CN109522635A - 一种三维cad几何模型简化方法 - Google Patents

一种三维cad几何模型简化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维CAD几何模型简化方法，该方法首先使用离散化的途径采样CAD模型表面的三维点坐标，然后将这些三维点投影到富特征平面上，再运用α‑Shape算法分别提取每个富特征平面上二维点的外部和内部轮廓线，使用这些轮廓线作为二维草绘从而构建若干个三维模型，再对这些三维模型进行布尔交运算，从而得到该CAD模型的最终简化模型。使用本发明公开的模型简化方法可以较为快速的得到原始几何模型的简化模型，在简化过程中用户可以通过参数方便的控制简化程度，从而满足不同的设计场景和设计需求。

Description

一种三维CAD几何模型简化方法
技术领域
本发明涉及一种应用在计算机辅助设计领域(Computer Aided Design，CAD)中的三维几何模型简化的方法。
背景技术
现如今，协同设计的方法被广泛地应用于各种复杂系统的设计。在协同的过程中，不同的参与者之间会采取大量的三维CAD模型交换各自的几何模型数据。然而对于某些设计者来说，从上游合作者处获取的几何模型有时会包含过于详细的几何特征。比如飞行器电缆与管路的设计者所获取的飞机结构和航电设备的模型可能会包括铆钉孔、倒角、螺纹等细节特征，而这些细节对电缆和管线的设计基本无影响，但是它们会极大地增大模型文件的大小并增加模型渲染和分析的时间。出于自我知识产权保护以及CAD软件兼容性的考虑，协同设计的参与者一般会采用IGES(Initial Graphics Exchange Specification)和STEP(Standard for the Exchange of Product model data)格式存储几何模型。上述格式采用边界表征(Boundary Representation)的方式存储几何模型。设计者在将几何模型从各自所用的CAD设计软件转换到边界表征格式的过程中，模型的特征树以及设计历史等信息均会丢失。因此上述的细节特征无法通过直接删除细节特征的方式进行简化。
目前有一些学者提出先通过特征识别的方法从边界表征几何中识别出某些几何特征，然后再根据一定的标准删除某些特征，从而达到几何模型简化的目的。美国密歇根大学的Joshi和Dutta将上述方法应用到了自由曲面模型上孔、圆角、圆形凸饰等特征的简化中。俄亥俄州立大学的Zhu和Menq将上述方法应用到了边界表征几何模型的圆角特征的简化上。韩国的Seo等人首先定义给出出某些特征的定义，如孔特征、倒角特征、圆角特征等，然后从边界表征模型中根据上述定义识别出这些特征，再将这些特征抑制或删除，从而达到几何模型简化的目的。然而该方法主要存在下述问题：1、目前特征识别并不能准确的识别出所有的几何特征，如某些螺纹、齿轮等特征不能被识别出来。2、特征识别的效率不高。这就决定了基于特征识别的几何模型简化方法的效率也较为低下。
发明内容
本发明的目的在于针目前复杂系统协同设计中出现的几何模型过于复杂问题，提供一种三维CAD几何模型简化方法。该方法模拟工程师观察与重构几何模型的过程，从而达到简化几何模型的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三维CAD几何模型简化方法，其特征在于，包括以下主要步骤：
(1)导入几何模型：导入保存在STEP或者IGES文件中的几何模型；
(2)设定阈值dimpre；
(3)将几何模型离散化成三维点集：使用曲面三角化细分的方法，将几何模型所有表面分成若干个三角形面片，所有三角形的顶点被抽取出来形成表征几何外形的三维离散化点集；
(4)将三维点集投影到若干富特征平面：将三维离散化点集投影到富特征平面上得到若干组二维点集S；
(5)构建α-Shape：运用α-Shape算法将每一平面上的点集转换成平面上的轮廓线。首先对二维点集S运用德劳内三角化技术生成一组德劳内三角形DT(S)。然后将德劳内三角形DT(S)中外接圆半径大于参数α的三角形删除，得到DT(S)*。接下来将DT(S)*中只有一个三角形使用的边首尾相连，得到一组或若干组连续的线段。这些线段即为α-Shape；
(6)生成二维草绘：α-Shape中，将共线的连续多段线转换为直线，而非共线的连续多段线则使用线段的端点坐标，采取样条插值的形式生成曲线；
(7)拉伸二维草绘生成三维模型：将不同平面上的二维草绘进行拉伸从而得到若干三维模型；
(8)将三维模型进行布尔交运算得到最终简化模型：将步骤7得到的三维模型通过布尔交运算产生一个简化模型；
(9)输出简化模型：将简化以后的几何模型输出保存在STEP或IGES文件中。
进一步地，所述步骤3中，在该离散化过程中，通过控制最大允许离散尺寸来控制离散点的密度，优选为dimpre的50％。
进一步地，所述步骤5中，参数α值的大小决定了简化的程度，α值越大，会被保存的细节越少，反之亦然；参数α值优选为dimpre的95％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用模型的外观轮廓进行几何模型的简化和重构，与传统的基于特征识别的模型简化方法相比，无需对每一个特征进行识别，因此其效率相较于基于特征识别的简化方法有很大的提高；
(2)本发明可以极大地简化几何模型，将模型的大小以及面片数量降低一个数量级，但仍然可以反映出模型的大致轮廓；
(3)本发明完全依赖计算机软件实现，用户只需要较少干预或无需干预整个简化流程，极大地降低了模型简化的人工成本。
附图说明
图1是工程师对几何模型的观察和重构过程图；
图2是本发明技术方案流程图；
图3是不同的最大允许离散尺寸对模型曲面细分(Tessellation)的影响图；
图4是α-Shape构建流程图；
图5是激励器采用不同参数的简化结果示意图；
