Кому и зачем нужно прямое моделирование? Обзор конкурентных технологий

Дмитрий Ушаков

Настоящий обзор написан по мотивам приглашенных докладов автора на Autodesk Форуме и Bricsys International Conference, прошедших в сентябре-октябре 2011 г. в Москве и Брюсселе соответственно.

Когда в 1985 г. Семен Гейзберг, эмигрант из СССР, бывший профессор Ленинградского университета, основал в США компанию Parametric Technology Corporation (PTC) для разработки MCAD-системы Pro/Engineer, предполагал ли он, что положенная в ее основу технология параметрического моделирования на основе конструктивных элементов будет доминировать в отрасли на протяжении четверти века и что все ведущие MCAD-системы (CATIA и NX, а также generation W в лице SolidWorks, Inventor и Solid Edge) станут идейными наследниками Pro/Engineer? И мог ли он догадываться, что добившись небывалого коммерческого успеха, PTC неожиданно для всех примет решение принести в жертву святая святых – сам бренд Pro/Engineer?

Рис. 1. Семен Гейзберг, основатель PTC, отец Pro/Engineer и изобретатель технологии параметрического моделирования на основе истории построения конструктивных элементов.

Аналитики небезосновательно полагают, что это решение PTC прямо связано с недавним поглощением компании CoCreate, являющейся пионером альтернативного подхода – прямого моделирования. Новый бренд (Creo) и новые приложения, разделяющие общий формат данных (Creo Parametric и Creo Direct), теперь отражают видение PTC современного состояния MCAD-рынка – доминирующей технологии на нем больше нет, а значит и «забронзовевший» бренд (Pro/Engineer) уже не нужен.

Самими названиями своих новых приложений PTC подчеркнула наличие двух подходов к твердотельному моделированию – параметрического и прямого, у каждого из которых имеется своя ниша применения. В появлении второго подхода просматривается прямая заслуга CoCreate.

CoCreate – пионер прямого моделирования

Мало кто слышал о компании CoCreate до того, как четыре года назад корпорация PTC приобрела ее за 250 млн. долларов США. К тому времени CoCreate со штатом 280 сотрудников обслуживала потребности пяти тысяч клиентов (среди которых фигурировали такие громкие имена как Fujitsu, HP, Liebherr, NEC, Panasonic, Epson) и зарабатывала в год $80 млн. Несмотря на скромные по нынешним временам числа (лидеры рынка зарабатывают на порядок больше), компания CoCreate имела за плечами славную историю, уходящую корнями в Отдел механического проектирования (Mechanical Design Division) корпорации Hewlett-Packard. Именно в этом отделе в 1992 г. была разработана система трехмерного моделирования SolidDesigner. В отличие от других известных MCAD-систем того времени, SolidDesigner опиралась на технологию динамического моделирования – как альтернативу моделированию на основе истории.

Рис. 2. MCAD-система HP Precision Engineering SolidDesigner - пионер рынка прямого моделирования.

Здесь мне сразу придется сделать технологическое отступление, чтобы внести терминологическую ясность, т.к. выше в тексте я использовал уже четыре термина, относящихся к геометрическому твердотельному моделированию: параметрическое моделирование, прямое моделирование, динамическое моделирование и моделирование на основе истории. Под параметрической моделью логично понимать геометрическую модель с параметрами, изменяя значения которых, можно получать разные варианты дизайна. Параметрическое моделирование – это фундаментальная концепция САПР, позволяющая существенно сократить затраты на внесение изменений в проект, создание новых модификаций изделий и т.п.

Однако, в силу того, что первые реализации параметрических моделей были основаны на истории построения геометрии, между этими двумя совершенно разными понятиями возникла устойчивая связь. Действительно, историю построения модели (т.е. последовательность операций, которые были использованы для создания геометрической формы тела с нуля) легко превратить в параметрическую модель, если с каждой операцией ассоциировать набор параметров. Координаты и типы элементов плоского контура, высота его «выталкивания», диаметр и форма отверстия являются примерами таких параметров. Изменив их значения и заново «проиграв» (регенерировав) историю построения, можно получить другую геометрию. Параметрические конструктивные элементы Семена Гейзберга в системе Pro/Engineer образовывали дерево, которое автоматически строилось в соответствии с историей создания модели и отражало взаимосвязи между элементами. Позднее такой способ был повторен почти во всех MCAD-системах.

