一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法，该方法首先将三维CAD模型转化为关键点表示，然后引入图表示和图匹配方法建立两模型间顶点的预匹配，并通过误匹配消除方法得到两模型间的刚体变换参数，之后利用刚体变换检验建立关键点的匹配关系，得到关键点匹配序列后进行逐级比较，从而识别顶点、边、面和实体模型的差异，能够快速、准确识别三维CAD模型间的差异。维CAD模型间的差异。维CAD模型间的差异。

【技术实现步骤摘要】
一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法


[0001]本专利技术涉及三维CAD模型差异分析领域，尤其涉及一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法。

技术介绍

[0002]CAD技术在数字化设计和智能生产中有着广泛应用，在产品从初始版本到最终版本的迭代中需要对三维CAD模型进行不断的修改和优化，准确快速地识别不同版本之间CAD模型的变化对保证生产效率和产品质量至关重要。同时，三维CAD模型的差异识别技术在模型检索与重用、产品信息管理、产品数据交换中也有着广泛应用。然而，现有的CAD模型差异分析技术要求模型使用同一种建模方式创建，且无法识别处于不同空间位置的模型，不具有通用性。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有的三维CAD模型的差异识别技术通用性、鲁棒性不强的问题，提供一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法，该方法首先将三维CAD模型转化为关键点表示，然后引入图表示和图匹配方法建立两模型间顶点的预匹配，并通过误匹配消除方法得到两模型间的刚体变换参数，之后利用刚体变换检验建立关键点的匹配关系，得到关键点匹配序列后进行逐级比较，从而识别边、面和实体模型的差异，能够快速、准确识别三维CAD模型间的差异。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法，该方法包括以下步骤：
[0005]S1：将待比较的两个三维CAD模型转化为STP格式；
[0006]S2：从三维CAD模型中提取顶点、边控制点、面控制点三类关键点；
[0007]从模型中提取边的交点作为顶点，并记录顶点的三维坐标；
[0008]将模型的边转化为非均匀有理B样条曲线(NURBS，Non
‑
Uniform Rational B
‑
Spline)形式，从各边中提取的除顶点外的所有NURBS控制点作为模型的边控制点，并记录其三维坐标和权重；
[0009]将模型的面转化为NURBS形式，从各面中提取的除顶点外的所有NURBS控制点作为模型的面控制点，并记录其三维坐标和权重；
[0010]S3：将三维CAD模型转化为图表达形式以进行顶点预匹配，模型的每个面对应图的一个节点，若模型中的两个面共边，则这两个面在图中对应的两个节点间存在一个连接边，对应两面的公共边，否则两个节点间不存在连接边；
[0011]S4：计算两图节点间和连接边间的相似度，包括如下子步骤：
[0012]S4.1：在节点对应的模型面上利用NURBS公式进行均匀采样，即：
[0013][0014]其中为第i个节点G
i
的采样点集，n＝1,...,N1×
N1，N1为采样数，S
i
(u,v)为节点G
i
对应的模型面S
i
上利用NURBS公式得到的采样点；
[0015]在连接边对应的模型边上利用NURBS公式进行均匀采样，即：
[0016][0017]其中为第i,j个节点间连接边G
ij
的采样点集，m＝1,...,N2，N2为采样数，C
ij
(u)为连接边G
ij
对应的模型边C
ij
上利用NURBS公式得到的采样点；
[0018]S4.2：基于刚体变换计算两点集的平均匹配距离误差，对任意点数相同的两点集{p
k
}和{q
k
}，寻找最优刚体变换：
[0019][0020]其中K为点集中的点数，R
*
和T
*
为最优旋转矩阵和最优平移矩阵，p
k
,q
k
分别为两点集{p
k
},{q
k
}中第k对点的三维坐标，解得：
[0021][0022][0023]其中U和V是协方差矩阵S
c
的奇异值分解，协方差矩阵S
c
＝XY
T
，其中X,Y分别由列向量和组成，k＝1,2,...,K；
[0024]求得最优旋转矩阵和最优平移矩阵后，计算平均匹配距离误差为：
[0025][0026]S4.3：基于两点集的平均匹配距离误差，分别计算节点间相似度和连接边间相似度；
[0027]两图G,G'中的两节点G
i
,G'
i'
的相似度为：
[0028][0029]其中为图G中节点G
i
的采样点集，为图G'中节点G'
i'
的采样点集；
[0030]两图G,G'中的两连接边G
ij
,G'
i'j'
的相似度为：
[0031][0032]其中为图G中连接边G
ij
的采样点集，为图G'中连接边G'
i'j'
