Кіріспе

Кеңістікті ұяшықтарға бөлу. Желілік генерация – үздіксіз геометриялық кеңістікті дискретті геометриялық және топологиялық ұяшықтарға бөлу процесі. Көбінесе бұл ұяшықтар симплициалды кешен құрайды. Әдетте, ұяшықтар геометриялық кіріс доменін бөліп жатады. Желілік ұяшықтар үлкен доменнің дискретті жергілікті жуықтамалары ретінде қолданылады. Желілер компьютерлік алгоритмдер арқылы жасалады, көбінесе доменнің күрделілігіне және қажетті желі түріне байланысты GUI арқылы адамның басшылығымен. Типикалық мақсат – жоғары сапалы (дұрыс пішінделген) ұяшықтары бар, кіріс доменінің геометриясын дәл бейнелейтін және келесі есептеулерді қиындатпайтын желі құру. Желі, сондай-ақ, келесі есептеулер үшін маңызды аймақтарда ұсақ (кіші элементтері бар) болуы керек. Желілер компьютер экранында көрсету үшін және шекті элементтер әдісі немесе есептеу сұйықтық динамикасы сияқты физикалық модельдеу үшін қолданылады. Желілер үшбұрыштар сияқты қарапайым ұяшықтардан тұрады, себебі, мысалы, үшбұрыштарда шекті элементтер есептеулері (инженерия) немесе сәулелерді іздеу (компьютерлік графика) сияқты операцияларды қалай орындауды білеміз, бірақ осы операцияларды күрделі кеңістіктер мен пішіндерде, мысалы, жол көпірінде тікелей орындау мүмкін емес. Көпірдің беріктігін модельдеуге немесе оны компьютер экранында көрсетуге әр үшбұрыш бойынша есептеулер жасап және үшбұрыштар арасындағы өзара әрекеттесуді есептеу арқылы болады. Құрылымдық және құрылымдық емес желілер арасында маңызды айырмашылық бар. Құрылымдық желіде желі элементтер арасындағы байланыспен бірге тұрақты тор, мысалы, массив болып табылады. Құрылымдық емес желіде элементтер бір-бірімен ретсіз үлгіде байланысып, күрделі домендерді бейнелеуге мүмкіндік береді. Бұл бетте негізгі назар құрылымдық емес желілерге берілген. Желі үшбұрыштардан тұруы мүмкін, бірақ желі құру процесі нүктелік үшбұрыштаудан өзгеше, себебі желі құруда кірісте жоқ төбелерді қосу мүмкіндігі қарастырылады. CAD модельдерін сызу үшін "фацеттеу" (үшбұрыштау) да төбелерді қосуға бірдей мүмкіндік береді, бірақ мақсат – пішіннің мүмкіндігінше аз үшбұрышпен дәл бейнеленуі және жеке үшбұрыштардың пішіні маңызды емес. Компьютерлік графикада текстураларды және реалистік жарықтандыру жағдайларын көрсету үшін желілер қолданылады. Көптеген желілік генерация бағдарламалық жасақтамалары кірісін анықтайтын CAD жүйесімен және шығысын алу үшін модельдеу бағдарламалық жасақтамасымен байланыстырылған. Кіріс әртүрлі болуы мүмкін, бірақ ең көп қолданылатындары: қатты модельдеу, геометриялық модельдеу, NURBS, B-rep, STL немесе нүктелік бұлт.

Терминология

"Тор жасау", "тор құру", "торлау" және "торға бөлу" терминдері жиі бір-бірін алмастырып қолданылады, бірақ қатаң айтқанда соңғы екеуі кеңірек және торды жақсартуды қамтиды: торды жылдамдық немесе дәлдік үшін сандық есептеулер орындалатын нөлде өзгерту. Компьютерлік графика және математикада тор кейде тесселяция деп аталады. Тордың жақтары (элементтер, объектілер) олардың өлшемдеріне және тордың қолданылу контексіне байланысты әртүрлі атаулармен аталады. Шекті элементтер әдісінде ең жоғары өлшемді тор элементтері "элементтер", "қабырғалар" 1D және "түйіндер" 0D деп аталады. Егер элементтер 3D болса, онда 2D объектілер "беттер" болады. Есептеу геометриясында 0D нүктелері "төбелер" деп аталады. Тетраэдрлер көбінесе "теттер" деп қысқартылады; үшбұрыштар "трис", төртбұрыштар "квадтар" және гексаэдрлер (топологиялық кубтар) "гекстер" деп аталады.