Данный способ параметризации – при всей его простоте и универсальности – имеет серьезные недостатки. Ключевой из них - его сложность и непрозрачность для пользователя. Чтобы изменить геометрическую форму, требуется найти в дереве построения нужный конструктивный элемент и понять, значение какого параметра необходимо изменить. При таком подходе не работает фундаментальный принцип пользовательского интерфейса WYSIWYG (What You See Is What You Get - вы видите ровно то, что получаете в результате), ведь редактируется текстовое или численное значение параметра элемента, а в результате меняется геометрическая форма тела.

Хорошо известно, что для моделей со сложной геометрией история построения может быть весьма длинной, а процесс ее регенерации может занять длительное время, поставив пользователя MCAD в положение ожидающего и заставив его напрасно тратить свое время и нервные клетки.

Рис. 3. Медленная регенерация дерева построения в системе SolidWorks вынуждает пользователей прибегать к ухищрениям – типа «заморозки» регенерации отдельных элементов – с целью ускорения общего процесса.

Другой известный недостаток параметризации на основе истории состоит в том, что решение о том, какие параметры модели можно менять, принимается в процессе ее создания. Если потом вам вдруг потребуется поменять какой-то параметр, который отсутствует в дереве построения, то решение для вас будет непростым – либо перестроить модель с нуля, либо применять сложные оптимизационные алгоритмы, которые путем варьирования значений определяющих параметров пытаются подобрать желаемое значение требуемого параметра.

Этот недостаток отражает общую проблему процедурного подхода к параметризации, разновидностью которого является метод регенерации истории построения. Процедурный подход предполагает, что вы заранее делите все параметры модели на входные и выходные. Изменять можно только значения параметров первой группы, а значения выходных рассчитываются в соответствии с предопределенными процедурами, формулами, историей построения и т.п.

Наконец, еще одной ключевой проблемой параметризации на основе истории является невозможность применения этой технологии при работе с разнородными (multi-CAD) и унаследованными (legacy) данными. Дело в том, что при трансляции модели из одного формата в другой история построения обычно теряется - транслируется только сама геометрия, которая в таком случае называется «немой» (dumb). Некоторые дорогостоящие трансляторы способны конвертировать конструктивные элементы из одной системы в другую, но они не являются панацеей, т.к. номенклатура конструктивных элементов в каждой системе своя, и трансляция один-в-один невозможна в принципе. То же самое можно сказать и о методах автоматического распознавания конструктивных элементов (automated feature recognition) в «немой» геометрии: они работают лишь в простейших случаях, и общей проблемы не решают.

Все отмеченные выше недостатки параметризации на основе истории были успешно преодолены в системе динамического моделирования SolidDesigner, которая впервые дала пользователю средства прямой манипуляции элементами геометрической модели в трехмерном пространстве. Это стало возможным в первую очередь благодаря ядру твердотельного моделирования ACIS, которое первым лицензировала у Spatial в 1989 г. как раз HP.

Ядро ACIS моделирует геометрию твердого тела посредством граничного представления (BRep) и реализует Булевы операции между телами (которые служат основой для процедурных конструктивных элементов). Булевы операции глобальны в том смысле, что объединение, пересечение или разность двух тел требует трудоемких действий над полными граничными структурами двух тел (собственно, в этом-то и кроется проблема с производительностью параметрических систем на основе истории построения). Однако, Spatial в своем ядре реализовала также так называемые локальные операции, для выполнения которых достаточно работать лишь с некоторой окрестностью границы тела. Во многих случаях локальные операции не требуют изменения топологии модели (числа и связности ее граней, ребер и вершин), а значит могут выполняться весьма эффективно. За подробностями отсылаю желающих к статье «HP PE/SolidDesigner: Dynamic Modeling for Three-Dimensional Computer-Aided Design», опубликованной в октябрьском номере корпоративного журнала Hewlett-Packard за 1995 г.

Рис. 4. Локальные операции в ACIS - основа для эффективной реализации прямого моделирования.

Динамическое моделирование позволяет пользователю выбрать в модели одну или несколько граней и перенести или повернуть их. Система SolidDesigner помогала пользователю автоматизировать выбор смежных граней, образующих один конструктивный элемент (карман, выступ или отверстие). Система позволяла также скопировать конструктивный элемент с одной на другую грань модели.

