CAD曲面模型距离曲率形状分布检索算法.pdf
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1、第2 2 卷第5 期2 0 1 0 年5 月计算机辅助设计与图形学学报J o u r n a lo fC o m p u t e r-A i d e dD e s i g n8 乙C o m p u t e rG r a p h i c s三维C A D 曲面模型距离一曲率形状分布检索算法王洪申1,张树生。,白晓亮,张开兴1”(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安7 1 0 0 7 2)2(兰州电力学校基础室兰州7 3 0 0 7 0)(w h s _ 1 9 8 9 1 2 6 c o m)V 0 1 2 2N o 5M a y2 0 1 0摘要:产品三维C A D 模型检
2、索对实现产品设计信息的有效重用具有重要意义和作用针对在工程应用中存在大量含有曲面的产品,提出一种基于距离一曲率形状分布的i 维C A D 曲面模型检索算法首先在模型表面随机取点,计算出所取点的曲率以及该点到模型质心的距离;然后以模型质心为球心,统计处在不同半径球壳闻所取随机点的曲率分布,分别以球壳半径和曲率为举标轴构建距离一f f l l 率平面网格,并统计每个网格中随机点出现的频次,从而形成距离一曲率矩阵;最后利用特定的规则计算矩阵的相似值,用该值衡量2 个模型的相似程度,实现模型的相似性检索实验结果表明,文中算法的检索性能比传统的形状分布算法有较大提高,尤其适用于自由曲面模型的检索关键词:
3、三维曲面模型检索;曲率;距离一曲率分布;距离一曲率形状分布比较中图法分类号:T P 3 9 13 DC A DS u r f a c eM o d e lR e t r i e V a lA l g o r i t h mB a s e do nD i s t a n c ea n dC u r V a t u r eD i s t r i b u t i o n sW a n gH o n g s h e n l 2),Z h a n gS h u s h e n g,B a iX i a o l i a n g”,a n dZ h a n gK a i x i n 9 1 1(丁h P K
4、 e y L 口6 0,n f o r y0 厂(如n f e m p o r n r y D P s f g 以f n g 口竹df n t 8 9 r n f d M n 以“,a f f“r f 村g 丁_ c 起o z D g y,M i 竹i s f 7 y o,E d“阳f o 打(冼f,l 口,N o r t 删s f e t 咒P o Z 州P f A 靠i 阳U 以i w i 缈。X i 么竹7 1 0 0 7 2)2(B 础站S 缸,R o D,l,L n 以妇o“E Z 卵f fP o t 比rS f o o Z,L 口”z o“7 3 0 0 7 0)A b s t r
5、 a c t:T h er e t r i e v a lf o re x i s t i n g3 DC A Dm o d e l sh a sag r e a tp o t e n t i a li ne f f i c i e n tr e u s eo fp r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o n I ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s,al o to fp r o d u c t so f t e nc o n t a i ns o m eq u a d r a t i co rf
6、 r e e f o r ms u r f a c e s T h i sp a p e rd e s c r i b e sa3 Ds u r f a c em o d e lr e t r i e v a la p p r o a c hb a s e do nt h es h a p ed i s t r i b u t i o no fd i s t a n c ea n dc u r v a t u r e F i r s t,as u f f i c i e n t l yl a r g en u m b e ro fr a n d o mp o i n t so ns u r f
7、 a c eo f3 Dm o d e la r es a m p l e d T h ec u r v a t u r ea n dt h eE u c l i d e a nd i s t a n c eb e t w e e ne a c hs a m p l ep o i n ta n dt h e3 Dm o d e l sc e n t r o i darec a l c u l a t e d S e c o n d l y,ad i s t a n c e c u r v a t u r ep l a n a rg r i dt a k i n gb a l ls h e l
8、lr a d i u sc e n t e r e db yt h e3 Dm o d e l sc e n t r o i da n dc u r v a t u r e sr e s p e c t i v e l ya st w oc o o r d i n a t ea x e si sc o n s t r u c t e dt oe x p r e s st h ed i s t a n c e c u r v a t u r ed i s t r i b u t i o nb yo b t a i n i n gas t a t i s t i cd a t ao ft h es
