Modelado Geométrico • Clasificación de los modelos geométricos • Representación de objetos en 3D • Modelos de Puntos • Modelos de Curvas y Superficies • Modelos de Sólidos Prof. Sandra Baldassarri Modelos geométricos • Objetivos del modelado – Representación de un objeto real o sintético descrito mediante el ordenador Modelado Geométrico Modelos geométricos • Objetivos del modelado Modelado Geométrico Modelos geométricos • Objetivos del modelado Modelado Geométrico Modelos geométricos • Objetivos del modelado Los modelos representan determinadas características del objeto en estudio, haciéndolas más fácilmente observables que el objeto real (porque no existe, porque no es directamente observable, etc). El objetivo de un modelo es obtener información sobre el objeto representado a partir de ese modelo. – Modelos físicos de objetos tridimensionales: representan las dimensiones relativas y la apariencia del objeto modelado ( difi i (edificios, coches, h personas, etc) t ) – Modelos moleculares: representan la ordenación espacial de los átomos de una molécula con respecto p a sus vecinos ((no suelen representar más propiedades) – Modelos matemáticos: representan algunos de los aspectos del objeto modelado en términos de ecuaciones y datos numéricos Modelado Geométrico Modelos geométricos ¿Cómo se crea un objeto? • Con un programa de CAD: – 3DStudio, 3DStudio AutoCAD AutoCAD, Blender Blender, ProEngineer ProEngineer,… • A partir de objetos reales – Explorador laser, digitalizador 3D,… • Matemáticamente Modelado Geométrico Modelos geométricos Representación de un objeto • No hay un método único • Depende del objeto y del medio: – Interfaz de usuario – Representación del ordenador – Almacenamiento p p p p g • La representación más p popular: representación poligonal Modelado Geométrico Modelos geométricos • Creación y representación de un objeto modelado por ordenador Modelado por puntos Modelado de curvas y superficies f M d l d d Modelado de sólidos ólid Modelado Geométrico Modelos geométricos • Clasificación de los modelos geométricos Dimensiones del diseño de elementos 1D 2D 3D Modelos 2D Dibujo lineal Dibujo poligonal Modelos 3D Jaula de alambre Superficies Sólidos Modelos geométricos Primitivas geométricas en 3D – – – – – – – Puntos Segmentos (líneas) Polígonos Poliedros Superficies curvas Objetos Sólidos etc. N=(a, b, c) P1 P3 (x y, (x, y z) P2 d Origen (c , c , c ) x y z r Modelos geométricos Representación de objetos en 3D • Modelos de Puntos – Nubes de puntos – Mapas de profundidad • Modelos de Curvas y Superficies – Geometría analítica,, Teoría de la aproximación, p , Teoría de la interpolación – Mallas – Subdivisión S bdi i ió • Modelos de Sólidos – Modelos de descomposición – Modelos constructivos – Modelos de fronteras Modelos de puntos Nubes de puntos • Muestras de puntos en 3D no estructuradas – Adquiridas mediante técnicas de visión por ordenador,… Modelos de puntos Mapas de profundidad • Conjunto de puntos en 3D que generan un mapa de profundidad – Adquirido mediante escáner Imagen de puntos en profundidad Teselación Superficie en profundidad Modelos de Curvas y Superficies Las curvas y superficies permite representar los contornos de forma exacta. exacta Este tipo de modelos representan la información geométrica en términos de: – Curvas: p puntos,, líneas rectas y curvas – Superficies: polígonos planos y superficies alabeadas • Las técnicas matemáticas empleadas son: - Geometría analítica - Teoría de la interpolación - Teoría de la aproximación p Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Geometría Analítica – Cualquier curva se puede describir por un vector de puntos puntos… pero esto conllevaría mucho almacenamiento y la forma exacta sigue siendo desconocida… – Las L ecuaciones i analíticas líti ofrecen f mayor control t l sobre b la l curva y sobre su comportamiento. x at 2 y 2at 0t Representación analítica R Representación t ió como colección l ió d de puntos t Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies • Modelado de curvas planas – Representación de curvas en el plano x at 2 0t y 2at Representación analítica Representación como colección de puntos Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Modelado de curvas planas – Curvas no paramétricas y f (x) y 3 x 2 cos x Representación explícita f ( x, y ) 0 3 x 2 2 xyy 5e y cos x 1 Representación implícita Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Modelado de curvas planas – Curvas paramétricas x x((tt ) y y (t ) x cos y sen 0 2 Círculo de radio r con centro en el origen de coordenadas Elipse de ejes a y b centrada en el origen de coordenadas Parábola centrada en el origen y simétrica respecto al eje x Hipérbola centrada en el origen y simétrica respecto al eje j x x r cos y r sen x a cos y b sen 0 2 0 2 x a 2 0 y 2a 2a x a sec 0 2 y a tg Representación paramétrica de las cónicas Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies • Superficies paramétricas x x(u , w) y y (u , w) z z (u , w) x(u , w) (u w) 2 y (u , w) u w2 z (u , w) uw 0 u 1 0 w 1 Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Superficies cuádricas: – Representación paramétrica de las cuádricas x a cos sen 0 2 y b sen sen 0 2 x a cos cosh y b sen senh 0 2 x a cosh 0 2 y b sen senh z c cos senh z c cos z c senh Elipsoide Hiperboloide de una hoja Hiperboloide de dos hojas x a cos 0 2 x a cos 0 2 y b sen min max y b sen min max x a cosh y b senh z 2 min max Paraboloide hiperbólico z c Cono elíptico z Cilindro elíptico x a cos y b sen 0 2 0 max z 2 Paraboloide elíptico x a 2 y 2 a z 0 max min max Cilindro parabólico Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Superficies bilineales: – Se construye por la paramerización de un cuadrado unidad unidad. – Cualquier punto del interior de la superficie se obtiene interpolando entre los lados opuestos de ésta: Q(u, v) P(0,0)(1 u )(1 w) P(0,1)(1 u ) w Expresión paramétrica P (1,0)u (1 w) P(1,1)uw P(0,0) P (0,1) 1 w Q(u , v) 1 u u P(1,0) P (1,1) w Expresión ió matricial i i l Modelado Geométrico Modelos de Curvas y Superficies Superficies a trozos Fragmentos formados por cuatro aristas curvas, donde es preciso conocer: – coordenadas d d d de llos cuatro vértices é i – dos vectores tangentes en cada vértice – torsión en cada vértice Q ( , ) cos sen sen sen cos , 1 2 , 1 2 Q ( , ) sen sen cos sen 0 Q ( , ) cos sen cos sen sen Q , ( , ) sen cos cos cos 0 Q Q cos sen 2 sen sen 2 sen cos Modelado Geométrico Modelado de Curvas y Superficies Superficies implícitas – Los puntos satisfacen F(x F(x,y,z) y z) = 0 Modelo poligonal Modelo implícito Teoría de la interpolación En las técnicas de interpolación la curva o superficie “pasa” por una serie de puntos dados dados. Existen diferentes técnicas: • Interpolación lineal • Polinomio de Lagrange • Curvas y superficies cúbicas paramétricas: – Hermite – Spline Cúbico Modelado Geométrico Teoría de la interpolación Interpolación lineal ( x xi ) f ( x) f ( xi ) f ( xi 1 ) f ( xi ) ( xi 1 xi ) Polinomio de Lagrange x xj f n ( x ) yi i 0 j 0 xi x j j i n n Modelado Geométrico Teoría de la interpolación Polinomio de Lagrange – Problemas al aumentar el número de puntos – Interpolación lineal vs Polinomio de Lagrange Modelado Geométrico Teoría interpolación Teoría dede lala interpolación • Cúbicas paramétricas 3 P (t ) ai t i i 0 0 Modelado Geométrico Teoría interpolación Teoría dede lala interpolación • Las curvas de Hermite se representan por polinomios cúbicos a trozos trozos, con continuidad en la posición y en la derivada. Se conocen los puntos y los valores de las derivadas en los extremos. Catmull Rom Catmull-Rom Hermite Modelado Geométrico Teoría interpolación Teoría dede lala interpolación Hay que tener en cuenta: • Continuidad geométrica • Continuidad C ti id d paramétrica ét i Modelado Geométrico Teoría de la interpolación Los splines cúbicos se representan por polinomios cúbicos a trozos trozos, con continuidad en la derivada segunda segunda. Diseño de curvas con splines p cúbicos. a) los 4 puntos entrados por el usuario b) el spline cúbico global que los interpola c)) los l mismos i cuatro t puntos t interpolados por un spline cúbico local d) se muestran las dos curvas superpuestas y se observa la mayor continuidad (suavidad) de la curva b)) Modelado Geométrico Teoría interpolación Teoría dede lala interpolación Matrices de interpolación • Hermite • Spline Modelado Geométrico Teoría de la interpolación Las técnicas de interpolación de superficies que se suelen utilizar son las cúbicas paramétricas (a trozos): – Hermite – Spline Cúbico Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Las curvas se “aproximan” por medio de una serie de puntos de control Bézier B-spline Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Curvas de Bèzier Curva generada por los seis puntos b0...b5. Conjunto formado por cuatro curvas de Bézier, cada una definida mediante cuatro puntos. Los puntos de conexión son b3 b3, b6, b9. Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Splines Cúbicos – Los splines cúbicos se diferencian de las curvas de Bézier en que tienen continuidad C2 y en que los puntos de los extremos no pertenecen a la curva P3 P5 P1 P4 P2 C1 C2 C3 C4 4 P (t ) Bi t i 1 , t1 t t 2 i 1 Dos fragmentos de un spline cúbico E Ecuación ió d de un spline li cúbico úbi Modelado Geométrico Teoría de la aproximación Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Control local en curvas B-spline Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Curvas NURBs: Non Uniform Rational Bsplines – Estas curvas son muy populares en los programas de CAD – Su representación incluye todas las curvas Bézier y B-splines Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Modelado de Superficies Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Superficies de Bézier n m Q(u , w) Bi , j J n ,i (u ) K m , j ( w) i 0 j 0 Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Propiedades de las superficies de Bezier – Interpolan los 4 puntos de las esquinas – Clausura convexa – Control local Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Propiedades de las superficies de Bezier – Continuidad entre parches Modelado Geométrico Teoría de la aproximación • Superficies B-spline a trozos (parches) Modelado de superficies Mallas poligonales • Conjunto de polígonos conectados (usualmente triángulos) Modelado de Superficies Mallas poligonales • Conjunto de polígonos que representan una superficie 2D definiendo un objeto 3D Modelado de Superficies Mallas poligonales – Representación del modelo Modelado de Superficies Mallas poligonales – Representación del modelo IMAGE SYNTHESIS GROUP Modelado de Superficies Mallas poligonales – Los vértices son compartidos por varios polígonos – Hay técnicas de optimización al utilizar las mallas • tiras (triangle - strips) • abánicos (triangle - fans) Modelado de Superficies Mallas poligonales – Permite trabajar con diferente resolución 48 polígonos 120 polígonos 300 polígonos 1000 polígonos IMAGE SYNTHESIS GROUP Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – Superficie formada por una malla + regla de subdivisión Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – Malla + Regla de subdivisión • Define una superficie suave como una secuencia limitada de refinamientos Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – La subdivisión debe tener en cuenta propiedades como la suavidad de la malla Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – Hay diferentes métodos de subdivisión • Diferentes reglas para refinar la topología • Diferentes reglas para posicionar los vértices Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – Hay diferentes métodos de subdivisión Modelado de Superficies Superficies de Subdivisión – Hay diferentes métodos de subdivisión Técnicas constructivas de superficies Aplicando de forma combinada los diferentes métodos que se acaban de ver ver, pueden obtenerse superficies aplicando variadas técnicas constructivas. • A continuación, se va a estudiar algunas de estas p de las q que se técnicas constructivas de superficies, verán ejemplos. Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies • Superficies regladas y desarrollables Q (u , w) P (u ,0)(1 w) P (u ,1) w P (u ,0) Q(u , w) 1 w w (u ,1) P (u Expresión paramétrica Expresión matricial Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies • Superficies regladas y desarrollables Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies Superficie de revolución Superficie esculpida Superficie de barrido Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies • Superficies de revolución: Rotación de una curva alrededor de un eje Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies • Barrido a lo largo de una trayectoria Construcción de un toro por rotación de un círculo Técnicas constructivas de superficies • Superficies de barrido: Desplazamiento de una curva a lo largo de una trayectoria Modelado Geométrico Técnicas constructivas de superficies • Superficie fileteada entre cilindro y esfera Modelado Geométrico Modelado de superficies: técnicas híbridas Metaballs o Superficies implícitas: • Describen los objetos por medio de superficies que son contornos (isosuperficies), a través de un campo escalar en 3D. La función de campo determina el valor en cada punto del espacio en base a alguna primitiva geométrica, generalmente puntos, segmentos o