逆向工程中數(shù)據(jù)分片及模型重建研究.pdf

1、本文是作者在逆向工程中數(shù)據(jù)分片和模型重建方面所進(jìn)行的一系列理論研究及軟件開發(fā)的總結(jié)。主要內(nèi)容包括：網(wǎng)格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分割及矩形片的提取、多個(gè)B樣條曲面間光滑拼接、任意模型的多個(gè)B樣條曲面擬合的分塊快速算法、基于二元三次樣條函數(shù)在TYPE-II分割下的曲面重建方法、基于約束和層次結(jié)構(gòu)的模型表示及一個(gè)小型逆向工程軟件系統(tǒng)的建立等。 本文首先綜述了逆向工程的現(xiàn)狀,分析了逆向工程中的主要步驟,著重介紹了由不同類型的數(shù)據(jù)(空間點(diǎn)云、輪廓數(shù)據(jù)、

2、多邊形網(wǎng)格)重建不同類型曲面模型的技術(shù),重建曲面的類型主要有分片線性曲面、參數(shù)曲面、隱式曲面及細(xì)分曲面。 數(shù)據(jù)分片工作一直是逆向工程研究中的一個(gè)熱點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn),到目前為此還沒有一種可以通用的分片方法。通常的做法是手工在模型上指定分割邊界或者通過(guò)網(wǎng)格化簡(jiǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分片：手工的方法非常耗時(shí),而通過(guò)網(wǎng)格化簡(jiǎn)的結(jié)果是其分片數(shù)量過(guò)多。對(duì)于網(wǎng)格類型的數(shù)據(jù),為改進(jìn)上述不足,本文給出了一種利用網(wǎng)格上的尖銳特征來(lái)提取矩形片的方法,對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)以

3、及特征不明顯的網(wǎng)格,作者編制的一個(gè)小型的軟件工程系統(tǒng)CTMod提供了特征手工指定及分隔邊界創(chuàng)建的交互方法。相比較傳統(tǒng)的手工方法[81],本文的方法大大提高了分片的速度,相比較網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法[49][13][12],本文的算法得到的數(shù)據(jù)分片數(shù)量大大減少,同時(shí)兼顧了網(wǎng)格上的尖銳特征(Shasrp Feature),使得分片結(jié)果更理想。 多個(gè)B樣條曲面之間光滑拼接是模型重建過(guò)程中的另一個(gè)重要問(wèn)題,由于奇異點(diǎn)的存在,由目前的算法擬合得到的

4、曲面一般只達(dá)到了G~1的連續(xù)。對(duì)于三次B樣條曲面,在分析了任意拓?fù)淠Ｐ颓嬷亟ㄟ^(guò)程中曲面之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,本文提出了一種G~1和G~2混合連續(xù)拼接方法,即沿同一條邊界,曲面之間除了在奇異點(diǎn)附近滿足G~1連續(xù)之外,其它部分滿足G~2連續(xù)。重建后的模型曲面之間盡可能地滿足了更高的光滑連續(xù)性。在算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,采用了基于檢查點(diǎn)的線性約束條件添加辦法。相比較[81],本文采用了不同的光滑約束方程,算法同時(shí)可以自動(dòng)計(jì)算約束方程中的各項(xiàng)系數(shù)：相比

5、較非線性的約束條件方法[85],本文算法的求解過(guò)程更穩(wěn)定。對(duì)于復(fù)雜模型,進(jìn)行全局優(yōu)化的曲面重建時(shí),需要同時(shí)反求大量的曲而控制點(diǎn)。這個(gè)擬合過(guò)程需要求解龐大的線性方程組,由于數(shù)據(jù)采樣以及B樣條基函數(shù)本身的特性等原因,該系數(shù)矩陣常常會(huì)呈現(xiàn)病態(tài),導(dǎo)致擬合結(jié)果失真。對(duì)此,本文提出了基于分塊思想的快速算法。相比較[79 80]直接求解大規(guī)模線性方程組得到的結(jié)果,這里給出的分塊快速擬合方案在不丟失擬合精度的前提下大大地提高了曲面重建速度。本文還研究了

6、二元三次樣條函數(shù)在曲面重建中的應(yīng)用問(wèn)題,在TYPE-II型剖分下,對(duì)于三次樣條插值曲面的C1-拼接問(wèn)題,許多學(xué)者在這方面展開了大量的研究[12][119].但關(guān)于C2-拼接的研究相對(duì)較少,本文使用二元三次樣條函數(shù)來(lái)插值重建曲面,使得重建曲面達(dá)到了C2-拼接,在給出樣條函數(shù)分片表達(dá)式的同時(shí)也給出了其誤差估計(jì)。 在模型存儲(chǔ)中,本文提出了一種基于約束和層次結(jié)構(gòu)的模型表示方法。該數(shù)據(jù)模型使用BREP/CSG表示方法,同時(shí)包含了多重層次的

7、約束,約束集成在于模型特征之間。這種模型可以滿足不同層次建模的需求,特別對(duì)于虛擬制造,在目前虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的輸入和輸出分辨率都很有限的情況下,對(duì)于復(fù)雜模型的建模,其優(yōu)點(diǎn)顯得尤為突出。 最后,作者編制了一個(gè)小型的逆向工程軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)前面提出的一些逆向工程的算法。該系統(tǒng)使用VC++語(yǔ)言,基于MFC框架以及OpenGL技術(shù)開發(fā),可以處理點(diǎn)云、輪廓以及網(wǎng)格類型的采樣數(shù)據(jù).重建模型可以輸出為WavefrontOBJ文件。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中