KR101739224B1 - Method for calculating distance between a given surface and a point in a space filled with unstructured mesh - Google Patents

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KR101739224B1
KR101739224B1 KR1020160042890A KR20160042890A KR101739224B1 KR 101739224 B1 KR101739224 B1 KR 101739224B1 KR 1020160042890 A KR1020160042890 A KR 1020160042890A KR 20160042890 A KR20160042890 A KR 20160042890A KR 101739224 B1 KR101739224 B1 KR 101739224B1
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쿠호 롱
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a method for calculating the shortest distance from one arbitrary point to a specifically defined surface on a two dimensional plane filled with unstructured meshes, comprising the steps of: storing an original level-set value (_0 = ); defining a narrow band with respect to a cut element formed of the two dimensional plane; performing an initialization operation such that = where is the number of narrow band layers, h is a characteristic length of the cut element, is a width of the narrow band, and = 2h; calculating a cross point, X_s, between an interface segment and a corner of the cut element using _0; determining the shortest distance, d_x, from an arbitrary point, X_n, to the interface segment within the narrow band of the cut element; and updating the level-set value of X_n (_n = min{d_x,_n}). The present invention can perform more rapid and definite calculation.

Description

비정렬 격자계로 채워진 공간 내의 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법 {Method for calculating distance between a given surface and a point in a space filled with unstructured mesh}A method for calculating a shortest distance from an arbitrary point in a space filled with an unmodified grating system to a surface defined in a certain way.

본 발명은 비정렬 격자계로 채워진 2차원 또는 3차원 공간 내의 임의의 한 점과 특정하게 정의된 면까지의 최단거리를 계산하는 기법에 관한 것으로서, 애니메이션(animation)을 비롯한 영상처리 분야와 기타 공학 분야에서 폭넓게 적용 가능한 비정렬 격자계로 채워진 2차원 또는 3차원 공간내의 임의의 한 점과 특정하게 정의된 면까지의 최단거리를 계산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a technique for calculating a shortest distance from an arbitrary point in a two-dimensional or three-dimensional space filled with an unmodified grating system to a surface defined in a specific manner, and relates to an image processing field including animation, To a method of calculating the shortest distance from a certain point in a 2-dimensional or 3-dimensional space filled with an unstructured grid system that is widely applicable to a surface defined in a specific way.

최근 컴퓨터 그래픽스 및 컴퓨터 애니메이션 기법이 각종 산업분야에서 널리 사용되고 있다. Recently, computer graphics and computer animation techniques are widely used in various industrial fields.

예를 들어, 컴퓨터 애니메이션에서 인간의 얼굴 표정의 변화를 실감나게 표현하기 위하여 얼굴 모션 캡쳐 기법 등이 사용되고 있다. 이러한 기법을 구현하기 위해서는 특정한 지점(예: 광원)에서 얼굴을 구성하는 표면요소들 상호 간의 거리를 구하는 계산 과정이 필수적이다.For example, in computer animation, a face motion capturing technique is used to realistically express a change in human facial expression. To implement such a technique, it is necessary to calculate the distance between the surface elements constituting the face at a specific point (for example, a light source).

또한, 전산 유체 역학(CFD, Computational fluid dynamics)에 의한 유체 현상 구현의 경우, 시뮬레이션 모델이 실제에 보다 가깝도록 재현되기 위해서는 2차원 또는 3차원 공간내의 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리를 보다 신속하고 정밀하게 계산할 필요가 있다. In addition, in the case of a fluid phenomenon implementation by CFD (Computational Fluid Dynamics), it is necessary for the simulation model to be reproduced to be closer to the actual one, It is necessary to calculate the shortest distance more quickly and accurately.

그러나, 종래에는 2차원 또는 3차원 공간에서 임의의 한 점과 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리를 계산하는 과정이 편미분 방정식의 해석을 통하여 계산속도가 느리고, 구현하기가 어려운 문제점이 있었다. However, conventionally, there has been a problem that the process of calculating the shortest distance from an arbitrary point to a specific defined plane in a two-dimensional or three-dimensional space is slow in calculation speed and difficult to be implemented through the analysis of partial differential equations.

