Baza danych kształtów

Baza danych Shape pełni funkcję ogólnego lokalnego repozytorium modeli CAD 3D. Elementy w bazie danych Shape są przechowywane jako siatki 3D (lub kształty) i mogą reprezentować, na przykład, szorstką powierzchnię materiału uzyskaną z pomiarów AFM, złożoną heksagonalną strukturę na dużej powierzchni urządzenia (patrz ??) lub okresowe filary kryształu fotonicznego. Kształty są definiowane za pomocą siatek trójkątnych. Okno bazy danych Shape zawiera narzędzia do generowania nowych modeli CAD 3D na podstawie obrazów 2D, a także do importowania zewnętrznych siatek z plików Wavefront OBJ. Co ważne, wszystkie kształty w tej bazie danych są trwale przechowywane na dysku i mają na celu reprezentowanie bardziej złożonych geometrii niż te generowane przez edytor siatek, który koncentruje się na prostych elementach geometrycznych, takich jak sześciany, rury i kule (patrz CAD Meshes).

Uzyskiwanie dostępu do bazy danych.

Obiekty graficzne są przechowywane w bazie danych obiektów graficznych, do której można uzyskać dostęp za pomocą karty „Baza danych” i kliknięcia ikony „Obiekty graficzne” (patrz ??). Kliknięcie ikony bazy danych obiektów graficznych otwiera okno bazy danych obiektów graficznych (??).

Spróbuj otworzyć niektóre z elementów, aby je obejrzeć. Zobaczysz okno podobne do tego na obrazku ??. Ten przykład przedstawia strukturę kontaktową w kształcie plastra miodu, stosowaną w ogniwach słonecznych. Po lewej stronie znajduje się trójwymiarowy model, a po prawej – dwuwymiarowy obraz, na podstawie którego został on wygenerowany. Na obrazie dwuwymiarowym nałożona jest projekcja z osi zx trójwymiarowej siatki. Możesz włączać i wyłączać wyświetlanie tej dwuwymiarowej siatki, korzystając z przycisku „Pokaż siatkę”, który znajduje się na górnym pasku narzędzi.

Generowanie siatki.

Po otwarciu okna bazy danych kształtów można przeglądać i edytować dowolny zapisany kształt. Wiele kształtów w bazie danych zostało pierwotnie utworzonych na podstawie obrazów 2D za pomocą wbudowanych narzędzi do dyskretyzacji. W tej sekcji wyjaśniono, jak działa ten proces. Otwórz morphology/1 w bazie danych kształtów. Zobaczysz okno podobne do ??. Lewy panel wyświetla wynikową trójwymiarową siatkę, a prawy panel pokazuje oryginalny obraz 2D, na podstawie którego została wygenerowana siatka. Przycisk „Pokaż siatkę” na wstążce „Plik” umożliwia przełączanie widoku siatki nałożonej na obraz 2D, co pozwala sprawdzić, w jaki sposób triangulacja odzwierciedla podstawowe elementy obrazu.

Aby zmienić sposób, w jaki obraz jest przekształcany w model 3D, kliknij opcję „Edytuj siatkę” na wstążce „Plik”. Otworzy się okno dialogowe konfiguracji siatki (??), które umożliwia kontrolowanie poziomu dyskretyzacji.

Kluczowe parametry to:

• x-trójkąty – maksymalna liczba trójkątów wzdłuż kierunku poziomego
• trójkąty ułożone wzdłuż osi Y – maksymalna liczba trójkątów ułożonych wzdłuż kierunku pionowego
• Metoda — określa sposób tworzenia siatki.
• Minimalny dozwolony kąt – zapobiega tworzeniu się bardzo cienkich i niestabilnych trójkątów.

