專利名稱：體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及區(qū)分由包含1介質(zhì)或2介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的、未必封閉的邊界數(shù)據(jù)隔開的空間的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序。
背景技術(shù)：
在研究開發(fā)、技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)，使用CAD(Computer AidedDesign計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(Computer Aided Manufacturing計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAE(Computer Aided Engineering計(jì)算機(jī)輔助工程)、CAT(Computer Aided Testing計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試)等，分別作為設(shè)計(jì)、加工、分析、試驗(yàn)的輔助手段。
另外，將連續(xù)進(jìn)行不同的模擬或使模擬結(jié)果與加工工藝聯(lián)動(dòng)，使這些操作共有1個(gè)體數(shù)據(jù)來進(jìn)行等的方法也正在得到普及。
在上述的傳統(tǒng)的模擬方法中，對(duì)象物的邊界面具有重要含意，例如廣泛進(jìn)行用邊界表現(xiàn)對(duì)象物而邊界面內(nèi)部作同樣處理的方法。這時(shí)，需要判定是二維或三維的邊界面的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)的內(nèi)外判定方法。
作為傳統(tǒng)的內(nèi)外判定方法，公知有(1)光線交叉法(非專利文獻(xiàn)1)；(2)利用邊界跟蹤的區(qū)域生長(zhǎng)(擴(kuò)展)法(非專利文獻(xiàn)2)；(3)圖像處理中的光柵跟蹤(非專利文獻(xiàn)2)；(4)多方向跟蹤(非專利文獻(xiàn)2)；(5)Curless的方法(非專利文獻(xiàn)3)；(6)使用八分儀的Szeliski的方法(非專利文獻(xiàn)4)或Pulli的方法(非專利文獻(xiàn)5)；以及(7)非專利文獻(xiàn)6、7及專利文獻(xiàn)1～3。另外，公開了本發(fā)明的同一申請(qǐng)人的關(guān)聯(lián)專利文獻(xiàn)4～7。
非專利文獻(xiàn)1J.O′Rourke，″Computational geometry in C secondedition″，p.246，Cambridge University Press，1998.
非專利文獻(xiàn)2Rosenfeld & Kak長(zhǎng)尾譯，“數(shù)字圖像處理”，近代科學(xué)社，pp.332～357)非專利文獻(xiàn)3B.Curless and M.Levoy，″A volumetric method forbuilding complex models from range images.″，In Proceedings ofSIGGRAPH′96，pages 303-312，August 1996)非專利文獻(xiàn)4R.Szeliski.″Rapid octree construction from imagesequences.″非專利文獻(xiàn)5K.Pulli，T.Duchamp，H.Hoppe，J.McDonald，L.hapiro，W.Stuetzle.，″Robust meshes from multiple range maps.″Proceedings of International Conference on Recent Advances in 3-DDigital Imaging and Modeling，May 1997，pages 205-211.
非專利文獻(xiàn)6米川、小堀、久津輪，“使用空間分割模型的造型器”信息處理學(xué)會(huì)雜志，Vol.37，No.1，pp.60-69，1996非專利文獻(xiàn)7森本、山口，“遞歸空間分割法和局部空間分類，自交叉及向有重疊的曲線的擴(kuò)展”，信息處理學(xué)會(huì)論文集，Vol.37，No.12，Dec.1996非專利文獻(xiàn)8Weiler，K.，The radial-edge structureA topologicalrepresentation for non-manifold geometric boundary representations，InGeometric Modeling for CAD Applications，North-Holland，(1988)，pp.3-36.
非專利文獻(xiàn)9Cavalcanti，P.R.，Carvalho，P.C.P.，and Martha，L.F.，Non-manifold modelingan approach based on spatialsubdivision，Computer-Aided Design，29(3)，(1977)，pp.209-220.
