whitepaper on 3g reverse modeling by rapidform

15
7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 1/15 Whit  e Paper: Do it Once! The Value of 3rd Generation, Parametric Modeling from 3D Scan Data M Chader 4/18/2008 This  paper  was  presented  at  the  SME  conference  Rapid  2008,  and  is  offered  through  the  Society of  Manufacturing Engineers. All rights reserved by the author. (G) 

Upload: ivan-savic

Post on 03-Apr-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 1/15

Whit   e Paper:

Do it Once!

The Value of 3rd Generation, Parametric

Modeling from 3D Scan Data

M Chader 4/18/2008 

This paper

 was

 presented

 at

 the

 SME

 conference

 Rapid

 2008,

 and

 is

 offered

 through

 the

 

Society of  Manufacturing Engineers.  All rights reserved by the author. 

(G) 

Page 2: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 2/15

 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 3: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 3/15

The Value of 3rd Generation, Parametric Modeling from 3D Scan Data

 Abstract  This paper discusses the state of  the art of  reverse engineering.  Non‐contact dimensional measurement 

tools such as  laser digitizers are used widely for  inspection  in the production environment.  However, 

industry has also embraced high‐density measurement tools for shape capture tasks during the design 

phase, to: 

•  capture conceptual design models, 

•  perform competitive analysis, 

•  document legacy

 parts

 and

 tooling,

 

•  define the spatial constraints into which a new part must fit. 

Each  of   these  uses  results  in  the  capture  of   physical  shape  into  a  CAD  model,  often  for  further 

engineering. What has historically been  called  “reverse  engineering”  might more  correctly have been 

called  “shape  capture”.  Beyond  the  shape or  envelope of   the  scanned  item,  very  little engineering 

information was captured  in  the  result.  The 2nd generation,  shape‐capture process provides  the CAD 

designer with little more than a shape template.  Many hours are spent to make a watertight mesh, then 

a  NURBS  model,  which  ultimately  are  only  templates  which  are  used  briefly,  then  discarded  in  the 

process of  creating the editable Solid or Parametric CAD model. 

CAD  is  the  language  to  describe  designs  throughout  industry.  A  new  third  generation  of   Reverse 

Engineering software enables the creation of  CAD‐useful, parametric entitles directly from the scan data 

(i.e., the point cloud).  3G modeling empowers the CAD designer to reference with  large point clouds, 

and from them, to construct CAD models using standard CAD tools.  The knowledge of  how a part is to 

be used drives the sequence  in which the CAD model  is created.  The CAD shapes and the sequence  in 

which they build upon each other yields more than  just the shape; the result embodies the engineering 

“Design Intent” in the CAD language of  the enterprise. 

We’ll explore

 where

 the

 second

 generation

 modeling

 techniques

 are

 well

 suited,

 and

 make

 a case

 for

 

the claim that:  If  the destination for scan data is a CAD model, the 3rd generation point‐processing tools 

yield more information, with less error, in a fraction of  the time required for previous techniques. 

 ________________________________________________________________________ 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 4: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 4/15

Late  in the 20th century,  the  industrial community received a new tool  for dimensional measurement: 

structured   light   was  employed  to  measure  range  and  dimension.  This  technology  has  been 

commercialized  into  a  class  of  measurement  instruments  commonly  called  3D  scanners  or  digitizers 

which collect many discreet range points from the surface of  scanned objects.  The aggregate of  multiple 

measurements describes the object’s shape,  from which any single dimension can be extracted.  This 

wealth of 

 dimensional

 data

 was

 unprecedented,

 and

 its

 adopters

 discovered

 what

 they

 had

 suspected:

 

What you don’t know CAN hurt you.  However, processing this wealth of  data required new methods to 

realize its advantages. 

