CN107507273A - 通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，属于计算机辅助设计领域。所述方法包括步骤1：通过三维建模动作组合进行建模；步骤2：解释执行建模形成的程序构造三维模型的几何形状和颜色信息；步骤3：输出三维模型的几何形状和颜色信息。与现有技术相比，本发明主要面向教育教学领域，容易掌握且造型灵活能力较强。

Description

通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计领域，特别是指一种通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法。

背景技术

计算机三维几何建模(简称“三维建模”)是通过计算机将操作人员意图利用计算机表达的三维几何形状通过某些设计模式和方法在计算机中创建出来的过程，其在计算机辅助设计、教育教学和电影娱乐产业有着广泛的应用。三维建模方法面向不同的应用领域和行业多种多样，但现有的三维建模方法主要集中于如下几种常见和主流思路：基于实体特征的三维建模、基于自由曲线曲面的三维建模、基于组合几何的三维建模和基于网格模型的三维建模。

发明人研究发现，现有技术至少存在以下技术问题：基于实体特征的三维建模表达能力较弱、学习成本高、数据交换难度大、对新兴制造方式的支持不足；基于自由曲线曲面的三维建模设计和学习周期较长、输出制造仍然需要依赖其他方法形成实体；基于组合几何的三维建模表达能力不强、布尔运算实现难度较高；基于网格模型的三维建模在制造支持上其所生成的几何面片往往单纯用于显示，学习成本高。

在教育教学环节中，对三维建模的需求主要在于：(1)提供较强的模型表达能力，适宜于机械建模、产品设计和用于展示的复杂形状设计；(2)学习门槛较低，需要体现建模思想，但尽可能避免繁冗的具体技术的学习；(3)需要对3D打印等制造技术有较好的支持。从以上要求看来，以上四种主流的建模方法的工业特色都比较鲜明，往往是在某个应用领域有着针对性的应用，优缺点都比较明显且由于门槛等原因，都无法完全满足教育教学领域的要求。

发明内容

本发明为教育教学提供一种容易掌握且造型能力较强的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，包括：

步骤1：通过三维建模动作组合进行建模；

步骤2：解释执行建模形成的程序构造三维模型的几何形状和颜色信息；

步骤3：输出所述三维模型的几何形状和颜色信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，至少具有以下优点：

(1)本发明融合了程序设计和三维建模的相关技术，优势互补，适宜于教育教学环节。在教育领域，该方法将STEAM和传统教育中的程序设计、三维建模和3D打印三大板块融合在了同一语言和平台下，让学生在学习编程理念的同时，掌握三维建模和产品设计的基本思路；让学生在学习绘图的过程中，以生动的形式理解编程的核心思想；同时针对动手实践为3D打印、数控机床等加工手段提供支撑。对于时间极其宝贵的中小学生和青年大学生而言，这种多合一的方式，更容易让教师将关注力集中在如何通过简单易用的单一平台传授方法、理念和思路，而相较可能十年后会被淘汰或更新换代的具体技术而言，这些上层建筑的传授更接近服务教育的本质；

(2)本发明由于通过程序进行建模控制，具有建模灵活度和较强表达能力。支持传统的拉伸、回转建模，也支持复杂的曲线曲面建模，还支持大部分造型软件无法支持的体素造型、分形结构造型；

(3)本发明方法理解简单，对应软件容易学习使用。由于每个操作均是简单控制三维游标的行走，所有概念简单且容易理解，在教育教学领 域和研究领域，容易被非专业工程人员理解和使用，同时由于源文件是文本文件，交换阅读和分项简单。

附图说明

图1为本发明的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法的原理示意图；

图2为本发明的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，如图1～图2所示，包括：

步骤1：通过三维建模动作组合进行建模；

本步骤中，面向三维建模的程序设计语言可分为两种表现形式：一种是以ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码)为基础的文本文件，每行为一条动作，系统从上至下执行；第二种是以每条指令一个积木块，通过图形化积木叠加的方式形成程序。这两种程序的表达形式体现的本质是相同的，就是一个一个动作的顺序执行和一些相关的如循环、判断等控制方法，这里以代码模式和积木模式说明本发明专利提出的面向三维建模方法中，动作描述和表现形式与普通高级程序类似。