9、 a m p l ep o i n t sa n dt h e i rc u r v a t u r e se x i s t e di ne a c hm e s h T h u s,a3 Dm o d e lc a nb er e p r e s e n t e db yad i s t a n c e _ c u r v a t u r ed i s t r i b u t i o nm a t r i x F i n a l l y,a na l g o r i t h mt oc o m p u t et h es i m i l a r i t yb e t w e e nt w
10、od i s t a n c e _ c u r v a t u r ed i s t r i b u t i o nm a t r i c e si sp r o p o s e da n di tc a ng i v et h es i m i l a rc o e f f i c i e n tf o rt w oc o m p a r e d3 DC A Dm o d e l s E x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sa p p r o a c hc a ne f f i c i e n t l ye v a
11、l u a t et h es i m i l a rd e g r e eo f3 Ds u r f a c em o d e l s,e s p e c i a l l yf o rt h o s em o d e l sw i t hf r e e f o r ms u r f a c e s K e yw o r d s:3 Ds u r f a c em o d e lr e t r i e v a I;c u r v a t u r e;d i s t a n c e-c u r v a t u r ed i s t r i b u t i o n;d i s t a n c e-
12、c u r v a t u r es h a p ed i s t r i b u t i o na n dc o m p a r i s o n收稿日期:2 0 0 9 0 4 3 0 f 修回日期:2 0 0 9 一0 7 2 9 基金项目:国家自然科学基金(6 0 5 7 3 1 7 7),国家“八六置”高技术研究发展计划(2 0 0 7 A A 0 4 2 1 3 7)王洪申(1 9 6 9 一),男,博士研究生,主要研究方向为计算机图形学、c A D C A M;张树生(1 9 5 6 一),男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向为计算机图形学、图纸矢量化、逆向工程;白晓亮(1 9
13、 7 5 一),男,博士。讲师,主要研究方向为逆向工程;张开兴(1 9 8 4 一),男,博士研究生,主要研究方向为计算机图形学、c A D c A M 万方数据第5 期王洪申,等:三维c A D 曲面模型距离一曲率形状分布检索算法7 6 3随着三维模型应用的推广和数量的剧增,三维模型检索受到人们的普遍关注对此,研究人员提出了各种基于内容的检索算法 1 _ 8 其中0 s a d a 等提出的形状分布(s h a p ed i s t“b u t i o n,S D)算法以其原理与实现都简单明了而倍受人们青睐该算法将模型表面任意2 个随机点间的欧几里德距离作为形状算子,根据距离的分布情况形成模
14、型的形状分布直方图,并通过计算形状直方图间的相似值实现模型的相似性比较但随着对基于内容的检索算法研究的不断深入,人们发现当模型形状越来越复杂时,形状分布直方图将趋向于一个钟形曲线,从而使本不相似的模型有时其所产生的直方图却很相似,如图1 所示I p 等 2 1 将S D 算法应用于C A D 实体模型问的相似性比较,文中采用模型的4 类S D 曲线D 2,I N,o U T,M I X E D 的对应比较值按比例组成的和值,实现模型之间的相似性比较该算法虽然较好地改进了文献 1 算法的检索性能,但只能应用于具有体积特征的模型,当模型不具有体积特征时,算法失效我们利用模型表面点的法线方向将模型用
15、3 类S D 曲线表示 3 ,该算法不但适用于具有实体属性的三维模型,也完全适用于不具有实体属性的模型,如曲面片等C h e n 等提出基于图像的检索算法;我们提出针对C A D 模型的基于属性图的相似性评价算法陪6 3;K a z h d a n 等 7 3 提出的球形谐函数方法;毛祚等 8 1 提出一种基于深度加权法向映射的三维模型检索算法“篁鬣葛婶踌瘩罄器墨三冒墨兰“翟罱葛霉器富罡器墨三蛰虽兰“皇器葛导器嚣露墨三彗虽蔓图1 传统形状分布算法的局限性曲率是三维模型形状描述的一个非常重要的属性,曲率的大小与模型的位置和摆放姿态无关本文将曲率分布和点的距离分布统计有机地结合,形成模型相似性比较
16、算法该算法在模型表面随机取点,计算出该点到模型质心的欧几里德距离和该点的曲率;分别以距离为z 轴、曲率为y 轴形成一个平面,以平面上各个位置随机点出现的频数为z 坐标,从而构造出2 个具有确定位置的曲面,并分别以2 个矩阵来表示这样就可以将2 个位置都未知的三维模型之间的比较转化为矩阵之间的比较本文在比较2 个矩阵相似值时设计了特殊的比较算法,使得比较结果更具有合理性图2 所示为2 个汽车壳体模型用本文算法实现相似性比较的过程图2 本文算法原理图万方数据7 6 4计算机辅助设计与图形学学报第2 2 卷1 基于矩阵表示的模型检索算法三维模型的S T L 格式的表示格式简洁、可读性强,被工程界和计
