CN117392345A - 一种用于航天工程的cae结果等值面生成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法及装置，方法为：步骤一，获取CAE原始体数据；步骤二，建立数字高程模型；步骤三，采用追踪算法进行等值线的追踪；步骤四，绘制所述等值线；步骤五，构建曲面线框模型，生成等值面；步骤六，采用MB算法对所述等值面进行归并；步骤七，所述等值面结果绘制及显示。本发明的等值面生成方法使用MB递归算法，生成三角形面数量仅为使用MC算法时的四分之一，有效解决了传统MC算法生成三角形面过多的问题，从而提高了交互绘制速度，且图像质量不变。还可以根据不同用户对于高精度显示和快速交互之间的不同需求，进行合理调整，满足了用户不同时刻的要求。
Description
技术领域
本发明属于计算机制图三维建模技术领域，具体涉及等值面构建方法，特别涉及一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法及装置。
背景技术
CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法，包括前处理、有限元分析和后处理三个过程。CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域，像各种工业建设项目，例如工厂的建设，公路、铁路、桥梁和隧道的建设；像大型工程项目，例如电站、水坝、水库、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。
等值面生成技术是三维空间数据场(体数据)可视化的重要组成部分。等值面可视化利用现有的、由硬件实现的画面绘制功能构作清晰的三维空间数据场中的表面图像，其图形生成及变换速度较快，因而被广泛地应用于科学及工程计算结果数据的显示中。航天工业是研制与生产航天器、航天运载器及其所载设备和地面保障设备的工业，是国防科技工业的重要组成部分，是一种军民结合型行业，也是综合性的高技术产业之一。进行大规模CAE结果等值面的生成，在航天工业中的应用十分重要，对促进航天工业发展具有重要意义。
现有技术中，对三维空间数据等值面的提取算法有三维标量场的Marching Cubes(以下简称MC算法)和Marching Tetrahedra(以下简称MT算法)两种方法。MC算法的主要思想是检测与等值面相交的体素单元并计算交点的坐标，然后对不同的相交情况利用查找表在体素单元内构建相应的网格拓扑关系。MC算法适用于数据场密度较高的体数据，其方法过程是把三维标量数据离散化成为规则的六面体(以下简称Cube)，遍历每个六面体(Cube)，在所述Cube每个边上插值出等值点，然后再连接这些等值点，形成等值多边形即等值面。作为三维重建算法中的经典算法，MC算法虽然能够快速提取等值面，但是在多边形连接时存在模型二义性和三角形生成太多的问题。MT算法与MC算法类似，但更为简单，顶点的取值只有两种不同的情况，即只有一个顶点函数值大于等值面数值(和三个顶点函数值大于等值面数值情况对称)和两个顶点函数值大于等值面数值的情况，相对应于生成等值面上的一个或两个三角形。MT算法能够解决MC算法的二义性问题，却没有解决三角形面生成太多的问题。
现有技术存在以下问题：一、传统绘制等值线的方法实现过于复杂；二、对三维空间数据等值面的提取算法多采用MC算法，三角形面生成过多，交互速度低下。综上所述，克服以上缺陷，设计一种高效的用于航天工程的CAE结果等值面生成方法与装置成为一项值得研究的技术问题。
发明内容
本发明为了有效地解决以上技术问题，方案一，提供了一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，按照以下步骤进行：
步骤一：获取CAE原始体数据，所述原始体数据包含原始数据点的三维坐标和高程值；
步骤二：建立数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)；第一步，将所述原始体数据点的三维坐标的最小值及最大值构成一个包围盒；第二步，根据用户需要将所述包围盒划分为若干个长方体网格；第三步，用插值算法得出每个所述长方体网格点的高程值；
步骤三：采用追踪算法进行等值线的追踪，所述追踪算法包括，第一步，等值点位置确定，第二步，追踪所述等值点，第三步，搜索所述等值线；
步骤四：绘制所述等值线，将所述追踪算法得到的所述等值点连成曲线；
步骤五：构建曲面线框模型，生成等值面；
步骤六：采用Marching Box递归算法(以下简称MB算法)对所述等值面进行归并；
步骤七：所述等值面结果绘制及显示。
优选的，步骤三第一步，所述等值点位置确定为，若满足(A-W)×(B-W)<0，则该边有等值点，A、B为某一所述长方体网格的相邻两个网格点的高程值，W为待绘制高程值。
优选的，步骤三第二步所述等值点追踪为，全部所述等值点位置确定后，将所述等值点以一定顺序相连形成所述等值线。