步骤2：解释执行建模形成的程序构造三维模型的几何形状和颜色信息；

步骤3：输出三维模型的几何形状和颜色信息。

本发明的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，至少具有以下优点：

(1)本发明融合了程序设计和三维建模的相关技术，优势互补，适 宜于教育教学环节。在教育领域，该方法将STEAM和传统教育中的程序设计、三维建模和3D打印三大板块融合在了同一语言和平台下，让学生在学习编程理念的同时，掌握三维建模和产品设计的基本思路；让学生在学习绘图的过程中，以生动的形式理解编程的核心思想；同时针对动手实践为3D打印、数控机床等加工手段提供支撑。对于时间极其宝贵的中小学生和青年大学生而言，这种多合一的方式，更容易让教师将关注力集中在如何通过简单易用的单一平台传授方法、理念和思路，而相较可能十年后会被淘汰或更新换代的具体技术而言，这些上层建筑的传授更接近服务教育的本质；

(2)本发明由于通过程序进行建模控制，具有建模灵活度和较强表达能力。支持传统的拉伸、回转建模，也支持复杂的曲线曲面建模，还支持大部分造型软件无法支持的体素造型、分形结构造型；

(3)本发明方法理解简单，对应软件容易学习使用。由于每个操作均是简单控制三维游标的行走，所有概念简单且容易理解，在教育教学领域和研究领域，容易被非专业工程人员理解和使用，同时由于源文件是文本文件，交换阅读和分项简单。

本发明的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法的上述步骤具体可参考如附图2所示的流程示意图。

进一步的，步骤1中的三维建模动作组合可以包括用于绘制平面草图的动作组合和用于形成空间形状的动作组合，步骤1包括：

步骤11：通过用于绘制平面草图的动作组合控制平面游标运行绘制平面草图；

本步骤中，平面游标可以理解成一只笔，指令可以控制笔抬起和放下，向前行进或转向，以及粗细、偏移等参数，绘制出平面上的形状(该方法与LOGO语言、PostScript语言等平面绘制语言的基本原理类似，但具体的指令定义、操作语义不同)，当画笔放下的时候，移动画笔将能绘制线条到平面上，当笔抬起时，移动画笔则不产生任何形状。

步骤12：通过用于形成空间形状的动作组合控制空间游标移动扫掠形成空间形状；

本步骤中，在三维中，指令控制三维游标带着附加于三维游标上的草图在空间中运动，包括设定其姿态(转动、朝向等)、向前向后移动，草图形状在空间中随着三维游标的移动将扫掠出形状，即得到三维造型的形状。空间中，三维游标(当二维游标归零时)默认的位置是在原点，由三个角度定义了其姿态，他们分别是视水平面中心的方位值(yaw，值可以是东南西北等，以北为0，按北-东-南-西一周360度的方位)；视水平面的俯仰(pitch，水平是0，向上仰望是正，直到天顶是90度，向下俯视是负数，直到脚底是-90度)和视水平面的转动(roll，绕草图的Z轴，顺时针方向为正)。这三个角度定义的视线平面垂直的上方被定义为正上方。可以想象人站在地面上，他可以冲着东西南北任何一方向(yaw)，他的头还可以俯仰向上向下看(pitch)，同时头还可以(围绕颈部)转动(roll)。那么他的视线平面的前方，就是我们成为局部坐标系的Y轴，右侧是X轴，头顶方向是Z轴，向上的方向就是指局部坐标系Z轴的正方向。

