CN115797601B - 一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统，包括：利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对并构建面对相切组；对每一面对相切组重构中面体；对每一中面体，利用中面体的中面与三维模型的原始面的映射关系，根据原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；对具有相邻关系的中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合邻接约束图对待缝合中面体的各中面进行延伸或裁剪；将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。本发明能够解决现有中面提取方法仅适合于等厚度模型、变厚度模型要区域划分、分区域提取的中面时常会错位和拼接困难、进而无法自动提取等问题。

Description

一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统

技术领域

本发明涉及三维模型的中面提取技术领域，特别是涉及一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统。

背景技术

现代工业和产品个性化的发展，对产品研发的效率和质量提出了更高的要求。往往需要在产品设计阶段就要考虑产品的性能，利用CAE工程分析迭代、优化其结构设计。

薄壁类、钣金类模型广泛应用于模具和冲压铸造件中，对于此类模型的工程分析一般需要对模型进行中面提取以简化模型。中面模型更能表达产品的结构形态、更能满足工程分析要求、是更好的分析替代模型，对其工程分析的效率、精度和准确性更高。

现有的中面提取方法可以归纳为三类：基于中轴变换(Medial Axis Transform，MAT)的模型维度缩减法、基于实体收缩的模型维度缩减法、和基于面对插值的中面几何重构法。

MAT是通过模拟一个最大内切球在三维实体内滚动进而创建中面，它与模型复杂度无关。但内切球滚动会产生大量细小分支，它生成的中面要小于实际边界，且生成的中面模型不包含任何拓扑几何特征，故单纯的MAT并不适用于Brep三维模型，仅广泛应用于网格模型。有人提出了一种改进的二维MAT法，用MAT构建每个面的中值线，连接中值线构建中值线图，再通过标记有效面对生成中面，但它在本质上与MAT没有区别。

基于实体收缩的模型维度缩减法，它利用几何建模内核的“边退化”功能，将薄壁的厚度退化为零，实现三维模型的维度缩减和得到中面模型。该方法完全依赖于几何建模内核的“边退化”功能，适用于Brep三维模型，但它需要首先简化或去除模型的各类孔洞、圆角、凸台等特征，且仅支持平面、圆柱面、圆锥面等解析曲面，不支持均匀B样条和NURBS曲面，有很大的局限性。

基于面对插值的中面几何重构法，通过从面的厚度方向发出射线去搜索和匹配“面对”，用曲面插值计算每一个“面对”的中面，再用布尔操作拼接中面，最终得到中面模型。它是一种几何重构法，适用于Brep三维模型，对于模型的特征和曲面类型没有限制。但该方法是基于相互的“面对”生成中面，对于复杂模型往往需要大量的中面延伸和裁剪才能将它们拼接在一起。

现有商业的CAE前处理软件基本都提供了中面提取功能，如Abaqus、HyperMesh、MSCApex等。这些软件的中面提取操作方式各有不同，其功能点和结果模型也有所不同。特别是对于变截面(即不等厚度)模型，功能差别更大，有些软件甚至不支持。对于变截面模型，Abaqus和HyperMesh都需先对模型按不同厚度区域进行人工切分，再在各个等厚度区域分别提取中面模型，然后再将它们拼接到一起。此外，Abaqus对变截面模型抽取的中面时常会在相连位置产生错位，无法直接拼接。由此可见，即使是商业软件，对于变厚度模型的中面提取也往往需要介入人工操作和结果模型的后处理，都无法实现全自动地中面模型提取；即便如此，这些商业软件的中面提取算法也是保密的。对此，本发明提供一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统，能够解决现有中面提取方法中仅适合于等厚度模型、变厚度模型要区域划分、分区域提取的中面时常会错位和拼接困难、进而无法自动提取等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种Brep三维模型的中面自动提取方法，包括：

利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对；

根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组；所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通；

对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；

对具有相邻关系的所述中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪；

将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。

可选的，所述利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对，具体包括：

构建所述Brep三维模型的面邻接关系矩阵M_J×J；所述面邻接关系矩阵M_J×J中的第i行第j列的元素M_i×j为第i个面和第j个面之间的邻接关系；当所述第i个面和所述第j个面存在共享边，则所述第i个面和所述第j个面相邻，M_i×j的值为1；J为所述Brep三维模型的面个数；

