CN102938165B - 基于型面特征逼近的产品stl模型光顺方法 - Google Patents

Abstract

一种基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，属于逆向工程技术领域。该方法首先利用曲面保形精简方法提取产品STL模型的型面特征网格，然后根据该型面特征构造G¹连续的三角Bézier分片曲面，将其作为产品STL模型的光顺参考曲面，通过将产品STL模型顶点调整到参考曲面上，最终实现产品STL模型的光顺处理。该方法可在保留产品STL模型细节特征的情况下快速获得STL模型的整体光顺结果。

Description

基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法

技术领域

本发明提供一种基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，属于逆向工程技术领域。

背景技术

在产品逆向工程领域，产品STL模型通常用于表示散乱点云曲面拓扑重建的结果。由于环境振动、人为扰动及三维扫描设备自身精度缺陷等因素的影响，测量点云数据存在局部扰动和噪声，由该类点云插值生成的产品STL模型光顺性和精度较低。为提高曲面重建的精度，需对产品STL模型进行光顺优化。

对现有技术检索发现，神会存等在学术期刊《南京航空航天大学学报》2004，36(4)，P471-476上发表的论文“基于顶点分类的曲面三角网格模型自适应光顺研究”中，根据网格单元与邻域法矢求解网格顶点的法矢，将拉普拉斯光顺矢量和该点法矢的加权合向量作为顶点调整方向，通过设定精度阈值，迭代调整网格顶点位置，该方法容易产生型面细节丢失的过度光顺网格，保形性较差，且算法运行效率较低。

刘胜兰等在学术期刊《计算机学报》2004，27(1)，P79-84上发表的论文“主曲率均匀的网格光顺”中，通过构建网格曲面的局部二次参考曲面来估算网格顶点的主曲率值，采用加权平均思想求解顶点曲率值，根据曲率值和二次曲面方程调整网格顶点的位置，该方法构建的局部参考曲面之间缺乏连续性，导致整体光顺效果较差。

综上所述，现有的产品STL模型光顺方法不能很好地实现产品STL模型的整体光顺处理，并且难以有效保留曲面细节特征。

本发明兼顾产品STL模型整体光顺和局部光顺相协调的要求，提出一种基于型面特征逼近的产品STL模型整体光顺方法，首先利用曲面保形精简方法提取产品STL模型的型面特征网格，然后根据该型面特征构造G¹连续的三角Bézier分片曲面，将其作为产品STL模型的光顺参考曲面，通过将产品STL模型顶点调整到参考曲面上，最终实现产品STL模型的光顺处理。实验证明该方法能够对产品STL模型获得理想的整体光顺效果，并有效保留产品STL模型局部型面细节特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，以有效提高产品STL模型精度和光顺性。其技术方案为。

1、基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，其特征在于采用以下步骤：1）采用曲率变化聚类分簇的精简方法对产品STL模型进行精简，方法具体见孙殿柱等在学术期刊《西安交通大学学报》 2008，42(9)，P1179-1183上发表的论文“采用R*-tree的三角网格曲面非均匀精简算法” ，然后将精简后网格曲面作为产品STL模型的型面特征网格；2）将型面特征网格中的网格单元作为数据结点，建立型面特征网格三维R*树索引结构；3）遍历型面特征网格，对每个特征网格单元构建三角Bézier面片；4）将生成的三角Bézier面片逐个进行光滑拼接得到G¹连续的三角Bézier分片曲面，将其作为产品STL模型的光顺参考曲面；5）将产品STL模型顶点调整到光顺参考曲面上，实现产品STL模型的光顺处理。

2、根据权利要求1所述的基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，其特征在于：步骤3）中所述对每个特征网格单元构建三角Bézier面片的方法具体为：                                                对于给定的型面特征网格P，遍历型面特征网格索引结构，快速获取与P相邻的网格单元；过公共边界作与两相邻网格单元法矢夹角相等的平面，并使该平面为长度等于边界长度的有界平面；根据产品STL模型索引结构各层结点包围盒与有界平面的相离、相切和相交关系，深度优先遍历该索引结构，获取相交数据结点，进而获取数据结点中存储的网格单元，将有界平面与网格单元求交获取交点数据；对交点数据，逼近为一段Bézier曲线，并将公共边界的两端点作为曲线的端控制点，实现三角Bézier面片的边界获取；设当前型面特征网格单元P的外心为Q，外接圆半径为R，法矢量为v，点Q和矢量v确定出轴线A，遍历产品STL模型三维R*树索引结构，逐层查找与轴线A距离小于半径R的索引结点，以获取逼近区域内的数据结点，将数据结点包围盒中存储的网格顶点提取出来，并将其称为局部网格顶点；将局部网格顶点投影到网格单元P上得到投影点集，精确得到投影点在网格单元内的局部网格顶点作为三角Bézier面片相关点集；计算网格单元P的三角Bézier面片相关点集S _t 在P内的参数值(u _t ，v _t ，w _t )；逼近求取三角Bézier面片的中间网格控制点T _ijk ，其中，i+j+k=n，i,j,k≠0，在经过步骤求得三角Bézier面片的所有边界控制点后，曲面的逼近方程成为：

