TWI475511B - 曲面網格化系統及方法 - Google Patents

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TWI475511B
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Chih Kuang Chang
Xin-Yuan Wu
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Hon Hai Prec Ind Co Ltd
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation

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Description

曲面網格化系統及方法
本發明涉及一種影像量測系統及方法，尤其涉及一種曲面網格化系統及方法。
在三次元測量中，CAD曲面模型（待測物體三維模型）主要應用於測針仿真、離線編程、運動控制和影像量測，而這些應用需要CAD曲面模型做快速移動、縮放和旋轉等動態變換。但是，在常規的CAD曲面模型網格化處理方法中，因網格化後的資料量超過了實際所需的幾十倍或上百倍，從而造成CAD曲面模型動態變換的計算量過大，使整個測量過程都會變得緩慢，更嚴重的後果可能是無法應用。
鑒於以上內容，有必要提供一種曲面網格化系統及方法，其可對待測物體的CAD曲面模型的網格化資料進行精簡。
一種曲面網格化系統，應用於計算裝置中，該系統包括：
邊界線取樣點獲取模組，用於從計算裝置的儲存器中獲取待測物體的邊界輪廓線的取樣點，即邊界線取樣點；
所述邊界線取樣點獲取模組還用於根據獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表；
曲面取樣點獲取模組，用於獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列；
插入模組，用於將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒；
交點計算模組，用於獲取待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點，所述V直線是指平行於參數平面V方向的直線；及
網格化模組，用於用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形。
一種曲面網格化方法，運行於計算裝置中，該方法包括如下步驟：
邊界線取樣點獲取步驟，從計算裝置的儲存器中獲取待測物體的邊界輪廓線的取樣點，即邊界線取樣點；
邊界點鏈表構建步驟，根據獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表；
曲面取樣點獲取步驟，獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列；
插入步驟，將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒；
交點計算步驟，獲取待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點，所述V直線是指平行於參數平面V方向的直線；及
網格化步驟，用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形。
前述方法可以由電子設備（如電腦）執行，其中該電子設備具有附帶了圖形用戶介面（GUI）的顯示螢幕、一個或多個處理器、儲存器以及儲存在儲存器中用於執行這些方法的一個或多個模組、程式或指令集。在某些實施方式中，該電子設備提供了包括無線通信在內的多種功能。
用於執行前述方法的指令可以包含在被配置成由一個或多個處理器執行的電腦程式產品中。
相較於習知技術，所述的曲面網格化系統及方法，其可對待測物體的CAD曲面模型的網格化資料進行精簡，並在精減的過程中保持高精度的要求，以實現測量所需的速度，提高了影像測量的效率。
參閱圖1所示，係本發明計算裝置的結構示意圖。在本實施方式中，該計算裝置2包括透過資料匯流排相連的顯示設備20、輸入設備22、儲存器23、曲面網格化系統24和處理器25。在本實施方式中，所述計算裝置2可以是電腦或伺服器等。
所述曲面網格化系統24用於對待測物體的CAD曲面模型（即三維模型）的網格化資料進行精簡，並將精簡後的CAD曲面模型顯示在顯示設備20上，具體過程以下描述。
所述儲存器23用於儲存所述曲面網格化系統24的程式碼，及待測物體的三維模型等資料。所述顯示設備20用於顯示待測物體的三維模型等資料，所述輸入設備22用於輸入測試人員設置的網格化參數等。
