CN113076574B - 一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法 - Google Patents

一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法，旨在解决参数化建模技术的高复杂性，不同层次人群普遍不具备专业的设计技能而不能很好的使用传统的大型建模软件问题。为此目的，本发明中的方法包括：在线创意设计；基于CSG的支持图形界面自由编辑的参数化建模技术；高易用性图形交互；减少前后端交互次数；在线创意分享；动态负载均衡策略的集群系统。本发明具有轻量化、跨平台、高易用性，高并发等特点，可以满足不同层次人群对设计的需求。

Description

一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法
技术领域
本发明属于参数化建模技术领域，具体涉及一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法。
背景技术
参数化建模是在20世纪80年代末逐渐占据主导地位的一种计算机辅助设计方法，是参数化设计的重要过程。在参数化建模环境里，零件是由特征组成的。特征可以由正空间或负空间构成。正空间特征是指真实存在的块(例如，突出的凸台)，负空间特征是指切除或减去的部分(例如，孔)。参数化建模是参数化设计的重要过程。参数化设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。在进行参数化建模时需要考虑组成零部件几何形体的基本元素，以及各个元素之间的关系，自由参数与哪些元素有关，确定模型主特征及所有的辅助特征，利用表达式编辑器按照自由参数对部分表达式进行分析，确定特征创建顺序，并进行模型的创建，更改各个自由参数的值，验证模型的变化是否合理等多方面的因素。这些过程极为复杂，技术门槛高，而且需要用到3DMAX，solidworks等专业的大型建模软件。但是不同层次人群普遍不具备专业的设计技能，很难掌握传统大型专业设计软件，所以本发明公开了一种基于CSG的支持图形界面自由编辑的参数化建模方法，通过全新的图形交互界面设计降低使用者的门槛，并基于WebGL实现在线跨平台3D创意设计。
发明内容
针对现有的参数化建模技术所存在的不足，本发明的目的在于设计一种基于WebGL和CSG(Constructive Solid Geometry)的支持图形界面自由编辑的参数化建模技术，通过全新的图形交互界面设计降低使用者的门槛，实现轻量化跨平台的在线参数化建模方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法，包括以下步骤：
步骤1)使用CSG构造实体几何法造型；
使用CSG构造实体几何法造型，构建基本体素，为高易用性图形建立基础；
步骤2)采用高易用性的图形交互；
利用构建出的基本体素创造出一系列高易用图形，为创意设计界面和创意分享界面的开发做准备；
步骤3)开发在线创意设计界面；
开发在线创意设计界面，使系统能在多个平台使用，提高系统的可用性，简化用户进行参数化建模的复杂性；
步骤4)开发在线创意分享界面；
开发在线创意分享界面，传播使用者的建模成果，提高用户对系统的依赖性，进一步提高用户的使用体验；
步骤5)优化前后端交互，减少前后端交互次数；
减少前后端交互次数能够让参数化建模的过程更加的轻量化；
步骤6)搭建动态负载均衡策略的集群系统；
对在线创意设计界面和创意分享界面提供后台支撑，负载均衡的集群系统可以增加系统的高可用性和稳定性。
本发明进一步的改进在于，所述步骤1)使用CSG构造实体几何法造型：
使用三角网格布尔运算算法，先计算两相交模型组合体的最小包围盒，并将其按照X，Y，Z方向分别等分，形成8个子空间；再判断每个子空间中包含来自双方模型的三角形的个数，若超过某设定值，则继续划分，若少于该值，则该子空间停止划分；每划分一次，该八叉树深度加1，当八叉树深度达到某设定值时，则停止划分；然后通过网格细分对三角形进行规范化，最后进行三角形选择。