构建所述Brep三维模型的面距离关系矩阵D_J×J；所述面距离关系矩阵D_J×J中的第i行第j列的元素D_i×j为第i个面和第j个面之间的距离相关关系；当所述第i个面的包围盒和所述第j个面的包围盒的最小距离小于等于预设倍数的最大厚度阈值时，则所述第i个面和所述第j个面相关，记D_i×j的值为1；

构建所述Brep三维模型的面等距相容性矩阵C_J×J；所述面等距相容性矩阵C_J×J中的第i行第j列的元素C_i×j为第i个面和第j个面之间的等距相容关系；当所述第i个面和所述第第j个面等距相容，C_i×j的值为1；

对所述Brep三维模型的每一所述面，确定与所述面不相邻、相关且等距相容的所有所述面并构建候选面集；

利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对。

可选的，所述利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对，具体包括：

对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点；

对每一所述面中的每一所述采样点，并基于每一所述采样点向逆着所述面的法向方向发出射线；

若所述射线与所述候选面有交点，则记当前所述候选面为目标候选面，并记当前所述采样点为有效采样点；

计算当前所述面中的所述有效采样点与当前所述目标候选面中的所述交点之间的距离；

当所有所述距离值均相同时，则判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述距离的相对误差值是否小于第一预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述距离的第一相对误差值小于预设误差值时，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成面对；

当所有所述距离值不均同时，则计算当前所述面与所述目标候选面的二面角，并判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值是否小于第二预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值小于第二预设误差值，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成拔模面对。

当所有所述面中的所有所述采样点均遍历完成，则得到所述Brep三维模型的所有面对。

可选的，所述对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点，具体包括：

在所述面的参数域内按照预设采样密度进行均匀采样，得到面内采样点；

对所述面的外边界边采样边的起点和终点，对所述面的内边界边采样边的中点，得到边界边采样点。

可选的，所述第i个面和所述第j个面等距相容的判定规则为：

根据所述第i个面和所述第j个面的几何类型和几何参数确定是否等距相容；

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型不同时，则判断所述第i个面和所述第j个面等距不相容；

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型相同时，则根据所述第i个面和所述第j个面的几何参数确定是否等距相容。

可选的，所述任意两个所述面对厚度相同且相切连通的判定规则为：

对任意的两个所述面对，分别对两个所述面对中选取一个所述面，记为第一面和第二面；

若所述第一面和所述第二面相邻，且所述第一面和所述第二面的所有公共边的二面角为180度，则所述第一面和所述第二面相切连通。

可选的，所述对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

根据点-边-面的拓扑关系和所述面对相切组包含的面片数确定所述面对相切组的提取优先级，得到面对相切组的优先队列；

按照所述提取优先级从所述面对相切组的优先队列中依次提取所述面对相切组，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体。

可选的，所述对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

对每一所述提取面对相切组，根据面的连通性分为第一面组和第二面组；

分别获取所述第一面组和所述第二面组的相邻的非“面对”面，并将所述相邻的非“面对”面分别添加到对应的所述第一面组和所述第二面组中，得到第三面组和第四面组；所述相邻的非“面对”面为所述Brep三维模型中不构成面对关系的面；

对所述第三面组和所述第四面组分别做等距操作，得到第一等距面体和第二等距面体，并分别记录所述第一等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第一映射关系和所述第二等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第二映射关系；

根据所述第一映射关系，在所述第一等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面；得到第一预处理等距面体；根据所述第二映射关系，在所述第二等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面，得到第二预处理等距面体；

比较所述第一预处理等距面体和所述第二预处理等距面体的基本性质，确定基本性质最优的为所述提取面对相切组的所述中面体；所述等距面体的基本性质包括几何形态、退化情况、遗漏未被等距的面数和总表面积。

可选的，所述利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪，具体包括：

对每一所述待缝合中面体，对每一所述中面的每一条外边界边的进行均匀采样，得到外边采样点；

对每一所述外边采样点，沿所述外边采样点向所述外边界边的外方向发射光线；所述外方向与所述外边界边在所述外边采样点的切向和所述中面在所述外边采样点的法向均垂直；

根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述外方向发射光线有交点的所述中面，记为外碰撞面，并估算所述外边界边与所述外碰撞面的外延伸距离；

将所述外边界边延伸第一预设倍数的所述外延伸距离，并利用所述外碰撞面裁剪延伸后的外边界边，得到外边界边裁剪后的中面体；

对每一所述外边界面裁剪后的中面体，对每一所述中面的每一内边界边进行均匀采样，得内边采样点；

对每一所述内边采样点，沿所述内边采样点向所述内边界边的内方向发射光线；所述内方向与所述外方向相反；

根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述内方向发射光线有交点的所述中面，记为内碰撞面，并估算所述内边界边与所述内碰撞面的内延伸距离；

