Empart: Interactive Convex Decomposition for Converting Meshes to Parts
作者: Brandon Vu, Shameek Ganguly, Pushkar Joshi
分类: cs.RO
发布日期: 2025-09-26
💡 一句话要点
Empart：交互式凸分解工具，实现网格到部件的区域定制简化，提升机器人仿真效率。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 网格简化 凸分解 交互式工具 区域定制 机器人仿真 碰撞检测 运动规划
📋 核心要点
- 现有网格简化方法采用全局统一误差容限，无法兼顾机器人应用中不同区域对简化精度的差异化需求。
- Empart 提出一种交互式区域定制简化方案，允许用户指定不同区域的简化容限，从而优化精度与性能的平衡。
- 实验表明，Empart 显著减少了凸部件数量，提升了仿真性能，在机器人拾取放置任务中仿真时间减少了69%。
📝 摘要（中文）
为了提升机器人应用中运动规划和物理仿真的效率，简化复杂3D网格至关重要。近似凸分解等常用方法将网格表示为简单部件的集合，从而降低计算成本。然而，现有方法对整个网格应用统一的误差容限，导致精度和性能之间存在次优的权衡。例如，机器人抓取物体时，接触面附近需要高保真几何，而其他区域可以容忍更粗糙的简化。统一容限可能导致非关键区域的过度细节，或关键区域的细节不足。为了解决这一局限性，我们引入Empart，一个交互式工具，允许用户为网格的选定区域指定不同的简化容限。我们的方法利用现有的凸分解算法作为子程序，并使用一种新颖的并行化框架来有效地处理特定区域的约束。Empart提供了一个用户友好的界面，具有关于近似误差和仿真性能的视觉反馈，使设计者能够迭代地改进他们的分解。我们证明，与最先进的方法（V-HACD）相比，在固定的误差阈值下，我们的方法显著减少了凸部件的数量，从而显著提高了仿真性能。对于机器人拾取和放置任务，与统一分解相比，Empart生成的碰撞网格将整体仿真时间减少了69%，突出了交互式、区域特定简化对于高性能机器人应用的价值。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决复杂3D网格简化中，现有方法采用全局统一误差容限导致的精度与性能权衡问题。现有方法无法根据机器人应用中不同区域对简化精度的差异化需求进行优化，导致非关键区域过度简化或关键区域细节不足。
核心思路：Empart 的核心思路是提供一个交互式的工具，允许用户针对网格的不同区域指定不同的简化容限。通过这种方式，可以对关键区域保持高精度，同时对非关键区域进行更积极的简化，从而在整体上优化精度和性能的平衡。
技术框架：Empart 的整体框架包含以下几个主要阶段：1) 用户通过交互界面选择网格的不同区域；2) 用户为每个选定区域指定不同的简化容限；3) Empart 利用现有的凸分解算法作为子程序，并根据用户指定的区域容限进行并行化处理；4) Empart 提供视觉反馈，显示近似误差和仿真性能，允许用户迭代地改进分解。
关键创新：Empart 的关键创新在于其交互式的区域定制简化方法和并行化处理框架。与现有方法相比，Empart 允许用户根据实际应用需求，灵活地控制网格不同区域的简化程度，从而实现更优的精度和性能平衡。并行化框架保证了在处理多个区域约束时的效率。
关键设计：Empart 的关键设计包括：1) 用户友好的交互界面，提供直观的区域选择和容限设置功能；2) 基于现有凸分解算法的子程序，保证了简化结果的质量；3) 并行化处理框架，提高了处理效率；4) 视觉反馈机制，帮助用户评估简化效果并进行迭代优化。具体的参数设置和损失函数等细节可能依赖于所使用的凸分解算法。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，与最先进的V-HACD方法相比，在固定误差阈值下，Empart显著减少了凸部件的数量，从而提高了仿真性能。在机器人拾取和放置任务中，使用Empart生成的碰撞网格，整体仿真时间减少了69%。这些结果充分证明了Empart在优化机器人仿真性能方面的有效性。
🎯 应用场景
Empart 具有广泛的应用前景，尤其是在机器人领域。它可以用于优化机器人运动规划、碰撞检测和物理仿真等任务的性能。通过对机器人操作对象进行区域定制简化，Empart 可以显著减少计算量，提高仿真速度，从而加速机器人算法的开发和部署。此外，Empart 还可以应用于游戏开发、虚拟现实等领域，用于优化3D模型的性能。
📄 摘要（原文）
Simplifying complex 3D meshes is a crucial step in robotics applications to enable efficient motion planning and physics simulation. Common methods, such as approximate convex decomposition, represent a mesh as a collection of simple parts, which are computationally inexpensive to simulate. However, existing approaches apply a uniform error tolerance across the entire mesh, which can result in a sub-optimal trade-off between accuracy and performance. For instance, a robot grasping an object needs high-fidelity geometry in the vicinity of the contact surfaces but can tolerate a coarser simplification elsewhere. A uniform tolerance can lead to excessive detail in non-critical areas or insufficient detail where it's needed most. To address this limitation, we introduce Empart, an interactive tool that allows users to specify different simplification tolerances for selected regions of a mesh. Our method leverages existing convex decomposition algorithms as a sub-routine but uses a novel, parallelized framework to handle region-specific constraints efficiently. Empart provides a user-friendly interface with visual feedback on approximation error and simulation performance, enabling designers to iteratively refine their decomposition. We demonstrate that our approach significantly reduces the number of convex parts compared to a state-of-the-art method (V-HACD) at a fixed error threshold, leading to substantial speedups in simulation performance. For a robotic pick-and-place task, Empart-generated collision meshes reduced the overall simulation time by 69% compared to a uniform decomposition, highlighting the value of interactive, region-specific simplification for performant robotics applications.