專利文獻(xiàn)1日本特開平8-96025號(hào)公報(bào)，“圖形處理方法及裝置”
專利文獻(xiàn)2日本特開平8-153214號(hào)公報(bào)，“三維正交格子數(shù)據(jù)的生成方法”專利文獻(xiàn)3日本特開2003-44528號(hào)公報(bào)，“物體的表面格子生成方法”專利文獻(xiàn)4日本特許第3468464號(hào)公報(bào)，“將形狀與物性統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)生成方法”專利文獻(xiàn)5日本特開2003-330976號(hào)公報(bào)，“邊界數(shù)據(jù)的內(nèi)外判定方法及其程序”專利文獻(xiàn)6國(guó)際公開第03/048980號(hào)小冊(cè)子，“三維形狀數(shù)據(jù)到胞腔內(nèi)部數(shù)據(jù)的變換方法及變換程序”專利文獻(xiàn)7國(guó)際公開第03/073335號(hào)小冊(cè)子，“邊界數(shù)據(jù)到胞腔內(nèi)形狀的變換方法及變換程序”非專利文獻(xiàn)1公開的光線交叉法(Ray crossings method)中，通過從有輸入邊界面時(shí)的點(diǎn)發(fā)射的光線(半直線)與邊界的交點(diǎn)是偶數(shù)還是奇數(shù)，若為偶數(shù)則判斷光線的視點(diǎn)為物體外部，若為奇數(shù)則判斷為物體內(nèi)部。
但是該方法在光線偶爾與邊界相切時(shí)，成為重根，因而本來應(yīng)存在2個(gè)的交點(diǎn)成為一個(gè)而不能適用，存在邊界信息有不完備(CAD數(shù)據(jù)等在用不同軟件讀取時(shí)表現(xiàn)方式會(huì)有不同或會(huì)因數(shù)值誤差而產(chǎn)生數(shù)據(jù)的遺漏)時(shí)也不能適用的問題。
采用僅供給邊界信息的圖像處理中的邊界跟蹤的區(qū)域生長(zhǎng)(擴(kuò)展)法，例如非專利文獻(xiàn)2、8、9中所公開的，但存在因處理涉及整體而較慢、表面信息不完備時(shí)不能準(zhǔn)確識(shí)別等的問題。
圖像處理中的光柵跟蹤公開于非專利文獻(xiàn)2，一邊沿著X軸等坐標(biāo)軸掃描胞腔一邊跟蹤邊界或嵌入邊界的區(qū)域，但是在將不完備(未成為閉曲面)的邊界信息設(shè)為經(jīng)量化的圖像時(shí)依然不能準(zhǔn)確識(shí)別。
作為避免該情況的方法有多方向跟蹤(非專利文獻(xiàn)2)方法，但效率較低。
在逆求工程(根據(jù)測(cè)定點(diǎn)群重建表面信息的方法)領(lǐng)域中的Curless方法，是利用有規(guī)則地排列的測(cè)定點(diǎn)和向測(cè)定對(duì)象的多個(gè)攝像機(jī)的方向等外部信息，在整個(gè)場(chǎng)定義基于距離的隱函數(shù)，重建表面信息的可靠的方法，公開于非專利文獻(xiàn)3。
但是Curless方法中，必須進(jìn)行全部胞腔的距離場(chǎng)計(jì)算，在這一點(diǎn)上存在數(shù)據(jù)量和計(jì)算時(shí)間的缺點(diǎn)。另外，還提出了比胞腔的尺寸薄的結(jié)構(gòu)或在銳角的面上不能正確計(jì)算距離函數(shù)等的精度上的問題。這在識(shí)別中也會(huì)導(dǎo)致誤判斷。
使用八分儀的Szeliski方法(非專利文獻(xiàn)4)或Pulli方法(非專利文獻(xiàn)5)也是將若干取得的對(duì)象的程距數(shù)據(jù)(距離數(shù)據(jù))和空間用八分儀分割的胞腔的關(guān)系分為內(nèi)部、外部、邊界這3個(gè)類重建邊界的方法。在這些方法中，在各胞腔采用射影(projection)操作，因此存在處理復(fù)雜、花費(fèi)時(shí)間的問題，甚至有射影操作中的計(jì)算不穩(wěn)定的問題。
在非專利文獻(xiàn)6公開的方法中，通過外、邊界、內(nèi)這三類胞腔，結(jié)果只能表現(xiàn)2介質(zhì)。另外，存在僅為形狀表現(xiàn)且無物性值的問題。
在非專利文獻(xiàn)7公開的方法是以輸入、分支等為對(duì)象的內(nèi)外判定法，但限定為二維且連續(xù)、有界。另外，雖然使用有向曲線，但存在不能適用于多介質(zhì)、三維、不連續(xù)的問題。
另外，專利文獻(xiàn)1～3僅對(duì)應(yīng)于2介質(zhì)而不能對(duì)應(yīng)于1介質(zhì)也不能對(duì)應(yīng)于3以上的多介質(zhì)，且不能對(duì)應(yīng)于復(fù)雜的表面數(shù)據(jù)。
另外，在本發(fā)明申請(qǐng)人的專利文獻(xiàn)4～7全部與多介質(zhì)對(duì)應(yīng)，但存在以下問題(1)因復(fù)雜形狀的邊界造成多介質(zhì)的所屬空間區(qū)分的困難；(2)對(duì)于作為專利文獻(xiàn)4中提出的體數(shù)據(jù)而處理的輸入對(duì)象(邊界數(shù)據(jù))有限制。
換句話說，當(dāng)完全封閉的整體即2流形為邊界數(shù)據(jù)時(shí)，即使多介質(zhì)也能處理，但是從1個(gè)邊分支出多個(gè)面的邊界數(shù)據(jù)或開了孔或中途斷開的邊界數(shù)據(jù)即面的分支、孔、開殼、僅1介質(zhì)或3介質(zhì)以上的多介質(zhì)等的邊界為非流形時(shí)的處理有困難。
還有，在本發(fā)明中流形、非流形為二維邊界，立體、體、介質(zhì)、所屬空間為三維區(qū)域。
本發(fā)明為解決上述問題構(gòu)思而成。即，本發(fā)明目的是提供能夠以完全封閉的整體即2流形的邊界數(shù)據(jù)的外和內(nèi)的2介質(zhì)以及包含具有開殼的邊界的1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔等的非流形的邊界數(shù)據(jù)為輸入對(duì)象進(jìn)行處理，且可將由它們隔開的空間高速且可靠地區(qū)分的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序。
