Geometrische Datenverwaltung in CAD-Datenbanken

Ludwig-Maximilians-Universität München
Institut für Informatik
Lehr- und Forschungseinheit für Datenbanksysteme

University of Munich
Institute for Computer Science
Database and Information Systems

Geometrische Datenverwaltung in CAD-Datenbanken

Schwerpunkt

Die Entwicklung, Fertigung und Wartung moderner Maschinenbauprodukte ist eine kostenintensive und komplexe Aufgabe. In heutigen Fahrzeug- oder Flugzeugprojekten belegen tausende bis millionen von CAD-Dateien Terabytes an verteiltem Sekundär- und Tertiärspeicher. In diesem Projekt entwickeln wir Techniken zur effektiven und effizienten Verwaltung umfangreicher Geometriedaten. Die verwendeten Verfahren werden dabei in realen Industrieumgebungen evaluiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt im Bereich der Kollisions- und Abstandsanfragen für den Digital Mockup und im Bereich der Ähnlichkeitssuche auf großen CAD-Datenbanken.

Verfahren

Repräsentation und Approximation dreidimensionaler Oberflächen und Körper
CAD-Bauteile werden typischerweise mit einer hohen geometrischen Präzision modelliert und eingesetzt. In diesem Projekt werden Algorithmen entwickelt und untersucht, die geometrische CAD-Daten über eine Menge von Grundkörpern approximieren. In CAD-Datenbanken dienen diese Repräsentationen als geometrische Schlüssel.

Mehrstufige geometrische Anfragebearbeitung
Konservative Approximationen der CAD-Modelle werden in einer Datenbank abgelegt und ermöglichen uns, geometrische Anfragen wie Kollisions- oder Abstandsanfragen in einem mehrstufigen Verfahren zu bearbeiten. Dabei wählt ein effzienter und vollständiger Filter lediglich einen kleinen Teil der Bauteile aus der CAD-Datenbank aus, die für exakte Geometrie-Untersuchungen in den Hauptspeicher geladen werden müssen.

Räumliche Indexstrukturen für objekt-relationale Datenbanksysteme
Geometrische CAD-Daten können mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen effizient auf dem Sekundärspeicher verwaltet werden. Diese unterstützen die mehrstufige Anfragebearbeitung und tragen daher maßgeblich zur Beschleunigung von geometrischen Anfragen für den Digital Mockup und die Ähnlichkeitssuche bei. In diesem Projekt entwickeln wir Indexstrukturen, die sich einfach in handelsübliche objekt-relationale Datenbanksysteme integrieren lassen.

Geometrie-Datenbanken im Zusammenspiel mit Engineering Data Management
Geometrische CAD-Datenbanken müssen über ihren räumlichen Anfrageprozessor an Engineering Data Management Werkzeuge angebunden werden. Nur so ist sichergestellt, daß geometrische CAD-Daten unternehmensweit verfügbar sind und konsistent gehalten werden. Dazu statten wir unsere geometrische Datenverwaltung mit Standardschnittstellen wie SQL oder Standard-Dateiformaten aus.

Anwendungen

Kollisions- und Abstandsanfragen für Anwendungen des Digital Mockup
Werkzeuge für den Digital Mockup benötigen einen einfachen und effizienten Zugriff auf alle relevanten CAD-Dateien eines bestimmten Produktes oder einer Produktfamilie. Kollisions- und Abstandsuntersuchungen erfordern mit unserem Ansatz nicht mehr zeitintensive Batch-Läufe über die gesamte Datenbank. Stattdessen setzen wir einen effizienten Filter ein, der nur relevante Bauteile in den Hauptspeicher lädt.

Geometrische Ähnlichkeitssuche
Das Ziel der Ähnlichkeitssuche ist es, die hohen Entwicklungs- und Produktionskosten neuer Bauteile durch die Verwendung bestehender Bauteile zu reduzieren. Wir haben ein Prototypsystem S3 entwickelt, mit dem Techniken für die Verwaltung und Auffindung zweidimensionaler Geometrien untersucht werden können. Diese Techniken sollen auf dreidimensionale Anwendungen erweitert werden.

Laufende Forschungssarbeiten

Dynamische Anfragebearbeitung für für interaktive Systeme
Räumliche Indexstrukturen ermöglichen eine effiziente Verwaltung von Millionen von Objekten einer sehr großen virtuellen Umgebung. Die Darstellung oder Weiterverarbeitung eines Ausschnitts dieser virtuellen Umgebung, z.B. für visuelles oder haptisches Rendering, kann mit Hilfe der räumlichen Indexstrukturen effizient unterstützt werden. Im Gegensatz zu statischen Bereichsanfragen von CAD-Bauteilen benötigen derartige Anwendungen Sequenzen von räumlichen Anfragen. Diese Anfragen haben typischerweise einen räumlichen Bezug zueinander und können mit Hilfe der dynamischen Anfragebearbeitung effizient unterstützt werden. Das Ziel der dynamischen Anfragebearbeitung ist die Unterstützung von Echtzeit-Simulationen zur Exploration großer virtueller Umgebungen mit Hilfe von geometrische CAD-Datenbanken.

Kompressionstechniken für effiziente Anfragebearbeitung
Die konservative Approximation von räumlichen Objekten durch eine Voxelmenge entwickelt insbesondere bei hohen Auflösungen einen grossen Speicherbedarf, was lange Anfragezeiten zur Folge hat. Datenkompression ist eine elegante Methode, die hohen I/O-Kosten zu senken, wobei wir besonders darauf achten, einen guten Kompromiss zwischen I/O- und CPU-Kosten zu finden. Ausserdem beschäftigen wir uns mit der Frage, welcher Grad an Redundanz am besten für hochaufgelöste räumliche Objekte geeignet ist.

