 |
Általános topológiájú szabadformájú felületek modellezése 3D-ben
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
124727 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Várady Tamás |
| magyar cím |
Általános topológiájú szabadformájú felületek modellezése 3D-ben |
| Angol cím |
Modeling general topology free-form surfaces in 3D |
| magyar kulcsszavak |
számítógéppel segített geometriai tervezés, szabadformájú felületek, általános topológiájú görbehálózatok |
| angol kulcsszavak |
computer aided geometric design, free-form surfaces, general topology curve networks |
| megadott besorolás |
| Automatizálás és Számítástechnika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 90 % | | Ortelius tudományág: Automatizálás | | Informatika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 10 % | | Ortelius tudományág: Informatika |
|
| zsűri |
Informatikai–Villamosmérnöki |
| Kutatóhely |
Irányítástechnika és Informatika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Salvi Péter
Umenhoffer Tamás
Vaitkus Márton
|
| projekt kezdete |
2017-10-01 |
| projekt vége |
2023-07-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
20.500 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
8.90 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatási projektünkben egy új, intuitív technológia kidolgozására vállalkozunk a számítógéppel segített geometriai tervezés (CAGD) területén. Célunk összetett 3D-s alakzatok leírása, amelyek általános topológiájú szabadformájú felületekből állnak és görbehálókra illeszkednek. A projekt fő kihívása egy hatékony, közvetlenül a tervezési elképzelést támogató eljárás kifejlesztése, amely alternatívát kínál a sokszor nehézkes, négyoldalú NURBS alapú tervezéssel szemben.
Célunk elérése érdekében új, tetszőleges számú határgörbe által határolt matematikai felületreprezentációkat keresünk, amelyeknek különféle követelményeknek kell eleget tenniük. Ilyenek az interpolációs tulajdonság, a magasfokú belső simaság, a szomszédos felületek sima kapcsolódása, és megfelelő geometriai szabadságfok biztosítása az alakzatok módosításához és optimalizálásához. Számos összetett algoritmust kívánunk kidolgozni, amelyek erre a matematikai apparátusra építenek, többek között: konzisztens görbehálók létrehozása és szerkesztése, háromszöghálók approximációja n-oldalú felületekkel, simítási eljárások alkalmazása a felület minőségének javítására, szabadformájú alakzatok parametrikus tervezése és a modellek konvertálása szabványos CAD/CAM formátumba. A számítások hatékonysága egy igen fontos kérdés az interaktív válaszidők érdekében.
A szabadformájú objektumok egy új, digitális reprezentációját keressük, amely kompakt, könnyen szerkeszthető, átstrukturálható, és jó minőségű modelleket eredményez. A javasolt technológia - reményeink szerint - alkalmas arra, hogy hatékonyan támogassa mérnökök, művészek, kutatók és hallgatók munkáját és a jövőben különböző internetes alkalmazások alapját képezze.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Jelen projekt az általános topológiájú felületmodellezés alapvető, ám egyelőre feltérképezetlen kérdéseivel foglalkozik.
(i) Esztétikus 3D-s görbehálók létrehozása, különböző geometriai konzisztencia-kényszerek kielégítése.
(ii) A projekt legkritikusabb része: új, n-oldalú felület-reprezentációk kifejlesztése, zárt élsorozatok interpolálása. Az új sémák transzfinit interpolációra, illetve új n-oldalú, kontrollpont-alapú felületekre épülnek (a négyoldalú Bézier ill. B-spline felületek kiterjesztései). Új paraméterezési és felületmodellezési sémákat keresünk, amelyek az általánosított baricentrikus koordinátákat alkalmazzák. Nem-konvex doméneket is szeretnénk bevezetni, és megvizsgáljuk hogyan lehet a felületek belső részeit módosítani.
(iii) Általános topológiájú felületmodellek illesztése háromszöghálókra. Az optimális topológiai struktúra kialakítása, a görbék elhelyezése, valamint a felületillesztés n-oldalú felületek segítségével nehéz problémákat képviselnek.
(iv) Simító eljárások kidolgozása (fairing) önálló görbék és görbehálók simítására, keresztderivált függvények optimalizálása, és simító energiák érvényesítése több kapcsolódó n-oldalú felületre.
(v) Alakleíró paraméterek alkalmazása szabadformájú modell variánsok létrehozása érdekében. A parametrikus tervezés egy jól bevált technika a hagyományos CAD/CAM modellek készítése során, ugyanakkor egy teljesen feltáratlan terület a szabadformájú világban.