Scott  Ackerson  is  an  industry  luminary,  trained  metrologist,  and  founder  of   a  laser  measurement 

equipment  company.  Ackerson  observed  that  the  speed  at  which  measurements  are  made  has 

increased by orders of  magnitude, from one dimension (or  linear distance) per minute  in the industrial 

revolution of   the 19th  century,  to  the  current day where we have  the means  to  capture  a  full  shape 

(millions of  dimensions) in less than a second.  The progress is illustrated in the following timeline. 

Figure 1:  Progress of  Dimensional Measurement (courtesy Scott Ackerson) 

More  recently,  industrial  CT  or  X‐Ray  machines  are  measuring  external  and  internal  geometry  in 

exquisite detail.  Of  course, these 3D measurement tools facilitate creation of  those organic, free flowing 

products that consumers demand.  But the measurement tools can’t do that alone.  Software tools are 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 5: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 5/15

needed to handle this flood of  data, and from  it, to create useful  information.  Just as digital cameras 

benefit  from  the  “digital  dark  room”  known  as  Adobe  Photoshop®,  3D  digitizers  needed  their  own 

enabling  software,  commonly  called  “Point‐processing”  software,  accepting  data  from  measurement 

devices ranging from single‐dimension tools  to full‐coverage measurement instruments. 

Point‐Processing

 software

 tools

 are

 generally

 built

 to

 fill

 one

 of 

 two

 needs:

 Modeling,

 or

 dimensional

 

inspection. 

Inspection compares scan data to the CAD model.  To confirm dimensional compliance, the data from 

the scanned subject is aligned and compared to a digital reference.  Often this reference is a CAD model. 

Modeling creates a digital model  – frequently a CAD model ‐‐ where none exists.  A digital model is 

created from the scans of  a physical part. Modeling can be segmented further, into the following types: 

•  Visualization models 

o  Models  for  display  and  communication  via  digital  media.  For  example,  visualization 

models allow

 a museum

 to

 show

 you

 its

 sculptures

 in

 3D

 via

 the

 web,

 and

 a film

 maker

 

to create a CG effect. 

•  Verbatim replication models 

o  Models destined  for fabrication back  into a physical part,  for which  little or no  further 

editing is needed to realize the end product. (e.g., medical prosthetics). 

•  Modeling for Reverse Engineering 

o  Modeling  to  capture  the  engineering  design  intent  (i.e.,  the  form,  individual  features 

and their functional  interrelationship), for  importation into the Computer Aided Design 

(CAD)  environment,  as  a  fully‐functional,  parametric,  solid  model.  These  are  often 

models supporting industrial manufacturing. 

This  paper  focuses  on  modeling,  and  describes  the  work  flow  of   point‐processing  alternatives  for 

creation of  these digital models. 

Design Continuum 

Let’s 

consider 

the 

design 

of  

consumer 

product, 

the 

Widget 

1000. 

simplified 

description 

of  

the 

process  to  create  our  new  hand‐held  widget  might  go  something  like  this: 

The concepts for the form of  our Widget 1000 might first appear as a series of  sketches offered up by 

the  industrial  designers,  from  which  some  few  favorite  designs  are  chosen.  Then  these  promising 

sketches might  be  recreated  as  foam models, painted  and  shown  to  focus  groups  for  their  opinion. 

From here,  the successful concept model  is given  to design engineers who dutifully  fire up  their CAD 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 6: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 6/15

systems  and  recreate  the  form,  while  installing  the  functional  bits;  mechanisms,  power  supply, 

electronics,  and  so  forth.  Along  the way  to  final  product,  tests  and  iterations  are made  on  both 

computer models (CAE, CAT) and physical models (RP models, prototypes, 1st articles, production parts.) 

Our Widget 1000 exists  in two alternate universes.  The physical domain holds parts, tooling, etc.; and 

the intangible

 digital

 realm

 includes

 scanned

 or

 computer

 graphic

 concept

 illustrations,

 CAD

 and

 FEA

 

models and ultimately production documentation, tooling designs, etc.  Throughout the design process, 

the Widget 1000 is improved by exercising it in both domains, but that is not the end of  it.  Even after 

the design  is complete and the Widget 1000  is  in production, the physical and digital domain are both 

used  each  time  the  dimensions  of   a  production  part  are  inspected  against  the  design  nominal  (the 

dimensioned and toleranced CAD model). 

