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Grupo de modelado basado en bocetos
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Bocetar es una parte establecida de la cultura ingenieríl. Los bocetos asisten a los diseñadores de productos durante las etapas creativas de diseño y les ayudan a desarrollar invenciones. Sin embargo, el bocetado en papel y lápiz está desconectado del resto del proceso (asistido por ordenador) de diseño. Nosotros deseamos herramientas de bocetado asistido por ordenador (CAS en inglés) que provean a los usuarior del entorno de bocetado que éstos requieren para hacer pleno uso de sus talentos para el diseño conceptual y la innovación, al tiempo que provean plena integración con las subsiguientes fases del proceso de diseño (CAD, CAE, CAM, etc.)
Al crear dichas herramientas, hacemos uso de ideas del campo del modelado e interfases basadas en bocetos (SBIM en inglés). SBIM es un campo de investigación emergente, orientado a crear las herramientas de ordenador que se requieren para saltar a un nuevo paradigma: los bocetos deberían usarse como entrada para crear modelos digitales en un entorno de ideación auténcamente asistido por ordenador. En tal entorno, los procesos de ideación informales y no estructurados podrían fluir libremente, y podrían derivarse formas 3D finales a partir de tales procesos de ideación.
Consideramos que el SBIM está dividido en tres esferas de trabajo principales:
Entendimiento de bocetos
Modelado 3D
Interpretación basada en conocimientoA su vez, cada una de las esferas de trabajo está dividida en diferentes sectores, los cuales tienen diferentes estados-del-arte. Así, para ganar más entendimiento en SBIM, revisamos a continuación muchos de los sectores y mencionamos algunas de sus referencias más relevantes:
En paralelo con el Sketchpad de Sutherland, el cual fue el primer programa que permitió al usuario crear imágenes gráficas directamente sobre la pantalla del ordenador por medio de un lápiz óptico, El Sketchpad III de Johnson añadió modelado tridimensional al sistema de Sutherland. Pero fue Roberts quien primero trató de percibir formas 3D automáticamente desde dibujos lineales 2D:
Sutherland IE. (1963) Sketchpad, a man-machine graphical communication system. Ph.D. thesis, M.I.T., Cambridge, MA USA
Johnson TE. (1963) Sketchpad III, three dimensional graphical communication with a digital computer. PhD Thesis. M.I.T., Cambridge, MA USA
Roberts LG. (1963) Machine perception of three-dimensional solids. Ph.D. thesis, MIT Dep. of Electrical Engineering
El trabajo pionero de Perkins, como parte del "Proyecto Cero", analizó el modo en que la gente percibe los dibujos como representaciones de objetos, cuyas relaciones geométricas deben ser obedecidas, y las circunstancias en las cuales las relaciones geométricas pueden ser ignoradas:
Perkins D.N. (1968) Cubic Corners, Quarterly Progress Report 89, 207-214, MIT Research Laboratory of Electronics
Perkins D. N. (1971) Cubic Corners, Oblique Views of Pictures, the Perception of Line Drawings of Simple Space Forms. Geometry and the Perception of Pictures: Three Studies. Harvard Project Zero. Technical Report No. 5.
La importancia del boceto en diseño de ingeniería
No todos los diseñadores usan bocetos. Y algunas estrategias de diseño evitan completamente usar bocetos. Pero, los bocetos son útiles para muchos diseñadores, porque hay muchas evidencias de que los bocetos de ingeniería aumentan la creatividad. Para citar sólo unas pocas referencias selectas:
Negroponte N. (1975) Sketching: A Computational Paradigm for Personalized Searching. JAE, Vol. 29, No. 2, pp. 26-29.