(vi) n-oldalú felületek és szabálytalan háromszögtartományok konverziója szabványos (trimmed) NURBS formátumra. Új eljárásokat kell kidolgoznunk az adatpontok paraméterezésére (orientáló keret, címkézés) és a felületek illesztéséhez.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A szabadformájú objektumok természetes struktúrája nem kizárólag négyoldalú, hanem tetszőleges oldalszámú felületelemek kompozíciójaként keletkezik. Ugyanakkor a legtöbb hagyományos CAD rendszerben az operációk négyszöghálóba rendezett négyoldalú, keresztszorzat típusú felületekre vonatkoznak, ahol az előírt határok interpolálása és módosítása nehézkes, és a határok közti numerikus folytonosság biztosítása is bonyolult. A grafikai alkalmazásokban elterjedt rekurzív felosztásos felületeket 3D-s kontroll poliéderek határozzák meg, ezek alkalmasak általános topológiájú modellek kezelésére, viszont igen nehézkes a határfeltételek kielégítése és strukturális változtatások végrehajtása. Jelen projekt egy új technikát kínál szabadformájú felületek tervezéséhez, amely mentes a topológiai megszorításoktól, ezáltal a tervezési folyamat kötetlenné és kiszámíthatóvá válik.
A projekt keretén belül visszatérünk a klasszikus n-oldalú transzfinit interpolációs módszerekhez, és tovább folytatjuk a sima görbehálókat interpoláló új reprezentációk kutatását. Ezen felületek matematikai felírása bonyolult, és számos megoldatlan problémára keresünk választ. Egyrészt ki kell terjesztenünk meglévő módszereket, másrészt vannak olyan problémák, ahol korábbi kutatási eredmények nem ismertek. Úgy érezzük, hogy ez a projekt újszerű kérdéseket tesz fel, és reméljük, hogy elméleti eredményeinket publikálni tudjuk nemzetközi konferenciákon, illetve a számítógépes geometria vezető folyóirataiban.
A projekt szoros kapcsolatban áll több doktori kutatással; reméljük, hogy jelenlegi és jövőbeli PhD-s hallgatóink jelentősen hozzájárulnak a projekt sikeréhez.
Az eredményeket egy komplex, interaktív 3D-s grafikus program segítségével kívánjuk demonstrálni, amely reményeink szerint lehetővé teszi az általunk javasolt paradigma meghonosodását.
A javasolt tervezési módszer számos előnnyel jár, ugyanakkor hátránya, hogy a reprezentáció nem kompatibilis a hagyományos CAD szabványokkal. Jelenleg ezt konverziós algoritmusok kifejlesztésével próbáljuk áthidalni, de azt reméljük, hogy ez a technológia hosszú távon közvetlenül be fog integrálódni CAD/CAM rendszerekbe, és ezáltal új lehetőségek nyílnak a 3D-s formatervezésben.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban egyre erősebben jelentkezik az az igény, hogy mindenhol szép, esztétikus objektumok vegyenek bennünket körül, legyen szó autók karosszériájáról vagy belső teréről, elektronikus készülékekről, háztartási berendezésekről vagy egyéb tárgyakról. A számítógéppel segített geometriai tervezés fő feladata olyan 3D-s digitális reprezentációk létrehozása, amelyek lehetővé teszik, hogy szép modelleket hatékonyan tudjunk szerkeszteni, megjeleníteni, kiértékelni vagy legyártani. Az ilyen esztétikus objektumok többségét komplex szabadformájú felületek felhasználásával definiálják.
A CAD/CAM igen nagy jelentőségű, elterjedt technológia; ennek ellenére a kereskedelemben kapható rendszerek nem kínálnak olyan eljárásokat, ahol komplex 3D-s alakzatokat általános, topológiai megkötés nélküli felületek kompozíciója alapján lehet definiálni. A felhasználók csak a tervezési koncepcióra szeretnének összpontosítani a különböző vázlatrajzok és jellegzetes görbék összeszerkesztése során; ezzel szemben jelenleg beleütköznek a hagyományos technológia korlátaiba, amely elsősorban a bonyolult, és némileg mesterséges matematikai háttér következménye. A mérnökök, tervezők, kutatók és művészek professzionális körén túl egyre nagyobb az igény egy egyszerű, gyors és intuitív 3D-s formatervező eljárásra, amelyet akár kreatív kisgyermekek és középiskolások is használhatnak majd.