的采样点集；
[0033]S5：利用图匹配方法对两模型的顶点进行预匹配，定义两图G,G'的匹配矩阵M，其元素m
ii'
在图G的节点G
i
和图G'的节点G'
i'
匹配时为1，否则为0；寻找使总相似度最大的最优
匹配矩阵M
*
：
[0034][0035]使用投影不动点迭代法求解M
*
，得到两图的节点匹配结果，图中匹配的两节点在模型中对应的面即为预匹配的面，当两模型中的两边所邻接的面均为预匹配的面时，这两条边为预匹配的边，同样地，当两模型中的两顶点所邻接的边均为预匹配的边时，这两个顶点为预匹配的顶点；
[0036]S6：通过误匹配消除方法计算模型间刚体变换关系，给定最大允许误差ε，计算预匹配顶点集的平均匹配距离误差，若其小于最大允许误差ε，则此时的最优旋转矩阵和最优平移矩阵即为模型间的刚体变换参数R
M
和T
M
；否则，分别计算每对预匹配顶点的匹配距离误差：
[0037]E
k
({p
k
}，{q
k
})＝||(R
*
·
p
k
+T
*
)
‑
q
k
||
[0038]其中E
k
({p
k
},{q
k
})为点集{p
k
},{q
k
}中第k对预匹配顶点的匹配距离误差，p
k
,q
k
为点集{p
k
},{q
k
}中第k对预匹配顶点的三维坐标；
[0039]在预匹配顶点集中剔除匹配距离误差最大的顶点对后重新计算其平均匹配距离误差并与最大允许误差ε进行比对，直至求出模型间的刚体变换参数R
M
和T
M
；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于关键点匹配的三维CAD模型差异分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将待比较的两个三维CAD模型转化为STP格式；S2：从三维CAD模型中提取顶点、边控制点、面控制点三类关键点；从模型中提取边的交点作为顶点，并记录顶点的三维坐标；将模型的边转化为非均匀有理B样条曲线NURBS形式，从各边中提取的除顶点外的所有NURBS控制点作为模型的边控制点，并记录其三维坐标和权重；将模型的面转化为NURBS形式，从各面中提取的除顶点外的所有NURBS控制点作为模型的面控制点，并记录其三维坐标和权重；S3：将三维CAD模型转化为图表达形式以进行顶点预匹配，模型的每个面对应图的一个节点，若模型中的两个面共边，则这两个面在图中对应的两个节点间存在一个连接边，对应两面的公共边，否则两个节点间不存在连接边；S4：计算两图节点间和连接边间的相似度，包括如下子步骤：S4.1：在节点对应的模型面上利用NURBS公式进行均匀采样，即：其中为第i个节点G
i
的采样点集，n＝1,...,N1×
N1，N1为采样数，S
i
(u,v)为节点G
i
对应的模型面S
i
上利用NURBS公式得到的采样点；在连接边对应的模型边上利用NURBS公式进行均匀采样，即：其中为第i,j个节点间连接边G
ij
的采样点集，m＝1,...,N2，N2为采样数，C
ij
(u)为连接边G
ij
对应的模型边C
ij
上利用NURBS公式得到的采样点；S4.2：基于刚体变换计算两点集的平均匹配距离误差，对任意点数相同的两点集{p
k
}和{q
k
}，寻找最优刚体变换：其中K为点集中的点数，R
*
和T
*
为最优旋转矩阵和最优平移矩阵，p
k
,q
k
分别为两点集{p
k
},{q
k
}中第k对点的三维坐标，解得：}中第k对点的三维坐标，解得：其中U和V是协方差矩阵S
c
的奇异值分解，协方差矩阵S
c
＝
XY
T
，其中X,Y分别由列向量和组成，k＝1,2,...,K；求得最优旋转矩阵和最优平移矩阵后，计算平均匹配距离误差为：S4.3：基于两点集的平均匹配距离误差，分别计算节点间相似度和连接边间相似度；两图G,G'中的两节点G
i
,G'
i'
的相似度为：其中为图G中节点G
i
的采样点集，为图G'中节点G'
i'
的采样点集；两图G,G'中的两连接边G
ij
,G'
i'j'
的相似度为：其中为图G中连接边G
ij
的采样点集，为图G'中连接边G'
i'j'
的采样点集；S5：利用图匹配方法对两模型的顶点进行预匹配，定义两图G,G'的匹配矩阵M，其元素m
ii'
在图G的节点G
i
和图G'的节点G'
i'
匹配时为1，否则为0；寻找使总相似度最大的最优匹配矩阵M
*
：使用投影不动点迭代法求解M
*
，得到两图的节点匹配结果，图中匹配的两节点在模型中对应的面即为预匹配的面，当两模型中的两边所邻接的面均为预匹配的面时，这两条边为预匹配的边，同样地，当两模型中的两顶点所邻接的边均为预匹配的边时，这两个顶点为预匹配的顶点；S6：通过误匹配消除方法计算模型间刚体变换关系，给定最大允许误差ε，计算预匹配顶点集的平均匹配距离误差，若其小于最大允许误差ε，则此时的最优旋转矩阵和最优平移矩阵即为模型间的刚体变换参...

【专利技术属性】
技术研发人员：程锦，吕昊，胡伟飞，刘振宇，谭建荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：