图6是斜齿轮采用不同参数的简化结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，工程师分别从不同的角度观察三维几何模型，从而得到模型在不同平面的投影图。接下来工程师可以在其脑海中将各个投影图拉伸成三维模型。每一个三维模型表达了原始模型一部分的信息。最后将这些三维模型通过布尔交运算组合在一起便可以得到原始模型的重构模型。在这一过程中，工程师可以通过忽视投影图中某些细节(如小孔)的方式得该部分特征到较为简洁的几何表达。将这一过程运用计算机软件模拟出来并最终产生与输入模型格式相同但细节简化的几何模型，便可达到了几何模型简化的目的。
如图2所示，本发明提出的三维CAD几何模型简化方法具体包括以下主要步骤：
1、导入几何模型：导入保存在STEP或者IGES文件中的几何模型。
2、设定阈值dimpre，尺寸(外接圆半径)大于等于该阈值的特征应当被保留，小于该阈值的应当会被删除。该阈值决定了合适的最大允许离散尺寸和参数α值的大小。
3、将几何模型离散化成三维点集：使用曲面三角化细分的方法，将几何模型所有表面分成若干个三角形面片。所有三角形的顶点被抽取出来形成表征几何外形的三维点集合。目前主流的CAD建模软件内核，如Open Cascade，均可执行该操作。默认的曲面细分方法会产生尽量少的点去表征曲面。因此，在该离散化过程中我们只需要控制最大允许离散尺寸(即相邻离散点之间的最大距离)便可以控制离散点的密度。不同对离散化结果的影响见图3。图3中，(a)为几何表面，(b)是的曲面细分结果，(c)是的曲面细分结果，(d)是的曲面细分结果。可见，离散点的密度决定了用户是否能从离散点中识别特征，同时也会影响到后续计算机对离散点外部轮廓的识别。越小(即离散点密度越大)，特征越容易被识别出来，但是特征识别的计算时间也越长。增大可以提高计算效率。但是当大于特征的尺寸(即特征的外接圆直径)时，该特征便有可能不能从特征点中被识别出来。
4、将三维点集投影到若干富特征平面：应用画法几何技术可以将一个三维几何模型用其在若干个二维平面上的投影图形表示。将三维几何投影到这些二维平面上可以最大程度的保留三维几何信息，因此这些平面被称为富特征平面。如图2所示，将上述三维离散化点集投影到富特征平面上便可以得到若干组二维点集S。通过每一组二维点集，观察者可以获知三维模型在该二维平面上投影的直观外形。
5、构建α-Shape：为了让计算机可识别上述二维点集表达的直观外形，我们需要运用α-Shape算法将上述每一平面上的点集转换成平面上的轮廓线。α-Shape最早由Edelsbrunner等人提出。该方法用多段线的方式描述点集的内外边界轮廓线(二维)和轮廓面(三维)。通过调整α的值，可以得到不同的轮廓线，从而可以得到点集不同的几何逼近结果。在这里我们使用二维α-Shape。二维α-Shape生成的过程中运用到了德劳内三角化(Delaunay triangulation)的技术。如图4所示，首先对二维点集S运用德劳内三角化技术生成一组德劳内三角形DT(S)。然后将德劳内三角形DT(S)中外接圆半径大于参数α的三角形删除，得到DT(S)*。接下来将DT(S)*中只有一个三角形使用的边首尾相连，得到一组或若干组连续的线段。这些线段即为α-Shape。如图4所示，通过选择合适的α值，便可以得到不同的α-Shape。在这一过程中，一些细节特征已经成功的被删除。
6、生成二维草绘：α-Shape由多段线构成。而二维草绘则由连续的直线和曲线构成。因此α-Shape中，共线的连续多段线(考虑计算误差，若相邻两线段夹角小于1×10-6deg则认为其共线)被转换为直线。而非共线的连续多段线则使用线段的端点坐标，采取样条插值的形式生成曲线。
7、拉伸二维草绘生成三维模型：将不同平面上的二维草绘进行拉伸从而得到若干三维模型。每一个三维模型表达了原始三维模型的一部分特征。在拉伸过程中，拉伸的高度取决于原始模型的尺寸。如XOY平面上的草绘沿Z轴拉伸时拉伸高度等于原始模型的高度(沿Z轴)。
8、将三维模型进行布尔交运算得到最终简化模型：在上一步骤中获取的若干三维几何模型各自包含了原始三维模型的一部分特征。将上述模型通过布尔交运算最终产生一个简化模型。
9、输出简化模型：将简化以后的几何模型输出保存在STEP或IGES文件中。
使用该方法时，用户首先需要根据期望简化程度设定一个阈值dimpre，尺寸(外接圆半径)大于等于该阈值的特征应当被保留，小于该阈值的应当会被删除。该阈值决定了合适的和α值的大小。α值的大小决定了简化的程度，α值越大，会被保存的细节越少，反之亦然。而则决定了α-Shape能否成功生成以及生成该α-Shape的效率。在实践中，通过大量的实验我们将设定为dimpre的50％，而α则等于dimpre的95％。
本发明中，所说的被简化的几何模型可以是单独的零件，也可以是装配体。
本发明中，几何模型是通过边界表征方法定义的。
本发明中，所有对几何模型的操作如曲面细分、拉伸以及布尔交运算均通过OpenCascade几何内核实现。
以下通过若干实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
本实施例中，将对一个激励器进行简化。
如图5所示，原始几何模型包括一个激励器与一个插座。本实施例仅对激励器进行简化，不对插座做任何操作。本例中，选择XOY、XOZ与YOZ平面作为富特征平面。选取三组不同的参数，运用上述的简化过程对几何模型进行简化，得到三组不同的简化结果。当dimpre较小时，原模型上的许多细节，如固定孔等简化后的模型中均得以保留。而当dimpre逐渐增大时细节则逐渐消失。随之带来的好处是简化后模型的体积更小，曲面数量也更少。
实施例2
本方法主要依据模型的轮廓线进行简化，若只有轮廓线类的特征需要被保留，则本方法可以快速高效的获取简化结果。在本实施例中，将对一个斜齿轮进行简化，通过调整参数dimpre可以获取不同精度的简化结果。
如图6所示，原始的斜齿轮包括斜齿、孔、型腔等特征。通过选取不同的dimpre值，型腔、小孔、大孔等特征均可被移除。期望的简化结果越简单，所需的简化时间就越少。本实施例中在普通桌面电脑上进行(处理器Intel i7 3.6GHz,物理内存16GB)。不同简化结果所需的计算时间如图所示。