Jelen projektben új digitális modellezési technikákat fejlesztünk, amelyek lehetővé teszik komplex 3D-s objektumok természetes és rugalmas tervezését. Ezáltal megkíséreljük a fenti, régóta jelzett igény kielégítését és egyidejűleg egy új tervezési paradigma meghonosítását.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
This project focuses on a new, intuitive technology for Computer Aided Geometric Design (CAGD) to create complex 3D models based on general topology free-form surfaces that interpolate 3D curve networks. The main challenge is to develop an efficient, design intent driven technique that overcomes the deficiencies of the widely used, and often cumbersome approach using quadrilateral NURBS.
In order to achieve this goal we search for new mathematical surface representations of genuine multi-sided patches, that satisfy various requirements, including the interpolation of complex networks, high-degree interior smoothness, smooth connections to adjacent surfaces, and appropriate geometric freedom for shape control and optimization. We are going to elaborate difficult algorithms that explore this mathematical apparatus, such as composing and editing consistent 3D curve networks, approximating meshes using multi-sided patches, applying fairing energies for high quality surfacing, supporting parametric design of free-form objects using shape parameters, and exporting models to standard CAD/CAM data formats. Computational efficiency is a key factor to ensure immediate response during editing.
To sum it up, our effort is to create a novel digital representation of complex free-form objects, which is compact, easy to edit and restructure, and yields high quality surfaces for design and styling. The proposed technology is going to support engineers, artists, researchers and students to define 3D shapes and hopefully will constitute the core of various web-based applications, as well.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
This project deals with essential, not yet explored modeling problems of general topology surface design.
(i) Create aesthetically pleasing 3D curve networks and satisfy a hierarchy of constraints for geometric consistency.
(ii) The core of the project: develop new genuine multi-sided patch schemes that smoothly interpolate given loops of boundary edges. Formulate and analyze different representations using transfinite interpolation and new control-point based schemes that generalize the well-known quadrilateral Bézier and B-spline surfaces for n-sides. Investigate new parameterization and surfacing methods using general barycentric coordinates. Permit non-convex domains. Investigate methods to separately control the interior of patches.
(iii) Create general topology surfaces over meshes. The optimal topological structure and the 3D placement of curve networks are basic issues to be investigated together with new approximation techniques using multi-sided patches.
(iv) Apply various fairing techniques to perfect individual curves and full networks, optimize cross-derivative functions with constraints, and spread smoothness energies over collections of multi-sided patches.
(v) Parametric design for a family of free-form objects controlled by shape parameters. While this is a standard technique for conventional CAD/CAM models, it is a totally unexplored, difficult area for free-form geometries.
(vi) Convert multi-sided patches and irregular mesh regions into trimmed NURBS format. New advanced techniques need to be applied including special parameterization methods (guiding frames, labeling boundaries) followed by specific surface fitting algorithms.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The natural structure of a free-form object is a collection of surfaces having arbitrary number of sides, and not a composition of quadrilateral patchworks. In spite of this, the majority of commercial CAD systems apply design operations that are dominated by four-sided, tensor product surfaces. These are lacking the flexibility to interpolate and edit prescribed boundaries, and heavy computations are needed to ensure numerical continuity along connecting boundaries. Recursive subdivision surfaces defined by a 3D control polyhedron can handle shapes with general topology, but this mechanism can hardly be adopted to match prescribed boundary constraints, manipulate surfaces and change topological structures. In our project we wish to eliminate topological limitations and enable free-form surface creation, as freely and naturally as possible.
We plan to revisit classical methods in multi-sided transfinite interpolation, and pursue our previous research to develop new multi-sided schemes matching optimized and smoothed free-form curve networks. The mathematical representation of these surfaces is difficult, and there are plenty of unexplored problems. We plan to extend existing approaches, however, we also need to elaborate new solutions without prior technical background. We believe that this research raises original questions and will produce novel results to be presented at international conferences and in the leading technical journals of CAGD. This project is strongly coupled with ongoing PhD dissertations; the work of our current and new doctoral students will benefit all involved.
We are going to demonstrate our results by a large, interactive 3D graphic program; this will hopefully lead to a wider acceptance of our proposed paradigm.