미국특허 US 7,633,429U.S. Pat. No. 7,633,429

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보다 빠르고 정확한 계산을 위하여, 비정렬 격자계로 채워진 2차원 또는 3차원 공간에서의 임의의 한 점과 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리를 계산하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a method of calculating a shortest distance from an arbitrary point in a two- or three- And to provide a method of calculation.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 선까지의 최단 거리 계산 방법에 있어서, 오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장하는(φ0=φ) 단계, 2차원 평면으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의하는 단계, ω가 상기 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 상기 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 상기 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화하는(initialize) 단계, φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 상기 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산하는 단계, 상기 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정하는 단계 및 상기 Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)하는 단계(φn=min{dxn})를 포함한다. In order to achieve the above object, there is provided a method of calculating a shortest distance from an arbitrary point to a line defined in a two-dimensional plane filled with an unoriented grating system according to the present invention, Defining a narrow band for a cut element that is in a two-dimensional plane, storing a value of a narrow band (? 0 =?), Defining a narrow band for a cut element in a two- initializing to φ = δ, where h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band and δ = 2ωh, φ is the number of layers, φ is the number of layers, 0 , calculating an intersection X s between an interface segment and an edge of the cut element, calculating a shortest distance d x from the arbitrary point X n in the narrow band of the cut element to the interface segment To And updating the level set value of X nn = min {d x , φ n }).

상기 컷 엘리먼트는 삼각형이며, 상기 교차점 Xs를 계산하는 단계에서, x1, x2를 삼각형 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때,

Figure 112016033762103-pat00001
(수학식 1)로 교차점 Xs를 계산할 수 있다. The cut elements are triangular, in calculating the intersection point X s, and any two vertices of the x 1, x 2 from the triangle, the level set value at the φ 1 x 1, at a φ 2 x 2 Assuming a level set value,
Figure 112016033762103-pat00001
The intersection X s can be calculated by the following equation (1).

상기 최단 거리 dx를 결정하는 단계에서, Xf를 Xn에서 인터페이스(interface)에 내린 수선의 발(foot of perpendicular)이고, Xsm을 컷 세그먼트의 중점이라고 할 때,

Figure 112016033762103-pat00002
벡터의 스칼라 프로젝션(scalar projection)의 절대 값
Figure 112016033762103-pat00003
을,
Figure 112016033762103-pat00004
(수학식 2)로 계산할 수 있다.In determining the shortest distance d x , if X f is the foot of the perpendicular to the interface at X n and X sm is the center of the cut segment,
Figure 112016033762103-pat00002
The absolute value of a scalar projection of a vector
Figure 112016033762103-pat00003
of,
Figure 112016033762103-pat00004
(2). ≪ / RTI >

Figure 112016033762103-pat00005
이면,
Figure 112016033762103-pat00006
(수학식 3)으로 최단 거리 dx를 결정할 수 있다.
Figure 112016033762103-pat00005
If so,
Figure 112016033762103-pat00006
The shortest distance d x can be determined by the following equation (3).

Figure 112016033762103-pat00007
이 아니면, Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트의 각 교차점까지의 거리 Xsi를 계산하고, 계산된 값 중에서 상기 최단 거리 dx로 계산하는,
Figure 112016033762103-pat00008
(수학식 4)로 나타낼 수 있다.
Figure 112016033762103-pat00007
, Calculating a distance X si from X n to each intersection point of the interface segment and calculating the shortest distance d x among the calculated values,
Figure 112016033762103-pat00008
(Equation 4).

sgn을,

Figure 112016033762103-pat00009
(수학식 5)로 정의되는 사인(sign) 함수(function)라 할 때, 모든 임의의 점 Xn에서의 레벨 셋의 사인(sign)을 φ= φ.sgn(φ0)로 나타낼 수 있다. sgn,
Figure 112016033762103-pat00009
The sign of the level set at any arbitrary point X n can be denoted by phi = phi.sgn (phi 0 ), where phi is the sign function defined by the expression (5).

본 발명의 비정렬 격자계로 채워진 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법에 있어서, 오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장하는(φ0=φ) 단계, 3차원 공간으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의하는 단계, ω가 상기 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 상기 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 상기 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화하는(initialize) 단계, φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 상기 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산하는 단계, 상기 인터페이스 세그먼트 평면의 기하 중심 Xsc와 모든 교차점을 포함하는 원의 반경 rsc를 계산하는 단계, 상기 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정하는 단계 및 상기 Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)하는 단계(φn=min{dxn})를 포함한다.In the shortest distance calculation method from the arbitrary one point to the defined surface in the three-dimensional space filled with the unaligned grating system of the present invention, an original level-set value is stored for (φ 0 = φ) step, defining a narrow band (narrow band) for the cutting element (cut element) that is a three-dimensional space, and ω is the number of layers (layer) of the narrow band, initialize to φ = δ, where h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band and δ = 2ωh, φ 0 is used to initialize the interface segment calculating an intersection X s of the interface segment with an edge of the cut element X s , calculating a radius r sc of the circle including the geometric center X sc of all of the interface segment planes and all intersection points, Inside the band Comprises the step (φ n = min {d x , φ n}) of step and updating (update) the level set values of the X n to determine the minimum distance d x to said interface segment from any point X n of do.

