基于体空间拓扑约束的三维CAD模型形状比较方法技术

本发明专利技术公开了一种基于体空间拓扑约束的三维ＣＡＤ模型形状比较方法，该方法包括：读取符合ＳＴＥＰ标准的三维ＣＡＤ模型，通过补齐、填充及成组三种操作对所给模型作规范化处理后，执行体分割算法，将其转换为预定义简单体组，并生成各简单体间的６－邻域及１８－邻域体空间拓扑约束关系。在此基础上，通过计算各ＣＡＤ模型简单体６－邻域及１８－邻域空间拓扑约束的近似度，来完成三维ＣＡＤ模型间的形状比较。由于６－邻域及１８－邻域空间拓扑约束对三维形状描述精确、表示紧凑，三维ＣＡＤ模型的形状比较可靠及效率较高。本方法可用于三维ＣＡＤ模型的自动分类、检索、索引及复用等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维CAD模型形状比较方法，特别涉及一种基于体空间拓扑 约束的三维CAD模型形状比较方法。
技术介绍
随着3D图形硬件成本的降低和技术的成熟，三维CAD设计技术在机械、制 造、建筑、电子、化工、服装乃至广告等众多领域中得到快速发展和应用。据统 计，近年来模具制造工业中3D CAD建模已占80%左右。三维CAD模型在数量及复杂性上迅速增加的同时，三维产品数据的复用问题 逐步出现。 一般而言，设计者平均花费60%的工作时间用于产品信息的检索。Gunn 则进一步指出，进行新产品设计时，仅约20%来自真正的创新，40%可从现有设 计获取，另外40%则可在修改现有设计的基础上获得。Ullman认为，超过75%的 新设计包含着对以往设计知识的复用。产品复用已成为CAD领域中的关键问题。 三维形状检索(3D shape searching)是解决三维产品复用的有效途径。根据Kendall 的定义，三维形状检索是指"在大型三维模型数据库中计算三维形状之间的相似 度"。深入研究三维CAD模型的检索机制，必然有助于促进三维CAD技术深化应 用、提高三维CAD设计的自动化水平、加快产品创新开发，具有重要的理论意义 和实际应用价值。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是针对现有CAD模型形状比较时三维形状特征难于直观表示与比较的不足，提供一种通过模型规范化并切割为简单体后，经由各简单体间的6-邻域及18-邻域体空间拓扑约束比较来计算其形状近似度的基于体空间 拓扑约束的三维CAD模型形状比较方法。技术方案为了达到上述目的，解决现有表示方法的缺陷，本专利技术提供了一 种基于体空间拓扑约束的三维CAD模型形状比较方法，该方法包括以下步骤步骤l，输入待比较的两个STEP格式三维CAD模型^及5，判断其对应的 体空间拓扑约束表示是否均已生成，如果判断结果为是转步骤12;步骤2，读取三维CAD模型中的底层几何数据，并执行CAD模型的补齐操作；步骤3，读取补齐后的CAD模型并执行填充操作；步骤4，读取补齐、填充后的CAD模型并执行成组操作，在此基础上得到模 型的规范化表示；步骤5，访问规范化后的三维CAD模型的特征边及特征面，通过特征边及特征面的切割操作，将CAD模型进一步分割至一组预定义简单体；步骤6,逐一访问分割后所得的各简单体；若遍历结束，则转步骤11;若遍历没有结束，则进行步骤7; 步骤7，通过公式& ") = ",X = i，" = "， Z}计算各简单体的6邻域三维空间划分；其中AI为坐标轴X、 Y及Z方向， )为s,包围盒沿w的顶面面积，J(Pro厶力""))为沿"、由》到s,投影重叠面的面积；步骤8，根据体分割所得各简单体之间的6邻域空间边连接或面连接关系，生 成各简单体6邻域拓扑空间约束表，并得到CAD模型的6邻域空间拓扑约束表示；步骤9，遍历体分割所得的各简单体，计算该简单体的18邻域三维空间划分；步骤10,根据体分割所得各简单体之间的18邻J^间关系，生成各简单体 18邻域拓扑空间约束表，并得到CAD模型的18邻域空间拓扑约束表示，返回步 骤6;步骤ll，检査所输入CAD模型的体空间拓扑约束表示是否均已生成，若判断 结果为否，则转步骤2;步骤12，计算两个模型的6邻域、18邻域空间拓扑约束表示的近似度； 步骤13，返回所输入的三维CAD模型形状之间的近似度，并返回步骤l。 其中，步骤2所述的底层几何数据进一步包括顶点、直线边、弧形边、B样 条曲线边、平面、圆柱、B样条曲面、球面、回路。在本专利技术方法中，步骤2、 3、 4用以从三个角度对复杂三维CAD模型进行规 范化，即以补齐操作将CAD模型中各类圆柱形凹面及斜面连接转换为平面连接， 以填充操作将CAD模型中的洞、槽等特征填充后移除，以成组操作在CAD模型 面、边连接图基础上，搜索并移除一组具有相同的面边连接几何约束的图元。规 范化CAD模型的过程，同时也是三维CAD模型的简化过程，以消除复杂模型中 的特点曲线、曲面、洞、槽、齿等特征。三维CAD模型通过特征面或特征边切割 后，转换为一组预定义简单体。预定义简单体的类型包括长方体、圆柱体、四面 体、圆锥体。所述CAD模型的面、边连接图，是读取补齐与填充后的CAD模型，将其中 的模型面、模型边转换为连接图节点，模型面与模型面、模型面与模型边、模型 边与模型边若存在连接、相交关系，则将其转换为连接图中的边所得到的图。