換言之，本發(fā)明的目的是提供按區(qū)分的每個(gè)空間附加不同的材料(介質(zhì))信息作為VCAD數(shù)據(jù)(體數(shù)據(jù))，并使各種模擬聯(lián)動(dòng)/連續(xù)，并可利用附加了該信息(按時(shí)序變化)的體數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、與實(shí)物比較、評(píng)價(jià)等的檢查的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明，提供一種體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于利用計(jì)算機(jī)，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對(duì)象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計(jì)算機(jī)輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)，通過空間編號(hào)壓縮部件，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)。
另外，依據(jù)本發(fā)明，提供一種體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)程序，其特征在于利用計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟取得由對(duì)象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)的外部數(shù)據(jù)取得步驟；將所述外部數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)的外部數(shù)據(jù)輸入步驟；將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔的胞腔分割步驟；將分割后的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔的胞腔區(qū)分步驟；對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)的空間區(qū)分步驟；以及將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)的空間編號(hào)壓縮步驟。
依據(jù)上述本發(fā)明的方法及其程序，通過胞腔分割部件(胞腔分割步驟)，將全部外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔，并將由胞腔區(qū)分部件(胞腔區(qū)分步驟)分割的各胞腔區(qū)分為邊界胞腔和非邊界胞腔，因此即使外部數(shù)據(jù)為包含3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形，也必定區(qū)分為邊界胞腔或非邊界胞腔。
另外，由于長(zhǎng)方體胞腔比原邊界數(shù)據(jù)大，因此通過將僅包含邊界數(shù)據(jù)的一部分(例如1點(diǎn))的胞腔設(shè)為邊界胞腔，邊界數(shù)據(jù)必定包含于邊界胞腔。
而且，通過空間區(qū)分部件(空間區(qū)分步驟)，對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)，并通過空間編號(hào)壓縮部件(空間編號(hào)壓縮步驟)將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)，因此即使外部數(shù)據(jù)為包含1介質(zhì)的開殼、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔等的非流形，也可照樣設(shè)定為不同的空間編號(hào)。
因而，本發(fā)明的方法及其程序能夠以完全封閉的整體即2流形為邊界的外和內(nèi)的2介質(zhì)，以及包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為輸入對(duì)象(邊界數(shù)據(jù))進(jìn)行處理。
依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例，通過所述空間區(qū)分部件，(A)當(dāng)胞腔為非邊界胞腔時(shí)，設(shè)定單一的空間編號(hào)，(B)當(dāng)胞腔為邊界胞腔時(shí)，設(shè)定邊界數(shù)據(jù)將邊界胞腔的棱在該胞腔內(nèi)切斷的切斷點(diǎn)和僅在連接該切斷點(diǎn)的邊上連接的單一或多個(gè)切斷三角形，有切斷點(diǎn)而無切斷三角形時(shí)，設(shè)定單一的空間編號(hào)，有在邊上連接的多個(gè)切斷三角形時(shí)，對(duì)所有切斷三角形依次實(shí)施探索共有邊且面形成的角度為最小的切斷三角形的環(huán)探索方法。
依據(jù)該方法，當(dāng)存在邊上連接的多個(gè)切斷三角形時(shí)，也可對(duì)以各切斷三角形隔開的每個(gè)空間高速且可靠地設(shè)定不同的空間編號(hào)。因而，即使胞腔數(shù)n較大時(shí)，由于胞腔單位的處理成為基準(zhǔn)，因此處理時(shí)間也僅為O(n)量級(jí)(與n成比例)，可高速處理。
另外，計(jì)算步驟簡(jiǎn)單，其程序化或向計(jì)算機(jī)的安裝也簡(jiǎn)單。而且，以邊界胞腔隔開的多個(gè)空間被賦予不同的空間編號(hào)，因此減少不同空間分類為一個(gè)空間的可能性，也可適用于能夠表現(xiàn)多介質(zhì)的空間。