상기 컷 엘리먼트는 4면체(tetrahedron)이고, 상기 교차점 Xs를 계산하는 단계에서, x1, x2를 4면체 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때,

Figure 112016033762103-pat00010
(수학식 1)로 교차점 Xs를 계산할 수 있다. Wherein the cut element is a tetrahedron, and wherein in calculating the intersection X s , x 1 , x 2 are any two vertexes of the tetrahedron, φ 1 is a level set value at x 1 , φ 2 Is a level set value at x 2 ,
Figure 112016033762103-pat00010
The intersection X s can be calculated by the following equation (1).

상기 기하 중심 Xsc와 원의 반경 rsc를 계산하는 단계에서, 상기 원의 반경 rsc는 기하 중심 Xsc로부터 상기 인터페이스 세그먼트의 각 꼭지점 Xsi까지의 거리 중에서 최대 거리인

Figure 112016033762103-pat00011
로 나타낼 수 있다. In the step of calculating the geometric center X sc and the radius r sc of the circle, the radius r sc of the circle is the maximum distance from the geometric center X sc to each vertex X si of the interface segment
Figure 112016033762103-pat00011
.

상기 최단 거리 dx를 결정하는 단계에서, n이 상기 인터페이스 세그먼트의 단위 법선 벡터(unit normal vector)라고 할 때, Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트를 포함하는 평면까지의 직교 거리 dxf를,

Figure 112016033762103-pat00012
으로 계산하며, Xf를 Xn에서 인터페이스(interface)에 내린 수선의 발(foot of perpendicular)이라고 할 때, 수선의 발 Xf에서 기하 중심 Xsc까지의 거리 dfsc를 피타고라스 정리(Pythagorean Theorem)를 이용하여 구하면,
Figure 112016033762103-pat00013
(수학식 6)이다. In determining the minimum distance d x, the n orthogonal distance d xf of the plane including up to the interface from the segment, X n when said unit normal vector (unit vector normal) of said interface segment, and
Figure 112016033762103-pat00012
The calculation and, X f a to the waterline down to the interface (interface) in the X n when called (foot of perpendicular), Pythagoras distances d fsc in the repair to X f to the geometric center X sc cleanup (Pythagorean Theorem) , ≪ / RTI >
Figure 112016033762103-pat00013
(Equation 6).

상기 최단 거리 dx를 결정하는 단계에서, dfsc≥rsc이면, edgei를 인터페이스 세그먼트의 모서리라고 할 때, dx=min{(Xn, edgei)}이다. In determining the minimum distance d x, d is the fsc ≥r If sc, when the said edge of the edge i interface segment, d x = min {(Xn , edge i)}.

본 발명의 일 실시예에서 dfsc≥rsc이 아니면,

Figure 112016033762103-pat00014
(수학식 7)을 이용하여 수선의 발 Xf를 구하는 단계, 상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 내부에 있는지 여부를 확인하는 단계, 상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 외부에 있으면, dx=min{(Xn, edgei)}로 구하는 단계 및 상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 내부에 있으면, dx=dxf로 구하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention it is not a d fsc ≥r sc,
Figure 112016033762103-pat00014
If obtaining a to X f of the repair using the (expression 7), the method comprising the foot of the perpendicular determine whether the inside of the cutting element, the foot of the perpendicular to the outside of the cutting element, d x = min (X n , edge i ), and if the foot of the waterline is inside the cut element, calculating d x = d xf .

상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 내부에 있는지 여부를 확인하는 단계에서, 상기 4면체의 면을 이루는 각각의 삼각형에 대하여,

Figure 112016033762103-pat00015
(수학식 8)을 이용하여 프로젝티드 사인드 영역(projected signed area)을 계산하고, nmax=│nx│이면, A2D=Ayz이고, nmax=│ny│이면, A2D=Azx이고, nmax=│nz│이면, A2D=Axy이고, 이러한 프로젝티드 사인드 영역을 일차원 어레이(array)인 “Area2D”로 저장하고, 상기 “Area2D” 어레이의 모든 성분의 사인(sign)을 비교하고, 모든 성분이 같은 사인이면 상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 내부에 있는 것으로 간주하고, 그렇지 않으면 상기 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 외부에 있는 것으로 간주할 수 있다.In the step of confirming whether or not the foot of the waterline is inside the cut element, with respect to each triangle constituting the face of the tetrahedron,
Figure 112016033762103-pat00015
When using the (Expression 8) and calculates the projectile suited sine de area (projected area signed), n max = │n │ x, and A 2D = A yz, if n max = │n y │, A 2D = A zx , and n max = | n z |, then A 2D = A xy and stores the projected syndrome area as a one-dimensional array " Area2D ", and signs of all components of the " Area2D & the sign of the waterline is considered to be inside the cut element if all the components are the same sine and otherwise the foot of the waterline is considered to be outside the cut element.