Na przykład, zmniejsz liczbę trójkątów „x” i trójkątów „y” do wartości 40, a następnie kliknij „Utwórz siatkę”. Otrzymana siatka będzie zawierała mniej trójkątów, a zatem będzie mniej szczegółowa, ale szybciej się z nią będzie pracować. To zmniejszenie jest od razu widoczne w podglądach 2D i 3D.

Ustawienie „Metoda” określa sposób generowania trójkątów:

• Opcja „Nie zmniejsaj”: generuje jednolity, regularny trójkątny układ siatki. Zapewnia to największą precyzję geometryczną, ale powoduje powstanie dużej liczby trójkątów.
• Redukcja węzłów: proces rozpoczyna się od regularnej siatki, a następnie usuwa zbędne punkty, aby zmniejszyć liczbę trójkątów, zachowując przy tym ogólny kształt.

Przełączenie na opcję „No reduce” i ponowne wygenerowanie siatki spowoduje zastąpienie adaptacyjnej siatki pełną, regularną siatką trójkątów 70 × 70. Jest to bardziej precyzyjne, ale również wymaga więcej pamięci i zasobów obliczeniowych. Każdy dodatkowy trójkąt w siatce zwiększa obciążenie obliczeniowe podczas symulacji. Dlatego celem podczas tworzenia siatki jest odwzorowanie kształtu przy użyciu jak najmniejszej liczby trójkątów. Jeśli można opisać całą powierzchnię przy użyciu stosunkowo niewielkiej liczby trójkątów, zazwyczaj warto to zrobić. Jednak w przypadku bardzo regularnych kształtów zastosowanie funkcji „Node reduce” w celu zmniejszenia liczby trójkątów może przynieść niewielkie lub żadne korzyści; w takich przypadkach prosta, regularna siatka może być równie skuteczna. W praktyce często konieczne będzie eksperymentowanie z różnymi ustawieniami i metodami, aby znaleźć siatkę, która zapewni akceptowalny kompromis między precyzją a kosztem obliczeniowym.

Narzędzia do generowania i przetwarzania obrazów 2D.

Oprócz możliwości wczytywania obrazów z plików, edytor kształtów zawiera zestaw narzędzi do tworzenia nowych wzorów 2D, które można przekształcić w modele 3D. Narzędzia te znajdują się w sekcji „Obraz 2D” i obejmują generatory do tworzenia różnorodnych struktur:

• Wzory w kształcie plastra miodu do układów pikseli lub siatek elektrod.
• Fotoniczne struktury okresowe o regulowanej periodyczności
• Soczewki zdefiniowane jako mapy wysokości.
• Rozkłady Gaussa dla wypukłości, wklęśnień lub powierzchni o stopniowanych nachyleniach.
• Funkcje określające wysokość fal piły (przykładowa funkcja przedstawiona poniżej)
• Wzorzec w szachownicę do kalibracji i testowania.
• Szum Perlina do generowania realistycznej nierówności powierzchni.

Każdy generator oferuje własne opcje konfiguracyjne, umożliwiając dostosowanie geometrii przed przekształceniem jej w siatkę. Obrazy te pełnią funkcję map wysokości lub masek, na podstawie których edytor kształtów tworzy odpowiednią strukturę 3D.

Po wygenerowaniu lub załadowaniu obrazu, na karcie „Filtry” dostępne są narzędzia do jego modyfikacji przed rozpoczęciem tworzenia siatki. Należą do nich:

• Rozmycie — wygładza szumy lub ostre przejścia.
• Normalizacja (x, y, z) — zmienia skalę obrazu w każdym z kierunków.
• Próg — przekształca obraz w maskę binarną (przykład przedstawiono powyżej).
• Obróć — obraca wzór o stały lub dowolny kąt.
• Wykrywanie krawędzi — podkreśla lub wyodrębnia krawędzie na obrazie.

Te narzędzia umożliwiają doprecyzowanie map wysokości, wygładzenie obrazów o niskiej jakości lub modyfikację wzorów przed wygenerowaniem ostatecznej siatki trójkątów. Połączenie generatorów i filtrów obrazów zapewnia elastyczny proces tworzenia złożonych, niestandardowych geometrii 3D bezpośrednio w programie OghmaNano.

