CN102779358B - 用于设计几何三维建模对象的方法及设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于设计三维建模对象的计算机实现的方法，其中该方法包括下列步骤：与屏幕的用户交互(S100)；定义(S110)与该用户交互相对应的笔画；将所述笔画离散化(S120)为一组点；将所述一组点投影(S130)到三维场景中的至少一个支持上；根据所投影的一组点和所述至少一个支持，构造(S140)所述三维建模对象。

Description

用于设计几何三维建模对象的方法及设备

技术领域

概括地说，本发明涉及计算机程序和系统的领域，具体地说，本发明涉及用于设计几何三维建模对象的方法、系统和程序。

背景技术

针对对象的设计、工程和制造，市场上提供了多种系统和程序。CAD是计算机辅助设计的缩写，例如，其与用于设计对象的软件解决方案有关。CAE是计算机辅助工程的缩写，例如，其与用于仿真未来产品的物理行为的软件解决方案有关。CAM是计算机辅助制造的缩写，例如，其与用于规定制造mes和操作的软件解决方案有关。在这样的计算机辅助设计系统中，图形用户界面在技术的效率方面扮演重要的角色。这些技术可以嵌入在产品生命周期管理（PLM）系统中。PLM是指一种商业策略，其帮助公司在扩展的企业的概念中从产品构思到其生命结束共享产品数据，应用公共过程，并利用公司知识来开发产品。

DassaultSystems提供的（商标为CATIA、ENOVIA和DELMIA的）PLM解决方案提供了工程中心（其对产品工程知识进行组织）、制造中心（其管理制造工程知识）和企业中心（其使企业集成和连接进入到工程和制造中心）。该系统一起给出了开放对象模型链接产品、过程、资源，以实现动态、基于知识的产品生成和决策支持，后者驱动优化的产品定义、制造准备、生产和服务。

对象的设计指代在生成对象的实体模型之前，生成该对象的三维形状的过程。例如，当思考一种新车时，一个重要的任务就是生成该车的车体。通常，新对象及其形状的生成以图纸阶段开始，其中在该阶段，对象的设计者绘制出该对象。这种绘制包括两个步骤。第一步是草图步骤，在该步骤，生成快速实现的并不是旨在作为完成的作品的徒手画。第二步是示踪步骤，在该步骤，根据草图设计该对象的定形图。

草图步骤通常在纸上进行，而示踪步骤则使用专用软件来执行。Dassault“Systems提供的软件Freestyle Sketch Tracer（商标）允许将设计师的作品（例如，在草图步骤完成的2D绘图）集成为3D格式，作为3D虚拟实体模型的基础。该产品提供了帮助设计者将2D数据转换成3D数据的直观工具箱：设计者首先在3D空间中定位和依比例调节2D图像，随后在草图上绘制几何形状。在实现时，设计者至少使用放置在3D空间中的对象的2D前视图和2D侧视图，并从前视图转换到侧视图（以及相反操作）以便在3D空间中放置点。随后，根据这些点计算曲线和曲面，直到推断出实体为止。

但是，用于设计三维建模对象的该方法具有一些缺陷。首先，由于草图仍然在图纸上进行并需要将图导入软件，所以不能综合草图步骤和示踪步骤。第二，这些导入的图只是2D图，因此要从这些导入的2D图推断几何曲线。第三，3D建模对象的生成需要很大的计算资源，这是由于计算几何曲线时需要一些计算。

在该背景下，仍然需要用于设计几何三维建模对象的改善方法。

发明内容

根据一个方面，因此本发明提供了一种用于设计三维建模对象的计算机实现的方法，其中该方法包括下面的步骤：

-与屏幕的用户交互；

-定义与所述用户交互相对应的笔画；

-将所述笔画离散化为一组点；

-将所述一组点投影到三维场景中的至少一个支持；

-根据所投影的一组点和所述至少一个支持，构造所述三维建模对象。

该方法可以包括下面中的一个或多个步骤：

-通过下面操作构造所述三维建模对象的可视化的步骤：

针对所投影的一组点中的每一个点，计算至少两个偏移点，偏移点是位于所述至少一个支持上的并与所述每一个点间隔开的点；以及计算所计算得到的至少两个偏移点所勾画的表面，所述曲面包括所投影的一组点；

所述计算至少两个偏移点包括：

计算链接所投影的一组点中的点的折线；

针对所投影的一组点中的每一个点，计算偏移向量 其中α是系数， 是与所述支持垂直的单位向量， 是链接构成所述折线的所述一组点中的两个点的线所定义的向量， 和 将所述每一个点作为共同原点；