将所述内边界边延伸第二预设倍数的所述内延伸距离，并利用所述内碰撞面裁剪延伸后的内边界边，得到内边界边裁剪后的中面体，实现所述待缝合中面体的各所述中面的延伸或裁剪。

本发明还提供一种Brep三维模型的中面自动提取系统，包括：

面对获取模块，用于利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对；

面对相切组构建模块，用于根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组；所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通；

中面体重构模块，用于对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

邻接约束图构建模块，用于对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；

修剪模块，用于对具有相邻关系的所述中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪；

中面体模型构建模块，用于将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统，包括：利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对并构建面对相切组；对每一面对相切组，采用插值法几何重构中面体；对每一中面体，利用中面体的中面与三维模型的原始面的映射关系，并根据原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；对具有相邻关系的中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合邻接约束图对待缝合中面体的各中面进行延伸或裁剪；将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。本发明能够解决现有中面提取方法仅适合于等厚度模型、变厚度模型要区域划分、分区域提取的中面时常会错位和拼接困难、进而无法自动提取等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种Brep三维模型的中面自动提取方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的一种Brep三维模型的中面自动提取方法原理图；

图3为本发明实施例1提供的一种复杂的三维模型及对应的中面体模型；

图4为本发明实施例1提供的另一种复杂的三维模型及对应的中面体模型；

图5为本发明实施例1提供的带有细小圆角特征的三维模型及对应的中面体模型；

图6为本发明实施例1提供的沿外边采样点向外边界边的外方向示意图；

图7为本发明实施例1提供的基于自动延伸或裁剪算法得到的一种中面体模型以及对应的三维模型；

图8为本发明实施例1提供的基于自动延伸或裁剪算法得到的另一种中面体模型以及对应的三维模型；

图9为本发明实施例1提供的包括孔洞和凸台的三维模型和中面体模型；

图10为本发明实施例1提供的包括孔洞、凸台的Nurbs曲面的三维模型和中面体模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于薄壁类、钣金类Brep三维模型的CAE工程分析，需要一个准确、简洁的中面模型。对此，本发明的目的是提供一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统，能够解决现有中面提取方法仅适合于等厚度模型、变厚度模型要区域划分、分区域提取的中面时常会错位和拼接困难、进而无法自动提取等问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供一种Brep三维模型的中面自动提取方法，包括：

S1：利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对。

其中，步骤S1具体包括：

S11：构建所述Brep三维模型的面邻接关系矩阵M_J×J；所述面邻接关系矩阵M_J×J中的第i行第j列的元素M_i×j为第i个面和第j个面之间的邻接关系；当所述第i个面和所述第j个面存在共享边时，则所述第i个面和所述第j个面相邻，M_i×j的值为1；J为所述Brep三维模型的面个数。

S12：构建所述Brep三维模型的面距离关系矩阵D_J×J；所述面距离关系矩阵D_J×J中的第i行第j列的元素D_i×j为第i个面和第j个面之间的距离关系；当所述第i个面的包围盒和所述第j个面的包围盒的最小距离小于等于预设倍数的最大厚度阈值时，则所述第i个面和所述第j个面相关，记D_i×j的值为1。

本实施例中，最大厚度阈值可以选取10mm，也可以根据需求任意确定，这里不做具体限定。预设倍数值的选取可以选取15倍，也可以根据需求任意确定，这里也不做具体限定。

S13：构建所述Brep三维模型的面等距相容性矩阵C_J×J；所述面等距相容性矩阵C_J×J中的第i行第j列的元素C_i×j为第i个面和第j个面之间的等距相容关系；当所述第i个面和所述第第j个面等距相容时，C_i×j的值为1。

所述第i个面和所述第j个面等距相容的判定规则为：

根据所述第i个面和所述第j个面的几何类型和几何参数确定是否等距相容。

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型不同时，则判断所述第i个面和所述第j个面等距不相容。

一般情况下只要面的几何类型(平面、圆柱面、球面、圆锥面、圆环面、样条面等)不一致，就直接判定为等距不相容，但为了支持不等厚度的拔模面情况，不直接判定圆柱面与圆锥面为等距不相容。