通過所述環(huán)探索方法，根據(jù)由對(duì)構(gòu)成切斷三角形的背面與表面這2面帶方向邊的環(huán)來確定的其法線矢量所指的半空間，從而設(shè)定有介質(zhì)存在的空間的編號(hào)。另外，通過所述環(huán)探索方法，依次探索共有邊且邊的方向相反的2個(gè)以上的切斷三角形，最終設(shè)定由到達(dá)開始的切斷三角形而封閉的邊界包圍的空間的編號(hào)。
采用該方法，不是胞腔頂點(diǎn)而是使邊界數(shù)據(jù)(胞腔內(nèi)面)的表面與背面直接具有所屬空間，從而即使因多個(gè)計(jì)算機(jī)或用戶而分散的環(huán)境也可通過胞腔高速取得并利用介質(zhì)或各種屬性(的所屬空間)。
另外，最好對(duì)各胞腔用所述環(huán)探索方法逐次處理或并行分散處理。
通過該方法，可比最接近本發(fā)明的非專利文獻(xiàn)8、9高速且可靠地進(jìn)行處理。
另外，通過所述胞腔分割部件，最好將長(zhǎng)方體胞腔以八分儀分割來再分割，直到得到可重建構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素的充分的切斷點(diǎn)，或直到使用者任意確定的次數(shù)。
采用該方法，由八分儀分割來可適用于VCAD數(shù)據(jù)。
所述空間區(qū)分部件通過對(duì)X、Y、Z這3個(gè)方向依次重復(fù)或遞歸處理，依次掃描所述長(zhǎng)方體胞腔的全部。
在Voxel數(shù)據(jù)時(shí)，通過對(duì)X、Y、Z這3個(gè)方向依次重復(fù)，而在VCAD數(shù)據(jù)時(shí)，通過遞歸處理，能夠進(jìn)行將長(zhǎng)方體胞腔全部依次無遺漏地掃描。
所述外部數(shù)據(jù)包含對(duì)象物及包圍它的物性值，最好使所述空間區(qū)分部件設(shè)定的空間編號(hào)與該物性值相關(guān)聯(lián)。
依據(jù)上述本發(fā)明的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序，能夠以完全封閉的整體即2流形為邊界的外、內(nèi)2介質(zhì)，以及包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為輸入對(duì)象(邊界數(shù)據(jù))進(jìn)行處理，且可將由它們隔開的空間高速且可靠地區(qū)分。
因而，對(duì)區(qū)分后的每個(gè)空間附加不同的材料(介質(zhì))信息作為VCAD數(shù)據(jù)(體數(shù)據(jù))，并可聯(lián)動(dòng)/連接各種模擬，利用附加了該信息(也包含時(shí)序變化)的體數(shù)據(jù)，進(jìn)行加工或與實(shí)物的比較、評(píng)價(jià)等的檢查。
從而，可在(1)結(jié)構(gòu)分析、大變形分析、熱/流體分析、流動(dòng)分析、去除加工、附加加工、變形加工的模擬；(2)人體等生物和人造物混合存在環(huán)境的模擬、檢查、對(duì)人造物的設(shè)計(jì)、加工；(3)混合地殼或建筑物等的自然物與人造物時(shí)的設(shè)計(jì)、分析、加工、組裝、檢查等各式各樣情況下應(yīng)用。


圖1是執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的胞腔標(biāo)號(hào)方法的流程圖。
圖3是專利文獻(xiàn)6中公開的邊界面的例。
圖4是圖2的空間區(qū)分部件D的流程圖。
圖5是選定共有邊且面所成角度最小的切斷三角形的環(huán)探索方法的說明圖。
圖6是表示作為對(duì)象的三角形與同順序三角形所形成角的關(guān)系示圖。
圖7是角度θ與sinθ、cosθ、tanθ之間的關(guān)系圖。
圖8是表示各區(qū)間的判斷方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖就本發(fā)明的最佳實(shí)施方式進(jìn)行說明。
本發(fā)明的發(fā)明人先創(chuàng)造“將形狀與物性統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)生成方法”并專利申請(qǐng)(專利文獻(xiàn)4)。該方法是可將形狀與物性統(tǒng)一的實(shí)體數(shù)據(jù)以小存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)，從而，將物體的形狀、結(jié)構(gòu)、物性信息、履歷一元化管理，并可將從設(shè)計(jì)到加工、組裝、測(cè)試、評(píng)價(jià)等一系列的工序相關(guān)數(shù)據(jù)用相同的數(shù)據(jù)管理，并可將CAD與模擬一元化的實(shí)體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法。將該方法的數(shù)據(jù)稱為“V-CAD數(shù)據(jù)”或“體數(shù)據(jù)”，將采用該數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)或模擬稱為“體CAD”或“V-CAD”。
本發(fā)明的胞腔標(biāo)號(hào)方法特別適合適用于體數(shù)據(jù)。
首先說明本發(fā)明中的用語。
當(dāng)存在作為輸入的邊界(表面)數(shù)據(jù)時(shí)，將Voxel或八分儀的八分區(qū)等的三維空間的長(zhǎng)方體的表面及其內(nèi)部的區(qū)域稱為“胞腔(cell)”，對(duì)于胞腔而言，使表面信息保持時(shí)的胞腔稱為“邊界胞腔(boundary cell)”，不具有表面信息的胞腔稱為“非邊界胞腔(non-boundary cell)”(專利文獻(xiàn)4中“內(nèi)部胞腔(inner cell)”)。