根据所述偏移向量 来确定所述至少两个偏移点；以及

将所确定的所述至少两个偏移点投影到三维场景中的所述至少一个支持；

-将计算得到的偏移勾画的所述计算得到的表面进行棋盘化的步骤；

-构造可视化的步骤还包括：应用着色器（shader）以渲染所述计算得到的表面；

-使用所述三维场景中的至少另一个支持来重复所述方法的步骤；

本发明还提出了一种用于设计三维几何建模对象的计算机实现的方法，所述方法包括下面步骤：

-提供根据本发明的方法设计的一组三维建模对象；

-提取所提供的一组三维建模对象中的点；

-根据所提取的点计算几何光滑曲线；

-根据所述几何光滑曲线构造三维几何建模对象。

用于设计三维几何建模对象的方法可以包括下面中的一个或多个：

-在所述提取的步骤，根据所述点被投影到其上的支持来提取所述点；

-所述提取的步骤还包括：

-与屏幕的用户交互；

-定义与所述用户交互相对应的笔画；

-在所提取的点中获取所提供的一组三维建模对象中的一个三维建模对象以及所获取的所述一个三维建模对象的至少一个支持；

-将与所述用户交互相对应的笔画离散化成一组点；

-将所述一组点中的点投影到所述至少一个所获取的支持；

-所述获取的步骤还包括：获取离从光标开始的选取路径最近的三维建模对象；

-所述选取路径包括从所述光标投射的光线；

-针对每一个提供的三维建模对象，重复所述提取、计算和构造的步骤；

-当用户与屏幕交互时，重复所述提取、计算和构造的步骤。

本发明还提出了一种包括供计算机执行的指令的计算机程序，所述指令包括用于执行本发明的方法的单元。

本发明还提出了一种在其上记录有上面的计算机程序的计算机可读存储介质。

附图说明

现在通过非限制性示例的方式，并参见附图来描述本发明的实施例，其中：

-图1示出了该方法的示例的流程图；

-图2示出了图形用户界面的示例；

-图3示出了客户端计算机系统的示例；

-图4-图12示出了根据本发明用于设计几何三维建模对象的方法的例子；

-图13-图16示出了根据本发明用于设计三维建模对象的方法的例子。

具体实施方式

提出了一种用于设计三维建模对象的计算机实现方法。该方法包括用户与屏幕交互的步骤。此外，该方法还包括：定义与该用户交互相对应的笔画的步骤。此外，该方法还包括：将所述笔画离散化为一组点的步骤。此外，该方法还包括：将所述一组点投影到三维场景中的至少一个支持的步骤。此外，该方法还包括：根据所投影的一组点和所述至少一个支持，构造所述三维建模对象的步骤。

该方法用于设计三维建模对象。“设计三维建模对象”指示作为精心制作三维建模对象的过程的至少一部分的任何动作或者动作系列。因此，该方法可以包括：通过乱涂（scratch）来生成三维建模对象。或者，该方法可以包括：提供先前生成的三维建模对象，随后修改该三维建模对象。

该方法可以包括在用于设计三维几何建模对象的计算机实现方法中。该方法包括：提供根据用于设计三维建模对象的方法所设计的一组三维建模对象的步骤。该方法还包括：提取所提供的一组三维建模对象中的点的步骤。该方法还包括：根据所提取的点计算几何光滑曲线的步骤。该方法还包括：根据该几何光滑曲线构造三维几何建模对象的步骤。

用于设计三维建模对象的方法使得复杂的三维建模对象的构造更容易和更快速，并高度地减少了用于构造三维建模对象所需要的计算资源（例如，CPU、存储器）。用于设计三维建模对象的方法还使得用于设计三维几何建模对象的方法更容易和更快速，并因此增加设计过程的生产率。

该方法是计算机实现的。这意味着该方法的步骤（或者基本所有步骤）由至少一个计算机执行。在示例中，可以通过用户-计算机交互，来执行该方法的步骤中的至少一些的触发。所需要的用户-计算机交互的水平可以取决于预知的自动化水平，其与实现用户的愿望的需求达到平衡。在示例中，该水平可以是用户规定的和/或预先规定的。

例如，与屏幕交互的步骤是用户干预的步骤的一个示例。

该方法的计算机实现的典型示例是使用某种系统来执行该方法，其中该系统包括适合于实现该目的的图形用户界面（GUI）。GUI与存储器和处理器相耦合。存储数据库的存储器仅仅是适合于这种存储的任何硬件。该系统改善了三维建模对象和三维几何建模对象的设计。因此，该系统可以由包括专家设计者在内的各种各样的用户使用。例如，通过GUI（其包括用户与其交互的屏幕）来执行涉及该用户的步骤，而在不涉及GUI的情况下，通过存取存储器的处理器来执行完全计算机化的步骤。

存储器中存储的信息（即，三维参数形状）可以以数据库形式进行存储。通过“数据库”，其意味着针对搜索和获取而组织的任何数据（即，信息）集合。当存储在存储器上时，数据库允许计算机进行快速的搜索和获取。实际上对数据库进行结构化，以结合各种数据处理操作来促进数据的存储、获取、修改和删除。数据库可以包括能分解成记录的文件或文件集，每一个记录包括一个或多个字段。字段是数据存储的基本单位。用户可以主要通过查询来获取数据。使用关键字和排序命令，用户可以对多条记录中的字段进行快速地搜索、重新排列、组合和选择，以根据使用的数据库 管理系统的规则，获取或生成关于数据的特定聚合的报告。

在所述方法的情况下，数据库可以包括用于设计三维几何建模对象的一组三维建模对象。当然，该数据库可以存储根据该方法设计的三维几何建模对象。

所述方法和系统通常对建模对象进行操作。建模对象是由存储器中存储的数据规定的任何对象。通过扩展，“建模对象”的表述指示数据自身。根据系统的类型，可以通过不同种类的数据来规定建模对象。

CAD系统是至少适合于基于建模对象的图形表示来设计该建模对象的任何系统，例如CATIA。因此，规定CAD建模对象的数据包括允许建模对象的表示的数据（例如，包括诸如空间中的相对位置的几何数据）。CAD建模对象还称为几何建模对象，三维CAD建模对象还称为三维几何建模对象。例如，在具有面或表面的某些情况下，CAD系统可以使用边缘或线来提供CAD建模对象的表示。线、边缘或表面可以用各种方式来表示，例如，非统一有理B样条曲线（NURBS）。具体而言，CAD文件可以包含根据其可以生成几何形状的规范，其中几何形状则允许要生成的表示。建模对象的规范可以存储在单一CAD文件或者多个文件中。表示CAD系统中的建模对象的文件的一般大小针对每一部件在一兆字节的范围之内。通常，建模对象可以是数千部件的集合。