在本专利技术方法中，步骤5所述的特征边为规范化后的CAD模型中的凹边，特征面为特征边所在的平面。特征边可通过搜索所有共享边、并判断该边凹凸性来 判断，之后选取该特征边所在的某特征面作为切割面，完成规范化后的CAD模型 的分割，以得到一组简单体。在本专利技术方法中，为了进一步提取与精确表示CAD模型内部各组成成分的空 间三维拓扑约束关系，提供一种基于简单体空间6-邻域及18-邻域划分的拓扑约束 表示方法。6-邻域空间划分根据各简单体的长方体包围盒上、下、左、右、前、后 六个方向完成划分，18-邻域空间划分根据各简单体的长方体包围盒上、下、左、 右、前、后六个方向及十二个对角线方向完成划分。在6-邻域及18-邻域空间划分 的基础上，可对每个分割出的简单体搜索其6-邻域及18-邻域空间，若某邻域存在 其它简单体，则在6-邻域或18-邻域拓扑约束表的对应位置上记录"1",否则记录 "0"。各简单体拓扑约束表生成后，该CAD模型内部组成成分之间的空间拓扑约 束关系亦同时可精确表示。步骤6、 7、 8访问各简单体并生成其6-邻域空间拓扑约束表，步骤9、 10访 问各简单体并生成其18-邻域空间拓扑约束表。每个简单体的6-邻域空间拓扑约束 表仅需6个二进位来表示，18-邻域空间拓扑约束表仅需18个二进位来表示，合计 3字节。 一般即使复杂三维CAD模型，其在规范化后分割所得到的简单体数目也 较有限，因此其拓扑约束表示数据量较小、同时表示精确。步骤12计算模型各简单体间的6-邻域及18-邻域体拓扑空间约束近似度，其 中6-邻域体拓扑空间约束近似度计算公式为&'附6—ssT ,》B ) = *^附6_557 ， *^ )2O&附啤o 6 (4, 4 ) + (1 —份)^附鄉e (4 , "4》其中所输入的CAD模型为&及&, S^及Ss分别规范化后的模型，且Sj分 割为简单体组(/払"u:^)， ^分割为简单体组0y肌^2…"w)。 w为三维形状 比较时的拓扑因子，取值为0.8。各简单体的6-邻域体拓扑约束表基础上的近似度 比较方法是，—6 (^!jt' S股)=_^_* _^_其中S77V^是简单体^屈的6-邻域体拓扑空间约束表；各简单体的形状近似度比较方法是max(M，A0(4* ， 4)=——一—…r、 * s—o羞,4)其中，若两个简单体形状相同，则其形状相似度函数w"戸(4,^)取i,否则取o。类似地，18-邻域近似度计算公式为S—8一ssr ， *^丑)=》附i8—ssr ， *^ )Z(" 18 O羞，《4 ) + (1 -必)&H— (4 , SM ))其中所输入的CAD模型为&及&， Sj及Ss分别规范化后的模型，且S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于体空间拓扑约束的三维ＣＡＤ模型形状比较方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：　（１）输入待比较的两个ＳＴＥＰ格式三维ＣＡＤ模型Ａ及模型Ｂ，判断其对应的体空间拓扑约束表示是否均已生成，如果判断结果为是转步骤（１２）；　（２ ）读取三维ＣＡＤ模型中的底层几何数据，并执行ＣＡＤ模型的补齐操作；　（３）读取补齐后的ＣＡＤ模型并执行填充操作；　（４）读取补齐、填充后的ＣＡＤ模型并执行成组操作，并得到模型的规范化表示；　（５）访问规范化后的三维ＣＡＤ模 型的特征边及特征面，通过特征边及特征面的切割操作，将ＣＡＤ模型进一步分割至一组预定义简单体；　（６）逐一访问分割后所得的各简单体，若遍历结束，则转步骤（１１），若遍历没有结束，则进行步骤（７）；　（７）通过公式　Ｓ↓［６］ （ｓ↓［ｉ］）＝｛ｓ↓［ｊ］｜Ａ（Ｐｒｏｊ↓［ｓｊ，ｎ］（ｓ↓［ｉ］））／Ａ（ｓ↓［ｉ，ｎ］）＝１，ｎ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ｝　计算各简单体的６邻域三维空间划分；其中ｎ为坐标轴Ｘ、Ｙ及Ｚ方向，　Ａ（ｓ↓［ｉ］，ｎ）为ｓ↓［ｉ］包围盒沿ｎ的 顶面面积，Ａ（Ｐｒｏｊ↓［ｓｊ，ｎ］（ｓ↓［ｉ］））为沿ｎ、由ｓ↓［ｊ］到ｓ↓［ｉ］投影重叠面的面积；　（８）根据体分割所得各简单体之间的６邻域空间边连接或面连接关系，生成各简单体６邻域拓扑空间约束表，并得到ＣＡＤ模型的６邻域空间拓扑 约束表示；　（９）遍历体分割所得的各简单体，计算该简单体的１８邻域三维空间划分；　（１０）根据体分割所得各简单体之间的１８邻域空间关系，生成各简单体１８邻域拓扑空间约束表，并得到ＣＡＤ模型的１８邻域空间拓扑约束表示，返回步骤（６ ）；　（１１）检查所输入ＣＡＤ模型的体空间拓扑约束表示是否均已生成，若判断结果为否，则转步骤（２）；　（１２）计算两个模型的６邻域、１８邻域空间拓扑约束表示的近似度；　（１３）返回所输入的三维ＣＡＤ模型形状之间的近似度，并 返回步骤（１）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：路通，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]