Параметрический контроль над геометрией осуществлялся с помощью так называемых управляющих значений. Пользователь мог задать в модели одну или несколько 3D-меток, специфицирующих требуемые расстояния и углы между гранями, а система автоматически выполняла соответствующие локальные операции, чтобы удовлетворить эти метки по очереди. Итеративный решатель при этом не использовался.

В 1996 г. HP под напором своих заказчиков, многие из которых разрабатывали собственные MCAD-системы, выделила свой отдел механического проектирования в отдельную компанию CoCreate, в 2000 продала ее инвестиционным фондам, а семь лет спустя она попала под контроль PTC (прямой наследник продукта SolidDesigner теперь известен под именем Creo Elements/Direct).

Подход, предложенный компанией CoCreate, получил название прямое моделирование (термин динамическое моделирование так и не прижился). Прямое моделирование геометрии позволяет модифицировать ее независимо от истории построения. При этом не стоит путать способ моделирования геометрии (с деревом построения или без такового) и способ ее редактирования. На это справедливо указывает Пол Хэмилтон, работавший в Hewlett-Packard с 1977 г. и перешедший вместе с другими сотрудниками сначала в CoCreate, а затем в PTC, в серии своих публикаций «Редактирование трехмерной геометрии».

Прямое редактирование – это и есть перенос/вращение/копирование/удаление одной или нескольких граней тела (например, образующих один конструктивный элемент). А вот использование управляющих размеров, редактирование конструктивных элементов – это все операции косвенного редактирования. Прямое редактирование типично для систем прямого моделирования, косвенное – для систем на основе истории построения. Однако в том же SolidDesigner присутствовали оба вида редактирования. А разработчики IRONCAD впервые показали прямое редактирование в рамках моделирования на основе истории. Впрочем, все эти результаты до поры до времени оставались незамеченными рынком.

Повторное открытие прямого моделирования

Все изменилось в 2007 г. В декабре того года PTC объявила о своей сделке с CoCreate, а в апреле вышла первая версия абсолютно новой системы прямого моделирования SpaceClaim. Одноименная компания, созданная бывшими сотрудниками PTC (куда же без нее?) Блейком Куртером и Дэвидом Тейлором, громко прозвучала на рынке, когда ее директором был назначен легенда отрасли Майкл Пейн. Сооснователь PTC и SolidWorks, он помог новой компании привлечь внимание серьезных инвесторов и набрать солидный портфель клиентов. Настоящим успехом стало заключение OEM-соглашений с крупнейшим в мире производителем металлорежущих станков TRUMPF и ведущим поставщиком ПО для инженерного анализа ANSYS. Тем самым SpaceClaim четко обозначил две ниши, где прямое моделирования может приносить существенную пользу: подготовка геометрических моделей для CAM и CAE. Третьей нишей стало концептуальное проектирование.

Рис. 5. Катализатор современной мании прямого моделирования - система SpaceClaim.

В принципе, SpaceClaim не предложил ничего нового, чего не было бы в SolidDesigner: то же ядро (ACIS), та же концепция «умного выбора» граней (smart selection), те же операции прямого и косвенного моделирования. Однако, поскольку система была с нуля разработана для платформы Windows, она выглядела не в пример современнее CoCreate, а маркетингового шума произвела больше в разы, каждый год рапортуя о трехкратном росте клиентской базы (но не раскрывая, впрочем, абсолютных показателей).

И большие вендоры дрогнули. Год спустя Siemens PLM Software объявила о своей синхронной технологии (признавшись, что она разрабатывалась еще в те времена, когда компания носила имя Unigraphics), в 2009 Dassault Systemes явила миру CATIA V6 LiveShape, а Autodesk – Inventor Fusion. Это были приложения для прямого моделирования, совместимые по формату с системами на основе истории построения от тех же поставщиков.

Поскольку LiveShape толком никто не видел (на просторах интернета нет ни одного сколь-нибудь исчерпывающего обзора возможностей этого приложения), я буду говорить далее лишь о подходах Siemens и Autodesk. Но сначала напомню о собственном подходе под названием вариационное прямое моделирование, о котором я впервые написал еще в 2007 г. в статье «Технологии вариационного проектирования для разработки типичных приложений САПР» , а в 2008 г. изложил более подробно в материале «Вариационное прямое моделирование, или как сохранить намерения проектировщика в САПР без истории построения» Напомню потому, что оба предложенных позднее подходов (и Autodesk, и Siemens) имеют много концептуально общего с вариационным прямым моделированием.