CAD系统还可以使用基于像素的几何结构来提供建模对象的表示。基于像素的几何结构建模对象（下文称为建模对象）使用像素的模式来对像素进行排序。线、边缘或者表面可以用基于像素的几何结构来表示。具体而言，CAD文件包含根据其可以生成像素的规范，其中像素则允许要生成的表示。建模对象的规范可以存储在单一CAD文件或者多个文件中。应当理解的是，基于像素的几何建模对象是不具有用数学公式规定的属性的对象，其与几何建模对象相反。

该系统还可以是CAE和/或CAM系统，CAD建模对象还可以是CAE建模对象和/或CAM建模对象。事实上，CAD、CAE和CAM系统并不是彼此排斥的，这是由于建模对象可以通过与这些系统的任意组合相对应的数据来表示。

在CAD的背景下，建模对象通常是3D建模对象，例如表示诸如部件 或者部件的集合的产品，或者可能的产品的集合。通过“3D建模对象”，其意味着由允许其3D表示的数据建模的任何对象。3D表示允许从所有角度对部件的观察。例如，3D建模对象（当3D表示时）可以围着其任何轴、或者围着显示该表示的屏幕中的任何轴来处理和转动。这明显地不包括没有3D建模的2D图标。3D表示的显示有助于设计（即，增加设计者统计上完成他们任务的速度）。由于产品的设计是制造过程的一部分，因此这加速了工业中的制造过程。

CAD系统可以是基于历史的。在该情况下，还通过包括几何特征的历史的数据来规定几何建模对象。几何建模对象事实上可以由物理人（即，设计者/用户）使用标准建模特征（例如，挤压、旋转、切割和/或弄圆等等）和/或标准曲面特征（例如，扫描、混合、倾斜、填充、变形、平滑等等）来设计。支持这种建模功能的很多CAD系统是基于历史的系统。这意味着设计特征的生成历史一般情况下是通过非循环数据流来保存的，所述非循环数据流通过输入和输出链路将所述几何特征链接在一起。该基于历史的建模范例自80年代开始就是公知的。通过两种持久数据表示来描述几何建模对象：历史和B-rep（即，边界表示）。B-rep是在历史中规定的计算的结果。当表示几何建模对象时，计算机的屏幕上显示的部件的形状是B-rep（的棋盘格）。该部件的历史是设计意图。基本上，该历史收集关于该几何建模对象经历的操作的信息。B-rep与该历史一起存储，以使显示复杂部件更容易。该历史可以与B-rep一起保存，以便允许根据设计意图来进行部件的设计改变。

通过PLM系统，其意味着适合于对表示物理制造产品的建模对象进行管理的任何系统。在PLM系统中，建模对象因此用适合于制造物理对象的数据来规定。一般情况下，这些可以是维度值和/或公差值。对于对象的正确制造来说，事实上具有这些值更好。

通过CAE系统，其意味着适合于几何建模对象的物理行为的分析的任何系统。因此在CAE系统中，通过适合于这种行为的分析的数据来规定建模对象。一般情况下，这可以是一组行为特征。例如，可以通过指示门绕着某个轴旋转的数据来规定与门相对应的建模对象。

图2示出了该系统的GUI的示例，其中该系统是CAD系统。

GUI 2100可以是典型的类CAD界面，其具有标准的菜单栏2110、2120以及底部和侧面工具栏2140、2150。这些菜单和工具栏包含一组用户可选择的图标，每一个图标与一个或多个操作或功能相关联，如本领域所已知的。这些图标中的一些与软件工具相关联，其中这些软件工具用于对GUI2100中显示的3D建模对象2000进行编辑和/或工作。可以将这些软件工具分组成工作台。每一个工作台包括软件工具的一个子集。具体而言，这些工作台中的一个是编辑工作台，其适合于对建模产品2000的几何特征进行编辑。在操作中，例如，设计者可以预先选择对象2000的一部分，随后通过选择适当的图标来发起操作（例如，改变维度、颜色等等）或者编辑几何约束条件。例如，典型的CAD操作是对屏幕上显示的3D建模对象进行冲压或者折叠的建模。

例如，GUI可以显示与所显示的产品2000有关的数据2500。在图2的示例中，数据2500（其显示成“特征树”）及它们的3D表示2000与包括制动钳和碟的制动组合有关。此外，该GUI还可以显示各种类型的图形工具2130、2070、2080，以便例如有助于对象的3D定向，触发对于编辑的产品的操作的仿真，或者绘制所显示的产品2000的各种属性。光标2060可以由触觉设备进行控制，以允许用户与图形工具进行交互。

图3示出了一种客户端计算机系统，例如，用户的工作站。

该客户端计算机包括连接到内部通信总线1000的中央处理单元（CPU）1010、也连接到该总线的随机存取存储器（RAM）1070。该客户端计算机还提供有图形处理单元（GPU）1110，后者与连接到所述总线的视频随机存取存储器1100相关联。在本领域中，视频RAM1100还称为帧缓冲器。大容量存储设备控制器1020管理对于大容量存储器设备（例如，硬盘1030）的存取。适合于确实包含计算机程序指令和数据的大容量存储器设备包括所有形式的非易失性存储器，举例而言，其包括半导体存储器设备（例如，EPROM、EEPROM和闪存设备）；诸如内部硬盘和移动硬盘之类的磁盘；磁光盘；CD-ROM盘1040。前述中的任何一个都可以由专门设计的ASIC（专用集成电路）进行补充，或者并入到专门设计的ASIC中。网络适配器1050管理对于网络1060的接入。该客户端计算机还可以包括诸如光标控制设备、键盘等等之类的触觉设备1090。在客户端计算机中使用光标控制设 备，以允许用户选择性地将光标放在显示器1080上的任何期望位置，如参照图2所提及的。此外，光标控制设备允许用户选择各种命令，输入控制信号。光标控制设备包括用于向系统输入控制信号的多种信号生成设备。一般情况下，光标控制设备可以是鼠标，鼠标的按钮用于生成信号。