Ullman D., Wood S., Craig D. (1990) The Importance of Drawing in the Mechanical Design Process, Computers and Graphics 14(2):263-274
Cugini U. (1991) The problem of user interface in geometric modeling. Computers in Industry; 17(4): 335-339
Ferguson E.S. Engineering and the Mind's Eye. Cambridge, MA: The MIT Press, 1994
Dori D., Tombre K. (1995) From engineering drawings to 3D CAD models: are we ready now?. Computer-Aided Design; 27(4): 243-254
Ullman D.G. (2002) Toward the ideal mechanical engineering design support system. Research in Engineering Design. 13(2): 55-64
Sugihara publicó la primera revisión comprehensiva. Él estaba todavía más intersado en la geometría que en la percepción. Por lo tanto, estaba muy interesado en la "realizabilidad" de los dibujos como proyecciones de modelos 3D físicamente plausibles:
Sugihara K. Machine interpretation of line drawings. Cambridge, MA: The MIT Press, 1986
Nagenda y Gujar publicarom un comentario sobre los once artículo publicados entre 1973 y 1984 sobre éste asunto, incluyendo un árbol categorizador. Wang and Grinstein actualizaron la categorización, y obtuvieron una taxonomía de la reconstrucción de objetos 3D desde dibujos lineales en proyecciones bi-dimensionales:
Nagendra I.V., Gujar U.G.(1988) 3-D objects from 2-D orthographic views - A survey. Computers & Graphics; 12(1): 111-114
Wang W., Grinstein G. (1993) A survey of 3D solid reconstruction from 2D projection line drawings. Computer Graphics Forum; 12(2): 137-158
La revisión comprehensiva más reciente, de Martin Cooper, todavía está centrada en la geometría:
Cooper M. Line drawing interpretation. Springer, 2008.
Un estudio teórico de Goel considera el problema de entender y hacer explícito el proceso mental que hay detrás, y los mensajes conducidos a través de, los bocetos de ingeniería:
Goel. V. (1995) Sketches of Thought. The MIT Press
Finalmente, las revisiones más recientes se pueden encontrar aquí:
Company P., Piquer A., Contero M., Naya F. (2005) A Survey on Geometrical Reconstruction as a Core Technology to Sketch-Based Modeling. Computers & Graphics 29 (6) 892-904
Olsen L., Samavati F.F., Costa Sousa M., Jorge J.A. (2009) Sketch-based modeling: A survey. Computers and Graphics 33 (1) 85-103
Johnson G., Gross M.D., Hong J. and Do E.Y. (2009), "Computational support for sketching in design: A review". Foundations and Trends in Human–Computer Interaction. Vol. 2, No. 1, 1–93
Las entradas basadas en lápiz (también llamadas computación dirigida por lápiz, o computación por lápiz), es el método donde un lápiz sobre una pantalla sensible (es decir, una tableta) sustituye al teclado y al ratón como interfaces de usuario. Se sustituye la mecanografía por la escritura manuscrita, y se reemplazan los menús por gestos. Por lo tanto, el reconocimiento tanto de la escritura manuscrita como los gestos son las tareas principales vinculadas con dichos periféricos. Algunas librerías comerciales pueden reconocer escritura manuscrita y/o gestos. Tablet PC Platform SDK de Microsoft (c) es una de ellas:
Jarret R. and Su P. Building Tablet PC applications. Microsoft Press, 2002.
Desafortunadamente, estas soluciones comerciales ni resuelven todos los aspectos de la escritura manuscrita y los gestos, ni abarcan los problemas particulares de la entrada y la interpretación de los dibujos. La tarea que conduce desde los dibujos de ingeniería h la descripción simbólica de dichos dibujos se denomina "Interface basada en bocetos":
Sezgin T.M., Stahovich T., Davis R. (2001) Sketch Based Interfaces: Early Processing for Sketch Understanding. Proceeding SIGGRAPH '06 ACM SIGGRAPH
Si el dibujo original está hecho en papel, la entrada puede hacerse escaneando el dibujo para producir una imagen matricial, la cual, a su vez, debe ser vectorizada para producir trazos. Así que convertir la entrada bocetada en trazos discretos no es trivial. :
Hilaire X. and Tombre K. (2006) Robust and accurate vectorization of line drawings. IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, 28 (6), pp. 890-904
El viejo objetivo de extraer la información completa de los planos (es decir, la recuperación arqueológica del saber hacer) está todavía vivo en arquitectura:
Xuetao Y., Wonka, P., Razdan, A. (2009) Generating 3D Building Models from Architectural Drawings: A Survey . IEEE Computer Graphics and Applications, 29 (1), 20-30
El siguiente paso es convertir los trazos en líneas. Aquí algunas aplicaciones prácticas están disponibles en forma de librerías públicas como CALI de Jorge y Fonseca:
Jorge J.A. and Fonseca M.J. (1999) A Simple Approach to Recognize Geometric Shapes Interactively GREC
