Premessa Introduzione

Transcript

1 Rapporto su Analisi dei protocolli di riferimento per lo scambio dati Progetto PRIN 2001 "Archiviazione e restauro di reperti archeologici mediante tecniche CAD - RP" Unità operativa di Napoli Federico II Premessa Il progetto di ricerca in epigrafe prevede l'utilizzo di molteplici sistemi informatici per acquisire, gestire ed analizzare dati di differente natura (essenzialmente dati geometrici). Tutti i gruppi di ricerca spesso, infatti, sono coinvolti in attività che richiedono lo scambio di geometrie relative ai frammenti da analizzare, confrontare, classificare e ricomporre in una molteplicità di ambienti informatici, ognuno dei quali opera secondo un formato proprietario ed è gestito da un kernel specifico. La disponibilità, oggi sempre più diffusa, di traduttori di dati da un formato proprietario di un sistema a quello di un differente sistema non garantisce in generale la corretta lettura o scrittura dei dati originali. Ciò è legato ad una serie di elementi che nel seguito saranno analizzati. Introduzione Nella pratica corrente il problema dello scambio dati è più spesso riferito agli ambienti CAD-CAE-CAM, ma più in generale esso interessa i più svariati ambienti CAx che in misura differente utilizzano dati geometrici provenienti da un altro sistema. I dati geometrici maggiormente coinvolti in uno processo di traduzione sono punti, curve, superfici e solidi le cui definizioni matematiche possono differire di molto anche in uno stesso ambiente. Si pensi, ad esempio, alle differenti formulazioni delle curve/superfici (Bezier, B-spline, NURBS), ai solidi descritti come B-rep o CSG, oppure più spesso definiti in una forma ibrida. A ciò si aggiunga la differente formulazione matematica interna adottata in ogni sistema che consente di creare e gestire velocemente geometrie sempre più complesse e con un livello di precisione sempre più elevato. É proprio l accuracy dei sistemi uno dei principali fattori al quale è da imputare l alterazione della geometria nel processo di traduzione. La diversa formulazione dell accuracy in sistemi con un differente kernel geometrico (o anche con uno stesso kernel non proprietario), infatti, rende spesso difficile la

2 determinazione di un fattore di conversione idoneo a ricostruire una geometria secondo le originali intenzioni del disegnatore. Ad essa sono da imputarsi molte delle alterazioni riscontrate nel modello tradotto, come la presenza di indesiderati piccoli distacchi (gap) o sovrapposizioni (overlap), oppure la presenza di superfici non più delimitate dai bordi originali dei quali il sistema perde informazioni. Ciò può verificarsi anche se nel trasferimento vengono convertite inavvertitamente le unità di misura (da pollici a millimetri, ad esempio, o viceversa) perché i parametri di accuracy possono essere intrinsecamente definiti rispetto alle dimensioni di ingombro del modello geometrico. Analisi e strumenti di interoperability Le principali problematiche di scambio dati sono state affrontate in [Gerbino 1997]. Per una più approfondita analisi di alcune cause di errata conversione di modelli CAD si vedano anche [Smigel 2002, Shammaa 2002]. In [Gerbino 2003] vengono proposti alcuni strumenti utili a garantire un adeguato interscambio (interoperability) tra differenti sistemi CAD come richiesto dagli ambienti multidisciplinari di progettazione. Quest ultimo lavoro viene allegato alla presente relazione e ne è parte integrante. Metodi di scabio dati Oggi si distinguono cinque approcci di base per lo scambio dei dati che di seguito saranno singolarmente approfonditi: 1) Formati neutrali normalizzati 2) Convertitori diretti 3) Impiego del formato nativo 4) Impiego delle interfacce di programmazione 5) Impiego di dati tassellati. 1) Formati neutrali normalizzati. La forma di scambio dati più diffusa è quella che fa uso di un protocollo normalizzato di carattere internazionale come l IGES (Initial Graphics Exchange Specification) o lo STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data). Con questo approccio, il file originale viene tradotto nel formato neutrale dei file IGES (estensione.igs o.iges) o STEP (.stp o.step). Il file prodotto dalla fase di pre-processing viene quindi letto da una seconda applicazione e convertito nel formato del programma di destinazione (fase di post-processing). Sia l IGES sia lo STEP operano soltanto sulle geometrie. Per lo

