CN104217066B

CN104217066B - 利用2d视图设计3d建模对象

Info

Publication number: CN104217066B
Application number: CN201410380379.3A
Authority: CN
Inventors: J-F·拉莫; A·福谢; J·克卢
Original assignee: Dassault Systemes of America Corp
Current assignee: Dassault Systemes of America Corp
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: JP6498872B2; US20140358496A1; EP2811463A8; EP2811463A1; US9886528B2; CN104217066A; EP2811463B1; CA2853255A1; JP2014235756A; KR20140142679A

Abstract

提供了一种用于设计三维建模对象的计算机实现的方法，包含以下步骤：提供(S10)建模对象的多个二维视图、三维线框图；将进入到所述线框图的每一个顶点的所有边与该顶点相关联(S20)；然后通过按照与所述顶点相关联的局部径向顺序浏览所述线框图，来确定(S30)边循环。该方法改进了3D建模对象的设计。

Description

利用2D视图设计3D建模对象

技术领域

本发明涉及计算机程序和系统领域，特别涉及用于设计三维建模(3D)建模对象的方法、系统和程序以及可由所述方法获取的3D建模对象和存储所述3D建模对象的数据文件

背景技术

多个系统和程序提供于对象的设计、工程和制造的市场。CAD为计算机辅助设计的首字母缩略词，例如其涉及用于设计对象的软件方案。CAE为计算机辅助工程的首字母缩略词，例如其涉及用于仿真未来产品的物理行为的软件方案。CAM为计算机辅助制造的首字母缩略词，例如其涉及定义制造过程和操作的软件方案。在上述系统中，图形用户界面(GUI)在技术的效率方面扮演重要角色。这些技术可嵌入产品生命周期管理(PLM)系统中。PLM是指一种商业策略，其在扩展企业的概念上帮助企业从产品的构思到其生命结束期间共享产品数据、应用公共过程并利用共同的知识来开发产品。

由Dassault Systèmes提供的PLM方案(商标为CATIA、ENOVIA和DELMIA)提供了：组织产品工程知识的工程中心，管理制造工程知识的制造中心，以及使得企业能够集成并连接到工程和制造中心的企业中心。系统一起传递将产品、过程、资源链接起来的开放对象模型，以实现动态的、基于的知识产品创建和决策支持，这驱动了优化的产品定义、制造准备、生产和服务。

现在某些CAD系统允许用户基于要被建模的实际对象的一组二维(2D)图片(例如照片)来设计3D建模对象。已有方法包括为系统提供若干重叠的从不同角度表示真实对象的图片。然后，用户参与使这些图片上的相同的点、线和边相匹配。可选地，用户在图片中添加曲线，同时保持重叠连贯性。接下来的步骤是系统自动计算对象的3D版本。该对象的几何形状为一组用于表示特征边的3D点、曲线和直线。其可能是线框几何形状。可选地，用户在该线框几何形状上添加3D曲线。用户再次参与创建先前步骤计算的曲线所界定的表面。每个表面的边界曲线由用户选择。取决于应用，可以从初始图片创建线框模型、表面模型或甚至实体模型，尽管在现有技术文献中这并不是完全清楚的。

如能够看到的，该现有技术在两个步骤期间涉及用户。第一步骤是建立重叠图片上的匹配。该步骤似乎是不可避免的。在系统已经创建了3D曲线之后，另一步骤是用户选择边界曲线以供系统创建表面。需要这种手动选择，原因在于现有技术的系统无法从3D曲线自动创建表面。从用户的角度来看，这种手动过程可能是非常长的并且是乏味的。此外，不适当的选择导致扭曲或重叠的表面。识别并修复这些有缺陷的表面是用户的责任，这再次延长了到达虚拟3D对象的路径。

因此，本发明的目标在于改进基于2D视图的3D建模对象的设计。

发明内容

根据一个方面，因此提供了一种计算机实现的方法，用于设计三维建模对象。该方法包括以下步骤：提供建模对象的多个二维视图、三维线框图，所述多个二维视图具有定义在其上的曲线和点，所述三维线框图包含连接顶点的边以及这些边和顶点分别与所述视图上的曲线和点之间的对应关系。该方法还包含以下步骤：将以下与所述线框图的每个顶点相关联：进到到该顶点的所有边之间的局部径向顺序，所述关联是根据相对于与该顶点相对应的点、每一个视图上的与所述边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序的。然后该方法包含以下步骤：通过按照与所述顶点相关联的局部径向顺序来浏览所述线框图，来确定边循环。

该方法可以包含以下步骤中的一个或多个：

-其中，将以下与所述线框图的每一个顶点相关联：进入到相应顶点的所有边之间的局部径向顺序，包含：对于每个相应顶点，针对每个视图确定相对于与该相应顶点相对应的顶点、该视图上定义的并与进入到该相应顶点的边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序，合并所有局部部分径向顺序，以及遍历所有局部部分径向顺序的合并结果以检测包括进入到该相应顶点的所有边的循环，所述循环组成与该相应顶点相关联的局部径向顺序；

-局部部分径向顺序被确定作为图，所述图的节点标识边并且所述图的弧标识边之间的先后顺序；

-将以下与所述线框图的每个顶点相关联：进入到相应顶点的所有边之间的局部径向顺序，进一步包含：当遍历(S26)所有的局部部分径向顺序的合并的结果导致检测到包括进入到该相应顶点的所有边的若干循环时，为该相应顶点选择所检测到的循环中的一个，该相应顶点为奇异顶点；