換言之，邊界胞腔在構(gòu)成胞腔的胞腔內(nèi)部及胞腔邊界即面、棱、頂點(diǎn)中的哪一個(gè)上存在與輸入邊界數(shù)據(jù)的交點(diǎn)，不是這樣的胞腔均為非邊界胞腔。相鄰的胞腔之間不論其種類僅共有胞腔邊界。作為邊界具有2流形的、三維的內(nèi)部充滿的物體稱為“空間”。當(dāng)各空間彼此不連接時(shí)作為不同的空間而給予不同的空間編號(hào)加以識(shí)別。因而是指由閉曲面表現(xiàn)的邊界(表面)所包圍的部分(點(diǎn)集合)，在現(xiàn)實(shí)世界中用作限定相同材料的物體的單位。反之，將區(qū)分不同空間的邊界稱為“邊界(boundary與數(shù)學(xué)上使用的邊界相同定義)”或“表面”。
圖1是執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。如該圖所示，該CAD裝置10具備外部數(shù)據(jù)輸入部件部件2、外部存儲(chǔ)裝置3、內(nèi)部存儲(chǔ)裝置4、中央處理裝置5及輸出裝置6。
外部數(shù)據(jù)輸入部件部件2例如為鍵盤，輸入由對(duì)象物的邊界表現(xiàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)。外部存儲(chǔ)裝置3為硬盤、軟盤、磁帶、小型盤等，其中存儲(chǔ)將形狀與物理量統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)及其生成程序。內(nèi)部存儲(chǔ)裝置4例如為RAM、ROM等，保管運(yùn)算信息。中央處理裝置5(CPU)集中處理運(yùn)算或輸入/輸出等，與內(nèi)部存儲(chǔ)裝置4一起執(zhí)行程序。輸出裝置6例如為顯示裝置和打印機(jī)，將存儲(chǔ)的體數(shù)據(jù)與程序的執(zhí)行結(jié)果輸出。
中央處理裝置5、內(nèi)部存儲(chǔ)裝置4及外部存儲(chǔ)裝置3共同作為后述的外部數(shù)據(jù)取得部件、外部數(shù)據(jù)輸入部件、胞腔分割部件、胞腔區(qū)分部件、空間區(qū)分部件及空間編號(hào)壓縮部件而起作用。
從外部輸入的外部數(shù)據(jù)是表示多面體的多邊形數(shù)據(jù)、用于有限元法的四面體或六面體要素、用于三維CAD或CG工具的曲面數(shù)據(jù)、或其它的將立體的表面用部分的平面或曲面構(gòu)成的信息表現(xiàn)的數(shù)據(jù)。
外部數(shù)據(jù)除了可為這樣的數(shù)據(jù)(稱為S-CAD數(shù)據(jù))以外，也可為(1)通過V-CAD獨(dú)自的接口(V-interface)由人輸入而直接作成的數(shù)據(jù)；(2)測(cè)定機(jī)、傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器等的表面的數(shù)字化數(shù)據(jù)；或者(3)CT掃描儀或MRI及具有一般用于體繪制的Voxel等的內(nèi)部信息的體數(shù)據(jù)。
圖2是在計(jì)算機(jī)裝載的本發(fā)明的胞腔標(biāo)號(hào)方法的流程圖。如該圖所示，本發(fā)明的方法是從外部數(shù)據(jù)取得S1到形成V-CAD數(shù)據(jù)14(或體數(shù)據(jù))為止的處理，由外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D及空間編號(hào)壓縮步驟E構(gòu)成。將從外部數(shù)據(jù)輸入步驟A到空間編號(hào)壓縮步驟E為止的步驟稱為體數(shù)據(jù)形成步驟S2。
另外，如該圖所示，接著體數(shù)據(jù)形成步驟S2，通常進(jìn)行模擬步驟S3及輸出步驟S4，整體上進(jìn)行使用計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、大變形分析、熱/流體分析、流動(dòng)分析、去除加工、附加加工或變形加工的模擬處理。
還有，以下將在外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、體數(shù)據(jù)形成步驟S2(外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D、空間編號(hào)壓縮步驟E)、模擬步驟S3及輸出步驟S4中進(jìn)行的各處理分別稱為外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、體數(shù)據(jù)形成步驟S2(外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D、空間編號(hào)壓縮步驟E)、模擬步驟S3及輸出步驟S4。
另外，本發(fā)明的胞腔標(biāo)號(hào)程序是用以實(shí)施外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D及空間編號(hào)壓縮步驟E的計(jì)算機(jī)程序。
通過外部數(shù)據(jù)取得步驟S1，利用計(jì)算機(jī)取得由對(duì)象物1的邊界數(shù)據(jù)與物性值構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)12。
通過外部數(shù)據(jù)輸入步驟A，將在外部數(shù)據(jù)取得步驟S1中取得的由對(duì)象物1的邊界數(shù)據(jù)與物性值構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)12輸入存有本發(fā)明的方法的計(jì)算機(jī)等。
通過胞腔分割步驟B將外部數(shù)據(jù)12分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體的胞腔13。長(zhǎng)方體胞腔13可為長(zhǎng)方體胞腔以外的立方體胞腔。
