaces et le capteur, un peu comme un radar. Le développement de la technologie signifie qu'une plus grande variété de capteurs différents sont disponibles à partir des systèmes typiques de type de relevé, des appareils portatifs jusqu'aux unités montées sur véhicule. Le développement de la technologie mobile signifie que beaucoup plus de systèmes bon marché basés sur des images stéréoscopiques capturées avec deux caméras émergent et que la plus grande partie de l'effort de reconstruction de la vue capturée est réalisée par logiciel. Toutes ces techniques créent un ensemble de données de relevé composé de points se chiffrant souvent en millions.

Nuage de points laser et modélisation 3D de la chaufferie de HMS Belfast dans AVEVA Everything3D.

Ces techniques de relevé saisissent beaucoup plus de données géométriques de façon plus sécuritaire que les méthodes précédentes. Un ingénieur peut maintenant apporter des données qualifiées du monde réel sur son bureau et s'en servir pour développer des solutions dans le cadre de son projet actuel. Pour l'architecte naval, cette approche offre la possibilité de scanner les navires à l'extérieur et à l'intérieur, capturant une profondeur d'information jamais atteinte auparavant. Le défi de ne pas avoir une définition de coque parce que le plan de lignes est absent ou n'est pas fiable est maintenant résolue (en supposant qu'il y a un contrôle d'accès du navire hors de l'eau).

Géométrie à Partir de Nuages de Points

Le traitement d'un nuage de points dense pour créer un modèle de surface de facette pour la visualisation ou une surface mathématique pour la modélisation et l'analyse est simple si l'ensemble de données a été étudié à l'origine dans un environnement de travail propre et clair et que l'intention est de convertir complètement l'ensemble de données en géométrie. Les algorithmes utilisés pour effectuer la conversion sont dans le domaine public depuis des années et peuvent être facilement mis en œuvre une fois compris. Cependant, dans les scénarios d'ingénierie réelle, il est nécessaire de tenir compte du contexte dans lequel le relevé est effectué et de la façon dont la géométrie sera extraite de la scène, étant donné qu'une grande quantité d'informations étrangères peuvent être saisies, informations qui peuvent également obscurcir l'intérêt d'artefact. Dans ce scénario, le nuage de points ne peut pas être simplement traité par un algorithme pour générer une représentation de surface. Les parties pertinentes de l'ensemble de données doivent être identifiées et préparées pour l'ajustement et il faut tenir compte de la géométrie qui ne pourrait pas être saisie si elle était masquée.

Pour le contexte maritime, il y a d'emblée un défi de taille. Les navires flottants sont destinés à passer leur temps en mer où la géométrie qui nous intéresse est cachée dans un environnement en mouvement. La seule occasion de mesurer, du moins à l'heure actuelle, c'est lorsque ces navires arrivent à terre. Lorsqu'un navire est retiré de l'eau, il doit être soutenu dans une cale sèche ou sur une surface dure d'une manière non naturelle qui masque certaines zones à l'abri de la vue et, par conséquent, de l'inspection. Le retrait d'un navire de son état opérationnel est coûteux, bien qu'il soit nécessaire pour l'inspection annuelle en radoub et signifie que l'arpentage doit s'adapter à d'autres activités qui peuvent se dérouler en même temps.

Les cales sèches et les zones dures peuvent être des zones difficiles à balayer pour une coque.

La cale sèche est un environnement difficile à arpenter. Le navire doit être correctement supporté en introduisant des structures et en obscurcissant la quille et toute partie du navire près du fond de la cale sèche. Le travail est en cours, les gens peuvent être en mouvement et les machines tournantes peuvent causer des vibrations. Le scanner peut capturer des informations inhabituelles telles que des oiseaux volant à travers et des reflets du navire dans n'importe quelle flaque d'eau. Les artefacts scannés supplémentaires peuvent être retirés du relevé pendant le post-traitement, mais toute information manquante doit être acceptée.

Un scan typique peut contenir des artefacts qui ne devraient pas être inclus dans une surface remodelée et il peut y avoir d'autres zones qui sont mal capturées.