计算机程序可以包括计算机的指令，这些指令包括用于使上面的系统执行上面的方法的单元。本发明可以例如用数字电子电路来实现，或者用计算机硬件、固件、软件或者其组合来实现。本发明的装置可以用确实体现在机器可读存储设备中以便由可编程处理器执行的计算机程序产品来实现；本发明的方法步骤可以由执行指令程序以便通过对输入数据进行操作并生成输出来执行本发明的功能的可编程处理器来执行。

本发明可以有利地以一个或多个计算机程序来实现，其中所述一个或多个计算机程序可以在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行，以便从数据存储系统、至少一个输入设备接收数据和指令，向数据存储系统、至少一个输出设备发送数据和指令。应用程序可以用高级过程语言或面向对象编程语言来实现或者用汇编语言或机器语言来实现（如果期望的话）；在任何情况下，该语言可以是编译语言或解释语言。

现参见图1，描述了用于设计三维几何建模对象的方法。

在步骤S100到S150，执行用于设计三维建模对象的方法。三维建模对象通过作为像素（图像元素）的数据来表示。将这些像素排列在一起，构成三维场景中的模式。例如，光栅图形图像（其还称为位图）是表示像素的通常矩形二维网格的数据结构。光栅图像位对位地与屏幕上显示的图像相对应。

在本发明中，三维建模对象包含的规范是像素，并且根据该规范来生成像素。三维建模对象的规范允许在3D场景中表示该三维建模对象。重要的是，3D建模对象的属性不用数学公式来规定。

在步骤S100，用户与屏幕进行交互。一般情况下，用户交互在屏幕区域上进行动作。这可以直接实现，例如，当屏幕是敏感的（例如，单触摸或多触摸屏），用户在该屏幕上施加压力，或者间接实现，例如通过使用触觉设备（如，鼠标或者用户可以在其上应用触摸笔的触摸板）。这还可以通过在屏幕上指示激光或者与屏幕交互的任何其它方式来实现。通过触摸板 或者敏感屏幕的用户交互，使用户交互更加栩栩如生（即，更类似于专家设计者在纸上设计对象的传统构思阶段）。用于设计3D建模对象的栩栩如生方法是一种改进，这是由于其帮助专家设计者使用CAD系统。因此，设计更容易。

随后，在步骤S110，规定与所述用户交互相对应的笔画（stroke）。通过与屏幕的用户交互，用户激活屏幕中的一些像素。这些像素可以用笔画来翻译，如本领域所公知的。例如，如果通过指向设备或者通过触摸笔来执行用户交互，则激活的像素与该指向设备或触摸笔的位置相对应。可以将这些激活的像素动态地显示在屏幕上。这些激活的像素可以用笔画来翻译。规定笔画通常意味着在屏幕上定位视觉地形成一条连续的线的位置。这些位置可以真实地显示。例如，这可以通过对屏幕上激活的像素中的至少一些像素的位置进行跟踪来实现。因此，在笔画是从用户通过用户交互勾画的内容中推导出来的意义上来说，笔画与用户交互相对应。因此，在某种意义上，用户通过用户交互来勾画该笔画。

现参见图4，表示通过用户交互获得的笔画400。可以向用户显示该笔画，例如，在屏幕上，或者不在屏幕上。

返回参见图1，在步骤S120，将该笔画离散化成一组点。对笔画进行离散化意味着，例如通过将笔画减少到称为“笔画点”的多个点，对笔画进行采样，形成一组点或者一组笔画点。由于笔画是屏幕上的一组位置，因此对笔画进行离散化意味着将这一组位置减少为单独的笔画点（即，减少该组位置的数量）。

现参见图5，将图4中所表示的笔画离散化为一组点，例如，点402。

接着，在图1的步骤S130，将该组点投影到三维场景中的至少一个支持上。该支持可以是用于接收投影的点的几何实体（可视或不可视）。该支持可以充当为“笔画点”的基石。例如，所述支持可以是任何种类的表面。该表面可以是平面（例如，屏幕平面），或者曲形表面（例如，球体）或者任何其它制图表面。事实上，与屏幕平面不相同的制图表面可以嵌入在屏幕（的设计区域）中。换句话说，所述支持是三维空间（例如，3D场景）中的几何实体。应当理解的是，一些支持可以处于3D场景中。这些支持形成可以在其上投影该组点的至少一个表面。

将所述一组点投影在支持上。对所述一组点进行投影意味着：对于“笔画点”应用某种变换，使得这些“笔画点”在该支持上具有位置（当该支持与屏幕平面不相同时）。结果，笔画的规定是全部栩栩如生的，屏幕在这里实际上与制图图纸相对应（当所述支持是屏幕平面时，设计者实际上正交地面对图纸）。因此，在二维平面（在其上规定笔画的屏幕）与三维场景中的表面（所述支持）之间生成映射。

在实现时，当将所述一组点投影到支持上时，要考虑用户的观点，如本领域所公知的。

在图6上，表示了一种平面支持410。将笔画的离散化点投影到该平面支持上。

随后，在图1的步骤S140，根据投影的一组点以及将所述一组点投影到其上的支持，来构造3D建模对象。构造三维建模对象意味着，将该三维建模对象的规范存储在一个文件或多个文件中。结果，可以将构造的3D建模对象存储在例如数据库上，以便下一次使用。使用所投影的“笔画点”和将“笔画点”投影到其上的支持，来构造3D建模对象。这涉及将投影的“笔画点”的位置与关于所述支持的数据一起存储。结果，构造步骤是在与投影的“笔画点”的位置和所述支持有关的数据上执行计算的步骤。有利的是，可以仅仅存储所述支持在3D场景中的坐标，因此其提高了用于构造三维建模的速度，减少了构造（或者计算）三维建模对象所需要的计算资源。