sgn을,

Figure 112016033762103-pat00016
(수학식 5)로 정의되는 사인(sign) 함수(function)라 할 때, 모든 임의의 점 Xn에서의 레벨 셋의 사인(sign)을 φ= φ.sgn(φ0)로 나타낼 수 있다. sgn,
Figure 112016033762103-pat00016
The sign of the level set at any arbitrary point X n can be denoted by phi = phi.sgn (phi 0 ), where phi is the sign function defined by the expression (5).

본 발명에 의하면 비정렬 격자계로 채워진 2차원 또는 3차원 공간에서의 임의의 한 점과 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리를 계산하는 방법을 제공함으로써, 기본방법들에 비해 더 빠르고 정확한 계산이 가능하다는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to calculate faster and more accurately than basic methods by providing a method of calculating the shortest distance from a certain point in a two-dimensional or three-dimensional space filled with an unoriented grating system to a specifically defined surface There is an effect to make.

또한, 본 발명에 의하면 애니메이션을 비롯한 영상처리 기법에 있어서 매우 유용하게 적용될 것으로 기대되며, 기계, 화학, 토목공학 등의 많은 산업현장에서 발견되는 전산유체역학 문제의 해석에서도 유용한 도구가 될 것으로 기대된다.In addition, according to the present invention, it is expected to be very useful in image processing techniques including animation, and it is expected to be a useful tool in the analysis of computational fluid dynamics problems found in many industrial fields such as mechanical, chemical, and civil engineering .

도 1은 비정렬 격자계의 경계면을 포함하는 임의의 요소를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 평면에서의 임의의 한 점에서 경계선까지의 최단 거리를 계산하기 위한 도식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 공간에서의 임의의 한 점에서 경계면까지의 최단 거리를 계산하기 위한 도식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정렬 격자계로 채워진 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 선까지의 최단 거리 계산 방법을 보여주는 흐름도이다.
1 is a diagram showing an arbitrary element including an interface of an unmodulated grating system.
FIG. 2 is a schematic diagram for calculating a shortest distance from an arbitrary point to a boundary line in a two-dimensional plane according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a schematic diagram for calculating the shortest distance from an arbitrary point to an interface in a three-dimensional space according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of calculating a shortest distance from a certain point to a plane defined in a two-dimensional plane filled with an unoriented grating system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of calculating a shortest distance from a certain point to a line defined in a three-dimensional space filled with an unaligned grid system according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

본 발명에서 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면 또는 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법을 수행하는 주체는 컴퓨터를 전반적으로 제어하는 제어부 또는 제어 명령 신호 및 일련의 프로그램을 처리하는 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)일 수 있다. 즉, 본 발명의 최단 거리 계산 방법은 일종의 소프트웨어인 알고리즘 또는 로직으로 구성되며, 소프트웨어 알고리즘은 컴퓨터의 제어부 또는 중앙처리장치에서 실행될 수 있다.In the present invention, a principal performing the shortest distance calculation method from a certain point to a surface defined in a two-dimensional plane or a three-dimensional space filled with an unaligned grid system may be a control unit for controlling the entire computer, And a central processing unit (CPU) for processing a series of programs. That is, the shortest distance calculation method of the present invention is composed of an algorithm or logic, which is a kind of software, and the software algorithm can be executed in the control unit of the computer or the central processing unit.

도 1은 비정렬 격자계의 경계면을 포함하는 임의의 요소를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram showing an arbitrary element including an interface of an unmodulated grating system.

도 1을 참조하면, 비정렬 격자계에서 인터페이스(interface)(10), 컷 엘리먼트(cut element)(110), 인터페이스 세그먼트(120)가 도시되어 있다. Referring to FIG. 1, an interface 10, a cut element 110, and an interface segment 120 are shown in an unmodulated grating system.