Une fois le relevé saisi et post-traité, il sera disponible sous la forme d'une grande base de données de points. Ceci peut être converti en une surface basée sur les facettes, ce qui est bon pour l'affichage mais médiocre en tant que modèle d'ingénierie. La taille des données sera importante et il sera difficile de les modifier. L'architecte naval préférera représenter la forme de la coque comme une surface. Ce format est fortement soutenu par de nombreux outils logiciels parce que la taille des données est petite et qu'il est possible de les modifier. Le défi est que, bien qu'il existe de nombreux algorithmes pour ajuster les surfaces aux ensembles de points, ils supposent généralement que les données sont parfaites. De plus, la forme des formes de coque est souvent difficile à représenter en utilisant une seule surface. Il est nécessaire de le déformer ou de le tailler pour l'ajuster. Cela réduit la capacité de l'architecte naval à manipuler la surface une fois qu'elle a été créée en raison de la définition et des détails supplémentaires ajoutés par ce processus.

Une surface drapée ajustée à un nuage de points doit être découpée en forme. Cette approche peut ne pas choisir des caractéristiques spécifiques de la coque, comme la Rabbit-Line dans ce cas.

Transformer les données de numérisation 3D des grands navires en un modèle CAO. (Vo)

Lors du balayage d'une coque hors de l'eau, certaines zones seront mal capturées, en particulier les zones où les supports touchent la coque, comme le long de la quille ou des blocs de quai. Il peut également y avoir des artefacts dans le balayage qui ne devraient pas être représentés à la surface, comme des appendices (gouvernails, hélices, stabilisateurs, etc.). On pourrait dire que les architectes navals travaillent avec des représentations idéalisées de la forme de la coque et c'est un peu vrai, mais nous gagnons en réalisme en ajoutant des éléments séparés plutôt que de représenter la géométrie complète dans une seule représentation.

Compte tenu de toutes ces exigences, il est difficile de modéliser ou de re-capturer efficacement les surfaces de coque à partir des données de relevés de nuage de Point dans des outils de CAO génériques, car il y a de nombreuses caractéristiques de surface spéciales qui doivent être capturées de la bonne façon. Les outils de conception de surface spécialement conçus pour les formes de coque permettent de représenter facilement ces caractéristiques avec une définition spéciale et en documentant les techniques de modélisation. Cela met en évidence les avantages de l'intégration des données de nuage de Points dans ces logiciels de conception de coque spécifiques à la marine.

Une Approche Alternative.

Régénérer une surface de coque à partir d'un plan de lignes peut être une expérience fastidieuse. En fait, le temps nécessaire pour générer la définition de la surface elle-même est assez faible par rapport à l'aspect physique de la mesure des coordonnées et de la saisie de l'information. PolyCAD s'attaque à ce problème particulier en permettant d'importer les images numérisées des plans dans le logiciel et de les tracer dans l'environnement graphique. La géométrie simple utilisée pour tracer les lignes de l'image peut être utilisée pour générer les courbes X-Topologie spécifiques requises pour représenter une surface complexe à l'aide des outils Intersection et Curve Fitting . Le logiciel aide l'utilisateur à assembler la conception en fournissant des fonctions qui génèrent rapidement une géométrie de bonne qualité et permettent un examen approfondi avant de l'accepter. Les nuages de points ne sont qu'une autre source de géométrie et sont exposés dans les outils d'intersection pour l'ajustement des courbes comme s'il s'agissait d'une autre source de données géométriques.

La capture de la forme d'un nuage de points dans une définition de surface peut être réalisée de manière sélective. en choisissant un plan d'intersection et en revoyant les paramètres d'ajustement pour obtenir la meilleure définition.

Plutôt que de fournir des outils ou des processus spécialisés qui génèrent une surface de coque à partir d'un nuage de points, PolyCAD étend simplement la gamme d'entités qui peuvent être intersectées pour inclure les données du nuage de points. Les surfaces de coque peuvent donc être construites à l'aide de méthodes standard et incorporer toute l'information dont dispose l'utilisateur. Cela s'étend aux zones de manipulation du nuage de points où les données sont manquantes ou médiocres et à l'exclusion des appendices qui ne devraient pas être capturés en surface. Puisque l'utilisateur choisit l'emplacement dans le nuage où la géométrie doit être ajustée, les zones pauvres ou exclues de la définition peuvent être facilement évitées.