Вариационное прямое моделирование

Когда я выше говорил о недостатках процедурного подхода к параметризации (основной из которых состоит в априорном разделе параметров на входные и выходные), я не упомянул о давно известной альтернативе, называемой вариационным моделированием. В рамках вариационного моделирования параметрические связи в модели задаются декларативно – перечислением ограничений, связывающих ее элементы. При этом ограничения (в отличие от процедур, формул и истории построения) не являются направленными – они не определяют, какие из связанных параметров являются входными, а какие выходными. Тем самым ограничения легко могут образовывать циклические зависимости между параметрами (например, x=2*y и y=x-2”), а значит требуется специальный итеративный решатель, который возьмет и решит скопом все заданные ограничения, вычислив новые значения для всех входящих в них параметров.

Подобные решатели хорошо известны. Одним из первых коммерческих продуктов стали решатели 2D/3D DCM, разрабатываемые компанией D-Cubed (ныне часть Siemens PLM Software) с конца 1980-х гг. Сейчас они конкурируют на рынке с компонентами LGS 2D/3D, разрабатываемыми в российской компании ЛЕДАС с 2001 г. и недавно получившими нового владельца в лице бельгийской компании Bricsys. Традиционными областями применений таких решателей были подсистемы двумерного параметрического черчения и трехмерного проектирования сборок. Однако, решатели – в комбинации с эффективным ядром твердотельного моделирования – могут работать и с BRep-структурами, открывая возможность параметрического контроля твердотельной геометрии. Именно эту область я и предложил обозначить термином вариационное прямое моделирование.

В 2008 г. компания ЛЕДАС выпустила первую, ограниченную в возможностях реализацию вариационного прямого моделирования для системы Google SketchUp, в 2009 начала более продвинутую разработку для Rhino (первая коммерческая версия соответствующего плагина была выпущена в апреле этого года под названием RhinoWorks), а в 2010-2011 г. заключила контракты на разработку аналогичной функциональности в Bricscad и КОМПАС-3D. Самую эффективную на сегодняшний момент реализацию можно наблюдать в Bricscad, и немалая заслуга здесь принадлежит ядру ACIS – тому самому, что было положено в основу SolidDesigner и SpaceClaim.

Рис. 6. Вариационное прямое моделирование в Bricscad V12.

Важной частью предложенной технологии является возможность избежать ручной спецификации большого количества ограничений, которые гарантировали бы сохранение конструктивной концепции (design intent) проектируемого изделия. В системах прямого моделирования эту концепцию легко потерять. Например, если вы возьметесь редактировать модель стола путем вращения верхней грани его столешницы (чтобы сделать столешницу наклонной к уровню пола), то скорее всего будете неприятно удивлены результатом. Для корректной модификации такой модели требуется одновременно вращать не только верхнюю, но и нижнюю, и боковые грани столешницы, чтобы сохранить их взаимную параллельность и перпендикулярность соответственно. В системах SolidDesigner и SpaceClaim такой функционал обеспечивается за счет применения шаблонов, позволяющих выбрать сразу несколько граней в модели (а в симпатичной системе TopSolid грани приходится выбирать вручную, что на мой взгляд существенно усложняет выполнение операций прямого редактирования). Однако, мульти-выбор для сложных моделей может оказаться неэффективным и несравнимым по мощи с распознаванием геометрических ограничений в модели.

Вариационное прямое моделирование - это комбинация лучшего из двух миров: параметрическиого моделирования на основе истории и «чистого» прямого моделирования, как видно из приведенной ниже таблицы:

Синхронная технология

То, что компания Siemens PLM Software явила миру под названием синхронной технологии, на самом деле было известно специалистам и раньше. В книге «Parametric and Feature-Based CAD/CAM» Джами Шах и Марти Мянтыля описывают два подхода к заданию конструктивных элементов - процедурный и декларативный. В рамках первого подхода задается процедура построения конструктивного элемента - эта же процедура работает и при изменении пользователем значений его параметров - элемент просто строится заново с помощью Булевых операций внутри геометрического ядра. Декларативный подход предполагает отдельные спецификации для создания и редактирования элемента. Если создание по-прежнему выполняется с помощью глобальных функций ядра, то редактирование происходит путем локального изменения границы тела после решения геометрических и размерных ограничений, определяющих конструктивный элемент.