삼각형 점으로 표시된 것(20)은 첫번째 레이어(layer)(N1)의 노드(node)들이고, 사각형 점으로 표시된 것(30)은 두번째 레이어(N2)의 노드들이다. The triangulated points 20 are the nodes of the first layer N1 and the vertex 30 is the nodes of the second layer N2.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 평면에서의 임의의 한 점에서 경계선까지의 최단 거리를 계산하기 위한 도식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 선까지의 최단 거리 계산 방법을 보여주는 흐름도이다. FIG. 2 is a schematic diagram for calculating the shortest distance from any point to a boundary in a two-dimensional plane according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a graph Fig. 3 is a flowchart showing a method of calculating a shortest distance from a certain point to a line defined in a two-dimensional plane. Fig.

도 2 및 도 4를 참조하여, 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 선까지의 최단 거리 계산 방법을 설명하면 다음과 같다. Referring to FIGS. 2 and 4, a method of calculating a shortest distance from a certain point to a line defined in a two-dimensional plane filled with an unmodulated grating system will be described.

먼저, 오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장한다(φ0=φ)(S401).First, an original level-set value is stored (? 0 =?) (S401).

그리고, 2차원 평면상에 선으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의한다(S403). Then, a narrow band is defined for a cut element that is a line on a two-dimensional plane (S403).

그리고, ω가 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화한다(initialize)(S405). If ω is the number of layers in the narrow band, h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band, and δ = 2ωh, then φ = δ (S405).

그리고, φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산한다(S407). Then, an intersection X s between the interface segment and the edge of the cut element is calculated using? 0 (S407).

그리고, 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정한다(S409). Then, the shortest distance d x from the arbitrary point X n in the narrow band of the cut element to the interface segment is determined (S409).

그리고, Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)한다(φn=min{dxn})(S411).Then, the level set value of X n is updated (φ n = min {d x , φ n }) (S411).

도 2의 실시예에서 컷 엘리먼트는 삼각형으로 구현되어 있다. In the embodiment of FIG. 2, the cut element is implemented as a triangle.

이때, 교차점 Xs를 계산하는 단계(S407)에서, x1, x2를 삼각형 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때, 교차점 Xs를 다음 수학식과 같이 계산할 수 있다. At this time, in step S407 of calculating the intersection X s , x 1 , x 2 are arbitrary two vertexes of a triangle, φ 1 is a level set value at x 1 , φ 2 is a level set value at x 2 , The intersection X s can be calculated by the following equation.

Figure 112016033762103-pat00017
Figure 112016033762103-pat00017

최단 거리 dx를 결정하는 단계(S409)에서, Xf를 Xn에서 인터페이스(interface)에 내린 수선의 발(foot of perpendicular)이고, Xsm을 컷 세그먼트의 중점이라고 할 때,

Figure 112016033762103-pat00018
벡터의 스칼라 프로젝션(scalar projection)의 절대 값
Figure 112016033762103-pat00019
을 다음 수학식과 같이 계산할 수 있다. When the shortest distance d x is a foot of perpendicular that X f is lowered from X n to an interface in step S 409 and X sm is the center point of the cut segment,
Figure 112016033762103-pat00018
The absolute value of a scalar projection of a vector
Figure 112016033762103-pat00019
Can be calculated as shown in the following equation.

Figure 112016033762103-pat00020
Figure 112016033762103-pat00020

Figure 112016033762103-pat00021
이면, 다음 수학식으로 최단 거리 dx를 결정할 수 있다.
Figure 112016033762103-pat00021
, The shortest distance d x can be determined by the following equation.

Figure 112016033762103-pat00022
Figure 112016033762103-pat00022

그러나,

Figure 112016033762103-pat00023
이 아니면, Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트의 각 교차점까지의 거리 Xsi를 계산하고, 계산된 값 중에서 최단 거리 dx로 계산하는 것인 다음 수학식으로 나타낼 수 있다. But,
Figure 112016033762103-pat00023
Or this can be from X n represented by the following equation to calculate the distance X si to each intersection of said interface segment, and the shortest distance from among the calculated values calculated by x d.

Figure 112016033762103-pat00024
Figure 112016033762103-pat00024

본 발명에서 sign을 다음 수학식과 같이 정의하자. In the present invention, we define sign as follows.