Our approach has several attracting features, but one deficiency is that the representation is not conform to standard data exchange formats, and this is why currently we need to develop conversion methods. Nevertheless, we hope that one day this technology will be fully integrated in its native form into advanced CAD/CAM systems and open up new opportunities in 3D shape design.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
There is a rapidly growing, general demand to have pleasing, aesthetic objects in our everyday life, such as, car bodies and interiors, electronic devices, packaging products, household appliances, sculptures and many others. The main task of Computer Aided Geometric Design is to create 3D digital representations that can be edited, visualized, analyzed and manufactured in an efficient way. For the majority of aesthetic objects, complex, free-form surfaces need to be used.
The CAD/CAM industry is huge and well-established; however, a powerful 3D approach to define complex shapes based on a collection of free-form surfaces with unrestricted topology is still missing. Users would like to avoid struggling with conventional surfacing techniques and mathematical intricacies, and want to focus solely on design intent, using hand-drawn sketches and feature curves. New user groups – ranging from creative kids through high-school students, engineers, artists, animators to professional industrial designers – call for such an easy-to-use, fast and intuitive 3D shape modeling solution.
In this project we introduce new digital modeling techniques to facilitate the design of complex 3D objects in a natural and flexible manner. We attempt to satisfy the above, longstanding demand and propagate this new design paradigm.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| István Kovács, Tamás Várady: P-Bézier and P-Bspline curves – new representations with proximity control, COMPUTER AIDED GEOMETRIC DESIGN (62), pp. 117-132, 2018 | | István Kovács, Tamás Várady: Approximating point data by P-Bézier curves, Workshop on the Advances of Information Technology: WAIT, BME IIT, pp. 67-71, 2018 | | István Kovács, Tamás Várady: Favorable approximating properties of the P-Bézier basis, Ninth Hungarian Conference on Computer Graphics and Geometry, MTA SZTAKI, pp. 10-15, 2018 | | Péter Salvi, Tamás Várady: Multi-sided Bézier surfaces over concave polygonal domains, COMPUTERS & GRAPHICS-UK, (74): pp. 56-65., 2018 | | Péter Salvi, Tamás Várady, Kenjiro T Miura: Approximating Point Clouds by Generalized Bézier Surfaces, Workshop on the Advances of Information Technology: WAIT, BME IIT, pp. 61-66, 2018 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady: Parameterizing and extending trimmed regions for tensor-product surface fitting, COMPUTER-AIDED DESIGN, (104), pp. 125-140, 2018 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady: Mesh Extension for Labeled Surface Fitting, Ninth Hungarian Conference on Computer Graphics and Geometry, MTA SZTAKI, pp. 1-9, 2018 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady: A Labeling Algorithm for Trimmed Surface Fitting, Proceedings of CAD'18, Paris, pp. 86-90, 2018 | | Tamás Umenhoffer: An anatomical aortic root model based on N-sided patches for elastic simulation, Ninth Hungarian Conference on Computer Graphics and Geometry, MTA SZTAKI, pp. 143-149, 2018 | | István Kovács, Tamás Várady: P-Bézier and P-Bspline curves – new representations with proximity control, COMPUTER AIDED GEOMETRIC DESIGN (62), pp. 117-132, 2018 | | Péter Salvi, Tamás Várady: Multi-sided Bézier surfaces over concave polygonal domains, COMPUTERS & GRAPHICS-UK, (74): pp. 56-65., 2018 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady: Parameterizing and extending trimmed regions for tensor-product surface fitting, COMPUTER-AIDED DESIGN, (104), pp. 125-140, 2018 | | Márton, Vaitkus: Notes On Curve Network Interpolation, In: Proceedings of the Workshop on the Advances of Information Technology: WAIT, BME IIT, pp 77-86, 2019 | | Márton, Vaitkus: Positive Geometries for Barycentric Interpolation, In: C. Beccari; X. Li; T. Ju; G. Patanè (Eds.), IGS 2019 Poster Proceedings, pp 62-65, 2019 | | Márton, Vaitkus ; Tamás, Várady: A Labeling Algorithm for Trimmed Surface Fitting, COMPUTER-AIDED DESIGN