專利名稱：產(chǎn)品stl模型快速求交方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明提供一種產(chǎn)品STL模型快速求交方法，屬于產(chǎn)品逆向工程技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
產(chǎn)品STLGtereo Lithography)模型因其對復雜外形產(chǎn)品具有造型快速靈活、拓撲適應性強等特點，廣泛應用于產(chǎn)品數(shù)字化模型重建、曲面細分造型、快速成型制造及數(shù)控加工仿真等領域。為精確表示模型外形，產(chǎn)品STL模型通常由海量數(shù)據(jù)組成，有效提高STL 模型求交效率對于逆向工程系統(tǒng)中的曲面裁剪、拼接及數(shù)控刀軌生成等問題的研究具有重要意義。對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，郭開波等在其學術(shù)論文“STL模型布爾運算的實現(xiàn)”(華中科技大學學報，2006，34 (7) :96-99)中基于鄰接表建立三角網(wǎng)格曲面模型索引結(jié)構(gòu)，采用三角面片包圍盒相交檢測算法求解三角網(wǎng)格曲面模型交線數(shù)據(jù)，并根據(jù)交線數(shù)據(jù)鄰接表實現(xiàn)交線段鄰接排序，由于鄰接表的建立及維護過程過于繁瑣，且需反復線性遍歷鄰接表以查詢相交面片，嚴重影響了曲面求交效率?；ㄐl(wèi)華等在其學術(shù)論文“一種改進的不規(guī)則三角網(wǎng)格曲面切割算法”(地球科學-中國地質(zhì)大學學報，2006,31(5) =619-623)中采用0BB(0riented Bounding Box)樹建立三角網(wǎng)格曲面模型索引結(jié)構(gòu)，通過包圍盒求交獲取相交區(qū)域，求解模型間交點，通過對交點排序提取交線，可有效提高數(shù)據(jù)量較小網(wǎng)格曲面求交效率，但該算法所采用的索引結(jié)構(gòu)為非平衡二叉樹，容易出現(xiàn)層數(shù)過多現(xiàn)象，嚴重影響網(wǎng)格曲面相交區(qū)域查詢效率，難以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)網(wǎng)格曲面模型快速求交。周海在其博士學位論文“細分曲面造型技術(shù)研究”中以八叉樹作為三角網(wǎng)格曲面索引結(jié)構(gòu)，通過包圍盒相交查詢相交區(qū)域，由于包圍盒僅包含三角面片重心，不能包含整個三角面片，通過包圍盒求交檢索相交區(qū)域容易產(chǎn)生漏交。孫殿柱在其專利“產(chǎn)品STL模型布爾運算方法”(Publication No. CN 101510225,Application No. CN200910019897. 1)中基于R*_樹動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)定位網(wǎng)格模型的相交區(qū)域，通過交線數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點的空間鄰近關(guān)系實現(xiàn)交線數(shù)據(jù)鄰近排序，該算法需要對交線數(shù)據(jù)建立索引結(jié)構(gòu)，影響了網(wǎng)格曲面模型求交效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的求交過程繁瑣，效率低，難以實現(xiàn)逆向工程中海量網(wǎng)格數(shù)據(jù)的快速求交等技術(shù)問題，提供一種適用于任意STL網(wǎng)格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)適用性強，運行效率高的產(chǎn)品STL模型快速求交方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于步驟依次為1)假設參與求交的兩個STL模型為S1和S2，分別基于Rt樹對S1和 &構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)動態(tài)索引結(jié)構(gòu)；2)采用深度優(yōu)先遍歷算法，判斷31動態(tài)索引結(jié)構(gòu)與&動態(tài)索引結(jié)構(gòu)索引結(jié)點包圍盒的相交關(guān)系，獲取相交葉結(jié)點包圍盒，將其包含的三角面片添加到相交三角面片包圍盒集合Ut ；3)基于索引結(jié)點空間鄰近關(guān)系對Ut中索引結(jié)點包圍盒進行拓撲近鄰排序，獲取有序的索引結(jié)點包圍盒序列；4)將空間三角面片位置關(guān)系劃分為相交(一個三角面片的頂點在另一三角面片所在平面的兩側(cè))、共面(兩三角面片共面)及相離 (一個三角面片三個頂點在另一個三角面片所在平面的同側(cè))三種情況，獲取Ut中各包圍盒內(nèi)三角面片交線段具體步驟為若兩三角面片相交，計算兩三角形所在平面的交線L，通過L與兩三角面片求交獲取L與兩三角面片之間的交線段，確定兩交線段端點對應于直線 L上的參數(shù)值t00, t01、t00和tn，若t01彡t10或tn彡t00無交線；對于相交情況可根據(jù)參數(shù)值分布情況求出交線段，令交線段的起點和終點對應直線L上的參數(shù)值分別為、和、，則 to和、可由下式求得，
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于，步驟依次為1)設參與求交的兩STL 模型為S1和&，分別基于Rt樹對S1和&構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)動態(tài)索引結(jié)構(gòu)，并對動態(tài)索引結(jié)構(gòu)中的索引結(jié)點進行聚類分簇；2)采用深度優(yōu)先遍歷算法，判斷S1的動態(tài)索引結(jié)構(gòu)與&的動態(tài)索引結(jié)構(gòu)索引結(jié)點包圍盒的相交關(guān)系，獲取相交葉結(jié)點包圍盒，將其包含的三角面片添加到相交三角面片包圍盒集合Ut中；3)基于索引結(jié)點空間鄰近關(guān)系對Ut中索引結(jié)點包圍盒進行拓撲近鄰排序，獲取有序的索引結(jié)點包圍盒序列；4)將三角面片位置關(guān)系劃分為相交、共面及相離三種情況，獲取仏中各包圍盒內(nèi)三角面片的交線段，具體步驟為若兩三角面片相交，計算兩三角面片所在平面的交線L，通過交線L與兩三角面片求交獲取交線L與兩三角面片之間的交線段，確定兩交線段端點對應于直線L上的參數(shù)值t, t01, t10和tn， 令交線段的起點和終點對應直線L上的參數(shù)值分別為、和、，則、和、可由下式求得，, ,10，Ooo — ^io), ^oi ‘ (^oi《,U)Z0 = SZ1 = Sl/oo，(^00 >義10) l/ll，Ooi >義11)交線段端點V1, V2的坐標即分別為C (t0)、C (ti)，當tQ1 < t10或tn彡t00時無交線；若兩三角面片共面，利用三角面片三條邊與另一三角面片求交獲取兩三角面片交線段，將各交點平均值作為交點；若兩三角面片相離，則表示兩三角形不相交，不進行求交運算；5)對步驟4)中得到的各交線段進行首尾連接得到STL模型交線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于步驟1)中所述對 STL模型動態(tài)索引結(jié)構(gòu)中的索引結(jié)點進行聚類分簇是指采用基于間隙統(tǒng)計算法獲取索引結(jié)點最佳聚類簇數(shù)，并采用k-均值算法對索引結(jié)點進行最佳聚類簇數(shù)下的聚類分簇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于所述對STL模型動態(tài)索引結(jié)構(gòu)中的索引結(jié)點進行聚類分簇的具體步驟為①初始化聚類簇數(shù)為k= 1，在索引結(jié)點范圍內(nèi)選擇F組均勻分布的參考點集，采用k-均值算法對F組參考點集進行聚類分簇，將每一組參考點集都分為k簇；②計算其聚類相似度之和W(k)k-\ ηα-\ηα-\ γ \ γ α=0 ζ=0 ；=0 αTi, rj(i Φ j)分別為索引結(jié)點Ni, Nj包圍盒的外接球半徑，d為索引結(jié)點Ni, Nj包圍盒中心間距，采用公式d = ^jix1 -Xj)2 + {y-yjf + (zt -Zj)2計算，(Xi, Ii, Zi)、(Xj, Yj, Zj)分別為N” Nj的包圍盒中心坐標，na為經(jīng)k-均值分裂后第a簇的索引結(jié)點數(shù)；③采用公式伢lnfFre/㈨]= ‘Σ:1η^τ，#)計算參考點集聚類相似Γ J度期望值，公式中下標ref表示數(shù)據(jù)為參考點集，Wref, j(k)表示第j組參考點集進行k-均值聚類的聚類相似度之和；④采用公式Wit =指Z;JlnWreij(/c)_E[lnWrei(/c)]}2計算參考點集標準差，并采用公式\計算由參考點集標準差導致的聚類結(jié)果誤差；⑤若步驟②中索引結(jié)點分簇結(jié)果滿足條件￡{111[^10]}-111[1(10] ^E{ln[ffref(k+l)}-ln[ff(k+l)-sk+1]，則索引結(jié)點最佳簇數(shù)為k，索引結(jié)點最佳聚類簇數(shù)獲取過程結(jié)束，否則令k = k+1，返回步驟②。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于步驟①中所述F組均勻分布的參考點集中F的取值與索引結(jié)點數(shù)量成正比。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于所述F組均勻分布的參考點集中F的取值為3 8。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于步驟①中所述每一組參考點集的獲取步驟為將索引結(jié)點統(tǒng)一表示為四維點對象(X，1，Z, r)，組成nXp的矩陣A，A中每一行對應一個索引結(jié)點的四維點坐標，其中η為索引結(jié)點數(shù)，ρ為索引結(jié)點維度；對矩陣A進行奇異值分解:A = UDVt ；定義矩陣B = AV,在矩陣B列值范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的矩陣C ；定義矩陣Z = CVt，矩陣Z即為參考點集。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于步驟幻所述獲取有序的索引結(jié)點包圍盒序列的具體步驟為①任取序列Ut中一元素M作為初始點，將M添加到輔助序列\(zhòng)中，并將M從序列Ut中刪除，構(gòu)造向量P1并初始化P1 = 0 ；②采用擴展空心球算法遍歷S1的動態(tài)索引結(jié)構(gòu)，獲取MWk-近鄰索引結(jié)點，若存在索引結(jié)點屬于Ut，則執(zhí)行③，否則執(zhí)行⑥；③取距離M最近且屬于Ut的索引結(jié)點N，設M的包圍盒中心點為0Μ， N的包圍盒中心點為0Ν，令向量P1 = OmOn，將索引結(jié)點N添加到輔助序列Vi中并將NW Ut 中刪除；④遍歷M的k-近鄰索引結(jié)點，若存在索引結(jié)點Ntl屬于序列Ut且中心點Onci滿足 P1 · OmOno ( 0，則執(zhí)行⑤，否則令N為M，返回②；⑤將N0從Ut中刪除并添加到輔助序列Vi 中M索引結(jié)點的前面，分別令N和Ntl為M，返回②；⑥若Ut為空，則輔助序列Vi中元素即為有序的包圍盒序列，索引結(jié)點包圍盒拓撲近鄰排序過程結(jié)束，否則令i = i+Ι，返回①繼續(xù)執(zhí)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)品STL模型快速求交方法，其特征在于所述輔助序列Vi 中，i的初始值為0，最大取值不超過索引結(jié)點數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種產(chǎn)品STL模型快速求交方法，屬于產(chǎn)品逆向工程技術(shù)領域。其特征在于基于R*-樹構(gòu)建STL模型動態(tài)索引結(jié)構(gòu)，通過索引結(jié)點包圍盒相交檢測快速縮小求交范圍，準確定位相交三角面片包圍盒集合并對該集合進行拓撲近鄰排序，依次連接各包圍盒內(nèi)三角網(wǎng)格曲面模型交線段，實現(xiàn)曲面模型交線快速提取，實例證明該方法可有效提高數(shù)據(jù)密集、形狀復雜的STL曲面模型求交效率，對逆向工程中三角網(wǎng)格曲面模型的裁剪、拼接及數(shù)控加工刀軌生成具有重要意義。
文檔編號G06F17/50GK102508973SQ201110355099
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者孫殿柱, 孫永偉, 宋洋, 李延瑞 申請人:山東理工大學