Например, элемент «вытянутый профиль» можно определить заданием перпендикулярности полученных в результате вытягивания боковых граней плоскости профиля, а также расстоянием между плоскостью профиля и вытянутой гранью. Такая декларативная спецификации конструктивных элементов позволяет применить к модели операции прямого редактирования, т.е. трансформации граней тела. В этом случае каждая трансформация выполняется динамически с одновременным удовлетворением всех определяющих модель ограничений (мы называем соответствующий режим работы геометрического решателя MUC - от англ. Move Under Constraints). В результате после каждой трансформации все ограничения остаются удовлетворенными, а это значит, что элементы модели сохранили свою конструктивную концепцию.

Комбинируя возможности ядра геометрического моделирования Parasolid и решателя геометрических ограничений 3D DCM, специалисты компании Siemens PLM Software реализовали в Solid Edge так называемые синхронные (декларативно заданные с помощью ограничений) конструктивные элементы, предоставив своим пользователям выбор: либо сразу проектировать свои модели с использованием синхронных элементов, или строить гибридные модели с деревом построения, включающим как классические процедурные, так и новые синхронные элементы (см. «Синхронная технология: попытка №3»).

Рис. 7. Синхронная технология в Solid Edge.

Комбинация прямого моделирования с деревом построения

Компании Autodesk и PTC предложили своим пользователям другой подход, состоящий в том, что прямое моделирование геометрии осуществляется в отдельных приложениях (Inventor Fusion и Creo Direct соответственно), где пользователь применяют к модели операции прямого и косвенного (с помощью управляющих размеров) редактирования, не имея доступа к дереву ее построения. Но затем та же самая модель может быть загружена в «классическое» приложение на основе истории построения (Inventor и Creo Parametric), где изменения, сделанные с ней в системе прямого моделирования, могут быть проинтегрированы в ее дерево построения.

PTC применяет в этом месте довольно бесхитростный подход, дописывая псевдо-элементы типа MoveFace к концу дерева построения (см. «Пользовательский интерфейс Creo напоминает мне времена, когда я слушал музыку диско на кассетном плеере»), а Autodesk реализовал довольно хитроумный менеджер изменений, который способен перевести некоторые операции прямого редактирования в изменение параметров конструктивных элементов (но в общем случае скатываясь к тому же MoveFace).

Интересно, что Autodesk в рамках Inventor Fusion и Autodesk 123D реализовала еще и простенький решатель ограничений, что сделало эти приложения немного похожими на разрабатываемые компанией ЛЕДАС - за исключением того, что в продуктах Autodesk отсутствует модуль автоматического распознаванием ограничений, а сама номенклатура ограничений существенно беднее. Однако, не вызывает сомнений, что этот функционал будет нарастать по мере выпуска новых версий.

Редактирование импортированной геометрии

Подходы компаний Siemens, Autodesk и PTC нацелены прежде всего на то, чтобы дать пользователям их «классических» приложений возможности прямого моделирования. Видимо, не на шутку встревоженные активностью SpaceClaim и раздутой вокруг нее шумихой, эти уважаемые вендоры прежде всего решали задачу сохранения собственной клиентской базы. Хотели прямое моделирование? Получите! Теперь вы можете быстро, удобно и наглядно (не хуже чем в SpaceClaim) редактировать собственные модели.

Вернемся, однако, к еще одной проблеме моделирования на основе истории, отмеченной в начале статьи: работе с разнородными и унаследованными данными. Необходимость работы с такими данными не подлежит никакому сомнению: согласно недавнему опросу Aberdeen Research 82% опрошенных проектных подразделений используют в своей работе три и более форматов данных CAD, 42% - пять и более. Причины тому вполне объективны: необходимость тесной кооперации со смежниками и OEM-поставщиками, долгие жизненные циклы проектируемых изделий (превосходящие жизненные циклы ПО), исторические причины развития бизнеса.

Рис. 8. Причины, вынуждающие проектировщиков работать с разнородными данными.