Extraction de la Géométrie de Base

Prendre une perspective marine lors de l'extraction d'informations d'un nuage de points met en évidence certaines opportunités intéressantes qui peuvent ne pas être apparentes dans les outils logiciels génériques de CAO/nuage. Prenons par exemple la possibilité de couper une section à travers le nuage de points. Lors de la coupe d'une coque relevée, les points associés à la coupe forment visuellement une courbe. L'assemblage d'un certain nombre de coupes peut révéler les " lignes " de la géométrie de la coque et produire un outil de visualisation viable pour la régénération de la surface, à la fois pour comprendre la forme de la surface mais aussi pour comparer les contours correspondants générés à partir de la surface avec le nuage.

Il suffit de sectionner le nuage et de capturer les points balayés près de la section. révèle les contours de la coque sans qu'aucune géométrie ne soit mise en place.

Les courbes impliquées par les coupes à travers le nuage de points peuvent bien sûr être transformées en géométrie... L'entrée en mode d'édition (F2) de chaque section de nuage de points permet de sélectionner les points d'intersection et d'adapter automatiquement une polyligne aux données. Cela permet d'extraire rapidement des décalages simples ou des sections de coque du nuage de points lorsqu'une définition complète de la surface de la coque n'est pas nécessaire.

Les contours définis par les sections à travers le nuage de points peuvent être simplement convertis. aux polylignes si la qualité de l'ensemble de données est bonne.

Reconstitution des Surfaces à l'Aide de la X-Topologie

Le processus de définition d'une surface de coque à l'aide de l'ajustement X-Topologie au nuage de points reste le même que si vous concevez la surface sans données de référence. Définissez d'abord les limites, puis les courbes de caractéristiques et capturez la forme courbe avant de terminer avec les courbes de croisement. Étant donné que les limites et les courbes de caractéristiques ont généralement des formes discontinues, il est difficile d'utiliser les outils d'ajustement sans direction humaine. En fait, à moins que ces formes ne puissent être capturées directement à l'aide des outils d'ajustement Curve, il est souvent plus efficace de numériser manuellement ces formes initiales. Les coupes de Nuages de points décrites ci-dessus mettent en œuvre le snapping, il s'agit donc simplement de capter les positions mises en évidence à l'écran.

Une fois que la définition de base de la topologie des formes est en place, les zones façonnées de la surface peuvent être définies. Commencez par les courbes de forme primaire, l'ensemble initial de courbes qui entraînent la forme de la surface à travers la région. En suivant le processus de conception recommandé, il est préférable de choisir une direction à travers chaque région de forme qui a le moins de variation de courbure. Pour une forme de coque, cela signifie normalement une direction longitudinale, soit les lignes de flottaison ou les fonds selon le style de la partie de la forme de la coque. Les formes de coque autres que celles d'un navire tireront souvent profit de la capture de la forme à l'aide de diagonales. Si possible, les courbes de chaque région de forme devraient être une famille. Cela signifie avoir le même nombre de points pour maintenir la cohérence mathématique. L'outil Curve Fitting permet de revoir ces paramètres après le traitement de chaque intersection. Une fois effectué la première série de courbes de forme primaire, elles peuvent être suivies de la deuxième série de courbes de croisement. Ceux-ci sont généralement créés rapidement à l'aide de l'outil Spline Fit. Cette partie du processus est montrée dans la vidéo ci-dessous.

L'Expérience de la Génération de Surface

Le processus de définition de la surface du début à la fin

Cette vidéo montre le processus complet de capture de la géométrie d'une forme de coque dans un nuage de points dans une surface X-Topologie.

Génération d'une surface à partir de données réelles du nuage de points et de tous les défis qui en découlent.

Cette vidéo utilise l'X-Topologie pour générer une surface de coque à partir d'un scanner laser. Le nuage de points présente les défis habituels du relevé dans dans l'environnement réel, tels que les zones obscurcies, le manque de détails sur la quille et le traitement d'une surface de coque brillante. PolyCAD est en mesure de traiter ces questions en sélectionnant les bonnes parties des données et en utilisant une approche d'ajustement tolérante.

Pour Plus d'Informations

Ce court article ne fait qu'effleurer la surface des capacités du nuage de points dans PolyCAD. Pour plus d'informations, cliquez ici...(WIP)

Références

Regenerating Hull Surface Definition from Laser Point Clouds, M. Bole, ICCAS 2015, Bremen, Germany, 29th September - 1st October 2015.