Техникалар

Көптеген тор жасау техникалары Делоне үшбұрышының принциптеріне негізделген, сондай-ақ Руперттің алгоритмі сияқты төбелерді қосу ережелерімен бірге қолданылады. Ерекшелігі – бүкіл кеңістік үшін бастапқы жалпы тор жасалады, содан кейін төбелер мен үшбұрыштар қосылады. Ал, алдыңғы фронт алгоритмдері домен шекарасынан басталып, ішкі кеңістікті толтыратын элементтерді біртіндеп қосады. Гибридтік техникалар екі әдісті де қолданады. Алдыңғы фронт техникаларының бір түрі сұйық ағыны үшін жұқа шекаралық қабаттарды құрайды. Құрылымдық тор жасауда, бүкіл тор – бұл тұрақты торлардың торлы графигі сияқты, мысалы, шаршылардың реттелген торы. Блоктық құрылымдық торлауда домен үлкен аймақтарға бөлінеді, олардың әрқайсысы құрылымдық тор болып табылады. Кейбір тікелей әдістер блоктық құрылымдық тордан басталып, содан кейін кіріс деректерге сәйкес торды өзгертеді; "Поликубқа негізделген автоматты гексаэдрлік тор жасау" деген мақалаға қараңыз. Тағы бір тікелей әдіс – домен шекарасы бойынша құрылымдық жасушаларды кесу; "Маршинг кубтарына негізделген мүсіндеу" деген мақалаға қараңыз. Кейбір торларды жасау басқаларына қарағанда әлдеқайда қиын. Жақын торлар текше торларға қарағанда жасауға оңайырақ. Маңызды санат – белгілі бір төртбұрышты бетке сәйкес келетін гексаэдрлік торды жасау; зерттеудің бір саласы – тетрагональды трапецоэдр сияқты нақты шағын конфигурациялардың торларының болуын және жасалуын зерттейді. Бұл мәселенің қиындығына байланысты, жақсы геометриялық іске асыру мәселесінен бөлек, комбинаторлық гексаэдрлік торлардың болуы зерттелді. Белгілі алгоритмдер кепілдік берілген ең төменгі сапамен жақын торларды жасайды, бірақ мұндай кепілдіктер текше торлар үшін сирек кездеседі, және көптеген танымал іске асырулар кейбір кіріс деректерден кері (ішкі беті сыртқа қараған) гексаэдрлерді жасайды. Торлар көбінесе жұмыс станцияларында тізбектей жасалады, тіпті кейіннен тор бойынша есептеулер суперкомпьютерлерде параллель түрде орындалса да. Бұл екі себепке байланысты: көптеген тор жасаушылар интерактивті болып табылады, және тор жасау уақыты әдетте шешуші уақытқа қарағанда аз. Алайда, егер тор бір тізбектей машинаның жадына сыймаса немесе симуляция барысында торды өзгерту (жаңарту) қажет болса, тор параллель түрде жасалады.

Дифференциалдық теңдеу әдістері

Алгебралық әдістер сияқты, дифференциалдық теңдеу әдістері де торларды жасау үшін қолданылады. Қисма дифференциалдық теңдеулерді (ҚДТ) пайдаланудың артықшылығы – тор жасау теңдеулерінің шешімін желі құру үшін пайдалану мүмкіндігі. Тор құрылысын қисма дифференциалдық теңдеулердің барлық үш класын қолдана отырып жүзеге асыруға болады.

