一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法
【專利摘要】一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，可以提取由用戶指定的某一表面或某一對相互平行的表面網(wǎng)格特征線。本發(fā)明在選定表面的法向量后，從stl文件中讀取具有此法向量的三角形網(wǎng)格。然后對三角形網(wǎng)格進(jìn)行分組，使屬于同一閉合區(qū)域的三角形為一組。最后對每組閉合區(qū)域按順序提取邊界點(diǎn)，依次連接邊界點(diǎn)得到特征線。本發(fā)明可以有效地提取stl文件中指定表面網(wǎng)格特征線，且效率高，占用資源少。
【專利說明】
一種基于St I文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提供了一種基于stl文件提取表面網(wǎng)格特征線的方法，更具體地，可以提取 由用戶指定的某一表面或某一對相互平行的表面(兩表面的法向量平行且方向相反）網(wǎng)格 特征線。本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著產(chǎn)品的數(shù)字化以及快速原型制造技術(shù)的發(fā)展，反向工程得到了越來越多的應(yīng) 用與研究。stl格式文件用三角形網(wǎng)格來表示具有復(fù)雜拓?fù)浜屯庑蔚膸缀文Ｐ停夷墚a(chǎn)生直 觀的視覺效果，因而在反向工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，stl文件中所 存儲的三角形網(wǎng)格并不是理想的網(wǎng)格，因?yàn)槠渲械哪承┚W(wǎng)格可能存在冗余，而需要對其進(jìn) 行優(yōu)化處理。特征線的提取技術(shù)是使表面網(wǎng)格得以優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 國內(nèi)許多學(xué)者針對stl文件中表面網(wǎng)格特征線的提取進(jìn)行了研究并取得了一定成 果。檢索了大量相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前絕大多數(shù)的表面網(wǎng)格特征線的提取方法是，首先找 出三角形網(wǎng)格上的曲率突變點(diǎn)，以此作為特征點(diǎn)，然后，將這些離散的特征點(diǎn)連接成線，得 到全部表面的特征線。盡管這類方法對離散的三角形網(wǎng)格模型特征點(diǎn)的提取已經(jīng)較為成 熟，但是，將這些特征點(diǎn)連接生成特征線的過程都存在弊端，并不能很好的將特征點(diǎn)進(jìn)行分 組連接。同時，在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中，有時只需要獲取某一表面或某一對相互平行的表面 網(wǎng)格的特征線，而不是所有表面網(wǎng)格的特征線。因此，提出一種基于stl文件提取指定表面 網(wǎng)格特征線的方法，有著重要的實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于stl文件的提取表面網(wǎng)格特征線的方法，該方法 可以提取由用戶指定的某一表面或某一對相互平行的表面網(wǎng)格特征線，具有準(zhǔn)確性高、占 用資源少、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案分為以下幾個步驟：
[0006] l)stl文件的預(yù)處理。若stl文件中存儲的x，y，z坐標(biāo)值的最小值不在原點(diǎn)(0,0,0) 處，則對s 11文件的X，y，z坐標(biāo)值進(jìn)行平移。否則不予處理。
[0007] 2)從stl文件中讀取指定表面的所有三角形網(wǎng)格，以三角形為單位(三個頂點(diǎn)為一 組)進(jìn)行存儲，同時存儲三角形三條邊中點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0008] 3)對存儲的三角形進(jìn)行分組，將屬于同一閉合區(qū)域的三角形分為一組。
[0009] 4)選出每一組的邊界點(diǎn)，按順序存儲在邊界點(diǎn)容器當(dāng)中。連接存儲在頂點(diǎn)容器中 的點(diǎn)得到特征線。
[0010] 進(jìn)一步，所述步驟1)具體內(nèi)容如下：
[0011] 遍歷stl文件中所有x，y，z的坐標(biāo)值，找出最小值xMir^yMir^zMiruSUMir^yMin, zMin)辛（0,0,0)，則對stl模型進(jìn)行平移，使(xMin，yMin，zMin) = (0,0,0)。否則不予處理。