17、算机图学界广泛应用本文提出的检索算法处理的是S T L 模型1 1计算模型的质心和各顶点的法矢与曲率1 1 1 计算模型的质心模型的质心用】Sp o。可厶p f1 i 三1计算其中,p。为s T L 模型的质心向量,p。为S T L模型的各顶点向量,N 为顶点的总数1 1 2 法矢和曲率的估算法矢和曲率描述了曲面的局部几何性质,是曲面的重要微分几何特性三角网格模型作为一种分段连续线性模型没有连续的法矢和曲率,通常曲面各顶点的法矢和曲率需要估算,网格内部点的法矢和曲率可以通过插值求得1)法矢的估算通常情况下,三角网格中任意一点P i 的法矢疗;可以根据连接该点的三角形法矢的加权平均来计算,一般取
18、j 角形的面积为权值如图3 所示,过只点有咒个i 角形,分别记为L(歹=1,靠),三角形的法矢记为以i,面积记为A,则三角网格中点P;的法矢为图3 模型顶点法矢的估计原理2)三角网格顶点P i 的曲率估算如图4 所示,根据点P。及其邻接点P i 拟合曲面是曲率估算中最为常用的方法构建三角网格上过点P i 的曲面,使该拟合曲面在最小二乘意义拟合只点的一重邻接点过程如下:拟图4 过点只拟合曲面过P;定义局部坐标系(H,),如图4 所示,取坐标原点在P;点处,平行三角网格在P i 点处的法矢,H 和I,根据右手定则在切平面内任取2 个正交的方向即可只的参数值取为(0,O),P,邻接点P,的参数值取其
19、在切平面上投影点在局部坐标系口,方向上的坐标值设参数化后P,的参数值为(“f,u,),待拟合的曲面为S(“,口)一口比2+施口+f 铆2 十P M+加,利用最小二乘法可求得曲面S(“,口)的各系数拟合出曲面后,再用该曲面求曲率的方法求出P,点的高斯曲率,详见文献 9 1 2三维模型表面取点及所取点的曲率计算表面随机取点采用文献 1 方法,但需计算每个点的曲率,对所取点的曲率用K i c t,A K A+叫B K B+c K c计算其中,A,B,C 分别是P,点所在三角形的顶点;K A,K。,K。分别为A,B,C 三点的高斯曲率;c c,A,c c,。,c 是用三角形面积表示的权值,分别为A S
20、 P i B c,叫B 一5 尸i A c,c=S P。A B 如图5 所示C图5 对所取点的曲率计算将计算得到的所有大于等于。的正曲率放入集合S 订中,所有小于。的曲率放人集合S 砣中由于S T L 模型中通常会存在一定的噪声,并且当模型有棱角存在时计算的曲率值会很大,对于曲率分布的统计很不利为了防止曲率异常值对统计曲率值的影响,需要对曲率进行适当的处理函数y t a nz(z(一号,詈)的反函数叫反正切函数,记作y a r c t a nz,它的定义域是(一o。,+o。),值域是(一号,号)可以利用y a r c t a nz 把本文算法所得的曲率K t 映射成毛,赶(一号,号),即f:d
21、 a nK K f 一+。五,一J 号,K t 一+o ol 一吾,K;一一o。其中,K i 是计算得到的原始曲率,志。是曲率映射后的值;用该公式将集合S,。中的曲率映射后得到集合s:1,集合s 吨中曲率映射后得到s:2 A瞎RA。一一n万方数据第5 期王洪申,等:三维C A D 曲面模型距离一曲率形状分布检索算法7 6 51 3 计算点到模型质心的距离模型表面点到质心的距离用欧几里德距离表示,设模型质心点为P o(z。,y。,2。),所取模型点P i(z i,弘,z i)到质心的距离以一(z f z o)2+(y f y o)2+(一2 0)2 将所有的距离么放入集合S,中,计算集合s;中所
22、有距离的平均值d y,如果破 2 d y,则使d;=2 西这样处理是为了防止噪声点的影响,并且在比较距离分布时能达到使平均值对齐的效果1 4 利用距离与曲率的统计构建模型的矩阵表示找到第1 3 节计算得到的距离的最大值d。(d。,=2 巩),将该最大值等分为竹份(本文中,l=5 0),则每份d K。一d。;肠对于正曲率集合S:1,其取值范围在 o,丌2 ,将最大值兀2 等分为竹份,则每份氏砒一7 c 2 疗以d 作为横坐标,d K。作为单位;愚作为纵坐标,志“m 作为单位,形成一个二维平面将该二维平面上所对应的小方格中的值都初始化为0,统计距离和曲率,当以d;矾+l 且是。足,忌,+。时,所对
23、应的方格A(如图6 所示)中的数字增加1,这样就得到了一个竹以的网格用一个咒靠的矩阵M,表示该网格对负曲率集合S,2,点。砒=一7 c 2 咒,采样同样的方法构建距离集合与负曲率集合所形成的,z 咒的矩阵M:则模型的几何形状就可以用2个咒,z 的矩阵M。和M 2 来表示爿d0d d +1d m 靠图6 模型的矩阵表示原理(距离一正曲率矩阵)上述方法的实质是以模型的质心为球心定义一系列球壳(如图7 所示),球壳的半径以d K。为增量,统计2 个相邻球壳之间部分的模型表面点曲率分布情况由于以球壳分割模型,因此模型的位置和姿态不影响模型的矩阵描述用以上方法可以将2 个姿态不一致的三维模型抽象为2 个
24、矩阵表示的三维曲面S(z,r),并且这2 个曲面是对齐的矩阵的每列表示了距质心一定距离的点的曲率分布情况,每行表示具有相同曲率的点距质心的距离分布情况因此,这种表示方法可以更多地记录模型的形状信息,并通过矩阵的相似性比较来得到模型的相似性是可靠的1 5 模型矩阵的相似性度量2 个咒咒的矩阵相似性通常用D(A,B)一(口玎一)2(1)-一,-一一一度量但用式(1)计算本文矩阵相似性不够科学,因为在本文算法中比较的是模型之间的相似性,2 个相比较的模型多数情况下是有一定的差别的,衡量模型之间的相似性就是区分它们这种差别的大小模型形状差别越大,在相应的矩阵中数据就会相差越大本文用矩阵A,B 和c 分
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