Параболалық схемалар

Шешу әдісі гиперболалық ПДЭ-лерді шешу тәсіліне ұқсас, шешімді бастапқы деректер бетінен, шеткі шарттарды қанағаттандыратын жаққа қарай жылжыту арқылы жүзеге асырылады. Накамура (1982) және Эдвардс (1985) параболалық тор жасаудың негізгі идеяларын дамытты. Бұл әдіс Лаплас немесе Пуассон теңдеуін қолданады, әсіресе эллипстік мінез-құлықты басқаратын бөліктерге ерекше назар аударады. Бастапқы мәндер беттегі нүктелердің координаттары түрінде беріледі, ал шешімдер объектінің сыртқы бетіне қарай жылжытылады, бұл ретте шеттеріндегі шеткі шарттар орындалады. Тор аралығын басқару әзірге ұсынылмаған. Накамура мен Эдвардс біркелкі емес аралықтарды қолдану арқылы торды басқаруды жүзеге асырды. Параболалық тор жасаудың гиперболалық тор жасауға қарағанда артықшылығы бар: соққылар немесе үзілістер пайда болмайды және тор салыстырмалы түрде тегіс болады. Бастапқы мәндерді анықтау және тор нүктелерін басқару үшін қадам өлшемін таңдау уақытты көп алады, бірақ осы техникалар таныс болу және тәжірибе жинаған кезде тиімді болуы мүмкін.

Вариациялық әдістер

Бұл әдіс тордың тегістігін, ортогоналдығын және көлемін өзгеруін азайтуға бағытталған техниканы қамтиды. Бұл әдіс тор жасау мәселелерін шешу үшін математикалық база құрайды. Бұл әдісте әр итерациядан кейін жаңа тор арқылы баламалы тор жасалады және кері айырма әдісін қолданып тор жылдамдығы есептеледі. Бұл техника - торға қатысты теңдеулерді шешуге күш-жігер жұмсауды талап ететін, бірақ тиімді әдіс. CPU уақытын азайту үшін интегралдарды азайту бойынша қосымша жұмыстар жасау қажет.

Құрылымсыз желілік генерация

Бұл схеманың басты маңызы – ол желілерді автоматты түрде жасау әдісін ұсынады. Осы әдісті пайдалану арқылы торлар элементтің бетіне сәйкес блоктарға бөлінеді және тиісті байланыс қамтамасыз ететін құрылым құрылады. Деректер ағынын түсіндіру үшін шешім табушы (solver) қолданылады. Құрылымсыз схема қолданылғанда, басты назар пайдаланушының талабын қанағаттандыру болып табылады және осы міндетті орындау үшін желілік генератор қолданылады. Құрылымдық схемада ақпарат желіден желіге емес, ұяшықтан ұяшыққа сақталады, сондықтан көбірек жад кеңістігі қажет. Кездейсоқ ұяшықтардың орналасуына байланысты, құрылымдалмаған схемада шешім табушының тиімділігі құрылымдалған схемамен салыстырғанда төмендеуі мүмкін. Желі құрылысын жасау кезінде ескеру қажет болатын бірнеше мәселе бар. Жоғары ажыратымдылықтағы тор нүктесі құрылымдық және құрылымсыз схемалар үшін қиындық тудырады. Мысалы, шекаралық қабат жағдайында құрылымдық схема ағыс бағытында созылған желіні жасайды. Ал құрылымсыз торлар шекаралық қабатта жоғары ұяшық тығыздығын қажет етеді, себебі ұяшық қателерді болдырмау үшін мүмкіндігінше дұрыс көпбұрышты болуы керек. Есептеу желісінде ұяшықты және оның барлық көршілерін анықтау үшін қандай ақпарат қажет екенін анықтауымыз керек. Құрылымсыз желі үшін біз кез келген жерге кездейсоқ нүктелерді орналастыра аламыз. Нүктелерді енгізу схемасы нүктелерді тәуелсіз түрде енгізу үшін қолданылады және ұяшықтың байланысы анықталады. Бұл нүктелер енгізілген кезде анықталады дегенді білдіреді. Жаңа байланыс орнату логикасы нүктелер енгізілгеннен кейін анықталады. Желілік торды анықтайтын тор нүктесін құрайтын деректер қажет. Әрбір ұяшық құрылған кезде нөмірленеді және нүктелер сұрыпталады. Сонымен қатар, көрші ұяшық туралы ақпарат қажет.