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟2)具體包括如下幾個步驟：
[0013] 21)由法向量可以指定stl文件所描述模型的一個表面或兩個相互平行的表面。例 如，若指定法向量平行于z軸的上下兩個表面，可以取法向量x = 0，y = 0, z辛0。若指定法向 量平行于Z軸正方向的上表面，可以取法向量1 = 0,7 = 0,2>0。若指定法向量平行于2軸負(fù)方 向的下表面，可以取法向量x = 0,y = 0,z〈0。
[0014] 22)以選取的法向量為篩選條件，將符合條件的三角形讀入到內(nèi)存，并通過三角形 三個頂點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出三條邊中點(diǎn)的坐標(biāo)。然后以三角形為單位存儲每個三角形的三個頂 點(diǎn)坐標(biāo)以及三個中點(diǎn)坐標(biāo)。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟3)具體包括以下幾個步驟：
[0016] 31)判斷所有三角形是否都已參與分組，若是，分組完畢。否則，進(jìn)入32)。
[0017] 32)任意選取一個沒有參與分組的三角形，新建一個分組。
[0018] 33)從沒有參與分組的三角形中，選取一個與分組中三角形相鄰的三角形，然后把 這個三角形加入到該分組中。
[0019] 34)判斷沒有參與分組的三角形中是否存在與該分組相鄰的三角形，如果有，則進(jìn) 入步驟33)。否則進(jìn)入步驟31)。
[0020] 進(jìn)一步，所述步驟4)具體包括以下幾個步驟：
[0021] 41)判斷是否所有分組都已處理，若是，進(jìn)入44)。否則，進(jìn)入42)。
[0022] 42)選取一個分組，對分組內(nèi)的所有三角形的重復(fù)頂點(diǎn)進(jìn)行合并，選出邊界點(diǎn)，將 其存儲在邊界點(diǎn)容器當(dāng)中。
[0023] 43)處理下一個分組，進(jìn)入步驟41)。
[0024] 44)對每組存儲在邊界點(diǎn)容器當(dāng)中的點(diǎn)依次連接，并連接好容器當(dāng)中最后一個點(diǎn) 和第一個點(diǎn)，構(gòu)成閉合曲線，即得到特征線。
[0025]進(jìn)一步，所述步驟33)具體為：
[0026]本發(fā)明判斷兩個三角形相鄰，運(yùn)用了相鄰三角形公共邊中點(diǎn)坐標(biāo)相等的理論。也 就是說，如果兩個三角形擁有相同的邊中點(diǎn)坐標(biāo)，則這兩三角形必有公共邊，即這兩個三角 形必定是相鄰三角形?；诖死碚?，則可以通過遍歷全部三角形，把所有相鄰的三角形分為 一組，且這些三角形將構(gòu)成一個閉合區(qū)域。
[0027]進(jìn)一步，所述步驟42)具體為：
[0028]首先，引入三角形網(wǎng)格內(nèi)點(diǎn)以及邊界點(diǎn)的定義。
[0029] 設(shè)表示三角形網(wǎng)格面M=(vi，vj, . . .，vn)，對于Μ中的任意一點(diǎn)Vi = (xi，yi，zi)，用N (Vi)表示所有包含頂點(diǎn)Vi的三角面片集合，稱該點(diǎn)為頂點(diǎn)Vi為三角網(wǎng)格Μ的頂點(diǎn)，稱這些三 角形為該頂點(diǎn)的鄰接三角形。將一個頂點(diǎn) Vl與該頂點(diǎn)相連的頂點(diǎn)組成的邊 L(vi) = /,：/ 稱為該頂點(diǎn)的鄰接邊。對于頂點(diǎn)Vi，其鄰接的三角形的個數(shù)用 N(Vl) |表示，其鄰接邊的條數(shù)用| L(Vl) |表示，即可得到邊界點(diǎn)的定義如下：
[0030] %為邊界點(diǎn)= {Vi| |N(vi) | 辛 |L(Vi) | }
[0031] 特別的，如果一個頂點(diǎn)的鄰接三角形的個數(shù)和鄰接邊的條數(shù)相等，則這個點(diǎn)為內(nèi) 點(diǎn)。否則，為邊界點(diǎn)。于是，對分組內(nèi)邊界點(diǎn)的提取分以下幾步進(jìn)行：
[0032]第一步，新建一個存儲邊界點(diǎn)的容器，從分組中選取一個三角形，并把三角形三個 頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲在邊界點(diǎn)容器當(dāng)中。