-选择所检测到的循环中的一个包含：对所有奇异顶点的集合执行调整过程，所述调整过程包含：选择开始奇异顶点和所述开始奇异顶点的开始输出边，按照与所述顶点相关联的局部径向顺序浏览所述线框图，以检测所述开始奇异顶点处的边循环，以及然后：如果到达另一奇异顶点，则使用新的开始奇异顶点和/或新的开始输出边来重复所述调整过程，否则，将遍历所有的局部部分径向顺序的合并的结果时导致的检测到的、与所述开始输出边和所浏览的最终边之间的顺序相符合的循环与所述开始奇异顶点相关联，从所有奇异顶点的集合中移除所述开始奇异顶点，以及然后重复所述调整过程直到没有剩下任何奇异顶点为止；

-通过浏览所述线框图确定边循环包含以下子步骤：选择一顶点，通过以下方式形成边列表：从所选择的顶点开始，追踪与所遇见的顶点相关联的局部径向顺序，并用所追踪的边递增所述边列表直到所述边列表形成边循环为止，以及重复前述的子步骤；

-所述视图为图像，并且所述线框图为所述建模对象的基于所述图像的三维构造；

-该方法进一步包含：在提供视图、线框图和对应关系之前，捕获相同实际产品的图像，在图像上定义曲线和点，由此形成所述视图，定义每个图像的曲线和点分别与其它图像上的曲线和点之间的对应关系，以及基于所述视图并基于对应关系来构造线框图，由此构造的线框图包含连接顶点的边以及这些边和顶点分别与视图上的曲线和点之间的对应关系；

-所述图像为照片；和/或

-该方法进一步包含：基于所确定的边循环来向所述线框图提供表面。

进一步提出了一种可通过上述方法获取的三维建模对象。

进一步提出了一种用于存储所述三维对象的数据文件。

进一步提出了一种计算机程序，包含用于执行上述方法的指令。该计算机程序适合于记录在计算机可读存储介质上。

进一步提出了一种计算机可读存储介质，具有记录于其上的上述计算机程序。

进一步提出了一种CAD系统，包含耦合于存储器的处理器和图形用户界面，该存储器具有记录于其上的上述计算机程序。

附图说明

现在将通过非限制性的例子并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

-图1示出了方法的示例的流程图；

-图2-3示出了与确定边循环(edge cycle)有关的问题；

-图4示出了图形用户界面的示例；

-图5示出了客户端计算机系统的示例；以及

-图6-40示出了方法的示例。

具体实施方式

图1示出了计算机实现的用于设计3D建模对象的方法的示例的流程图。该方法包含提供S10建模对象的多个2D视图的步骤。所述视图具有在其上定义的曲线和点。该方法在S10还提供3D线框图。3D线框图包含连接顶点的边以及所述边和所述顶点分别与所述视图上的曲线和点之间的对应关系。该方法还包含将以下关联S20到线框图的每个顶点：进入到该顶点的所有边之间的局部径向顺序。该关联S20是根据相对于与该顶点相对应的点每个视图上的与所述边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序来执行的。然后该方法包含确定S30边循环。该确定S30是通过根据在S20被关联到顶点的局部径向顺序浏览线框图来执行的。这改进了基于建模对象的2D视图的3D建模对象的设计。

如之前所解释的，背景技术考虑了提供与要设计的3D建模对象的2D视图相对应的3D线框图。然而，用户之后必须手动地为线框图提供表面，这不仅是困难的而且在某些情况下可能是模糊的。该方法允许对过程进行强健的自动化，这是因为其在S30引起了确定3D线框图的边循环。如本领域所知的，边循环被定义其上的这种3D线框图可以通过以下方式来引起对表面的设计：基于所确定的边循环给线框图提供表面。该方法可以根据任何已知技术来进行这种操作，其并非本文讨论的主题。

因而，研究一算法以使得从3D曲线网络创建表面自动化，可以导致查找合适的边循环集合的问题，每个边循环将表面的边界定义为闭环曲线。本领域已有算法为联合算法或拓扑算法。联合算法实质上计算循环的基(basis)，通常为基本循环的基。为避免表面重叠，最小循环的基是有利的。不幸的是，由于如下原因，该计算是不实际的。算法复杂度是多项式的并且最小循环的基不唯一，这可能再次导致重叠表面，如图2-3所示出的，图2-3对于同一线框图20显示了两个不同的边循环对(22和24)或(22和26)。另一方面，拓扑算法需要关于3D曲线网络的空间假设(主要是网络“几乎”为平面的)，这在工业环境中是不现实的。

该方法通过以合适的顺序(关联S20处所涉及的局部径向顺序)对每个顶点周围的边进行排序而避免了这些问题。这种局部排序是通过重用在S10提供的输入2D视图来计算的，这是因为每个局部径向顺序是根据每个视图上的曲线之间的局部部分径向顺序的。在确定S30根据局部排序遍历整个3D曲线网络最终提供了一组边循环。每个边循环为曲线的闭环，定义了表面的边界。此外，由于循环的邻接关系为已知，所以该方法可以进一步处理相切约束以计算相切的产生表面，用于上述适应。

该方法消除了为表面创建选择边界的需要。这缩短了在CAD系统中获得虚拟3D对象的时间，并因而改进了生产率。此外，保证了从该方法产生的外皮是闭合的和定向的外皮，这进而改进了质量，并且再次缩短了时间，原因在于后验检查将不再需要。当处理标准输入对象时，该方法的算法复杂度是线性的，并且这是最优的。因而，实现该方法为CAD系统提供了最佳的可能性能。

建模对象为由结构化数据定义/描述的任何对象，所述结构化数据可以存储于数据文件(即具有特定格式的一段计算机数据)和/或计算机系统的存储器上。延伸地，表述“建模对象”可以指定数据本身。通过该方法获取的建模对象具有特定结构，如其在定义其的数据中具有线框图，所述线框图具有在S30确定的边循环。此外，该建模对象还可以包含S20处所涉及的局部径向顺序和/或局部部分顺序，虽然该方法可以包含一旦在S30确定了边循环就删除所述局部顺序中的任何一个或两者。

