CN105659256A - 设计数据创建 - Google Patents

Abstract

一个系统包括：一个用户操作的工具，用于提供快速粘合化合物的线束，以便从线束中产生一个三维自由曲面；一个用于对线束采样的光学采样设备；一个处理设备，用于在采样线束的片段中识别基本几何图形；和一个转换设备，用于在已识别图形基础上提供用于自由形状的几何设计数据。

Description

设计数据创建

技术领域

本发明涉及CAD(计算机辅助设计)系统设计数据的创建，特别地，本发明涉及自由曲面在CAD系统设计数据中的转换。

背景技术

在对一个物体进行专业设计时通常使用CAD系统，CAD系统允许设计参数，就是说建立物体各元素之间的依赖性，以便一个元素的变化能自动或半自动地导致一个其他元素的变化。例如像轴这样的功能组件可以与相邻轴承或轴密封圈的尺寸同时设计。对多个这样的物体组合成一个母体结构来说其可参数化经常是不可缺少的。这样不同的工作小组就可以在如一辆汽车这样的一个复杂物体不同的子系统中工作并凭借其交换设计数据。

在CAD系统上的工作通常是为经过复杂而特殊培训的专业人士保留的，在CAD系统的方案中一般无法进入创新过程。例如从事物体外形设计的设计师或流体力学家，在将他关于物体外形的设想转换为设计数据时，凭借CAD系统，可能会遇到困难。所以进行物体设计的设计师操作CAD系统可能会有困难。

为了解决这一问题，通常应创建一个声光扫描的三维模型，以便于为CAD系统提供设计数据。但是这一方面要求一位熟练的模型创建者，另一方面要对模型表面扫描点的大量数据进行处理。另外，将扫描点细分为物体的单个元素经常也不能自动地进行。

发明内容

因此，本发明的目的，是提供一个系统、一个方法和一个计算机程序产品，其允许三维自由曲面简化地转换为设计数据。本发明借助于独立权利要求的主题实现了这些目的题。从属权利要求再次公开了首选的实施例。

根据本发明的系统包括一个使用者操纵的提供能快速围住物体的线束的工具，以便由线束产生一个三维自由曲面，一个扫描线束的光学扫描设备，一个在扫描线束的片段中识别基本几何图像的处理设备和一个在已识别的图像的基础上为自由曲面提供几何设计数据的转换设备。

作为工具可以使用一个钉状的器械，这就是著名的3Doodler。在此像热胶枪那样由用户控制喷射出一束加热的塑料，这种塑料离开工具后迅速冷却并硬化。此线束可以由工作面出发在空间上任意造型，以便能表现三维结构。一台这样的工具也可以让一位未经训练的人将他的设想在三维自由曲面上表达。在这种情况下，人们处理自由曲面的两维视野并不受到局限，正像通常在带显示屏的计算机系统上所要求的那样。此外，自由曲面也能在触觉上被感知，以便用户能更好地表达。学习使用或习惯使用这种工具的时间可能会很短或完全取消，因此这种工具对有创意的人的设想或者将某人的特殊空间理解(但表达手段有限)转换为三维自由曲面来说特别适宜。在此除了这种特定的工具之外也可以使用其他同源的产生三维自由曲面的工具。

通过线束扫描可以避免产生通常在三维表面扫描时出现的大量的点云，因为这种工具提供的线束通常是将三维的自由曲面作为晶格结构来描述的，这就使扫描更加便利了。特别是使扫描产生的数据量相对变小。由此就节省了处理资源，而处理也会变得更快。

在扫描线束片段中转换的几何图形可以描述得比用户借助本工具表达得“更为漂亮的”形状。例如可以由晶格结构的扫描信息提取出一条完美的直线或完美的圆弧。用户的初始意向可以以改善了方式获取并被理解，几何图形可以以简单和高效的方式转换成设计数据，以便设计数据最近似地将用户初始想表达的东西表达出来。由此通过CAD系统使技术处理的用户一个创新过程的产品可以被进入。

在第一个变体中，扫描设备包括用户产生自由曲面时一个在空间中追踪工具的光学定位系统。由此用户工作的同时可以产生一个自由曲面的视觉表现，以后还可以继续进行处理，以便立即反馈给用户。例如，当用户产生自由曲面时，可以借助立体相机追踪本工具。在另一实施例中，工具也可以借助结构化的光源照明，而为扫描结构光源的反射只设计有一台相机。例如结构化的光源可以包括一个伪随机模式的点。其方法与微软Kinect一样。在另一个实施例中，在工具上设计有特殊的主动的和被动的标记，以便确定工具在空间中的位置。其方法来自于外科设备定位领域。