3 STEP, standard internazione ISO, sono però previsti ampliamenti per integrare tutte le informazioni sul prodotto. Allo stato attuale, per entrambi i traduttori le caratteristiche del progetto, la history del modello e le variabili definite in modo parametrico non sono coinvolte nello scambio. 2) Convertitori diretti. Il secondo approccio per lo scambio dei dati prevede l impiego di convertitori proprietari. Si tratta di programmi, scritti dagli stessi produttori di CAD o da terzi, che aggirano l uso di formati di file neutri, ed eseguono direttamente la conversione dei dati. Il vantaggio di quest approccio è la possibilità di avere un mapping molto preciso tra gli oggetti di un prodotto e quelli di un altro. L aspetto negativo è che richiede una serie enorme di strumenti, e cioè un convertitore per ogni combinazione tra le applicazioni. 3) Impiego del formato nativo. I kernel geometrici come ACIS e PARASOLID, offrono un terzo approccio per lo scambio dei dati. Due programmi costruiti sullo stesso kernel dovrebbero essere in grado di scambiarsi i dati nel loro formato nativo (.sat per ACIS e.x_t per Parasolid) senza problemi. 4) Impiego delle interfacce di programmazione. Un altra opzione è quella di eseguire lo scambio dei dati attraverso l API (l interfaccia di programmazione dei programmi) dei software di CAD. Questo approccio richiede un programmatore e soluzioni diverse per ogni sistema CAD, ma promette di dare buone prospettive di sviluppo. Attraverso l API uno sviluppatore può accedere ai dati creati dal sistema CAD. Scrivendo un programma per lo scambio dei dati attraverso l API, almeno in teoria, si possono ottenere degli scambi dati più efficienti. Questo è anche il modo con cui alcune applicazioni complementari, come quelle di analisi e di programmazione di percorsi di lavorazione, riescono a interfacciarsi con i programmi di CAD. Secondo noti studiosi l approccio API è la soluzione che ha migliori prospettive di sviluppo. L ideale è un trasferimento, basato sulle proprietà, capace di trasferire il progetto nella sua completezza e l unico modo per ottenerlo, in mancanza di un formato STEP abbastanza potente, è di costruire dei traduttori sulle API dei vari programmi per effettuare dei trasferimenti diretti. Bisogna fare attenzione però, perché il livello d accesso, nei termini dei tipi di elementi del modello che si possono leggere, varia da produttore a produttore. Quello che si ottiene è un modello completo, e cioè la geometria e la topologia risultanti dall applicazione di alcuni parametri o alcune limitazioni al modello. Ma nella maggior parte dei casi, non permette di mantenere le effettive definizioni parametriche o le informazioni che definiscono l intento del progetto. Inoltre ogni società ha la propria API che usa internamente. Questa API è completa, con funzioni per l accesso ad ogni dato e per