该方法用于设计3D建模对象，例如，该方法的步骤组成了这种设计的至少某些步骤。“设计3D建模对象”是指作为详细描述3D建模对象的过程的至少一个部分的任何动作或动作序列。因此，该方法可以包含从草图创建3D建模对象。可替换地，该方法可以包含提供先前创建的3D建模对象，然后修改该3D建模对象。

3D建模对象可以为CAD建模对象或CAD建模对象的一部分。在任何情况下，由该方法设计的3D建模对象可以表示CAD建模对象或其至少一部分，例如由CAD建模对象占据的3D空间。CAD建模对象为由存储于CAD系统的存储器的数据定义的任何对象。根据系统的类型，建模对象可通过不同种类的数据来定义。CAD系统为至少适合于基于建模对象的图形表示来设计建模对象的任何系统，如CATIA。因此，定义CAD建模对象的数据包含允许建模对象的表示的数据(例如几何数据，例如包括空间中的相对位置)。

该方法可以被包括在制造过程中，制造过程可以包含：在执行该方法之后，生成对应于该建模对象的实际产品。在任何情况下，该方法设计的建模对象可以表示制造对象。该建模对象可为建模实体(即表示实体的建模对象)。制造对象可以为产品(例如部件)或部件组件。因为该方法改进了建模对象的设计，所以该方法也改进了产品的制造，并因此提高了制造过程的生产率。该方法可以利用CAM系统(如DELMIA)来实现。CAM系统为至少适合于定义、仿真和控制制造过程和操作的任何系统。

该方法是计算机实现的。这意味着该方法是在至少一个计算机或任何类似系统上执行的。例如，该方法可以实现于CAD系统上。因此，该方法的步骤由计算机执行，可能为全自动地或半自动地(例如，由用户触发的步骤和/或需要用户交互的步骤)。应当注意，提供S10可由用户触发。该方法的其他步骤可以自动地执行(即不需要任何用户干预)，或半自动地执行(即需要例如轻量级的用户干预，例如用于验证结果)。

该方法的计算机实现的一个典型示例为利用适用于该目的的系统来执行该方法。该系统可以包含存储器，其具有记录于其上的用于执行该方法的指令。换言之，软件在存储器已经就绪以供立即使用。该系统因此适用于执行该方法而不需要安装任何其他软件。这样的系统还可以包含与存储器耦合的用于执行指令的至少一个处理器。换言之，该系统包含与处理器耦合的存储器上编码的指令，所述指令提供用于执行该方法的模块。这样的系统是用于设计3D建模对象的高效工具。

这样的系统可以为CAD系统。该系统还可以为CAE和/或CAM系统，而CAD建模对象还可以为CAE建模对象和/或CAM建模对象。实际上，CAD，CAE和CAM系统不是相互排他的，这是因为建模对象可以由对应于这些系统的任何组合的数据来定义。

该系统可以包含至少一个GUI，用于例如由用户启动指令的执行。应当注意，该GUI可以允许用户触发提供S10的步骤，然后，如果用户决定这样做，则例如通过启动特定功能来触发该方法的其余部分。

3D建模对象是3D的(即三维的)。这意味着该建模对象是由允许其3D表示的数据来定义的。应当注意，线框图为3D的(即线框图可以是非平面的)。3D表示允许从所有角度查看该表示。例如，当被3D表示时，该建模对象可以被处理并围绕其任一轴或围绕表示被显示的屏幕中的任何轴而被旋转。这显然排除了未被3D建模的2D图标，即使它们表示2D透视图中的某物时也是如此。3D表示的显示有助于设计(即提高了设计者在统计上完成其任务的速度)。由于产品的设计为制造过程的一部分，因此这在工业中加速了制造过程。

图4示出了典型CAD系统的GUI的示例。

GUI 2100可为典型的类似CAD的界面，具有标准菜单栏2110、2120，以及底部和侧边工具栏2140、2150。这样的菜单和工具栏包含一组用户可选择图标，每个图标关联于一个或多个操作或功能，如本领域所知的。这些图标中的一些关联于软件工具，适用于编辑GUI2100中显示的3D建模对象2000和/或在其上工作。软件工具可集到工作台中。每个工作台包含软件工具子集。特别地，这些工作台中的一个为编辑工作台，适用于编辑建模产品2000的几何特征。在操作中，设计者例如可以预先选择对象2000的一部分，然后通过选择合适的图标来发起操作(例如造型操作，或任何其他操作，如改变尺寸、颜色等)或编辑几何约束。例如，典型CAD操作是对显示在屏幕上的3D建模对象的冲压或折叠的建模。

GUI例如可以显示与所显示的产品2000有关的数据2500。在图4的示例中，被显示为“特征树”的数据2500及其3D表示2000与包括制动钳和盘的制动组件相关。GUI可以进一步显示多种类型的图形工具2130、2070、2080，例如用于有助于对象的3D定向，用于触发所编辑产品的操作的仿真或绘制所显示的产品2000的多种属性。光标2060可由触觉设备控制，以允许用户与图形工具相交互。

图5示出了作为客户端计算机系统(例如用户的工作站)的系统的架构的示例。

客户端计算机包含连接到内部通信总线BUS 1000的中央处理单元(CPU)1010、同样连接到BUS的随机存取存储器(RAM)1070。还向该客户端计算机提供图形处理单元(GPU)1110，其关联于连接到BUS的视频随机存取存储器1100。视频RAM 1100在本领域中也被称为帧缓冲器。大容量存储设备控制器1020管理对大容量存储器设备(如硬盘驱动1030)的访问。适用于明确地实现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，举例来说包括：半导体存储器设备，如EPROM、EEPROM和闪速存储器设备；磁盘，如内部硬盘和可移动磁盘、磁光盘和CD-ROM盘1040。前述任一者可由专门设计的ASIC(专用集成电路)补充，或被并入在专门设计的ASIC中。网络适配器1050管理对网络1060的访问。客户端计算机还可以包括触觉设备1090，如光标控制设备，键盘或类似物。光标控制设备用在客户端计算机中，以允许用户选择性地在屏幕1080的任何期望位置处定位光标，如参考图4所提到的。对于屏幕，其表示可以在其上执行显示的任何支持，如计算机监视器。此外，光标控制设备允许用户选择多种命令和输入控制信号。光标控制设备包括多个信号生成设备，用于输入控制信号至系统。典型地，光标控制设备可以为鼠标，鼠标的按钮用于生成信号。