Адаптациялық тор

Алдыңғы әдістерді қолдана отырып, дербес дифференциалдық теңдеулерді шешудегі мәселе – желі физикалық кеңістікте құрылып, нүктелер шешімнің толық мәліметтері белгілі болғанға дейін таратылады. Сондықтан, тор берілген есеп үшін ең тиімді болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін. Шешімдердің дәлдігін жақсарту үшін бейімделу әдістері қолданылады. Егер торды ұсарту қолданылса, бұл әдіс ‘h’ әдісі деп аталады, егер тор нүктелерінің саны өзгермей, қайта таратылмаса, ‘r’ әдісі, ал шешім схемасының дәрежесі шекті элементтер теориясында арттырылса, ‘p’ әдісі деп аталады. Тең үлестіру схемасын қолдана отырып, көп өлшемді есептерді әртүрлі тәсілдермен шешуге болады. Ең оңай түсінілетіні – диффузиялық жиынтық қажетті жасуша көлемінің еселігі ретінде белгіленген, салмақтық функцияның тең үлестірілуіне негізделген басқару функциясы бар Пуассон тор генераторлары. Тең үлестіру схемасын құрылымдалмаған есептерге де қолдануға болады. Мәселе – тор нүктелерінің қозғалысы өте үлкен болса, байланыс қиындықтар тудырады. Осы бейімделу әдісі арқылы тұрақты ағынды және уақыт бойынша дәл есептеулерді шешуге болады. Тор тұрақты ағынды есепке бейімделу үшін, алдын ала белгіленген итерациялар санынан кейін ұсартылады. Шешім конverгенцияға келгеннен кейін, тор өзгерістерге бейімделуді тоқтатады. Уақыт бойынша дәл есептеу үшін физикалық есептің дербес дифференциалдық теңдеулерін және тордың қозғалысын сипаттайтын теңдеулерді біріктіру қажет.

Ұяшықтың топологиясы

Әдетте жасушалар көпбұрышты немесе көпжақты болып келеді және доменді бөлетін тор құрайды. Екі өлшемді элементтердің маңызды кластарына үшбұрыштар (жарасымды элементтер) және төртбұрыштар (топологиялық квадраттар) жатады. Үш өлшемде ең көп қолданылатын жасушалар тетраэдрлер (жарасымды элементтер) және гексаэдрлер (топологиялық кубтар) болып табылады. Жарасымды элементтердің торлары кез келген өлшемде болуы мүмкін, және үшбұрыштар (2D) мен тетраэдрлер (3D) олардың маңызды мысалдары болып табылады. Кубикалық торлар – бұл төртбұрыштарды (2D) және гексаэдрлерді (3D) қамтитын көп өлшемді категория. 3D кеңістікте 4 жақты пирамидалар мен 3 жақты призмалар аралас жасушалы конформды торларда кездеседі.

Ұяшықтың өлшемі

Желі әдетте екі немесе үш өлшемді болатын геометриялық кеңістікке енгізілген, бірақ кейде уақыт өлшемін қосу арқылы өлшем бірге арттырылады. Жоғары өлшемді торлар арнайы жағдайларда қолданылады. Бір өлшемді торлар да пайдалы. Маңызды бір санаты – беттік торлар, олар қисық беттерді бейнелеу үшін 3D кеңістікке енгізілген 2D торлар.

Дуальділік

Дуальді графиктердің тор жасауда бірнеше маңызды рөлі бар. Делоне үшбұрышты симпликациялық торды дуализациялау арқылы полиэдрлі Вороной диаграммасының торын құруға болады. Беттердің орналасуын жасап, қиылысу графигін екіге бөлу арқылы кубтық торды жасауға болады; кеңістіктік бұрылыс континуумін қараңыз. Кейде бір симуляцияда бастапқы тор және оның дуальді торы бірге қолданылады; Ходж жұлдызы операторын қараңыз. Бұл дивергенция және керл (математика) операторларын қамтитын физикалық құбылыстардан туындайды, мысалы, ағын және айналу немесе электр және магнетизм, онда бір айнымалы табиғи түрде бастапқы беттерде, ал оның қарсы айнымалысы дуальді беттерде орналасады.