采用最小二乘法求取曲面的中间网格控制点T _ijk ，从而求得三角Bézier面片L，为便于后续网格顶点的光顺调整，在此处记录网格顶点S _t 与三角Bézier面片L的对应关系。

3、根据权利要求1所述的基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，其特征在于：步骤5）中所述将产品STL模型顶点调整到光顺参考曲面上的方法具体为：任取一网格顶点S，由于在步骤3）三角Bézier面片的逼近构建过程中记录了网格顶点与三角Bézier面片的对应关系，所以能够方便的获取与其对应的三角Bézier面片M，将该网格顶点在面片M的参数域内参数化，然后计算参数值在面片M上的点S ^’ ，将点S的坐标值替换为点S ^’ 的坐标值，实现该网格顶点的光顺调整。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

（1） 引入三维R*树作为产品STL模型和型面特征网格的动态索引结构，有效提高了产品STL模型光顺过程中网格单元的邻域查询效率；

（2） 从产品STL模型所提取的型面特征网格，不仅可将噪声数据从产品STL模型中分离出来，同时也保证了光顺参考曲面对产品STL模型的逼近精度，从而显著提高了产品STL模型光顺结果的保形性；

（3） 将型面特征网格作为参数域所构建的光顺参考曲面，其G¹连续性保证了产品STL模型光顺结果的整体光顺性。

附图说明

图1 是本发明程序流程图。

图2~图3是本发明实施例中产品STL模型及其精简后网格曲面效果图。

图4~图7是本发明实施例中型面特征网格动态索引各层结点轴向包围盒效果图。

图8~图9是本发明实施例中三角Bézier面片的边界获取效果图。

图10是本发明实施例中光顺参考曲面效果图。

图11是本发明产品STL模型顶点光顺调整流程图。

图12~图13是本发明Venus头像STL模型光顺效果图。

具体实施方式

图1是本发明基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法程序流程图。首先采用曲率变化聚类分簇的精简程序对产品STL模型进行精简，将精简后网格曲面作为产品STL模型的型面特征网格；产品STL模型精简程序首先获取目标三角面片的k个邻域三角面片，然后根据法向矢量夹角阈值对邻域三角面片进行分簇。对于局部型面较为平坦的三角面片集合，即目标三角面片与其邻域三角面片法矢夹角小于，而对于局部型面曲率较大的三角面片集合，即目标三角面片与其邻域三角面片法矢夹角大于，根据夹角阈值将局部邻域三角面片集合分成若干簇。每簇三角面片均采用一个三角面片代替，实现产品STL模型的精简。图2~图3反映了本实例中产品STL模型精简效果图。其中，图2是产品STL模型，图3是精简后产品STL模型效果图。

将型面特征网格的每个网格单元作为数据结点，采用k均值聚类分簇算法对嵌套的结点轴向包围盒进行动态空间聚类划分，建立型面特征网格的三维R*树索引结构程序；图4~图7反映了本实例中型面特征网格的动态索引各层结点轴向包围盒效果图。其中，图4是型面特征网格动态空间索引结构根结点轴向包围盒效果图，图5和图6为型面特征网格动态空间索引结构内部结点轴向包围盒效果图，图7为型面特征网格动态空间索引结构数据结点轴向包围盒效果图。

遍历型面特征网格，执行三角Bézier面片构建程序，对每个特征网格单元构建三角Bézier面片，具体步骤如下：对于给定的型面特征网格P，根据k近邻查询算法，深度优先遍历型面特征网格索引结构，快速获取与P相邻的网格单元；如图8所示，过公共边界作与两相邻网格单元法矢夹角相等的平面，并使该平面为长度等于边界长度的有界平面；根据产品STL模型索引结构各层结点包围盒与有界平面的相离、相切和相交关系，深度优先遍历该索引结构，获取相交数据结点，将数据结点中存储的网格单元提取出来，对有界平面与网格单元执行求交程序获取交点数据；如图9所示，对交点数据执行Bézier曲线逼近程序获取Bézier曲线，并将公共边界的两端点作为曲线的端控制点，实现三角Bézier面片的边界获取；设当前型面特征网格单元P的外心为Q，外接圆半径为R，法矢量为v，点Q和矢量v确定出轴线A，深度优先遍历产品STL模型三维R*树索引结构，逐层查找与轴线A距离小于半径R的索引结点获取逼近区域内的数据结点，将数据结点包围盒中存储的网格顶点提取出来，并将其称为局部网格顶点；将局部网格顶点投影到网格单元P上得到投影点集P _k ，设定网格顶点是逆时针排列，采用公式，对局部网格顶点进行判断筛选，精确得到投影点在网格单元内的局部网格顶点作为三角Bézier面片相关点集；计算网格单元P的三角Bézier面片相关点集S _t 在P内的参数值(u _t ，v _t ，w _t )；在经过步骤求得三角Bézier面片的所有边界控制点后，曲面的逼近方程成为：

