基于全局輪廓形狀特征保持的機(jī)械CAD網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化.pdf

1、在機(jī)械制造、建筑、醫(yī)療、軍事、電子商務(wù)和地理信息等領(lǐng)域中，對(duì)三維模型的可視化和基于Internet的傳輸和處理技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍。三角面片作為幾乎所有的圖形顯示硬件所直接支持的一種基本幾何單元，采用三角面片的三維網(wǎng)格模型是目前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)用于模型繪制的通用表示格式。隨著這些應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維模型表示精度及復(fù)雜度的不斷提高，用來(lái)表示三維網(wǎng)格模型的三角面片數(shù)量急劇增加，常常超出圖形硬件交互繪制和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪芰?。網(wǎng)格模型

2、簡(jiǎn)化是解決上述問(wèn)題的主要方法之一。
　　 數(shù)字化制造和數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程涉及到的模型通常是機(jī)械CAD模型。機(jī)械產(chǎn)品表面通常都由一些規(guī)則形體的表面構(gòu)成，因此機(jī)械CAD模型大多具有形狀規(guī)則、特征輪廓明顯等特點(diǎn)，將已有的網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化通用算法直接用于這些CAD模型的簡(jiǎn)化，在模型的全局輪廓形狀特征保持方面效果往往不理想。本文以機(jī)械CAD網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化及簡(jiǎn)化后全局輪廓形狀特征的保持問(wèn)題為重點(diǎn)研究對(duì)象，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，提出了一種基于全局

3、輪廓形狀特征保持的適合機(jī)械CAD網(wǎng)格模型的簡(jiǎn)化方法，并對(duì)該方法所涉及到的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題做了研究和探討。
　　 首先，針對(duì)機(jī)械CAD三角網(wǎng)格模型中普遍存在的網(wǎng)格稀疏性和非均勻性分布等特點(diǎn)，提出了一種特征的二次提取及表面分割混和算法：第一次提取及分割采取基于邊的方法，即在平面合并的基礎(chǔ)上根據(jù)相鄰三角面片法矢夾角的方差進(jìn)行判斷和處理，以消除稀疏網(wǎng)格和網(wǎng)格面片分布不均等因素對(duì)離散曲率估算及表面正確分割的影響，從而實(shí)現(xiàn)平面與其他稀疏網(wǎng)格表面

4、區(qū)域的分割和邊界特征的提取；第二次提取及分割采取基于頂點(diǎn)的離散曲率分析的方法計(jì)算出各面片的近似曲率，然后通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)其他表面區(qū)域的分割及特征提取。該算法既能解決基于邊的方法因提取邊界不完整無(wú)法保證表面特征正確分割的問(wèn)題，又克服了基于頂點(diǎn)方法的網(wǎng)格稀疏區(qū)域曲率估算誤差較大，分割時(shí)常出現(xiàn)誤分割或丟失邊界特征的問(wèn)題。算法對(duì)于過(guò)分割問(wèn)題，還給出了一種基于曲率誤差的區(qū)域的合并處理方法。上述分割算法能較好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械CAD三角網(wǎng)格模型特征輪廓的

5、提取和表面分割，為后續(xù)的網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化過(guò)程中的特征保持提供必要的信息。
　　 其次，針對(duì)機(jī)械CAD模型特征輪廓形狀規(guī)則、常具有等邊長(zhǎng)、對(duì)稱(chēng)性等特點(diǎn)，給出了一種基于離散粒子群算法的數(shù)字曲線多邊形逼近方法，以完成對(duì)提取的網(wǎng)格模型的特征輪廓多邊形的形狀特征全局保持的簡(jiǎn)化。該方法以二進(jìn)制向量序列表示的粒子作為每一個(gè)對(duì)應(yīng)的逼近多邊形候選解，將簡(jiǎn)化前后多邊形的形心偏移誤差以及各被替換線段歐氏距離的方差引入到適應(yīng)函數(shù)中，用迭代次數(shù)的sigmoi

6、d函數(shù)替代常量加速因子來(lái)控制多邊形逼近的粒子群優(yōu)化求解過(guò)程中的全局和局部搜索特性。該算法對(duì)規(guī)則曲線多邊形簡(jiǎn)化逼近前后的形狀特征的保持具有較好的效果。為了減少對(duì)本文后續(xù)的QEM簡(jiǎn)化改進(jìn)算法所生成的多邊形頂點(diǎn)的調(diào)整量，算法還將QEM簡(jiǎn)化結(jié)果中的對(duì)應(yīng)多邊形頂點(diǎn)位置作為約束條件，給出了一種具有參照解約束的曲線的多邊形逼近算法，通過(guò)調(diào)整各因素的影響因子值的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)整量的大小和全局及局部特征保持程度的靈活控制。
　　 最后，在以上工

7、作的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于全局形狀特征保持的、適合機(jī)械CAD網(wǎng)格模型的簡(jiǎn)化方法。該算法針對(duì)將現(xiàn)有通用簡(jiǎn)化算法用于機(jī)械CAD模型簡(jiǎn)化時(shí)通常不能保持模型的全局輪廓特征問(wèn)題，首先采取本文提出的二次特征提取及表面分割混和算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械CAD網(wǎng)格模型的特征輪廓的提取，以便算法后續(xù)步驟實(shí)現(xiàn)各輪廓全局特征保持的簡(jiǎn)化；其次，給出了一種根據(jù)邊界輪廓信息對(duì)模型表面組成邊進(jìn)行分類(lèi)、并采取不同簡(jiǎn)化策略的改進(jìn)的QEM簡(jiǎn)化算法，根據(jù)該算法對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行預(yù)簡(jiǎn)化