在本實施方式中，所述曲面網格化系統24可以被分割成一個或多個模組，所述一個或多個模組被儲存在所述儲存器23中並被配置成由一個或多個處理器（本實施方式為一個處理器25）執行，以完成本發明。例如，參閱圖2所示，所述曲面網格化系統24被分割成邊界線取樣點獲取模組201、曲面取樣點獲取模組202、插入模組203、交點計算模組204、網格化模組205和輸出模組206。本發明所稱的模組是完成一特定功能的程式段，比程式更適合於描述軟體在計算裝置2中的執行過程。
參閱圖3所示，係本發明曲面網格化方法的較佳實施方式的流程圖。
步驟S1，邊界線取樣點獲取模組201從儲存器23中獲取待測物體的邊界輪廓線的取樣點，即邊界線取樣點。具體流程參閱圖4的描述。
步驟S2，邊界線取樣點獲取模組201根據上述獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表。具體流程參閱圖6的描述。
步驟S3，曲面取樣點獲取模組202獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列。具體流程參閱圖8的描述。
步驟S4，插入模組203將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒。具體流程參閱圖10的描述。
步驟S5，交點計算模組204計算待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點。於本實施方式中，參數平面的水準方向用U表示，垂直方向用V表示，U、V的取值範圍為0-1。所述V直線是指平行於V方向的直線。
步驟S6，網格化模組205用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形，具體流程參閱圖12的描述。
進一步地，於其他實施方式中，輸出模組206根據該待測物體曲面的參數方程將所有三角形頂點的二維UV座標映射回三維空間曲面中的三維點座標，並根據三角形頂點三維座標輸出三角網格化後的曲面。
參閱圖4所示，係圖3中步驟S1的具體流程圖。
步驟S10，邊界線取樣點獲取模組201從儲存器23中讀取待測物體的三維模型。
步驟S11，邊界線取樣點獲取模組201從該三維模型中讀取待測物體的邊界輪廓線。
步驟S12，邊界線取樣點獲取模組201從邊界輪廓線中讀取曲線，對曲線進行均勻布點以獲取邊界線取樣點。
步驟S13，邊界線取樣點獲取模組201計算曲線上每兩個取樣點P1和P2連線的中點P3，並計算該兩個取樣點在曲線上的中點P4（參閱圖5所示）。
步驟S14，當P3和P4的距離大於第一預設值時，邊界線取樣點獲取模組201將P4加入邊界線取樣點佇列中（P1、P4、P2、…）。
於其他實施方式中，還可以進一步包括：將P1與P4、P4與P2分別重複執行步驟S13與步驟S14，直到計算出的距離小於或等於第一預設值時結束。例如，假設P1和P4連線的中點為P5，P1和P4在曲線上的中點為P6。如果P5和P6的距離大於第一預設值時，邊界線取樣點獲取模組201將P6加入邊界線取樣點佇列中（P1、P6、P4、P2、…）。如果P5和P6的距離小於或等於第一預設值時，則結束P1與P4的重複執行S13與S14的步驟。同理，P4與P2之間也重複執行S13與S14的步驟，在此不再贅述。
步驟S15，當曲線上的所有取樣點計算完畢後，邊界線取樣點獲取模組201輸出邊界線取樣點佇列。
參閱圖6所示，係圖3中步驟S2的具體流程圖。
步驟S20，邊界線取樣點獲取模組201從邊界線取樣點佇列中讀取邊界線取樣點。
步驟S21，邊界線取樣點獲取模組201根據邊界線取樣點數量構造一個鏈表。在本實施方式中，鏈表的節點的個數等於該邊界線取樣點數量。
步驟S22，邊界線取樣點獲取模組201將每個邊界線取樣點在邊界線取樣點佇列中的下標插入該鏈表內部。參閱圖7所示，邊界線取樣點P1的下標為1，則在鏈表中的位置為1。
步驟S23，邊界線取樣點獲取模組201將該鏈表連接成為一個環形鏈表。
參閱圖8所示，係圖3中步驟S3的具體流程圖。
步驟S30，曲面取樣點獲取模組202獲取曲面布點參數。在本實施方式中，所述曲面布點參數包括，但不限於，待測物體的曲面參數平面的U方向和V方向的控制點數量（即取樣點數量）。例如，參閱圖9所示，U方向的控制點數量為6，V方向的控制點數量5。
步驟S31，曲面取樣點獲取模組202根據曲面參數平面U方向和V方向的控制點數量，獲取U方向和V方向上的取樣點。例如，如果U方向的控制點數量為10，則在U方向上取10個點。
步驟S32，曲面取樣點獲取模組202計算U方向和V方向上每兩個取樣點P'1和P'2連線的中點P'3，並計算P'3到曲面的距離。
