专利名称：产品stl模型快速求交方法
技术领域：
本发明提供一种产品STL模型快速求交方法，属于产品逆向工程技术领域。
背景技术：
产品STLGtereo Lithography)模型因其对复杂外形产品具有造型快速灵活、拓扑适应性强等特点，广泛应用于产品数字化模型重建、曲面细分造型、快速成型制造及数控加工仿真等领域。为精确表示模型外形，产品STL模型通常由海量数据组成，有效提高STL 模型求交效率对于逆向工程系统中的曲面裁剪、拼接及数控刀轨生成等问题的研究具有重要意义。对现有技术文献检索发现，郭开波等在其学术论文“STL模型布尔运算的实现”(华中科技大学学报，2006，34 (7) :96-99)中基于邻接表建立三角网格曲面模型索引结构，采用三角面片包围盒相交检测算法求解三角网格曲面模型交线数据，并根据交线数据邻接表实现交线段邻接排序，由于邻接表的建立及维护过程过于繁琐，且需反复线性遍历邻接表以查询相交面片，严重影响了曲面求交效率。花卫华等在其学术论文“一种改进的不规则三角网格曲面切割算法”(地球科学-中国地质大学学报，2006,31(5) =619-623)中采用0BB(0riented Bounding Box)树建立三角网格曲面模型索引结构，通过包围盒求交获取相交区域，求解模型间交点，通过对交点排序提取交线，可有效提高数据量较小网格曲面求交效率，但该算法所采用的索引结构为非平衡二叉树，容易出现层数过多现象，严重影响网格曲面相交区域查询效率，难以实现海量数据网格曲面模型快速求交。周海在其博士学位论文“细分曲面造型技术研究”中以八叉树作为三角网格曲面索引结构，通过包围盒相交查询相交区域，由于包围盒仅包含三角面片重心，不能包含整个三角面片，通过包围盒求交检索相交区域容易产生漏交。孙殿柱在其专利“产品STL模型布尔运算方法”(Publication No. CN 101510225,Application No. CN200910019897. 1)中基于R*_树动态空间索引结构定位网格模型的相交区域，通过交线数据索引结构各层结点的空间邻近关系实现交线数据邻近排序，该算法需要对交线数据建立索引结构，影响了网格曲面模型求交效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的求交过程繁琐，效率低，难以实现逆向工程中海量网格数据的快速求交等技术问题，提供一种适用于任意STL网格数据，数据适用性强，运行效率高的产品STL模型快速求交方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该产品STL模型快速求交方法，其特征在于步骤依次为1)假设参与求交的两个STL模型为S1和S2，分别基于Rt树对S1和 &构建网格数据动态索引结构；2)采用深度优先遍历算法，判断31动态索引结构与&动态索引结构索引结点包围盒的相交关系，获取相交叶结点包围盒，将其包含的三角面片添加到相交三角面片包围盒集合Ut ；3)基于索引结点空间邻近关系对Ut中索引结点包围盒进行拓扑近邻排序，获取有序的索引结点包围盒序列；4)将空间三角面片位置关系划分为相交(一个三角面片的顶点在另一三角面片所在平面的两侧)、共面(两三角面片共面)及相离 (一个三角面片三个顶点在另一个三角面片所在平面的同侧)三种情况，获取Ut中各包围盒内三角面片交线段具体步骤为若两三角面片相交，计算两三角形所在平面的交线L，通过L与两三角面片求交获取L与两三角面片之间的交线段，确定两交线段端点对应于直线 L上的参数值t00, t01、t00和tn，若t01彡t10或tn彡t00无交线；对于相交情况可根据参数值分布情况求出交线段，令交线段的起点和终点对应直线L上的参数值分别为、和、，则 to和、可由下式求得，
权利要求
1.一种产品STL模型快速求交方法，其特征在于，步骤依次为1)设参与求交的两STL 模型为S1和&，分别基于Rt树对S1和&构建网格数据动态索引结构，并对动态索引结构中的索引结点进行聚类分簇；2)采用深度优先遍历算法，判断S1的动态索引结构与&的动态索引结构索引结点包围盒的相交关系，获取相交叶结点包围盒，将其包含的三角面片添加到相交三角面片包围盒集合Ut中；3)基于索引结点空间邻近关系对Ut中索引结点包围盒进行拓扑近邻排序，获取有序的索引结点包围盒序列；4)将三角面片位置关系划分为相交、共面及相离三种情况，获取仏中各包围盒内三角面片的交线段，具体步骤为若两三角面片相交，计算两三角面片所在平面的交线L，通过交线L与两三角面片求交获取交线L与两三角面片之间的交线段，确定两交线段端点对应于直线L上的参数值t, t01, t10和tn， 令交线段的起点和终点对应直线L上的参数值分别为、和、，则、和、可由下式求得，, ,10，Ooo — ^io), ^oi ‘ (^oi《,U)Z0 = SZ1 = Sl/oo，(^00 >义10) l/ll，Ooi >义11)交线段端点V1, V2的坐标即分别为C (t0)、C (ti)，当tQ1 < t10或tn彡t00时无交线；若两三角面片共面，利用三角面片三条边与另一三角面片求交获取两三角面片交线段，将各交点平均值作为交点；若两三角面片相离，则表示两三角形不相交，不进行求交运算；5)对步骤4)中得到的各交线段进行首尾连接得到STL模型交线。