优选的，步骤四绘制所述等值线，为从绘图区域边界或长方体网格的一个边界上求得所述第一个等值点开始，利用插值法依次按照所述长方体网格追踪所述等值线，以得到各条所述等值线在其所穿过的长方体网格边上所述等值点的坐标点，对所述等值点进行曲线平滑处理后生成所述等值点的新坐标点，连接所述新坐标点绘制所述等值线。
优选的，步骤四，所述曲线平滑处理方法为二次B样条曲线拟合法。
优选的，步骤六，所述MB算法步骤如下：
第一步，将所述原始体数据作为Box进行剖分，分成若干个Cube作为子Box；
第二步，两个所述子Box形成一个父Box，对两个所述子Box分别用MC算法抽取出其中的等值面，设为CF1和CF2，所述父Box等值面设为CF；
第三步，判断所述CF1和CF2能否用所述CF代替，如果CF1+CF2＝CF，则以所述CF代替所述CF1和CF2进行归并；
第四步，将归并后的父Box重新作为子Box，重复进行第二步和第三步，直至不能再归并为止；
第五步，输出达到最大归并程度的父Box中的等值面。
优选的，步骤六第一步，沿所述Box的最长边的垂直方向进行剖分，使得到的子Box接近正方体。
方案二，一种用于航天工程的CAE结果等值面生成装置，使用方案一的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，包括数据获取模块、数字高程模型模块、等值线追踪模块、等值线绘制模块、曲面线框模型模块、MB算法模块、显示交互系统。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，使用MB递归算法，生成三角形面数量仅为使用MC算法时的四分之一，有效解决了传统MC算法生成三角形面过多的问题，从而提高了交互绘制速度，且图像质量不变。
(2)本发明的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，可以根据不同用户对于高精度显示和快速交互之间的不同需求，进行合理调整，满足了用户不同时刻的要求。
(3)本发明还提供了一种等值线生成算法，相较于传统算法更加简单易行。
附图说明
为了更好地表达本发明的技术方案，下面将对本发明的进行附图说明：
图1实施例一一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法流程图；
图2实施例一建立数字高程模型流程图；
图3实施例一追踪算法流程图；
图4实施例一MB算法流程图；
图5实施例二一种用于航天工程的CAE结果等值面生成装置结构图；
附图标号说明：1、数据获取模块，2、数字高程模型模块，3、等值线追踪模块，4、等值线绘制模块，5、曲面线框模型模块，6、MB算法模块，7、显示交互系统。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“正面”、“背面”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一参阅图1-4，一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，按照S1-S7步骤进行：
S1：获取CAE原始体数据，所述原始体数据包含原始数据点的三维坐标和高程值。
S2：建立数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)，具体包括S21-S23：
S21：将所述原始体数据点的三维坐标的最大值及最小值构成一个包围盒；
S22：根据客户的要求，将所述包围盒划分为若干个长方体网格；
S23：用插值算法得出每个所述长方体网格点的高程值。
S3：采用追踪算法进行等值线的追踪，所述追踪算法包括S31-S33：
S31：等值点位置确定，若满足(A-W)×(B-W)<0，则该边有等值点，A、B为某一所述长方体网格的相邻两个网格点的高程值，W为待绘制高程值；
S32：追踪所述等值点，全部所述等值点位置确定后，将所述等值点以一定顺序相连形成所述等值线，所述等值线可分为开曲线和闭曲线两种，所述开曲线为第一个等值点和最后一个等值点分别处于所述绘图区域边界的不同位置的等值线，所述闭曲线为第一个等值点和最后一个等值点重合的等值线；
S33：搜索所述等值线；若该条所述等值线的第一个等值点(等值线与长方体网格边界的交点)确定，则按照S32方法进行所述等值点追踪；对于所述开曲线或闭曲线，所述等值线按照一定规则进行追踪，首先从绘图区域边界或长方体网格的一个边界上求得所述第一个等值点，然后由所述第一个等值点开始进行迭代和判断，寻找到第二个等值点坐标，依次进行判断，直至出现落于所述绘图区域边界的所述等值点，或者出现与所述第一个等值点重合的情形，则该条所述等值线追踪完毕；对所述长方体网格的其他边界进行同样方法的搜索；
S4：绘制所述等值线，将所述追踪算法得到的所述等值点连成曲线；为从绘图区域边界或长方体网格的一个边界上求得所述第一个等值点开始，利用插值法依次按照所述长方体网格追踪所述等值线，以得到各条所述等值线在其所穿过的长方体网格边上所述等值点的坐标点，对所述等值点进行曲线平滑处理后生成所述等值点的新坐标点，连接所述新坐标点绘制所述等值线；
本实施例使用所述曲线平滑处理方法为二次B样条曲线拟合法；所述二次B样条曲线拟合法为现有技术，不再赘述，也可使用现有其他方式进行曲线平滑处理，以保证相邻曲线段之间的连续性。
