Personal tools
You are here: Home Prezentace Další Import STL modelu do aplikace ANSYS Workbench
Document Actions

Import STL modelu do aplikace ANSYS Workbench - Design Modeler

by Vyčichl Jan last modified 2009-04-06 14:43

Článek se věnuje problematice importu STL modelu do modulu Design Modeler softwaru ANSYS Workbench [1]. Popisuje jednu z možných cest jak importovat STL model do uvedeného modeláře s využitím několika dostupných aplikací. Proces je demonstrován na modelu pánevní kosti.

Autor

Ing. Jan Vyčichl, ÚTAV AV ČR,v.v.i., Prosecká 76, 190 00 Praha 9, vycichl@itam.cas.cz

Anotace

Článek se věnuje problematice importu STL modelu do modulu Design Modeler softwaru ANSYS Workbench [1]. Popisuje jednu z možných cest jak importovat STL model do uvedeného modeláře s využitím několika dostupných aplikací. Proces je demonstrován na modelu pánevní kosti.

Annotation

The article the deals with process of importing STL model to Design Modeler of ANSYS Workbench. This is one of the possible way how to import STL model to this modeler. Process is demonstrated on example with the model of pelvic bone.

Úvod

V rámci grantového projektu Biomechanická analýza mikropohybů a uvolnění cementovaných acetabulárních implantátů, který řeší oddělení biomechaniky ÚTAM ve spolupráci s 1. lékařskou fakultou UK, bylo nutno vyřešit problém s importem geometrického modelu pánevní kosti ve formátu STL do aplikace ANSYS Classic a ANSYS Workbench. Geometrický model pánevní kosti je vytvořen pomocí metod rekonstrukce virtuálního 3D modelu ze sekvence segmentovaných CT snímků. V současnosti není pro tuto tvorbu geometrického modelu vhodnější formát než STL. ANSYS Classic ani ANSYS Workbench nepodporují import formátu STL, a to nás staví před problém, jak takovéto geometrické modely bezproblémově načítat v co možná nejlepší kvalitě do ANSYSu tak, aby je bylo možno dále upravovat. Tento článek se věnuje postupu importu geometrického modelu v STL formátu do aplikace ANSYS Workbench. Postup importu geometrického modelu v STL formátu do aplikace ANSYS Clasic byl popsán v příspěvku Micka M., Vyčichl J., Tvorba modelu přilby z 3D skenování, 15. ANSYS Users' Meeting, 2007 Lednice.

Vytvoření STL modelu

Vytvoření geometrického modelu pánevní kosti se skládá z několika kroků. Nejdříve je nutno upravit zdrojová data CT snímky (Computed Tomography) pro proces segmentace. Sekvence 240-ti CT snímků je upravena pomocí různých metod zpracování obrazu (Image Processing). Takto upravená data jsou podrobena automatickému procesu segmentace, kdy dojde k odlišení námi hledané tkáně (pánevní kosti) od tkáně okolní. Výsledkem tohoto procesu je opět sekvence snímků, tentokráte však binárních, na kterých je hledaná tkáň prezentována černou barvou a okolní tkáně barvou bílou.
Pro generaci geometrického modelu lze využít dvou odlišných postupů. Prvním z nich je Volume-Based metoda. Ta spočívá v definování polygonu na hranici hledané tkáně pro každý snímek ze sekvence, což vytvoří vrstevnicový model hledané tkáně. Na takovémto modelu je pak vygenerována plocha popisující povrch hledané tkáně. Druhým postupem je Voxel-Based metoda. Ta pracuje se základním stavebním kamenem digitálního obrazu a to je pixel. Pokud pixel reprezentuje hledanou tkáň metoda vygeneruje voxel o rozměrech pixelu v rovině snímku a o výšce, která je dána vzdálenosti snímků (řezů). Celkový objem hledané tkáně vznikne sloučením těchto základních prvků. Metoda dále umožňuje jednoduchou úpravu povrchu takto vzniklého objemu. Výsledkem obou postupů je geometrický model povrchu pánevní kosti, který je exportován do datového souboru ve formátu STL. Uvedený postup byl na našem oddělení zautomatizován pomocí jazyka Python a vnitřních knihoven VTK.

