Отличия полигональных и твердотельных моделей

В одной из предыдущих статей мы показывали, как при помощи реверс-инжиниринга можно заменить деталь для техники, когда нет возможности заказать комплектующие.

У некоторых читателей и наших клиентов возникает вопрос: если 3D-сканер создаёт трехмерную модель, то работа специалиста заключается только в том, чтобы правильно провести сканирование и сохранить результат в нужном формате? Это не совсем так. 

Чтобы разобраться, в чём важность доработки 3D-моделей, немного подробнее расскажем о способах моделирования.

Выделяют полигональное, каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование. В контексте нашей работы рассмотрим два вида: полигональное и твердотельное.

Если измерить расстояния до отдельных точек на окружающих нас предметах и сохранить их координаты, то мы получим "облако точек".

Облако точек

Облако точек — это большой набор точек, полученный с использованием 3D-сканера или других технологий, позволяющий создавать 3D-визуализации объектов. По сути это много-много координат точек в пространстве.

Именно облако точек — первичный результат 3д-сканирования. Далее программа автоматически объединяет ближайшие точки между собой, создавая рёбра, из которых мы получаем полигоны.

Каждый полигон — это плоскость (грань), состоящая из 3-х или 4-х вершин (точек) и объединяющих их ребер. Соединенные между собой полигоны образуют полигональную 3D-модель.

Множество полигонов

Если скрыть отображение граней (полигонов) и оставить только вершины и ребра, то мы можем увидеть полигональную сеть:

Полигональная сетка

Полигональные модели отличаются низкой точностью и используются для игр, мультиков, моделирования органических форм (растения, лица и т.д). Такие модели легко трансформировать, искажать, анимировать. В таких моделях нет четких размеров или идеальных форм, по типу сферы, цилиндра, куба и т.д. Но для целей полигонального моделирования это и не требуется. А если разрезать полигональную модель, то внутри мы увидим обратные стороны треугольников.

Полигональная модель в разрезе

И тут мы подходим к концепции твердотельного моделирования.

Твердотельное моделирование

Название твердотельное моделирование (solid modeling) происходит от идеи, что программа при любом разрезе такой модели должна снова замкнуть поверхности и изобразить какое-то однородное внутреннее заполнение этой модели.

Твердотельная модель в разрезе

Концепция твердотельного моделирования немного сложнее того, что мы видим внутри детали. Для простоты понимания можем условно назвать твердотельное моделирование математическим. Так как программа запоминает не положение точек в пространстве, а математическую формулу физических характеристик объекта.

Здесь поверхность каждого объекта — не просто множество полигонов или сеть, а сплошная непрерывная поверхность, описываемая математически. Ведь практически всё можно описать формулами: конусы, цилиндры, спирали и др.

То есть, если мы моделируем фигуру (например, деталь), то её описание будет состоять из математических формул в 3d-плоскости. К ним добавляются формулы границ этой фигуры — линий или кривых.

Каждое "твердое тело" может состоять из множества поверхностей, которые должны быть идеально состыкованы между собой. 

Преимущества твердотельного моделирования очевидны: точность, возможность расчетов, экспорт в CAM для точного изготовления на ЧПУ-станках. Они гораздо ближе к законам физики, поэтому только их используют для автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, проверки и оптимизации изделий.

Различие и применение видов моделирования

Твердотельная модель отличается от полигональной не тем, что программа создаёт новые грани на разрезе, а способом описания поверхностей. В поверхностях сложной формы, которые теоретически можно приближать бесконечно долго, вы всегда будете видеть плавные формы, а не ломаные полигоны.

Возможность построить модель с любой заданной точностью — именно то, что требуется инженерам. Это позволяет делать подробные расчеты массы и прочности, а также производить детали на высокоточном оборудовании и получать реально работающие механизмы.

Для чего тогда нужно полигональное моделирование? Полигональная модель хороша для изображения органических форм или объектов, не имеющих жестких требований к точности объекта. Например, в игровой индустрии или для печати декоративных фигурок на 3D-принтерах.

Пример полигональной модели

Можно ли импортировать полигональную модель в CAD программу?

Да, но результат вас не порадует. Все полигоны преобразуются в поверхности, а каждая поверхность — это формула. Поэтому объект, импортированный в CAD-программу, будет слишком тяжелым для комфортной работы. К тому же, такие объекты невозможно точно обмерить, так как стандартные привязки на них не работают.

Возможно ли перенести полигональную модель в формат твердотельного моделирования?

Да, для этого существует отрасль реверс-инжиниринга. Используя данные полигональной модели, инженер строит новую — твердотельную.

Теперь вы знаете, что принципиальное отличие полигонального и твердотельного моделирования состоит в записи цифровых данных о модели. Надеемся, эта статья поможет понять, почему отстройка 3D-моделей так же важна, как и другие этапы проектирования.

Специалисты компании 3DVision могут выполнить как 3D-сканирование и трехмерное моделирование объектов, так и комплексный реверс-инжиниринг. Чтобы получить консультацию, свяжитесь с нами по телефону +7 (800) 333-07-58, электронной почте prototyping@3dvision.su или заполните форму на сайте.