S5：采用现有技术中任一种可用算法构建曲面线框模型，生成所述等值面。
S6：采用MB算法对所述等值面进行归并，所述MB算法是按一定的规则将所述MC算法产生的三角形面加以归并来减少三角形面的数量，具体包括S61-S65：
S61：将所述原始体数据作为Box进行剖分，沿所述Box的最长边的垂直方向进行剖分，分成若干个Cube作为子Box，使得到的子Box接近正方体，本实施例按照所述Box最长边不大于1时终于剖分的原则，也可以依用户需求设置；
S62：两个所述子Box形成一个父Box，对两个所述子Box分别用MC算法抽取出其中的等值面，设为CF1和CF2，所述父Box等值面设为CF；
S63：判断所述CF1和CF2能否用所述CF代替，如果CF1+CF2＝CF，则以所述CF代替所述CF1和CF2进行归并，判断规则是根据用户需求设定精度参数(如长度)，如两点之间距离小于所设的精度参数，则将这两点归为同一点；
S64：将归并后的父Box重新作为子Box，重复进行第二步和第三步，直至不能再归并为止；
S65：输出达到最大归并程度的父Box中的等值面。
S7：所述等值面结果绘制及显示。
实施例二见图5，一种用于航天工程的CAE结果等值面生成装置，使用实施例一的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，包括数据获取模块1、数字高程模型模块2、等值线追踪模块3、等值线绘制模块4、曲面线框模型模块5、MB算法模块6、显示交互系统7。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一：获取CAE原始体数据，所述原始体数据包含原始数据点的三维坐标和高程值；
步骤二：建立数字高程模型；第一步，将所述原始体数据点的三维坐标的最小值及最大值构成一个包围盒；第二步，将所述包围盒划分为若干个长方体网格；第三步，用插值算法得出每个所述长方体网格点的高程值；
步骤三：采用追踪算法进行等值线的追踪，所述追踪算法包括，第一步，等值点位置确定，第二步，追踪所述等值点，第三步，搜索所述等值线；
步骤四：绘制所述等值线，将所述追踪算法得到的所述等值点连成曲线；
步骤五：构建曲面线框模型，生成等值面；
步骤六：采用MB算法对所述等值面进行归并；
步骤七：所述等值面结果绘制及显示。
2.根据权利要求1所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤三第一步，所述等值点位置确定为，若满足(A-W)×(B-W)<0，则该边有等值点，A、B为某一所述长方体网格的相邻两个网格点的高程值，W为待绘制高程值。
3.根据权利要求2所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤三第二步所述等值点追踪为，全部所述等值点位置确定后，将所述等值点以一定顺序相连形成所述等值线。
4.根据权利要求3所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤四绘制所述等值线，为从绘图区域边界或长方体网格的一个边界上求得所述第一个等值点开始，利用插值法依次按照所述长方体网格追踪所述等值线，以得到各条所述等值线在其所穿过的长方体网格边上所述等值点的坐标点，对所述等值点进行曲线平滑处理后生成所述等值点的新坐标点，连接所述新坐标点生成所述等值线。
5.根据权利要求4所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤四所述曲线平滑处理方法，为二次B样条曲线拟合法。
6.根据权利要求1所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤六所述MB算法，步骤如下：
第一步，将所述原始体数据作为Box进行剖分，分成若干个Cube作为子Box；
第二步，两个所述子Box形成一个父Box，对两个所述子Box分别用MC算法抽取出其中的等值面，设为CF1和CF2，所述父Box等值面设为CF；
第三步，判断所述CF1和CF2能否用所述CF代替，如果CF1+CF2＝CF，则以所述CF代替所述CF1和CF2进行归并；
第四步，将归并后的父Box重新作为子Box，重复进行第二步和第三步，直至不能再归并为止；
第五步，输出达到最大归并程度的父Box中的等值面。
7.根据权利要求6所述的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，其特征在于，步骤六第一步，沿所述Box的最长边的垂直方向进行剖分，使得到的子Box接近正方体。
8.一种用于航天工程的CAE结果等值面生成装置，其特征在于，使用权利要求1-7中任一项的一种用于航天工程的CAE结果等值面生成方法，包括数据获取模块、数字高程模型模块、等值线追踪模块、等值线绘制模块、曲面线框模型模块、MB算法模块、显示交互系统。
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