MIT  calls  this  transition  between  the  physical  and  the  digital  realms  the  “design  continuum”.  This 

contemporary  approach  to  product  development  realizes  that  the  entire  product  life,  from 

conceptualization  through  production,  is  supported  by multiple  border   crossings between  the  digital 

domain and the physical. 

Design 

Continuum

Digital RealmProduct represented as 

•Sketches, 

•CAD models, FEA Models,

•Manufacturing Model dimensioned CAD w/ 

tolerances

Physical Realm

•Design Models

•Prototypes

•1st

Article•Tooling

•Production Parts

measurement

fabrication

 

Fig. 2, the Design Continuum 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 7: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 7/15

We use different  classes of   tools, depending on  in which direction we make our border crossing.  To 

create physical parts or tooling from digital models, we use  fabrication tools such as 3D printers or CNC 

machines.  Conversely, if  we want to move from a physical part to a digital model, we use dimensional 

measurement  tools ranging from the ruler to micrometers and calipers and CMMs to 3D Digitizers and 

industrial CT machines, to create our 3D digital models. 

Consider the early stage in a product’s life; the design stage. 

First of  all, starting a design with a “blank screen” is a myth.  Whether it’s a Widget 1000 or something 

else, all products are designed within design constraints, and these constraints are often dimensional. 

Whether a hand‐operated surgical instrument, a pump body casting or an aircraft cockpit; in each case 

the designer is constrained by dimensions.  Here the constraints are, the surgeon’s hand size and shape, 

the flange to which the pump will be mounted, and the shape and reach of  the pilot, respectively. 

Portable CMMs, 3D digitizers and  industrial CT machines have become powerful tools to fully describe 

the shapes  in question.  However,  these digitizing devices do not have  the  intelligence  to extract and 

partition the

 overall

 shape

 into

 discreet

 functional

 components,

 and

 they

 certainly

 cannot

 describe

 the

 

relationship of   the elemental  shapes as  they were  intended  in  the original design.  That  requires an 

understanding beyond  just the shape. 

Figure 3:  The brake drum and the birthday cake, similar shapes, but dramatically different design intent. 

Let’s  look at an example.  If  we  look at shapes above, there  is  little difference between a Brake Drum 

and a Birthday Cake.  Both are basically larger diameter cylinders with five smaller cylinders on top, and 

while they may have the same dimensions, there is no critical spatial relationship between the carefully 

placed candles.  Conversely,  there  is a very  specific  relationship between each of   the  lug bolts  to  the 

other  four  lug  bolts  and  to  the  drum’s  principle  axis  (e.g.,  all  on  a  common  circle,  separated  by  72 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 8: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 8/15

degrees,  etc.).  Anyone who  has  ridden  on  an  out‐of ‐round  tire will  recognize  the  criticality  of   the 

placement of   the  lug bolts around  the  spindle  center, but only because  the observer  is aware of   the 

context in which the five cylindrical shapes are used. 

This understanding of  the relationship of  those five lug bolts and the constraints on how they are placed 

is an

 example

 of 

 “DESIGN INTENT”.

 The

 knowledge

 of 

 the

 context

 in

 which

 the

 brake

 drum

 shape

 must

 

operate (e.g., the wheel must bolt to it, the drum must mount onto, and rotate about the spindle axis) 

and the function  it will perform  (e.g., provide a braking surface for the shoes to rub against, constrain 

the wheel, etc.) all mandate that the brake drum be designed a certain way.  Understanding this design 

intent,  and  redesigning  a  functional part  the way  the original design  engineer did,  is  the  essence of  

reverse engineering.  This is as opposed to simply making a verbatim copy in a new medium; a process 

more akin to translating than engineering. 