为使该系统执行该方法，提供了一种计算机程序，包含供计算机执行的指令，所述指令包含用于该目的的模块。该程序例如可以用数字电子电路或用计算机硬件、固件、软件或其组合来实现。本发明的装置可以用明确地实现于机器可读存储设备中的供可编程处理器执行的计算机程序产品来实现；并且本发明的方法步骤可以通过以下方式来执行：可编程处理器执行通过对输入数据进行操作并产生输出来执行本发明功能的指令程序。所述指令可以有利地用一个或多个计算机程序来实现，所述一个或多个计算机程序可在可编程系统上执行，所述编程系统包括：至少一个可编程处理器，其被耦合以从数据存储系统接收数据和指令，并向其发送数据和指令；至少一个输入设备和至少一个输出设备。如果需要的话，可以用高级过程或面向对象的编程语言，或用汇编或机器语言来实现应用程序；在任何情况下，语言可以为编译或解释语言。程序可以为完全安装程序，或更新程序。在后者的情况下，程序将已有CAD系统更新到该系统适合于执行该方法的状态。

如之前所解释的，图1的方法用于从建模对象的多个2D视图和对应的3D线框图开始通过在S30确定边循环来设计3D建模对象。如之前所解释的，随后可以根据任何已知方法使用边循环以及本领域中已知的其它可能操作来基于选循环给线框图提供表面。应当注意，这些表面可以形成边界表示(B-Rep)，例如在欧洲专利申请12306720.9中所描述的B-Rep的特定格式下，该欧洲专利申请通过引用方式并入本文。该方法可以在S30确定针对线框图的每一片的一个边循环(以下称为“最小边循环”)，以使边循环的整个集合最终覆盖整个线框图而不重叠。

在S10提供的视图是处于设计的3D建模对象的任何2D表示。所述视图可以为图像。应当注意，该方法可在提供S10之前，捕获同一个实际产品的可以构成所述视图的若干图像，潜在地包括对图像的某些修改/增加，如下面所解释的。例如这可以通过照相机捕获照片来完成。例如，同一实际产品可从不同角度被拍摄，得到的照片因而表示了不同的视角下的产品。在一个例子中，实际产品的外表面是通过多个视图整体表示的。在这种情况下，该方法可以基于更小但为多个的信息(2D视图)来重建或建立实际产品的全面的3D设计(或一般地，视图所表示的任何对象)，即3D建模对象。

到这里第一步骤要考虑以下文所述的方式对应于多个2D视图的3D线框图。可以在S10提供本身已准备好的3D线框图，或者该方法可以根据任何已知技术，例如基于2D视图在之前的步骤中构造3D线框图。

例如，在该方法包含捕获同一实际产品的图像(例如照片)的情况下，该方法可以包含：定义图像上的曲线和点以形成视图。换言之，视图为包括具有其上定义的2D曲线和2D点的标准图像的数据。可以用任何已知的方式，根据图像以及实际产品的线和角(在它们出现在图像上时)来定义曲线和点。用户可能参与这种步骤，如之前所解释的。也可以使用已知自动算法。然后，该方法包含：定义每个图像的曲线和点分别于其它图像上的曲线和点之间的对应关系(在计算机实现的方法的情况下，对应关系为将两个数据段关联起来的数据段，如链接或指针)。基本上，不同图像中的表示实际产品的相同线条和角的曲线和点被放置到对应关系中，以精确地突出这种信息。这可以根据任何已知方法来执行。用户可能参与这种步骤，如之前所解释的。也可以使用已知自动算法。

最后，在提供S10之前，该示例的方法基于视图和对应关系构建3D线框图。根据该方法，3D线框图为具有特定结构的图。应当注意，该线框图包含所有连接顶点的图边以及这些边和这些顶点分别与视图上的曲线和点之间的对应关系。此外，如本领域已知的，3D线框图的边关联于3D曲线(以下也称为边)，并且3D线框图的顶点关联于3D点或位置(以下也称为顶点)。从这层意义上来说，在具有作为3D曲线的边以及作为这些曲线末端上的用于定义这些曲线在哪里相遇的3D点的顶点的情况下，线框图为三维建模对象。

基于视图和之前定义的对应关系，确定3D边和3D顶点(当该方法包含构建线框图时)。这可以根据本领域任何已知方法来完成，并且这可以涉及用户交互和/或已知的自动算法。因此，在使用同一实际产品上的包含在图像中的不同2D信息来重建与该产品相对应的3D线框图的意义上来讲，该线框图为基于图像对建模对象的构造，如本身已知的。为了相对容易地执行这些步骤，实际产品可以为不透明的，以使其线和角被较好地定义，并使得在不同2D视图中不存在混淆。

该方法还包含将以下与线框图的每个顶点相关联S20(即，创建表示这种关联的数据段，例如链接和/或指针)：进入到该顶点的所有边之间的局部径向顺序。换言之，对于线框图的每个顶点，预计进入到顶点的所有边，并确定以及存储它们之间的顺序(顶点局部)。局部顺序是径向的，意味着其表示当围绕该顶点旋转时遇到这些边的顺序。例如，局部径向顺序可以对这些边在包含进入顶点的平面上的投影(例如这些边在进入顶点处的切线的投影)进行径向排序。