在另一个变体中，扫描设备包括一台对已提供的自由曲面的所有线束进行光学扫描的相机。当用户已经提供了自由曲面时，才进行扫描。例如为此可以使用一台商业上常用的3D扫描仪。这一变体特别经济实惠和灵活。

三维自由曲面转换为自由曲面设计数据的发明性程序包括能快速围住物质的线束的扫描步骤，此步骤由用户操纵能构成自由曲面，借助光学扫描设备，在扫描线束的片段中识别基本几何图形，在已识别图形的基础上提供自由曲面的几何设计数据。

该方法可以用于在用户三维自由曲面的基础上有益地创建CAD设计数据。如此可以以简单、强健而便宜的方式由不经培训的人员对技术上可继续处理的设计数据进行输入。

在一个变体中当用户创建自由曲面时对线束进行光学扫描，由此本方法的特征在于也可以交互式操作，例如如果线束的一部分识别得不正确的话，用户也能进行介入。

在另一个变体中，自由曲面创建完成之后，自由曲面的所有线束都被光学扫描。特别是这种扫描可以在一个或多个通道内为所有线束同时进行。在出现不足或错误的情况下这种扫描可以用较少的费用重复进行。另外，用户在创建物体时的一些条件(例如光学扫描设备需要有开阔的视线)可能就不再需要了。

优选的方式包括一个或多个线段、圆圈、圆形线段、椭圆形、椭圆线段、三角形或矩形等基本几何图形。在这些图形的基础上可以最近似地构成任何复杂的物体。在一个变体中所有基本几何图形总是位于一个层级。由此可以更好地获取用户的意图，并改善物体的建模。

在一个最好的实施例中，首先识别两维的几何图形，随后在识别出的两维图形的基础上再识别或构建一个或多个三维图形。通过这种分级识别在识别更复杂的三维物体之前可以更好的表达或纠正如没有完全闭合的线段这样的不精确性，从而改善该系统或程序的识别功效。

在另一个实施例中，识别出的三维图形配有表面，这个表面以后可以由用户操纵或通过挤压、旋转或伸展在参数上继续处理。如此提供的设计数据可以更实际的或更容易的被处理。

这个发明的计算机程序产品包括执行所描述程序的程序代码装置，如果它在一个实施设备上运行或存储在一个计算机可阅读的媒介上的话。

附图说明

上面描述的本发明的特性、特征和优点及其形成的种类和方式，用下列实施例的描述将能更清晰和明确地理解，并且用示意图进一步地说明，在此以下列附图表示：

图1所示为一个提供几何设计数据的系统；

图2为一个创建三维自由曲面的示范性工具；

图3为创建三维自由曲面的示范性工具的另一张视图；

图4为三维自由曲面转换为自由曲面设计数据的程序流程图；

图5为几何图形示范识别的第一个步骤；

图6为几何图形示范识别的第二个步骤；

图7为几何图形示范识别的第三个步骤；

图8为几何图形示范识别的第四个步骤；

图9以汽车模型为例的边缘识别，和

图10图9汽车模型的边缘。

具体实施方式

图1显示的是一个提供几何设计数据的系统100，该系统包括一个工具105、一个光学扫描设备110、一个处理设备115和一个转换设备120。

工具105是如此设立的：即由用户操纵，以便提供能快速围住物体的线束。在表述的示范性的实施例中借助该工具105可以加热塑料130并由一个喷嘴135射出。加热后的线束125在从喷嘴135喷出时是柔韧的并迅速冷却和硬化。例如硬化的时间为1秒或更短。在硬化之后线束125显示出了事先确定的弹性特征或者是僵硬的。由一位用户操纵的线束125能构成任意形状。这样用户可以借助该工具105制成一个在图1中表现为埃菲尔铁塔塔身的三维自由曲面140。在此自由曲面140通常作为晶格结构由线束125的片段组成，这些片段以优先的方式总是在一个层级和连接两点。在一个实施方案中所有片段都是直线，在另一个实施例中也可能是弧线。

光学扫描设备110设计为可以扫描构建自由曲面140的线束125。在图1显示的第一种实施例中，扫描设备110包括一个带两台立体相机145的光学定位系统。在自由曲面140创建过程中相机145追踪工具105在空间的位置并确定是否发出了线束125。工具105在一个实施方案中以最好是光学上可溶的反射标记形式进行被动标记，或者以可识别光源的形式进行主动标记。在另一个实施方案中设计成能提供结构化光线的光源，以便照亮射出的线束125。例如结构化光线可以包括照亮工具105使用的区域的点状图案或线条图案，以便创建自由曲面140。然后根据工具105上结构化光线的反射由相机145扫描工具105的位置。在一个实施方案中也可以只有一台相机145。