本发明进一步的改进在于，所述步骤2)采用高易用性的图形交互；
使用Metro-UI交互界面，提供大量Tooltip作为操作引导，以CSG构造实体几何法造型得到的基本体素为基础创造一系列高易用图形，并在这个基础上开发能够自由拖拽的工具栏。
本发明进一步的改进在于，所述步骤3)开发在线创意设计界面；
先将鼠标操作输入映射到对应作用域范围内的网格顶点上，然后利用高阶非线性变换进行局部的变形计算；当变形过大的时候，再通过网格细分来提供足够面片数以达到所需的几何表现力，通过拉、捏、挤、推和扭的操作来对三维几何模型进行编辑，生成任意的高度复杂并包含丰富几何细节的三维雕刻模型；再将三维雕刻模型嵌入到原始的设计界面当中；最后通过JavaScript生成绘制信息，绘制包括指定在什么位置绘制三角形、如何绘制三角形、这些三角形的外观长的什么样子；然后将这些信息传递给到GPU端，由GPU进行处理，最后再返回绘制结果到浏览器，由浏览器将数据渲染出来。
本发明进一步的改进在于，所述步骤4)开发在线创意分享界面；
收集用户兴趣爱好信息并分类，并为有相同爱好的用户分组；当有用户分享自己的建模设计时，通过Redis的set数据结构对用户进行并查集操作，找到具有相同爱好的用户结果集，并将该用户分享的内容在这个结果集中进行传播。
本发明进一步的改进在于，所述步骤5)优化前后端交互，减少前后端交互次数；
在使用者访问Web端的前端页面时一次性从后端服务器的数据库拉取所有的必要模型数据，并返回到前端使用容器保存在前端。
本发明进一步的改进在于，所述步骤6)搭建动态负载均衡策略的集群系统：
使用多台主机作为服务器，每个服务器作为其中一个节点，从外部扩展服务的性能；在访问服务过程中的域名解析阶段进行DND分流，保证服务器每个节点都能承受当前的访问量；同时对MySQL数据库搭建主从模式，方便使用读写分离，即读从库，写主库，进一步提高系统的并发性能；在MySQL性能达到瓶颈时引入Redis做为缓存，防止MySQL支撑不住导致系统崩溃。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
简化了参数化建模技术的高复杂性，解决了不同层次人群普遍不具备专业的设计技能而不能很好的使用传统的大型建模软件问题。本发明还具有轻量化、跨平台、高易用性，高并发等特点，可以满足不同层次人群对设计的需求。
进一步，CSG构造实体几何法造型生成速度快，处理方便，无冗余信息，而且能够详细地记录构成实体的原始特征参数，甚至在必要时可修改体素参数或附加体素进行重新拼合。数据结构比较简单，数据量较小，修改比较容易，而且可以方便地转换成边界表示。为实现轻量化建模提供了扎实的技术基础。
进一步，以大量Tooltip为引导，以及丰富的可自由拖拽的工具栏，改变了传统命令式建模负责的逻辑关系和操作序列。使用者只需要在左侧工具栏中自由拖拽需要的模型，就可以在操作平台进行必要的变换得到使用者想要的模型。
进一步，在提供了大量丰富的操作工具和具有高易用性的基础图形后，拥有在线创意设计界面可以使得用户无需添加任何建模成本，只需通过电脑或者手机提供的与本发明兼容的浏览器，连上网络，即可在任何地方进行多样化创新的在线建模设计。
进一步，用户在在线创意设计界面建立好按自身想法创造的模型后，可以通过分享界面将用户自己的成果展示出来，并且会在具有相同爱好，或者在同一个分组中快速传播。
进一步，本发明避免了在使用者使用不同模型时反复发送请求到后端服务器，给服务器造成额外的负担，从而影响模型数据的渲染速度，让模型的变化看起来有时延，使得使用者的体验下降。使得前后端交互只发生在模型数据的拉取和保存，极大的减少了前后端的交互次数，使得模型的变化变得极为流畅，可以给使用者更好的参数化建模体验。
进一步，提高网络服务器的数据吞吐量，增加能够同时服务的客户数量，最直观表现不仅在于服务数量上的提升，对于每个用户来说，都会有更低的网络延迟和响应速度，提升用户的建模体验。
