O trabalho que quero chamar a atenção é uma tentativa de escrever novamente um sistema de modelagem 3D com script. Escreva como eu gostaria de vê-la.
A receita para o sistema ZenCad é bastante simples. O conceito de criação de scripts de modelagem 3D do OpenScad, o núcleo geométrico do OpenCascade, python3 como cola, a biblioteca de computação preguiçosa evalcache para cache agressivo de cálculos. Adicione temperos de algumas outras ferramentas, tempere o gui com molho PyQt e sirva, mexendo, mas sem agitar.
Sistemas CAD de script
O CAD, ou de acordo com o nosso CAD, é um sistema de design auxiliado por computador. Ao contrário dos editores 3D interativos, os sistemas CAD com script interpretam a palavra "automatizado" no sentido em que seus criadores geralmente a entendem. Ou seja, não como um conjunto de ferramentas de computação, mas como um algoritmo claro que requer intervenção humana apenas no momento de sua criação.
Trabalhando em CAD com script, não desenhamos o modelo diretamente na tela, mas construímos o programa de acordo com o qual o modelo é gerado. Para pessoas familiarizadas apenas com CAD interativo, essa abordagem pode ser descrita como uma modelagem paramétrica absoluta. A rigor, os scripts geralmente são usados para complementar um ambiente interativo, para escrever ferramentas adicionais, mas trabalhar em um CAD com script paradigmaticamente limpo requer uma organização diferente do fluxo de trabalho, uma maneira de pensar e é projetado para uma variedade de tarefas ligeiramente diferente.
O CAD mais famoso e puro de script atualmente é o OpenScad.
No começo foi o OpenScad
Há um certo círculo de pessoas que prefere o conveniente Compass, SolidWorks, FreeCad, o mundano e despretensioso OpenScad. Não é fácil responder à pergunta sobre qual é o segredo do sucesso dele, mas você pode definitivamente dizer que é leve, flexível o suficiente para usar e tem um mínimo de configurações. Partes dos modelos escritos nele são fáceis de reutilizar.
No entanto, o openscad tem algumas falhas irritantes:
- O openscad funciona apenas com redes mesh.
- O openscad tem um limite de escalabilidade bastante baixo, e começa a ficar muito forte em modelos grandes.
- O openscad é bastante difícil de integrar com outros sistemas, e é por isso que usa seu próprio idioma.
Infelizmente, apesar de todo o poder da abordagem de script, ir além do escopo da criação de modelos utilitários com o OpenScad é bastante problemático.
Idioma e tudo-tudo-tudo
A primeira coisa que quero corrigir aqui é usar uma linguagem de uso geral como ferramenta de combate. O uso de uma linguagem de uso geral permite que você use a integridade de seus recursos sintáticos e a totalidade das bibliotecas escritas anteriormente para resolver problemas de modelagem 3D.
Comparação de GUIs ZenCad e OpenScadInterface ZenCad:
Interface OpenScad:
O uso de python simplifica o código do openscad, tornando o código do modelo mais transparente em comparação com o OpenScad.
É muito conveniente, por exemplo, filtrar uma nuvem de pontos usando a sintaxe dos geradores.
Exemplo: Filtrando uma matriz de pontos. Graças ao python, que ocupa oficialmente o título de rei da cola no moderno ecossistema de software, o zencad se integra facilmente a outras bibliotecas e sistemas de software. Podemos usar sympy em um script para gerar uma superfície analítica, numpy para processar uma nuvem de pontos gerada nessa superfície e, é claro, o zencad para construção, visualização e pós-processamento.
