MITとINKBITは、40秒で670個のオブジェクトを配置するスケーラブルなスペクトルパッケージング方法を開発しました。

2023年6月30日、Antarctic Bearは、マサチューセッツ工科大学（MIT）とInkbitが協力して、3Dプリントの効率と速度を向上させるために使用されるスケーラブルなコンピューティング手法を開発したことを知りました。

△SSPを使用してオブジェクトをSIGGRAPHレターに素早くパックする
新しいSSPテクノロジー

「高密度、非インターロック、スケーラブルなスペクトルパッケージング」(SSP) と呼ばれるこのアプローチは、積層造形に大きな可能性をもたらします。研究によると、SSP は、非連結部品を高密度でバッチ印刷することで 3D 印刷のスループットを最大化できることがわかっています。

主任研究員の Wojciech Matusik 氏は、現在のバッチ 3D 印刷方法では、コンテナの容積の利用が非常に限られており、密度が通常 20% 程度であると考えています。「パッキング密度を高めることができれば、印刷プロセス全体の効率を高め、部品の製造コスト全体を削減することができます」と彼は語った。

マトゥシク氏は次のように付け加えた。「私たちが達成した密度は40%近くで、これは従来のアルゴリズムで達成したものよりも大幅に優れています。」

SSP は、さまざまな物体がさまざまなサイズの箱に定期的に梱包される倉庫や配送など、3D 印刷技術以外のさまざまなアプリケーションにも価値を提供します。

パデュー大学のコンピューターサイエンス教授ベドリッチ・ベネス氏は、この研究は3Dオブジェクトを効率的に整理するという長年の課題に対する画期的な解決策となると述べた。「提案されたソリューションはパッケージ密度を最大化し、ロボット工学から製造業に至るまで、多くの実用的な分野で応用される可能性がある」と彼は語った。

△ACM Transactions on Graphics誌この研究論文は来月ACM Transactions on Graphics誌に掲載される予定です。なお、この新技術は、8月に開催される世界最大のコンピュータグラフィックスおよびインタラクティブ技術に関するカンファレンス「SIGGRAPH 2023」で実演される予定です。

3D プリントの大量生産では、バッチ生産が重要な役割を果たします。多くの企業が、大規模生産を可能にするために積層造形能力を拡大しています。したがって、3D プリントのスループットを向上させるには、生産密度を最適化することが明らかに必要です。

スペクトルパッキングはどのように機能しますか?

この新しい計算手法を開発するために、研究者らはボクセル化技術を採用しました。このアプローチでは、コンテナとカプセル化されるオブジェクトの両方が、小さな立方体または「ボクセル」で構成された 3D グリッドとして表現されます。このグリッドでは、どのボクセルが埋められ、どのボクセルが空であるかが明確に表示されます。

各オブジェクトに使用可能なスペースを決定するために、SSP アルゴリズムは各ボクセルの衝突メトリックを計算します。衝突メトリックは、オブジェクト間の重複または「衝突」を示す占有ボクセルの数をカウントします。オブジェクトは衝突しないボクセルにのみ配置できます。

次に、オブジェクトの最適な位置を決定する必要があります。これを実現するために、アルゴリズムは各ボクセルで別のメトリックを計算し、パッキング密度を局所的に最大化することを目指します。このメトリックは、オブジェクトとコンテナの壁または他のオブジェクト間の距離を測定します。距離が大きいほど、メトリック値が高くなります。目標はオブジェクト間のギャップを最小限に抑えることであり、これはオブジェクトを最も低い値の位置に配置することによって達成されます。研究者たちはこのプロセスを、空きスペースを最小限に抑えることが目的のテトリスのゲームに例えている。

△SSP アルゴリズムによって生成されたパッケージの積み重ね密度は 34.3% です。最後に、SSP アルゴリズムは、パッケージが「非連動」であることを保証する必要があります。これは、すべてのオブジェクトが指定された場所に到達できること、および削除する必要があるときに他のオブジェクトから分離できることを保証することです。

このプロセスには多くの計算が必要です。そこで研究チームは、これまでパッケージングの問題に適用されていなかった数学的手法である高速フーリエ変換 (FFT) を採用しました。 FFT を使用すると、ボクセルの重なりを最小限に抑え、ビン内のボクセルのギャップを最小限に抑えるタスクを、一連の比較的小さな計算で解決できるため、パッキングの速度が大幅に向上します。これにより、オブジェクトのすべての可能な位置をテストする必要がなくなり、パッケージング速度が大幅に向上します。

実際、あるデモンストレーションでは、この技術により、約 36% のパッキング密度で、わずか 40 秒で 670 個のオブジェクトを効果的に配置できました。さらに、6596 個のオブジェクトを配置するのに 2 時間しかかからず、パッキング密度は 37.3% でした。

MITとINKBITは、40秒で670個のオブジェクトを配置するスケーラブルなスペクトルパッケージング方法を開発しました。

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