Physical to Digital Model, Two varieties Verbatim vs. Variable; when to use each 

So we’ve  identified two types of  models; a verbatim model and a reverse engineered, parametric CAD 

model, also called a solid model.  Both the verbatim and the parametric model have an important place. 

Verbatim Model The  Verbatim  model  is  useful  in  cases  where  the  model  will  be  treated  as  a  whole  (i.e.,  not 

deconstructed), and where  further processing  (editing)  is  limited.  Examples of  places where verbatim 

models are appropriate include applications like: 

•  Medical prosthetics and orthotics, where quality  is defined  the  fit of   the  shape of   the 

prosthetic  to  the  anatomy  of   the  patient,  and  little  or  no  editing  of   shape  data  is 

required. 

•  Sculptures, where an artist’s maquette may be enlarged to a  full‐sized bronze, but  for 

which only limited editing is required (e.g., simple edits like shell thickening, scale, etc.). 

•  Output to any fabrication device (3D printer or CNC machine) if  ‐‐ and  this is a BIG if   –evaluation of  the fabricated  part will not result in the need for further editing. 

As  a  rule, we  can  say  that  if   the model will not be edited  (beyond  simple  changes  like  scale),  then 

verbatim models are sufficient. 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 9: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 9/15

 Parametric Models, true Reverse Engineering If  we anticipate any changes to the engineered part from its current form, or if  we want to record and 

edit the part’s  form  in CAD, then parametric models are preferred.  Parametric models and CAD are 

the language of  the mechanical engineering profession, used throughout the design and manufacturing 

world to describe engineered parts’ shape and tolerances.  If  any changes will result to an engineered 

form, in nearly all cases they will be made in a CAD environment or documented there. 

Back  to our example,  suppose our brake drum undergoes either physical  testing or computer‐based 

engineering analysis, showing the need for a greater diameter for the lug‐bolt pattern.  No reasonable 

engineer would edit  the  scan data,  the polygon mesh or  the NURBS network.  That would be digital 

sculpting; and more aesthetic than analytical.  Rather the engineer will modify a single parameter in the 

CAD model:  the diameter of  the circle on which the lug bolts are laid‐out. 

Even if  change

 is

 not

 anticipated,

 a case

 can

 be

 made

 to

 document

 the

 part

 in

 the

 same

 way

 that

 the

 

enterprise documents the rest of  its engineered assets, maintaining a standardized set of  practices for 

dealing with these assets vs. developing new workflows for handling a new class of  digital model. 

So, when selecting which point processing tool, the question to ask is:  “Is this scan data to be the basis 

of  a CAD model?”  If  the answer is yes, then the means to capture shape AND the design intent should 

be considered; a 3rd generation modeler. 

Work  flow:  From Data to Documentation of  the Design Intent, Before we look at the workflow to get our CAD model from scan data, let’s define some terms. 

•  Point cloud: Consider scanning a sphere, the scanner will measure many discreet points that lay 

on the surface of  the sphere.  Each point is described by its X,Y and Z coordinates.  Collectively 

these points are commonly called a “point cloud”. 

•  NURBS Curves:  A plane crossing through our point cloud’s center will also intersect some of  the 

points on  the  surface.  If  we connect  these dots on  the plane with a Bezier curve, we have a 

circle.  Multiple cross sections will  result  in more circles that show  the extents of  our sphere. 

These curves

 are

 a data

 structure

 that

 is

 light

 enough

 to

 import

 into

 CAD

 and

 to

 be

 used

 as

 a 

shape template for CAD modeling. 

•  Polygon mesh:  If  we  start with our unconnected point  cloud,  and  connect  each point  to  its 

immediate neighbors with straight‐line vertices, we create many flat facets.  All together, these 

facets create a surface approximating a sphere (imagine a disco ball).  Like the point cloud, this 

polygon data structure is also heavy and has historically been handled poorly by most CAD and 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 10: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 10/15

CAM programs.  However,  it  is generally compatible with rapid prototyping and FEA software. 

