CN107590298A - 体素化方法和信息处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种体素化方法包括：将三维形状体素化以产生对应于三维形状的第一体素结构；在与包含所产生的第一体素结构的立方体或长方体的各个面垂直的线从所述各个面朝立方体或长方体内部延伸直到线到达所述第一体素结构为止的情况下，至少根据从彼此正交的三个面延伸的线是否相交来指定第一体素结构的外周的外部区域；将所指定的外部的区域设定为第二体素结构；以及在立方体或长方体中执行反转以将体素结构的区域和没有设定为体素的区域进行反转。本发明还涉及一种信息处理装置。

Description

体素化方法和信息处理装置
技术领域
本文中公开的实施方式涉及体素化方法和信息处理装置。
背景技术
计算机辅助工程(CAE)被称为能够支持使用计算机技术进行产品的设计和制造以及过程设计的初步研究的技术示例。在CAE领域中，模拟基于作为设计目标例如汽车的产品的三维形状的形状数据进行，以能够在目标产品的设计步骤时检查装配过程等。
专利文献1：日本特开专利公开No.2006-277672。
然而，在常规技术中，当从三维形状的形状数据中提取作为设计目标的产品中的自由空间时，可能增加处理负荷。
例如，在汽车制造业背景下，可能会将待结合在要被制造的产品的自由空间中的产品的制造外包给其他公司。在要实现外包给另一家公司时，提取表示要被制造产品中的自由空间的形状的数据并提供给外包公司。然而，在例如汽车的产品中，表示产品的三维形状的面元件的尺寸被细分，并且元件的数量较多。因此，提取表示自由空间的形状的数据施加了较大的处理负荷。
因此，本发明的实施方式的一个方面的目的是提供一种体素化程序、一种体素化方法和能够容易地执行从三维形状提取自由空间的一种信息处理装置。
发明内容
根据本发明的一方面，一种体素化方法包括：将三维形状体素化以产生对应于三维形状的第一体素结构；在与包含所产生的第一体素结构的立方体或长方体的各个面垂直的线从所述各个面朝立方体或长方体内部延伸直到线到达所述第一体素结构为止的情况下，至少根据从彼此正交的三个面延伸的线是否相交来指定第一体素结构的外周的外部区域；将所指定的外部的区域设定为第二体素结构；以及在立方体或长方体中执行反转以将体素结构的区域和没有设定为体素的区域进行反转。
附图说明
图1是示出了根据实施方式的信息处理装置的功能配置示例的框图；
图2是示出了根据实施方式的信息处理装置1的操作示例的流程图；
图3是用于说明设定屏幕的说明图；
图4是用于说明三维形状的体素化的说明图；
图5是用于说明用体素填充外周的处理的说明图；
图6A是用于说明用体素填充X方向上的外周的处理的说明图；
图6B是用于说明用体素填充Y方向上的外周的处理的说明图；
图6C是用于说明用体素填充Z方向上的外周的处理的说明图；
图7是用于说明共用区域的取出的说明图；
图8是用于说明中空区域的移除的说明图；
图9是用于说明所获得的区域的添加的说明图；
图10是用于说明反转体素化的说明图；
图11是用于说明划分区域的指定的说明图；
图12是用于说明划分区域的指定的说明图；
图13是用于说明提取区域的说明图；
图14是用于说明通过更小的球体进行校正的说明图；
图15是用于说明所校正的区域的说明图；
图16是用于说明所校正的区域的说明图；
图17是用于说明显示屏幕的说明图；
图18是用于说明显示屏幕的说明图；
图19是示出了根据本实施方式的信息处理装置1的硬件构型的示例的框图。
具体实施方式
将参照附图对本发明的优选实施方式进行解释。在下面的实施方式中，具有相同功能的构成元件用相同的附图标记表示，并且省略其冗余的说明。以下实施方式中描述的体素化程序、体素化方法和信息处理装置仅是示例，并不限于实施方式。此外，下面描述的各个实施方式可以在不发生矛盾的范围内彼此组合。
图1是示出了根据实施方式的信息处理装置的功能配置示例的框图。例如，个人计算机(PC)可以应用于图1中示出的信息处理装置1。例如，信息处理装置1接收由三维计算机辅助设计(CAD)在计算机上创建的产品的三维形状数据。信息处理装置1基于所接收的三维形状数据执行例如提取产品中的自由空间的处理，并且将处理结果输出至显示器等。