將用胞腔區(qū)分步驟C分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔13a和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔13b。
通過空間區(qū)分步驟D，對(duì)將各胞腔13以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)。
將未按空間編號(hào)壓縮步驟E以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)。
通過模擬步驟S3，利用各胞腔的物性值進(jìn)行例如設(shè)計(jì)、分析、加工或CAM(Computer Aided Manufacturing)、組裝、測(cè)試等的模擬。通過輸出步驟S4將模擬結(jié)果例如輸出到打印機(jī)或外部NC裝置等。
將本發(fā)明的方法用于V-CAD數(shù)據(jù)時(shí)，最好通過胞腔分割步驟B，將長(zhǎng)方體胞腔13用八分儀分割進(jìn)行再分割，直至得到構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素可重建的足夠切斷點(diǎn)。
另外，用于通常的Voxel數(shù)據(jù)時(shí)，用胞腔分割步驟B來分割成同一大小的長(zhǎng)方體胞腔13。
圖3是專利文獻(xiàn)6中公開的將邊界面設(shè)為邊界的例，示出當(dāng)具有邊界數(shù)據(jù)的邊界面為平面時(shí)的邊界面和棱線的切斷點(diǎn)的數(shù)為3～6的情況。還有切斷點(diǎn)的數(shù)量并不限于該例，也有7～12的情況。另外，本發(fā)明中，以完全封閉的整體即2流形的邊界數(shù)據(jù)分出外、內(nèi)的2介質(zhì)為對(duì)象，并以包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為對(duì)象。
在圖3例示的邊界胞腔內(nèi)的邊界面可分割成連接切斷點(diǎn)而成的一個(gè)或多個(gè)切斷三角形。其中，將僅用切斷三角形的邊與多個(gè)切斷三角形連接的狀態(tài)(所謂非流形的狀態(tài)的一種，以下本發(fā)明中稱為“分支”)作為對(duì)象。
在這樣的各切斷三角形中，各切斷三角形具有用由切斷點(diǎn)的每3個(gè)確定的表面與背面這2種1環(huán)(通常稱為loop)分別確定的2種所屬空間(用1環(huán)確定的右螺旋方向的法線矢量所指的一側(cè)的三維Euclid空間中的半空間)(可指定)。
還有，全體結(jié)構(gòu)對(duì)于邊界胞腔存在其中包含的全部切斷三角形的列表。還有，切斷三角形可為非連接。
圖4是說明圖2的空間區(qū)分步驟D的更詳細(xì)的流程圖。如該圖所示，通過空間區(qū)分步驟D，在步驟S11中胞腔為非邊界胞腔時(shí)，設(shè)定單一的空間編號(hào)。
另外，當(dāng)胞腔為邊界胞腔時(shí)，在步驟S12中設(shè)定邊界數(shù)據(jù)切斷邊界胞腔的棱的切斷點(diǎn)和僅在連接該切斷點(diǎn)的邊上連接的單一或多個(gè)切斷三角形。
接著，在步驟S13中，若存在切斷點(diǎn)而無切斷三角形，則設(shè)定單一的空間編號(hào)。
最后，在步驟S14中，若存在邊上連接的多個(gè)切斷三角形，則將與共有邊且面所形成角度最小的切斷三角形之間的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)，對(duì)所有切斷三角形按順序?qū)嵤┻@樣的“環(huán)探索方法”。
空間編號(hào)k例如為1、2、3...的整數(shù)，可采用從小到大的順序。
另外，空間區(qū)分步驟中對(duì)X、Y、Z的3個(gè)方向依次重復(fù)，或通過遞歸處理，將長(zhǎng)方體胞腔13的全部依次掃描。在該掃描中通過邊界胞腔13a時(shí)，設(shè)定不同的空間編號(hào)(例如k＝k+1)。另外，在掃描中對(duì)不以邊界數(shù)據(jù)隔開的相鄰的胞腔設(shè)定了空間編號(hào)時(shí)，以改設(shè)為較小的空間編號(hào)為好。
在圖4的空間區(qū)分步驟D的流程圖中，若S13中存在切斷點(diǎn)而無切斷三角形時(shí)，以與非邊界胞腔相同地處理，設(shè)定1種所屬空間編號(hào)。
S13中，有切斷三角形時(shí)，選擇具有編號(hào)小的切斷棱的切斷三角形，并在其背面與表面中選擇任意一側(cè)。
進(jìn)行與對(duì)共有邊的面成形成角度為最小的切斷三角形之間的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)的環(huán)探索，若到達(dá)背面與表面的相反側(cè)，則與非邊界胞腔相同，僅設(shè)定1個(gè)所屬空間編號(hào)。
還有，使用指向僅由原先無切斷點(diǎn)的棱構(gòu)成的胞腔面的內(nèi)側(cè)的環(huán)，在存在切斷點(diǎn)時(shí)也能進(jìn)行環(huán)的細(xì)分割(朝向相同的內(nèi)側(cè))。
對(duì)上面選擇的有側(cè)向(方向)切斷三角形(開始環(huán))進(jìn)行以下的環(huán)探索，到達(dá)開始環(huán)就結(jié)束。
并且，對(duì)上面選擇的有側(cè)向切斷三角形的背面也進(jìn)行調(diào)查。若背面是該胞腔的外側(cè)，則跳過而進(jìn)行下一個(gè)。調(diào)查后就建立確認(rèn)完成旗標(biāo)。若對(duì)所有切斷三角形的背、表兩面確認(rèn)完則結(jié)束。
圖5是用以選定共有邊且面所形成角度我最小的切斷三角形的環(huán)探索方法的說明圖。該圖中，4個(gè)切斷三角形共有邊1-2。以下，說明“環(huán)探索”的方法。
圖5中，將被選為上面的有側(cè)向切斷三角形設(shè)為△(0，1，2)。這里括號(hào)表示順序?qū)?。?shù)字為切斷點(diǎn)，以探索到該切斷點(diǎn)上共有邊并相鄰的切斷三角形的情況為前提。
