CN102890830B - 基于三角面片模型的拓扑面分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三角面片模型的拓扑面分离方法。所述方法包括以下步骤：1)对所述三角面片模型中的三角面片进行数据预处理；2)利用三角面片的合并从所述三角面片模型中分解拓扑面；3)建立所述拓扑面的基本几何信息；4)判断是否已经为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，如果还没有为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，则返回至步骤2)，否则结束所述方法。

Description

基于三角面片模型的拓扑面分离方法

技术领域

本发明涉及CAD建模技术，更具体而言，涉及一种基于三角面片模型的拓扑面分离方法。

背景技术

在现有技术中，用许多空间三角形小平面来表示CAD实体表面的数据模型在三维建模中是很常用的一种方法。这种方法将CAD表面离散化为三角形面片。不同的精度时有不同的三角形网格划分。通常每个三角形面片有4个数据项表示，即三角形的3个顶点坐标和三角形面片的外法线矢量，整个CAD实体数据模型由多个三角形面片的集合表示，数据结构简单，而且与所使用的CAD系统无关。

但是这种表示方法只是无序地列出构成实体表面的所有三角形的几何信息，不包含任何三角形之间的拓扑相邻信息。因此当用三角形面片这种表示方法生成的文件重建实体模型会遇到如下两个问题：一是由于导入的三维实体模型是经过三角化处理后的模型，拓扑信息匮乏，只能知道构成模型的点及三角面片信息，而无法得知模型的各个面的拓扑信息；二是构成零件的三角面片数量过于庞大，一个简单的球体模型约为5000个三角面片，而面片之间有着大量的冗余数据，甚至有许多错误和缺陷。因此需要设计一种能对缺乏拓扑信息却又数据量庞大的三维模型进行处理的通用方法。

发明内容

本发明是基于OSG等三维图形仿真环境，针对目前应用较为广泛的一类虚拟实验——机械类虚拟实验，公开一种通用的数据预处理方法，可以对三维模型进行拓扑重建，实现模型的拓扑面分离，提取三维模型的几何特征。

在本发明中，术语“三角面片”表示组成几何模型的三角形，三角面片有4个数据表示项，即三个顶点和一个外法向量。

术语“顶点坐标表”代表存放三角面片顶点的链表，记录了三角面片的顶点以及顺序号。

术语“相邻规则”表示判定两个三角面片是否相邻的规则，其被定义为若两个三角面片有两个顶点相同则认为这两个三角面片是相邻的。

术语“三角面片对象”代表一种采用面向对象的方法表示的数据，该数据记录了三角面片的三个顶点坐标，三角面片的外法向量，三角面片序列号以及与它相邻的三角面片序列号。

术语“拓扑面规则”代表拓扑面应该满足的几何特征规则，用来区分各个拓扑面，例如：平面应该符合组成平面的各个三角面片的法向量方向一致。

本发明提供一种基于三角面片模型的拓扑面分离方法，包括以下步骤：

1)对所述三角面片模型中的三角面片进行数据预处理；

2)利用三角面片的合并，从所述三角面片模型中分解拓扑面；

3)建立所述拓扑面的基本几何信息；

4)判断是否已经为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，如果还没有为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，则返回至步骤2)，否则结束所述方法。

优选地，所述数据预处理进一步包括以下步骤：

21)读入数据文件，所述数据文件记录所述三角面片模型中的三角面片的顶点坐标和外法向量；

22)对所述三角面片模型中的三角面片的顶点坐标进行排序；

23)将重合的顶点归并为一个顶点，并将归并后的顶点坐标存入顶点坐标表中；

24)为一个三角面片建立一个三角面片对象，所述三角面片对象根据顶点坐标表的读取顺序记录所述三角面片的序列号，并为所述三角面片的顶点与顶点坐标表建立对应关系；

25)判断是否已经为所有三角面片建立了三角面片对象，如果还没有为所有三角面片建立三角面片对象，则返回步骤24)，如果已经为所有三角面片建立了三角面片对象，则前进至步骤26)；

26)读取一个三角面片对象，根据相邻规则，为所读取的三角面片对象在其他三角面片对象中寻找相邻的三角面片对象，并且为所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象建立相邻关系；

27)将所述相邻关系记录在所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象中；

28)判断是否已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，如果还没有为所有的三角面片对象记录相邻关系，则返回至步骤26)，如果已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，则所述数据预处理结束。

优选地，分解拓扑面进一步包括以下步骤：

31)选择一个用于生成拓扑面的种子三角面片以及拓扑面规则；

32)找出与所述种子三角面片相邻的三角面片；

33)判断所述种子三角面片与所述相邻的三角面片是否满足所述拓扑面规则，如果所述种子三角面片与所述相邻的三角面片满足所述拓扑面规则，则前进至步骤34)，如果所述种子三角面片与所述相邻的三角面片不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤39)；

34)合并所述种子三角面片与所述相邻的三角面片，获得种子多边形；

35)以得到的种子多边形的边界为依据，寻找与所述种子多边形相邻的三角面片，；

36)判断所述种子多边形和与其相邻的三角面片是否满足所述拓扑面规则，如果所述种子多边形和与其相邻的三角面片满足所述拓扑面规则，则前进至步骤37)，如果所述种子多边形和与其相邻的三角面片不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤38)；

37)合并所述种子多边形和与其相邻的三角面片，并且继续到步骤35)；

38)判断是否已经找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，则返回步骤35)，如果已经找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，则结束分解拓扑面；

39)判断是否已经找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，则返回步骤32)，如果已经找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，则结束分解拓扑面。

优选地，数据文件是STL文件。

优选地，相邻规则被定义为如果两个三角面片有两个顶点相同则认为这两个三角面片是相邻的。

优选地，拓扑面规则是平面符合组成平面的各个三角面片的法向量方向一致。

优选地，顶点坐标表是存放三角面片顶点的链表。

优选地，拓扑面的基本几何信息包括拓扑面的中心位置以及边界。

附图说明

图1是根据本发明的基于三角面片模型的拓扑面分离方法的流程图。

图2是根据本发明的三角面片的数据预处理的流程图。

图3是根据本发明的分解几何拓扑面的流程图。

图4是应用本发明的方法进行特征提取的效果图，其中图4a是齿轮的三角面片图，整个齿轮模型由上下端面，齿廓面，轴孔面组成，各个面由三角面片表示而成，图4b与图4c是经过对齿轮的各个拓扑面提取之后的效果图，图4b提取出了齿轮的齿廓面，图4c提取了齿轮的端面。

具体实施方式

现在，将详细参考本发明的不同示例性实施例来描述本发明。应指出，虽然将结合示例性实施例描述本发明，但该描述并非要把本发明限制于该示例性实施例。相反，本发明将不仅覆盖该示例性实施例，而且还覆盖各种替换的、改变的、等效的和其他实施例，本发明保护范围应以权利要求为准。

下面参考图1来描述根据本发明的基于三角面片模型的拓扑面分离方法。在步骤S11，首先对三角面片进行数据预处理。本领域技术人员已知，三角面片仅仅包含模型的几何位置信息，而且三角形顶点是重复记录的。例如，一个具有13100个三角面片的网格模型，就使用了39300个顶点数据，而实际不重复的顶点仅有6556个，因此数据预处理的主要目的是数据去重和记录三角面片之间的相邻关系，方便后续操作。

如图2所示，三角面片的数据预处理主要通过以下步骤来实现。

首先，在步骤S21，读入数据文件，该数据文件例如可以是STL类型的。该数据文件记录了三角面片模型的三角面片数据，包括三角面片的顶点坐标和外法向量。

然后，在步骤S22，对三角面片模型中的三角面片的顶点坐标进行排序。本领域技术人员可以构思各种方法对顶点坐标进行排序，例如根据数据文件的读取顺序对顶点坐标进行排序。排序之后，在步骤S23，将重合的顶点归并为一个顶点，并将归并后的顶点坐标存入顶点坐标表中。接下来，在步骤S24，为一个三角面片建立一个三角面片对象，该三角面片对象根据顶点坐标表的读取顺序记录所述三角面片的序列号，并为所述三角面片的三个顶点与顶点坐标表建立对应关系。

