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Geomagic Studio

Dieser Beitrag beschreibt die Flächenrückführungssoftware Geomagic im Hinblick auf deren Einsatz im LRZ.

Programmversion und Plattformen

Hersteller:

    Geomagic Inc.

Version:

    Geomagic Studio 11

Plattformen:

     Windows XP und Vista (32- und 64-bit Versionen)

 

Allgemeines

Einsatzgebiete

Geomagic Studio ist eine Software, die zur Umsetzung von 3D-Scandaten in digitale Modelle entwickelt wurde. 3D-Scanner liefern typischerweise große Mengen von Messpunkten, also eine Art "Punktwolke", die die Oberfläche eines real existierenden Objekts beschreibt. Diese Messpunkte entstammen meist mehreren Scanvorgängen, die sich überlappende Regionen erfassen und die in der Regel einer Nachbearbeitung bedürfen. Im Zuge der Erstellung eines CAD-tauglichen Modells aus den aufbereiteten Punkten werden verschiedene Stadien der Bearbeitung durchlaufen, beginnend mit der Erzeugung eines Netzes aus Dreiecken. Diese polygonale Oberfläche erfährt eine schrittweise Unterteilung in kleinere Einheiten, die entweder die Grundlage für eine weitgehend automatisierte  Erzeugung von NURBS-Flächen (C0- oder C1-stetig) bildet oder in eine Darstellung des Modells als Aufbau aus geometrischen Grundformen mündet. Am Ende steht ein CAD-Modell in gängigen Formaten (z.B. IGES oder STEP).

Geomagic deckt als Software zur Flächenrückführung primär die Bedürfnisse des "Reverse Engineering" ab, kann aber für verschienste Zwecke eingesetzt werden. Beispiele sind die Aufbereitung von natürlichen Objekten für die Analyse mit Finite-Elemente-Methoden (z.B. in der Medizin), Bearbeitung von Dreiecksoberflächen für wissenschafltiche Visualisierung oder Aufbereitung von Modellen für Virtual Reality-Anwendungen.

Verfügbare Lizenzen im LRZ

Im LRZ stehen zwei Floating-Lizenzen für Geomagic Studio zur Verfügung. Diese umfassen die Software-Komponenten Capture, Wrap, Shape und Fashion.

Andere Geomagic-Produkte wie z.B. Geomagic Qualify stehen im LRZ derzeit nicht zur Verfügung.

Zugang zu Geomagic im LRZ

Da es derzeit keine Linux-Version von Geomagic gibt, ist die Software nicht auf zentralen LRZ-Rechensystemen  installiert. Stattdessen findet die Nutzung auf Arbeitsplätzen im Institut statt, wobei auf die zentralen Floating-Lizenzen im LRZ zugegriffen wird. Nutzungsberechtigt sind Einrichtungen der TU München und der LMU.

Sie erhalten alle notwendigen Informationen zur Installation von Geomagic Studio auf Ihrem Rechner, wenn Sie das folgende Formular unterschrieben und mit Institutsstempel versehen an das LRZ senden:

Erklärung zur Nutzung der LRZ-Lizenzen für Geomagic

Bitte denken Sie während Ihrer Arbeit mit Geomagic daran, dass insgesamt nur zwei Lizenzen vorhanden sind, die sich alle Benutzer teilen müssen. Gehen Sie bitte entsprechend bewusst mit der Resource um.

 

Arbeiten mit Geomagic

Im folgenden sollen die Grundzüge des Arbeitens mit Geomagic kurz skizziert werden. Diese Beschreibung allein reicht zur Einarbeitung aber nicht aus, da nicht auf die Details der einzelnen Arbeitsschritte eingegangen wird.

Die Bearbeitung von Daten läuft typischerweise in verschiedenen Phasen ab, ausgehend von Punktdaten also

        Point Phase -----> Polygon Phase -----> Shape Phase

oder

        Point Phase -----> Polygon Phase -----> Fashion Phase

Natürlich kann die Point Phase ausgelassen werden, wenn man eine anderweitig gewonnene Dreiecksoberfläche importiert, oder man lässt am Ende die Surface Phase weg, wenn nur Polygone bearbeitet werden sollen. Diesen Bearbeitungsphasen entsprechend  werden üblicherweise der Reihe nach folgende Software-Module zur Anwendung gebracht:

 

Capture

Dient der Bearbeitung von Punkten. Geomagic kann durch eine Anzahl von Treibern für die Scanner verschiedener Hersteller ergänzt werden, so dass deren Messpunkte direkt eingelesen werden können. Capture stellt Funktionen wie die Registrierung von Teildatensätzen, gleichförmige Verteilung der Punkte und ähnliches zur Verfügung.

   

Wrap

 Ist die Punktwolke entsprechend aufbereitet, so führt der Menüpunkt  Wrap  in die Polygon Phase. Die Punkte werden mit Dreiecken  vermascht und die entstehende Oberfläche kann nun vielfältig weiterbearbeitet  werden: Löcher füllen, Glätten, Reduktion der Polygonanzahl, Überschneidungen ausbessern und vieles mehr liefern einen Datensatz, der als polygonale Oberfläche exportiert werden kann (z.B. im Format STL) oder als Grundlage für die Erzeugung eines CAD-Modells mit Shape oder  Fashion dient. Der Benutzer entscheidet beim Eintritt in die "Surface Phase", ob er Shape oder Fashion benutzen will. Shape dient der Flächenrückführung in ein NURBS-Modell mit Betonung auf möglichst guter Übereinstimmung mit den Ausgangsdaten. Shape ist daher die Methode der Wahl für Objekte, die nicht ursprünglich einem industriellen Konstruktionsprozess enstammen. Beispiele hierfür sind natürlich gewachsene Objekte (Knochen, Zähne etc.) oder Kunstgegenstände. Fashion hingegen dient eher der Flächenrückführung in Fällen, in denen das erzeugte Modell möglichst gut die ursprünglichen Absichten eines Designers wiederspiegeln soll. Das erzeugte Modell wird hier durch "trimmed surfaces" oder "untrimmed surfaces" repräsentiert, die das Objekt aus geometrischen Primitiven aufbauen. Die spätere Weiterbearbeitung in einem CAD-System steht dabei im Vordergrund.

