CN106709163B - 一种从复杂cad三维模型到蒙卡几何的自动转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，包括：提取STEP文件中BRep数据模型信息；提取所述BRep数据模型信息中重复结构信息，将非重复结构作为待转换实体；将所述待转换实体分解为多个可转换实体；利用提取的重复结构信息进行模型重建，恢复重复结构；根据所述多个可转换实体和所述重复结构得到所有实体的半空间CSG表达式。本发明具有如下优点：提高了分解转换的效率和准确性。

Description

一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助建模领域，具体设计一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法。

背景技术

蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method，简称“蒙卡方法”)是一种基于随机抽样和概率统计来描述粒子输运物理过程的模拟方法。蒙卡方法可以精确的描述每个粒子的输运行为，构建出复杂的几何结构，并用概率统计方法计算得到问题的解。因此在求解复杂粒子输运问题、辐射屏蔽计算精确求解中具有很大的优越性。

然而目前通用的蒙特卡罗模拟方法和程序在复杂几何的蒙卡建模中仍然存在效率问题。目前绝大多数蒙卡程序的几何模块都采用CSG(Constructive Solid Geometry)表示，CSG表示方法建模效率低下，已经成为限制精细化蒙特卡罗模拟发展的瓶颈。CSG表示建模过程非常繁琐，极易出错，且缺乏可视化环境的支持。精细化辐射屏蔽蒙卡模拟必须保证几何描述的准确性，面对一些比较复杂的大型核设施和辐射装置，如反应堆和粒子加速器，文本输入或者代码编写形式的CSG几何建模工作的时间和人力成本消耗以人·月甚至人·年为单位，远远超过了蒙卡计算的成本，因此必须研究高效的蒙卡几何自动输入方法。

工业界普遍应用的三维实体建模和分析软件是CAD。CAD系统从实体描述能力的角度出发，普遍采用BRep(Boundary Representation)表示，这种表示方法构建的实体模型难以直接用于蒙卡计算。

为提升蒙卡几何的自动输入能力，近年来国内外专家应用CAD系统辅助蒙卡几何建模，从CAD模型直接转换为基于CSG的蒙卡几何的角度出发，展开了大量的研究并取得了一定的研究成果。将CAD模型直接转换为基于CSG的蒙卡几何，可以省去重复建模的工作，而且保留了CSG表示几何运算高效的优势，可以说，在不考虑方法难度和成本的情况下，是非常高效的蒙卡几何自动输入方法。德国的卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute forTechnology，KIT)系统的研究了CAD模型到蒙卡几何的转换算法，基于OCCT的CAD内核开发了McCad程序，可以实现CAD系统到MCNP几何的自动转换，McCad的分解面自动判断过程需要首先对三维实体表面进行网格化，然后基于碰撞检测技术进行处理，没有应用BRep表示中固有的一些几何和拓扑信息；日本MHI核工程公司(MHI Nuclear Engineering Co.Ltd.)研发的CAD到MCNP几何转换程序GEOMIT实现了基于边凸凹性的分解，但是对于不含凹边的分解面没有进行实体分解，也没有考虑辅助面分解的情况；中科院核能安全技术研究所FDS团队研究了基于特征识别技术的BRep到CSG模型转换方法，基于商业三维几何造型引擎ACIS开发了自动建模软件MCAM，支持CAD模型向MCNP、Geant4等多种蒙卡程序几何的转换，虽然特征识别技术的应用使得转换结果更加简单直观，但特征的识别和提取过程相对比较复杂，且基于特征识别的转换结果对蒙卡粒子输运效率的提升往往没有帮助。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，以提高模型转换效率，降低转换后蒙卡几何的粒子输运复杂度，。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，包括以下步骤：S1：提取STEP文件中BRep数据模型信息；S2：提取所述BRep数据模型信息中重复结构信息，将非重复结构作为待转换实体；S3：将所述待转换实体分解为多个可转换实体；S4：利用提取的重复结构信息进行模型重建，恢复重复结构；S5：根据所述多个可转换实体和所述重复结构得到所有实体的半空间CSG表达式。