可以从构造的3D建模对象中存储的支持在3D场景中的坐标来找回所述支持。此外，还可以从投影的“笔画点”的坐标中找回所述支持：平均平面是通过协方差矩阵和适当向量的计算来计算得到的。还可以将构造的建模对象用作支持：其用作点云。例如，通过构成所构造的3D建模对象的点的本地棋盘格，所构造的3D建模对象自身变成支持。

根据本发明的3D建模对象的设计限制了计算资源的需求，这是由于需要计算任何几何曲线：事实上，根据其生成几何形状的几何建模对象需要巨大的计算资源。此外，与几何建模对象相比，存储根据本发明所构造的基于像素的几何形状需要更少的存储器。此外，本发明允许生成不能使用纯几何方法（容易）获得的3D建模对象：事实上，为了限制计算资源的消 耗，几何表示需要相对简单。因此，本发明增加了与屏幕的用户交互的灵活性，这是由于计算资源不再限制所述用户交互。另外的优点在于：所构造的3D建模对象可靠地考虑了用户的设计意图。事实上，存在着对于用户规定的笔画的任何解释，因此其复制成用户的设计。相反，在几何环境（也就是说，具有几何建模对象）中，几何曲线拥有修改用户的原始设计意图的特性。例如，度数为5的贝塞尔曲线不允许用户生成摆动形状，而根据本发明构造的建模对象允许。因此，用户具有他/她在徒手画图环境中工作的感觉，因此改善了工效。其导致更容易并更快地生成更准确的3D制图（例如，草图）。

在本方法的该步骤，构造3D建模对象，这意味着系统（例如，CAD系统）可以使用表示该对象的数据。因此，可以构造该三维建模对象的可视化（步骤S150），以便显示所设计的3D建模对象。构造可视化意味着计算3D建模对象的图形表示。特别是，所构造的可视化是基于像素的，其涉及表示3D建模对象仅仅由图形处理器单元进行计算，因此节约了CPU和存储器的计算资源。

下面的其它优点将是显而易见的。

可视化的构造可以包括：针对所投影的一组点中的每一个点，计算至少两个偏移点（步骤S153）。投影的“笔画点”的偏移点是位于将“笔画点”投影在其上的支持上的并与所投影的“笔画点”间隔开的点。该偏移点在支持之上，这意味着该点属于该表面。该偏移点与所投影的“笔画点”间隔开，意味着偏移点与“笔画点”不同。

可以如下所述地执行偏移点的计算。首先，在步骤S151，计算折线。该折线对投影到所述支持的一组点中的点进行链接。折线是连接的线段序列，其中线段是由两个投影的“笔画点”确定的线的一部分。应当理解的是，对这些线段进行连接，使得折线近似该笔画在所述支持上的投影。

现参见图6，显示了连接投影的“笔画点”的折线420。如显而易见的，该折线近似了图5的笔画400在支持410上的投影（没有表示）。

返回参见图1，在步骤S152，随后针对投影到支持上的每一个“笔画点”，计算偏移向量。该偏移向量可以表示为 α是用户可以选择的系数，或者是系统的缺省值。该系数部分地确定偏移点和所投影的“笔 画点”之间的距离，其中根据该投影的“笔画点”来计算该偏移点。有利的是，系数α允许增加或减少在步骤S156计算得到的表示的厚度。 是从投影的“笔画点”开始的与所述支持垂直的单位向量。 是由链接构成折线的所述一组点中的两个点的线定义的向量。 和 具有作为原点的共同的投影的“笔画点”。和 之间的乘积是向量积。

偏移向量的计算在图7中是更显而易见的。作为投影步骤S130的结果，每一个点402、404、406位于所述支持上，并与法线向量 相关联。如图所示，确定链接点406和404的向量 其具有点406作为原点。因此，可以使用关系式 来计算针对点406的偏移向量 同样，根据链接点404和402的向量 以及法线向量（其均以点404作为原点），来计算针对点404的偏移向量 在这两种情况下，将系数α选择为使得α＝1。

返回参见图1，根据先前计算的偏移向量 来确定至少两个偏移点。通过计算该向量的范数 来执行该确定，使得识别两个点。这在图8中进行了描绘，其中在图8中，根据偏移向量的范数来获得偏移点。例如，投影的“笔画点”406具有两个偏移点408、410。

随后，将这些偏移点投影到3D场景上的至少一个支持（步骤S154）。优选的是，当所述支持不是平面时，或者当在“笔画点”的投影期间涉及几个支持时，执行上述投影。该投影确保这些偏移点在支持上，也就是说，这些偏移点属于该表面。应当理解的是，可以将“笔画点”投影到任何类型的支持上，因此提高了用户的设计潜力。例如，所述支持可以具有类似于摺皱纸的表面，可以将笔画投影到该皱纸表面上。

接着，根据这些偏移点计算表面（S155）。该表面由所计算得到的偏移点进行勾画，并且包括所投影的一组点（其还称为投影的“笔画点”）。对表面进行勾画意味着，通过链接这些偏移点来生成该表面的边界。以与所投影的“笔画点”类似的方式对这些偏移点进行彼此链接。结果，仅当两个偏移点的各自投影的“笔画点”链接时，才链接这两个偏移点。此外，仅仅可以连接位于折线的相同一侧的偏移点。事实上，折线对其被计算的表面进行（至少部分地）划分，使得规定了两侧。应当理解的是，当将偏移点链接在一起时，建立了两个补充的折线，第一补充的折线位于包括所投影的“笔画点”的折线的一侧，第二补充的折线则位于另外一侧。