El problema básico todavía es detectar aquellos trazos que transmiten líneas rectas o curvas, y obtenerlas. Las contribuciones académicas más populares siguen estando basadas en el algoritmo de "Sparse Pixel Vectorisation" (SPV), pero el trabajo reciente de Bartolo y otros es interesante porque describe el problema particular de extraer líneas de dibujos garabateados:
Dori, D. and Wenyin Liu. (1999) Sparse pixel vectorization: an algorithm and its performance evaluation, Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on , vol.21, no.3, pp.202-215
Bartolo A. Camilleri K.P. Fabri S.G. Borg J.C. (2008) "Line tracking algorithm for scribbled drawings," Communications, Control and Signal Processing, 2008. ISCCSP 2008. 3rd International Symposium on , vol., no., pp.554-559, 12-14
Para obtener una conversión de trazos en líneas apropiada, los trazos deben previamente agruparse y/o descomponerse del mismo modo en que lo hacen los humanos. Estas tareas, que están basadas en la percepción, se denominan sobretrazado y segmentación; aunque el intercalado también es importante para aquellos métodos que confían en la secuencia de dibujo. La estrategia común para resolver la segmentación es encontrar esquinas :
Ku D.C., Qin S.F. and Wright D.K. (2006) Interpretation of Overtracing Freehand Sketching for Geometric Shapes. WSCG’2006
Sezgin, T.M., Davis, R. (2008) Sketch recognition in interspersed drawings using time-based graphical models. Computers and Graphics 32 (5), pp. 500-510
Xiong, Y. and LaViola J. (2010) A ShortStraw-Based Algorithm for Corner Finding in Sketch-Based Interfaces, Computers and Graphics, 34(5):513-527
Nótese que interpretar el sobretrazado en los bocetos a mano alzada es un problema resuelto sólo para los bocetos que no contienen líneas auxiliares. Nosotros distinguimos diferentes tipos de sobretrazado: decoración (introducir sombras, texturas, etc.) shadows, textures and so on), pensar sobre la línea (pensaro sobre el diseño sin parar el proceso de rayado) y auto-corrección (percibir que la línea está siendo dibujada con errores y tratar de corregirla al vuelo). El sobretrazado por decoración transmite información extra (por ejemplo las curvaturas), mientras que los sobretrazados para pensar y auto-corregir deberían interpretarse como simples líneas:
Company P. and Varley P.A.C. (2009) Operating modes in actual versus virtual paper-and-pencil design scenarios. Intelligent User Interfaces (IUI) Workshop on Sketch Recognition, 2009.
Takeo Igarashi es uno de los contribuyentes más conocidos. Su programa TEDDY ha encontrado muchos usuarios (y muchos imitadores):
Igarashi T., Matsuoka S., Tanaka H. (1999) Teddy: a sketching interface for 3D freeform design. Proceedings of ACM SIGGRAPH ’99, Los Angeles, California 8-13, 409-416
Andre's El CrossSketch de Andre usa el método de las esquinas cúbicas de Perkins, el cual había sido usado previamente sólo para interpretar dibujos de fórmas analíticas. Liu y Lee han hecho algunas pequeñas mejoras sobre esta idea:
Alexis A., Suguru S. and Masayuki N. (2007) CrossSketch: freeform surface modeling with details SBIM '07 Proceedings of the 4th Eurographics workshop on Sketch-based interfaces and modeling
Liu Y. and Lee Y.T. (2010) 3D reconstruction of freeform shapes from 2D line drawings VRCAI '10 Proceedings of the 9th ACM SIGGRAPH Conference on Virtual-Reality Continuum and its Applications in Industry
El estado actual del arte en entrada de formas de ingeniería con curvas funcionales es probablemente el trabajo de Wang y otros, mientras que Roth-Koch y Westkaemper aportan algún entendimiento sobre su utilidad para el próposito de diseño de ingeniería :
Wang Y., Chen Y., Liu J. and Tang X. (2009) 3D Reconstruction of Curved Objects from Single 2D Line Drawings IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR 2009, pp. 1834-1841
Roth-Koch S. and Westkaemper E. (2010) The implementation of a sketch-based virtual product development. Prod. Eng. Res. Devel. 4:175–183
Hay dos líneas de investigación diferentes, que considerandibujos lineales en malla de alambres contra naturales.
En la malla de alambre, Marill fue el primero en utilizar métodos de optimización con el proposito de inflar. Después, Leclerc y Fischler introdujeron la formulación analítica y algunas regularidades detectadas en el dibujo de entrada. Lipson y Shpitalni mejoraron el método y dieron formulaciones consistentes para un conjunto de regularidades:
Marill T. (1991) Emulating the human interpretation of line-drawings as three-dimensional objects. Int. J. of Computer Vision; 6(2): 147-161.