附图说明
图1采用高易用性图形交互示意图。
图2-1为深度为2时八叉树的子空间形态示意图。
图2-2为深度为3时八叉树的子空间形态示意图。
图2-3为深度为4时八叉树的子空间形态示意图。
图2-4为深度为5时八叉树的子空间形态示意图。
图2-5为深度为6时八叉树的子空间形态示意图。
图3不同三角形相交情况及对应的划分方法示意图。
图4三角形内外关系判断示意图。
图5三角形内外关系特殊情况示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
1、使用CSG构造实体几何法造型
采用CSG构造实体几何法作为轻量化在线快速建模方法，具体为基本体素的参数化表达及复杂模型的二叉树表达，布尔运算及形体边界的表达。CSG表示可以看成是一棵有序的二叉树，最上面的根节点对应是被建模的物体；终端节点(树叶)是体素或是形体变换矩阵；中间节点是正则的集合运算或是变换(平移或旋转或两者的结合)操作，这种运算或变换只对其紧接着的子节点(子形体)起作用。每棵子树(非变换叶子节点)表示其下两个节点组合及变换的结果。布尔运算是CSG法造型的核心技术之一，使用三角网格布尔运算算法，流程为：建立有向八叉树，网格细分，三角形选择。空间八叉树的具体划分流程为：
(1)计算两相交模型组合体的最小包围盒，并将其按照X，Y，Z方向分别等分，形成8个子空间。
(2)判断每个子空间中包含来自双方模型的三角形的个数，若超过某设定值，则继续划分，若少于该值，则该子空间停止划分。
(3)每划分一次，该八叉树深度加1，当八叉树深度达到某设定值时，则停止划分。
图2表示两模型进行布尔运算时的空间八叉树划分，图2-1至图2-5分别为八叉树深度为2至6时的子空间形态。
网格细分是为了消除在进行布尔运算时来自一个网格模型中的三角形A的边直接穿过另一网格中某三角形B的情况，因为此时三角形A一部分位于三角形B的正方向(法向方向)，另一部分则位于负方向。此时应计算出该交点，并通过该交点重新划分三角形A，形成多个子三角形，这些子三角形的顶点在三角形B的一侧或另一侧而不存在相交的情况。网格细分起始于对八叉树的遍历，在每个包含“+”属性的子空间内，对来自双方网格的三角形进行相交测试。此时针对每一个来自于网格1的三角形TA，判断与来自网格2中所有三角形TB的相交性。具体的相交测试流程为：
(1)判断TA的三顶点与TB所在平面的位置关系，如在平面同一侧，则两三角形不相交，如在平面不同侧，则继续判断。
判断TA的三顶点中，处于TB所在平面两侧的顶点所形成的边与TB所在平面的交点，如交点在三角形TB内，则记录交点：否则两三角形不相交；
如交点与三角形TB的顶点重合，则定义此种情形为不相交；如交点在三角形TB边上，则定义此种情形为相交。
通过TA的边与TB相交所得的交点，仅可用于TB的划分，而TA的划分需使用TB的边进行相交测试，因此该过程为双边计算过程。将所记录的交点插入网格2中，三角形TB被划分为若干个新的子三角形。由于相交种类各不相同，因此需要对每一种相交类型进行分别处理，并通过德劳内算法使用相交点对三角形进行划分。图3表示不同的三角形相交情况及对应的划分方法。将新生成的顶点插入网格2的顶点二叉树及列表中，将新生成的三角形同时插入网格2的三角形列表中，并同时删除被划分的三角形。
图4表示三角形相对位置关系的计算和标记。网格细分后所有三角形均完成了规范化，再根据需要进行三角形选择。以下为不同布尔运算操作所需选择的三角形集合：
并集：属于网格1且在网格2外部的三角形和属于网格2且在网格1外部的三角形。
交集：属于网格1且在网格2内部的三角形和属于网格2且在网格1内部的三角形。
减集(网格1-网格2)：属于网格1且在网格2外部的三角形和属于网格2且在网格1内部的三角形。
减集(网格2-网格1)：属于网格2且在网格1外部的三角形和属于网格1且在网格2内部的三角形。