根据本发明实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，将可转换实体设定为转换算法的转换目标。通过对半空间集合凸凹性和规范相交项的分析和论证，给出了辅助面生成策略，降低了辅助面的冗余度，提高了转换效率并简化了CSG表达式。提出了基于直接自然分解面、间接自然分解面和辅助分解面的全分解策略，定义了分解边，并设计了基于分解边的直接自然分解面判定算法，提高了直接自然分解面的判断和选择效率，结合其他两种分解面实现了实体的高效全分解。基于分解后的可转换实体集合，给出待转换实体的半空间CSG表达式。此外还采用了重复结构信息提取和恢复方法，提升对含有重复结构的复杂模型的转换效率。以上所有方法研究构成了基于几何/拓扑信息的全分解BRep→CSG转换算法。

另外，根据本发明上述实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，步骤S2中还包括：记录所述重复结构信息中多个重复结构之间的对应关系和位置关系；在步骤S4中，通过所述多个重复结构之间的对应关系和位置关系进行模型重建，恢复所述重复结构。

进一步地，步骤S3进一步包括：S301：对每个待转换实体应用直接自然分解面递归分解得到多个第一实体；S302：对每个所述第一实体应用间接自然分解面递归分解得到多个第二实体；S303：对每个所述第二实体应用辅助分解面递归分解得到所述多个可转换实体。

进一步地，所述可转换实体S_cvt的定义为：

S_cvt的自然面半空间集合为H_nat＝{h₁,h₂,...,h_m}，辅助面半空间集合为H_ast＝{h_m+1,h_m+2,...,h_n}，S_cvt基于H_des＝H_nat∪H_ast可描述；

S_cvt的CSG表达式为H_des的规范相交项∏_solid：

∏_solid＝h₁ ^{^}∩^*h₂ ^{^}...∩^*h_n^；

当当

则，S＝S_cvt1∪^*S_cvt2...∪^*S_cvtn，S表示待转换实体。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法的流程图；

图2是本发明一个无重复结构的实施例中CAD模型转换为蒙卡几何进行可视化显示的过程示意图。

图3是本发明一个有重复结构的实施例中CAD模型转换为蒙卡几何进行可视化显示的过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法的流程图。如图1所示，一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，包括以下步骤：

S1：提取STEP文件中BRep数据模型信息。

S2：提取BRep数据模型信息中重复结构信息，将非重复结构作为待转换实体。其中，分析和提取重复结构时，记录重复结构之间的对应关系和位置信息以便后续步骤恢复重复结构。

S3：将待转换实体分解为多个可转换实体。

在本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括：

S301：获取每个待转换实体S，根据直接自然分解面的判断和选择方法，应用直接自然分解面递归分解实体S，生成多个第一实体S_dnat。

S302：获取每个第一实体S_dnat，根据间接自然分解面的判断和选择方法，应用间接自然分解面递归分解每个第一实体S_dnat，生成多个第二实体S_idnat。

S303：获取每个第二实体S_idnat，根据辅助面生成策略生成辅助面，根据辅助分解面的判断和选择方法，应用辅助分解面递归分解每个第二实体S_idnat，得到多个转换实体S_cvt。

具体地，为了生成必要的辅助面半空间和生成可转换实体，需要应用自然面中的分解面和辅助面中的分解面将实体完全分解开，即全分解。用自然面中的分解面分解完毕后，对应的每一个分解后的实体是规范相交项的一个连通子集，这时可根据辅助面生成策略确定是否还需要用辅助面分解实体。

设实体S_idnat的自然面半空间集合H_nat＝{h₁,h₂,...,h_m},且规范相交项∏_inc＝h₁ ^{^}∩^*h₂ ^{^}...∩^*h_m ^{^}(h_i ^{^}＝h_i,当当)，则：

1、如果∏_inc不含有非凸集半空间，实体S_idnat基于H_des＝H_nat可描述；

2、如果∏_inc含有非凸集半空间，且∏_inc只含有一个连通子集，实体S_idnat基于H_des＝H_nat可描述；

3、如果∏_inc含有非凸集半空间，且∏_inc含有多个连通子集，为∏_inc中的非凸集半空间生成必要的辅助面半空间，将规范相交项∏_inc的多个连通子集分开，形成辅助面半空间集合H_ast，实体S_idnat基于H_des＝H_nat∪H_ast可描述。

全分解的过程依赖于分解面的判断和选择，分解面的判断和选择决定了转换算法的效率和生成的实体CSG表达式对于蒙卡粒子输运的适用性(几何运算效率)。为此本发明的实施例采用自然分解面和辅助分解面，其中自然分解面又分为直接自然分解面和间接自然分解面，而实现直接自然分解面的高效判断和优化选择的核心概念是分解边。