4 l esecuzione di operazioni sul database. Anche se due produttori decidessero di dare libero accesso ai dati via API, sarebbe ancora difficile scrivere un traduttore di dati in grado di trasmettere tra i due programmi tutte le informazioni del progetto. Il compito di realizzare una traduzione completa e bi-direzionale che supporti tutte le informazioni progettuali sarebbe difficile, a causa dell approccio fondamentalmente differente adottato dai diversi software per costruire e rappresentare i modelli. 5) Dati tassellati. Un altra interessante tecnica per lo scambio dei dati è basata su ciò che alcuni studiosi definiscono tecnologia di visualizzazione. Questo è l approccio che società come la Engineering Animation Inc. (EAI) usano per distribuire strumenti di visualizzazione CAD neutra che importano i dati da diversi sistemi, li visualizzano su uno schermo, e permettono agli utenti di manipolare il modello, prelevare i dati e così via. Diversi plug-in rilasciati da molti produttori di software CAD consentono di navigare nel modello 2D-3D in ambiente web-based senza avere il software col quale è stato realizzato il modello. Il modello viene rappresentato con una tecnica di semplificazione della geometria, che però non sacrifica la resa realistica del modello. Questo approccio si basa sulla tassellazione, una tecnica che rappresenta gli elementi all interno di un sistema CAD come linee e superfici con piccoli triangoli. I formati come XML e VRML sono dei buoni esempi di dati tassellati. Quello che si apprezza di questo approccio è che si tratta di un formato neutro, e anche se i dati sono approssimativi, si può ottenere un buon grado di approssimazione. Ci sono numerose società di CAE che stanno cercando di riscrivere le loro applicazioni di modellazione a elementi finiti basandole su dati tassellati e anche qualche applicazione di programmazione con controllo numerico (NC) potrebbe trarre vantaggi utilizzando tali forme di dati. Infatti, oggi la maggior parte dei programmi NC, anche se leggono la geometria esatta del modello CAD, per motivi di prestazioni eseguono la suddivisione di linee e superfici prima di creare il percorso-utensile. La generazione del percorso utensile è un applicazione che richiede molta accuratezza. Se la tassellazione dei dati, o la loro approssimazione, avviene in maniera molto dettagliata, tale metodo potrebbe risultare una valida opzione di scambio. Il trasferimento dati nel progetto PRIN 2001 Per valutare le esigenze di interscambio tra le UU.OO. del progetto è stato predisposto un questionario che le unità interessate dovevano completare. Il questionario è orientato a valutare i sistemi impiegati, le entità coinvolte nel trasferimento (punti, curve, mesh, ) nelle fasi IN e OUT, la tipologia dei traduttori impiegati e la descrizione, laddove noto, del tipo di

5 conversione effettuato nel trasferimento (ad esempio, superficie -> mesh, mesh -> polilinee, ). Tipologie di dati da scambiare Nel progetto in esame le entità di interesse per lo scambio dati ed i possibili file prodotti da un sistema e contenenti tali dati sono: Nuvole di punti (ASC, CSV, IGS, OBJ, TXT, XYZ) Curve (IGS, OBJ, STP) Superfici (IGS, STP) Mesh (DXF, IGS, STL) Nel seguito vengono fornite utili informazioni sui formati dei file di interscambio. ASC formato ASCII, di tipo testo, nel quale i punti (vertici) sono organizzati per righe, ognuna delle quali riporta nell ordine le coordinate X, Y e Z separate da uno spazio, da un carattere (la virgola, ad esempio) o da una tabulazione. Anche i formati TXT e XYZ possono presentarsi allo stesso modo. Più spesso i dati sono separati da uno spazio o da una tabulazione.

6 OBJ formato di Wavefront, adottato per trasferire informazioni geometriche ed altre proprietà di oggetti. Sono supportati oggetti poligonali (punti, linee, facce) ed oggetti free-form (curve e superfici). Molto adottato come traslatore di dati geometrici. Nel seguito si riportano i tipi di dati che possono essere inclusi in un file OBJ (tra parentesi sono riportate le parole chiave che sono utilizzate nel file). Vertex data geometric vertices (v) texture vertices (vt) vertex normals (vn) parameter space vertices (vp) Free-form curve/surface attributes rational or non-rational forms of curve or surface type: basis matrix, Bezier, B-spline, Cardinal, Taylor (cstype) degree (deg) basis matrix (bmat) step size (step) Elements point (p) line (l) face (f) curve (curv) 2D curve (curv2) surface (surf) Free-form curve/surface body statements parameter values (parm) outer trimming loop (trim) inner trimming loop (hole) special curve (scrv) special point (sp) end statement (end) Connectivity between free-form surfaces connect (con) Grouping group name (g) smoothing group (s) merging group (mg) object name (o) Display/render attributes bevel interpolation (bevel) color interpolation (c_interp) dissolve interpolation (d_interp) level of detail (lod) material name (usemtl) material library (mtllib) shadow casting (shadow_obj) ray tracing (trace_obj) curve approximation technique (ctech) surface approximation technique (stech) Un file OBJ di solo punti può presentarsi come riportato di seguito (file creato da Geomagic Studio):