Leclerc Y, Fischler M. (1992) An optimization-based approach to the interpretation of single line drawings as 3D wire frames. Int. J. of Computer Vision; 9(2): 113-136
Lipson H, Shpitalni M. (1996) Optimization-based reconstruction of a 3D object from a single freehand line drawing. Computer-Aided Design; 28(8): 651-663
tal como ya habían señalado Leclerc y Fischer, y Lipson y Shpitalni, el inflado basado en optimización no siempreproduce el modelo deseado. Por lo tanto, puede ser necesario algún tipo de pre y post inflado, o algún "refinado":
Company P, Contero M, Conesa J, Piquer A. (2004) An optimisation-based reconstruction engine for 3D modeling by sketching. Computers & Graphics; 28(6): 955-979
El etiquetado de líneas de Clowes-Huffman (catálogo de etiquetas) es una técnica bien establecida. El propósito original del etiquetado de líneas era como método de identificar y rechazar dibujos imposibles. Pero el etiquetado de líneas también tiene otros muchos usos. Por ejemplo, el etiquetado es una entrada útil para el inflado. Partiendo de métodos de etiquetado, Varley ha obtenido alguna solución práctica para la interpretación de dibujos lineales naturales recreando completamente las mallas de alambre. En un método alternativo, Suh modela el objeto como uniones e intersecciones de extrusiones:
Cloves M.B. (1971). On seeing things. Artificial Intelligence, 2, 76-116
Huffman D.A. (1971). Impossible objects as nonsense sentences. Machine Intelligence, 6, pages 295-323.
Varley P.A.C. Automatic Creation of Boundary-Representation Models from Single Line Drawings PhD Thesis, Department of Computer Science, Cardiff University, 2003.
Varley P.A.C., Martin R.R. and SuzukiH. (2005) Frontal Geometry from Sketches of Engineering Objects: Is Line Labelling Necessary? Computer Aided Design 37(12), 1285-1307
Suh Y.S.(2007) Reconstructing 3D Feature-Based CAD Models By Recognizing Extrusions From A Single-View Drawing, Proc. IDETC/CIE 2007)
La intención de diseño y el CAD han estado vinculados por mucho tiempo. Ya en 1989 la intención de diseño fue asociada con las restricciones de diseño y los métodos para manipular restricciones de diseño durante las actividades de diseño de productos (Kimura y Suzuki):
Kimura F. and Suzuki H. (1989) A CAD System for Efficient Product Design Based on Design Intent. CIRP Annals - Manufacturing Technology , 38 (1), 149-152.
Cuando la gente del CAD usa la palabra “diseño”, habitualmente quieren decir “modelo”, por tanto, intención de diseño equivale a diseño para el cambio. Sin embargo, nosotros entendemos intención de diseño como una mezcla de geometría, psicología e ingeniería (o forma, percepciçón y función).
Consequentemente, definimos intención de diseño como el conjunto de intenciones de los bocetos trasmitidas a traves de indicios, los cuales, cuando son percibidos, revelan regularidades o características del objeto:Company P. and Varley P.A.C. “Sketch Input of Engineering Solid Models” Eurographics 2011. Tutorial 2. Llandudno, April 11th 2011. Part 1 Part 2 Part 3 Part 4
Cuando la geometría domina, la intención de diseño se transmite principalmente a través de características geometricas, que ya han sido estudiadas como "regularidades":
Lipson H, Shpitalni M. (1996) Optimization-based reconstruction of a 3D object from a single freehand line drawing. Computer-Aided Design; 28(8): 651-663
Yuan S., Tsui L.Y., Jie S. (2008). Regularity selection for effective 3D objects reconstruction from a single line drawing. Pattern Recognition Letters 29 (10), 1486-1495
Li M., Langbein F.C. and Martin R.R.(2010) Detecting design intent in approximate CAD models using symmetry. Computer-Aided Design 42 (3) 183-201
Hacemos notar, de paso, que incluso los problemas más estudiados, como la clásica detección de caras en modelos de malla de alambre de objetos poliédricos, no están todavía completamente resueltos:
Markowsky G. and Wesley M.A. (1980). Fleshing Out Wire Frames, IBM Journal of Research and Development, 24(5) 582–597.]
Shpitalni M. and Lipson H. (1996). Identification of Faces in a 2D Line Drawing Projection of a Wireframe Object, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 18(10), 1000–1012.