Пайдалану бойынша тордың түрі

Шекті элементтерге арналған талдау үшін жасалған үш өлшемді торлар тетраэдрлерден, пирамидалардан, призмалардан немесе гексаэдрлерден тұруы тиіс. Шекті көлем әдісінде қолданылатындар кез келген көпбұрыштардан құралуы мүмкін. Шекті айырмашылықтар әдісінде қолданылатындар гексаэдрлердің бөліктік құрылымды массивтерінен тұрады, олар көп блокты құрылымды торлар деп аталады. 4 жақты пирамидалар гексаэдрлерді тетраэдрлермен конформды түрде байланыстыру үшін пайдалы. 3 жақты призмалар нысанның ішкі бөлігіне сәйкес келетін шекаралық қабаттар үшін қолданылады. Жер беті торлары компьютерлік графикада пайдалы, онда нысандардың беттері жарықты шағылыстырады (сондай-ақ беткі шашырау) және толық 3D тор қажет емес. Жер беті торлары сондай-ақ автоөндірістегі тоншақ металл және архитектурадағы ғимараттардың сыртқы жағын модельдеу үшін қолданылады. Жоғары (мысалы, 17) өлшемді кубикалық торлар астрофизика және іс тізбесі теориясында кең таралған.

Математикалық анықтамасы және нұсқалары

Тордың нақты анықтамасы қандай? Барлық жағдайларда қолданылатын жалпыға бірдей қабылданған математикалық сипаттама жоқ. Дегенмен, кейбір математикалық объектілер анық түрде тор болып табылады: симплекстік кешен – симплекстерден құралған тор. Көптеген полиэдрлік (мысалы, кубикалық) торлар конформды, яғни олар CW кешенінің жасушалық құрылымын иеленеді, бұл симплекстік кешеннің жалпылауы. Тор симплекстік болуы міндетті емес, өйткені жасушаның кездейсоқ түйіндерінің жиынтығы міндетті түрде жасушаны құрамайды: мысалы, төртбұрыштың үш түйіні жасушаны анықтамайды. Алайда, екі жасуша жасушалар арқылы қиылысады: мысалы, төртбұрыштың ішінде түйін болмайды. Екі жасушаның қиылысуы бірнеше жасушалардан тұруы мүмкін: мысалы, екі төртбұрыш екі жиекті ортақ пайдалануы мүмкін. Қиылысудың бір жасушадан артық болуы кейде тыйым салынады және көбінесе қажет емес; кейбір торды жақсарту техникаларының (мысалы, «жастықтау») мақсаты – осы конфигурацияларды жою. Кейбір жағдайларда топологиялық тор мен геометриялық тор арасында айырма жасалады, олардың енгізілуі белгілі бір сапа критерийлеріне сәйкес келеді. CW кешендері емес, маңызды торлардың түрлеріне конформды емес торлар жатады, онда жасушалар қатаң түрде бетке қарай орналаспайды, бірақ жасушалар доменді бөліп жатады. Мысалы, октауды келтіруге болады, онда элементтің беті көршілес элементтердің беттерімен бөлінуі мүмкін. Мұндай торлар ағынға негізделген есептеулер үшін пайдалы. Үстіне орналасқан торларда бірнеше конформды торлар болады, олар геометриялық тұрғыдан бірін-бірі жабады және доменді бөле бермейді; мысалы, Overflow, OVERset grid FLOW шешушісін қараңыз. Желісіз немесе желісіз әдістер деп аталатын әдістер көбінесе доменнің желіге ұқсас дискретизациясын пайдаланады және үстіне жабысатын қолдауы бар негізгі функцияларды иеленеді. Кейде әрбір есептеу еркіндік дәрежесінің нүктесінің жанында жергілікті тор құрылады, және бұл торлар бірін-бірі жапсарып, конформды болмауы мүмкін. Жас тікелей үшбұрыштар дельта кешеніне негізделген: әрбір үшбұрыштың қабырғаларының ұзындығы және беттік қабырғалар арасындағы байланыс картасы. (толықтырыңыз)

Жоғары деңгейдегі элементтер

Көптеген торлар сызықтық элементтерді қолданады, онда абстракті элементтен нақты элементке келу сызықтық болып табылады, ал тордың қабырғалары түзу кесінділер болып табылады. Жоғары дәрежелі полиномиалдық келулер жиі қолданылады, әсіресе квадраттық. Жоғары дәрежелі элементтердің басты мақсаты – домен шекарасын дәл көрсету, бірақ олар тордың ішкі бөлігінде де дәлдік артықшылықтарына ие. Кубикалық торларды қолдану себептерінің бірі – сызықтық кубикалық элементтердің квадраттық симплекстік элементтермен салыстырғанда бірдей сандық артықшылықтары бар. Изогеометриялық талдау симуляциясы техникасында домен шекарасын қамтитын тор ұяшықтары сызықтық немесе полиномиалдық жуықтаудың орнына CAD ұсынысын тікелей пайдаланады.

