基于力約束模型的可變形網(wǎng)格重建及處理.pdf

1、基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化建模是數(shù)字制造與數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零件有限元分析、性能仿真和數(shù)字樣機(jī)等后續(xù)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的基礎(chǔ)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)中，測(cè)量數(shù)據(jù)的表面建模主要采用一些商品化軟件來(lái)完成。為了獲得滿足設(shè)計(jì)與制造要求的產(chǎn)品表面模型，建模過(guò)程中常常需要進(jìn)行大量繁瑣的交互修改操作。因此，研究大規(guī)模散亂點(diǎn)云的自動(dòng)表面重建問(wèn)題，提高表面重建算法效率，對(duì)于發(fā)展數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)具有重要的理論意義和廣泛應(yīng)用前景。本論文針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品

2、的測(cè)量數(shù)據(jù)模型計(jì)算中拓?fù)渚W(wǎng)格重建問(wèn)題，研究從散亂點(diǎn)云中自動(dòng)獲取三角形網(wǎng)格模型，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的提取和正確表示。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的散亂點(diǎn)云網(wǎng)格重建算法進(jìn)行系統(tǒng)地研究與分析，在α -shape 算法的基礎(chǔ)上，提出了一種處理散亂點(diǎn)云的基于力約束模型的可變形網(wǎng)格重建算法，并利用實(shí)際算例說(shuō)明了該算法的有效性。研究表明，所開發(fā)的表面重建算法能夠有效地提高三角網(wǎng)格模型的拓?fù)湟恢滦?，?duì)于復(fù)雜產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)形狀特征提取和建模十分重要。

3、論文分析了散亂點(diǎn)云的凸殼、Delaunay 三角形等幾何結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，計(jì)算點(diǎn)云的三維凸殼構(gòu)造初始網(wǎng)格，采用空間分割及邊界判斷算法篩選參與凸殼計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云凸殼的快速創(chuàng)建，并基于凸殼的性質(zhì)確定初始網(wǎng)格變形的方向信息；利用動(dòng)態(tài)粒子對(duì)之間的相互作用力模型建立變形過(guò)程的力約束方程，通過(guò)定義約束方程中各項(xiàng)的權(quán)值引入促使網(wǎng)格變形趨于穩(wěn)定的特性參數(shù)，創(chuàng)建了散亂點(diǎn)云和網(wǎng)格頂點(diǎn)之間以及網(wǎng)格內(nèi)部變形行為的力約束，驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格逐步向測(cè)量數(shù)據(jù)收縮；將散亂

4、點(diǎn)中對(duì)網(wǎng)格變形產(chǎn)生約束作用的點(diǎn)稱為作用點(diǎn)，提出了一種融合距離約束、空間分割和可視性判斷等多個(gè)準(zhǔn)則的作用點(diǎn)階梯提取法，從凸殼內(nèi)部的非網(wǎng)格點(diǎn)中刪除對(duì)網(wǎng)格變形不產(chǎn)生作用的非作用點(diǎn)，縮小參與網(wǎng)格變形約束計(jì)算的散亂點(diǎn)范圍和數(shù)目，從而大大減小計(jì)算量；定義變形過(guò)程停止的判定準(zhǔn)則，從而實(shí)現(xiàn)了初始網(wǎng)格在變形約束作用下，向凸殼內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，逐步逼近散亂點(diǎn)云的采樣表面的過(guò)程。 在散亂點(diǎn)云的重建過(guò)程中，維護(hù)網(wǎng)格拓?fù)涞恼_性是關(guān)鍵問(wèn)題之一。本論文假設(shè)測(cè)量數(shù)據(jù)

5、采樣自局部光滑且形狀封閉的表面，所建立的網(wǎng)格模型不允許存在自交、空洞、碰撞、內(nèi)部誤連接等錯(cuò)誤的拓?fù)溥B接關(guān)系。在算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了保證網(wǎng)格具有正確的拓?fù)?，設(shè)計(jì)了網(wǎng)格拓?fù)渚S護(hù)和操作算法。借鑒α －Shape 思想，采用虛擬球運(yùn)動(dòng)描述網(wǎng)格變形過(guò)程，并通過(guò)定義變形停止準(zhǔn)則，控制虛擬球運(yùn)動(dòng)，確保虛擬球只在凸殼與散亂點(diǎn)云表面形成的區(qū)域間運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格內(nèi)部誤連接現(xiàn)象；采用點(diǎn)可視性判斷標(biāo)準(zhǔn)選取網(wǎng)格變形的作用點(diǎn)，阻止網(wǎng)格自交現(xiàn)象的出現(xiàn)；在迭代變形過(guò)

6、程中，分析面面碰撞特點(diǎn)，定義判斷標(biāo)準(zhǔn)，修正網(wǎng)格連接，從而限制碰撞出現(xiàn)；通過(guò)三角形簇的融合，處理網(wǎng)格內(nèi)部空洞以及單邊現(xiàn)象。從而保證所獲得的三角形網(wǎng)格模型具有與散亂點(diǎn)云采樣表面一致的拓?fù)洹?為了能夠有效應(yīng)用于后續(xù)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程，所建立的網(wǎng)格模型不僅要正確反映產(chǎn)品拓?fù)涮匦裕乙苊獬霈F(xiàn)狹長(zhǎng)三角形。但是，在網(wǎng)格三角形形狀與網(wǎng)格空間形狀優(yōu)化之間，優(yōu)化操作與網(wǎng)格拓?fù)湟恢滦跃S護(hù)之間常出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出了基于網(wǎng)格拓?fù)浜?/p>

7、局部凸凹幾何特性的細(xì)分優(yōu)化算法。首先分析了不同三角形對(duì)之間的連接對(duì)三角形形狀、網(wǎng)格空間形狀優(yōu)化的影響，基于最小角最大化原則和平坦度定義了待優(yōu)化三角形對(duì)的提取準(zhǔn)則，分析網(wǎng)格局部區(qū)域凸凹幾何特征，進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化，從而在保持拓?fù)湟恢滦缘募s束下，獲取具有良好形態(tài)的網(wǎng)格。提出了基于強(qiáng)制約束的非均勻網(wǎng)格精簡(jiǎn)算法?？紤]制造工藝要求，該算法采用多準(zhǔn)則三角形擴(kuò)展、全局和局部特性融合的邊緣精簡(jiǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)非均勻網(wǎng)格表示，用較少的網(wǎng)格表示產(chǎn)品特征。 在