三维形状数据是表示构成产品的各个部件的形状的数据，并且可以对其应用边界显示(BREP)、小平面等。BREP表示具有相位信息(例如本体、面，循环、共边缘，边缘或顶点)和几何形状信息(例如基本表面、基本曲线或基本点)的产品的三维形状。小平面表示具有一组微小三角形(例如本体、面或三角形)的产品的三维形状。
如图1中所示，信息处理装置1包括第一体素化单元10、第二体素化单元20、反转体素化单元30、区域指定单元40、输出单元50和设定单元60。
第一体素化单元10对由产品的三维形状数据指示的产品的三维形状进行体素化，以产生对应于三维形状的体素结构(第一体素结构)。
体素结构表示在XYZ空间中具有一组微小立体(网格)的三维形状。由于体素结构因此可以根据在XYZ空间中存在或不存在微小立体来简单地表示三维形状，因此与使用三维形状数据例如BREP或小平面的情况相比，可以抑制与各种类型的计算相关联的处理负荷。
第二体素化单元20指定由第一体素化单元10产生的体素结构的外周的外部的区域，并产生与所指定的外部的区域对应的体素结构(第二体素结构)。
具体地，第二体素化单元20将线朝向包含(包围)由第一体素化单元10产生的第一体素结构的立方体或长方体内部延伸直到线到达第一体素结构为止。接下来，第二体素化单元20至少根据从彼此正交的三个面延伸的所述线是否相交来指定由第一体素化单元10产生的第一体素结构的外周的外部的区域。
也就是说，第二体素化单元20在包含由第一体素化单元10产生的第一体素结构的具有特定三维空间的区域(例如立方体或长方体)中、在从具有特定三维空间的区域的外周沿三个轴线方向中的各个轴线方向指定没有连续设定体素的区域。第二体素化单元20又指定了与所指定的区域共用的共用区域，即，指定了位于第一体素结构的外周的外部的区域。
也就是说，第二体素化单元20在包含由第一体素化单元10产生的第一体素结构的具有特定三维空间的区域中指定其中可以形成三个矢量使得第一体素结构没有设置在三个矢量的延长线上的区域。并且，三个矢量共享起始点并且彼此正交。即，第二体素化单元20指定第一体素结构的外周的外部区域。
接下来，第二体素化单元20产生了对应于所指定的外部的区域的第二体素结构。即，第二体素化单元20用体素填充位于对应于三维形状的第一体素结构的外周的外部的自由空间。
反转体素化单元30对包含对应于三维形状的第一体素结构的特定三维空间(例如立方体或长方体)进行反转体素化。即，反转体素化单元30执行反转以将具有体素的区域反转成没有体素的区域，以及将没有体素的区域反转成在特定三维形状中具有体素的区域。通过这种反转体素化，三维形状中的由对应于三维形状的第一体素结构所包含的自由空间被体素化。
区域指定单元40在由反转体素化单元30进行的反转而设定为体素的区域中指定下述区域：具有特定尺寸的球体或立方体可以连续穿过该区域。这将由反转体素化单元30在反转中所体素化的区域——即，三维形状中的自由空间——划分成具有特定尺寸的球体或立方体可以连续穿过的区域。例如，在三维形状中的自由空间中，通过比具有特定尺寸的球体或立方体更小的间隙连接至彼此的两个区域被划分两个分开的区域。
输出单元50输出由反转体素化单元30进行体素化并由区域指定单元40指定的区域的处理结果，即输出与由三维形状数据所表示的三维形状中的自由空间对应的体素结构。作为一个示例，输出单元50输出用于执行体素结构的显示的显示数据。这使得用户能够确认由三维形状数据表示的产品中的自由空间的形状为体素结构。
设定单元60是从用户接收各种设定的用户界面。例如，设定单元60通过在显示器上显示图形用户界面(GUI)并通过GUI接收用户的操作来执行各种设定。作为一个示例，设定单元60接收与产品中的自由空间的提取相关联的设定，例如在第一体素化单元10、第二体素化单元20和反转体素化单元30中执行体素化时的设定，以及在区域指定单元40中执行区域指定时的设定。设定单元60还接收显示设定，例如接收关于要被输出单元50输出的显示数据的设定。
接下来将对由信息处理装置1执行的处理的细节进行描述。图2是示出了根据实施方式的信息处理装置1的操作示例的流程图。
