CN113343325B - 榫卯加工模拟系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机领域，具体是榫卯加工模拟系统及其方法，包括如下模块：木头生成模块、框选模块和木头切割模块；包括如下步骤：步骤一、生成木块，并组合成木头；步骤二、剔除木头内部不显示的边线和重复的边线，并显示剔除后的木头；步骤三、框选需要选定的木块；步骤四、画切线，并投射到对应的面上形成墨线；步骤五、根据墨线进行木头切割，若发生错误操作，退回切割操作；步骤六、生成切割记录；解决了木艺木工上手难度高，学习成本高，学习周期长，施工风险大，误操作不可逆的问题，且能够在移动端还原榫卯的加工操作。

Description

榫卯加工模拟系统及其方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体是指榫卯加工模拟系统及其方法。

背景技术

榫卯首见于7000年前河姆渡文化，是古代中国建筑、家具及其它器械的主要结构方式，是在两个构件上采用凹凸部位相结合的一种连接方式，凸出部分叫榫(或榫头)；凹进部分叫卯(或榫眼、榫槽)，是中式家具的精髓、中式建筑的基础。

由于学习榫卯结构的过程中，特别是针对新手，一旦某一步操作切割失败，之前切割的努力随之白费，基于此不可逆的操作，研发出一款榫卯模拟系统迫在眉睫。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了榫卯加工模拟系统及其方法，通过模拟榫卯加工，用户可随意切割，解决了木艺木工上手难度高，学习成本高，学习周期长，施工风险大，误操作不可逆的问题，且能够在移动端还原榫卯的加工操作。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

榫卯加工模拟系统，应用于客户端，包括如下：

木头生成模块，用于将坐标系中的若干个木块组合形成木头，并剔除木头内部不显示的边线；

框选模块，用于框选需要选定的木块；

木头切割模块，用于切割木头，并记录切割过程和回退切过程；

数据库，保存有预先设计的榫卯结构，记录已有榫卯结构的模型数据与组合方向及运动距离。

进一步，所述木头生成模块包括如下：

木块生成模块，用于在坐标系中生成木块；

木块组合模块，用于将坐标系中的若干个木块组合成木头；

轮廓线剔除模块，用于将木头内部不显示的边线和重复的边线剔除；

木头显示模块，用于显示被剔除内部不显示边线和重复边线后的木头。

进一步，所述木头切割模块包括如下：

墨线方向选定模块，用于确定墨线的方向；

墨线位置选定模块，用于确定墨线在木头上的投射位置；

切割模块，用于沿着墨线切割木头；

退回模块，用于退回错误的切割操作；

木头组合模块，用于将切割后的木头进行榫卯结合；

判断模块，用于判断木头之间是否榫卯成功

记录模块，用于记录切割模块、退回模块的操作以及生成成功的榫卯结果。

榫卯加工模拟方法，包括如下步骤：

步骤一、在坐标系x，y，z三个方向上生成若干个木块，并组合成一个木头；

步骤二、在组合成木头后，剔除木头内部不显示的边线和重复的边线，并显示剔除内部边线和重复边线后的木头；

步骤三、框选需要选定的木块；

步骤四、确定墨线的起始点、结束点，以起始点和结束点为准画切线，确定墨线方向和投射位置后，将切线投射到木块上形成墨线；

步骤五、根据墨线进行木块切割，若发送错误操作，退回切割操作；

步骤六、将所有按照步骤一～步骤五切割好的木头组合后判定榫卯是否成功；

所述步骤六中，榫卯结构包括数据库中已有榫卯结构和自创式榫卯结构，其中，数据库中已有榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

数据库中会记录已有榫卯结构的模型数据与组合方向及运动距离，加工完成后判断该加工结构是否完全匹配模型结构，匹配即判断榫卯组合成功，反之则失败；

另外，自创式榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

木头与木头之间可进行n阶数组合，重合区间内木块均为可加工木块，其中阶数与组合木块总体积的对应关系为：

V＝12×n³；

其中，V表示n阶数对应的检测目标木块的体积，12为单个加工木块体积；

当进行n阶数木头组合时，首先确定待组合木头的运动方向，木头运动过程中如发生碰撞，木头即停止运动，停止后检测单独每个加工木块朝指定接触面发出的射线长度，同时加总计算当前所有可加工木块总体积，若射线长度为0且可加工木块总体积之和等于V，则榫卯组合成功，反之，若存在射线长度不为0或加工木块总体积不等于V，则榫卯组合失败；

步骤六七、记录步骤六生成成功的榫卯结果。

进一步，所述步骤一具体包括：在坐标轴x，y，z三个方向上各生成n个木块，并组合成一个n×n×n的木头。

进一步，所述步骤二中剔除重复的边线方法具体包括：为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个顶点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，三条不同的直线组成一个三角面，若三角面的任意两条直线向量的点积等于1，表示两条边的夹角为0，即三个点在同一条直线上，此时剔除中间的顶点，三条边只保留其中一条；

所述步骤二中剔除木头内部不显示的边线方法具体包括：为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，三条不同的直线组成一个三角面，当一条直线属于两个法线相同的三角面，则该两个三角面在同一个面上，剔除该条直线。

进一步，令木块的中心点和重心点重合都在各自坐标系的(0，0，0)点，每个木块的中心点转移到木头坐标系中的位置会生成位置坐标值，在框选时，选中首个木块的位置坐标值s1，再选中目标木块的位置坐标值sm，位置坐标值在s1～sm的木块全被选中。

进一步，所述步骤四中，墨线的方向确定方法具体包括：

一个木块的一个面有4个顶点会形成4条方向不同的向量对角线，通过计算切线和4条向量对角线的角度，选取角度最小值那一根向量对角线的方向作为墨线的方向。

进一步，所述步骤四中，墨线的投射位置确定方法具体包括:

计算投射面的对角线单位长度，在画切线过程中每帧利用向量点乘法计算把切线投射到对角线上的位置。

进一步，所述步骤六中，生成的切割记录具体包括：

每个木块按数字编号从1～j开始命名，每个木块被切一次形成两个新的多边形，新生成的多边形以原数字编号加上对角线端点在初始8个顶点中的索引号进行命名。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、对于一些新入手的匠人直接操作木材具有一定的难度，容错率低，对于空间的理解需要较长的时间，采用本方法，可通过动态、视觉等效果模拟切割过程，有利于新手学习；

2、用3D立体的方式的呈现榫卯加工过程，大大的节省了木块材料的浪费，同时也加快了木匠人员的学习时间，提高了学习和工作效率。

附图说明

图1为本实施例1的流程图；

图2为本实施例1中木块组合成木头的示意图；

图3为本实施例1中剔除内部不显示边线和重复边线后的木头的结构示意图；

图4为本实施例1墨线投射到木头上的效果图；

图5为本实施例1按照墨线切割后的木头示意图；

图6为本实施例1中木头按照射线方向运动的示意图；

图7为本实施例2中待切割木头与已组合的木头待榫卯的示意图；

图8为本实施例2中已切割木头与已组合的木头待榫卯的示意图；

图9为本实施例2中已切割木头和已组合的木头榫卯成功的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

榫卯加工模拟系统，应用于客户端，例如手机，采用unity3D引擎开发，采用拟真渲染技术PBR基于物理过程的渲染，其中所有木块Au3desk 3ds max建模，SubstanceDesigner制作材质贴图，场景中使用了方向光Directional Light、点光源Point Light、反射探头Reflection Probe多光源光照，包括木头生成模块、框选模块和木头切割模块，其中：

木头生成模块，用于将坐标系中的若干个木块组合形成木头，并剔除木头内部不显示的边线，具体包括木块生成模块、木块组合模块、轮廓线剔除模块和木头显示模块，其中：

木块生成模块，用于在坐标系中生成木块，每一个木块模型由6个面构成的正方体，因此有24条边线、6个面、24个顶点和6条法线，由于存在重复的线，因此实际计算的数据是6个面、8个顶点和6条法线；

木块组合模块，如图2所示，用于将坐标系中的若干个木块组合成木头，例如一个4×4×4的木头就是在坐标系x，y，z三个方向上各生成4个木块，整个木头就存在64个木头，1536条边线，其存在大量重复的边线和内部不需要显示的边线；

轮廓线剔除模块，用于将木头内部不显示的边线和重复的边线剔除；

进一步的是，剔除重复的边线方法具体包括：为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个顶点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，例如索引号为a的顶点和索引号为b的顶点形成直线ab，相同位置索引号为c和d的顶点形成直线cd，则直线ab和直线cd判断为同一条直线，另外，三条不同的直线组成一个三角面，若三角面的任意两条直线向量的点积等于1，表示两条边的夹角为0，即三个点在同一条直线上，此时剔除中间的顶点，三条边只保留其中一条；

进一步的是，剔除木头内部不显示的边线方法具体包括：同样为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，三条不同的直线组成一个三角面，当一条直线属于两个法线相同的三角面，则该两个三角面在同一个面上，剔除该条直线不显示；

木头显示模块，如图3所示，用于显示被剔除内部不显示边线和重复边线后的木头；

另外，框选模块，用于框选需要选定的木块，在三维空间坐标中有x，y，z三个方向，在木头中的木块又有自己的中心点，因此令木块的中心点和重心点重合都在各自坐标系的(0，0，0)点，每个木块的中心点转移到木头坐标系中的位置会生成位置坐标值，在框选时，选中首个木块的位置坐标值s1，再选中目标木块的位置坐标值sm，位置坐标值在s1～sm的木块全被选中；

另外，木头切割模块，用于切割木头，并记录切割过程和回退切过程，同时切割前，需要先确定墨线的起始点和结束点，以起始点和结束点为准画切线，因为墨线只能在未被切过的初始6个面上画，当选中一个木块的时候需要先通过选中面的顶点数判断是否可以进行画线切割操作，通过选中面的法线判断正反面，如果是反面统一按正面计算，画切线要求45°角，然后把画的切线投射到对应面的对角线上，效果如图4所示，基于以上原理，木头切割模块具体包括墨线方向选定模块、墨线位置选定模块、切割模块、木头组合模块、判断模块、退回模块和记录模块，其中：

墨线方向选定模块，用于确定墨线的方向，墨线方向的确定方法具体包括：切线以45°角投射到对应面的对角线上，一个木块的一个面有4个顶点会形成4条方向不同的向量对角线，通过计算切线和4条向量对角线的角度，选取角度最小值那一根向量对角线的方向作为墨线的方向；

墨线位置选定模块，用于确定墨线在木头上的投射位置，墨线投射位置的确定方法包括：计算投射面的对角线单位长度，在画切线过程中每帧利用向量点乘法计算把切线投射到对角线上的位置；

切割模块，用于沿着墨线切割木头，在切割结束时计算被切木块的个数和墨线的长度，若操作画出了木块需要修正墨线长度，同时木块切割主要分为两种，一种是正方体木块，一种是三角体木块，切割完毕后如图5所示；

木头组合模块，用于将切割后的木头进行榫卯结合；

判断模块，用于判断木头之间是否榫卯成功，其中的判断规则如下：

榫卯结构包括数据库中已有榫卯结构和自创式榫卯结构，其中，数据库中已有榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

数据库中会记录已有榫卯结构的模型数据与组合方向及运动距离，加工完成后判断该加工结构是否完全匹配模型结构，匹配即判断榫卯组合成功，反之则失败；

另外，自创式榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

木头与木头之间可进行n阶数组合，重合区间内木块均为可加工木块，其中阶数与组合木块总体积的对应关系为：

V＝12×n³；

其中，V表示n阶数对应的检测目标木块的体积，12为单个加工木块体积；

当进行n阶数木头组合时，首先如图6所示，确定待组合木头的运动方向，图中射线方向即为木头的运动方向，木头运动过程中如发生碰撞，木头即停止运动，停止后检测单独每个加工木块朝指定接触面发出的射线长度，同时加总计算当前所有可加工木块总体积，若射线长度为0且可加工木块总体积之和等于V，则榫卯组合成功，反之，若存在射线长度不为0或加工木块总体积不等于V，则榫卯组合失败。

退回模块，用于退回错误的切割操作；

记录模块，用于记录切割模块、退回模块的操作以及生成成功的榫卯结果，生成的切割记录具体包括：每个木块按数字编号从1～j开始命名，每个木块被切一次形成两个新的多边形，新生成的多边形以原数字编号加上对角线端点在初始8个顶点中的索引号进行命名，例如，切割记录中12_520和12_521两个多边形就是木块12被对角线52(顶点5和顶点2)切割后生成的。

实施例2

如图1、图7、图8、图9所示，基于榫卯加工模拟系统，榫卯加工模拟方法包括如下步骤：

步骤一、在坐标系x，y，z三个方向上生成若干个木块，并组合成一个木头；

步骤二、在组合成木头后，剔除木头内部不显示的边线和重复的边线，并显示剔除内部边线和重复边线后的木头；

步骤三、框选需要选定的木块；

步骤四、确定墨线的起始点、结束点，以起始点和结束点为准画切线，确定墨线方向和投射位置后，将切线投射到木块上形成墨线；

步骤五、根据墨线进行木块切割，若发送错误操作，退回切割操作；

步骤六、将所有按照步骤一～步骤五切割好的木头组合后判定榫卯是否成功；

步骤六、记录切割操作和退回操作，并生成成功的榫卯结果。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.榫卯加工模拟系统，应用于客户端，其特征在于：包括如下：

木头生成模块，用于将坐标系中的若干个木块组合形成木头，并剔除木头内部不显示的边线；

框选模块，用于框选需要选定的木块；

木头切割模块，用于切割木头，并记录切割过程和回退过程；

数据库，保存有预先设计的榫卯结构，记录已有榫卯结构的模型数据与组合方向及运动距离；

其中，所述木头生成模块包括如下：

木块生成模块，用于在坐标系中生成木块；

木块组合模块，用于将坐标系中的若干个木块组合成木头；

轮廓线剔除模块，用于将木头内部不显示的边线和重复的边线剔除；

木头显示模块，用于显示被剔除内部不显示边线和重复边线后的木头。

其中，所述木头切割模块包括如下：

墨线方向选定模块，用于确定墨线的方向；

墨线位置选定模块，用于确定墨线在木头上的投射位置；

切割模块，用于沿着墨线切割木头；

退回模块，用于退回错误的切割操作；

木头组合模块，用于将切割后的木头进行榫卯结合；

判断模块，用于判断木头之间是否榫卯成功；

记录模块，用于记录切割模块、退回模块的操作以及生成成功的榫卯结果。

2.榫卯加工模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在坐标系x，y，z三个方向上生成若干个木块，并组合成一个木头；

步骤二、在组合成木头后，剔除木头内部不显示的边线和重复的边线，并显示剔除内部边线和重复边线后的木头；

步骤三、框选需要选定的木块；

步骤四、确定墨线的起始点、结束点，以起始点和结束点为准画切线，确定墨线方向和投射位置后，将切线投射到木块上形成墨线；

步骤五、根据墨线进行木块切割，若发送错误操作，退回切割操作；

步骤六、将所有按照步骤一～步骤五切割好的木头组合后判定榫卯是否成功；

所述步骤六中，榫卯结构包括数据库中已有榫卯结构和自创式榫卯结构，其中，数据库中已有榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

数据库中会记录已有榫卯结构的模型数据与组合方向及运动距离，加工完成后判断该加工结构是否完全匹配模型结构，匹配即判断榫卯组合成功，反之则失败；

另外，自创式榫卯结构的木头组合成功判定规则为：

木头与木头之间可进行n阶数组合，重合区间内木块均为可加工木块，其中阶数与组合木块总体积的对应关系为：

V＝12×n³；

其中，V表示n阶数对应的检测目标木块的体积，12为单个加工木块体积；

当进行n阶数木头组合时，首先确定待组合木头的运动方向，木头运动过程中如发生碰撞，木头即停止运动，停止后检测单独每个加工木块朝指定接触面发出的射线长度，同时加总计算当前所有可加工木块总体积，若射线长度为0且可加工木块总体积之和等于V，则榫卯组合成功，反之，若存在射线长度不为0或加工木块总体积不等于V，则榫卯组合失败；

步骤七、记录步骤六生成成功的榫卯结果。

3.根据权利要求2所述的榫卯加工模拟方法，其特征在于：

所述步骤二中剔除重复的边线方法具体包括：为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个顶点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，三条不同的直线组成一个三角面，若三角面的任意两条直线向量的点积等于1，表示两条边的夹角为0，即三个点在同一条直线上，此时剔除中间的顶点，三条边只保留其中一条；

所述步骤二中剔除木头内部不显示的边线方法具体包括：为每一个木块的每个顶点按顺序添加索引号，按索引号顺序相邻的两个点生成一条直线，顶点坐标位置相同但索引号顺序不同的直线判断为同一条直线，三条不同的直线组成一个三角面，当一条直线属于两个法线相同的三角面，则该两个三角面在同一个面上，剔除该条直线。

4.根据权利要求3所述的榫卯加工模拟方法，其特征在于：令木块的中心点和重心点重合都在各自坐标系的(0，0，0)点，每个木块的中心点转移到木头坐标系中的位置会生成位置坐标值，在框选时，选中首个木块的位置坐标值s₁，再选中目标木块的位置坐标值s_m，位置坐标值在s₁～s_m的木块全被选中。

5.根据权利要求4所述的榫卯加工模拟方法，其特征在于：所述步骤四中，墨线的方向确定方法具体包括：

一个木块的一个面有4个顶点会形成4条方向不同的向量对角线，通过计算切线和4条向量对角线的角度，选取角度最小值那一根向量对角线的方向作为墨线的方向。

6.根据权利要求5所述的榫卯加工模拟方法，其特征在于：所述步骤四中，墨线的投射位置确定方法具体包括:

计算投射面的对角线单位长度，在画切线过程中每帧利用向量点乘法计算把切线投射到对角线上的位置。

7.根据权利要求6所述的榫卯加工模拟方法，其特征在于：所述步骤六中，生成的切割记录具体包括：

每个木块按数字编号从1～j开始命名，每个木块被切一次形成两个新的多边形，新生成的多边形以原数字编号加上对角线端点在初始8个顶点中的索引号进行命名。

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