因此，根据偏移点计算得到的表面是构成支持的表面的选定部分，其中将“笔画点”投影到所述支持上。该计算得到的表面是平面或者曲面。结果，计算得到的表面反映了所述支持的拓扑，其可以理解计算得到的表面在3D空间中如何变化。

在实现时，对计算得到的表面进行棋盘化（步骤S155）。所构造的表面是拓扑模型的边界，为了有助于计算得到的表面的管理和呈现，使用棋盘格布置对其进行近似。该棋盘格布置将所计算得到的表面划分成小型网格，容易分析2D面片。一般情况下，将计算得到的表面棋盘化成根据偏移点生成的三角形。也可以说，将表面进行三角形化。该表面可以由网格生成器来生成，如本领域所公知的。图9中示出了棋盘化的结果。

随后，在步骤S156，计算棋盘化表面的表示。该步骤包括：应用着色器（shader）来渲染该表面。着色器是包括来自关于图形硬件（例如，图形处理器单元（GPU））的计算效果的指令的小型软件。着色器允许只被允许的共同几何变换和像素着色功能；着色器允许描述像素的特点。在实现时，对于棋盘化表面的每一片2D面应用着色器。可以在例如屏幕上，向用户显示计算得到的表示。

图10描绘了棋盘化的表面，其中仅三角形430应用了着色器，该三角形用灰色表示。

应当理解的是，可以使用至少一个其它支持来重复该方法的步骤。所述支持可以由用户选择，或者进行自动地选择。因此，可以构造几个3D建模对象，后者可以是对象的一部分。换句话说，用户可以生成同一对象的几个不同视图，如图13-图16中所示。在图13中，示出了3D建模对象的可视化。该3D建模对象是用户绘制的对象（这里，其是照相机）的草图。该草图在平面支持上构造，并表示用户想像的照相机的一个视点。在图14中，用户选择了另一个平面支持，使得构造用户想像的照相机的另一个可视化，该可视化表示照相机的另一个视点。同样，在图15和图16中，显示了在两个不同的支持上构造的两个3D建模对象的两个可视化，它们表示照相机的两个其它视点。因此，用户可以一步一步地（也就是说，对于每一个新选择的支持）跟踪对象的形状，并根据几个视点获得同一对象的几个可视化。

在实现时，用户可以操作3D场景中的支持（例如，平面），因此该支持的每一个操作生成一个新的支持。对支持进行操作意味着，用户在3D场景中移动该支持。如本领域所公知的对其进行执行，例如使用诸如鼠标之类的触觉设备移动该支持。作为操作的结果，选择新的支持。有利的是，当用户对支持进行操作时，他/她可以仍然可以观看到该3D建模对象的可视化，使得用户理解新的视点。

此外，该方法允许在相同的支持上规定3D建模对象。这允许用户跟踪复杂对象（例如，照相机），用户勾画几个笔画，就像他/她将在纸张上所做的那样。

有利的是，用户规定的笔画的可视化是平面的，而这种表示通常是线性的。在经典的方法中，一组折线表示该对象，而在本发明中，对象被棋盘化，这允许应用着色器（例如，着色器可以应用于计算得到的表面的每一个三角形上）。结果，由于着色器，可以应用几个显示选项（例如，厚度、不透明、诸如逐渐不透明之类的视觉渲染等等）。

在本方法的该步骤，已构造了3D建模对象的基于像素的表示，并显示给用户。换句话说，显示了3D像素草图。用户现在需要在从3D建模对象获得的几何3D建模对象上进行工作。例如，用户可能需要在CAD系统中变换3D建模对象，其中CAD系统可能需要CAD建模对象（其还称为几何建模对象）。

用于设计3D几何建模对象的方法包括：提供一组如先前所述设计的3D建模对象的步骤。该步骤在图1中通过连接方框S140与方框S160的箭头来表示。提供3D建模对象意味着：构造的3D建模对象可以由该系统存取。一般情况下，CAD系统存取包括基于像素的几何建模对象（也就是说，3D建模对象）的规范的文件。该组3D建模对象可以存储在例如数据库中。

一旦系统存取了该组3D建模对象，就提取这些3D建模对象的点（步骤S160）。这些提取的点是在支持上投影的“笔画点”。换句话说，CAD系统可以存取位于所述支持上的每一个点的各自位置。如先前所提及的，可以从“笔画点”的坐标中找回该支持。

接着，在步骤S170，根据所提取的点计算几何光滑曲线。通过从闭区间到欧几里得空间的函数，来规定几何光滑曲线，使得图像点的笛卡尔坐 标的每一个在该闭区间上是连续的可微函数。换句话说，光滑曲线是连续曲线，没有间隙或中断，不具有角（也就是说，在某个点斜率没有突然改变，例如，在两条线的交叉点获得的情形）。如本领域所公知的（例如，最小二乘的方法），执行光滑曲线的计算。结果，将具有基于像素的几何形状的一组3D建模对象转换成具有几何数据的至少一个3D几何建模对象。有利的是，将非几何数据转换成在其上可以应用特定算法的几何数据。这允许生成3D几何建模对象，在CAD系统中不能够通过乱画（scratch）来生成的3D几何建模对象，这是由于通过乱画生成它们将需要过多的计算资源。因此，根据本发明的方法的3D几何建模对象的构造增加了用户的设计能力，并限制了该系统的计算资源的消耗。

可以根据模式，来执行从步骤S160处提取3D建模对象的点转换到在步骤S170处计算几何曲线，第一模式称为3D几何建模对象的自动提取，在图1中在A上示出，并且第二模式称为3D几何的手工提取，在图1中在M上示出。