[0033]第二步，從該組未被處理的三角形當(dāng)中選取一個三角形，如果該三角形的三個頂 點(diǎn)和邊界點(diǎn)容器中存儲的連續(xù)三個點(diǎn)相等，說明存在內(nèi)點(diǎn)，則剔除內(nèi)點(diǎn)，剔除內(nèi)點(diǎn)的方法 為，將連續(xù)三個點(diǎn)中的第二個點(diǎn)從邊界點(diǎn)容器中刪除，這樣邊界點(diǎn)容器中的點(diǎn)按順序?qū)?gòu) 成一個新的閉合區(qū)域。如果該三角形中有且僅有兩個頂點(diǎn)和邊界點(diǎn)容器中存儲的連續(xù)的兩 個點(diǎn)相等，則把該三角形另外一個頂點(diǎn)插入到邊界點(diǎn)容器當(dāng)中，使邊界點(diǎn)容器中的點(diǎn)按順 序能夠構(gòu)成一個新的閉合區(qū)域。否則，說明該三角形與容器中存儲的閉合區(qū)域不相鄰，不予 處理。
[0034] 第三步，該組中若存在未被處理的三角形，則進(jìn)入第二步，否則，邊界點(diǎn)提取結(jié)束。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0036] 1)本發(fā)明基于法向量從st 1文件中讀取三角形網(wǎng)格的信息，這樣就可以通過法向 量來指定stl模型的平面。同時，從stl文件中讀取的數(shù)據(jù)不包含除指定平面以外的數(shù)據(jù)信 息，可以提高數(shù)據(jù)處理的效率。
[0037] 2)運(yùn)用相鄰三角形公共邊中點(diǎn)坐標(biāo)相等的理論，對所有三角形進(jìn)行分組，使得所 有屬于同一閉合區(qū)域的三角形為一組，可以減少后續(xù)過程遍歷的次數(shù)，提高提取算法運(yùn)行 效率。本發(fā)明可以有效地提取stl文件中指定表面網(wǎng)格特征線，且效率高，占用資源少。 [0038] 3)在提取特征線時，提出的去除內(nèi)點(diǎn)的方法，保證了提取邊界點(diǎn)的可靠性。同時提 取到的邊界點(diǎn)是按順序進(jìn)行存儲的，這樣特征線的生成只需將邊界點(diǎn)依次連接就可得到， 解決了連接特征線時對邊界點(diǎn)進(jìn)行排序的問題。
【附圖說明】
[0039]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0040]圖1是本發(fā)明的流程不意圖。
[0041 ]圖2是對三角形進(jìn)行分組的流程示意圖。
[0042]圖3是提取閉合區(qū)域邊界點(diǎn)的流程示意圖。
[0043]圖4是邊界點(diǎn)和內(nèi)點(diǎn)示意圖。
[0044] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例stl格式的軸承模型。
[0045] 圖6是本發(fā)明對軸承模型上表面(法向量平行于z軸正方向的）第一特征線提取效 果圖。
[0046] 圖7是本發(fā)明對軸承模型上表面(法向量平行于z軸正方向的）第二特征線提取效 果圖。
[0047]圖8是本發(fā)明對軸承模型上表面(法向量平行于z軸正方向的）第三特征線提取效 果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0049] 圖1是本發(fā)明基于stl文件的對指定平面網(wǎng)格特征線的提取方法的流程示意圖。具 體步驟如下：
[0050] (1)對81：1文件進(jìn)行預(yù)處理。遍歷81：1文件中1，7,2坐標(biāo)的最小值11；[11，5^；[11，2]\1；[11， 若最小值在原點(diǎn)處，則不予處理。若最小值不在原點(diǎn)位置，則將Stl文件中所有點(diǎn)的x，y，z坐 標(biāo)分別平移 |xMin|，|yMin|，|zMin|，使（xMin，yMin，zMin) = (0,0,0)。
[0051] (2)確定所要處理的表面在stl文件中的法向量表示，然后以法向量為判斷條件， 從stl文件中讀取與指定表面具有相同法向量的所有三角形網(wǎng)格。
[0052] ( 3)聲明一個結(jié)構(gòu)體triangle，該結(jié)構(gòu)體包含三角形三個頂點(diǎn)坐標(biāo)pointi， point2，point3，三條邊的中點(diǎn)坐標(biāo)mid_12，mid_23，mid_13，以及一個標(biāo)識位flat。將讀取 的三角形網(wǎng)格以三角形為單位存儲在結(jié)構(gòu)體變量當(dāng)中。
[0053] (4)以相鄰三角形存在相等的邊中點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)，對三角形進(jìn)行分組。使得構(gòu)成一 個閉合區(qū)域的所有三角形分為一組。對每個分組聲明一個容器vector〈triangle>group，用 來存儲每個分組的所有三角形，聲明另一個容器￥6(：1：01'〈￥6(31：01'〈1：1^31^16>>311_81'0卯，用 來存儲所有的group。