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型相同时，则根据所述第i个面和所述第j个面的几何参数确定是否等距相容。

对于相同几何类型的面，还需要根据它们的几何参数判定它们是否等距相容，如平面的法向、圆柱面的轴线等。

S14：对所述Brep三维模型的每一所述面，确定与所述面不相邻、相关且等距相容的所有所述面并构建候选面集。

给定任一面F_i，在Brep三维模型中探索其它不相邻M_i×j＝0、但相关D_i×j＝1、且等距相容C_i×j＝1的面F_j，将所有这样的面F_j加入至候选面集中。

S15：利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对。

其中步骤S15具体包括：

S151：对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点。

步骤S151具体包括：

在所述面的参数域内按照预设采样密度进行均匀采样，得到面内采样点。这里的预设采样密度根据需求设定，例如可以是5×5。

对所述面的外边界边采样边的起点和终点，对所述面的内边界边采样边的中点，得到边界边采样点。内边界边(如：面的孔洞边)。

这里的边界采样点的确定方式仅是为了说明本实施的方案，还可以选用边界边上其他位置的点作为边界采样点。

S152：对每一所述面中的每一所述采样点，并基于每一所述采样点向逆着所述面的法向方向发出射线。

S153：若所述射线与所述候选面有交点，则记当前所述候选面为目标候选面，并记当前所述采样点为有效采样点。

如果所述射线与所述候选面没有交点，则当前采样点为无效采样点，忽略当前采样点。

S154：计算当前所述面中的所述有效采样点与当前所述目标候选面中的所述交点之间的距离。有效采样点与对应的交点之间的距离，即两个面的偏置距离，也可称两个面的间距。

S155：当所有所述距离值均相同时，则判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述距离的相对误差值是否小于第一预设误差值。

有效采样点的占比为有效采样点数占总采样点数的比值。预设占比阈值可以选取70％，也可以根据需求任意选取数值。

这里的所述距离可以是距离的最大值、最小值或平均值。第一预设误差值可以选取10％，也可以根据需求任意选取数值。

S156：若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述距离的第一相对误差值小于预设误差值时，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成面对。

记作其中/>表示面F_i与面F_j满足等距约束条件，d为各采样点与交点的平均厚度值(平均距离值)。

S157：当所有所述距离值不均同时，则计算当前所述面与所述目标候选面的二面角，并判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值是否小于第二预设误差值。

S158：若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值小于第二预设误差值，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成拔模面对。

S159：当所有所述面中的所有所述采样点均遍历完成，则得到所述Brep三维模型的所有面对，可以无遗漏地获取Brep三维模型体的所有面对。

本实施例中，利用散列点阵射线法搜索和匹配“面对”，可确保“面对”探索的高效和无遗漏，即使复杂模型也可以轻松应对，如图3和4所示。其中，图3(a)和图4(a)均为Brep三维模型，图3(b)和图4(b)均为各自对应的中面体模型。

S2：根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组。所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通。

其中，所述任意两个所述面对厚度相同且相切连通的判定规则为：

对任意的两个厚度相同的所述面对，分别对两个所述面对中选取一个所述面，记为第一面和第二面。厚度相同即为两个面的间距相同。

若所述第一面和所述第二面相邻，且所述第一面和所述第二面的所有公共边的二面角为180度，则所述第一面和所述第二面相切连通。

例如：给定两个厚度相同的“面对”P_k1、P_k2，存在面F_i∈P_k1和面F_j∈P_k2，若面F_i与面F_j相邻(即M_i×j＝1)和它们所有公共边都是光滑的(即二面角为180度)，则称P_k1与P_k2相切连通。面对相切组G_l定义为，任意两个“面对”P_k1、P_k2∈G_l，满足P_k1与P_k2直接相切连通或它们之间存在一条相切连通的路径。若P_k1与P_k2相切连通，P_k2与P_k3相切连通，...，P_kn-1与_Pkn相切连通，则认为P_k1与P_kn存在一条相切连通路径。

S3：对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体。面组做等距(Offset)操作，即是一种插值几何重构法。

其中，步骤S3具体包括：

S31：根据点-边-面的拓扑关系和所述面对相切组包含的面片数确定所述面对相切组的提取优先级，得到面对相切组的优先队列。

比如，首先以所包含的面片数多少排序，多的排在前面、少的在后；对于相同面片数的相切组，再根据所包含的“相切边”(即边的左右2张相邻的非“面对”面在此边处相切连接)的数目排序，多在前少在后；再根据所包含的“相切点”(即点的相邻的非“面对”面在此点处相切连接)的数目排序，多在前少在后。

S32：按照所述提取优先级从所述面对相切组的优先队列中依次提取所述面对相切组，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体。

具体的，步骤S32中，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体包括：

S321：对每一所述提取面对相切组，根据面的连通性分为第一面组和第二面组。

S322：分别获取所述第一面组和所述第二面组的相邻的非“面对”面，并将所述相邻的非“面对”面分别添加到对应的所述第一面组和所述第二面组中，得到第三面组和第四面组；所述相邻的非“面对”面为所述Brep三维模型中不构成面对关系的面，即非“面对”面。

S323：对所述第三面组和所述第四面组分别做等距操作，得到第一等距面体和第二等距面体，并分别记录所述第一等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第一映射关系和所述第二等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第二映射关系；

S324：根据所述第一映射关系，在所述第一等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面，得到第一预处理等距面体；根据所述第二映射关系，在所述第二等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面，得到第二预处理等距面体；

S325：比较所述第一预处理等距面体和所述第二预处理等距面体的基本性质，确定基本性质最优的为所述提取面对相切组的所述中面体；所述等距面体的基本性质包括几何形态、退化情况、遗漏未被等距的面数和总表面积等。

本实施例中，通过构建“面对”相切组的提取优先队列，以“面对”相切组为单位整体做等距产生的中面体具有最大连通性和少扭曲、少错位情形出现，可以很好处理带细小圆角特征的三维模型，并保证中面体的密封性，如图5所示。图5(a)为Brep三维模型，图5(b)对应的为中面体模型。

S4：对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图。

具体的，由原始面的“连接关系”和中面体与它们的映射关系，进而得到“中面体”的连接关系。然后，以“中面体”为顶点，以“连接关系”为边，构建得到中面体的邻接约束图。

S5：对具有相邻关系的所述中面体进行缝合操作之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪。

对于有相邻关系的中面体，尝试做缝合(Stitch)操作，尽量将它们拼接在一起。由于缝合操作可能导致产生非流形体，故还需缝合后中面体执行非流形体分裂、删除冗余边、纠正面方向等后处理几何操作。对此，提出一种中面体自动延伸或裁剪算法，以实现中面的自动无缝地拼接。

步骤S5具体包括：

S51：对每一所述待缝合中面体，对每一所述中面的每一条外边界边的进行均匀采样，得到外边采样点。

在每一条外边界边的起点、中点和终点处进行采样，如果边较长或曲率太大，需均匀多采样一些其它点。

S52：对每一所述外边采样点，沿所述外边采样点向所述外边界边的外方向(即面在该点法向边在该点切向，/>为叉乘)发射光线；所述外方向与所述外边界边在所述外边采样点的切向和所述中面在所述外边采样点的法向均垂直。

如图6所示，对Brep表示的模型来说，这3个方向(面在某点的法向、边在该点的外方向和边在该点的切向)相互垂直，构成一个坐标架，且满足“右手”法则。

S53：根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述外方向发射光线有交点的所述中面，记为外碰撞面，并估算所述外边界边与所述外碰撞面的外延伸距离。如果没有交点，则无需延伸。

S54：将所述外边界边延伸第一预设倍数的所述外延伸距离，并利用所述外碰撞面裁剪延伸后的外边界边，得到外边界边裁剪后的中面体。

将所有需要延伸的外边界边一起向外做延伸足够长的距离(如为估算距离的1.1倍)，以保证其能被外碰撞面所裁剪；最后用外碰撞面裁剪延伸后的中面体，达到精确延伸裁剪目的。

对于内边界边的延伸和裁剪与前述的外边界边的延伸和裁剪相同，是指射线发射方向相反，具体如下：

S55：对每一所述外边界面裁剪后的中面体，对每一所述中面的每一内边界边进行均匀采样，得内边采样点。

S56：对每一所述内边采样点，沿所述内边采样点向所述内边界边的内方向发射光线；所述内方向与所述外方向相反。

S57：根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述内方向发射光线有交点的所述中面，记为内碰撞面，并估算所述内边界边与所述内碰撞面的内延伸距离。

S58：将所述内边界边延伸第二预设倍数的所述内延伸距离，并利用所述内碰撞面裁剪延伸后的内边界边，得到内边界边裁剪后的中面体，实现所述待缝合中面体的各所述中面的延伸或裁剪。