Exemplo: Construção simples de superfície ponto a ponto from zencad import * import numpy xcoords = numpy.linspace(-10,10,50) ycoords = numpy.linspace(-10,15,50) lines = [ interpolate([point(x, y, 0.01*(x**2 + y**3)) for x in xcoords]) for y in ycoords ] wires = [] for l in lines: trans = translate(0,0,-30) sf = l.endpoints() w=sew([l, segment(sf[0], trans(sf[0])), trans(l), segment(sf[1], trans(sf[1]))]) wires.append(w) for l in lines: disp(l.left(30)) disp(loft(wires) - halfspace().down(10)) show()
A base sólida do OpenCascade
A matemática das malhas poligonais é muito mais simples que a matemática da representação de fronteira, mas a representação de fronteira é muito mais prática. Em particular, as malhas poligonais têm um problema de explosão combinatória, que se manifesta especialmente quando chega a hora de renderizar um modelo. No OpenScad, geralmente é necessário desenvolver um produto com uma resolução muito menor que a resolução de um modelo real, o que viola a pureza do paradigma.
Portanto, o segundo ponto de implementação é o uso de um núcleo geométrico completo que usa a representação de limite em vez do modelo de malha. Construído em torno do núcleo geométrico hacker do OpenCascade, o ZenCad, é claro, não visa fornecer a totalidade de seus recursos no ambiente python. Tentar transmitir completamente o OpenCascade levaria à criação de um segundo pythonOCC. O ZenCad assume o topo, tentando manter um equilíbrio entre funcionalidade e ergonomia.
Exemplo: garrafa de software OpenCascade reproduzida no ZenCad Continuidade da tradição. A origem como fonte de tudo
As soluções de sintaxe zencad, seguindo o exemplo de seu irmão mais velho e professor do OpenScad, minimizam o número de entidades na biblioteca. Como o OpenScad, o ZenCad é fundamentalmente incapaz de criar uma primitiva no ponto (x, y, z), apesar do OpenCascade permitir isso. O ZenCad primeiro cria um primitivo na origem e depois define a posição necessária usando transformações. As transformações no ZenCad existem como objetos separados e como métodos de corpos.
Um conjunto de transformações é padrão e inclui translação, rotação, reflexão e zoom.
Preguiça
Para minimizar o tempo de computação, a matemática no ZenCad é esclarecida e todos os cálculos são armazenados em cache de forma agressiva. A biblioteca [del] blockchain [/ del] evalcache, sobre a qual falei nas páginas do Habrahabr há algum tempo, cuida do gerenciamento de algoritmos de lenificação: Armazenamento em cache em disco de árvores de computação preguiçosas . O Zencad salva os resultados do cálculo em um cache comum, cujo status pode ser monitorado através da interface do visualizador. O algoritmo de sha512 usado com redundância acentuada elimina a possibilidade de colisões de chaves de objetos preguiçosos (o espaço de hash é 10 ^ 74 vezes o número de átomos no universo).
Ao criar esse modelo, ele gera quatro megabytes de geometria e, durante a primeira passagem, pode ser calculado por um longo período de tempo:
O trabalho com superfícies roscadas é computacionalmente caro:
O problema da topologia de reflexão. Método do ponto próximo
O OpenScad não possui operações de chanfro ou arredondamento. O OpenCascade os fornece. Essas são operações muito importantes e seria uma pena não colocá-las em serviço no ZenCad. Existem outras operações que requerem a especificação de um objeto topológico, por exemplo, a operação de obter um modelo de parede fina no exemplo de garrafa do OpenCascade. Em um sistema CAD gráfico, indicamos um objeto topológico (aresta, face, vértice) com o mouse. Ao escrever um script, não temos essa oportunidade. O OpenCascade nativo resolve o problema com reflexão e o usa para trabalhar com CAD gráfico. Embora o ZenCad ofereça suporte à reflexão do modelo, usá-lo como uma ferramenta primária apresenta várias desvantagens significativas. Primeiro, o nível de conhecimento necessário para usar essas ferramentas aumenta acentuadamente, porque você deve pelo menos entender o conceito topológico interno. Em segundo lugar, assim que aparece no script, a harmonia dos algoritmos preguiçosos quebra imediatamente, e o código do modelo também é bastante complicado. No processo de reflexão e experimentação bastante longas, decidi pelo método do ponto próximo. Em resumo, ao executar operações topologicamente dependentes, o programa ignora o objeto e encontra o objeto topológico mais próximo ao ponto especificado dentre as pessoas que entram no corpo. Este item é considerado selecionado. Essa solução é mais computacionalmente cara, mas devido ao cache, ela apresenta um bom desempenho. Essa abordagem é usada para todas as operações que dependem de elementos de topologia.
