Можно ли ускорить САПР в 200 раз?

Японская корпорация Fujitsu, известная широкой публике своими мониторами и ноутбуками, за которыми скрывается образ третьего в мире (после IBM и HP) глобального поставщика ИТ-услуг для бизнеса, недавно удивила мировую САПР-общественность пресс-релизом о выпуске новой версии САПР iCAD V7, которая должна поступить в продажу до конца 2010 г.

По данным компании, новая версия iCAD будет основана на САПР-процессоре («движке», CAD engine), совместно разрабатываемом компаниями Fujitsu и iCAD Limited. Этот процессор будет в 200 раз превосходить производительность существующих трехмерных САПР, позволяя обрабатывать один миллион деталей за 0.2 секунды, что открывает возможность работы с большими сборками, включающими в себя сразу механические, электрические и управляющие спецификации.

В пресс-релизе дается следующее пояснение методу, лежащему в основе существующих движков: он основан на представлении трехмерных тел небольшими участками поверхности, аппроксимирующими их форму. Видимо, речь идет о представлении куска математической поверхности мозаичной моделью - треугольной сеткой лежащих на поверхности точек; эта структура данных лежит в основе методов графической визуализации (рендеринга), т.е. отображения трехмерных моделей в двумерную картинку на плоскости монитора. Как справедливо отмечается в пресс-релизе, для больших сборок такое представление трехмерной модели существенно увеличивает объем обрабатываемых данных.

Разрабатываемый Fujitsu движок использует принципиально новый метод, основанный на представлении большинства деталей с помощью математических выражений, что позволяет существенно уменьшить требуемый объем памяти для их представления. Комментируя эту новость, остановимся на двух ее аспектах: технологическим и историческом.

Обработка больших сборок

С точки зрения технологии, проблема обработки (прежде всего – визуализации) больших сборок действительно является чрезвычайно актуальной для разработчиков САПР. Производители профессиональных графических процессоров (GPU), таких как NVIDIA Quadro, сегодня могут предложить устройства, способные визуализировать до 300 млн. треугольников в секунду. С учетом того, что за секунду надо сгенерировать несколько десятков кадров (для создания эффекта непрерывно меняющегося изображения при навигации пользователя по трехмерной модели), размер модели ограничен несколькими миллионами треугольников. Зная, что триангулированная модель реактивного двигателя состоит из 1.4 млн. треугольников, несложно прийти к выводу, что визуализировать весь самолет на современной технике просто невозможно.

Однако, дело обстоит не так уж плохо, и пользователи профессиональных САПР это отлично знают. Ведь с какой стороны не смотри на самолет, сразу весь миллиард его треугольников не разглядишь, поэтому нет смысла визуализировать их одновременно. Общим местом современных САПР является возможность выбора уровня детализации при работе с большими сборками. Например, тот же двигатель при визуализации в сборке самолета может быть представлен лишь геометрией своего кожуха, а также (для корректности физических расчетов) информацией о массе, центре масс, материалах и т.п. И вместо 1.4 млн. треугольников вполне хватит нескольких тысяч для визуализации его внешней формы. Варьируя уровень детализации (например, SolidWorks автоматически выставляет минимальный уровень детализации при выполнении пользователем команд масштабирования, панорамирования, вращения), можно работать со сборками любой сложности с приемлемым уровнем производительности.

Кроме того, давно известны методы компактного представления сложных поверхностей, состоящие в их аппроксимации поверхностями подразделения. Поверхность подразделения (англ. subdivision surface), по сути, является той же сеткой, состоящей из многоугольников, уровень детализации которой может рекурсивно увеличиваться применением к ней алгоритма «обрезания углов». Тем самым из небольшого количества базовых точек можно получить вполне гладкое и реалистичное тело, которое иначе пришлось бы представить огромных числом треугольников. Из известных реализаций этого метода упомянем компанию Right Hemisphere с ее продуктом Deep Exploration, который позволяет существенно уменьшить размер сложной трехмерной модели при ее передаче от сервера к клиенту.

Но разработчики Fujitsu, похоже, взяли за основу другую идею, о сути которой, конечно, мы может только догадываться. Представление большинства деталей в виде математических выражений, видимо, означает переход от треугольной сетки к гибридной модели, в которой наряду с треугольниками присутствуют примитивы типа «брус», «цилиндр», «сфера» и т.п., объединяя и пересекая которые можно исчерпывающим образом описать геометрию многих промышленных деталей. Алгоритм трассировки луча (лежащий в основе многих методов рендеринга) может вполне эффективно справляться с такого рода моделями. Специалисты компании ЛЕДАС обладают многолетним успешным опытом разработки (по заказу одного из ведущих САПР-вендоров) достаточно близкого по смыслу проекта, связанного с обработкой гибридных трехмерных моделей, сочетающих треугольные сетки и твердотельные геометрические примитивы. Наши результаты и опыт свидетельствуют, что для такого типа больших и сверхбольших моделей, достижение интерактивной производительности вполне реально, особенно с использованием современных GPU. Вполне возможно, что специалисты Fujitsu пришли к тому же выводу и решили воплотить его в грядущем программном продукте.

