CN109785443B - 一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法 - Google Patents

一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法，本发明的方法采用区域生长算法对三维模型进行分割，对分割完的模型进行平滑措施得到处理后的生长模型，接着采用QEM算法计算新顶点的位置和每条边的折叠误差大小，计算每个区域的折叠误差的均值并计算取整相应的比值，最后各个区域按照折叠误差均值的比值对各个区域的最小折叠误差的边折叠操作。由于能够保持各区域网格密度，所以能够保持模型细节的信息，由于网格模型的简化是在各个区域中并行进行的，所以大大加快了模型的简化速度。该方法在加快简化速度的同时，采取按照各个区域折叠误差均值的比例进行简化，保持了模型细节特征，是一种实用、方便和有效的几何模型简化方法。

Description

一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法
技术领域
本发明涉及计算机领域，具体涉及一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法。
背景技术
在海洋工程装备结构的设备建模工程中，物体表面常用多边形网格(通常用三角网格)模型描述。随着模型输入方法和造型手段的不断现代化，人们获得的三维模型也由原来验正算法的简单、规则二维模型变得越来越复杂。在海洋工程中的三维场景的模型不但比过去多和大,而且也越来越复杂了。在现有硬件环境下，直接绘制这些复杂的三维模型仍然无法达到实时。使用大量面片除了导致绘制速度大大降低以外，还将导致系统资源(例如内存)的极大浪费，并给模型分析带来更大困难，同时也加大了网络传输的压力。模型简化技术在三维可视化中的应用非常广泛，三维图形网格简化的实质就是对三维网格模型的点和三角面片进行处理，在尽量保持原始模型特征的情况下，去除不影响原始模型特征的多余的点和面片，从而减低模型的数据密度，获得能够满足需要的分辨率比较低的模型，使得三维图形在设备终端的显示和编辑变得容易，减少三维图形数据在因特网上传输的压力。因此对三维模型进行简化，以生成满足计算机分析、处理显示和网络传输要求相对简单的近似简化模型。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，针对海洋工程中大型装备的三维模型，提出一种的实用、方便和有效的三维模型简化方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法，包括以下步骤：
步骤一、将海洋工程结构的三角形网格模型的数据读入到OpenGL软件中，初始化网络数据结构；
步骤二、利用区域生长算法，将三角形网格模型分割为Xi个生长后区域，所述的区域生长算法步骤为：
第一步，在三角形网格模型中选择任意一个三角形做为用于生长的种子三角形并挑选出与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别连接的周边三角形形成待生长的区域；然后分别计算用于生长的种子三角形的三个顶点的曲度的平均值以及与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别相连的每个周边三角形的三个顶点的曲度的平均值；
第二步，分别计算用于生长的种子三角形三个顶点的曲度的平均值
Figure GDA0002026372130000021
与每个周边三角形的三个顶点的曲度平均值/>
Figure GDA0002026372130000022
的差值，然后将每个差值取绝对值；
第三步，将每个差值的绝对值分别与生长阈值RT进行比较，若
Figure GDA0002026372130000023
则将与差值对应的周边三角形并入用于生长的种子三角形区域，使得待生长的区域形成生长后区域，其中/>
Figure GDA0002026372130000024
和/>
Figure GDA0002026372130000025
分别表示生长的种子三角形三个顶点曲度的均值和周边三角形的三个顶点曲度的均值，/>
Figure GDA0002026372130000026
第四步，对生长后的区域之外的三角形网格模型中的每个三角形的各顶点的曲度平均值分别进行计算，将具有最大曲度平均值的三角形作为下一次用于生长的种子三角形，然后重复第一步至第四步得到Xi个生长后区域，形成第一次区域生长模型；
步骤三、对第一次区域生长模型中存在的不连通和不平滑的边缘进行平滑处理得到处理后生长模型，具体步骤为：
第一步，统计第一次区域生长模型中的每个顶点所连接的三角形的数目记为Ni；统计该顶点所连接的三角形分别落入到不同生长后区域中的数目，将该顶点所连接的三角形落入任意一个生长后区域中的数目记为N；
第二步，若落入任意一个生长区域的比率＝N/Ni＞0.6则将该顶点所连接的相关三角形都合并到落入某个生长区域的比率大于0.6的生长区域；
步骤四、对于处理后生长模型中的每个生长区域中的三角形的每条边首先通过QEM算法求得模拟折叠后新顶点的位置，接着根据新顶点的位置采用QEM算法计算出边的折叠误差，最后按照折叠误差的值从小到大的顺序分别建立各个区域折叠误差的堆栈；