[0054] (5)提取出閉合區(qū)域的邊界點(diǎn)，將邊界點(diǎn)按順序存儲在邊界點(diǎn)容器中。對每個閉合 區(qū)域聲明一個容器vector〈point>area,用來存儲每個閉合區(qū)域的邊界點(diǎn)。再聲明一個容器 vector〈vector〈point>>all_area,用來存儲所有的area。依次連接area中的點(diǎn)，并將area 中最后一個點(diǎn)和第一個點(diǎn)連接，得到特征線。
[0055]圖2為對三角形進(jìn)行分組的算法流程示意圖。具體步驟如下：
[0056] (1)根據(jù)標(biāo)識位flat判斷是否有未參與分組的三角形，如果有，則進(jìn)入步驟(2)。如 果沒有，則分組完畢。
[0057] (2)根據(jù)flat選取一個有效三角形，將該三角形存入group中，然后將該三角形 flat設(shè)為無效。
[0058] (3)根據(jù)f 1 at從該分組中選取一個有效三角形，判斷其與group中的三角形是否相 鄰，若相鄰，將該三角形加入到group當(dāng)中，然后將flat設(shè)為無效。若不相鄰，則不予處理。具 體判斷方法為：該三角形的三個邊中點(diǎn)mid_12，mid_23, mid_13分別與group中存儲的三角 形各個中點(diǎn)比較，看是否存在相同的點(diǎn)，若存在，說明相鄰。否則，不相鄰。
[0059] (4)判斷是否還存在屬于該組的三角形，若有，進(jìn)入步驟（3)，否則，將group存入 all_group,并將group清空，進(jìn)入步驟（1)。
[0060] 圖3是對閉合區(qū)域提取邊界點(diǎn)的流程示意圖。具體步驟如下：
[0061] (1)判斷是否有未被處理的分組，若有，進(jìn)入(2)。否則，處理完畢。
[0062] (2)從要處理分組中選取一個三角形，將該三角形三個頂點(diǎn)存入area，然后設(shè)置 flat為無效；
[0063] (3)根據(jù)flat從該分組中選取一個有效三角形，判斷該三角形能否加入到area中 所存儲的閉合區(qū)域中，若能，進(jìn)行添加，然后把flat設(shè)為無效。否則不予處理。具體方法為： [0064] 首先用圖示說明過程，如圖4所示，A、G、F、E、D、C為邊界點(diǎn)且構(gòu)成閉合區(qū)域，B為內(nèi) 點(diǎn)，易知，閉合區(qū)域AGFEDC中不應(yīng)含有內(nèi)點(diǎn)B。即如果容器中已存有構(gòu)成閉合區(qū)域的點(diǎn) ABFEDC，當(dāng)遍歷到三角形GFB時，則將頂點(diǎn)G插入到容器中，構(gòu)成新的閉合區(qū)域ABGFEDC。然后 再遍歷到三角形AGB時，就需要將B點(diǎn)從容器中刪除，即得到新的閉合區(qū)域AGFEDC。于是具體 步驟為：
[0065]第一步，如果area中存在連續(xù)的三個點(diǎn)與該三角形的三個頂點(diǎn)相等，說明存在內(nèi) 點(diǎn)，將area三個點(diǎn)中第二個點(diǎn)刪除，然后將flat設(shè)為無效。
[0066]第二步，如果area中存在連續(xù)的兩個點(diǎn)與該三角形的兩個頂點(diǎn)相等，則將三角形 另外一個頂點(diǎn)插入到容器中，然后將flat設(shè)為無效。否則，不予處理。
[0067] (4)該分組中是否還存在未被處理的三角形，若有，則進(jìn)入(3)。若沒有，則將area 存入al l_area，并將area清空，進(jìn)入(1)。
[0068]圖5為stl格式的軸承模型圖，其表面由3108個三角形網(wǎng)格組成。該模型上表面(法 向量x = 0，y = 0，z>0)有三個厚度值(z坐標(biāo)的值）：3.999mm,4.0mm,6.999_。
[0069]圖6為本發(fā)明對軸承模型上表面特征線的提取結(jié)果圖。首先根據(jù)法向量x = 0，y = 0，z>0從stl文件中讀取了840個三角形網(wǎng)格，對三角形分組可以得到15個閉合區(qū)域。其中厚 度為6.999mm的閉合區(qū)域有1個，第一特征線提取的結(jié)果如圖6(a)所示。厚度為4.0mm的閉合 區(qū)域有4個，提取第二特征線后的結(jié)果如圖7(b)所示。