本实施例中，提出一种中面体自动延伸或裁剪算法，可以实现中面的自动地精确延伸或裁剪，再用布尔或融合操作拼接中面体得到最终的完备、最大连通的中面体模型，如图7和8所示。其中，图7(a)和图8(a)均为Brep三维模型，图7(b)和图8(b)均为各自对应的中面体模型。图7(c)为Brep三维模型+对应的中面体同时显示的示意图，以更好地表征二者的相互位置关系。

S6：将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。

在完成自动延伸或裁剪之后，再用布尔或融合操作将所有的中面体进行缝合拼接，得到最终的中面体模型。

本发明的Brep三维模型的中面提取方法，是一种全自动的提取方法，只需要设置一些选项参数(如：最小/最大厚度、误差精度)后，就可以在给定的Brep三维模型中自动提取、延伸/裁剪和拼接中面体模型，无需像其它软件需要指定面对和人工延伸/裁剪中面等交互操作。

本发明应用的是一种优化的基于面对插值的中面几何重构法，对模型的特征和曲面类型没有限制，支持不等厚度、支持包含孔洞/凸台等特征、支持Nurbs曲面等特殊模型的中面提取，如下图9和10所示。其中，图9(a)和图10(a)均为Brep三维模型，图9(b)和图10(b)均为各自对应的中面体模型。图9(c)为Brep三维模型+对应的中面体同时显示的示意图，以更好地表征二者的相互位置关系。

本实施例中，提出了一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统，这是一种优化的基于面对插值的中面几何重构法，它对模型的特征和曲面类型没有限制。该方法利用散列点阵射线法搜索和匹配“面对”，可确保“面对”探索的高效和无遗漏；根据面对的厚度、面的连通性和连接相切性构建“面对”相切组，并根据点/边/面的拓扑关系及相切组包含的面片数确定“面对”相切组的提取优先级，以确保提取的中面体具有最大连通性和少扭曲；提取中面体的同时建立中面与原始面的映射关系，进而构建中面体的邻接约束图；提出一种中面体自动延伸或裁剪算法，以实现中面的自动无缝地拼接，它利用光线追踪确定延伸或裁剪的方向与距离估算，再根据中面体的邻接约束图，利用曲面体裁剪操作实现中面体的精确延伸或裁剪，最后用布尔或融合操作将中面体拼接，得到最终的中面体模型。能够解决现有中面提取方法仅适合于等厚度模型、变厚度模型要区域划分、分区域提取的中面时常会错位和拼接困难、进而无法自动提取等问题。

实施例2

本实施例提供一种Brep三维模型的中面自动提取系统，包括：

面对获取模块M1，用于利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对；

面对相切组构建模块M2，用于根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组；所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通；

中面体重构模块M3，用于对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

邻接约束图构建模块M4，用于对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；

修剪模块M5，用于对具有相邻关系的所述中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪；

中面体模型构建模块M6，用于将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种Brep三维模型的中面自动提取方法，其特征在于，包括：

利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对；

根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组；所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通；

对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；

对具有相邻关系的所述中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪；

将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型；

其中，利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对，具体包括：

构建所述Brep三维模型的面邻接关系矩阵M_J×J；所述面邻接关系矩阵M_J×J中的第i行第j列的元素M_i×j为第i个面和第j个面之间的邻接关系；当所述第i个面和所述第j个面存在共享边，则所述第i个面和所述第j个面相邻，M_i×j的值为1；J为所述Brep三维模型的面个数；

构建所述Brep三维模型的面距离关系矩阵D_J×J；所述面距离关系矩阵D_J×J中的第i行第j列的元素D_i×j为第i个面和第j个面之间的距离关系；当所述第i个面的包围盒和所述第j个面的包围盒的最小距离小于等于预设倍数的最大厚度阈值时，则所述第i个面和所述第j个面相关，记D_i×j的值为1；

构建所述Brep三维模型的面等距相容性矩阵C_J×J；所述面等距相容性矩阵C_J×J中的第i行第j列的元素C_i×j为第i个面和第j个面之间的等距相容关系；当所述第i个面和所述第j个面等距相容，C_i×j的值为1；