接著選擇任意的切斷邊。該例中將共有的邊1-2設(shè)為由環(huán)確定的有向邊(1，2)。
本例中，將共有有向邊(1，2)的同順序有向三角形設(shè)為△(2，1，3)、(2，1，4)...(2，1，n)。還有“同順序”指的是與邊1-2反向地探索的三角形，面的法線朝向相同的空間。
從同順序的有向三角形中，選擇與設(shè)為對(duì)象的有側(cè)向切斷三角形△(0，1，2)所形成的有向二面角(directed dihedral angle)成為最小的，即二面的法線所形成的角最小(接近-π)的切斷三角形，從而得知作為對(duì)象的有側(cè)向的切斷三角形△(0，1，2)與該切斷三角形(本例中△(2，1，3))共有同一空間。
以下，就從同順序的有向三角形中，選擇與設(shè)為對(duì)象的有側(cè)向切斷三角形△(0，1，2)所形成的有向二面角成為最小的切斷三角形的方法進(jìn)行說明。
圖6是設(shè)為對(duì)象的三角形和同順序的三角形所形成的角之間的關(guān)系示圖。該圖中，將三角形的面用線段表示，設(shè)為對(duì)象的三角形為2-0，同順序的三角形為3個(gè)線段2-i。
圖6中，若設(shè)2個(gè)面所形成的角度為α(0～2π)，則2個(gè)面的法線所形成的角度θ成為-π～+π。另外，2個(gè)面的法線所形成的角度θ由式(1)表示。
tanθ=n→0×n→i(n→0,n→i)·P1→P2||P1→P2||---(1)]]>因而，只要從式(1)選擇使|1，2|tanθ＝((0，1)×(0，2))×((i，2)×(i，1))·(1，2)/(0，1)×(0，2)·(i，2)×(i，1)(2)最小的切斷點(diǎn)i即可。還有在該式中，×是外積，·是內(nèi)積。
式(2)中，若設(shè)inner＝((0，1)×(0，2))·((i，2)×(i，1))；outer＝((0，1)×(0，2))×((i，2)×(i，1))；inout＝outer·(i，2)，則成為式(3)。
|1，2|tanθ＝inout/inner＝outer·(i，2)/inner(3)其中，tanθ連續(xù)的范圍為-π/2～+π/2，因此分割為-π～-π/2及π/2～π，且先必須除去cosθ＝0的情況。以下，將-π～-π/2稱為區(qū)間1，-π/2～+π/2稱為區(qū)間2，π/2～π稱為區(qū)間3。
圖7是角度θ與sinθ、cosθ、tanθ之間的關(guān)系圖。由該圖可知在區(qū)間1、2、3內(nèi)tanθ總為增函數(shù)，若在各區(qū)間內(nèi)選擇tanθ值小的一方，則能選擇θ小的切斷三角形。另外，在式(3)中，inout和inner分別為與sinθ和cosθ成比例的標(biāo)量。
圖8是表示各區(qū)間的判斷方法的流程圖。該圖中，若在S21中inner為0，則cosθ＝0，若在S22中inout(sinθ)為負(fù)值，則θ＝-π/2，若inout(sinθ)為正值，則θ＝+π/2。
若在S23中inner(cosθ)為正值，則根據(jù)圖7為區(qū)間2。而且，若在S24中根據(jù)圖7inout(sinθ)為負(fù)值，則為區(qū)間1，若inout(sinθ)為正值則為區(qū)間3。
因而，在圖8所示的方法中，判斷θ＝-π/2、+π/2的情況和這以外的各區(qū)間，并選擇區(qū)間編號(hào)小的區(qū)間，而且如果在同一區(qū)間內(nèi)選擇tanθ的值小的值，就能選擇θ小的切斷三角形。
從外部輸入的外部數(shù)據(jù)12是表示多面體的多邊形數(shù)據(jù)、用于有限元法的四面體或六面體要素、用于三維CAD或CG工具的曲面數(shù)據(jù)或其它的將立體表面由局部的平面或曲面構(gòu)成的信息表現(xiàn)的數(shù)據(jù)。
在這樣的數(shù)據(jù)以外，外部數(shù)據(jù)12可為通過V-CAD獨(dú)自的接口由人輸入來直接作成的數(shù)據(jù)；(2)測(cè)定機(jī)或傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器等的表面的數(shù)字化數(shù)據(jù)；或CT掃描儀或MRI及具有一般用于體繪制的Voxel數(shù)據(jù)等的內(nèi)部信息的體數(shù)據(jù)。
輸出數(shù)據(jù)是由附加了按每個(gè)空間而異的標(biāo)記(空間編號(hào))的邊界和最小的空間分解能力以上的尺寸的胞腔構(gòu)成的VCAD數(shù)據(jù)。該VCAD數(shù)據(jù)具有由直接具邊界的胞腔(邊界胞腔)和不具邊界的胞腔(非邊界胞腔)填充的全空間。
如上所述，本發(fā)明的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法及其程序具有以下的效果(1)能夠進(jìn)行用傳統(tǒng)方法不能解決的復(fù)雜形狀的多介質(zhì)的所屬空間區(qū)分；(2)從而可用VCAD處理的輸入對(duì)象得到擴(kuò)大。即，可適用于從以完全封閉的整體即2流形為邊界的外與內(nèi)的2介質(zhì)到在邊界具有非流形(面的分支、孔)、開殼的1介質(zhì)到3以上的介質(zhì)。
(3)以相同的數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行存在1種或3種以上的材料的(多介質(zhì))的物體或流體的混合體的表現(xiàn)、分析及加工或檢查、評(píng)價(jià)。
(4)通過不在胞腔的頂點(diǎn)而讓邊界數(shù)據(jù)(胞腔內(nèi)面)的表面與背面直接具有所屬空間，即使在多個(gè)計(jì)算機(jī)或用戶分散的環(huán)境中也能高速地經(jīng)由胞腔取得并利用介質(zhì)或各種屬性(的所屬空間)。
還有，本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施例，在不超出本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)顯然可作各種變更。