在无需CAD系统和用户之间的任何交互的情况下，自动提取模式计算几何光滑曲线（步骤S170）。这意味着当系统计算光滑曲线时，用户不进行干预。自动提取的几何光滑曲线是表示所有投影的“笔画点”的平均位置。有利的是，自动模式允许在无需用户的任何动作的情况下跟踪光滑曲线，其中该光滑曲线考虑了用户的设计意图。这增加了用于设计几何3D建模对象的方法的整体速度。

这在图11中进行了描绘。示出了三个折线502、503、504。这些折线是根据在同一支持上投影的“笔画点”来构造的，其中该同一支持表示在提供一组3D建模对象的步骤处所提供的3D建模对象。曲线500表示根据所投影的“笔画点”计算得到的光滑曲线，也就是说，几何3D建模对象500表示该组折线502、503和504的平均曲线。

在实现时，根据在其上投影这些点的支持，来执行这些点的提取。这就是说执行所提取的点的过滤，该过滤是基于在其上投影所提取的点的支持。换句话说，生成投影在同一支持上的3D建模对象的“笔画点”的子集。这允许快速地寻找有关的3D建模对象。

通常，对于一个支持存在一个3D建模对象，3D建模对象是根据一个 支持构造的。但是，3D建模对象还可以根据两个或更多支持来构造。此外，两个3D建模对象可以具有相同的支持，例如，用户两次选择同一支持。

此外，可以根据折线的相应形状，来执行这些点的提取。这可以由于存储所投影的笔画点的结构来执行：通过点以及点的数量来描绘每一个构造的3D建模对象的特性。因此，提取这些点就是读取存储所投影的笔画点的结构。这些折线是根据在同一支持上投影的并表示在提供一组3D建模对象的步骤处提供的3D建模对象的“笔画点”来构造的。因此，执行过滤，以便选择构成折线集的3D建模对象的投影的“笔画点”，该过滤是基于折线的形状。例如，如果两个折线具有类似的形状，而第三折线具有完全不同的形状，则生成第一子集（其中第一子集包括具有类似形状的两个折线），生成包括第三折线的第二子集。结果，根据第一子集的折线中的点来计算第一几何光滑曲线，针对第二子集的折线中的点来计算第二几何光滑曲线。这冒险地允许跟踪几何光滑曲线，其中该曲线考虑了用户在草图阶段期间的设计意图。该过滤依赖于下面的假定：在进一步的步骤中，勾画几个类似笔画的用户旨在跟踪表示这些笔画的干净线。

接着，根据几何光滑曲线来构造三维几何建模对象（步骤250）。这意味着：规定几何光滑曲线的数据包括允许诸如几何数据之类的平滑表示的数据，例如其包括空间中的相对位置。换句话说，生成可以由CAD系统使用的文件。此外，该文件可以容易地在几个系统（例如，通过计算机网络连接的系统）之间共享。

应当理解的是，针对每一个提供的三维建模对象，重复提取步骤（S180）、计算步骤（S170）和构造步骤（S250）。这相当于说，提取所提供的3D建模对象中的所有点，并且几乎所有提取的点都用于构造3D几何建模对象。换句话说，可以从设计者生成的3D建模对象中自动地获得3D几何对象。换句话说，在用户勾画出对象之后，可以自动地获得该对象的痕迹。因此，增加了用于获得“干净”对象（也就是说，对象的痕迹）的速度，并可以将该痕迹导入到CAD系统中，以便用于进一步设计操作。

在系统（例如，CAD系统）和用户之间交互之时，手工提取模式计算几何光滑曲线（步骤S170）。这意味着当系统计算光滑曲线时，用户与系统交互。因此，该几何光滑曲线是表示用户与系统的交互的曲线。换句话说， 用户绘制旨在替代至少两个3D建模对象的曲线。因此，示踪阶段完成用户的需求。

在实现时，用户与屏幕进行交互（步骤S190），使得规定与用户交互相对应的笔画（S200）。这些步骤类似于步骤S100和S110。

随后，在所提取的点之中，获取所提供的一组三维建模对象中的一个三维建模对象以及所述一个三维建模对象的至少一个支持。换句话说，获取3D建模对象以及使用其来构造3D建模对象的支持。

所述获取可以通过获取离从光标（例如，图2中的光标2060）开始的选取路径最近的三维建模对象来执行，光标可以由触觉设备进行控制，触觉设备允许用户在图形用户界面中进行交互。应当理解的是，用户的交互可以进行直接实现，例如，当屏幕是敏感的（例如，单触摸或多触摸屏）并且用户在该屏幕上施加压力时，或者间接实现，例如通过使用触觉设备（如，鼠标或者用户可以在其上应用触摸笔的触摸板）。这还可以通过在屏幕上指示激光或者与屏幕交互的任何其它方式来实现。在直接在屏幕上实现用户的交互的情况下，选取路径从屏幕上的用户施加压力的位置开始。

最近的3D建模对象是3D场景中与屏幕具有最小距离的3D建模对象。换句话说，最近3D建模对象是用户感知到的最接近的对象。这有助于实现用户的跟踪操作。

选取路径是与所提供的一组中的3D建模对象交叉的路径。选取路径意味着可以选取与该路径交叉的对象，也就是说，可以单独地选择这些对象。换言之，选取路径是在屏幕位置处计算的光线（近远）和3D场景中可视化的3D建模对象之间的交叉的结果。