对所述Brep三维模型的每一所述面，确定与所述面不相邻、相关且等距相容的所有所述面并构建候选面集；

利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对；

其中，利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对，具体包括：

对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点；

对每一所述面中的每一所述采样点，并基于每一所述采样点向逆着所述面的法向方向发出射线；

若所述射线与所述候选面有交点，则记当前所述候选面为目标候选面，并记当前所述采样点为有效采样点；

计算当前所述面中的所述有效采样点与当前所述目标候选面中的所述交点之间的距离；

当所有所述距离值均相同时，则判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述距离的相对误差值是否小于第一预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述距离的第一相对误差值小于预设误差值时，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成面对；

当所有所述距离值不均同时，则计算当前所述面与所述目标候选面的二面角，并判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值是否小于第二预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值小于第二预设误差值，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成拔模面对；

当所有所述面中的所有所述采样点均遍历完成，则得到所述Brep三维模型的所有面对；

其中，对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

根据点-边-面的拓扑关系和所述面对相切组包含的面片数确定所述面对相切组的提取优先级，得到面对相切组的优先队列；

按照所述提取优先级从所述面对相切组的优先队列中依次提取所述面对相切组，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

其中，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

对每一所述提取面对相切组，根据面的连通性分为第一面组和第二面组；

分别获取所述第一面组和所述第二面组的相邻的非“面对”面，并将所述相邻的非“面对”面分别添加到对应的所述第一面组和所述第二面组中，得到第三面组和第四面组；所述相邻的非“面对”面为所述Brep三维模型中不构成面对关系的面；

对所述第三面组和所述第四面组分别做等距操作，得到第一等距面体和第二等距面体，并分别记录所述第一等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第一映射关系和所述第二等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第二映射关系；

根据所述第一映射关系，在所述第一等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面；得到第一预处理等距面体；根据所述第二映射关系，在所述第二等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面，得到第二预处理等距面体；

比较所述第一预处理等距面体和所述第二预处理等距面体的基本性质，确定基本性质最优的为所述提取面对相切组的所述中面体；所述等距面体的基本性质包括几何形态、退化情况、遗漏未被等距的面数和总表面积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点，具体包括：

在所述面的参数域内按照预设采样密度进行均匀采样，得到面内采样点；

对所述面的外边界边采样边的起点和终点，对所述面的内边界边采样边的中点，得到边界边采样点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第i个面和所述第j个面等距相容的判定规则为：

根据所述第i个面和所述第j个面的几何类型和几何参数确定是否等距相容；

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型不同时，则判断所述第i个面和所述第j个面等距不相容；

当所述第i个面和所述第j个面的几何类型相同时，则根据所述第i个面和所述第j个面的几何参数确定是否等距相容。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述任意两个所述面对厚度相同且相切连通的判定规则为：

对任意的两个所述面对，分别对两个所述面对中选取一个所述面，记为第一面和第二面；

若所述第一面和所述第二面相邻，且所述第一面和所述第二面的所有公共边的二面角为180度，则所述第一面和所述第二面相切连通。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪，具体包括：

对每一所述待缝合中面体，对每一所述中面的每一条外边界边的进行均匀采样，得到外边采样点；

对每一所述外边采样点，沿所述外边采样点向所述外边界边的外方向发射光线；所述外方向与所述外边界边在所述外边采样点的切向和所述中面在所述外边采样点的法向均垂直；

根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述外方向发射光线有交点的所述中面，记为外碰撞面，并估算所述外边界边与所述外碰撞面的外延伸距离；

将所述外边界边延伸第一预设倍数的所述外延伸距离，并利用所述外碰撞面裁剪延伸后的外边界边，得到外边界边裁剪后的中面体；

对每一所述外边界面裁剪后的中面体，对每一所述中面的每一内边界边进行均匀采样，得内边采样点；

对每一所述内边采样点，沿所述内边采样点向所述内边界边的内方向发射光线；所述内方向与所述外方向相反；

根据所述中面体的邻接约束图，确定与所述内方向发射光线有交点的所述中面，记为内碰撞面，并估算所述内边界边与所述内碰撞面的内延伸距离；

将所述内边界边延伸第二预设倍数的所述内延伸距离，并利用所述内碰撞面裁剪延伸后的内边界边，得到内边界边裁剪后的中面体，实现所述待缝合中面体的各所述中面的延伸或裁剪。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的方法的系统，其特征在于，包括：

面对获取模块，用于利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对；

其中，利用散列点阵射线法搜索和匹配Brep三维模型中的所有面对，具体包括：

构建所述Brep三维模型的面邻接关系矩阵M_J×J；所述面邻接关系矩阵M_J×J中的第i行第j列的元素M_i×j为第i个面和第j个面之间的邻接关系；当所述第i个面和所述第j个面存在共享边，则所述第i个面和所述第j个面相邻，M_i×j的值为1；J为所述Brep三维模型的面个数；