步骤五、计算每个区域折叠误差的堆栈中所有的折叠误差的均值，将所有区域折叠误差的堆栈中的折叠误差的均值比较得出其中最大的折叠误差的均值M，然后将最大的折叠误差的均值M与每个生长区域的折叠误差均值进行比值运算，将相应的计算结果值取整，记为n；
步骤六、对处理后生长模型中每个生长区域中具有最小折叠误差的边进行真实折叠处理，在折叠处理过程中对折叠误差均值最大的生长区域内最小折叠误差的边进行一次边折叠的操作，对另外的每个生长区域内具有最小折叠误差的边分别进行n次边的折叠操作，得到新的三角形网格模型；
步骤七、若经过折叠处理后的整个新的三角形网格模型中的三角形的数目达到简化数目的要求，则简化结束，得到简化的三维模型，否则对简化后新的三维模型重复步骤四-步骤六的操作。
本发明的有益效果是：
本发明针对大型海洋工程装备，提出了一种三维模型简化的方法，由于能够保持各区域网格密度，所以能够保持模型细节的信息，由于网格模型的简化是在各个区域中并行进行的，所以大大加快了模型的简化速度。本发明的方法在加快简化速度的同时，采取按照各个区域折叠误差均值的比例进行简化，保持了模型细节特征，该方法能够快速有效地进行三角形的模型简化。
附图说明
图1是一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如附图1所示的本发明的针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法的流程图，包括以下步骤：
步骤一、将海洋工程结构的三角形网格模型的数据读入到OpenGL软件中，初始化网络数据结构；
步骤二、利用区域生长算法，将三角形网格模型分割为Xi(i＝1…n)个生长后区域，所述的区域生长算法步骤为：
第一步，在三角形网格模型中选择任意一个三角形做为用于生长的种子三角形并挑选出与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别连接的周边三角形形成待生长的区域；然后分别计算用于生长的种子三角形的三个顶点的曲度的平均值以及与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别相连的每个周边三角形的三个顶点的曲度的平均值。计算曲度的公式可参考：熊仕勇,李沁翰,谢爱荣.基于半边折叠的LOD三维模型简化算法[J].计算机工程与设计.2016.37(3):656-657；
第二步，分别计算用于生长的种子三角形三个顶点的曲度的平均值
Figure GDA0002026372130000041
与每个周边三角形的三个顶点的曲度平均值/>
Figure GDA0002026372130000042
的差值，然后将每个差值取绝对值；
第三步，将每个差值的绝对值分别与生长阈值RT进行比较，若
Figure GDA0002026372130000043
则将与差值对应的周边三角形并入用于生长的种子三角形区域，使得待生长的区域形成生长后区域。其中/>
Figure GDA0002026372130000044
和/>
Figure GDA0002026372130000045
分别表示生长的种子三角形三个顶点曲度的均值和周边三角形的三个顶点曲度的均值。阈值RT大小和三个顶点曲度均值的大小成正比。具体计算公式为
Figure GDA0002026372130000046
其中/>
Figure GDA0002026372130000047
是用于生长的种子三角形三个顶点曲度的平均值。
第四步，对生长后的区域之外的三角形网格模型中的每个三角形的各顶点的曲度平均值分别进行计算，将具有最大曲度平均值的三角形作为下一次用于生长的种子三角形，然后重复第一步至第四步得到Xi(i＝1…n)个生长后区域，形成第一次区域生长模型；
步骤三、对第一次区域生长模型中存在的不连通和不平滑的边缘进行平滑处理得到处理后生长模型，具体步骤为：
第一步，统计第一次区域生长模型中的每个顶点所连接的三角形的数目记为Ni；统计该顶点所连接的三角形分别落入到不同生长后区域中的数目，将该顶点所连接的三角形落入任意一个生长后区域中的数目记为N；
第二步，若落入任意一个生长区域的比率＝N/Ni＞0.6则将该顶点所连接的相关三角形都合并到落入某个生长区域的比率大于0.6的生长区域。
步骤四、对于处理后生长模型中的每个生长区域中的三角形的每条边首先通过QEM算法求得模拟折叠后新顶点的位置，接着根据新顶点的位置采用QEM算法计算出边的折叠误差，最后按照折叠误差的值从小到大的顺序分别建立各个区域折叠误差的堆栈。具体的QEM算法求新顶点的位置、边的折叠误差和边的折叠操作的方法和公式可参考：卢显利.三维模型获取及网格简化算法研究[D].成都：西南交通大学.2012.37-39；
步骤五、计算每个区域折叠误差的堆栈中所有的折叠误差的均值，将所有区域折叠误差的堆栈中的折叠误差的均值比较得出其中最大的折叠误差的均值M，然后将最大的折叠误差的均值M与每个生长区域的折叠误差均值进行比值运算，将相应的计算结果值取整，记为n。
步骤六、对处理后生长模型中每个生长区域中具有最小折叠误差的边进行真实折叠处理，在折叠处理过程中对折叠误差均值最大的生长区域内最小折叠误差的边进行一次边折叠的操作，对另外的每个生长区域内具有最小折叠误差的边分别进行n次边的折叠操作，得到新的三角形网格模型。
步骤七、若经过折叠处理后的整个新的三角形网格模型中的三角形的数目达到简化数目的要求，则简化结束，得到简化的三维模型，否则对简化后新的三维模型重复步骤四-步骤六的操作。