•  NURBS Surface patch:  Finally if   – instead of  straight lines ‐‐ we use curves along the longitudinal 

and  latitudinal  directions  of   our  point  cloud,  and  lay  a  curved  patch  between  the  curves 

following the contour of  our points, we have described our sphere with relatively few patches. 

This is

 a much

 lighter

 and

 more

 CAD

‐friendly

 description

 of 

 our

 sphere,

 and

 compatible

 with

 

CAM programs.  However, once imported into CAD, the NURBS patches are largely uneditable in 

an analytic sense. 

Point clouds, NURBS curves and patches were the constructs  in the minds of  the pioneers of  point 

processing.  Next we’ll consider the work flow. 

1st  Generation Point  Processing Software The advent of  scan data was felt most profoundly  in the automotive design studios.  Prior to scanning, 

design studios would use CMMs mounted on large tables to collect the cross section of  a newly sculpted 

clay model of  the next Mustang or Eldorado.  These cross sections were brough into CAD and surfaced 

to create the tooling for the production stampings.  As the potential of   laser and white  light digitizers 

became apparent, the means to handle these large data sets became apparent, to create cross sections 

or surfaces that the CAD program could use for down‐stream processing. 

In 1992, a post graduate from the University of  Michigan named Kurt Skifstad introduced his PhD thesis 

as  a product  called  “Imageware”.  Imageware was  the  first  generation of  point‐processing  software 

tools, and

 it

 used

 a somewhat

 arcane

 workflow,

 but

 its

 mission

 was

 to

 make

 sense

 of 

 the

 data

 from

 3D

 

digitizers that were coming  into the market.  Imageware’s work‐flow  involves importing a point cloud. 

Next, cross‐sections (NURBS Curves) are extracted by dissecting the cloud with a series of  planes, then 

the curvature of  the points on the plane are approximated by a network of  Bezier curves.  These curves 

could be exported into the CAD, or alternatively, NURBS surfaces were created by lofting the curves, and 

exported into the recipient CAD programs. 

The CAD operator would  import either the curve networks or the NURBS surfaces  into CAD.  However, 

as we discussed, these  imported curves and patches represented the shape or envelope of  a part, but 

acted only as templates from which the CAD designer/engineer would remodel the part in CAD, thereby 

incorporating the design intent) 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 11: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 11/15

 

Fig 4:  First Generation modeling work flow.  Point cloud ‐> X sections ‐> Lofted NURBS Surfaces 

This  first generation process was far better than anything that had been available previously, and was 

reasonably successful  in  the market, but the process was  laborious and required expert knowledge of  

the software.  As a result, many service bureaus adopted Imageware and hired out their expertise for a 

dear price.

 

Generation 2, Rapid NURBS Surfacing Later  in  the 1990s digitizers were becoming more popular, but  still  the  tool of   specialists and  service 

bureaus.  It was clear that an easier process was desirable, and a second generation of  point‐processing 

tools arose to meet the need.  Companies such as Paraform, Geomagic, and Rapidform created tools to 

automate  the process of   creating CAD useful data.  Many did  so by  radically  changing  the workflow. 

Fig N: 2nd Generation work flow.  Point cloud ‐> Polygon Mesh ‐> “shrink wrapped” NURBS Surfaces 

The  second generation  (2G) process  starts with  the  same point  cloud.  But  instead of   creating  cross‐

sections,  a  polygon  surface  is  created  by  connecting  the  adjacent  points  with  linear  vertices  (i.e., 

tessellating points).  Now our cloud of  unconnected points has been converted  to a network of  small 

interconnected planes describing the shape of  the scanned surface.  It’s not quite as simple as it sounds. 

Typically,  significant  hand  work  is  involved  to  “clean  up”  scanning  anomalies.  Operations  like  hole‐

filling, smoothing, decimating, defeaturing, etc. are all part of  the process the operator must perform to 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 12: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 12/15

make a clean “watertight” polygonal mesh.  Without  this work  to perfect  the mesh,  the next  step of  

creating NURBS surfaces will reproduce anomalies, and exhibit other problems rendering them useless. 