获取意味着：在查询时，对针对搜索和获取而组织的数据集合（例如，数据库）中存储的3D建模对象进行搜索，并将其提供为该查询的结果。

在实现时，可以使用光线（例如，使用光线投射的技术）来实现选取路径（S210）。因此，选取路径包含与该光线交叉的3D建模对象的可视化的列表。选取路径的实现并不限于光线投射，也可以预期其它方法（例如，大量光线投射）。光线投射是本领域公知的用于确定与光线交叉的第一对象（也就是说，在3D场景中，与屏幕最近的对象）的解决方案，。该光线是从光标投射的，或者来自于屏幕上的用户在触摸敏感屏幕中施加压力时的 位置。在光线从光标投射的情况下，该光线可以是连续地投射的。在用户与屏幕交互的情况下（例如，用户触摸屏幕时），光线可以从屏幕中的施加压力的位置进行投射。

应当理解的是，可以通过确定离从光标开始的选取路径最近的支持，来执行所提供的一组中的一个3D建模对象的获取，并且还获取使用该支持构造的3D建模对象。在两个或更多3D建模对象共享该支持的情况下，则获取这两个或更多对象。

接着，一旦执行了获取步骤（获取了支持），则将与用户交互相对应的笔画离散化成一组点（S230）。随后，将该组点中的点投影到在步骤S220获取的支持上。应当理解的是，可以执行这些步骤S230和240以及步骤S120和130。

接着，根据几何光滑曲线来构造三维几何建模对象（步骤250）。这与自动提取模式类似地执行。

应当理解的是，根据手工提取模式的提取步骤（S180）、计算（S170）和构造是用户与屏幕交互时进行的。在实现时，当在用户与屏幕交互时规定笔画的同时，重复这些步骤，这等于说，用户绘制旨在替代至少两个3D建模对象的曲线。

现在参见图12，显示了从图11的光滑曲线500获得的3D几何建模对象。该几何对象可以在CAD系统中操作，例如，可以使用控制点506来修改该曲线。

已经描述了本发明的优选实施例。应当理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的基础上，进行各种修改。因此，其它实现也落入所附权利要求书的范围之内。例如，计算用于构造所述支持的表面的一部分的选择的偏移点，可以通过确定有规律条带来计算，其中该有规律条带从投影的“笔画点”形成的折线延伸用户或系统确定的距离（例如，像素的数量）。

Claims (13)

1.一种用于设计三维建模对象的计算机实现的方法，其中，所述方法包括下列步骤：

-与屏幕的用户交互(S100)；

-定义(S110)与所述用户交互相对应的笔画；

-将所述笔画离散化(S120)为一组点；

-将所述一组点投影(S130)到三维场景中的至少一个支持上；

-根据所投影的一组点和所述至少一个支持，构造(S140)所述三维建模对象；以及

-通过下列操作构造(S150)所述三维建模对象的可视化：

-针对所投影的一组点中的每一个点，计算(S153)至少两个偏移点，偏移点是位于所述至少一个支持上的并与所述每一个点间隔开的点；以及

-计算(S155)由计算得到的至少两个偏移点勾画的表面，所述表面包括所投影的一组点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算至少两个偏移点包括：

-计算链接所投影的一组点中的点的折线；

-针对所投影的一组点中的每一个点，计算偏移向量其中，α是系数，是与所述支持垂直的单位向量，是链接构成所述折线的一组点中的两个点的线所定义的向量，和将所述每一个点作为共同原点；

-根据所述偏移向量来确定所述至少两个偏移点；以及

-将所确定的所述至少两个偏移点投影到三维场景中的所述至少一个支持上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

对计算得到的偏移所勾画的所述计算得到的表面进行棋盘化的步骤。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，构造可视化的步骤还包括：

应用着色器来渲染所述计算得到的表面。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述三维场景中的至少另一个支持，重复所述方法的步骤。

6.一种用于设计三维几何建模对象的计算机实现的方法，所述方法包括下列步骤：

-提供根据权利要求1到5中的一项所述的方法而设计的一组三维建模对象；

-提取(160)所提供的一组三维建模对象中的点；

-根据所提取的点计算(170)几何光滑曲线；

-根据所述几何光滑曲线构造(250)三维几何建模对象。

7.根据权利要求6所述的计算机实现的方法，其中，在所述提取步骤，根据支持来提取(180)所述点，其中所述点被投影在所述支持上。

8.根据权利要求6所述的计算机实现的方法，其中，所述提取步骤还包括：

-与屏幕的用户交互(190)；

-定义(200)与所述用户交互相对应的笔画；

-在所提取的点中获取(220)所提供的一组三维建模对象中的一个三维建模对象以及所获取的所述一个三维建模对象的至少一个支持；

-将与所述用户交互相对应的所述笔画离散化(230)为一组点；

-将所述一组点中的点投影(240)到所述至少一个所获取的支持上。

9.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述获取步骤还包括：

获取离从光标开始的选取路径最近的三维建模对象。

10.根据权利要求9所述的计算机实现的方法，其中，所述选取路径包括从所述光标投射的光线。

11.根据权利要求6或7所述的计算机实现的方法，其中，针对每一个所提供的三维建模对象，重复所述提取步骤、计算步骤和构造步骤。

12.根据权利要求8到10中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，在用户与屏幕交互的同时，重复所述提取步骤、计算步骤和构造步骤。

13.一种用于设计三维建模对象的计算机实现的设备，包括：

-用于与屏幕的用户交互的装置；

-用于定义与所述用户交互相对应的笔画的装置；

-用于将所述笔画离散化为一组点的装置；

-用于将所述一组点投影到三维场景中的至少一个支持上的装置；

-用于根据所投影的一组点和所述至少一个支持，构造所述三维建模对象的装置；以及

-用于通过下列操作构造所述三维建模对象的可视化的装置：

-针对所投影的一组点中的每一个点，计算至少两个偏移点，偏移点是位于所述至少一个支持上的并与所述每一个点间隔开的点；以及计算由计算得到的至少两个偏移点勾画的表面，所述表面包括所投影的一组点。