然后，在步骤S25，判断是否已经为每个三角面片建立了三角面片对象。如果还没有为所有三角面片建立三角面片对象，则返回步骤S24，如果已经为所有三角面片建立了三角面片对象，则前进至步骤S26。三角面片对象建立完毕后，在步骤S26，读取一个三角面片对象。然后，在步骤S27，根据相邻规则，为所读取的三角面片对象在其他三角面片对象中寻找相邻的三角面片对象，并且为所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象建立相邻关系。接下来，在步骤S28，把相邻关系记录在所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象中。

最后，在步骤S29，判断是否已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，如果还没有为所有的三角面片对象记录相邻关系，则返回至步骤S26，如果已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，则所述数据预处理结束。

例如，读取第一个三角面片，记录序列号为1，其三个顶点对应顶点坐标表中的第一、第二、第三个顶点；接着，读取第二个三角面片，同样记录序列号为2，其三个顶点对应顶点坐标表中的第一、第三、第四个顶点。根据相邻规则，即若两个三角面片有两个顶点相同则认为二者是相邻的，可以判定第二个三角面片与第一个三角面片相邻，并且在第一个三角面片的相邻关系中添加序列号“2”，在第二个三角面片的相邻关系中添加序列号“1”，这样就对这两个三角面片建立相邻关系。按照上述过程处理所有三角面片。

再次参考图1，在对三角面片进行数据预处理之后，在步骤S12，根据几何特性利用三角面片的合并从整体模型中分解拓扑面。如图3所示，利用三角面片的合并分解拓扑面的过程是一个递归循环。

首先，在步骤S31，根据需要任意选择一个用于生成拓扑面的种子三角面片Ti以及拓扑面规则。在本实施例中，拓扑面规则例如可以是平面应该符合组成平面的各个三角面片的法向量方向一致。

然后，在步骤S32，找出与种子三角面片Ti相邻的三角面片Tj。然后，在步骤S33，判断种子三角面片Ti与相邻的三角面片Tj是否满足拓扑面规则。如果所述种子三角面片Ti与相邻的三角面片Tj不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤S39。

在步骤S39，判断是否已经找到与所述种子三角面片Ti相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子三角面片Ti相邻的所有三角面片，则返回步骤S32，如果已经找到与所述种子三角面片Ti相邻的所有三角面片，则结束分解拓扑面。

另一方面，如果种子三角面片Ti与相邻的三角面片满足所述拓扑面规则，则过程前进到步骤S34，相邻的三角面片Tj与种子三角面片Ti合并。发生三角形合并后，原来的种子三角面片Ti扩充为多边形边界，种子三角面片Ti成为种子多边形。

接下来，在步骤S35，以得到的种子多边形的边界为依据，寻找与其相邻的三角面片。在步骤S36，判断种子多边形和与其相邻的三角面片是否满足拓扑面规则。如果种子多边形和与其相邻的三角面片满足拓扑面规则，则在步骤S37，合并所述种子多边形和与其相邻的三角面片，使种子多边形不断变大。如果所述种子多边形和与其相邻的三角面片不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤S38。

在步骤S38，判断是否已经找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，则返回步骤S35。另一方面，如果已经找到与种子多边形相邻的所有三角面片，即最终当所有相邻的三角面片均无法与种子多边形合并时，递归停止。这时得到的即是一个几何拓扑面。

再次参考图1，在得到一个几何拓扑面之后，在步骤S13，建立拓扑面的基本几何信息，这些几何信息例如包括几何面的中心位置，圆柱面的轴心位置、直径、深度等。如果拓扑面是规则面，例如可以通过x，y，z坐标找出几何拓扑面的边界，计算几何拓扑面的中心及边界大小。

然后，在步骤S14判断是否还存在未处理的三角面片，如果还存在未处理的三角面片，则过程返回步骤S12，处理模型剩余的未处理的面，如果不再存在未处理的三角面片，则结束所述方法。

图4显示了利用本发明的方法进行特征提取的效果图。其中图4a是齿轮的三角面片图，整个齿轮模型由上下端面，齿廓面，轴孔面组成，各个面由三角面片表示而成，图4b是与图4c是经过对齿轮的各个拓扑面提取之后的效果图，图4b提取出了齿轮的齿廓面，图4c提取了齿轮的端面。