7 Nell esempio, v indica un vertice del quale sono riportate le coordinate X,Y,Z; p indica un punto con una numerazione crescente. Una porzione di superficie (patch) di Bezier viene espressa come: Vertici dei 16 punti di controllo Tipologia di entità Grado della patch Ordinamento dei punti della patch Intervalli parametrici lungo u e v

8 STL Stereolitografia. Formato di interscambio (di tipo ASCII o binario) nato per i sistemi di Rapid Prototyping (RP) ma adottato spesso come formato neutrale per trasferire modelli discetizzati. In ambienti di analisi e simulazione dove la rappresentazione matematica esatta di una superficie non è di interesse (ambienti di realtà virtuale, ad esempio) ma è comunque richiesto un buon livello di dettaglio della geometria, si ricorre spesso alla forma poligonale della superficie. Si tratta di un modello discretizzato della superficie esatta, più noto come mesh, costituito da un insieme di poligoni (triangoli e quadrilateri piani) che hanno i vertici su punti appartenenti alla superficie. Le figure di seguito mostrano a sinistra un insieme di punti nello spazio 3D, mentre sulla destra una mesh che si appoggia a quell insieme di punti. Una buona mesh presenta un infittimento in quelle aree della superficie a maggior curvatura, ed un numero ridotto di elementi nelle aree piane. Tanto più accentuata è questa caratteristica tanto più accurata e smooth apparirà la geometria discretizzata della superficie. L impiego delle mesh è molto frequente soprattutto negli ambienti di simulazione, come quelli di realtà virtuale o di virtual mock-up (si parla più specificamente di modelli tassellati) che richiedono il caricamento di un numero elevato di componenti e la gestione in tempo reale di una continua interazione tra l utente e l ambiente di simulazione. Nell ambito del Reverse Engineering la ricostruzione di una superficie acquisita per mezzo di una nuvola di punti passa di solito attraverso la creazione di un modello poligonale prima di approdare alla creazione di patch di superfici che si appoggiano all oggetto. In molti contesti di progettazione il modello mesh così ottenuto di un oggetto è sufficiente per conseguire importanti risultati. È possibile, infatti, convertire un tale modello in un file STL da utilizzare

9 in processi RP, oppure confrontarlo con il modello CAD originale dell oggetto fisico acquisito. Una mesh è pertanto costituita da un elevato numero di poligoni (di solito triangoli) che condividono vertici e lati. La figura di seguito mostra una patch di superficie esatta (NURBS), il modello mesh della stessa, ed infine una vista ombreggiata di quest ultimo. La resa realistica del modello poligonale dipende dall ambiente di visualizzazione. L impiego di elaborate tecniche di smoothing rende possibile una migliore rappresentazione del modello eliminando l effetto sfaccettato. Il file STL (in formato ASCII) della superficie di sopra si presenta così : cioè con un lista di facce triangolari, con un vettore normale uscente, e le coordinate dei suoi tre vertici.