厚度為3.999mm的閉合區(qū)域有10個，提 取第三特征線后的結(jié)果如圖8(c)所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于Stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，其特征在于采用以下幾個步驟： 步驟1，首先對stl文件進(jìn)行預(yù)處理，判斷stl文件x，y，z坐標(biāo)的最小值是否在原點(diǎn)，若不 在原點(diǎn)，則對stl模型進(jìn)行平移； 步驟2,從stl文件中讀取指定表面的所有三角形網(wǎng)格，以三角形為單位存儲，并同時存 儲其三條邊中點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟3,對存儲的三角形分組，使屬于同一閉合區(qū)域的三角形為一組； 步驟4,對每個分組提取閉合區(qū)域的邊界點(diǎn)，并按順序存儲，連接邊界點(diǎn)得到特征線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，其特征在 于步驟1采用的方法:找出st 1文件X，y，Z坐標(biāo)最小值xMin，yMin，zMin，若(xMin，yMin，zMin) 辛（0,0,0)，對stl模型進(jìn)行平移使(xMin，yMin，zMin) = (0,0,0);否則，不予處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，其特征在 于步驟2采用的方法:確定所要處理的表面在stl文件中的法向量表示，然后以法向量為依 據(jù)，從stl文件中讀取與指定表面具有相同法向量的所有三角形網(wǎng)格;聲明一個結(jié)構(gòu)體，將 每個三角形的三個頂點(diǎn)坐標(biāo)，連同三條邊中點(diǎn)坐標(biāo)存儲到結(jié)構(gòu)體變量當(dāng)中。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，其特征在 于步驟3采用的方法:對存儲的三角形分組:需判斷三角形是否相鄰，判斷三角形相鄰時，運(yùn) 用了相鄰三角形公共邊中點(diǎn)坐標(biāo)相等的理論，即若兩個三角形存在相同的邊中點(diǎn)坐標(biāo)，則 兩個三角形必有公共邊;基于此理論，使所有相鄰的三角形分為一組，這些三角形構(gòu)成一個 閉合區(qū)域;具體步驟為： 1) 判斷是否還有未參與分組的三角形，如果有，進(jìn)入2);否則，分組完畢； 2) 新建一個分組，并選取一個未參與分組的三角形放入該分組； 3) 從未參與分組的三角形中選取一個三角形，判斷其與該分組當(dāng)中的三角形是否相 鄰，若相鄰，加入該分組;否則，不予處理;判斷相鄰的具體方法為:設(shè)未參與分組的三角形 中的三個邊的中點(diǎn)坐標(biāo)為mid_12，mid_23，mid_13,分別與分組中所有三角形邊中點(diǎn)做比 較，看是否存在相等的點(diǎn);若存在，說明相鄰;否則，不相鄰； 4) 判斷是否還存在屬于該組的三角形，若存在，進(jìn)入3)，否則，保存該分組，進(jìn)入1)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于stl文件提取指定表面網(wǎng)格特征線的方法，其特征在 于步驟4采用的方法:對于每個分組的邊界點(diǎn)的提取分以下幾步進(jìn)行： 1) 新建一個存儲邊界點(diǎn)的容器，從分組中選取一個三角形，并把三角形三個頂點(diǎn)坐標(biāo) 存儲在邊界點(diǎn)容器當(dāng)中； 2) 從該組未被處理的三角形當(dāng)中選取一個三角形，如果該三角形的三個頂點(diǎn)和邊界點(diǎn) 容器中存儲的連續(xù)三個點(diǎn)相等，說明存在內(nèi)點(diǎn)，則剔除內(nèi)點(diǎn)，剔除內(nèi)點(diǎn)的方法為，將連續(xù)三 個點(diǎn)中的第二個點(diǎn)從邊界點(diǎn)容器中刪除，這樣邊界點(diǎn)容器中的點(diǎn)按順序?qū)?gòu)成一個新的閉 合區(qū)域;如果該三角形中有且僅有兩個頂點(diǎn)和邊界點(diǎn)容器中存儲的連續(xù)的兩個點(diǎn)相等，則 把該三角形另外一個頂點(diǎn)插入到邊界點(diǎn)容器當(dāng)中，使邊界點(diǎn)容器中的點(diǎn)按順序能夠構(gòu)成一 個新的閉合區(qū)域;否則，說明三角形不與容器中存儲的閉合區(qū)域相鄰，不予處理； 3) 該組中若存在剩余三角形，則進(jìn)入2)，否則，邊界點(diǎn)提取結(jié)束。
【文檔編號】G06F17/50GK106096620SQ201610464163
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】姜月秋, 張文廷, 高宏偉, 胡寒
【申請人】沈陽理工大學(xué)