构建所述Brep三维模型的面距离关系矩阵D_J×J；所述面距离关系矩阵D_J×J中的第i行第j列的元素D_i×j为第i个面和第j个面之间的距离关系；当所述第i个面的包围盒和所述第j个面的包围盒的最小距离小于等于预设倍数的最大厚度阈值时，则所述第i个面和所述第j个面相关，记D_i×j的值为1；

构建所述Brep三维模型的面等距相容性矩阵C_J×J；所述面等距相容性矩阵C_J×J中的第i行第j列的元素C_i×j为第i个面和第j个面之间的等距相容关系；当所述第i个面和所述第第j个面等距相容，C_i×j的值为1；

对所述Brep三维模型的每一所述面，确定与所述面不相邻、相关且等距相容的所有所述面并构建候选面集；

利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对；

其中，利用所述散列点阵射线法确定所述候选面集中与对应的所述面构成面对关系的候选面，得到所述Brep三维模型的所有所述面对，具体包括：

对所述Brep三维模型的每一所述面进行采样点采样；所述采样点包括面内采样点和边界边采样点；

对每一所述面中的每一所述采样点，并基于每一所述采样点向逆着所述面的法向方向发出射线；

若所述射线与所述候选面有交点，则记当前所述候选面为目标候选面，并记当前所述采样点为有效采样点；

计算当前所述面中的所述有效采样点与当前所述目标候选面中的所述交点之间的距离；

当所有所述距离值均相同时，则判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述距离的相对误差值是否小于第一预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述距离的第一相对误差值小于预设误差值时，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成面对；

当所有所述距离值不均同时，则计算当前所述面与所述目标候选面的二面角，并判断所述有效采样点占比是否大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值是否小于第二预设误差值；

若所述有效采样点占比大于预设占比阈值且所述二面角的相对误差值小于第二预设误差值，则判定当前所述面与当前所述目标候选面构成拔模面对；

当所有所述面中的所有所述采样点均遍历完成，则得到所述Brep三维模型的所有面对；

面对相切组构建模块，用于根据面对的厚度、面对的连通性和面对的连接相切性构建面对相切组；所述面对相切组包括多个所述面对且任意两个所述面对厚度相同且相切连通；

中面体重构模块，用于对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

其中，对每一所述面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

根据点-边-面的拓扑关系和所述面对相切组包含的面片数确定所述面对相切组的提取优先级，得到面对相切组的优先队列；

按照所述提取优先级从所述面对相切组的优先队列中依次提取所述面对相切组，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体；

其中，对每一提取面对相切组，采用插值法几何重构中面体，具体包括：

对每一所述提取面对相切组，根据面的连通性分为第一面组和第二面组；

分别获取所述第一面组和所述第二面组的相邻的非“面对”面，并将所述相邻的非“面对”面分别添加到对应的所述第一面组和所述第二面组中，得到第三面组和第四面组；所述相邻的非“面对”面为所述Brep三维模型中不构成面对关系的面；

对所述第三面组和所述第四面组分别做等距操作，得到第一等距面体和第二等距面体，并分别记录所述第一等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第一映射关系和所述第二等距面体中的等距面与所述Brep三维模型的原始面的第二映射关系；

根据所述第一映射关系，在所述第一等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面；得到第一预处理等距面体；根据所述第二映射关系，在所述第二等距面体中删除由所述相邻的非“面对”面演化得到的面，得到第二预处理等距面体；

比较所述第一预处理等距面体和所述第二预处理等距面体的基本性质，确定基本性质最优的为所述提取面对相切组的所述中面体；所述等距面体的基本性质包括几何形态、退化情况、遗漏未被等距的面数和总表面积；

邻接约束图构建模块，用于对每一所述中面体，利用所述中面体的中面与所述Brep三维模型的原始面的映射关系，并根据所述原始面的拓扑连接关系构建中面体的邻接约束图；

修剪模块，用于对具有相邻关系的所述中面体进行缝合之前，对每一待缝合中面体，利用自动延伸或裁剪算法结合所述中面体的邻接约束图对所述待缝合中面体的各所述中面进行延伸或裁剪；

中面体模型构建模块，用于将所有自动延伸或裁剪后的中面体进行缝合拼接，得到中面体模型。