BrepGen：一種基於結構化潛在幾何的 B-rep 生成式擴散模型

Core Concepts

BrepGen 是一種新穎的生成式 AI 方法，可以直接輸出邊界表示 (B-rep) 的電腦輔助設計 (CAD) 模型，超越了以往基於草圖和擠出的方法，能夠生成包含自由曲面和雙曲面的複雜幾何形狀。

Abstract

論文資訊

• 標題：BrepGen：一種基於結構化潛在幾何的 B-rep 生成式擴散模型
• 作者：Xiang Xu, Joseph G. Lambourne, Pradeep Kumar Jayaraman, Zhengqing Wang, Karl D.D. Willis, and Yasutaka Furukawa
• 期刊：ACM Transactions on Graphics
• 時間：2024 年 7 月

研究目標

本研究旨在開發一種可以直接生成邊界表示 (B-rep) 電腦輔助設計 (CAD) 模型的生成式 AI 方法，以克服現有方法的局限性，例如僅限於草圖和擠出建模操作，無法生成包含自由曲面和雙曲面的複雜幾何形狀。

方法

BrepGen 使用一種新穎的結構化潛在幾何表示法，將任何 B-rep 模型轉換為樹狀資料結構。樹的根節點表示整個 CAD 實體，而子節點則定義每個面、邊和頂點的全局位置和局部幾何形狀。局部幾何形狀使用沿 UV 域均勻採樣的點網格來表示，並使用變分自動編碼器 (VAE) 壓縮成潛在代碼。拓撲關係則透過節點複製來編碼，包括「配對複製」和「關聯複製」。配對複製確保共享的邊和頂點在樹中有多個節點，而關聯複製則將每個父節點的子節點數量填充到預定的最大分支因子。

BrepGen 採用基於 Transformer 的擴散模型，從根節點到葉節點依序對節點特徵進行去噪。在去噪過程中，具有相似特徵的節點會被檢測並合併，以恢復 B-rep 拓撲資訊。最後，透過將修剪後的曲面拼接在一起，直接輸出 B-rep 格式的 CAD 模型。

主要發現

• BrepGen 能夠生成包含自由曲面和雙曲面的複雜 B-rep 模型，超越了以往基於草圖和擠出的方法。
• BrepGen 在多個基準測試中均優於現有方法，包括 DeepCAD 和 SolidGen。
• BrepGen 在新收集的家具資料集上展現出生成複雜幾何形狀的卓越能力。

主要結論

BrepGen 是一種新穎且有效的 B-rep 生成式 AI 方法，為 CAD 設計工作流程帶來了革新。它能夠生成具有複雜拓撲和幾何形狀的逼真 CAD 模型，並為 CAD 自動完成和設計插值等應用提供了新的可能性。

貢獻

• 一種結構化潛在幾何表示法，其樹狀結構和節點複製機制能夠以統一的格式編碼 B-rep 幾何和拓撲資訊。
• 一個能夠生成自由曲面和修剪曲線的潛在擴散模組。
• 一個新收集的家具 B-rep 資料集，其中包含跨越 10 個不同類別的室內物件高品質 B-rep 模型。
• 直接 B-rep 生成，並具有最先進的效能。

局限與未來研究方向

• BrepGen 的生成速度相對較慢，未來可以探索更快的採樣方法。
• BrepGen 的訓練需要大量的計算資源，未來可以研究更有效率的訓練策略。
• BrepGen 目前僅限於生成單一零件的 CAD 模型，未來可以擴展到生成包含多個零件的組件。

Stats

BrepGen 在 DeepCAD 資料集上的覆蓋率 (COV) 達到 73.87%，優於 DeepCAD 的 65.46% 和 SolidGen 的 71.03%。
BrepGen 在 DeepCAD 資料集上的最小匹配距離 (MMD) 為 1.04，優於 DeepCAD 的 1.29 和 SolidGen 的 1.08。
BrepGen 在 DeepCAD 資料集上的 Jensen-Shannon Divergence (JSD) 為 1.28，優於 DeepCAD 的 1.67 和 SolidGen 的 1.31。
BrepGen 在 DeepCAD 資料集上的新穎性 (Novel) 達到 99.8%，獨特性 (Unique) 達到 99.7%，有效性 (Valid) 達到 62.9%。

Quotes

"A system capable of directly generating B-reps would revolutionize the CAD design workflow, reducing the extensive manual labor required from skilled designers and the reliance on professional CAD software."
"BrepGen incorporates free-form and doubly-curved surfaces for the first time."
"Additional applications of BrepGen include CAD autocomplete and design interpolation."