步驟S33，當P'3到曲面的距離大於第二預設值時，曲面取樣點獲取模組202將P'1和P'2在曲線上的中點P'4加入曲面取樣點佇列中（P'1、P'4、P'2、…）。
於其他實施方式中，還可以進一步包括：將P'1與P'4，P'4與P'2重複執行步驟S32與步驟S33，直到計算出的距離小於或等於第二預設值時結束。例如，假設P'1和P'4連線的中點為P'5，P'1和P'4在曲線上的中點P'6。如果P'5到曲面的距離大於第二預設值時，曲面取樣點獲取模組202將P'6加入邊界線取樣點佇列中（P'1、P'6、P'4、P'2、…）。如果P'5到曲面的距離小於或等於第二預設值時，則結束P'1與P'4的重複執行S32與S33的步驟。同理，P'4與P'2之間也重複執行S32與S33的步驟，在此不再贅述。
步驟S34，當曲面上U方向和V方向所有取樣點計算完畢後，曲面取樣點獲取模組202輸出曲面取樣點佇列。
參閱圖10所示，係圖3中步驟S4的具體流程圖。
步驟S40，插入模組203讀取邊界點鏈表與曲面取樣點佇列。
步驟S41，插入模組203遍曆曲面取樣點佇列，計算出所有取樣點的橫軸座標（即U方向）最大值Umax 和最小值Umin ，並根據橫軸座標最大值Umax 和最小值Umin 及參數平面U方向的控制點數量U0 ，計算L0 = (Umax -Umin )÷U0 ，對L0 取整得到參數平面U方向的步長L，根據該U方向上的步長L用V直線將待測物體的參數平面分成若干個包圍盒。
其中，所述V直線是指平行於V方向的直線。參閱圖11所示，待測物體的參數平面被分成5個包圍盒：box1、box2、box3、box4、box5。
在本實施中，為了減少網格化資料，只在U方向上用V直線對待測物體的參數平面進行了包圍盒劃分。在其他實施方式中，也可以進一步在V方向上用U直線對待測物體的參數平面進行包圍盒劃分。所述U直線是指平行於U方向的直線。
步驟S42，插入模組203遍曆邊界點鏈表，獲取每個邊界線取樣點的橫軸座標值U0 ，計算(U0 -Umin )÷L=P0 ，對P0 取整得到P，將該邊界線取樣點的鏈表指標指向曲面取樣點佇列的位置P處，即將該邊界線取樣點放入序號為P的包圍盒中。例如，如果P=1，則將該邊界線取樣點放入第一個包圍盒box1中。
步驟S43，當所有邊界線取樣點計算完畢後，插入模組203輸出更新後的邊界點鏈表與曲面取樣點佇列。
參閱圖12所示，係圖3中步驟S6的具體流程圖。
步驟S60，網格化模組205獲取邊界線取樣點、曲面取樣點及交點。
步驟S61，網格化模組205連接每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點，得到一個或多個多邊形。參閱圖13所示，假設網格化模組205提取第5個包圍盒box5，則會得到圖14中所示的多邊形M1。
步驟S62，網格化模組205從每個多邊形中提取一個或多個三角形，並移除多邊形的外部三角形，獲取一個三角形佇列（參閱圖14所示）。
在本實施方式中，為了減少提取的三角形數量，步驟S5中只計算了待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點，因此步驟S62中提取的三角形數量會減少。在其他實施方式中，也可以在步驟S5計算待測物體曲面的參數平面的U直線與邊界輪廓線的交點、及V直線與邊界輪廓線的交點。
步驟S63，當所有多邊形拆分完畢後，網格化模組205輸出待測物體曲面的參數方程及所有三角形頂點的二維UV座標。
然後，輸出模組206根據該待測物體曲面的參數方程將所有三角形頂點的二維UV座標映射回三維空間曲面中的三維點座標，並根據三角形頂點三維座標輸出三角網格化後的曲面。
最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
2．．．計算裝置
20．．．顯示設備
22．．．輸入設備
23．．．儲存器
24．．．曲面網格化系統
25．．．處理器
201．．．邊界線取樣點獲取模組
202．．．曲面取樣點獲取模組
203．．．插入模組
204．．．交點計算模組
205．．．網格化模組
206．．．輸出模組
圖1係本發明計算裝置的結構示意圖。
圖2係曲面網格化系統的功能模組圖。
圖3係本發明曲面網格化方法的較佳實施方式的流程圖。
圖4係圖3中步驟S1的具體流程圖。
圖5係步驟S1的示例圖。
圖6係圖3中步驟S2的具體流程圖。
圖7係步驟S2的示例圖。
圖8係圖3中步驟S3的具體流程圖。
圖9係步驟S3的示例圖。
圖10係圖3中步驟S4的具體流程圖。
圖11係步驟S4的示例圖。
圖12係圖3中步驟S6的具體流程圖。
圖13和圖14係步驟S6的示例圖。
2．．．計算裝置
20．．．顯示設備
22．．．輸入設備
23．．．儲存器
24．．．曲面網格化系統
25．．．處理器