AND APPLICATIONS 16 : 4, pp. 720-732, 2019 | | Péter Salvi: G1 hole filling with S-patches made easy, In: Proc. of 12th Conf. of the Hungarian Association for Image Processing and Pattern Recognition, KÉPAF, 2019 | | Péter Salvi: On the CAD-compatible conversion of S-Patches, In: Proceedings of the Workshop on the Advances of Information Technology: WAIT, BME IIT, pp 72-76, 2019 | | István Kovács, Tamás Várady: Constrained fitting with free-form curves and surfaces (submitted), COMPUTER AIDED DESIGN (Elsevier), 2020 | | Tamás Várady, Péter Salvi, Márton Vaitkus, Ágoston Sipos: Multi-sided Bézier surfaces over curved, multi-connected domains (submitted), COMPUTER AIDED GEOMETRIC DESIGN, 2020 | | István Kovács, Tamás Várady: Constrained fitting with free-form curves and surfaces, COMPUTER AIDED DESIGN (Elsevier), Paper: 102816, 2020 | | Tamás Várady, Péter Salvi, Márton Vaitkus, Ágoston Sipos: Multi-sided Bézier surfaces over curved, multi-connected domains, COMPUTER AIDED GEOMETRIC DESIGN, paper: 101828, 2020 | | Salvi Péter: A multi-sided generalization of the C0 Coons patch, Proceedings of the Workshop on the Advances of Information Technology, BME IIT,, 2020 | | Salvi, Péter ; Várady, Tamás ; Rockwood, Alyn: Notes on the CAD-Compatible Conversion of Multi-Sided Surfaces, Proceedings of the CAD'20 Conference, pp. 11-15,, 2020 | | Salvi, Péter ; Várady, Tamás ; Rockwood, Alyn: Notes on the CAD-Compatible Conversion of Multi-Sided Surfaces, COMPUTER-AIDED DESIGN AND APPLICATIONS 18 : 1, pp. 156-169., 2021 | | Sipos, Ágoston: A Gn rational spline with an algebraic distance field, Proceedings of the Workshop on the Advances of Information Technology, BME IIT, 2020 | | Sipos, Ágoston ; Várady, Tamás ; Salvi, Péter ; Vaitkus, Márton: Multi-sided implicit surfacing with I-patches, COMPUTERS & GRAPHICS-UK 90 pp. 29-42., 2020 | | Ágoston Sipos,Tamás Várady, Péter Salvi: Approximating Triangular Meshes by Implicit, Multi-Sided Surfaces, Proceedings of the CAD Conference ,Ed. L.A. Piegl, 2021 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady, Péter Salvi, Ágoston Sipos: Multi-sided B-spline surfaces over curved, multi-connected domains, COMPUTER AIDED GEOMETRIC DESIGN (0167-8396 ): 89 Paper 102019., 2021 | | Péter Salvi, Tamás Várady: Proximity by multiplicity, Proceedings of the Workshop on the Advances in Information Technology, BME IIT, 2022 | | Ágoston Sipos, Tamás Várady, Péter Salvi: Implicit representations for multi-sided surface patches, X. Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, 2022 | | Ágoston Sipos, Tamás Várady, Péter Salvi: Approximating Triangular Meshes by Implicit, Multi-Sided Surfaces, COMPUTER-AIDED DESIGN AND APPLICATIONS 19 : 5 pp. 1015-1028, 2022 | | Márton Vaitkus, Tamás Várady, Péter Salvi: Generalized B-spline surfaces over curved domains, X. Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, 2022 | | Jázmin Szörfi, Tamás Várady: Polyhedral design with concave and multi-connected faces, X. Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, 2022 | | Ágoston Sipos: A generalization of tangent-based implicit curves, Proceedings of the Workshop on the Advances in Information Technology, BME IIT, 2022 | | Márton Vaitkus: Explorations in Differential-based Geometric Modeling and Control Theory, Proceedings of the Workshop on the Advances in Information Technology, BME IIT, 2022 | | Sipos, Ágoston: Corner-based implicit patches, 13th Conf. of PhD Students in Computer Science : Short Papers, SZeged, 2022 | | Sipos, Ágoston: Corner-Based Implicit Patches, ACTA CYBERNETICA 0324-721X 2676-993X, Special Issue, 13th Conf. of PhD Students, 2023 | | Péter Salvi, Patrik Gál: Tessellation of Zheng-Ball patches, Procs. of the Workshop on the Advances of Information Technology 2023, BME IIT, 2023 | | Peter Salvi: Intuitive interior control for multi-sided patches with arbitrary boundaries, CAD'23 Proceedings, pp. 26-30., 2023 | | Peter Salvi: Intuitive interior control for multi-sided patches with arbitrary boundaries, COMPUTER-AIDED DESIGN AND APPLICATIONS 21 : 1 pp. 143-154. , 12 p. (2024), 2024 | | Péter Salvi, Márton Vaitkus, Tamás Várady: Constrained modeling of multi-sided patches, COMPUTERS & GRAPHICS-UK 114 pp. 86-95. , 10 p. (2023), 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