不同于已有算法，在读取网格模型时即存储了两网格中每个三角形的法向，该法向总是朝着网格外部且垂直于每个三角形。当三角形TA对三角形TB形成切割后，三角形TB有一部分位于三角形TA的法向一侧，另一部分位子另一侧。位置关系的判断可通过三角形TA中的任意顶点与TB中新生成且不在TA上的任意顶点所形成的向量与TA法向的夹角计算：即小于90°则同一侧，否则为另一侧。因此可对TB中的三角形进行快速标记，从而在三角形选择时仅需判断其标记是否与布尔运算符一致即可。
当三角形TA不能完全切割三角形TB时，存在一种特殊情况，如图5所示。对于此类新生成的5个新三角形，仅能直接标记其中两个三角形的位置关系。但由于三角形的相邻性，必然存在其它三角形TB，TC与三角形TA相邻，通过其进一步切割，可确定新生成的5个三角形中其他三角形的位置关系。最终对选中的三角形进行提取，并重新进行顶点平衡二叉树的插入，顶点列表的生成，然后对于原模型中未被选中的三角形进行删除。
2、采用高易用性的图形交互
高易用性图形交互，如图1所示，采用高交互性的Web端3D建模Metro-UI交互界面，以Tooltip为操作引导以及基于图形界面自由拖拽参数化建模的高自由度自由建模交互方式，改变了传统命令式建模负责的逻辑关系和操作序列。使用者只需要在左侧工具栏中自由拖拽需要的模型，就可以在操作平台进行必要的变换得到使用者想要的模型。
3、开发在线创意设计界面
在线创意设计是基于CSG建模技术和经典的半边网格(Half-Edge)数据结构来开发的。半边网格数据结构是基于高阶非线性三维变形的雕刻建模技术，把鼠标操作输入映射到对应作用域范围内的网格顶点上，然后利用高阶非线性变换进行局部的变形(Deformation)计算；当变形过大的时候，再通过网格细分(Subdivision)来提供足够面片数以达到所需的几何表现力，实现了通过拉、捏、挤、推、扭等不同的操作来对三维几何模型进行编辑，生成任意的高度复杂并包含丰富几何细节的三维雕刻模型。采用CSG构造实体几何法作为轻量化在线快速建模方法可以使得模型轻量化，再结合数据消隐等技术可以使模型数据快速显示、绘制与交互操作，这就实时了轻量化模型的目的。WebGL可以在浏览器中实现实时的3D互动图形，应用于互动音乐电视、游戏、数据可视化、艺术、3D设计环境、3D空间建模、3D物体建模、绘制数学函数和创建物理模拟。WebGL是直接工作在显卡端的，比目前其他的典型的web技术都要更加复杂。它工作在相当底层的部分，能够迅速的完成大量的计算，从而实现复杂的实时3D渲染。在WebGL中，和其他大多数实时3D图形系统一样，三角形是用于绘制模型的最基本的元素，需要通过使用JavaScript来生成绘制信息，这些绘制信息包括指定在什么位置绘制三角形、如何绘制三角形、这些三角形的外观长的什么样子(颜色、形状、纹理等等)。然后将这些信息传递给到GPU端，GPU进行处理，最后再返回绘制结果。GPU返回绘制结果后再由浏览器渲染，用户就能在支持WebGL的浏览器，比如IE，谷歌浏览器上看到绘制的模型了。
4、开发在线创意分享界面
针对3D打印在创意领域应用面临的创意设计资源不足的现状，用户普遍接受的社交分享技术、众包服务技术等趋势。结合社交分享和众包模式的在线创意设计分享技术，在此基础上开发在线创意分享系统，实现利用社交病毒式传播模式快速累积和分享传播创意设计的目的。
5、优化前后端交互，减少前后端交互次数
在使用者访问Web端的前端页面时尽量一次性从后端服务器的数据库拉取所有的必要模型数据，并返回到前端使用容器保存在前端。避免在使用者使用不同模型时反复发送请求到后端服务器，给服务器造成额外的负担，从而影响模型数据的渲染速度，让模型的变化看起来有时延，使得使用者的体验下降。前后端交互只发生在模型数据的拉取和保存，这就极大的减少了前后端的交互次数，使得模型的变化变得极为流畅，可以给使用者更好的参数化建模体验。
6、搭建动态负载均衡策略的集群系统