Importowanie z plików CAD

Oprócz generowania kształtów na podstawie obrazów 2D, edytor kształtów umożliwia również importowanie zewnętrznych siatek 3D za pomocą przycisku „Importuj plik CAD”, który znajduje się w ??. OghmaNano obsługuje format Wavefront OBJ, który jest powszechnie stosowany do przechowywania siatek powierzchniowych składających się z trójkątów. W bazie danych kształtów znajdziesz również przykład zaimportowanego modelu CAD: klasyczny model Utah Teapot, który można zobaczyć w ??. Ta siatka ilustruje, jak wyglądają zewnętrzne modele składające się z trójkątów po zaimportowaniu do edytora.

Podczas importowania modeli CAD należy zadbać o to, aby siatka tworzyła zamkniętą powierzchnię. Zamknięta powierzchnia to taka, w której każda krawędź należy dokładnie do dwóch trójkątów, tworząc w ten sposób całkowicie szczelną, nieprzepuszczalną objętość. Otwarte powierzchnie, brakujące ściany lub pęknięcia prowadzą do niejednoznaczności w określaniu, czy punkty znajdują się wewnątrz, czy na zewnątrz obiektu, co sprawia, że nie nadają się one do symulacji.

Modele siatkowe CAD są zazwyczaj projektowane z myślą o obróbce mechanicznej i produkcji, a nie o symulacjach numerycznych. W rezultacie często zawierają znacznie więcej trójkątów, niż jest to konieczne do modelowania optycznego lub fizycznego. Duża liczba trójkątów znacząco wydłuża czas obliczeń w procesach śledzenia promieni i innych algorytmach.

Aby uzyskać optymalną wydajność, należy upewnić się, że importowane modele 3D:

• tworzą całkowicie zamkniętą, szczelną powierzchnię.
• zawierają tylko tyle trójkątów, ile jest potrzebne do odwzorowania geometrii, oraz
• należy usunąć zbędne, drobne elementy lub ślady obróbki.

Przestrzeganie tych wytycznych pomoże zapewnić, że importowane modele CAD będą działać sprawnie w programie OghmaNano.

Format pliku kształtu.

Bryła musi tworzyć w pełni zamkniętą przestrzeń. Jeśli używasz wbudowanego narzędzia do dyskretyzacji brył, to warunek ten jest automatycznie spełniany. Jeśli jednak tworzysz bryły ręcznie, musisz upewnić się, że przestrzeń jest zamknięta.

Każdy katalog z kształtami zawiera następujące pliki:

Pliki PNG przedstawiają obraz w różnych etapach przetwarzania. Plik data.json przechowuje konfigurację edytora kształtów, a plik shape.inp zawiera trójwymiarową strukturę obiektu.

Przykładowy plik shape.inp przedstawiono na ilustracji ??. Format został zaprojektowany w taki sposób, aby program gnuplot mógł go bezpośrednio otworzyć za pomocą polecenia splot. Każdy trójkąt jest opisany przez cztery punkty z, x, y: pierwsze trzy wiersze definiują trójkąt, a czwarty powtarza pierwszy punkt, aby program gnuplot mógł narysować zamknięty obrys. Liczba trójkątów w pliku jest określona w wierszu rozpoczynającym się od #y.

Dokładne wartości z, x, y nie mają znaczenia. Zaraz po załadowaniu kształtu wszystkie wartości są normalizowane, tak aby punkt o najniższej wartości kształtu znajdował się w punkcie (0, 0, 0), a punkt o najwyższej wartości – w punkcie (1, 1, 1). Po wstawieniu kształtu do sceny, jest on ponownie normalizowany, aby uzyskać pożądany fizyczny rozmiar obiektu w danym urządzeniu.