Claims (3)

1.一种三维CAD几何模型简化方法，其特征在于，包括以下主要步骤：
(1)导入几何模型：导入保存在STEP或者IGES文件中的几何模型。
(2)设定阈值dimpre。
(3)将几何模型离散化成三维点集：使用曲面三角化细分的方法，将几何模型所有表面分成若干个三角形面片，所有三角形的顶点被抽取出来形成表征几何外形的三维离散化点集。
(4)将三维点集投影到若干富特征平面：将三维离散化点集投影到富特征平面上得到若干组二维点集S。
(5)构建α-Shape：运用α-Shape算法将每一平面上的点集转换成平面上的轮廓线。首先对二维点集S运用德劳内三角化技术生成一组德劳内三角形DT(S)。然后将德劳内三角形DT(S)中外接圆半径大于参数α的三角形删除，得到DT(S)*。接下来将DT(S)*中只有一个三角形使用的边首尾相连，得到一组或若干组连续的线段。这些线段即为α-Shape。
(6)生成二维草绘：α-Shape中，将共线的连续多段线转换为直线，而非共线的连续多段线则使用线段的端点坐标，采取样条插值的形式生成曲线。
(7)拉伸二维草绘生成三维模型：将不同平面上的二维草绘进行拉伸从而得到若干三维模型。
(8)将三维模型进行布尔交运算得到最终简化模型：将步骤7得到的三维模型通过布尔交运算产生一个简化模型。
(9)输出简化模型：将简化以后的几何模型输出保存在STEP或IGES文件中。
2.根据权利要求1所述三维CAD几何模型简化方法，其特征在于，所述步骤3中，在该离散化过程中，通过控制最大允许离散尺寸来控制离散点的密度，优选为dimpre的50％。
3.根据权利要求1所述三维CAD几何模型简化方法，其特征在于，所述步骤5中，参数α值的大小决定了简化的程度，α值越大，会被保存的细节越少，反之亦然；参数α值优选为dimpre的95％。
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