如图2中所示，当开始处理时，设定单元60基于用户在设定屏幕上的操作(S1)来设定与产品中的自由空间的提取有关的提取条件。
图3是用于说明设定屏幕的说明图。如图3中所示，设定屏幕200具有设定区域201和202以及各种设定按钮203。
设定区域201接收在由第一体素化单元10、第二体素化单元20和反转体素化单元30执行体素化时的设定内容。具体地，在第一体素化单元10、第二体素化单元20和反转体素化单元30进行体素化时的间距(pitch)等的设定被接收在设定区域201中。
设定区域202接收在由区域指定单元40执行区域指定时的设定内容。具体地，诸如选择球体还是立方体用作立体来指定区域的设定、以及关于所选择的立体的尺寸的设定之类的设定被接收在设定区域202中。
在S1之后，第一体素化单元10在设定的提取条件下对由产品的三维形状数据表示的产品的三维形状进行体素化(第一体素化)(S2)。
图4是用于说明三维形状的体素化的说明图。如图4中所示，第一体素化单元10对由三维形状数据表示的三维形状300进行体素化，并产生对应于三维形状300的体素结构301。该体素化使用已知算法执行，例如将包含在三维形状数据中的小平面中的每个三角形所穿过的区域设定至“1(具有体素)”。
接下来，第二体素化单元20执行将由第一体素化单元10产生的体素301的外周的外部区域用体素填充的第二体素化(第二体素结构)(S3)。
图5是用于说明用体素填充外周的处理的说明图。如图5中所示，第二体素化单元20将线朝向包含由第一体素化单元10产生的体素结构301的立体(solid)301a的内部延伸，直到线到达体素结构301为止。接下来，第二体素化单元20至少根据从彼此正交的三个面延伸的所述线是否相交来指定由第一体素化单元10产生的体素结构301的外周的外部区域。
即，第二体素化单元20开始将体素沿X、Y、Z方向朝向体素结构301来填充外周，并且将沿所有X、Y、Z方向填充有体素的共用区域指定为体素结构301的外周的外部的区域。
图6A是用于说明用体素填充X方向上的外周的处理的说明图。如图6A中所示，第二体素化单元20通过将体素沿X方向朝向体素结构301填充外周来获得区域302a。
图6B是用于说明用体素填充Y方向上的外周的处理的说明图。如图6B中所示，第二体素化单元20通过将体素沿Y方向朝向体素结构体301填充外周来获得区域302b。
图6C是用于说明用体素填充Z方向上的外周的处理的说明图。如图6C中所示，第二体素化单元20通过将体素沿Z方向上朝向体素结构301填充来获得区域302c。
图7是用于说明共用区域的取出的说明图。如图7中所示，第二体素化单元20从所获得的区域302a、302b和302c取出与302a、302b和302c共用的共用区域302d。
图8是用于说明中空区域的移除的说明图。存在共用区域302d还包括位于体素结构301内部的中空区域302e的情况，如图8中所示。这些中空区域302e与立体301a不接触。因此，第二体素化单元20在共用区域302d中指定与立体301a的外周至少部分地接触的区域并移除该中空区域302e。如此以来，第二体素化单元20指定了体素结构301的外周的外部的共用区域302。
图9是用于说明组合所获得的区域的说明图。如图9中所示，第二体素化单元20将体素结构301和所获得的共用区域302组合起来以获得其中三维形状的外周填充有体素的体素结构303。
在S3之后，反转体素化单元30对体素结构303进行反转体素化(S4)。图10是用于说明反转体素化的说明图。如图10中所示，反转体素化单元30对体素结构303在立体301a中存在与否进行反转(执行反转体素化)，以提取对应于三维形状中的自由空间的体素结构304。
接下来，区域指定单元40在由反转体素化产生的体素结构304中指定在设定屏幕200的设定区域202中设定的具有预定尺寸的球体(或立方体)所穿过的区域。接下来，区域指定单元40在由反转体素化产生的体素结构304中执行对每个指定区域的划分(S5)。通过该划分，区域指定单元40指定来自体素结构304的一个或更多个划分区域。