Claims (1)

1.一种针对大型海洋工程装备的三维模型简化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将海洋工程结构的三角形网格模型的数据读入到OpenGL软件中，初始化网络数据结构；
步骤二、利用区域生长算法，将三角形网格模型分割为Xi个生长后区域，所述的区域生长算法步骤为：
第一步，在三角形网格模型中选择任意一个三角形做为用于生长的种子三角形并挑选出与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别连接的周边三角形形成待生长的区域；然后分别计算用于生长的种子三角形的三个顶点的曲度的平均值以及与所述的用于生长的种子三角形的三个顶点分别相连的每个周边三角形的三个顶点的曲度的平均值；
第二步，分别计算用于生长的种子三角形三个顶点的曲度的平均值
Figure FDA0001915855240000011
与每个周边三角形的三个顶点的曲度平均值/>
Figure FDA0001915855240000012
的差值，然后将每个差值取绝对值；
第三步，将每个差值的绝对值分别与生长阈值RT进行比较，若
Figure FDA0001915855240000013
则将与差值对应的周边三角形并入用于生长的种子三角形区域，使得待生长的区域形成生长后区域，其中/>
Figure FDA0001915855240000014
和/>
Figure FDA0001915855240000015
分别表示生长的种子三角形三个顶点曲度的均值和周边三角形的三个顶点曲度的均值，/>
Figure FDA0001915855240000016
第四步，对生长后的区域之外的三角形网格模型中的每个三角形的各顶点的曲度平均值分别进行计算，将具有最大曲度平均值的三角形作为下一次用于生长的种子三角形，然后重复第一步至第四步得到Xi个生长后区域，形成第一次区域生长模型；
步骤三、对第一次区域生长模型中存在的不连通和不平滑的边缘进行平滑处理得到处理后生长模型，具体步骤为：
第一步，统计第一次区域生长模型中的每个顶点所连接的三角形的数目记为Ni；统计该顶点所连接的三角形分别落入到不同生长后区域中的数目，将该顶点所连接的三角形落入任意一个生长后区域中的数目记为N；
第二步，若落入任意一个生长区域的比率＝N/Ni＞0.6则将该顶点所连接的相关三角形都合并到落入某个生长区域的比率大于0.6的生长区域；
步骤四、对于处理后生长模型中的每个生长区域中的三角形的每条边首先通过QEM算法求得模拟折叠后新顶点的位置，接着根据新顶点的位置采用QEM算法计算出边的折叠误差，最后按照折叠误差的值从小到大的顺序分别建立各个区域折叠误差的堆栈；
步骤五、计算每个区域折叠误差的堆栈中所有的折叠误差的均值，将所有区域折叠误差的堆栈中的折叠误差的均值比较得出其中最大的折叠误差的均值M，然后将最大的折叠误差的均值M与每个生长区域的折叠误差均值进行比值运算，将相应的计算结果值取整，记为n；
步骤六、对处理后生长模型中每个生长区域中具有最小折叠误差的边进行真实折叠处理，在折叠处理过程中对折叠误差均值最大的生长区域内最小折叠误差的边进行一次边折叠的操作，对另外的每个生长区域内具有最小折叠误差的边分别进行n次边的折叠操作，得到新的三角形网格模型；
步骤七、若经过折叠处理后的整个新的三角形网格模型中的三角形的数目达到简化数目的要求，则简化结束，得到简化的三维模型，否则对简化后新的三维模型重复步骤四-步骤六的操作。
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