步骤13：通过程序控制逻辑编组动作。

优选的，步骤11中的用于绘制平面草图的动作组合可以包括：

放下画笔：用于说明现在将画笔放下，新的一个线条开始；

抬起画笔：用于结束某个绘制的动作；

向前行进：将平面中的画笔向前行走给定的距离；

画笔转向：将画笔的行进方向偏转给定的角度；

设置笔画粗细：将画笔绘制的笔画的粗细由用户给定；

设置擦除：设置后续笔画均会擦除已绘制的图形；

放下画笔、抬起画笔、向前行进、画笔转向、设置笔画粗细、设置擦除这几个基本动作可以根据用户需求选择不同的顺序和重复组合形成用于绘制平面草图的动作组合。

进一步的，步骤12中的用于形成空间形状的动作组合包括：

开始三维模型绘制：标记开始三维模型的绘制；

结束三维模型绘制：标记结束三维模型的绘制；

向上移动并扫掠形成形体：将三维游标以当前位置为中心，向该方向移动给定的距离(距离可以是一个返回数值的表达式，如果是负数，则代 表反方向行动，表达式的单位是毫米)，该命令挪动了游标的位置，同时，如果在开始三维模型绘制和结束绘制中间，则产生形状的绘制；

移动三维游标位置：将三维游标位置移动到某个位置(可以是相对的或者绝对的位置移动)；

设置草图平面的空间姿态：设置草图平面的水平方位值(yaw)、俯仰角度(pitch)和转动角度(roll)，以此控制草图平面在三维空间中的位置；

设置布尔运算方式：设置后续绘制的图形与之前图形的运算方式，是减去、合并还是求交；

开始三维模型绘制、结束三维模型绘制、向上移动并扫掠形成形体、移动三维游标位置、设置草图平面的空间姿态、设置布尔运算方式这几个基本动作可以根据用户需求选择不同的顺序和重复组合形成用于形成空间形状的动作组合。

本发明中，步骤13中的逻辑包括：

变量定义和表达式：在程序中定义若干变量，以某些符号来代替数字，在动作的各项参数中，通过定义的变量组成的表达式来作为参数；

判断：通过一个表达式的求值的正确性来判断执行某些动作或不执行某些动作；

循环：通过表达式给定重复某些动作的次数；

过程：将某些动作用一个符号表示，后续通过该符号直接运行该动作指令。

在一个动作描述的程序中，可以使用上述的变量定义和表达式、判断、循环、过程等方式将动作逻辑进行编组。

综上，通过上述的若干步骤，由用户书写或者设计出一个动作的序列，这是本发明方法的第一步，后续将通过计算机程序对该动作序列进行解释执行并生成三维模型。

作为本发明的一种改进，步骤2中的解释程序包括：

程序(有源代码)编译生成语法树：编译器将通过词法解析和语法解析两个过程，词法解析将文本文件切分出单词和符号，语法解析将根据上一节中定义的语法成分将语法结构整理为在计算机内存中表示的树状结 构；

具体地，词法解析通过如下正则表达式进行词法匹配：

letter(内部定义) [A-Za-z_@\#\？\$\x80-\xff]

digit(内部定义) [0-9]

delim(内部定义) [\t]

quote(内部定义) ["'`]

标识符 {letter}({letter}|{digit})*

空格 {delim}+

字符串 {quote}[^"'`]*{quote}

数字(({digit}+([\.]{digit}*)？)|([\.]{digit}+))(([eE]([\+\-])？[0-9]+)？)

注释 [\/][\/][^\r\n]*

长注释 \/\*([^\*^\/]*|[\*^\/*]*|[^\**\/]*)*\*\/

换行 ([\r]？)[\n]

语法解析过程通过前向扫描实现，其中遇到表达式时，通过归约法实现(具体算法请参见《编译原理》相关内容)。

解释执行语法树：对编译生成的语法树进行解释执行，在执行的过程中，程序需要对每个执行的语句的关键词进行判断，然后对其参数进行表达式的求值，然后执行对应的三维建模命令。

优选的，步骤3包括：

步骤31：对三维模型进行正确性检查；

步骤32：对三维模型附加颜色信息；

步骤33：对三维模型进行布尔运算；

步骤34：将三维模型的格式转化为外部需要的STL或OBJ格式。

进一步的，步骤31包括：

步骤311：流形性和封闭性检查：对三维模型构建基于三角面片的半边结构(具体可以参考《计算机图形学》)，对于任何一条边，检验与之关联的三角面片有且只有两个，如果超过两个，则删除超过的三角面片；如果少于两个，则直接抛出错误、结束算法并告知用户出现意外错误；