图11和图12是用于说明划分区域的指定的说明图。如图11中所示，区域指定单元40使球体305在体素结构304中连续地移动，以指定球体305可以穿过的划分区域304a。接下来，区域指定单元40使球体305在体素结构304中的除划分区域304a之外的区域中连续移动，以指定球体305可以穿过的划分区域304b。
此外，如图12中所示，区域指定单元40可以使用直径逐步减小的球体305来指定划分区域。作为示例，区域指定单元40首先指定直径为60毫米的球体305穿过的划分区域304a。接下来，区域指定单元40指定直径为40毫米的球体305穿过的划分区域304b。随后，区域指定单元40指定直径为20毫米的球体305穿过的划分区域304c。如此以来，使用直径逐步减小的球体305，可以逐步地指定更小的划分区域。
图13是用于说明提取区域的说明图。如图13中所示，在与三维形状中的自由空间对应的体素结构304中通过预定间隙连接的两个区域(空间)由区域指定单元40划分成划分区域304a和304b并且被提取。
所提取的划分区域304a和304b具有取决于球体305的尺寸的粗糙的形状。因此，在S5之后的处理中，区域指定单元40用比球体305小的球体(或立方体)在外周中连续穿过的区域来校正划分区域304a和304b中的每一者(S6)。
图14是用于说明通过更小的球体进行校正的说明图。如图14中所示，区域指定单元40通过比球体305小的球体306在划分区域304a的外周中穿过的区域来校正划分区域304a。区域指定单元40也以类似的方式对划分区域304b校正。
图15和图16是用于说明所校正的区域的说明图。如图15中所示，通过在S6处的校正可以使划分区域304a和304b的形状更完善。
在图16中，情况C1表示球体305在体素结构304中可以穿过的划分区域304a和304b被指定并且其后所述区域通过比球体305更小的球体306校正的情况。情况C2表示从一开始就使用比球体305更小的球体306指定划分区域的情况。如情况C2所示，当从一开始就使用球体306执行划分区域的指定时，指定了一个连续的划分区域304a。与此相反，在情况C1中，由于首先使用较大的球体305执行划分区域的指定，以及其后使用较小的球体306来校正划分区域，因此可以指定两个划分区域304a和304b，并且随后可以精细地校正划分区域304a和304b。
返回参照图2，在S6之后，输出单元50输出处理结果直到S6(S7)为止。具体地，输出单元50将与由三维形状数据表示的三维形状中的自由空间(划分区域304a，304b等)对应的体素结构输出至显示屏幕等。
图17和图18是用于说明显示屏幕的说明图。如图17中所示，显示屏幕400具有操作区域401、树显示区域402和三维形状显示区域403。
操作区域401是具有各种操作按钮的区域，并且操作区域401接收来自用户的操作命令。树显示区域402是其中要在三维形状显示区域403中显示的显示构件以树的形式显示的区域。在树显示区域402中的树402a上，相对于要被显示在三维形状显示区域403中的显示构件中的每一者设定分支402b。用户可以通过勾选/不选分支402b的复选框来指示在三维形状显示区域403中是否显示/不显示该显示构件。
在S7处，与由三维形状数据表示的三维形状300中的自由空间(划分区域304a，304b)对应的体素结构显示在三维形状显示区域403中。这使得用户能够确认由三维形状数据表示的三维形状300中的自由空间具有体素结构。此外，用户可以通过勾选/不选树显示区域402中的分支402b和分支402c的复选框来切换三维形状300和体素结构的显示。
具体地，可以通过勾选分支402c的复选框以及不选分支402b的复选框来清除三维形状300并显示体素结构，如图18中所示。
如上所述，信息处理装置1将三维形状体素化以产生对应于三维形状的第一体素结构、指定第一体素结构的外周的外部的区域，并且将所指定的外部的区域设定为第二体素结构。信息处理装置1随后执行反转以及将设定为体素结构的区域进行反转以及将未设定为体素的区域进行反转(反转体素化)，并且指定对应于三维形状中的自由空间的形状(体素结构)。由于信息处理装置1因此使用可以简单地表示三维形状的体素结构来指定对应于三维形状中的自由空间的形状，因此，与使用诸如BREP或小平面之类的三维形状数据的情况相比，可以抑制与各种类型的计算相关联的处理负荷，并且可以容易地提取自由空间。