该方法以北京润尼尔网络科技有限公司的虚拟装配实验室为平台，进行研究开发，可行性得到了认证。这种方法能将CAD软件制作成通用格式文件导入OSG或其他三维图形系统环境中，对文件进行分析处理，具有普遍通用性。实践表明，这种方法充分利用了模型能够提供的有用信息，重建模型中包含了参数化几何特征和基本拓扑关系，使重建模型具有很好的实用性。该方法在很大程度上拓展了CAD软件模型文件在三维图形系统环境中的应用。

Claims (6)

1.一种基于三角面片模型的拓扑面分离方法，包括以下步骤：

1)对所述三角面片模型中的三角面片进行数据预处理；

2)利用三角面片的合并从所述三角面片模型中分解拓扑面；

3)建立所述拓扑面的基本几何信息；

4)判断是否已经为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，如果还没有为所述三角面片模型中的所有三角面片分解拓扑面，则返回至步骤2)，否则结束所述方法，

其中所述数据预处理进一步包括以下步骤：

21)读入数据文件，所述数据文件记录所述三角面片模型中的三角面片的顶点坐标和外法向量；

22)对所述三角面片模型中的三角面片的顶点坐标进行排序；

23)将重合的顶点归并为一个顶点，并将归并后的顶点坐标存入顶点坐标表中；

24)为一个三角面片建立一个三角面片对象，所述三角面片对象根据顶点坐标表的读取顺序记录所述三角面片的序列号，并为所述三角面片的顶点与顶点坐标表建立对应关系；

25)判断是否已经为所有三角面片建立了三角面片对象，如果还没有为所有三角面片建立三角面片对象，则返回步骤24)，如果已经为所有三角面片建立了三角面片对象，则前进至步骤26)；

26)读取一个三角面片对象，根据相邻规则，为所读取的三角面片对象在其他三角面片对象中寻找相邻的三角面片对象，并且为所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象建立相邻关系；

27)将所述相邻关系记录在所读取的三角面片对象和所述相邻的三角面片对象中；

28)判断是否已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，如果还没有为所有的三角面片对象记录相邻关系，则返回至步骤26)，如果已经为所有的三角面片对象记录了相邻关系，则所述数据预处理结束，以及

其中分解拓扑面进一步包括以下步骤：

31)选择一个用于生成拓扑面的种子三角面片以及拓扑面规则；

32)找出与所述种子三角面片相邻的三角面片；

33)判断所述种子三角面片与所述相邻的三角面片是否满足所述拓扑面规则，如果所述种子三角面片与所述相邻的三角面片满足所述拓扑面规则，则前进至步骤34)，如果所述种子三角面片与所述相邻的三角面片不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤39)；

34)合并所述种子三角面片与所述相邻的三角面片，获得种子多边形；

35)以得到的种子多边形的边界为依据，寻找与所述种子多边形相邻的三角面片；

36)判断所述种子多边形和与其相邻的三角面片是否满足所述拓扑面规则，如果所述种子多边形和与其相邻的三角面片满足所述拓扑面规则，则前进至步骤37)，如果所述种子多边形和与其相邻的三角面片不满足所述拓扑面规则，则前进至步骤38)；

37)合并所述种子多边形和与其相邻的三角面片，并且继续到步骤35)；

38)判断是否已经找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，则返回步骤35)，如果已经找到与所述种子多边形相邻的所有三角面片，则结束分解拓扑面；

39)判断是否已经找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，如果还没有找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，则返回步骤32)，如果已经找到与所述种子三角面片相邻的所有三角面片，则结束分解拓扑面。

2.根据权利要求1所述的基于三角面片模型的拓扑面分离方法，其中所述数据文件是STL文件。

3.根据权利要求1所述的基于三角面片模型的拓扑面分离方法，其中所述相邻规则被定义为：如果两个三角面片有两个顶点相同则认为这两个三角面片是相邻的。

4.根据权利要求1所述的基于三角面片模型的拓扑面分离方法，其中所述拓扑面规则是平面符合组成平面的各个三角面片的法向量方向一致。

5.根据权利要求1所述的基于三角面片模型的拓扑面分离方法，其中所述顶点坐标表是存放三角面片顶点的链表。

6.根据权利要求1所述的基于三角面片模型的拓扑面分离方法，其中所述拓扑面的基本几何信息包括拓扑面的中心位置以及边界。