步骤312：自交检查：对三维模型的所有三角面片建立空间八叉索引 树(具体可以参考《计算机图形学》)，对任意一对三角面片，如果根据空间八叉索引树的查找结果，表明其有可能相交的，精确计算其相交的结果，如果相交，自交检查失败，模型错误；如果均不相交，则模型成功；

步骤313：重合点的合并：将三维模型中几何位置几乎重叠的点合并为一点(在工程中，如果用双精度浮点数计算，误差取值可以是1e-7)。

进一步的，步骤32包括：

步骤321：将颜色信息附加于三维模型中三角面片的每个面上(注意，不是附加在定点上，否则将使得布尔运算出现问题)；

步骤322：将代码信息(产生该三维模型对应的代码行、代码文件)附加在每个三维模型的对应部分。

本发明中，步骤33包括：

根据程序运行时标记的情况，对实体之间进行布尔运算。例如：如果某个物体是要减去的，结果的附加信息则设置为被减形体的附加信息。

本发明主要面向中小学和青年学生STEAM教育和科技领域应用中的三维建模，为其提出一种新的基于程序驱动三维游标运动所产生三维模型的建模方法。该方法通过书写代码或叠加积木式的交互方法，让用户通过程序控制在计算机虚拟空间中的三维游标的运动，将三维游标运动扫掠出的部分作为建模结果，得到最终需要的三维形体，这些三维形体之间还可以进行合并和裁剪等操作。本发明方法与传统的三维建模方法最大的区别在于：

(1)传统方法是利用用户交互绘制形体，而本发明方法是通过用户交互书写程序，然后通过程序的执行间接得到三维形体；

(2)传统方法通过实体特征、网格操作等对几何的操作渐进式地得到三维形体，而本发明的方法是通过游标在空间中的扫掠得到形体。

本发明方法思路简单，容易被专业性不强或不掌握面向工业或具体领域的工业造型方法的普通学生用户或教育工作者所理解和熟练应用，同时将程序设计的思路融入三维建模，适宜于作为融合程序设计的三维设计方法，在学校、家庭和科研领域得到应用。

总体上，本发明为教育教学提供容易理解掌握且造型能力较强的三维 建模方法，本发明与现有技术中的基于实体特征的三维建模、基于自由曲线曲面的三维建模、基于组合几何的三维建模和基于网格模型的三维建模这四种建模方法的具体对比如下表所示：

	特征实体	曲线曲面	组合几何	网格模型	本发明
						机械形体表达力	强	强	弱	弱	较强
自然形体表达力	弱	弱	弱	强	较强
						学习门槛	较高	高	低	高	低
设计复杂度	较高	高	低	较高	低
						参数化设计支持	一般	弱	较高	弱	高
制造支持	强	一般	强	弱	强
						数据交换能力	弱	弱	弱	强	强

从以上对比表中可以看出，现有技术中的传统的建模手段及其对应的软件都无法满足教育教学领域的要求，而本发明就是针对教育教学环节中对三维建模的需求提出了新的方法，解决了以下几个技术问题：

(1)通过程序控制的灵活方法，本发明的三维建模方法有较强的形体表达能力；

(2)本发明的三维建模方法学习门槛低，面向普通非专业人群设计；

(3)本发明的三维建模方法具有良好地支持3D打印等制造的需求，形成封闭流形实体；

(4)本发明的三维建模方法原生支持参数化设计、具有良好的数据交换能力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过三维建模动作组合进行建模；

步骤2：解释执行建模形成的程序构造三维模型的几何形状和颜色信息；

步骤3：输出所述三维模型的几何形状和颜色信息。

2.根据权利要求1所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤11：通过用于绘制平面草图的动作组合控制平面游标运行绘制平面草图；

步骤12：通过用于形成空间形状的动作组合控制空间游标移动扫掠形成空间形状；

步骤13：通过程序控制逻辑编组动作。

3.根据权利要求2所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤11中的用于绘制平面草图的动作组合包括：