并不总是需要附图中所示的各个装置的各个构成元件在物理上与图中所示的相同。即，各个装置的具体分散及结合模式不限于附图所示的那些，并且装置的一部分或全部可以根据各种类型的载荷和使用状态在功能上或物理上构造成分散或结合在任意单元中。
在由信息处理装置1执行的各种处理功能中，其全部或任意部分可以在中央处理单元(CPU)(或微型计算机例如微处理单元(MPU)或微控制单元(MCU))上执行。不言而喻地，各种处理功能的所有部分或任意一部分可以在程序上由CPU(或诸如MPU或MCU之类的微型计算机)分析并执行或者在硬件上使用布线逻辑执行。由信息处理装置1执行的处理功能可以由多台计算机协同进行云计算来执行。
上述实施方式中描述的各种类型的处理可以通过在计算机上执行预先备份的程序来实现。下面将对执行具有与上述实施方式中类似功能的程序的计算机(硬件)的示例进行描述。图19是示出了根据本实施方式的信息处理装置1的硬件构型的示例的框图。
如图19中所示，信息处理装置1具有执行各种类型的计算处理的CPU101、接收数据输入的输入装置102、监视器103和扬声器104。信息处理装置1还具有从存储介质读取程序等的介质读取装置105、用于连接至各种装置的接口装置106、以及用于有线或无线地通信及连接至外部装置的通信装置107。信息处理装置1还具有临时存储各种类型信息的RAM108和硬盘装置109。信息处理装置1中的各个部件(101至109)连接至总线110。
在上述实施方式中描述的用于执行第一体素化单元10、第二体素化单元20、反转体素化单元30、区域指定单元40、输出单元50和设置单元60中的各种类型的处理的程序111存储在硬盘装置109中。程序111所涉及的各种类型的数据112(例如，三维形状数据)也存储在硬盘装置109中。输入装置102接收来自信息处理装置1的操作者的操作信息。监视器103显示例如要由操作者操作的各种屏幕(例如设定屏幕200和显示屏幕400)。例如，打印装置连接至接口装置106。通信装置107连接至通信网络例如局域网(LAN)，并且经由通信网络与外部装置交换各种类型的信息。
CPU101通过读取存储在硬盘装置109中的程序111并将程序111下载到RAM108中以及在RAM108中执行程序111来执行各种处理。程序111不需要被存储在硬盘装置109中。例如，信息处理装置1可以配置成读取存储在可读存储介质中的程序111并执行程序111。由信息处理装置1读取的可读存储介质例如对应于诸如CD-ROM，DVD盘或通用串行总线(USB)存储器、例如闪存的半导体存储器和硬盘驱动器之类的便携式读取介质。程序111还可以配置成存储在连接至公共线路、因特网、LAN等的装置中，并且信息处理装置1从该装置读取程序111以执行程序111。
根据本发明的实施方式，可以容易地执行从三维形状提取自由空间。

Claims (10)

1.一种体素化方法，包括：
将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
在与包含所产生的第一体素结构的立方体或长方体的各个面垂直的线从所述各个面朝向所述立方体或长方体内部延伸直到所述线到达所述第一体素结构为止的情况下，至少根据从彼此正交的三个面延伸的线是否相交来指定所述第一体素结构的外周的外部的区域；
将所指定的外部的区域设定为第二体素结构；以及
在所述立方体或长方体中执行反转以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
2.根据权利要求1所述的体素化方法，还包括：
在由所述反转设定为体素结构的区域中指定具有特定尺寸的球体或立方体被允许连续穿过的区域。
3.根据权利要求2所述的体素化方法，其中，所述反转之后的所述指定包括在区域的外周中用比具有特定尺寸的所述球体或立方体小的球体或立方体被允许连续穿过的区域来校正具有特定尺寸的所述球体或立方体被允许连续穿过的区域中的每个区域。
4.一种体素化方法，包括：
将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