Claims (14)

  1. 一種曲面網格化系統，應用於計算裝置中，其中，該系統包括：
    邊界線取樣點獲取模組，用於從計算裝置的儲存器中獲取待測物體的邊界輪廓線的取樣點，即邊界線取樣點；
    所述邊界線取樣點獲取模組還用於根據獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表；
    曲面取樣點獲取模組，用於獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列；
    插入模組，用於將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒；
    交點計算模組，用於獲取待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點，所述V直線是指平行於參數平面V方向的直線；及
    網格化模組，用於用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，該系統還包括：輸出模組，用於根據該待測物體曲面的參數方程將所有三角形頂點的二維UV座標映射回三維空間曲面中的三維點座標，並根據三角形頂點三維座標輸出三角網格化後的曲面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，所述邊界線取樣點獲取模組獲取邊界線取樣點包括：
    從儲存器中讀取待測物體的三維模型；
    從該三維模型中讀取待測物體的邊界輪廓線；
    從邊界輪廓線中讀取曲線，對曲線進行均勻布點以獲取邊界線取樣點；
    計算曲線上每兩個取樣點P1和P2連線的中點P3，並計算該兩個取樣點在曲線上的中點P4；
    當P3和P4的距離大於第一預設值時，將P4加入邊界線取樣點佇列中（P1、P4、P2、…）；及
    當曲線上的所有取樣點計算完畢後，輸出邊界線取樣點佇列。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，所述邊界線取樣點獲取模組根據獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表包括：
    從邊界線取樣點佇列中讀取邊界線取樣點；
    根據邊界線取樣點數量構造一個鏈表；
    將每個邊界線取樣點在邊界線取樣點佇列中的下標插入該鏈表內部；及
    將該鏈表連接成為一個環形鏈表。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，所述曲面取樣點獲取模組獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列包括：
    獲取待測物體的曲面參數平面的U方向和V方向的控制點數量；
    根據曲面參數平面U方向和V方向的控制點數量，獲取U方向和V方向上的取樣點；
    計算U方向和V方向上每兩個取樣點P'1和P'2連線的中點P'3，並計算P'3到曲面的距離；
    當P'3到曲面的距離大於第二預設值時，將P'1和P'2在曲線上的中點P'4加入曲面取樣點佇列中（P'1、P'4、P'2、…）；及
    當曲面上U方向和V方向所有取樣點計算完畢後，輸出曲面取樣點佇列。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，所述插入模組將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒包括：
    讀取邊界點鏈表與曲面取樣點佇列；
    遍曆曲面取樣點佇列，計算出所有取樣點的橫軸座標最大值Umax 和最小值Umin ，並根據橫軸座標最大值Umax 和最小值Umin 及參數平面U方向的控制點數量U0 ，計算L0 = (Umax -Umin )÷U0 ，對L0 取整得到參數平面U方向的步長L，根據該U方向上的步長L用V直線將待測物體的參數平面分成若干個包圍盒；
    遍曆邊界點鏈表，獲取每個邊界線取樣點的橫軸座標值U0 ，計算P0 =(U0 -Umin )÷L，對P0 取整得到P，將該邊界線取樣點的鏈表指標指向曲面取樣點佇列的位置P處；
    當所有邊界線取樣點計算完畢後，輸出更新後的邊界點鏈表與曲面取樣點佇列。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之曲面網格化系統，其中，所述網格化模組用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形包括：
    獲取邊界線取樣點、曲面取樣點及交點；