Key Insights Distilled From

BrepGen: A B-rep Generative Diffusion Model with Structured Latent Geometry

by Xiang Xu, Jo... at arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2401.15563.pdf

Deeper Inquiries

BrepGen 如何與現有的 CAD 建模軟體整合，以提升設計師的工作效率？

BrepGen 可以透過以下幾種方式與現有的 CAD 建模軟體整合，提升設計師的工作效率：

插件式整合 (Plugin Integration): BrepGen 可以開發成插件，直接嵌入現有的 CAD 軟體，例如 Autodesk Fusion 360、Solidworks 等。設計師可以在熟悉的軟體環境中，直接調用 BrepGen 的功能，生成 B-rep 模型，無需在不同軟體間切換，提高設計效率。
API 接口调用: BrepGen 可以提供 API 接口，讓其他 CAD 軟體可以調用其功能。開發者可以利用 BrepGen 的 API，開發新的 CAD 建模工具，或將其功能整合到現有的工具中，擴展軟體功能。
模型格式轉換: BrepGen 生成的 B-rep 模型可以轉換為其他 CAD 軟體支援的格式，例如 STEP、IGES 等。設計師可以將 BrepGen 生成的模型導入到其他軟體中，進行進一步的編輯和分析。

透過以上整合方式，BrepGen 可以作為設計師的輔助工具，幫助設計師快速生成概念模型、探索設計空間，並提高設計效率。

BrepGen 是否能夠生成符合特定功能需求的 CAD 模型，例如強度、重量或可製造性？

目前，BrepGen 主要聚焦於生成幾何形狀複雜且拓撲結構正確的 B-rep 模型，尚未直接考慮強度、重量或可製造性等特定功能需求。
然而，BrepGen 的發展為整合這些功能需求提供了可能性：

條件式生成 (Conditional Generation): 可以透過加入條件式生成，將功能需求作為輸入條件，引導 BrepGen 生成符合特定功能的模型。例如，可以將材料屬性、載荷條件等資訊輸入到模型中，讓 BrepGen 生成滿足強度需求的模型。
與模擬分析軟體結合: 可以將 BrepGen 生成的 B-rep 模型導入到模擬分析軟體中，例如 ANSYS、ABAQUS 等，對模型進行強度、重量、可製造性等方面的分析和評估。根據分析結果，設計師可以對模型進行調整，使其滿足功能需求。
基於機器學習的設計優化: 可以利用機器學習演算法，例如強化學習 (Reinforcement Learning) 或生成對抗網路 (Generative Adversarial Networks)，對 BrepGen 生成的模型進行設計優化，使其在滿足功能需求的同時，達到最佳的設計方案。

總而言之，BrepGen 目前還不能直接生成符合特定功能需求的 CAD 模型，但其發展方向和潛力為未來整合這些功能提供了可能性。

BrepGen 的出現是否意味著未來 AI 將取代人類設計師？

BrepGen 的出現並不意味著 AI 將取代人類設計師，而是作為一種先進的輔助工具，幫助設計師更有效率地完成設計工作。
以下是幾個觀點：

設計師的創造力和經驗仍然不可或缺: 設計不僅僅是構建幾何形狀，更重要的是理解用戶需求、產品功能、美學價值等方面，這些都需要設計師的創造力和經驗積累。
BrepGen 需要人類設計師提供設計目標和約束條件: BrepGen 本身無法獨立完成設計工作，它需要人類設計師提供設計目標、約束條件和評估標準，才能生成符合需求的模型。
AI 與人類設計師的協同合作是未來趨勢: 未來設計領域的發展方向是 AI 與人類設計師的協同合作，AI 負責處理重複性、規律性的工作，例如生成設計方案、優化模型結構等，而人類設計師則更专注于創造性、決策性的工作，例如提出設計理念、評估設計方案、與客戶溝通等。

總而言之，BrepGen 的出現是 CAD 技術的一大進步，它將為設計師提供更強大的工具，幫助設計師更好地發揮創造力，提高設計效率，但 AI 無法取代人類設計師在設計過程中發揮的核心作用。