根据相对于与该顶点相对应的点、每个视图上的与这些边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序，来执行关联S20。线框图的边每一个对应于至少一个视图的相应曲线。事实上，根据给定视图所应用的视角，一些边可能并不存在于该视图上。然而，对于每个边而言，存在至少一个这样的视图，所述视图的视角使得所述视图具有定义在其上的与该边相对应的曲线。现在，考虑进入到关联S20的每个被预计顶点的边的集合，这些边全部(对于其每一个)出现在多个视图中的至少一个上(通过定义于所述视图的对应的2D曲线)。对于每个这样的视图，可以直接定义所述曲线之间的径向顺序，被称为“局部部分径向顺序”，该视图为2D。关联S20考虑所有这样的与进入到预计顶点的边集合相对应的局部部分径向顺序，并相应地以允许自动化的系统的方式(例如该方法可以遵循预定义的算法来执行该关联)确定所有边之间的局部径向顺序。稍后提供如何实现其的示例。因此，除了之前潜在地使用视图来确定线框图以外，该方法还在S20使用所述视图来为线框图的所有顶点确定这样的局部径向顺序。从这个意义上来讲，视图被高效地重用，以便该过程的这一部分的自动化。

然后该方法包含确定S30边循环。确定S30是通过根据在S20处被关联至顶点的局部径向顺序来浏览线框图而执行的。换言之，根据局部径向顺序完整地遍历图(即，追踪边，直到线框图的所有片都被循环一次为止)。也就是说，当浏览线框图时，在到达一顶点时，在S20被关联于该顶点的局部径向顺序被考虑，以确定接下来追踪哪个边(去往下一顶点)。该方法可以存储这些边由此被跟踪的顺序，并定义循环的实例(每次浏览导致已被访问的顶点)。这将在下文中说明。确定S30因而可以以系统的方式来执行，并因此以相对简单的方式(在计算和存储资源方面)导致确定边循环的显著的自动化。所述边循环可以用于向线框图提供表面，例如B-Rep，如之前所解释的。

现在参考图6-40讨论该方法的一个例子，图6示出了表示所讨论示例的完整方法的流程图。

该例子中的要在CAD系统中建模的实际产品为L形实体60。“L”的内部边为圆角(filleted)。用户在S05对CAD系统输入该实体的在S05捕获的5个2D图片(例如照片)(图7-11)，在这些2D图片上定义了曲线和点。在该例子中，与图片相关联的照相机位置也被发送至CAD系统。

该示例的方法的下一步骤为用户在S06和S07定义并匹配重叠图片上的点(曲线相应地被匹配)。通过数字标签在分别与图7-11的5个图片相对应的图12-16中示出了所产生的视图。从1到14对点进行编号。在可见到点的图中用这些点的数字来标记这些点。

根据这种信息，CAD系统能够在S08计算3D曲线(边)的网络，换言之，图17中示出的3D线框图170。现有技术能够计算这种3D线框图。3D线框图上的每个顶点和每个边这样的点和曲线相对应：所述点和曲线每一个在至少两个输入图片中可见。事实上，从对象的多于一个的2D视图/图片中获取所述对象的3D位置和形状是有利的。

该示例的方法的目标是最终在S30计算该图的所有最小边循环，使得可以根据已知算法潜在地定义表面边界。在该示例的环境下，“最小边循环”被定义如下。当被投影于初始图片时，同一最小循环的有向边对应于同一2D平面的边界曲线。

根据定义，平面简单环路(以下称为“环路”)为平面闭合曲线，其将平面准确划分为两个部分。非有界部分被称为环路“外部”而有界部分被称为环路“内部”。

根据定义，平面包括一个被称为“外部环路”的环路和一组被称为“内部环路”的环路。外部环路是强制性的而内部环路不是。环路根据如下条件来布置：

·所有内部环路被包括在外部环路的内部。

·没有任何内部环路被包括在另一内部环路的内部。

·考虑一组环路为平面图并且用L表示环路的数量，用E表示边的数量，用V表示顶点的数量，以及用K表示图中连通分量的数量，则必须满足如下关系：L＝E-V+K。

图18示出了5个这样的最小边循环。图19示出了不是最小循环的循环：一些边为L实体的底面的边界曲线而一些某些边为L形实体的背面的边界边。

该方法通过两个步骤计算所有的最小边循环。第一步骤为在S20根据合适的拓扑局部径向顺序对每个顶点周围的边进行排序。第二步骤为在S30通过使用这些径向顺序遍历3D图。

当拓扑径向顺序有歧义时，其可能发生于边界情况，该示例的方法提供了一个策略(图6中的“调整”步骤S28，稍后讨论)以克服困难，其在工业环境下相当有效。

现在参考图6-26来讨论在图6的方法中实现的关联S20的示例。

在该示例中，将以下关联S20到线框图的每个顶点：进入到相应顶点的所有边之间的局部径向顺序，包针对每个相应顶点的特定动作，其易于自动化并产生相当好的结果。关联S20包含：对于每个相应顶点，针对每个视图来确定S22相对于与所述相应顶点相对应的点、该视图上定义的并且与进入到所述相应顶点的边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序。换言之，该方法考虑2D视图上的与进入到相应顶点的边相对应的2D曲线，并在S22确定其在每个视图上的径向顺序。然后，该方法执行所有局部部分径向顺序的合并S24。所有局部部分径向顺序因此被收集在一个图中。最终，该方法在S26遍历合并S24的结果(合并图的边被追踪)，以检测包括所有进入到相应顶点的边的循环(一个或多个)，所述循环组成与相应顶点相关联的局部径向顺序。在该示例中，局部部分径向顺序在S22被确定为图，所述图的节点标识边并且所述图的弧标识边之间的后继关系(即在线框图中一个在另一个之后的两个边在“局部部分顺序”图中由有向弧链接)。