Liu J. and Tang X. (2005). Evolutionary Search for Faces from Line Drawings, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 27(6), 861–872.
Varley P.A.C. and Company P. (2010) A new algorithm for finding faces in wireframes. Computer-Aided Design 42 (4), 279-309
Cuando domina la psicología replicar la percepción humana se convierte en una tarea desafiante, porque difícilmente entendemos como perciben los humanos. La información no incluida explícitamente en los dibujos se percibe a través de "indicios perceptivos" (en inglés "cues" o "clues"). Los fundamentos de la percepción de los indicios han sido estudiados por los psicólogos. el trabajo de Tversky puede aportar alguna luz y romper algunos falsos mitos. La gente interesada en los fundamentos de la percepción humana deberían leer también el libro de Palmer (más comprehensivo), o el de Hoffmman (más orientado hacia la aplicación "algorítmica") :
Palmer S.E. Vision Science, Photons to Phenomenology, Cambridge, MA: The MIT Press, 1999
Hoffmann D. Visual Intelligence. How we create what we see, New York: WW Norton & Company, 2000
Cuando domina la ingeniería la intención de diseño se transmite principalmente a traves de las "características ingenieriles". La gente interesada en éste ámbito, debería empezar leyendo el término "feature recognition" en Wikipedia. En breve, significa que deberíamos percibir taladros en lugar de agujeros cilíndricos, o redondeos, en lugar de superficies de mezcla :
Company P. and Varley P.A.C. (2010) A Method for Reconstructing Sketched Polyhedral Shapes with Rounds and Fillets. R. Taylor et al. (Eds.). Lecture Notes in Computer Science. Smart Graphics 2010 Proceedings. Volume 6133. 2010, pp 152-155
Producir modelos 3D desde dibujos de ingeniería con anotaciones es un problema abierto. Aunquje se han hecho algunos intentos de interpretar dibujos de ingeniería mezclados con anotaciones (por ejemplo Company y otros), el estado del arte en anotaciones bocetadas puede ser trazado desde el "clásico" Ladder, de Hammond y Davis, hasta el reciente MathPad de LaViola :
Company P., Aleixos N., Naya F., Varley P.A.C., Contero M. and Fernandez-Pacheco D.G. (2008) A New Sketch-Based Computer Aided Engineering Pre-Processor. Proc. Sixth Int. Conf. on Engineering Computational Technology. Civil comp Ltd. Paper-149.
Hammond T., and Davis R. 2003. Ladder: A language to describe drawing, display, and editing in sketch recognition. Proc. of the 2003 Int. Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI).
LaViola J. (2007) Advances in Mathematical Sketching: Moving Toward the Paradigm's Full Potential, IEEE Computer Graphics and Applications, 27(1):38-48
Las herramientas de Modelado basado en bocetos (SBM) se han desarrollado hasta cierto punto. Pero, los DISEÑADORES no utilizan todavía las herramientas SBM! Los estudios sobre usuarios aseveran que las herramientas SBM actuales son menos usables que los bocetos con papel y lápiz, y no poseen funcionalidades que los mejoren significativamente. Las interfases de usuario orientadas al modelado basado en bocetos se han desarrollado hasta cierto punto, pero necesitan más trabajo:
Johnson G., Gross M.D., Hong J. and Do E.Y. (2009) Computational Support for Sketching in Design: A Review. Foundations and Trends in Human–Computer Interaction. 2 (1), pp. 1–93
Quizá, Sculptris de “Dr Petter” es un ejemplo de éxito sobre lo que deberíamos estar buscando. Pero estamos lejos de la interface ideal. Algunos de los problemas principales están resumidos aquí:
Company P. and Varley P.A.C. (2009) Operating modes in actual versus virtual paper-and-pencil design scenarios. Intelligent User Interfaces (IUI) Workshop on Sketch Recognition, 2009.
Herramientas de implementación
Nosotros implementamos nuestras propuestas en C++. A tal fin, recomendamos el libro de Eckel. Además, usamos Microsoft Foundation Classes (Sí, una interface wysiwyg!) para experimentar nuestras ideas. Para ello, hemos encontrado muy útil el libro de Jones:
Eckel B. Thinking in C++. Volume one: introduction to standard C++. Prentice Hall. second edition, 2000.
Jones R.M. Introduction to MFC Programming with Visual C++. Prentice Hall, 2000.
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05.05.2011
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