Figure 112016033762103-pat00025
Figure 112016033762103-pat00025

수학식 5로 정의되는 사인(sign) 함수(function)라 할 때, 모든 임의의 점 Xn에서의 레벨 셋의 사인(sign)을 φ= φ.sgn(φ0)로 나타낼 수 있다. The sign of the level set at any arbitrary point X n can be denoted by φ = φ.sgn (φ 0 ), given a sign function defined by equation (5).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 공간에서의 임의의 한 점에서 경계면까지의 최단 거리를 계산하기 위한 도식도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정렬 격자계로 채워진 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법을 보여주는 흐름도이다.FIG. 3 is a schematic diagram for calculating a shortest distance from an arbitrary point to an interface in a three-dimensional space according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph Fig. 3 is a flowchart showing a method of calculating a shortest distance from a certain point to a surface defined in a three-dimensional space; Fig.

도 3 및 도 5를 참조하여 비정렬 격자계로 채워진 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법을 설명하면 다음과 같다. 3 and 5, a method of calculating the shortest distance from a certain point to a plane defined in a three-dimensional space filled with an unoriented grating system will be described.

먼저, 오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장한다(φ0=φ)(S501). First, an original level-set value is stored (? 0 =?) (S501).

그리고, 3차원 공간으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의한다(S503). Then, a narrow band is defined for a cut element in a three-dimensional space (S503).

그리고, ω가 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화한다(initialize)(S505). If ω is the number of layers in the narrow band, h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band, and δ = 2ωh, then φ = δ Initialize (S505).

그리고, φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산한다(S507). Then, an intersection X s between the interface segment and the edge of the cut element is calculated using? 0 (S507).

그리고, 인터페이스 세그먼트 평면의 기하 중심 Xsc와 모든 교차점을 포함하는 원의 반경 rsc를 계산한다(S509). Then, the geometric center X sc of the interface segment plane and the radius r sc of the circle including all the intersection points are calculated (S509).

그리고, 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정한다(S511). Then, the shortest distance d x from the arbitrary point X n in the narrow band of the cut element to the interface segment is determined (S511).

그리고, Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)한다(φn=min{dxn})(S513).Then, the level set value of X n is updated (φ n = min {d x , φ n }) (S 513).

도 3의 실시예에서 컷 엘리먼트는 4면체(tetrahedron)이고, 이때 교차점 Xs를 계산하는 단계(S507)에서, x1, x2를 4면체 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때,

Figure 112016033762103-pat00026
(수학식 1)로 교차점 Xs를 계산할 수 있다. And Example-cut elements are tetrahedra (tetrahedron) in Figure 3, wherein in step (S507) for calculating a cross point X s, x 1, and any two vertices of from tetrahedral to x 2, the φ 1 in x 1 and a level set value, when the φ 2 to as level set value at x 2,
Figure 112016033762103-pat00026
The intersection X s can be calculated by the following equation (1).

기하 중심 Xsc와 원의 반경 rsc를 계산하는 단계(S509)에서, 원의 반경 rsc는 기하 중심 Xsc로부터 인터페이스 세그먼트의 각 꼭지점 Xsi까지의 거리 중에서 최대 거리인

Figure 112016033762103-pat00027
로 나타낼 수 있다. In step S509 of calculating the geometric center X sc and the radius r sc of the circle, the radius r sc of the circle is the maximum distance from the geometric center X sc to each vertex X si of the interface segment
Figure 112016033762103-pat00027
.

최단 거리 dx를 결정하는 단계(S511)에서, n이 상기 인터페이스 세그먼트의 단위 법선 벡터(unit normal vector)라고 할 때, Xn으로부터 인터페이스 세그먼트를 포함하는 평면까지의 직교 거리 dxf를,

Figure 112016033762103-pat00028
으로 계산한다. In step (S511) for determining a minimum distance d x, n for the orthogonal distance of the plane to the d xf, including an interface segment from, X n when said unit normal vector (unit vector normal) of said interface segment, and
Figure 112016033762103-pat00028
.

그리고, Xf를 Xn에서 인터페이스(interface)에 내린 수선의 발(foot of perpendicular)이라고 할 때, 수선의 발 Xf에서 기하 중심 Xsc까지의 거리 dfsc를 피타고라스 정리(Pythagorean Theorem)를 이용하여 구하면, 다음 수학식과 같다. Then, let X f be the foot of perpendicular from X n to the interface, the distance d fsc from the foot X f of the waterline to the geometric center X sc is calculated using the Pythagorean Theorem The following equation is obtained.

Figure 112016033762103-pat00029
Figure 112016033762103-pat00029

도 3 (a)를 참조하면, 본 발명에서 최단 거리 dx를 결정하는 단계(S511)에서, dfsc≥rsc이면, edgei를 인터페이스 세그먼트의 모서리라고 할 때, dx=min{(Xn, edgei)}이다.Referring to Figure 3 (a), in step (S511) for determining a minimum distance d x from the present invention, d is fsc ≥r sc, when the said edge of the edge i interface segment, d x = min {(Xn , edge i )}.