通过两个步骤来执行对顶点x的进入边的排序。第一步骤为在S22和S24收集顶点x周围的所有部分径向顺序(其是根据可见到该顶点的图片计算出来的)。第二步骤为在S26(以及可能S28)从所有部分径向顺序提取唯一的局部径向顺序。

给定顶点x，该示例的方法查找可见到该顶点的所有视图。对于每个这样的视图，该方法获取进入到x的可见边，以图片的平面拓扑产生的预定顺序(例如CCW：逆时针)对顶点x周围的边进行排序，并以合适的数据结构存储该部分顺序。例如，实体60的顶点12连接到边(12，5)，(12，11)和(12，13)。图8和13的视图描绘了顶点12以及其连接的所有边，另外它们是可见的。根据图8和13的视图的平面拓扑，那么CCW径向顺序为：((12，5)，(12，13)，(12，11))，如图20所示。

选择描绘连接到顶点x的相同边的另一图片/视图(在顶点12的例子中，图片4，图10和15)产生相同的径向顺序。这是由于以下事实：来自真实世界的3D对象被有向外皮包围。该拓扑属性是通过视图捕获的。

在L形实体的示例中，每个顶点连同其所有的进入边从至少一个图片可见，这特别地简化了径向顺序计算(因为合并S24将产生唯一有序循环)。

这种情形并非总是发生，图21-26示出了合并S24和遍历S26帮助对在S22确定的信息进行组合的情况。

图21-22示出了基于金字塔形V的实体的两个图片。边a、b、c、d进入金字塔的顶部顶点v。虚线为不可见边，其不应当出现在图片上，但是为了解释的目的对它们进行了表示。

在图21的图片中，顶点v以及进入边a、c、d是可见的，而边b被隐藏。该部分局部径向顺序230则为(a，c，d)，如图23所示出的。

在图22的图片中，顶点v以及进入边a，b，c是可见的，边d被隐藏。部分局部径向240顺序则为(a，b，c)，如图24中所示出的。

最终，两个局部部分径向顺序被附接到顶点v：顺序(a，c，d)和顺序(a，b，c)。必须注意的是，该顺序中并不像从括号注释中所能理解的那样存在开始点。在该示例中这些是循环列表。

对于每个顶点，通过在S26组合和分析局部部分径向顺序，而在S20获取局部径向顺序。回到基于V的实体的示例，顶点v与局部部分径向顺序(a，c，d)和(a，b，c)相关联。第一步骤为在S26将所有局部部分径向顺序合并成单个图250，如图25中所示的。必须理解的是，部分径向顺序图的顶点a，b，c，d为3D线框图的边，并且部分径向顺序图的有向弧捕获顶点v周围的部分径向顺序。

然后，对产生的有向图进行分析，以检查其是否包括最大并唯一的循环(“最大”表示该循环包括所有节点)。该算法要建立从任意节点开始的图遍历。图26示出了开始于节点a的图遍历，其产生根在节点a的树260。按照惯例，在当前分支的节点是之前访问过的时，图遍历被中断(分支为开始于根节点的弧的路径)。在图26中示出了所产生的有根树260。

树260收集按照如下方式收集图的所有循环：从根节点到叶节点的每个路径为一个循环。在该示例中，显然仅存在一个最大循环，其为(a，b，c，d)并以加框字母示出。该循环为该示例的方法保留的、顶点v周围的边的局部径向顺序。可能发生最大循环不唯一的情况，从而导致歧义。稍后详细描述这种情况。

现在讨论在图6的方法中实现的确定S30的示例。

在该示例中，通过浏览线框图确定(S30)边循环包含：选择顶点并形成开始于所选择顶点的边列表的子步骤，并重复所述子步骤。换言之，重复地选择顶点，并且每次选择顶点时形成边列表，例如直到确定了所有的最小边列表为止。

形成边列表是通过从所选择顶点开始追踪关联于所遇到的顶点的局部径向顺序来执行的。换言之，当算法位于一顶点时，算法获取与所述顶点相关联的局部径向顺序所提供的第一边(例如，该方法将局部径向顺序的边标记为已使用，所示的算法获取局部径向顺序的第一未使用边)。然后，算法到达连接于所述边的另一顶点。该算法利用这样的所追踪的边来递增边列表，直到边列表形成边循环为止。这允许S30处的快速高效的确定。

参考图27提供详细实现。

如能够看到的，在图27的实现中，通过浏览线框图确定S30边循环包含以下子步骤：

·从被标记为未使用的顶点选择顶点x，

·通过选择开始于顶点x的边e，来初始化边列表L，

·增加所述顶点x的输出边e至边列表L，并标记所增加的输出边e为已使用，

·如果所述顶点的所增加的输出边e为所述顶点x的最后一个未使用的输出边，则标记所述顶点x为已使用，

·通过根据与所遇见的顶点相关联的局部径向顺序跟踪边来递增边列表L，直到边列表L形成边循环为止，以及

·重复前述子步骤，丢弃被标记为已使用的顶点和边。

3D线框图遍历的输入数据为3D线框图以及每个顶点的局部径向顺序。输出数据为该3D图的所有最小循环的列表。如下预处理是有利的：3D图的所有边被复制并以相反方向定向。根据定义，如果有向边包括于最小循环，则其为“已使用”。如果一个顶点的所有输出边都用于最小循环，则其为“已使用”。在算法开始之前，所有边和所有顶点都为“未使用”。在算法结束时，每个有向边都包括于一个且仅一个的最小循环中。在图27的图中描述了该图遍历算法。