在包含所产生的第一体素结构的特定三维空间的区域中，指定从所述特定三维空间的所述区域的外周沿三个轴线方向中的各个轴线方向没有连续设定体素的区域，并且指定被所指定的区域共用的共用区域；
将所指定的共用区域设定为第二体素结构；以及
在所述特定三维空间的所述区域中执行反转以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
5.根据权利要求4所述的体素化方法，其中，所述共用区域的至少一部分与所述特定三维空间的所述区域的外周接触。
6.一种体素化方法，包括：
将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的体素结构；
在包含所产生的体素结构的特定三维空间的区域中，指定其中允许形成三个矢量使得所述体素结构不存在于所述三个矢量的延长线上的区域，所述三个矢量共享起点且彼此正交；
将所指定的区域设定为体素结构；以及
在所述特定三维空间的所述区域中执行反转以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
7.一种计算机可读记录介质，在所述计算机可读记录介质中存储有体素化程序，所述体素化程序使得计算机执行下述处理：
将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
在与包含所产生的第一体素结构的立方体或长方体的各个面垂直的线从所述各个面朝向所述立方体或所述长方体内部延伸直到线到达所述第一体素结构为止的情况下，至少根据从彼此正交的三个面延伸的线是否相交来指定所述第一体素结构的外周的外部的区域；
将所指定的外部的区域设定为第二体素结构；以及
在所述立方体或所述长方体中执行反转以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
8.一种计算机可读记录介质，在所述计算机可读记录介质中存储有体素化程序，所述体素化程序使计算机执行下述处理：
将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
在包含所产生的第一体素结构的特定三维空间的区域中，指定从所述特定三维空间的所述区域的外周沿三个轴线方向中的各个轴线方向没有连续设定体素的区域，并且指定被所指定的区域共用的共用区域；
将所指定的共用区域设定为第二体素结构；以及
在所述特定三维空间的所述区域中执行反转以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
9.一种信息处理装置，包括：
第一体素化单元，所述第一体素化单元将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
区域指定单元，所述区域指定单元在与包含所产生的第一体素结构的立方体或长方体的各个面垂直的线从所述各个面朝向所述立方体或长方体内部延伸直到所述线到达所述第一体素结构的情况下，至少根据从彼此正交的三个面延伸的线是否相交来指定所述第一体素结构的外周的外部的区域；
设定单元，所述设定单元将所指定的外部的区域设定为第二体素结构；以及
反转体素化单元，所述反转体素化单元在所述立方体或所述长方体中执行反转，以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
10.一种信息处理装置，包括：
第一体素化单元，所述第一体素化单元将三维形状体素化以产生对应于所述三维形状的第一体素结构；
区域指定单元，所述区域指定单元在包含所产生的第一体素结构的特定三维空间的区域中，指定从所述特定三维空间的所述区域的外周沿三个轴线方向中的各个轴线方向没有连续设定体素的区域，并且指定被所指定的区域共用的共用区域；
设定单元，所述设定单元将所指定的共用区域设定为第二体素结构；以及
反转体素化单元，所述反转体素化单元在所述特定三维空间的所述区域中执行反转，以将所述体素结构的区域进行反转以及将没有设定为体素的区域进行反转。
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