2.根据权利要求1所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于步骤1)中所述对 STL模型动态索引结构中的索引结点进行聚类分簇是指采用基于间隙统计算法获取索引结点最佳聚类簇数，并采用k-均值算法对索引结点进行最佳聚类簇数下的聚类分簇。
3.根据权利要求1或2所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于所述对STL模型动态索引结构中的索引结点进行聚类分簇的具体步骤为①初始化聚类簇数为k= 1，在索引结点范围内选择F组均勻分布的参考点集，采用k-均值算法对F组参考点集进行聚类分簇，将每一组参考点集都分为k簇；②计算其聚类相似度之和W(k)k-\ ηα-\ηα-\ γ \ γ α=0 ζ=0 ；=0 αTi, rj(i Φ j)分别为索引结点Ni, Nj包围盒的外接球半径，d为索引结点Ni, Nj包围盒中心间距，采用公式d = ^jix1 -Xj)2 + {y-yjf + (zt -Zj)2计算，(Xi, Ii, Zi)、(Xj, Yj, Zj)分别为N” Nj的包围盒中心坐标，na为经k-均值分裂后第a簇的索引结点数；③采用公式伢lnfFre/㈨]= ‘Σ:1η^τ，#)计算参考点集聚类相似Γ J度期望值，公式中下标ref表示数据为参考点集，Wref, j(k)表示第j组参考点集进行k-均值聚类的聚类相似度之和；④采用公式Wit =指Z;JlnWreij(/c)_E[lnWrei(/c)]}2计算参考点集标准差，并采用公式\计算由参考点集标准差导致的聚类结果误差；⑤若步骤②中索引结点分簇结果满足条件￡{111[^10]}-111[1(10] ^E{ln[ffref(k+l)}-ln[ff(k+l)-sk+1]，则索引结点最佳簇数为k，索引结点最佳聚类簇数获取过程结束，否则令k = k+1，返回步骤②。
4.根据权利要求3所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于步骤①中所述F组均勻分布的参考点集中F的取值与索引结点数量成正比。
5.根据权利要求3或4所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于所述F组均勻分布的参考点集中F的取值为3 8。
6.根据权利要求3所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于步骤①中所述每一组参考点集的获取步骤为将索引结点统一表示为四维点对象(X，1，Z, r)，组成nXp的矩阵A，A中每一行对应一个索引结点的四维点坐标，其中η为索引结点数，ρ为索引结点维度；对矩阵A进行奇异值分解:A = UDVt ；定义矩阵B = AV,在矩阵B列值范围内产生均勻分布的矩阵C ；定义矩阵Z = CVt，矩阵Z即为参考点集。
7.根据权利要求1所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于步骤幻所述获取有序的索引结点包围盒序列的具体步骤为①任取序列Ut中一元素M作为初始点，将M添加到辅助序列\中，并将M从序列Ut中删除，构造向量P1并初始化P1 = 0 ；②采用扩展空心球算法遍历S1的动态索引结构，获取MWk-近邻索引结点，若存在索引结点属于Ut，则执行③，否则执行⑥；③取距离M最近且属于Ut的索引结点N，设M的包围盒中心点为0Μ， N的包围盒中心点为0Ν，令向量P1 = OmOn，将索引结点N添加到辅助序列Vi中并将NW Ut 中删除；④遍历M的k-近邻索引结点，若存在索引结点Ntl属于序列Ut且中心点Onci满足 P1 · OmOno ( 0，则执行⑤，否则令N为M，返回②；⑤将N0从Ut中删除并添加到辅助序列Vi 中M索引结点的前面，分别令N和Ntl为M，返回②；⑥若Ut为空，则辅助序列Vi中元素即为有序的包围盒序列，索引结点包围盒拓扑近邻排序过程结束，否则令i = i+Ι，返回①继续执行。
8.根据权利要求7所述的产品STL模型快速求交方法，其特征在于所述辅助序列Vi 中，i的初始值为0，最大取值不超过索引结点数。
全文摘要
本发明提供一种产品STL模型快速求交方法，属于产品逆向工程技术领域。其特征在于基于R*-树构建STL模型动态索引结构，通过索引结点包围盒相交检测快速缩小求交范围，准确定位相交三角面片包围盒集合并对该集合进行拓扑近邻排序，依次连接各包围盒内三角网格曲面模型交线段，实现曲面模型交线快速提取，实例证明该方法可有效提高数据密集、形状复杂的STL曲面模型求交效率，对逆向工程中三角网格曲面模型的裁剪、拼接及数控加工刀轨生成具有重要意义。
文档编号G06F17/50GK102508973SQ201110355099
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者孙殿柱, 孙永伟, 宋洋, 李延瑞 申请人:山东理工大学