放下画笔：用于说明现在将画笔放下，新的一个线条开始；

抬起画笔：用于结束某个绘制的动作；

向前行进：将平面中的画笔向前行走给定的距离；

画笔转向：将画笔的行进方向偏转给定的角度；

设置笔画粗细：将画笔绘制的笔画的粗细由用户给定；

设置擦除：设置后续笔画均会擦除已绘制的图形；

所述放下画笔、抬起画笔、向前行进、画笔转向、设置笔画粗细、设置擦除根据用户需求选择不同的顺序和重复组合形成所述用于绘制平面草图的动作组合。

4.根据权利要求2所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤12中的用于形成空间形状的动作组合包括：

开始三维模型绘制：标记开始三维模型的绘制；

结束三维模型绘制：标记结束三维模型的绘制；

向上移动并扫掠形成形体：将三维游标以当前位置为中心，向该方向移动给定的距离，该命令挪动了游标的位置，同时，如果在开始三维模型绘制和结束绘制中间，则产生形状的绘制；

移动三维游标位置：将三维游标位置移动到某个位置；

设置草图平面的空间姿态：设置草图平面的水平方位值、俯仰角度和转动角度，以此控制草图平面在三维空间中的位置；

设置布尔运算方式：设置后续绘制的图形与之前图形的运算方式；

所述开始三维模型绘制、结束三维模型绘制、向上移动并扫掠形成形体、移动三维游标位置、设置草图平面的空间姿态、设置布尔运算方式根据用户需求选择不同的顺序和重复组合形成所述用于形成空间形状的动作组合。

5.根据权利要求2所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤13中的所述逻辑包括：

变量定义和表达式：在程序中定义若干变量，以某些符号来代替数字，在动作的各项参数中，通过定义的变量组成的表达式来作为参数；

判断：通过一个表达式的求值的正确性来判断执行某些动作或不执行某些动作；

循环：通过表达式给定重复某些动作的次数；

过程：将某些动作用一个符号表示，后续通过该符号直接运行该动作指令。

6.根据权利要求1所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤2中的所述解释程序包括：

程序编译生成语法树：编译器将通过词法解析和语法解析两个过程，词法解析将文本文件切分出单词和符号，语法解析将根据上一节中定义的语法成分将语法结构整理为在计算机内存中表示的树状结构；

解释执行语法树：对编译生成的语法树进行解释执行，在执行的过程中，程序需要对每个执行的语句的关键词进行判断，然后对其参数进行表达式的求值，然后执行对应的三维建模命令。

7.根据权利要求1所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31：对所述三维模型进行正确性检查；

步骤32：对所述三维模型附加颜色信息；

步骤33：对所述三维模型进行布尔运算；

步骤34：将所述三维模型的格式转化为外部需要的STL或OBJ格式。

8.根据权利要求7所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤31包括：

步骤311：流形性和封闭性检查：对所述三维模型构建基于三角面片的半边结构，对于任何一条边，检验与之关联的三角面片有且只有两个，如果超过两个，则删除超过的三角面片；如果少于两个，则直接抛出错误、结束算法并告知用户出现意外错误；

步骤312：自交检查：对所述三维模型的所有三角面片建立空间八叉索引树，对任意一对三角面片，如果根据空间八叉索引树的查找结果，表明其有可能相交的，精确计算其相交的结果，如果相交，自交检查失败，模型错误；如果均不相交，则模型成功；

步骤313：重合点的合并：将所述三维模型中几何位置几乎重叠的点合并为一点。

9.根据权利要求7所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤32包括：

步骤321：将颜色信息附加于所述三维模型中三角面片的每个面上；

步骤322：将代码信息附加在每个三维模型的对应部分，所述代码信息为产生该三维模型对应的代码行、代码文件。

10.根据权利要求7所述的通过计算机程序控制游标空间运动构造三维模型的方法，其特征在于，所述步骤33包括：

根据程序运行时标记的情况，对实体之间进行布尔运算。