Úprava STL modelu

Datový soubor ve formátu STL (binární i ascii) obsahuje seznam trojúhelníků umístěných v prostoru, které definují povrch objektu. Každá položka seznamu obsahuje souřadnice tří bodů definujících daný trojúhelník a směr normály určující jeho orientaci. Soubor v binárním STL formátu s povrchem modelu pánevní kosti byl načten do 3D animačního softwaru Blender [2] pomocí vnitřní funkce Import (Obrázek 2). V GUI rozhraní tohoto softwaru lze daný model zobrazit z libovolného pohledu a pomocí jednoduchých funkcí upravovat jeho geometrii. Prvním krokem by však měla být kontrola a případné odstranění duplicity bodů v celém modelu. To lze provést pomocí funkce Remove Doubles v modu dovolujícím editaci sítě modelu (Edit Mode) (Obrázek 3). Každý trojúhelník může být totiž definován právě třemi body, které patří jen jemu a ty nejsou využity pro definici okolních trojúhelníků. Důsledkem je chybějící vazba mezi sousedními trojúhelníky a vysoká paměťová náročnost celého modelu. Odstraněním duplicity bodů se tak vyřeší oba tyto problémy. Vytvořené vazby umožní jednodušší úpravu modelu a menší počet bodů zas dovolí pohodlnější a rychlejší práci s modelem. V uvedeném modu softwaru Blender (Edit Mode) lze provést pomocí jednoduchých funkcí i zmíněné úpravy geometrie problematických míst modelu, přičemž na samý závěr je vhodné model vyhladit a provést optimalizaci sítě a následně jednoduše uložit jako STL soubor pomocí funkce Export.
Jelikož povrch modelu definuje velké množství malých trojúhelníků (stovky tisíc) je tento geometrický model naprosto nevhodný pro tvorbu sítě a výpočty pomocí metody konečných prvků (MKP). Proto je nutno povrch upravit (radikálně snížit počet trojúhelníků definujících povrch - na stovky) pomocí takzvaného „procesu decimace povrchu“. K tomu byl využit software NetGen [3] (Obrázek 4), do kterého byl načten upravený model pánevní kosti ve formátu STL. Při tomto načtení je automaticky provedena kontrola sítě definující povrch a uživatel je upozorněn na veškeré problémové nebo chybové části v síti. Pokud model vykáže nějakou abnormalitu, doporučujeme vrátit se k upravě geometrie a provést opravu problematické části v softwaru Blender a poté znovu načtení do NetGenu.
Decimaci povrchu sítě provedeme pomocí vnitřní funkce Mesh, kterou nastavíme pomocí formuláře Meshing options následovně. V položce First step zvolíme hodnotu Analyze Geometry a v položce Last step hodnotu Optimize Surface. Dále v položce Mesh granularity lze zvolit hustotu nově generované sítě. Po provedení funkce Mesh vyexportujeme zjednodušenou síť definující povrch modelu do nového STL souboru.

Konverze SLT do ACIS

Jedním z formátů definujících geometrii modelu, který software ANSYS Workbench podporuje, je formát ACIS (*.sat). K převodu modelu pánevní kosti z formátu STL do formátu ACIS byla užita aplikace Mesh To Solid společnosti SYCODE [4] (Obrázek 5). Datový soubor v formátu ACIS lze načíst přímo do Design Modeleru softwaru ANSYS Workbench (Obrázek 6), a s využitím všech dostupných funkcí modeláře včetně booleovských operací (Obrázek 7) ho lze dále upravovat.

Závěr

V článku byl popsán postup importu geometrického modelu v STL formátu do modeláře Design Modeler softwaru ANSYS Workbench. Postup se skládá z více kroků. Několik doporučených úpravy STL modelu zajišťuje kvalitní a optimální rozvržení povrchové sítě finálního geometrického modelu a uvedený převod z STL formátu do formátu ACIS (*.sat) je v současnosti nejvhodnější možností jak STL model importovat do modeláře Design Modeler softwaru ANSYS Workbench. V tomto modeláři je možno importovaný model dále upravovat nebo doplňovat i s využitím náročných booleovských operací.

Poděkování

 Tato práce vznikla za podpory GAAV IAA200710504 Biomechanická analýza mikropohybů a uvolnění cementovaných acetabulárních implantátů.

Literatura

  1. ANSYS Workbench - www.ansys.com
  2. Blender - www.blender.org
  3. NetGen - www.hpfem.jku.at/netgen
  4. Mesh to Solid - www.sycode.com/products/mesh_to_solid
Files
M08-Vycichl.pdf   731.6 kB 
Links

Powered by Plone CMS, the Open Source Content Management System

This site conforms to the following standards: