CN113888701A - 将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法及系统，涉及模型转化技术领域。本发明的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，包括：对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件，其中，BDF格式数据文件中包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集；收集网格几何信息集和网格拓扑信息集；按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，以保留网格几何信息集和网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件。本发明方法完整提取并保留网格中的所有网格数据，并且既提升了网格外观质量，也减少了网格数量，从而提升了网格数据轻量化。

Description

将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法及系统

技术领域

本发明涉及模型转化技术领域，特别是涉及一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法及系统。

背景技术

在移动互联网时代中，工业产品外观数字化展示的需求逐渐兴起。当前数字化展示的主流工具平台包括C4D或Unity3D，这些工具传统上主要服务于游戏、影视动画、虚拟现实和增强现实领域，因此应用于汽车行业存在一些待解决的技术问题。

按照可视化展示项目的开发流程，3D模型是输入和起点，是项目落地的基础。市场上的3D模型格式众多，总体分为两大领域：DCC(Digital Content Creation)领域和CAD/CAM(Computer Aided Design/Manufacturing)领域。前者主要以多边形网格形式制作模型，能够直接被C4D或Unity3D等平台所支持。而后者多以nurbs(非均匀有理B样条)曲面形式制作模型，面向外观光滑、功能精细的工业级产品的设计与制造，不被C4D或Unity3D等平台支持。为便于描述，后文将统一用网格3D模型和曲面3D模型作为这两种模型的简称。

汽车产品基于对外观严苛的光顺性要求，普遍采用nurbs曲面建构能力强大的CAD软件(如Catia)作为建模工具，得到整车曲面3D模型。为了将这种曲面3D模型输入仅支持网格3D模型的C4D或Unity3D平台,开展外观数字化展示，则必须寻求一种将曲面3D模型转化成网格3D模型的技术方案。

部分现有技术中的输出格式STL是纯三角化格式，难以平顺表现精细零件的圆角或过渡特征，常形成锯齿边等粗糙的外观。锯齿三角形集中在多个曲面交汇的倒圆区域，在车身造型中普遍存在。

在另一部分现有技术中，产品数字化展示平台基于浏览器，背后的支撑技术为WebGL。出于渲染速度和互动响应速度的考虑，浏览器端访问比普通客户端的轻量化要求更高，因此WebGL不支持四边形网格的渲染，若载入的3D模型为四边形网格，算法会自动将模型分解为三角形后渲染展示。此外，OBJ格式虽然支持四边形网格，但常见的商业或开源CAD软件、格式转换工具的内置算法普遍将曲面3D模型中的nurbs曲面划分为纯三角形网格，然后保存为OBJ格式，同样无法得到细腻光顺的几何外观。

除了细节的细腻程度，现有技术中主要存在以下问题：

转化格式后得到的网格3D模型存在破面，严重影响输出几何模型的外观。

网格数量过多，网格数据轻量化效果不佳。受限于移动端的硬件能力，整车内外饰的网格数量需控制在几十万量级。由于涉及零件总数约100-200，平均每个零件的网格数量需限制在1万以内。而前述现有方案的网格划分未根据表面复杂度进行尺寸疏密控制，导致网格数量过多。由于格式转化过程中的网格划分属于黑箱，无法干预和优化。

网格法线方向不合理。同一个平面上的三角形法向正反不统一，导致部分三角形为阴影状态，影响外观展示，需后续在C4D或Unity3D平台耗费大量时间修改。

发明内容

本发明的第一方面的一个目的是要提供一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，解决现有技术中网格3D模型外观缺陷的问题；

本发明的第一方面的另一个目的是解决现有技术中网格数据轻量化效果不佳的问题，。

本发明的第一方面的又一个目的是解决现有技术中网格法线方向不合理的问题。

本发明的第二方面的一个目的是提供一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的系统。

特别地，本发明提供一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，包括：

对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件，其中，所述BDF格式数据文件中包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集；

收集所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集；

按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，以保留所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件。

可选地，对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件的步骤包括：

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷；

根据预先输入的网格尺寸范围和所述原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格；其中，曲率变化大的区域网格尺寸小，曲率变化小的区域网格尺寸大；

识别并调整网格的法线方向，其中，所述调整网格的法线方向为将所述网格的法线方向进行正反纠正；

将调整了网格法线方向后的模型的所述网格生成BDF格式数据文件。

可选地，改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷的过程包括：

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷包括识别并删除重复曲面、识别并删除小孔、识别曲面缝隙并进行填充、识别并删除相邻曲面的倒角、识别并删除自由曲面边界的倒圆、压缩细节特征、将多组自由边合并为公用边。

可选地，改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷后还包括：

在根据预先输入的网格尺寸范围，根据所述原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格的同时生成网格几何信息集和网格拓扑信息集，其中，所述网格拓扑信息集包括三角形网格拓扑信息集和四边形网格拓扑信息集。

可选地，按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，保留所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤包括：

定位并按顺序读取所述BDF格式数据文件内所有网格节点坐标所在行的节点编号和节点坐标值；

建立散列表；其中，所述散列表的所有索引号基于前述按顺序读取的节点编号，各自的索引值为从1开始的递增序号；

定位所述BDF格式数据文件内所有所述三角形网格拓扑信息集与所述四边形网格拓扑信息集所在行，定位并读取网格节点编号作为索引号；

根据所述索引号在所述散列表内进行查找得到所述索引值；

按照Obj格式要求，将所述节点坐标值和所述索引值组织成Obj格式网格3D模型的文本文件。

可选地，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤还包括：

在生成所述Obj格式网格3D模型的文本文件后判断所述网格3D模型是否满足可视化展示条件；

在所述网格3D模型满足可视化展示后导出所述Obj格式网格3D模型的文本文件。

特别地，本发明还提供一种将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的系统，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现上面所述的将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的方法。

本发明中通过对曲面3D模型进行处理，包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集的BDF格式数据文件，对数据进行处理后得到Obj格式网格3D模型的文本文件。通过本实施例的方法得到Obj格式网格3D模型的将有限元网格划分工具生成的BDF格式数据文件转化为OBJ格式，完整提取并保留网格中的所有网格数据，并且既提升了网格外观质量，也减少了网格数量，从而提升了网格数据轻量化。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法的示意性流程图；

图2是根据本发明一个实施例的将对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件步骤的示意性流程图；

图3示出了原始曲面3D模型在处理前存在的缺陷的示意图；

图4示出了原始曲面3D模型在经过改善和消除原始曲面3D模型的几何缺陷后的3D模型的示意图；

图5是原始曲面3D模型未经过几何清理时进行网格数量划分的示意图；

图6是原始曲面3D模型经过几何清理时进行网格数量划分的示意图。

图7示出了按照本实施例的自适应网格划分后的模型的网格划分效果图；

图8示出了将模型数据按照STL格式输出时的模型的网格数量的图示；

图9示出了将模型数据按照开源CAD输出OBJ格式的模型网格数量的图示；

图10示出了按照本实施例的自适应网格划分后的模型的网格数量的图示；

图11是3D模型STL格式输出中法线不合理的示意图；

图12是3D模型利用开源CAD转得OBJ模型中法线不合理的示意图；

图13是与图11和图12一个视角的3D模型图中经过法线局部调整前后的示意图；

图14示出了3D模型图中经过法线整体调整前后的示意图；

图15示出了3D模型图整体与拆分保存方法的轻量化效果对比图；

图16是根据本发明的一个实施例的生成Obj格式网格3D模型的文本文件的示意性流程图；

图17是根据本实施例的方法与Simright格式转换文件占用空间和网格轻量化对比图；

图18根据本发明另一个实施例的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法的示意性框图。

作为本发明一个具体的实施例，本实施例提供一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，该方法可以包括：

步骤S100，对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件，其中，BDF格式数据文件中包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集；

步骤S200，收集网格几何信息集和网格拓扑信息集；

步骤S300，按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，以保留网格几何信息集和网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件。

本实施例中通过对曲面3D模型进行处理，生成包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集的BDF格式数据文件，再对数据进行处理后得到Obj格式网格3D模型的文本文件。通过本实施例的方法得到Obj格式网格3D模型，通过将有限元网格划分工具生成的BDF格式数据文件转化为OBJ格式，完整提取并保留网格中的所有网格数据，并且既提升了网格外观质量，也减少了网格数量，从而提升了网格数据轻量化。

图2是根据本发明一个实施例的将对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件步骤的示意性流程图。

作为本发明一个具体的实施例，如图2所示，本实施例的步骤S100中对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件的步骤包括：

步骤S101，改善或消除原始曲面3D模型的几何缺陷。

本实施例的步骤S101中，改善或消除原始曲面3D模型的几何缺陷的过程可以包括改善或消除原始曲面3D模型的几何缺陷包括识别并删除重复曲面、识别并删除小孔、识别曲面缝隙并进行填充、识别并删除相邻曲面的倒角、识别并删除自由曲面边界的倒圆、压缩细节特征、将多组自由边合并为公用边。

具体地，本实施例的步骤S101中，自主开发了基于TCL语言的Hypermesh脚本，并利用该脚本对产品曲面3D模型的外观进行修补、简化、优化。该过程包括识别并删除重复曲面；识别并删除小孔；识别曲面缝隙并进行填充；识别并删除相邻曲面的倒角；识别并删除自由曲面边界的倒圆；压缩细节特征，将多组自由边合并为公用边等。

通过上述处理后，可以改善或消除原始曲面3D模型的几何缺陷，为后续网格划分提供良好的基础。

图3示出了原始曲面3D模型在处理前存在的缺陷的示意图。图4示出了原始曲面3D模型在经过改善和消除原始曲面3D模型的几何缺陷后的3D模型的示意图。

图3和图4中的红线表示零件边界。在几何清理前，如图3所示，除了零件的边缘外，包含重合曲面，各种孔径的小孔，以及裂缝。经过几何清理后，如图4所示，上述缺陷均被消除。

此外，几何清理还能从可视化展示需求出发，对次要零件进行造型简化，有利于减少网格数量，从而提升数据的轻量化效果。

图5是原始曲面3D模型未经过几何清理时进行网格数量划分的示意图；

图6是原始曲面3D模型经过几何清理时进行网格数量划分的示意图。

图5和图6所示零件非产品可视化重点关注区域，几何清理后的3D模型的各种倒角和倒圆均被去除，细微特征线被合并。划分得到的网格数量仅为未几何清理3D模型的一半，数据轻量化效果显著。

参见图2，步骤S100还可以包括步骤S102，根据预先输入的网格尺寸范围和原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格；其中，曲率变化大的区域网格尺寸小，曲率变化小的区域网格尺寸大。

步骤S102中，利用基于TCL语言的Hypermesh脚本，根据输入的网格尺寸范围,批量自动根据曲面的曲率变化自适应划分网格。

本实施例可以根据曲面曲率自动调整网格疏密,提升网格数据的轻量化效果,如图7所示。

由图7所示，模型中曲率变化大的区域网格明显尺寸较小，其余平坦区域网格较大，网格总数量较少，提升了网格的轻量化效果。

此外，对比其它方式，对同一个零件，采用STL格式输出后的网格数量为17082个，其网格效果和数量如图8所示。采用开源CAD输出OBJ格式网格数量为20186个，其网格效果和数量将图9所示。而采用本实施例的自适应划分网格后，最终的网格数量为5262个。具体用本方案实现后的网格效果和数量见图10所示。对比图8和图9的网格数量，图10中本方案的网格数量分别减少了70％与74％。

在步骤S101，改善或消除原始曲面3D模型的几何缺陷后还可以包括：

在根据预先输入的网格尺寸范围，根据原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格的同时生成网格几何信息集和网格拓扑信息集，其中，网格拓扑信息集包括三角形网格拓扑信息集和四边形网格拓扑信息集。

步骤S100还可以包括步骤S103，识别并调整网格的法线方向，其中，调整网格的法线方向为将所述网格的法线方向进行正反纠正。

步骤S103中，可以识别并调整网格的法线方向。具体可以通过不同颜色显示法线方向，例如红色为正向，蓝色为负向。本过程可以自适应调整局部网格法线正反，或零件整体法线反向。此功能保证零件的法向正反一致，从而在可视化展示中在同一侧可见。

图11是3D模型的STL格式中法线不合理的示意图。图12是3D模型利用开源CAD转得OBJ模型法线不合理的示意图。图13则是与图11和图12一个视角的3D模型图。根据图中整体红色可判断所有网格均外侧可见，避免后续可视化展示平台C4D或Unity3D对网格3D模型的进一步调整。

本实施例中应用Hypermesh的normals面板，通过Adjust按钮自适应调整局部网格法线方向，如图13所示。

通过Reverse按钮令零件整体法线反向，如图14所示。

步骤S100还可以包括步骤S104，将调整了网格法线方向后的模型的网格生成BDF格式数据文件。

该步骤S104批量自动导出BDF格式数据文件。具体该过程为利用基于TCL语言的Hypermesh脚本，将各零件的有限元网格批量自动导出成BDF格式数据文件。批量自动划分的有限元网格需从可视化角度判断是否满足细节展示的完成性和实时互动的响应速度，即网格外观质量和数据轻量化要求，因此存在迭代修改局部零件网格的需求。为此，有必要根据曲面模型的零件树批量生成对应的零件网格数据文件，有利于迭代中按需局部输出网格数据文件，避免整体重复转换，提升效率。

另外，对比模型整体保存为BDF格式数据文件，按零件树拆分保存后虽然文件占用硬盘空间稍大，但经过进一步转换为OBJ格式后，文件占用硬盘空间变小(如图15)，有利于数据文件的轻量化。

图16示出了生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤的示意性流程图。如图16所示，

步骤S300中按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，保留网格几何信息集和网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤包括：

步骤S301，定位并读取BDF格式数据文件内所有网格节点坐标所在行的节点编号和节点坐标值；

步骤S302，建立散列表；其中，散列表的所有索引号基于前述按顺序读取的节点编号，各自的索引值为从1开始的递增序号；

步骤S303，定位BDF格式数据文件内所有三角形网格拓扑信息集与四边形网格拓扑信息集所在行，定位并读取网格节点编号作为索引号；

步骤S304，根据索引号在散列表内进行查找得到索引值；

步骤S305，按照Obj格式要求，将节点坐标值和索引值组织成Obj格式网格3D模型的文本文件。

BDF格式为有限元分析领域的数据文件格式，除了包含工业产品可视化展示所需要的网格几何信息和网格拓扑信息外，还包含零件的材料、连接、荷载、边界条件等与应用无关的物理和机械信息，须通过数据重新组织进行精简。

此外，BDF格式并不被C4D或Unity3D等可视化开发平台支持，必须进行格式转换，才能读取其中包含的网格几何信息和网格拓扑信息。

最后，对比云仿真平台Simright提供的BDF转OBJ格式服务，通过本发明转换后得到的OBJ格式网格不仅网格保持四边形，而且文件的占用空间小，示例如图17。

图17中的零件含9779个网格，BDF文件1.41MB。通过本发明转换得到的OBJ格式网格3D模型，文件占用空间为418KB,约为Simright转换得到OBJ文件(555KB)的75％，网格数据轻量化效果好。此外，前者的网格数量在格式转换前后保持不变，仅为Simright转换方案得到网格数量(18660)的52％，非常有利于提升产品展示中的实时互动响应速度。

图18示出了生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤的示意性流程图。具体地，如图18所示，步骤S300中，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤还包括：

在生成Obj格式网格3D模型的文本文件后还包括：

步骤S306，判断网格3D模型是否满足可视化展示条件；是则执行步骤S307，不是则执行步骤S102；

步骤S307，在网格3D模型满足可视化展示后导出Obj格式网格3D模型的文本文件。

本实施例中，只有满足可视化要求后的文本文件才最终导出。作为本发一个具体的实施例，本实施例还提供一种将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的系统，该系统包括存储器和处理器，存储器内存储有控制程序，控制程序被处理器执行时用于实现上面的将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的方法。处理器可以是一个中央处理单元(central processing unit，简称CPU)，或者为数字处理单元等等。处理器通过通信接口收发数据。存储器用于存储处理器执行的程序。存储器是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何介质，也可以是多个存储器的组合。上述计算程序可以从计算机可读存储介质下载到相应计算/处理设备或者经由网络(例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到计算机或外部存储设备。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，包括：

对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件，其中，所述BDF格式数据文件中包含有网格几何信息集和网格拓扑信息集；

收集所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集；

按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，以保留所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件。

2.根据权利要求1所述的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，

对原始曲面3D模型进行处理，生成BDF格式数据文件的步骤包括：

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷；

根据预先输入的网格尺寸范围和所述原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格；其中，曲率变化大的区域网格尺寸小，曲率变化小的区域网格尺寸大；

识别并调整网格的法线方向，其中，所述调整网格的法线方向为将所述网格的法线方向进行正反纠正；

将调整了网格法线方向后的模型的所述网格生成BDF格式数据文件。

3.根据权利要求2所述的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷的过程包括：

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷包括识别并删除重复曲面、识别并删除小孔、识别曲面缝隙并进行填充、识别并删除相邻曲面的倒角、识别并删除自由曲面边界的倒圆、压缩细节特征、将多组自由边合并为公用边。

4.根据权利要求3所述的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，

改善或消除所述原始曲面3D模型的几何缺陷后还包括：

在根据预先输入的网格尺寸范围，根据所述原始曲面3D模型的曲面的曲率变化自适应划分网格的同时生成网格几何信息集和网格拓扑信息集，其中，所述网格拓扑信息集包括三角形网格拓扑信息集和四边形网格拓扑信息集。

5.根据权利要求1所述的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，

按Obj格式网格3D模型的格式要求进行数据的处理，保留所述网格几何信息集和所述网格拓扑信息集，生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤包括：

定位并按顺序读取所述BDF格式数据文件内所有网格节点坐标所在行的节点编号和节点坐标值；

建立散列表；其中，所述散列表的所有索引号基于前述按顺序读取的节点编号，各自的索引值为从1开始的递增序号；

定位所述BDF格式数据文件内所有所述三角形网格拓扑信息集与所述四边形网格拓扑信息集所在行，定位并读取网格节点编号作为索引号；

根据所述索引号在所述散列表内进行查找得到所述索引值；

按照Obj格式要求，将所述节点坐标值和所述索引值组织成Obj格式网格3D模型的文本文件。

6.根据权利要求1所述的将曲面3D模型转化为Obj格式的网格3D模型的方法，其特征在于，

生成并导出Obj格式网格3D模型的文本文件的步骤还包括：

在生成所述Obj格式网格3D模型的文本文件后判断所述网格3D模型是否满足可视化展示条件；

在所述网格3D模型满足可视化展示后导出所述Obj格式网格3D模型的文本文件。

7.一种将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的系统，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现权利要求1-6中任一项所述的将曲面三维模型转化为Obj格式的网格三维模型的方法。

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