polígonos. Modelado Geométrico Modelado de superficies: técnicas híbridas La superficie implícita es la suma de funciones base Modelado de superficies: técnicas híbridas Superficies implícitas: – Blobby models: • Modelado de un dragón con diferente número de blobs Modelado de superficies: técnicas híbridas Superficies implícitas: – Blobby models: Modelado de una cara (Muraki (Muraki, 1991) Modelado de superficies: técnicas híbridas • Ejemplo metaballs: Dada una función de campo D(r) = 1/r2 y varios puntos de control en el espacio 3D, siendo r la distancia de un punto en el espacio al punto de control, se dibuja una superficie a partir del punto de control teniendo en cuenta si hay interacción entre varios puntos control, puntos. Modelado de superficies: técnicas híbridas • Ejemplo: Modelado Geométrico Modelado de superficies: técnicas híbridas • Ejemplo: La estructura muscular fue creada usando el plug-in Metareyes Metareyes. Para construir la malla sólida se crearon cientos de esferas definidas por superficies implícitas. Modelado Geométrico Comparación entre representaciones Modelado Geométrico Modelado de sólidos • ¿Por qué se necesitan modelos sólidos? Algunos métodos de adquisición generan sólidos: TAC Modelado Geométrico Modelado de sólidos • ¿Por qué se necesitan modelos sólidos? Algunas aplicaciones requieren trabajar con sólidos: aplicaciones CAD/CAM Modelado Geométrico Modelado de sólidos • ¿Por qué se necesitan modelos sólidos? Algunos algoritmos requieren sólidos: trazado de rayos con refracción Modelado Geométrico Modelado de sólidos • Este tipo de modelos representan la información geométrica externa y la estructura interna interna. • A diferencia de los modelos de superficies superficies, permiten distinguir entre interior, exterior y superficie de un objeto. • Permiten calcular diferentes propiedades de los objetos: – Volumen – Masa – Transparencia (medios participativos) –… Modelado Geométrico Modelado de sólidos Las técnicas de representación empleadas son: - Modelos de descomposición: Descripción de un sólido como un conjunto de células elementales cuya yuxtaposición llena todo el espacio ocupado por el objeto. - Modelos constructivos: Representación de un objeto como combinación de otros objetos elementales, siendo cada uno de ellos una particularización de un determinado objeto j p primitivo. - Modelos de fronteras: Representación de un objeto por medio de sus caras, donde cada una de ellas se describe mediante la superficie en que está contenida y la curva o curvas que la limitan. Modelado Geométrico Modelado de sólidos Características de un modelo: Dominio: define los objetos que se pueden representar Validez: sólo debe permitir representar objetos válidos No ambigüedad: no deben quedar dudas sobre qué está representado Unicidad: tiene que haber sólo una manera de representar el objeto Lenguajes de descripción: uso de un lenguaje adecuado para describir los objetos Compacto: ahorro de espacio para almacenamiento Clausura: conjunto cerrado de operaciones Facilidad de uso Eficacia en la aplicación Modelado Geométrico Modelado de sólidos • Sólido: Objeto físico que divide el espacio en dos regiones: una exterior y otra exterior, separadas por el contorno del objeto. El contorno puede ser una superficie cerrada o un grupo de superficies abiertas interconetadas. Modelado Geométrico Modelado de sólidos • Sólido: El contorno puede ser una superficie cerrada o un grupo de superficies abiertas interconetadas, pero podrían generarse objetos no válidos… Modelado Geométrico Modelado de sólidos • Operaciones booleanas entre sólidos: ¿Qué objetos se generan? Modelado Geométrico Modelado de sólidos • Operaciones booleanas regularizadas: Garantizan la validez de los objetos generados Modelado Geométrico Modelado de sólidos Las técnicas de representación empleadas son: - Modelos de descomposición: Descripción de un sólido como un conjunto de células elementales cuya yuxtaposición llena todo el espacio ocupado por el objeto. - Modelos constructivos: Representación de un objeto como combinación de otros objetos elementales, siendo cada uno de ellos una particularización de un determinado objeto j p primitivo. - Modelos de fronteras: Representación de un objeto por medio de sus caras, donde cada una de ellas se describe mediante la superficie en que está contenida y la curva o curvas que la limitan. Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Un objeto se modela como la suma de celdas o particiones del espacio Descomposiciones celulares General Voxels Descomposición jerárquica del espacio Bintrees BSP Octrees Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelo de descomposición mediante enumeración exhaustiva: Las células son pequeños cubos contenidos (total o parcialmente) en el sólido. Estos cubos son del mismo tamaño y orientación (subdivisión regular del espacio). Objeto representado por una lista de cubos regulares Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelo de descomposición mediante enumeración exhaustiva: Las operaciones de comparación de objetos son triviales Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelo de descomposición mediante enumeración exhaustiva (voxels) Representación en isosuperficies Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelo de descomposición mediante enumeración exhaustiva (voxels) Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelo de descomposición celular Las células que constituyen el sólido son elementos básicos de forma y tamaño variable Celda básica cuadrática Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelos de descomposición jerárquica del espacio o de subdivisión recursiva • Modelo quadtree/octree: estructura jerárquica con subdivisión recursiva del espacio en cuadrados/cubos de tamaño menor, dependiendo de la ocupación o no de ese elemento. Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Operaciones con modelos de subdivisión recursiva Modelado Geométrico Modelos de descomposición • Modelos de descomposición jerárquica del espacio o de subdivisión recursiva • Descomposición del espacio binario: en cada paso se subdivide la escena en dos secciones con un plano que puede estar en cualquier posición y orientación. Bintree BSP (Binary Space Partition) Modelado Geométrico Modelos de descomposición • BSP: La posición y orientación de los planos puede hacerse adaptándose a la distribución espacial de los objetos, de modo que se puede reducir la profundidad en la representación del árbol. Los árboles BSP son útiles para identificar las superficies visibles. Modelado Geométrico Modelos constructivos CSG: Geometría Sólido Constructiva Uno de los esquemas más populares debido a su facilidad de uso y para verificar la validez • Primitivas sólidas (instanciación) – Cubo, pirámide, esfera, … • Transformaciones geométricas Modelado Geométrico Modelos constructivos • CSG: Geometría Sólido Constructiva Las operaciones pueden ser transformaciones u operaciones booleanas (unión (unión, intersección intersección, diferencia) diferencia). AB AB A–B B–A Modelos constructivos • Ejemplos de árboles CSG Modelado Geométrico Modelos constructivos Modelado Geométrico Modelos de fronteras • Modelo B-rep o representación de contornos: Objeto encerrado por un conjunto de caras caras, las cuales pertenecen a superficies cerradas y orientables (normal) • Superficie externa - geometría - topología Modelado Geométrico Modelos de fronteras • Representación por medio de caras, aristas, vértices, puntos… puntos vértices v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 coordenadas x1 y1 z1 x2 y2 z2 x3 y3 z3 x4 y4 z4 x5 y5 z5 x6 y6 z6 x7 y7 z7 x8 y8 z8 caras f1 f2 f3 f4 f5 f6 vértices v1 v2 v3 v4 v6 v2 v1 v5 v7 v3 v2 v6 v8 v4 v3 v7 v5 v1 v4 v8 v8 v7 v6 v5 Modelado Geométrico Modelos de fronteras • Operaciones para modelos de fronteras A B AoutB BoutA A B AinB BinA A B AoutB Clasificación por pertenencia Modelado Geométrico Modelos de fronteras • Operaciones para modelos de fronteras: Operadores de Euler: aseguran la validez topológica del modelo de contorno se usan operadores especiales para crear y manipular las entidades topológicas F E V L 2( B G ) F: cara E: arista V: vértice L agujeros L: j en llas caras B: número de componentes separados del objeto G: agujeros a través del objeto Modelado Geométrico Modelos de fronteras • Representación facetada: Aproximación por facetas planas de la representación de objetos curvos en un modelo B-rep Ventajas: • Facilidad para agregar nuevos tipos de superficies • Facilidad para calcular intersecciones entre caras (planas) Desventajas: • Es necesario gran cantidad de datos para mantener la exactitud deseada del modelo Modelado Geométrico Comparación entre representaciones • Taxonomía de las representaciones 3D Modelado Geométrico Comparación entre representaciones Modelado Geométrico
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