This perfected polygon mesh  format  (often exported as an STL model)  is adequate  for tasks  like  rapid 

prototyping or 3D printing.  However, conversion to NURBS  is still necessary  for many CAM  (CNC tool 

path generator

 programs)

 and

 for

 import

 into

 CAD,

 as

 the

 mesh

 data

 set

 was

 often

 heavier

 than

 the

 

original point cloud representation.  So an additional process is applied whereby a NURBS patch network 

is fitted to the surface.  Simply put, NURBS surfaces use a quilt of  curved sided patches to approximate 

the topology of  the mesh surface.  When generated automatically, these patches look more like a cargo 

net stretched over the surface than the orderly feature‐based patches that a CAD designer would make. 

But  they  are  quickly  created  and  are  imported  easily  into  CAD  –  again  to  act  as  a  template  for  the 

ultimate goal; the parametric model. 

Some  2nd‐generation  tools  also  support  the  means  to  lay  out  the  patch  network  by  hand,  yielding 

patches that more closely follow the CAD features.  But these are still usually free‐form patches (dumb 

shapes) rather

 than

 parametric

 features.

 Further,

 there

 is

 none

 of 

 the

 definition

 of 

 relationships

 (e.g.,

 

all lug bolts on a single circle with a parametrically defined diameter). 

This 2G process  is not completely open  loop, but errors often remained hidden  for multiple steps.  To 

see  if   the CAD model  is within  tolerance,  the operator must complete many  intermediate operations, 

and sometimes use several software packages before getting feedback on whether the target tolerance 

has been achieved between  the  scan data and  the  final CAD model.  Since  the  feedback  loop was  so 

large, the time to detect and correct errors is large as well. 

Users observed that this process seemed  like a  lot of  extra work.  Why would one go to all the extra 

effort to make a clean, watertight Polygon model, then a NURBS surface model, to ultimately  just use 

them as

 templates

 and

 start

 on

 a third

 CAD

 model

  –discarding

 the

 first

 two,

 and

 potentially

 introducing

 

undetected errors along the way?  Again, the need was clear for a better way. 

Generation  3,  Full  parametric  solid  model  directly  from  scan  data In retrospect, an obvious question arises:  If  you need a CAD model, why not make a parametric CAD 

model directly  from the scan data? 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 13: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 13/15

This question  is  answered  in  the  third  generation  (3G) modelers  that  provide discreet  editable CAD 

entities from the scan data, and a full description of  the sequence in which they are modeled, describing 

the relationship of  the various entities. 

Rapidform XOR®  from  INUS Technology  is an example of  a product providing all essential elements of  

3G. XOR

 has

 two

 kernels,

 one

 for

 handling

 copious

 data

 (i.e.,

 point

 clouds,

 polygons

 and

 surfaces):

 and

 

the other,  the  industry‐standard Parasolid® modeler  for creating  the CAD model.  XOR displays both 

data  sets on  the  screen  in  the  same  coordinate  space providing native CAD  features derived directly 

from scan data. 

As a CAD designer creates the features  in sequence, he explicitly establishes the relationship between 

various  features,  like  the  lug  bolts  in  our  brake  drum  example.  These  parent/child  and  sibling 

relationships  are  recorded  in  the  familiar history  tree  format used  in  such popular CAD modelers  as 

Unigraphics NX®, Pro/E®, SolidWorks® and CATIA®.  Since nearly all the major CAD applications use a 

parametric,  history‐based  approach,  the  commands  and parent‐child  relationships  established  in  the 

history  tree  in  XOR  are  transferred  to  the  CAD  application,  recreating  the  entire  part  model  with 

modeling history  intact.  An observer watching the  import process  is  impressed to see each command 

executed automatically, sequentially and quickly  – as though some invisible CAD wizard was modeling at 

break‐neck speed. 