指令“e：＝Next(e，y)”使用顶点周围的边的局部径向顺序。函数“b＝Next(a，v)”根据顶点“v”周围的边的局部径向顺序产生开始于顶点“v”的并在边“a”之前的边“b”。

如所能看到的，该方法利用局部径向顺序，使得：在简单但智能地将顶点和边标记为已使用或未使用(在复制之后)的情况下，该方法可以容易高效地执行所有最小边循环的确定S30。

现在参考图28-40来讨论不唯一局部径向顺序的特殊情况。

这是在遍历S26所有局部部分径向顺序的合并S24结果导致检测到包括进入到相应顶点的所有边的若干(不同)循环时的情况。

不唯一的局部径向顺序可能发生，如下文所解释的。示例性实体为图28中所示的四面体。以下述方式给出四面体的四个图片：在每个图片上只有一个面是可见的。每个可见面隐藏了四面体的所有其他三个面，如图29所示出的。

给定顶点v，在每个图片上只有两个进入边是可见的。用a，b，c来表示顶点v的三个进入边，局部部分顺序是没有意义的，这是因为它们组织了两个对象的循环列表，如图30-32中所示的，其示出了局部部分顺序300，310和320。

合并所有局部部分顺序产生有向图，循环分析从该有向图中以相反的顺序(a，b，c)和(a，c，b)发现了两个循环，如图33。显然，其并未结束。

该示例的方法可以通过以下方式来解决该问题：选择S28为具有与其关联的若干不同的局部径向顺序(可能)的并被称为“奇异”顶点的这样的顶点检测到的循环中的一个。该方法因而选择一个循环作为用于确定S30的局部径向顺序。该方法可进一步包含：标记该顶点为奇异顶点(在遍历S26之后)，以供这样的信息的后续使用。

应当注意，选择S28可以间接地执行。选择S28所检测到的循环中的一个事实上可以包含：在所有奇异顶点的集合上执行调整过程(其是迭代的)。

调整过程包含：选择开始奇异顶点和所述开始奇异顶点的开始输出边(进入到所选择奇异顶点的边)。该选择可以任何方式执行。然后该调整过程包含：根据与顶点相关联的局部径向顺序来浏览线框图(即每次算法到达一顶点时，就追踪与一条边相关联的局部径向顺序的第一边)，以检测所述开始奇异顶点处的边循环。然后，如果浏览到达/导致另一奇异顶点，那么该方法利用新的开始奇异顶点和/或新的开始输出边重复调整过程(该浏览事实上面临歧义，并且所建议的解决该歧义的方式要在某个其它地方重新开始)。否则(即如果在没有遇到其它奇异顶点的情况下检测到边循环)，该方法可将在S26检测到的并符合开始输出边与浏览的最终边之间的顺序的循环与所述开始奇异顶点相关联(由在S26检测到的其它循环提供的处于竞争中的其它可能局部径向顺序被丢弃)。换言之，所保留的局部径向顺序为以下这样的局部径向顺序：其中，在调整期间检测到的循环开始边和结束边(两个边在调整下都进入到奇异顶点)被正确地排序(即与检测到的循环为同一顺序)。然后该方法从所有奇异顶点的集合中移除开始奇异顶点(事实上，该奇异顶点已经被调整了，这是因为唯一局部径向顺序已为其保留)，然后重复调整过程。该算法被执行，直到没有剩下任何奇异顶点为止。下面讨论示例。

虽然描述不唯一局部径向顺序的顶点在真实对象的图像中是边缘性的，但最好不要将其忽略。实际上，通常如果它们在数量不是太多，那么可以对其进行处理。(显然，在这种极少的情况下，该方法没有管理对线框图进行调整，那么其可以被简单地丢弃。)在下文中，描绘不唯一径向顺序的顶点被称为奇异顶点。

原理如下。假设所有可能的局部径向顺序都被计算出并在奇异顶点x开始循环计算。由于循环的开始边(记为u)是在x的输出边中任意选择的，所以奇异性不会带来问题。如果在计算循环时没有遇到其它奇异顶点，则算法以作为顶点x的输入边的边v结束所述循环。所以，显然顶点x周围的合适的径向顺序是描绘序列u，v的径向顺序，而不是描绘序列v，u的径向顺序。因而，可以通过设置正确的局部径向顺序来调整顶点x。然后，该策略在计算局部径向顺序时识别奇异顶点并将尽可能多地调整它们。

在图34示出了调整算法。在计算出局部径向顺序之后，将所有的奇异顶点存储于初始列表L。主循环迭代地从列表L移除奇异顶点。当没有能够移除的奇异顶点时，迭代停止。

如果得到的列表非空，那么其包括不可避免的奇异顶点，并且循环计算是不可能的。否则，所有奇异顶点被移除，并且所有局部径向顺序是唯一的。先前描述的循环计算将是成功的。

函数Reg(L)试图调整输入列表L的每个奇异顶点。其通过移除元素并减小列表L的大小来修改列表L。如果至少一个顶点被调整了，则将存在新的尝试调整某些其它顶点的机会，其验证迭代。函数Reg(L)如下：

用函数Reg(L)来调整顶点x为查找开始于顶点x的仅包括规则顶点而不包括x的循环。其如图35的图中所描述的那样来执行。

通过图36的实体360来举例说明调整。

图37-39示出了图36的实体360的三个输入图像。注意，为了清晰起见，隐藏的线被表示为虚线，并且它们不应当出现在图像上。顶点4在图37的图像中是不可见的。顶点3在图38的图像中是不可见的。顶点2在图39的图像中是不可见的。

在图40中示出了所计算出的局部径向顺序。顶点1和5为奇异的，这是因为径向顺序无法被定向。应当注意，在规则顶点初始化循环计算总是失败，这是因为任何循环包括目前为止为奇异的顶点1或顶点5。