도 3 (b)를 참조하면, 본 발명에서 dfsc≥rsc이 아니면, 먼저 다음 수학식을 이용하여 수선의 발 Xf를 구한다. Referring to Figure 3 (b), in the present invention is not a d sc ≥r fsc, first using the following equation to calculate the X f of repair.

Figure 112016033762103-pat00030
Figure 112016033762103-pat00030

그리고, 수선의 발이 컷 엘리먼트의 내부에 있는지 여부를 확인한다. Then, it is checked whether or not the feet of the waterline are inside the cut element.

그리고, 수선의 발이 컷 엘리먼트의 외부에 있으면, dx=min{(Xn, edgei)}로 구하고, 수선의 발이 컷 엘리먼트의 내부에 있으면, dx=dxf로 구한다. Then, if the foot of the waterline is outside the cut element, d x = min {(X n , edge i )}, and if the foot of the waterline is inside the cut element, then d x = d xf .

본 발명에서 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 내부에 있는지 여부를 확인하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a process for checking whether or not the foot of the waterline is inside the cut element will be described in detail.

먼저, 4면체의 면을 이루는 각각의 삼각형에 대하여, 다음 수학식을 이용하여 프로젝티드 사인드 영역(projected signed area)을 계산한다. First, for each triangle forming the face of the tetrahedron, the projected signed area is calculated using the following equation.

Figure 112016033762103-pat00031
Figure 112016033762103-pat00031

그리고, nmax=│nx│이면, A2D=Ayz이고, nmax=│ny│이면, A2D=Azx이고, nmax=│nz│이면, A2D=Axy이다. Then, if n max = | n x |, then A 2D = A yz , and if n max = | n y | then A 2D = A zx and if n max = | n z | then A 2D = A xy .

그리고, 이러한 프로젝티드 사인드 영역을 일차원 어레이(array)인 “Area2D”로 저장하고, “Area2D” 어레이의 모든 성분의 사인(sign)을 비교한다. Then, these projected signal areas are stored as a one-dimensional array " Area2D ", and the sign of all the components of the " Area2D " array is compared.

비교 결과, 모든 성분이 같은 사인이면 수선의 발이 컷 엘리먼트의 내부에 있는 것으로 간주하고, 그렇지 않으면 수선의 발이 상기 컷 엘리먼트의 외부에 있는 것으로 간주한다. As a result of the comparison, if all the components are the same sine, the feet of the waterline are considered to be inside the cut element, otherwise, the feet of the waterline are considered to be outside the cut element.

본 발명에서 sign을,

Figure 112016033762103-pat00032
(수학식 5)로 정의되는 사인(sign) 함수(function)라 할 때, 모든 임의의 점 Xn에서의 레벨 셋의 사인(sign)을 φ= φ.sgn(φ0)로 나타낼 수 있다. In the present invention,
Figure 112016033762103-pat00032
The sign of the level set at any arbitrary point X n can be denoted by phi = phi.sgn (phi 0 ), where phi is the sign function defined by the expression (5).

한편, 본 발명의 실시예에 따른 비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면 또는 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면(선)까지의 최단 거리 계산 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.On the other hand, the method of calculating the shortest distance from a certain point to a plane (line) defined in a two-dimensional plane or a three-dimensional space filled with an unmodified grating system according to an embodiment of the present invention is a computer- It can be implemented as a computer-readable code on a medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored.

예컨대, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 롬(ROM), 램(RAM), 시디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 이동식 저장장치, 비휘발성 메모리(Flash Memory), 광 데이터 저장장치 등이 있다.For example, the computer-readable recording medium includes a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, a removable storage device, a nonvolatile memory, , And optical data storage devices.

또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.In addition, the computer readable recording medium may be distributed and executed in a computer system connected to a computer communication network, and may be stored and executed as a code readable in a distributed manner.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.