權(quán)利要求
1.一種體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于利用計(jì)算機(jī)，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對(duì)象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計(jì)算機(jī)輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)，通過空間編號(hào)壓縮部件，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于通過所述空間區(qū)分部件，(A)在胞腔為非邊界胞腔時(shí)設(shè)定單一的空間編號(hào)，(B)當(dāng)胞腔為邊界胞腔時(shí)，設(shè)定邊界數(shù)據(jù)將邊界胞腔的棱在該胞腔內(nèi)切斷的切斷點(diǎn)和僅在連接該切斷點(diǎn)的邊上連接的單個(gè)或多個(gè)切斷三角形，當(dāng)有切斷點(diǎn)而無切斷三角形時(shí)，設(shè)定單一的空間編號(hào)，當(dāng)存在邊上連接的多個(gè)切斷三角形時(shí)，對(duì)所有切斷三角形依次實(shí)施探索共有邊且與面形成的角度最小的切斷三角形的環(huán)探索方法。
3.如權(quán)利要求2所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于通過所述環(huán)探索方法，對(duì)于構(gòu)成切斷三角形的背面與表面這2面根據(jù)由有向邊的環(huán)確定的其法線矢量所指的半空間來設(shè)定有介質(zhì)存在的空間的編號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于通過所述環(huán)探索方法，依次探索共有邊且邊的方向相反的2個(gè)以上的切斷三角形，最終到達(dá)開始的切斷三角形，從而設(shè)定封閉邊界包圍的空間的編號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于對(duì)各胞腔用所述環(huán)探索方法逐次處理或并行分散處理。
6.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于通過所述胞腔分割部件，將長(zhǎng)方體胞腔用八分儀分割進(jìn)行再分割，直至得到可重建構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素的足夠切斷點(diǎn)，或直至由使用者任意確定的次數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于所述空間區(qū)分部件通過對(duì)X、Y、Z這3個(gè)方向依次重復(fù)或進(jìn)行遞歸處理，將全部的所述長(zhǎng)方體胞腔依次掃描。
8.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)方法，其特征在于所述外部數(shù)據(jù)包含對(duì)象物及包圍它的物性值，使通過所述空間區(qū)分部件設(shè)定的空間編號(hào)與該物性值相關(guān)聯(lián)。
9.一種體數(shù)據(jù)的胞腔標(biāo)號(hào)程序，其中執(zhí)行以下步驟用計(jì)算機(jī)取得由對(duì)象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)的外部數(shù)據(jù)取得步驟；將所述外部數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)的外部數(shù)據(jù)輸入步驟；將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔的胞腔分割步驟；將分割后的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔的胞腔區(qū)分步驟；對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定不同的空間編號(hào)的空間區(qū)分步驟；以及將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)的空間編號(hào)壓縮步驟。
全文摘要
利用計(jì)算機(jī)，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對(duì)象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計(jì)算機(jī)輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長(zhǎng)方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對(duì)將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個(gè)空間設(shè)定為不同的空間編號(hào)，通過空間編號(hào)壓縮方法，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號(hào)再設(shè)定為同一空間編號(hào)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1950824SQ20058001440
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
發(fā)明者加瀨究, 手島吉法, 宇佐見修吾, 加藤昌也 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人理化學(xué)研究所