10 IGS Formato IGES (Initial Graphics Exchange Specification). Come già detto in precedenza si tratta del formato neutro di interscambio più adottato al mondo soprattutto per il trasferimento di dati 2D e di curve e superfici 3D. Per quanto riguarda la struttura del file, le specifiche IGES definiscono un file neutro che può presentarsi in tre formati: ASCII, ASCII compresso, binario. La forma ASCII è la più comunemente usata. Il file IGES è composto di record della lunghezza fissata di 80 caratteri; ciò aumenta la facilità di trasferimento del file da un calcolatore ad un altro anche quando questi presentano diverse lunghezze di parola. Inoltre, ogni file IGES è logicamente suddiviso in cinque sezioni (sections): Start Section Global Section Directory Entry Section (DE) Parameter Data Section (PD) Terminate Section Questo è precisamente l'ordine con il quale le sezioni si presentano all'interno del file. Start Section É semplicemente un insieme di commenti leggibili che il produttore del file desidera includere per comunicare al ricevente un qualunque tipo di messaggio. Global Section Contiene informazioni per il corretto trattamento del file da parte del postprocessore, come ad esempio le unità di misura usate nel file IGES, il fattore di scala del disegno, la data in cui fu elaborato, il nome dell'esecutore e così via. Directory Entry Section Memorizza i dati sotto forma di entità. L'entità è la più piccola unità di informazione in un file, costituisce il blocco elementare di informazione per descrivere le geometrie in IGES e può essere di quattro tipi: geometrica, grafica, di struttura, di definizione. Ogni entità deve avere il proprio "posto" nella Directory Entry Section che viene indicato con il nome generico di entry. La Directory Entry Section costituisce quindi una sorta di "indice generale" contenente informazioni sulle entità e/o i loro indirizzi all'interno del file. Per ogni entità sarà presente una directory entry che conterrà 20 campi di 8 caratteri ciascuno e distribuiti lungo due righe consecutive. Le informazioni si riferiscono, ad esempio, al tipo di entità, a se questa entità richiede che le sia applicata una matrice di trasformazione (e dove nella Directory Section può essere trovata la entry di tale matrice), al colore dell'oggetto, ecc. Alcuni di questi campi possono contenere un valore o un puntatore

11 che indica dove i parametri che definiscono l'entità sono localizzati all interno della Parameter Data Section. Nella figura seguente sono stati riportate le informazioni associate a ciascun campo e i valori che possono essere inseriti al loro interno. Parameter Data Section Contiene in dettaglio i dati per ogni entità definita nella Directory Entry Section. Tali dati sono in forma pressoché libera, organizzati in record e campi, con ogni campo delimitato da un simbolo di fine campo (di default una virgola) e ogni record terminato da un simbolo di fine record (di default un punto e virgola). Entrambi questi delimitatori vengono definiti nella Global Section. Il primo campo contiene sempre il numero di entità, cui seguono i dati relativi all entità fino alla colonna 64; la 65 è uno spazio bianco. Nelle colonne da 66 a 72 è indicato il numero di sequenza nella Directory Entry a cui sono riferiti i dati. La colonna 73 contiene la lettera P e le colonne da 74 a 80 il numero di sequenza. Terminate Section Consiste di un singolo record (come sempre da 80 caratteri) diviso in 10 campi, da 8 caratteri ciascuno, che contengono il numero di record usati per ogni sezione del file. Di seguito è riportato un esempio di file IGES.

12 Bibliografia Gerbino S., Crocetta S., di Martino C., Data exchange in CAD systems: limits, solutions, perspectives, Proc. of X ADM International Conference, Sept., Florence, Italy, 1997, pp Shammaa A., Overcoming the Obstacles to Interoperability, Time-Compression Technologies, v7 n5 Sept. 2002, pp Smigel B., and Meiding D., Best Practices in CAD Conversion, Solid Solutions, March/April, Gerbino S., Tools for the Interoperability Among CAD Systems, Proc. of the XIII ADM - XV INGEGRAF International Conference on Tools and Methods Evolution in Engineering Design, Cassino, June 3, 2003, Naples, June 4 and June 6, 2003, Salerno, June 5, 2003, Italy (CD_ROM).