在另一个变体中，光学扫描设备是如此设计的：即如果用户借助工具105设计完成了自由曲面140时，三维自由曲面才扫描。另外自由曲面140也可以凭借相机145由一个或多个视角被光学扫描。在一个实施例中，只有一台相机145，自由曲面140可以面对相机145移动，例如在一个旋转盘上，以便使相机145得到不同的视角。上面描述的带结构化灯光的实施方案原则上在这一变体上也可以使用。

在两个变体中，相机145光学扫描数据的处理是借助控制器150进行的，该控制器控制相机145或已描述的光源或移动装置。

处理装置115最好包括一台可编程的微处理机，她可以识别以扫描的线束125反映的基本几何图形经过控制器150提供的数据。在一个实施方案中设计有一台记录处理的数据或基本几何图形信息的存储器155。处理装置115的工作方式请参照下面图4的详细描述。

转换装置120是如此设计的：即在由处理装置115识别的几何图形的基础上提供自由曲面140的设计数据。为提供数据设计有一个接口160，其概念上作为软件接口或物理上作为硬件接口。在实施方案中转换装置120和处理装置115相互集成地设置在一起。

图2显示了一个创建图1中三维自由曲面140的示范工具105，该图示的工具105，3Doodler作为同名的公司是很著名的。工具105的实施方案可以被描述为素描3D物体的热胶枪。不同的塑料130都可以制成线束125，它们可以根据直径、颜色或刚性进行区分。也可以设计出具有不同宽度或横切面的喷嘴135。

图3显示了来自图2的射出线束125的工具105，线束125的终结是与工作面205相联系的，线束125可以做成任意形状。这里表现的是线束125一条螺旋线的产生。

图4显示了三维自由曲面140转换为自由曲面设计数据的方法300的流程图。该方法300特别是用于在处理设备115或可以在转换设备120运行而设计的。方法300的一部分可以保存在存储器155中。

在第一个步骤305中自由曲面140借助工具105由用户创建。该步骤不一定被方法300包括，但是方法300不同的变体要求对应这一过程。

在第一个变体中步骤310—同时变为了步骤305，工具105借助光学扫描装置110进行追踪。在此最好是忽略移动，其中工具105不射出线束125。在由控制器150或处理装置115施行的步骤315中产生的自由曲面140被封闭。

在第二个变体中取消了步骤310，取而代之的是在步骤305结束之后在步骤320完成的自由曲面140借助光学扫描装置110进行扫描。这一过程还可以包括其他的操作，例如多个扫描过程之间照明或相机145视角在自由曲面140上的改变。随后像上面描述的那样，进行步骤315。

在另一个实施例中步骤305、310和320也可以被步骤325替代，在这个步骤中借助光学扫描仪110扫描出了一个三维的体积模型。该体积模型还会参照下面的图9和图10详细描述。

在步骤315中在通过光学扫描仪110提供的数据的基础上首先识别出边缘。边缘通常符合线束125在自由曲面140上的线段。在一个实施例中只有那些伸展在空间同一层的边缘被识别或近似识别。

在步骤330中在来自步骤315的边缘信息的基础上基本几何图形被识别，这些几何图形最好至少包括直线、圆圈、圆弧、椭圆、椭圆线段、三角形和矩形中的几个。也安排有其他的几何图形。上述的几何图形是二维的，在另外的实施例中也可以识别长方体、多面体、锥体、圆柱体、球体或椭球体等三维图形。

在一个优选的实施例中，步骤330只进行基本二维几何图形的识别。在已识别的二维图形的基础上步骤335可以进行由已经识别的二维几何图形组成的基本三维几何图形的识别。在步骤330和335可以进行修正，例如轻微抖动或弯曲的边缘可以转换为直线边缘，没有仔细描述的边缘的终端可以以这种方式被缩放或推移至其精确的终点。

在一个自选步骤340中可以添加表面，每个表面覆盖着一条由线束125组成的封闭线段。该步骤也可以凭借在步骤335中的二维几何图形集成在三维几何图形来实施。二维图形的表面总是作为一个层级的片段出现的。三维图形的表面可以包括简单的和复杂的曲率。

在接下来的步骤345中在已识别图形的基础上提供表现三维自由曲面140的设计数据，设计数据最好以著名的CAD程序能处理的格式给出。在此已识别的图形可以参数化并互相建立关系。