Но что это за продукт и когда вообще 50-миллиардная корпорация начала заниматься разработкой собственной САПР?

Fujitsu и CAD: историческая справка

Прежде всего, разберемся с тем, что такое система iCAD, седьмая версия которой ожидается до конца 2010 г. Поиски в Интернете привели к японской компании Digital Process Ltd. (DIPRO), которая специализируется на разработке и продаже решений CAD/CAM/CAE/PDM. Основанная в 1987 г. как подразделение Nissan Motor, в 2000 г. компания перешла под 100% контроль Fujitsu. Среди продуктов Digital Process есть трехмерная САПР ICAD/SX, основной особенностью которой как раз является быстрый отклик при проектировании больших сборок, благодаря использованию оригинальной CSG-технологии. ICAD/SX способна обрабатывать сборки, содержащие сотни тысяч деталей на 32-битных персональных компьютерах с 2 Гб оперативной памяти.

(Заметим, что CSG, или конструктивная твердотельная геометрия, подразумевает представление объемного тела в виде набора геометрических объемных примитивов, соответствующих размеров и положений в пространстве, которые связаны между собой булевыми операциями. Видимо, CSG-представление как раз и позволяет эффективно визуализировать модели без их полной триангуляции, что вполне согласуется с нашей догадкой.)

22 октября 2009 г. на японской промышленной конференции NATIONAL AUTOMOTIVE DIGITAL ENGINEERING CONFERENCE 2009 (которая впервые прошла за пределами Японии – в малазийском городе Путраджая) Fujitsu представила DIPRO ICAD V6, о которой утверждалось, что система способна оперировать более 400 тыс. деталями в одном окне. Стоимость DIPRO ICAD в Японии составляет 1380 тыс. иен (примерно 15 тыс. долларов США).

В этом месте можно было бы остановиться, но генетические связи Fujitsu с миром САПР столь прочны, что не упомянуть их хотя бы вкратце будет неправильно. Когда американская аэрокосмическая корпорация Lockheed разработала знаменитую CADAM - одну из первых в мире коммерческих систем автоматизации черчения с помощью компьютера – она заключила соглашение с компанией IBM о ее продаже по всему миру. Эта часть истории всем хорошо известна: в 1989 г. IBM получила права на разработку CADAM, а в 1992 г. продала соответствующее подразделение в Dassault Systemes (что позволило последней основать Dassault Systemes of America Corp. и выпустить CATIA-CADAM V4, систему, которая до сих пор находит широкое применение в авиакосмической и автомобильной промышленности и поддерживается Dassault).

Но была и вторая, менее известная часть этой истории: тогда же в 1970-х Lockheed заключила соглашение с Fujitsu о продажах CADAM в Японии. Более того, когда Lockheed решила избавиться от непрофильного CADAM-бизнеса, основным кандидатом в покупатели рассматривалась именно Fujitsu, т.к. в то время она занималась сборкой IBM-совместимых мейнфреймов и успешно продавала работающую на них систему CADAM в Японии. Однако, в последний момент сделка между Lockheed и Fujitsu сорвалась, и CADAM отошла к IBM. Передав права на разработку CADAM в Dassault, IBM оставила себе ряд смежных активов (MICRO CADAM, IBM CAD и P-CAD), преобразовав их в компанию ALTIUM (позднее переименованную в Microcadam).

Продажей MICRO CADAM в Японии по-прежнему занималась компания Fujitsu, и когда в 1995 г. на этой платформе была выпущена система твердотельного моделирования Helix, Fujitsu стала продавать и ее. Helix была инновационной для своего времени системой: сделанная на основе геометрического движка Designbase от Ricoh и параметрического движка DCM от D-Cubed, она обладала способностью распознавать конструктивную концепцию модели в процессе ее построения и автоматически конвертировать ее в набор геометрических и размерных ограничений. Причем двумерные чертежи в этой системе ассоциативны в обе стороны с трехмерной моделью: править можно и то, и другое, а система автоматически будет поддерживать целостность данных. Ярко сверкнув на небосклоне САПР трехмерной звездой, Helix набрала базу из 90 тыс. пользователей по всему миру к 2000 г., после чего IBM решила свернуть Microcadam-бизнес в Европе и Америке, где он мешал ей продавать CATIA. А в Азии эта система живет до сих пор, доказательством чему служит ее присутствие в списке продуктов на японском сайте Fujitsu.

Таким образом, Fujitsu имеет за плечами более чем 30-летнюю историю продажи разных САПР в Японии, что позволяет ей проводить мероприятия типа Fujitsu PLM User Forum 2010 и оставаться одним из ведущих поставщиков САПР/PLM на японском рынке, который так отличается от мирового.

Кстати, взаимоотношения Fujitsu и САПР напоминают аналогичный роман немецкого концерна Siemens (который вышел на САПР/PLM рынок в 2007 г. после поглощения UGS Corp.), но никакой связи между японской и немецкой корпорациями нет: образованная в 1999 г. на паритетных началах компания по выпуску компьютерной техники Fujitsu-Siemens десять лет спустя перешла под 100% контроль Fujitsu.