采用最小二乘法求取曲面的中间网格控制点T _ijk ，其中，i+j+k=n，i,j,k≠0，从而求得三角Bézier面片的所有控制顶点，获取逼近三角Bézier面片L，为便于后续网格顶点的光顺调整，在此处建立网格顶点S _t 与三角Bézier面片L的对应关系。

将生成的三角Bézier面片采用G¹拼接算法逐个进行光滑拼接得到G¹连续的三角Bézier分片曲面，将其作为产品STL模型的光顺参考曲面；图10为G¹拼接后的三角Bézier分片曲面及其局部放大图。其中，图10左侧为G¹连续三角Bézier分片曲面，右侧为其局部放大图。

执行产品STL模型顶点调整程序，将产品STL模型顶点调整到光顺参考曲面上，实现产品STL模型的光顺处理；图11为产品STL模型顶点光顺调整程序流程图，具体步骤为：对于第i个网格顶点S，查询在三角Bézier面片的逼近构建过程中建立的网格顶点与三角Bézier面片的对应关系，获取与其对应的三角Bézier面片M，将该网格顶点在面片M的参数域内参数化，然后计算参数值在面片M上的点S ^‘ ，将点S的坐标值替换为点S ^‘ 的坐标值，实现该网格顶点的光顺调整。对所有的网格顶点调整结束后，获得光顺后的产品STL模型。程序结束。

图12~图13为Venus头像光顺效果图，其中图12为Venus头像STL模型，图13为光顺后的Venus头像STL模型。

其他产品STL模型光顺方法同上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于型面特征逼近的产品STL模型光顺方法，其特征在于采用以下步骤：1）采用曲率变化聚类分簇的精简方法对产品STL模型进行精简，将精简后网格曲面作为产品STL模型的型面特征网格；2）将型面特征网格中的网格单元作为数据结点，建立型面特征网格三维R*树索引结构；3）遍历型面特征网格，对每个特征网格单元构建三角Bézier面片，具体为： 对于给定的型面特征网格P，遍历型面特征网格索引结构，快速获取与P相邻的网格单元；过公共边界作与两相邻网格单元法矢夹角相等的平面，并使该平面为长度等于边界长度的有界平面；根据产品STL模型索引结构各层结点包围盒与有界平面的相离、相切和相交关系，深度优先遍历该索引结构，获取相交数据结点，进而获取数据结点中存储的网格单元，将有界平面与网格单元求交，获取交点数据；将交点数据逼近为一段Bézier曲线，并将公共边界的两端点作为曲线的端控制点，实现三角Bézier面片的边界获取；设当前型面特征网格单元P的外心为Q，外接圆半径为R，法矢量为v，点Q和矢量v确定出轴线A，遍历产品STL模型三维R*树索引结构，逐层查找与轴线A距离小于半径R的索引结点，以获取逼近区域内的数据结点，将数据结点包围盒中存储的网格顶点提取出来，并将其称为局部网格顶点；将局部网格顶点投影到网格单元P上得到投影点集，精确得到投影点在网格单元内的局部网格顶点作为三角Bézier面片相关点集；计算网格单元P的三角Bézier面片相关点集S _t 在P内的参数值(u _t ，v _t ，w _t )；逼近求取三角Bézier面片的中间网格控制点T _ijk ，其中，i+j+k=n，i,j,k≠0，在经过步骤求得三角Bézier面片的所有边界控制点后，曲面的逼近方程成为：

采用最小二乘法求取曲面的中间网格控制点T _ijk ，从而求得三角Bézier面片L，为便于后续网格顶点的光顺调整，在此处记录网格顶点S _t 与三角Bézier面片L的对应关系；4）将生成的三角Bézier面片逐个进行光滑拼接得到G¹连续的三角Bézier分片曲面，将其作为产品STL模型的光顺参考曲面；5）将产品STL模型顶点调整到光顺参考曲面上，实现产品STL模型的光顺处理，具体为：任取一网格顶点S，由于在步骤3）三角Bézier面片的逼近构建过程中记录了网格顶点与三角Bézier面片的对应关系，所以能够方便的获取与其对应的三角Bézier面片M，将该网格顶点在面片M的参数域内参数化，然后计算参数值在面片M上的点S ^’ ，将点S的坐标值替换为点S ^’ 的坐标值，实现该网格顶点的光顺调整。