This is the time for a Caveat Emptor (let the buyer beware).  Any software claiming to be a 3rd 

generation modeler will be able to: 1) tolerate noisy, imperfect and incomplete scan data, and not 

propagate anomalies like waves or noise into the CAD model (the goal is: imperfect scans in, perfect 

CAD models out); and 2) export constrained parametric shapes, the commands  AND history tree.  This is 

the important distinction of  3G, instead of  exporting only shapes, 3G modelers export the sequence of  

native CAD commands as well as their associated shapes. 

To provide the shapes, even in parametric CAD‐like primitives, without the constraints (you want those 

lug bolts parallel don’t you?), and the association between the shapes as described in the history tree is 

only a partial answer. (You want those lug bolts parallel right? And concentric with a single parametric 

radius, right?).  Without these constraints and relationships, the CAD designer must still remodel the 

part in the recipient CAD environment, falling short of  the promise of  3G:  a native, fully functional 

parametric model for parametric CAD like UG NX, Pro/E and Solidworks©. 

The 

benefits 

of  

3

rd 

Generation 

modeling 

are 

many, 

but 

the 

most 

important 

are: 

•  Time Savings. 

o  By removing the need to create the mesh and surface models, benchmarks have 

shown that 3G modelers create the resultant native CAD model in less than 1/3 

of   the  time  required  for  2nd  generation methods  (often much  less).  That  is 

intuitively obvious; if  you can avoid creating two extra models, you save at least 

2/3 of  the time of  2G methods. 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 14: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 14/15

 

•  Higher Accuracy: 

o  3G  modelers  support  multiple  measurement  tools.  By  accommodating 

measurement  tools  in  addition  to  the  scanner  (e.g., CMM,  calipers, pin  gage, 

etc.),  the modeler  can provide  tighter  tolerances  for  critical  features  than  the 

scanner alone

 could

 hold.

 

o  Feedback of   any deviations between  the CAD  feature  and  the point data  are 

quickly revealed using the whisker plots and color maps showing deviations, lack 

of  tangency, etc. 

o  Easily correctable.  Even if  a discrepancy is discovered downstream from when it 

was made, the history‐based modeler allows the operator to “roll back” to the 

step  in  question,  correct  the  mistake,  and  see  the  correction  automatically 

propagate through subsequent modeling steps. 

•  Quick learning curve for CAD users: 

o  The use of  common CAD tools and methods reduces the learning curve for users 

familiar with CAD modeling. 

•  Excellent CAD models from marginal scan data 

o  2G processes require perfect mesh models.  Not so in 3G.  Imperfect, noisy or 

incomplete scan data is generally sufficient to interpolate features, obviating 

the need to spend time cleaning, and giving excellent results from less than 

perfect scan data.  Because the feedback is so immediate, any feature modeled 

beyond the user‐set tolerances is immediately apparent. 

By creating  full history‐based, parametric models directly  from scan data, and by enabling the user to 

immediately describe the interrelationship of  the features being modeled, 3G modeling does more than 

translate a physical shape into a digital template.  3G modeling is true reverse engineering, resulting in a 

parametric solid model that embodies the design intent, is fully functional, editable and compatible with 

the enterprise’s databases and processes. 

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Page 15: Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

7/28/2019 Whitepaper on 3G Reverse Modeling by Rapidform

http://slidepdf.com/reader/full/whitepaper-on-3g-reverse-modeling-by-rapidform 15/15

White Paper: 3rd

 Generation Parametric Modeling from 3D Scan Data (F)  Martin Chader 

Conclusion: 

In  conclusion,  scanners and digitizers are enabling  technologies  for manufacturing, but  require point‐

processing software to realize their potential.  When used for modeling, digitized data is well served by 

second generation tools for verbatim models and appearance models.  When scan data of  engineered 

parts is

 destined

 to

 become

 a CAD

 model,

 3rd

 generation

 tools

 offer

 compelling

 benefits

 of 

 saved

 time

 

and superior results.