理想的形式是，自由曲面140在已提供设计数据的基础上实现再生产，例如借助3D打印机等。对设计数据的调整，例如已识别的二维图形的进一步融合在三维图形之中或三维图形拆分为二维图形、边缘或表面的处理、其他要素的删除或添加和其他的工作步骤可以在提供数据之前的步骤345或随后借助CAD程序进行。

图5至图8显示的是一个几何图形的示范识别步骤，是如何借助图1中的处理装置115或借助图3中的方法300进行的。图5显示了通过光学扫描装置110在扫描自由曲面140时扫描的点405的数量。在此自由曲面140在第一个变体中在创建数据期间是否连续扫描或在第二个变体如何在创建后摘要地扫描毫无关系。

图6表现的是从点405局部中导出的边缘410，边缘410相对精确地遵循点405，并包括在点405之间进行插补或推论，以便使边缘410彼此相邻。根据单个点405的位置对边缘410的处理在此还没有进行。

图7显示的是在边缘410基础上识别出的基本几何图形415，图形415可以包括一条圆弧和多条直线。在另一个实施例中识别出由多条边缘410组成的复杂的二维图形。例如在此可以识别在图5至8中表现的带边界线的正方形和圆形线段。已识别的图形取代了单个的点405，在此描述图形的数据量可以被减少。

图8显示的是在几何图形415中插入的面420，面420可以包括层级片段或弯曲的面。在图7中取代圆形线段识别出的是一个球形段，这样面420右侧表现的可能是一个球形表面的一部分。

图9显示的是以汽车505模型为例的边缘识别，模型505是一个体积模型，就是说它是一个封闭的表面，通常在其表面内部具有材料。这里展现的模型505(汽车轮是例外)是由陶土制成的。像上面图4中步骤325描述的那样，模型505借助光学扫描设备110光学扫描并确定了边缘510。图10显示了图9中没有其他模型的模型505的边缘510，由此可以避免扫描模型510表面的数量巨大的点和昂贵的表面再提示的转换。取而代之的是继续处理已确定的边缘510，如边缘410在图4B至4D或在图4中程序300的步骤330至345那样。

虽然本发明在细节上通过优选的实施例进一步插图说明和描述了，但本发明并不受到公开示例的局限，其他的变化也可以由专业人士带来，而并没有离开本发明的保护范围。

Claims (10)

1.系统(100)包括：

‐一个用户操作的工具(105)，用于提供能快速围住物体的线束(125)，以便从线束中产生一个三维自由曲面(140)；

‐一个用于扫描线束(125)的光学扫描设备(110)；

‐一个处理设备(115)，用于在扫描线束(125)的片段中识别基本几何图形(145)，和

‐转换设备(120)，用于在已识别图形(415)基础上提供自由曲面(140)的几何设计数据。

2.根据权利要求1的系统(100)，其中扫描设备(110)包括一个当用户生产自由曲面(140)时，在空间追踪工具(105)的光学定位系统。

3.根据权利要求1的系统(100)，其中扫描设备(110)包括一台用于对已完成的自由曲面的所有线束(125)进行光学扫描的相机(145)。

4.将一个三维自由曲面(140)转换成设计数据的方法(300)，方法(300)包括下列步骤：

‐快速围住物体的线束(125)扫描(310、320)，其由用户操纵借助光学扫描设备(110)构成自由曲面(140)；

‐在已扫描线束(125)的片段中识别(330、335)基本几何图形，和

‐在已识别图形(415)的基础上为自由曲面(140)提供(345)几何设计数据。

5.根据权利要求4的方法(300)，其中当用户创建自由曲面(140)时，线束(125)被光学扫描。

6.根据权利要求4的方法(300)，其中在完成自由曲面(140)之后，所有自由曲面(140)的线束(125)被光学扫描(320)。

7.根据权利要求4至6之一的方法(300)，其中所述基本几何图形(415)至少包括下列一些图形：线段、圆圈、圆形线段、椭圆形、椭圆线段、三角形、矩形。

8.根据权利要求4至7之一的方法(300)，其中首先识别(330)所述二维几何图形(415)，随后在已识别二维的图形(415)的基础上识别(335)一个三维的图形(415)。

9.根据权利要求4至8之一的方法(300)，其中所述已识别的三维图形(415)具有表面(420)。

10.用于执行根据权利4至9之一的方法(300)的带程序代码装置的计算机程序产品，当在一个执行设备(115、120)上运行或存储在计算机可阅读的媒介里。