Тордың жақсаруы

Торды жақсарту оның дискретті байланысын, ұяшықтарының үздіксіз геометриялық орнын немесе екеуін де өзгертуді қамтиды. Дискретті өзгерістер үшін, үшбұрышты элементтер үшін шеттер ауыстырылып, түйіндер қосылады/алынып тасталады. Сол сияқты операциялар кубикалық (төртбұрыш/алтыбұрыш) торлар үшін де жасалады, бірақ мүмкін болатын операциялардың саны аз және жергілікті өзгерістердің жаһандық салдары болады. Мысалы, алтыбұрышты тор үшін екі түйінді біріктіру алтыбұрыш емес ұяшықтарды құрайды, бірақ төртбұрышта диагональды қарама-қарсы түйіндер біріктірілсе және бұл бүкіл бетпен байланысқан алтыбұрыш бағанасын құлатуға тараса, қалған барлық ұяшықтар әлі де алтыбұрыш болады. Адаптивті торды тазарту кезінде, есептеліп жатқан функцияның градиенті жоғары болатын аймақтарда элементтер бөлінеді (h тазарту). Сондай-ақ, тиімділік үшін торлар қалыңдатылып, элементтер алынып тасталады. Көпторлық әдіс сандық шешімді жылдамдату үшін тазарту мен қалыңдатуға ұқсас амалдар жасайды, бірақ нақты торды өзгертпейді. Үздіксіз өзгерістер үшін түйіндер жылжытылады немесе жоғары өлшемді беттер элементтердің полиномдық дәрежесін өзгерту арқылы жылжытылады. Түйіндерді сапаны жақсарту үшін жылжыту "тегістеу" немесе "r тазарту" деп аталады, ал элементтердің дәрежесін арттыру "p тазарту" деп аталады. Түйіндер сонымен қатар нысандардың пішіні уақыт өте келе өзгеретін симуляцияларда жылжытылады. Бұл элементтердің пішінін нашарлатады. Егер нысан жеткілікті деформацияланса, бүкіл нысан қайта тігіледі және ағымдағы шешім ескі тордан жаңа торға көшіріледі.

Практикалаушылар

Бұл сала математика, информатика және инженерлік ғылымдардан алынған үлестермен тығыз байланысты, пәнаралық сипатқа ие. Meshing R&D дискретті және үздіксіз математика мен есептеулерге тең назар қадағалаумен ерекшеленеді, мысалы, есептеу геометриясындай, бірақ графтар теориясынан (дискретті) және сандық талдаудан (үздіксіз) өзгеше. Тор құру сырттай қарағанда оңай болғанымен, шындығында қиын: адамға белгілі бір нысанға тор жасау қалай жүзеге асырылатынын көру оңай, бірақ компьютерге кез келген енгізу деректері үшін дұрыс шешімдерді қабылдауға бағдарламалау қиын. Табиғатта және адам жасаған заттарда геометрияның шексіз көптеген түрлері кездеседі. Көптеген тор құру зерттеушілері алғаш рет торларды қолданушылар болды. Тор құруға қатысты зерттеулерге әлі де кең назар, қолдау және қаржыландыру қарастырылуда, себебі торды жасауға жұмсалатын адам күші, дайын тор негізінде есептеуді орнату және шешуге жұмсалатын уақыттан әлдеқайда көп. Бұл жағдай сандық модельдеу және компьютерлік графиканың пайда болған сәтінен бері қалыпты, себебі компьютерлік жабдық пен қарапайым теңдеулерді шешетін бағдарламалық құралдардың жетілдірілуіне байланысты адамдар үлкен және күрделі геометриялық модельдерге көбірек қызығушылық танытып, жақсырақ нәтижелерге, ғылыми түсініктерге және көркемдік өрбуге ұмтылуда.