自然分解面：如果实体S位于自身某个自然面F的两侧，则称这个自然面为自然分解面。

分解边：如果实体S的边E满足以下条件，则称E为分解边：

在实体S中，由边E可以确定两个自然面F₁和F₂，这两个自然面对应的实体面通过边E邻接。在E上任意一点的无限小的邻域D内，实体出现在F₁或F₂的两侧。

直接自然分解面：在实体S上，由边界存在分解边的面定义的自然分解面，是直接自然分解面。

间接自然分解面：在实体S上，由边界不存在分解边的面定义的自然分解面，是间接自然分解面。

辅助分解面：如果辅助面F_ast是实体S的辅助面，且S位于F_ast的两侧，则称这个辅助面为辅助分解面。

BRep表示中的边可以分为凸边、凹边、切边，描述了构成实体的面与面之间的一种拓扑关系。凹边是分解边，与凹边相邻的两个面确定的自然面均为直接自然分解面。

切边又可分为凸切边、凹切边和混合切边(平面之间的切边连接的是两个相同的平面，不予考虑)：

凸切边：如果通过一个切边邻接的两个面中至少有一个是凸曲面，且两个面都不是凹曲面，那么这个切边称为凸切边。

凹切边：如果通过一个切边邻接的两个面中至少有一个是凹曲面，且两个面都不是凸曲面，那么这个切边称为凹切边。

混合切边：如果通过一个切边邻接的两个面是一个凹曲面和一个凸曲面，那么这个切边称为混合切边。

切边有可能是分解边，也有可能不是。以二维情况为例，共有8种情况的切边是分解边。

a)如果通过一个凸切边邻接的是一个凸曲面和一个平面，且凸曲面和平面在切边上的正向相同，则该凸切边是分解边，该凸曲面确定的自然面为直接自然分解面；

b)如果通过一个凸切边邻接的是一个凸曲面和一个平面，且凸曲面和平面在切边上的正向相反，则该凸切边是分解边，该平面和凸曲面确定的自然面均为直接自然分解面；

c)如果通过一个凸切边邻接的是两个凸曲面，且两个凸曲面在切边上的正向相同，则该凸切边是分解边，在切边处曲率大的凸曲面确定的自然面为直接自然分解面；

d)如果通过一个凸切边邻接的是两个凸曲面，且两个凸曲面在切边上的正向相反，则该凸切边是分解边，两个凸曲面确定的自然面均为直接自然分解面；

e)如果通过一个凹切边邻接的是一个凹曲面和一个平面，且凹曲面和平面在切边上的正向相同，则该凹切边是分解边，该平面确定的自然面为直接自然分解面；

f)如果通过一个凹切边邻接的是两个凹曲面，且两个凹曲面在切边上的正向相同，则该凹切边是分解边，在切边处曲率小的凹曲面确定的自然面为直接自然分解面；

g)如果通过一个混合切边邻接的凸曲面和凹曲面在切边上的正向相同，则该混合切边是分解边，该凸曲面确定的自然面为直接自然分解面；

h)如果通过一个混合切边邻接的凸曲面和凹曲面在切边上的正向相反，且在切边上曲率大的为凸曲面，则该混合切边是分解边，该凸曲面和凹曲面确定的自然面均为直接自然分解面。

一个复杂实体往往含有多个直接自然分解面，需要确定其应用顺序，不同的分解顺序不但会造成分解次数的不同，影响转换算法的效率，更会导致分解后实体的CSG表达式的不同。一般来说，对于同一个实体，在保证能够分解成一系列可转换实体的前提下，分解成的子实体越少，CSG表达式越简化，蒙卡粒子输运需要的几何运算就越少，分解方法更优。

对于直接自然分解面，本发明的实施例采用启发式分解面选择算法。通常，含有最多分解边的直接自然分解面，可以一次性将实体分解为最多子实体。因此，每次分解时，根据直接自然分解面含有的分解边数量从多到少进行排序，选取序列中第一个直接自然分解面对实体进行分解，从而得到最优的分解结果。

间接自然分解面和辅助分解面无法通过分解边进行判断，本发明采用的判断方法是分解测试。从需要判断的自然面(辅助面)中随机选取一个，对实体进行分解。如果分解后产生多个实体，则该自然面(辅助面)为分解面；否则不是分解面。