动态负载均衡策略的集群系统，向用户提供可察觉延迟更短的响应服务和更好的用户体验，网络服务器需提供更高的数据吞吐量。加上传统的静态集群系统中由于各节点机配置、客户请求执行时间、网络性能的不同、系统长期的运行会造成负载的积累效应，瞬时网络状态、用户请求信息的不确定性等不足之处。基于负载均衡策略并引入动态调度机制的集群系统可以极大提高服务器的整体吞吐量，应对高并发，快速响应用户的请求。具体从以下几个方面实现：
DNS分流：DNS功能指域名系统，域名和ip相互映射，当使用者通过域名访问时由DNS服务器的映射记录和负载均衡算法决定将请求发送到相对闲置的结点服务器。
硬件分流：通过硬件设备，在网络流量进入服务之前进行流量的分流，通过各种策略，分散到不同的服务器。
数据层分流：在数据层，各种缓存以及持久化数据库对于到达数据层的请求，可以利用Redis的主从读写分离集群、分片集群和MySQL的主从读写、分区分表分库等。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种轻量化跨平台的在线参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)使用CSG构造实体几何法造型；
使用CSG构造实体几何法造型，构建基本体素，为高易用性图形建立基础；使用三角网格布尔运算算法，先计算两相交模型组合体的最小包围盒，并将其按照X，Y，Z方向分别等分，形成8个子空间；再判断每个子空间中包含来自双方模型的三角形的个数，若超过某设定值，则继续划分，若少于该值，则该子空间停止划分；每划分一次，八叉树深度加1，当八叉树深度达到某设定值时，则停止划分；然后通过网格细分对三角形进行规范化，最后进行三角形选择；
步骤2)采用高易用性的图形交互；
利用构建出的基本体素创造出一系列高易用图形，为创意设计界面和创意分享界面的开发做准备；使用Metro-UI交互界面，提供大量Tooltip作为操作引导，以CSG构造实体几何法造型得到的基本体素为基础创造一系列高易用图形，并在这个基础上开发能够自由拖拽的工具栏；
步骤3)开发在线创意设计界面；
开发在线创意设计界面，使系统能在多个平台使用，提高系统的可用性，简化用户进行参数化建模的复杂性；先将鼠标操作输入映射到对应作用域范围内的网格顶点上，然后利用高阶非线性变换进行局部的变形计算；当变形过大的时候，再通过网格细分来提供足够面片数以达到所需的几何表现力，通过拉、捏、挤、推和扭的操作来对三维几何模型进行编辑，生成任意的高度复杂并包含丰富几何细节的三维雕刻模型；再将三维雕刻模型嵌入到原始的设计界面当中；最后通过JavaScript生成绘制信息，绘制包括指定在什么位置绘制三角形、如何绘制三角形、这些三角形的外观长的什么样子；然后将这些信息传递给到GPU端，由GPU进行处理，最后再返回绘制结果到浏览器，由浏览器将数据渲染出来；
步骤4)开发在线创意分享界面；
开发在线创意分享界面，传播使用者的建模成果，提高用户对系统的依赖性，进一步提高用户的使用体验；收集用户兴趣爱好信息并分类，并为有相同爱好的用户分组；当有用户分享自己的建模设计时，通过Redis的set数据结构对用户进行并查集操作，找到具有相同爱好的用户结果集，并将该用户分享的内容在这个结果集中进行传播；
步骤5)优化前后端交互，减少前后端交互次数；
减少前后端交互次数能够让参数化建模的过程更加的轻量化；在使用者访问Web端的前端页面时一次性从后端服务器的数据库拉取所有的必要模型数据，并返回到前端使用容器保存在前端；
步骤6)搭建动态负载均衡策略的集群系统；
对在线创意设计界面和创意分享界面提供后台支撑，负载均衡的集群系统可以增加系统的高可用性和稳定性；使用多台主机作为服务器，每个服务器作为其中一个节点，从外部扩展服务的性能；在访问服务过程中的域名解析阶段进行DND分流，保证服务器每个节点都能承受当前的访问量；同时对MySQL数据库搭建主从模式，方便使用读写分离，即读从库，写主库，进一步提高系统的并发性能；在MySQL性能达到瓶颈时引入Redis做为缓存，防止MySQL支撑不住导致系统崩溃。
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