   

Shape 

 Der Bearbeitungsablauf in der Shape Phase kann vollautomatisch durchlaufen werden, wobei das Endergebnis durch einige wenige Parameter kontrolliert wird. Dies geschieht mit dem Menüpunkt Contours > AutoSurface.Oder man entscheidet sich, die einzelnen Schritte explizit auszuführen und dadurch mehr Kontrolle über die Modellierung zu haben. Diese Einzelschritte sind:

  1. Erzeugung von Konturlinien, die die Oberfläche in Zonen mit wenig Krümmung (bzw. Krümmungswechsel) einteilen. Zur besseren Vorstellung: Wäre das Modell mit einem dehnbaren Überzug versehen ("Sofa-Bezug"), so wären die Konturlinien dort, wo normalerweise Nähte sitzen. Konturlinien können mit dem Menüpunkt DetectContours oder mit DetectCurvature erzeugt werden. DetectContours ist vorzuziehen, da diese Funktion auf eine genauere Modellierung in stark gekrümmten Oberflächenregionen hinausläuft und weniger "Handarbeit" erfordert.
    Ruft man DetectContours auf, so werden zunächst automatisch sog." Region Separators" erzeugt, gewissermaßen ein Vorschlag, wie eine Einteilung in Panels gemacht werden könnte. Diese Separatoren werden ggf. händisch nachbearbeitet und dann durch Auswahl von Extract  in  Konturlinien umgewandelt. Dabei gibt es zwei Arten: gelbe Konturlinien für abgerundete Kanten und orangefarbene Konturlinien für scharfe Kanten (die Farbe bezieht sich auf die Darstellung in Geomagic). (Gelbe Konturlinien können zu einem Streifen erweitert werden, auf dem später kleine Patches (sog. Contour Patches) erzeugt werden, die die starke Krümmung dieser Region durch die Wahl von geeigneten NURBS-Parametern besonders gut darstellen können.)
  2. Festlegen von Paneelen (Panels): Dies sind die Oberflächenbereiche, die von den Konturlinien begrenzt werden. Sie werden nach der Festlegung von Konturlinien erzeugt.
  3. Unterteilung der Panels in kleinere Oberflächenstücke mit geringen Unterschieden in der Kantenlänge (also Quadraten ähnlich), die sogenannten Patches.
  4. Überlagerung der Patches durch ein Gitter ("Grid"), auf dem die NURBS erzeugt werden.
  5. NURBS erzeugen.   Das Modell kann dann als IGES- oder STEP-Datei abgespeichert werden. (Sollen später noch CAD-typische Trimming-Funktionen darauf ausgeführt werden, so muss das Modell als "echtes" CAD-Modell abgespeichert werden.Das Menü NURBS stellt hierfür eine Option bereit).

Fashion

Die Fashion Phase beginnt mit dem Aufruf von DetectContours zur Bestimmung von "Region Separators" (siehe auch Shape Phase). Dann werden auf den so gewonnenen Separatorlinien erweiterbare (gelbe) Konturlinien angelegt. Mit Contours > Extend > Adaptive werden diese Konturen auf einen Streifen ausgeweitet und bilden die Grundlage für Verbindungsflächen (Fillets), die ggf. später erzeugt werden.  Der Menüpunkt Surfaces > Create Trimmed Surfaces erzeugt nun Oberflächen, wobei Geomagic automatisch einen Vorschlag macht, von welchem Typ diese sein sollen (Kugel, Zylinder, Ebene, Freiformfläche etc.). Danach können die Verbindungen ausgearbeitet werden.  Alternativ dazu liefert Surfaces > Extract Untrimmed Surfaces eine Modell aus  nicht beschnittenen Primärflächen ohne Verbindungen.

Dokumentation und Support

Folgende Informationsquellen können herangezogen werden, um sich in Geomagic Studio einzuarbeiten und Probleme zu klären:

  • Online Dokumentation
    Nach dem Start von Geomagic Studio findet man unter Hilfe > Themen... eine Beschreibung aller Menüpunkte, die auf der Benutzeroberfläche zu finden sind. Leider sind die Ausführungen manchmal etwas knapp gehalten und vermitteln wenig Hintergrundinformation.
  • Geomagic Support Center
    Auf dem Webserver der Herstellerfirma www.geomagic.com findet man unter der Rubrik "Support" einiges an Material, das für den Einstieg nützlich sein dürfte, u.a. den Interactive User Guide, in dem ein Anwendungsbeispiel Schritt für Schritt durchgespielt wird, sowie die Self-Paced Training Tutorials für einzelne Aspekte der Modellbearbeitung.

Eine intensive fachliche Betreuung für Geomagic durch das LRZ ist leider nicht möglich. Zu Fragen der technischen Handhabung wird jedoch so weit wie möglich Unterstützung gegeben. Mit Fragen und Problemen zu Geomagic wenden Sie sich bitte an Jutta Dreer (Dreer_AT_lrz_PUNKT_de)