А главной проблемой при работе с разнородными данными сами опрошенные назвали потерю интеллектуальности, присущей исходной модели в той системе, где она была создана. В другой системе теряется история построения, теряются параметрические связи между элементами. Именно в этом мест родился термин «немая» геометрия, который метко объясняет суть проблемы: геометрия есть, но «рассказать» о своей конструктивной концепции она ничего «не может».

Системы прямого моделирования научили «немую» геометрию «говорить», но разговор получается неполноценным: как гарантировать, что в процессе редактирования не потеряется заложенная в модель конструктивная концепция? Ответ я вижу в методах автоматического распознаванием геометрических ограничений в гранитной модели. Если две плоских грани расположеы параллельно или перпендикулярно друг другу, такое положение скоре всего не случайно. Видимо, они должны оставаться параллельным при любой операции редактирования модели (за исключением того случая, когда пользователь захочет явно задать другой угол между этими гранями). Аналогично можно сказать про отверстия равного диаметра, про карманы одного размера, различные виды симметрии модели и т.п. Все это можно распознать и сохранить. И такое распознаванием не в пример легче распознаванием конструктивных элементов или реконструкции дерева построения, ведь возможные геометрические соотношения легко проверить простым перебором граничных элементов. Именно в этом мне видится ключ к интеллектуальности систем прямого моделирования. И конечно возможности добавления к «немой» геометрии пользовательских спецификаций (будь то распознанные конструктивные элементы или ограничения) существенно помогают обогатить ее конструктивного концепцию.

Вызовы прямого моделирования

Ахиллесовой пятой всех современных систем прямого моделирования все еще остается редактирования сложных NURBS-поверхностей. Одно дело - распознать в модели с отсутствующей историей построения плоские, цилиндрические, сферические, конические, торические грани. Другое дело - понять, что данная грань является результатом применения операций sweep (заметания плоского контура при движении вдоль заданной кривой), loft (построение тела по его плоским сечениям), blend (гладкого сопряжения двух поверхностей) и т.п.

Рис. 9. Редактирование сложных NURBS-поверхностей - вызов для современных систем прямого моделирования.

И все же технология не стоит на месте. Уверен, мы скоро увидим, как лихо системы прямого моделирования будут «щелкать» стандартные машиностроительные детали, включающие подобные грани. Пока же - если проектируемые вами изделия имеют нетривиальную геометрическую форму - от использования прямого моделирования лучше воздержаться.

Зато во многих других случаях система прямого моделирования станет единственным правильным выбором. Вынуждены работать с разнородными и унаследованными данными? Нет возможности инвестировать в обучение специалистов (научиться правильно использовать системы на основе истории построения весьма непросто)? Наконец, нет денег на покупку дорогостоящей лицензии («классические» MCAD-системы весьма недешевы)? Тогда рассмотрите возможность использования одной из систем прямого моделирования, рассмотренных в этом обзоре. Надеюсь на интересную дискуссию к комментариях к нему!

Литература

1. Klaus-Peter Fahlbusch and Thomas D. Roser, «HP PE/SolidDesigner: Dynamic Modeling for Three-Dimensional Computer-Aided Design», October 1995 Hewlett-Packard Journal.
2. Jami J. Shah and Martti Mäntylä, «Parametric and Feature-Based CAD/CAM», John Wiley & Sons, Inc., 1995.
3. Дмитрий Ушаков, «Технологии вариационного проектирования для разработки типичных приложений САПР», ЗАО ЛЕДАС, 2007.
4. Дмитрий Ушаков, «Вариационное прямое моделирование, или как сохранить намерения проектировщика в САПР без истории построения», ЗАО "ЛЕДАС", 2008.
5. Пол Хэмилтон, «Редактирование трехмерной геометрии», 2009.
6. Дмитрий Ушаков, «Синхронная технология: попытка №3», 2010.
7. Владимир Малюх, «Создание и прямое редактирование геометрии в Autodesk Inventor Fusion», 2010.
8. Кэри О’Коннор, «Основы возможностей взаимодействия геометрии в IronCAD», 2010.
9. Дмитрий Ушаков, «На ядре», 2011.
10. Дилип Менезес, «Пользовательский интерфейс Creo напоминает мне времена, когда я слушал музыку диско на кассетном плеере», 2011