奇异顶点列表包括1和5。调整开始于顶点1。选择边(1，3)导致顶点3，其为规则的。由于顶点3的局部排序，下一个边为(3，4)，导致顶点4，其为规则的。由于顶点4的局部排序，下一个边为(4，l)，使得循环在顶点1闭合。显然，在顶点1合适的局部排序为(1，3)、(1，4)、(1，2)，将其改变为规则顶点。奇异顶点5以相同方式被调整。然后，所有循环的计算都是可能的。

现在讨论该方法的算法复杂度。

令V、E分别为3D线框图的顶点数和边数，F为输入对象的面数，其也是最小循环数。令E_max为进入顶点的边的最大数。虽然在特定实体的情况下，可以使得E_max与E成比例，但是真实对象描述了较小而恒定的E_max。先前讨论的L形实体60使E_max＝3，先前基于V的金字塔使E_max＝4。局部排序的算法复杂度由V×Sorting(E_max)界定，其中函数Sorting(·)为排序算法的复杂度，通常Sorting(n)＝nlogn或Sorting(n)＝n²。图遍历的算法的复杂度与E成比例，这是因为每个边被访问了两次。最终，当处理规则输入对象时，算法的总体复杂度是线性的，这意味着其与aE+bV成比例，其中a、b为常数。

由于调整的复杂度是由S×V_max×F界定的，所以奇异化管理最低限度地影响线性关系，其中S为奇异顶点数。

由于连通拓扑图的欧拉关系V-E+F＝2(1-G)(数字G为亏格(genus))，面数(即最小循环数)为顶点数和边数的线性组合。这证明了从算法复杂度的角度来说该方法的算法是最优的。

Claims

1.一种计算机实现的方法，用于设计三维建模对象，包含以下步骤：

·提供(S10)所述建模对象的多个二维视图以及三维线框图，所述多个二维视图具有定义在其上的曲线和点，所述三维线框图包含连接顶点的边以及所述边和所述顶点分别与所述视图上的曲线和点之间的对应关系，所述视图为图像并且所述三维线框图为所述建模对象的基于所述图像的三维构造，

·将以下与所述线框图的每个顶点相关联(S20)：进入到该顶点的所有边之间的局部径向顺序，所述关联是根据相对于与该顶点相对应的点、所述视图中的每一个上的与所述边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序的，

·通过按照与所述顶点相关联的局部径向顺序浏览所述线框图，来确定(S30)边循环，以及

基于所确定的边循环向所述线框图提供表面，以便得到处理好的三维线框图作为所述三维建模对象。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将以下与所述线框图的每个顶点相关联(S20)：进入到相应顶点的所有边之间的局部径向顺序，包含：对于每个相应顶点：

·针对每个视图，确定(S22)相对于与该相应顶点相对应的点、该视图上定义的并且与进入到该相应顶点的边相对应的曲线之间的局部部分径向顺序，

·合并(S24)所有的局部部分径向顺序，以及

·遍历(S26)所有的局部部分径向顺序的合并(S24)的结果，以检测包括进入到该相应顶点的所有边的循环，所述循环组成与该相应顶点相关联的局部径向顺序。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，局部部分径向顺序被确定(S22)作为图，所述图的节点标识边并且所述图的弧标识边之间的先后顺序。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，将以下与所述线框图的每个顶点相关联(S20)：进入到相应顶点的所有边之间的局部径向顺序，进一步包含：当遍历(S26)所有的局部部分径向顺序的合并(S24)的结果导致检测到包括进入到该相应顶点的所有边的多个循环时，为该相应顶点选择(S28)所检测到的循环中的一个，该相应顶点为奇异顶点。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，选择(S28)所检测到的循环中的一个包含：对所有奇异顶点的集合执行调整过程，所述调整过程包含：

·选择开始奇异顶点和所述开始奇异顶点的开始输出边，

·按照与所述顶点相关联的局部径向顺序浏览所述线框图，以检测所述开始奇异顶点处的边循环，以及

·然后：

如果到达另一奇异顶点，则使用新的开始奇异顶点和/或新的开始输出边来重复所述调整过程，

否则，将遍历(S26)所有的局部部分径向顺序的合并(S24)的结果时导致的检测到的、与所述开始输出边和所浏览的最终边之间的顺序相符合的循环与所述开始奇异顶点相关联，从所有奇异顶点的集合中移除所述开始奇异顶点，以及然后重复所述调整过程直到没有剩下任何奇异顶点为止。

6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其中，通过浏览所述线框图确定(S30)边循环包含以下子步骤：

·选择一顶点，

·通过以下方式形成边列表：从所选择的顶点开始，追踪与所遇见的顶点相关联的局部径向顺序，并用所追踪的边递增所述边列表直到所述边列表形成边循环为止，以及

·重复前述的子步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法进一步包含：在提供(S10)所述视图、所述线框图和所述对应关系之前：

·捕获(S05)同一实际产品的图像，

·定义(S06)所述图像上的曲线和点，由此形成所述视图，

·定义(S07)每个图像的曲线和点分别与其它图像上的曲线和点之间的对应关系，以及

·基于所述视图并基于所述对应关系来构造(S08)所述线框图，由此构造的所述线框图包含连接顶点的边以及所述边和所述顶点分别与所述视图上的曲线和点之间的对应关系。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述图像为照片。

9.一种计算机可读存储介质，其上记录有包括指令的计算机程序，所述指令在被计算机执行时，使得所述计算机执行根据权利要求1-8的任意一项所述的方法。

10.一种CAD系统，包含：耦合到存储器的处理器以及图形用户界面，所述存储器具有记录于其上的包括指令的计算机程序，所述指令在由所述处理器执行时使得所述处理器执行根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法。

11.能够通过根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法获取的三维建模对象。

12.用于存储根据权利要求11所述的三维建模对象的数据文件。