Geometrische Ähnlichkeitssuche in 3D-Daten
Wir arbeiten an einem industriellen Prototyp namens BOSS (Browsing OPTICS-Plots for Similarity Search). BOSS basiert auf dem Ansatz, Ähnlichkeitsmodelle mit dem hierarchischen Clustering-Algorithmus OPTICS zu evaluieren. BOSS ist ein interaktiver Browser, der Erreichbarkeitsplots, die von OPTICS berechnet werden, auf benutzerfreundliche Weise zusammen mit passenden Cluster-Repräsentanten anzeigt. Diese klare Darstellung unterstützt den Benutzer bei der zeitraubenden Suche nach ähnlichen Teilen in großen Datenbanken, die 3D-CAD-Objekte enthalten.

Mitarbeiter

Prof. Dr. Hans-Peter Kriegel (Projektleitung)
Stefan Brecheisen
Peter Kunath
Martin Pfeifle
Matthias Renz

Ehemalige Mitarbeiter

Partner

Veröffentlichungen

Zeitschriften- und Tagungsbeiträge

Relational Interval Tree (Executive Summary & Technical Presentation)

Projekt- und Diplomarbeiten

Homepages: DBS Institut LMU

Bei Problemen oder Vorschlägen wenden Sie sich bitte an: wwwmaster@dbs.informatik.uni-muenchen.de
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	Repräsentation und Approximation dreidimensionaler Oberflächen und Körper CAD-Bauteile werden typischerweise mit einer hohen geometrischen Präzision modelliert und eingesetzt. In diesem Projekt werden Algorithmen entwickelt und untersucht, die geometrische CAD-Daten über eine Menge von Grundkörpern approximieren. In CAD-Datenbanken dienen diese Repräsentationen als geometrische Schlüssel.
	Mehrstufige geometrische Anfragebearbeitung Konservative Approximationen der CAD-Modelle werden in einer Datenbank abgelegt und ermöglichen uns, geometrische Anfragen wie Kollisions- oder Abstandsanfragen in einem mehrstufigen Verfahren zu bearbeiten. Dabei wählt ein effzienter und vollständiger Filter lediglich einen kleinen Teil der Bauteile aus der CAD-Datenbank aus, die für exakte Geometrie-Untersuchungen in den Hauptspeicher geladen werden müssen.
	Räumliche Indexstrukturen für objekt-relationale Datenbanksysteme Geometrische CAD-Daten können mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen effizient auf dem Sekundärspeicher verwaltet werden. Diese unterstützen die mehrstufige Anfragebearbeitung und tragen daher maßgeblich zur Beschleunigung von geometrischen Anfragen für den Digital Mockup und die Ähnlichkeitssuche bei. In diesem Projekt entwickeln wir Indexstrukturen, die sich einfach in handelsübliche objekt-relationale Datenbanksysteme integrieren lassen.
	Geometrie-Datenbanken im Zusammenspiel mit Engineering Data Management Geometrische CAD-Datenbanken müssen über ihren räumlichen Anfrageprozessor an Engineering Data Management Werkzeuge angebunden werden. Nur so ist sichergestellt, daß geometrische CAD-Daten unternehmensweit verfügbar sind und konsistent gehalten werden. Dazu statten wir unsere geometrische Datenverwaltung mit Standardschnittstellen wie SQL oder Standard-Dateiformaten aus.

	Dynamische Anfragebearbeitung für für interaktive Systeme Räumliche Indexstrukturen ermöglichen eine effiziente Verwaltung von Millionen von Objekten einer sehr großen virtuellen Umgebung. Die Darstellung oder Weiterverarbeitung eines Ausschnitts dieser virtuellen Umgebung, z.B. für visuelles oder haptisches Rendering, kann mit Hilfe der räumlichen Indexstrukturen effizient unterstützt werden. Im Gegensatz zu statischen Bereichsanfragen von CAD-Bauteilen benötigen derartige Anwendungen Sequenzen von räumlichen Anfragen. Diese Anfragen haben typischerweise einen räumlichen Bezug zueinander und können mit Hilfe der dynamischen Anfragebearbeitung effizient unterstützt werden. Das Ziel der dynamischen Anfragebearbeitung ist die Unterstützung von Echtzeit-Simulationen zur Exploration großer virtueller Umgebungen mit Hilfe von geometrische CAD-Datenbanken.
	Kompressionstechniken für effiziente Anfragebearbeitung Die konservative Approximation von räumlichen Objekten durch eine Voxelmenge entwickelt insbesondere bei hohen Auflösungen einen grossen Speicherbedarf, was lange Anfragezeiten zur Folge hat. Datenkompression ist eine elegante Methode, die hohen I/O-Kosten zu senken, wobei wir besonders darauf achten, einen guten Kompromiss zwischen I/O- und CPU-Kosten zu finden. Ausserdem beschäftigen wir uns mit der Frage, welcher Grad an Redundanz am besten für hochaufgelöste räumliche Objekte geeignet ist.
	Geometrische Ähnlichkeitssuche in 3D-Daten Wir arbeiten an einem industriellen Prototyp namens BOSS (Browsing OPTICS-Plots for Similarity Search). BOSS basiert auf dem Ansatz, Ähnlichkeitsmodelle mit dem hierarchischen Clustering-Algorithmus OPTICS zu evaluieren. BOSS ist ein interaktiver Browser, der Erreichbarkeitsplots, die von OPTICS berechnet werden, auf benutzerfreundliche Weise zusammen mit passenden Cluster-Repräsentanten anzeigt. Diese klare Darstellung unterstützt den Benutzer bei der zeitraubenden Suche nach ähnlichen Teilen in großen Datenbanken, die 3D-CAD-Objekte enthalten.