Como mencionado acima, a possibilidade de refletir o modelo, pelo senso comum, também é preservada, como mostrado no exemplo acima (Exemplo: Filtrando uma matriz de pontos).
Marcador Q e Marcador W
As dimensões do modelo podem ser difíceis de ler na tela devido à falta de óbvia escala. Em parte, os marcadores podem resolver esse problema. Com uma interface intuitiva (nada mais intuitiva), os marcadores sinalizam as coordenadas e mostram a distância, o que simplifica a análise da geometria e a seleção de pontos para operações como chanfros / arredondamentos.
Rastrear atualizações de origem
Como o big brother (OpenScad), o ZenCad pode atualizar o modelo gerado ao modificar o arquivo de origem. Em combinação com o sistema de armazenamento em cache, isso permite que você modifique o script de maneira conveniente, tendo diante de seus olhos quase em tempo real o estado de mudança do produto.
Animação
Os méritos do zencad não terminam aí.
O ZenCad (graças à aceleração rápida do núcleo) pode redesenhar a cena em tempo real, o que permite animar um modelo 3D. A animação é implementada por uma função python comum e permite que você se trate livremente. Dado que estamos em um ambiente python, o zencad é capaz de visualizar dados de fontes externas como movimentos do modelo (por exemplo, usando multithreading + tcpsocket). Assim, o zencad pode ser usado, por exemplo, para testes semi-naturais de produtos robóticos. Oh olá Gazebo !!! Oi ROS !!! É bom ver você na platéia também. Uma biblioteca de cinemática, que simplificaria bastante a construção de cadeias cinemáticas de manipuladores robóticos, a propósito, está em desenvolvimento.
A animação no momento ainda está em uma versão semi-experimental (especialmente em termos de controle de câmera), por isso não vou me deter nela em detalhes.
Exportação - Importação
Atualmente, a exportação e importação no formato brep são suportadas, o que permite a integração com o freecad e a exportação no formato stl, o que permite gerar modelos para impressão 3D. A geração de capturas de tela também é suportada. Incluindo automático. Em particular, as capturas de tela no manual on-line são geradas automaticamente pelo ZenCad.
Status atual
No momento, o ZenCad ainda está muito longe de ser concluído e, no entanto, está totalmente operacional na parte em que está pronto.
A biblioteca está disponível no pipy para eixos compatíveis com o Debian com versões de python3.5, python3.6, python3.7
(Pode ser necessário instalar o qt5-default, devido a alguns problemas com os plugins no PyQt5)
python3 -m pip install zencad apt install qt5-default
Executando a GUI na linha de comando:
python3 -m zencad
Executando a GUI a partir de um script python:
Infelizmente, o progresso do sistema não está indo tão rápido quanto gostaríamos. A maior parte da API de geometria bidimensional e API de trabalhar com superfícies ainda não foi implementada, o suporte à exportação e importação de formatos padrão, o tratamento de erros nem sempre é transparente, o teste automático não foi elaborado, as bibliotecas para a construção de juntas roscadas e produtos de engrenagem foram concebidas e ainda não foram implementadas. Como editor externo, que é completamente anormal, é subitamente incondicional !!! Texto sublime ... Também quero refinar o sistema para que ele possa ser executado no Windows (isso requer bastante trabalho de inteligência especializada).
No entanto, agora o zencad permite projetar modelos 3D bastante complexos, criar modelos para impressão 3D e até visualizar a cinemática de mecanismos.
Links do Projeto
github: https://github.com/mirmik/zencad , https://github.com/mirmik/servoce
pypi: https://pypi.org/project/zencad/ , https://pypi.org/project/pyservoce/
manual
Obrigado pela atenção.
