[논문 리뷰] Surface2Volume: Surface Segmentation Conforming Assemblable Volumetric Partition

Chrystiano Araújo, Daniela Cabiddu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 23.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies인용 수 4

한 줄 요약

Surface2Volume는 3D 모델의 다중 속성 표면을 분할하여 조립 가능한 단일 속성 부품으로 나누는 새로운 알고리즘을 소개한다. 이 알고리즘은 표면 분할에 엄격하게 따르는 볼륨 부품을 생성하며, 순차적으로 조립 경로, 인터페이스의 위상 구조, 인터페이스 기하학을 계산함으로써 표준 단일 속성 3D 프린팅 또는 millling을 사용하여 복잡한 다중재료 물체를 견고하고 효율적으로 제작할 수 있도록 한다. 물리적 프로토타입과 이전 연구와의 비교를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Users frequently seek to fabricate objects whose outer surfaces consist of regions with different surface attributes, such as color or material. Manufacturing such objects in a single piece is often challenging or even impossible. The alternative is to partition them into single-attribute volumetric parts that can be fabricated separately and then assembled to form the target object. Facilitating this approach requires partitioning the input model into parts that conform to the surface segmentation and that can be moved apart with no collisions. We propose Surface2Volume, a partition algorithm capable of producing such assemblable parts, each of which is affiliated with a single attribute, the outer surface of whose assembly conforms to the input surface geometry and segmentation. In computing the partition we strictly enforce conformity with surface segmentation and assemblability, and optimize for ease of fabrication by minimizing part count, promoting part simplicity, and simplifying assembly sequencing. We note that computing the desired partition requires solving for three types of variables: per-part assembly trajectories, partition topology, i.e. the connectivity of the interface surfaces separating the different parts, and the geometry, or location, of these interfaces. We efficiently produce the desired partitions by addressing one type of variables at a time: first computing the assembly trajectories, then determining interface topology, and finally computing interface locations that allow parts assemblability. We algorithmically identify inputs that necessitate sequential assembly, and partition these inputs gradually by computing and disassembling a subset of assemblable parts at a time. We demonstrate our method....

연구 동기 및 목표

• 표면 속성이 복잡하고 비균일한 3D 물체(예: 색상, 재질, 투명도 등)를 표준 단일 속성 제작 방법으로 제작하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 입력된 표면 분할에 엄격히 따르는 조립 가능한 볼륨 부품을 생성하여 충돌 없는 조립을 보장하기 위해.
• 부품 수를 최소화하고 기하학적 단순성을 증진하며 조립 순서를 간소화하면서도 표면 속성의 정확성을 유지하기 위해.
• 자유형이나 비정규적으로 분할된 모델에서 실패하는 기존 방법의 한계를 극복하여 다양한 기하 구조에 대해 견고한 분할을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 알고리즘은 먼저 각 부품의 실현 가능하고 충돌이 없는 운동 경로를 찾기 위해 이산 메쉬 레이블링 방법을 사용하여 조립 경로를 계산한다.
• 그 후 부품 간 내부 인터페이스의 위상적 연결성을 결정하여 각 부품이 단일 표면 속성과 연결되도록 보장한다.
• 마지막으로 인터페이스의 정확한 기하학적 위치를 계산하여 조립 가능성과 최소한의 부품 복잡성 보장을 확보한다.
• 전체 동시 분해가 불가능한 경우, 반복적으로 조립 가능한 부품의 부분 집합을 순차적으로 추출함으로써 복잡한 모델을 처리할 수 있다.
• 이 알고리즘은 이산-연속 최적화 프레임워크를 통합적으로 사용한다: 이산 레이블링을 통해 근사적 해를 도출한 후 기하 최적화를 통해 최종 분할을 생성한다.
• 새로 노출된 인터페이스가 인접 영역에 기인할 수 있다고 가정하며, 이는 대부분의 실용적 사례에서 성립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 다중 속성 3D 모델에 대해 주어진 표면 분할에 엄격히 따르는 조립 가능한 볼륨 부품을 자동으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 결과로 도출된 부품들이 기하학적으로 단순하고 부품 수를 최소화하며 간편한 조립 순서를 허용할 수 있도록 보장하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 자신의 방법이 기존 방법이 실패하는 복잡하고 자유형의 모델에 대해 견고한 분할을 가능하게 하는 알고리즘 전략은 무엇인가?
• RQ4 동시 분해가 불가능한 모델을 순차적으로 분해하면서도 조립 가능성과 분할 정확성을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• Surface2Volume는 자유형 및 인공 기하 구조를 포함한 다양한 복잡한 모델을 입력 표면 분할에 정확히 따르는 조립 가능한 단일 속성 부품으로 성공적으로 분할한다.
• 3D 프린팅 및 밀링을 통한 프로토타입 제작을 통해 실제 제작된 부품들이 정확하게 조립됨을 검증하였다. 특히 나무 퍼즐 및 벤치 부품과 같은 도전적인 케이스에서도 성공하였다.
• 특히 비정규적이고 자유형의 인터페이스가 필요한 모델에서 기존 접근법에 비해 입력 커버리지, 견고성, 효율성 면에서 뛰어나다.
• FDM 3D 프린팅 및 CNC 밀링과 같은 표준 단일 재료 공정을 사용하여 다중재료 물체를 제작할 수 있도록, 상호 호환성 있는 독립적 제작 가능한 부품으로 분해함으로써 가능하게 한다.
• 모델의 볼륨 메쉬 해상도 및 메쉬 품질의 한계로 인해, 특히 경계 상자 대비 0.5% 미만의 매우 작은 기하 구조를 추출해야 하는 경우, 해상도 부족으로 인해 실패할 수 있다.
• 새로 노출된 인터페이스가 인접 영역에 기인할 수 없는 병리학적 케이스(예: 특정 기하 구조에서)는 분할이 불가능하지만, 실질적인 응용에서는 이러한 케이스는 드물게 발생한다.