    連接每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點，得到一個或多個多邊形；
    從每個多邊形中提取一個或多個三角形，並移除多邊形的外部三角形，獲取一個三角形佇列；及
    當所有多邊形拆分完畢後，輸出待測物體曲面的參數方程及所有三角形頂點的二維UV座標。
  8. 一種曲面網格化方法，運行於計算裝置中，該方法包括如下步驟：
    邊界線取樣點獲取步驟，從計算裝置的儲存器中獲取待測物體的邊界輪廓線的取樣點，即邊界線取樣點；
    邊界點鏈表構建步驟，根據獲取的邊界線取樣點構建一個邊界點鏈表；
    曲面取樣點獲取步驟，獲取待測物體的曲面的取樣點，並構建一個曲面取樣點佇列；
    插入步驟，將邊界點鏈表中的取樣點插入到曲面取樣點佇列中，獲取若干個包圍盒；
    交點計算步驟，獲取待測物體曲面的參數平面的V直線與邊界輪廓線的交點，所述V直線是指平行於參數平面V方向的直線；及
    網格化步驟，用每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點構建三角形。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，該方法還包括輸出步驟，根據該待測物體曲面的參數方程將所有三角形頂點的二維UV座標映射回三維空間曲面中的三維點座標，並根據三角形頂點三維座標輸出三角網格化後的曲面。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，所述邊界線取樣點獲取步驟包括：
    從儲存器中讀取待測物體的三維模型；
    從該三維模型中讀取待測物體的邊界輪廓線；
    從邊界輪廓線中讀取曲線，對曲線進行均勻布點以獲取邊界線取樣點；
    計算曲線上每兩個取樣點P1和P2連線的中點P3，並計算該兩個取樣點在曲線上的中點P4；
    當P3和P4的距離大於第一預設值時，將P4加入邊界線取樣點佇列中（P1、P4、P2、…）；及
    當曲線上的所有取樣點計算完畢後，輸出邊界線取樣點佇列。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，所述邊界點鏈表構建步驟包括：
    從邊界線取樣點佇列中讀取邊界線取樣點；
    根據邊界線取樣點數量構造一個鏈表；
    將每個邊界線取樣點在邊界線取樣點佇列中的下標插入該鏈表內部；及
    將該鏈表連接成為一個環形鏈表。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，所述曲面取樣點獲取步驟包括：
    獲取待測物體的曲面參數平面的U方向和V方向的控制點數量；
    根據曲面參數平面U方向和V方向的控制點數量，獲取U方向和V方向上的取樣點；
    計算U方向和V方向上每兩個取樣點P'1和P'2連線的中點P'3，並計算P'3到曲面的距離；
    當P'3到曲面的距離大於第二預設值時，將P'1和P'2在曲線上的中點P'4加入曲面取樣點佇列中（P'1、P'4、P'2、…）；及
    當曲面上U方向和V方向所有取樣點計算完畢後，輸出曲面取樣點佇列。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，所述插入步驟包括：
    讀取邊界點鏈表與曲面取樣點佇列；
    遍曆曲面取樣點佇列，計算出所有取樣點的橫軸座標最大值Umax 和最小值Umin ，並根據橫軸座標最大值Umax 和最小值Umin 及參數平面U方向的控制點數量U0 ，計算L0 = (Umax -Umin )÷U0 ，對L0 取整得到參數平面U方向的步長L，根據該U方向上的步長L用V直線將待測物體的參數平面分成若干個包圍盒；
    遍曆邊界點鏈表，獲取每個邊界線取樣點的橫軸軸座標值U0 ，計算P0 =(U0 -Umin )÷L，對P0 取整得到P，將該邊界線取樣點的鏈表指標指向曲面取樣點佇列的位置P處；
    當所有邊界線取樣點計算完畢後，輸出更新後的邊界點鏈表與曲面取樣點佇列。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之曲面網格化方法，其中，所述網格化步驟包括：
    獲取邊界線取樣點、曲面取樣點及交點；
    連接每個包圍盒內的邊界線取樣點、曲面取樣點及交點，得到一個或多個多邊形；
    從每個多邊形中提取一個或多個三角形，並移除多邊形的外部三角形，獲取一個三角形佇列；及
    當所有多邊形拆分完畢後，輸出待測物體曲面的參數方程及所有三角形頂點的二維UV座標。
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