对于间接自然分解面和辅助分解面的应用顺序，无法用分解边进行选择，而用三角网格化的方法进行碰撞检测和排序的时间开销较大。如果分解测试所有的需要判断的自然面(辅助面)，则每次选择需要进行大量的布尔运算，同样存在时间开销大的问题。考虑到这两种分解面在实际工程中出现的情况较少，对结果影响不大，因此采用随机选择的方法。即选择到一个间接自然分解面(辅助分解面)之后，即进行实体分解。

S4：利用提取的重复结构信息进行模型重建，恢复重复结构。

具体地，通过多个重复结构之间的对应关系和位置关系进行模型重建，恢复重复结构。

S5：根据多个可转换实体和重复结构得到所有实体的半空间CSG表达式。

具体的，可转换实体S_cvt的定义为：

S_cvt的自然面半空间集合为H_nat＝{h₁,h₂,...,h_m}，辅助面半空间集合为H_ast＝{h_m+1,h_m+2,...,h_n}，S_cvt基于H_des＝H_nat∪H_ast可描述。

S_cvt的CSG表达式为H_des的规范相交项∏_solid：

∏_solid＝h₁ ^{^}∩^*h₂ ^{^}...∩^*h_n ^{^}；

当当

则，S＝S_cvt1∪^*S_cvt2...∪^*S_cvtn，S表示待转换实体。

本发明实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，选取STEP文件作为转换算法的三维实体BRep表示输入对象，以实体的半空间CSG表示为输出对象。为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例验证本发明的有益效果。

如图2(a)-(d)所示，选取一个无重复结构的CAD模型(图2(a))。通过分解得到的可转换实体(图2(b))，得到蒙卡几何可视化显示结果(图2(c)和图2(d))。CAD模型转换前的体积为2.303e+6(mm³)，通过本发明的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法转换后的体积为2.303e+6(mm³)，前后体积没有发生变化，从量化的角度验证了转换算法的正确性。转换时间5.90秒，转换程序的效率较高。

如图3(a)-(d)所示，选取一个有重复结构的CAD模型(图3(a)和图3(b))。转换后得到蒙卡几何可视化显示结果(图3(c)和图3(d))。转换前后体积均为1.028e+8mm³，没有任何变化；解析完重复结构后，实际待转换实体数量为29个，转换得47个实体，恢复重复结构后，生成的转换后实体数量14942；实体转换时间26.22秒。

另外，本发明实施例的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提取STEP文件中BRep数据模型信息；

S2：提取所述BRep数据模型信息中重复结构信息，将非重复结构作为待转换实体；

S3：将所述待转换实体分解为多个可转换实体；

S4：利用提取的重复结构信息进行模型重建，恢复重复结构；

S5：根据所述多个可转换实体和所述重复结构得到所有实体的半空间CSG表达式。

2.根据权利要求1所述的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，其特征在于，步骤S2中还包括：

记录所述重复结构信息中多个重复结构之间的对应关系和位置关系；

在步骤S4中，通过所述多个重复结构之间的对应关系和位置关系进行模型重建，恢复所述重复结构。

3.根据权利要求1所述的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S301：对每个待转换实体应用直接自然分解面递归分解得到多个第一实体；

S302：对每个所述第一实体应用间接自然分解面递归分解得到多个第二实体；

S303：对每个所述第二实体应用辅助分解面递归分解得到所述多个可转换实体。

4.根据权利要求3所述的从复杂CAD三维模型到蒙卡几何的自动转换方法，其特征在于，所述多个可转换实体S_cvt的定义为：

每一个可转换实体S_cvt的自然面半空间集合为H_nat＝{h₁,h₂,...,h_m}，或辅助面半空间集合为H_ast＝{h_m+1,h_m+2,...,h_n}，或

其中，对于所述每一个可转换实体S_cvt，h₁到h_m为该S_cvt的自然面集合所定义的半空间；h_m+1到h_n为该S_cvt的辅助面集合所定义的半空间；

其中i＝1,2,…,m；j＝m+1,m+2,…,n；

所述每一个可转换实体S_cvt基于H_des＝H_nat∪H_ast可描述；

所述每一个可转换实体S_cvt的CSG表达式为H_des的规范相交项∏_solid：

∏_solid＝h₁^∩^*h₂^...∩^*h_n^；

当时h_k^＝h_k，当时k＝1...n；其中h_k表示h₁到h_n中的任一个，h_k^为当前第k个半空间的取值；

则，S＝S_cvt1∪^*S_cvt2...∪^*S_cvtn，S表示待转换实体；其中n为所述多个可转换实体S_cvt的个数；S_cvt1,S_cvt2……S_cvtn为所述多个可转换实体。