110, 210 컷 엘리먼트(cut element)
120, 220 인터페이스 세그먼트(interface segment)
110, 210 cut element,
120, 220 interface segment

Claims (5)

비정렬 격자계로 채워진 2차원 평면에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 선까지의 최단 거리 계산 방법에 있어서,
오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장하는(φ0=φ) 단계;
2차원 평면으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의하는 단계;
ω가 상기 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 상기 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 상기 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화하는(initialize) 단계;
φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 상기 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산하는 단계;
상기 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정하는 단계; 및
상기 Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)하는 단계(φn=min{dxn})를 포함하는 최단 거리 계산 방법.
A method for calculating a shortest distance from a certain point to a line specifically defined in a two-dimensional plane filled with an unstructured grid system,
Storing an original Level-Set value (? 0 =?);
Defining a narrow band for a cut element in a two-dimensional plane;
ω is the number of layers of the narrow band, h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band, and δ = 2ωh, φ = δ Initializing;
calculating an intersection X s between an interface segment and an edge of the cut element using φ 0 ;
Determining a shortest distance d x from an arbitrary point X n in the narrow band of the cut element to the interface segment; And
Wherein the step of updating the level set value of X n comprises: ( n = min {d x , n }}.
청구항 1에 있어서,
상기 컷 엘리먼트는 삼각형이고,
상기 교차점 Xs를 계산하는 단계에서,
x1, x2를 삼각형 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때,
Figure 112016033762103-pat00033
(수학식 1)
로 교차점 Xs를 계산하는 것을 특징으로 하는 최단 거리 계산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cut element is triangular,
In calculating the intersection X s ,
x 1 and x 2 are arbitrary two vertexes of a triangle, φ 1 is a level set value at x 1 , and φ 2 is a level set value at x 2 ,
Figure 112016033762103-pat00033
(1)
To calculate a shortest distance X s .
비정렬 격자계로 채워진 3차원 공간에서의, 임의의 한 점에서 특정하게 정의된 면까지의 최단 거리 계산 방법에 있어서,
오리지널(Original) 레벨 셋(Level-Set) 값(value)을 저장하는(φ0=φ) 단계;
3차원 공간으로 되어 있는 컷 엘리먼트(cut element)에 대해 네로우 밴드(narrow band)를 정의하는 단계;
ω가 상기 네로우 밴드의 레이어(layer)의 수이고, h가 상기 컷 엘리먼트의 특성 길이(characteristic length)이고, δ가 상기 네로우 밴드의 폭이고, δ=2ωh 라고 할 때, φ=δ로 초기화하는(initialize) 단계;
φ0를 이용하여 인터페이스 세그먼트(interface segment)와 상기 컷 엘리먼트의 모서리와의 교차점 Xs를 계산하는 단계;
상기 인터페이스 세그먼트 평면의 기하 중심 Xsc와 모든 교차점을 포함하는 원의 반경 rsc를 계산하는 단계;
상기 컷 엘리먼트의 네로우 밴드 안에 있는 임의의 점 Xn으로부터 상기 인터페이스 세그먼트까지의 최단 거리 dx를 결정하는 단계; 및
상기 Xn의 레벨 셋 값을 업데이트(update)하는 단계(φn=min{dxn})를 포함하는 최단 거리 계산 방법.
1. A method of calculating a shortest distance from a point to a plane defined in an arbitrary three-dimensional space filled with an unstructured grid system,
Storing an original Level-Set value (? 0 =?);
Defining a narrow band for a cut element in a three-dimensional space;
ω is the number of layers of the narrow band, h is the characteristic length of the cut element, δ is the width of the narrow band, and δ = 2ωh, φ = δ Initializing;
calculating an intersection X s between an interface segment and an edge of the cut element using φ 0 ;
Calculating a radius r sc of a circle including the geometric center X sc and all intersections of the interface segment plane;
Determining a shortest distance d x from an arbitrary point X n in the narrow band of the cut element to the interface segment; And
Wherein the step of updating the level set value of X n comprises: ( n = min {d x , n }}.
청구항 3에 있어서,
상기 컷 엘리먼트는 4면체(tetrahedron)이고,
상기 교차점 Xs를 계산하는 단계에서,
x1, x2를 4면체 중에서 임의의 두 꼭지점이고, φ1을 x1에서의 레벨 셋 값이고, φ2를 x2에서의 레벨 셋 값이라 할 때,
Figure 112016033762103-pat00034
(수학식 1)
로 교차점 Xs를 계산하는 것을 특징으로 하는 최단 거리 계산 방법.
The method of claim 3,
The cut element is a tetrahedron,
In calculating the intersection X s ,
when x 1 and x 2 are arbitrary two vertexes of a tetrahedron and φ 1 is a level set value at x 1 and φ 2 is a level set value at x 2 ,
Figure 112016033762103-pat00034
(1)
To calculate a shortest distance X s .
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 청구항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
A computer-readable recording medium having recorded thereon a program capable of executing a method according to any one of claims 1 to 4 by a computer.
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비정렬 3차원 측정점으로부터의 표면 재구성을 위한 경계면 축소포장 알고리즘

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