基于力约束模型的可变形网格重建及处理

论文题目: 基于力约束模型的可变形网格重建及处理

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械电子工程

作者: 胡雯蔷

导师: 熊有伦,杨文玉

关键词: 表面重建,网格优化,网格精简,非均匀精简

文献来源: 华中科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 基于测量数据进行产品数字化建模是数字制造与数字产品开发的关键技术之一,也是实现产品零件有限元分析、性能仿真和数字样机等后续设计制造过程的基础。在产品设计与开发中,测量数据的表面建模主要采用一些商品化软件来完成。为了获得满足设计与制造要求的产品表面模型,建模过程中常常需要进行大量繁琐的交互修改操作。因此,研究大规模散乱点云的自动表面重建问题,提高表面重建算法效率,对于发展数字产品开发技术具有重要的理论意义和广泛应用前景。本论文针对复杂产品的测量数据模型计算中拓扑网格重建问题,研究从散乱点云中自动获取三角形网格模型,实现拓扑结构信息的提取和正确表示。通过对现有的散乱点云网格重建算法进行系统地研究与分析,在α-shape 算法的基础上,提出了一种处理散乱点云的基于力约束模型的可变形网格重建算法,并利用实际算例说明了该算法的有效性。研究表明,所开发的表面重建算法能够有效地提高三角网格模型的拓扑一致性,对于复杂产品测量数据的自动形状特征提取和建模十分重要。论文分析了散乱点云的凸壳、Delaunay 三角形等几何结构的性质,计算点云的三维凸壳构造初始网格,采用空间分割及边界判断算法筛选参与凸壳计算的数据点,实现散乱点云凸壳的快速创建,并基于凸壳的性质确定初始网格变形的方向信息; 利用动态粒子对之间的相互作用力模型建立变形过程的力约束方程,通过定义约束方程中各项的权值引入促使网格变形趋于稳定的特性参数,创建了散乱点云和网格顶点之间以及网格内部变形行为的力约束,驱动网格逐步向测量数据收缩; 将散乱点中对网格变形产生约束作用的点称为作用点,提出了一种融合距离约束、空间分割和可视性判断等多个准则的作用点阶梯提取法,从凸壳内部的非网格点中删除对网格变形不产生作用的非作用点,缩小参与网格变形约束计算的散乱点范围和数目,从而大大减小计算量; 定义变形过程停止的判定准则,从而实现了初始网格在变形约束作用下,向凸壳内部运动,逐步逼近散乱点云的采样表面的过程。在散乱点云的重建过程中,维护网格拓扑的正确性是关键问题之一。本论文假设测量数据采样自局部光滑且形状封闭的表面,所建立的网格模型不允许存在自交、空洞、碰撞、内部误连接等错误的拓扑连接关系。在算法实现过程中,为了保证网格具有正确的拓扑,设计了网格拓扑维护和操作算法。借鉴α-Shape 思想,采用虚拟球运动描述网格变形过程,并通过定义变形停止准则,控制虚拟球运动,确保虚拟球只在凸壳与散乱点云表面形成的区域间运动,不会出现网格内部误连接现象; 采用点可视

论文目录:

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 数字制造简介

1.3 产品数字化建模

1.4 测量数据表面建模的应用

1.5 测量数据表面建模相关研究

1.6 模型优化及简化技术

1.7 研究内容及意义

1.8 论文组织

2 初始网格创建

2.1 算法框架介绍

2.2 凸壳简介

2.3 初始网格选取

2.4 快速凸壳算法

2.5 点与三角形的分类

2.6 小结

3 基于物理建模的变形力约束定义

3.1 粒子性质

3.2 创建力约束

3.3 作用点阶梯提取算法

3.4 小结

4 网格收缩变形

4.1 虚拟球的运动

4.2 缝隙融合

4.3 拓扑维护

4.4 算法分析及实现

4.5 小结

5 三角形网格细分优化

5.1 常用的优化算法

5.2 优化算法存在的问题及其解决方法

5.3 基于凸凹性的细分优化算法

5.4 细分优化的拓扑维护

5.5 网格细分优化实例

5.6 小结

6 基于强制约束的非均匀网格精简

6.1 网格简化研究现状

6.2 非均匀网格精简

6.3 精简算法中的拓扑维护

6.4 精简算法实例

6.5 小结

7 软件系统 MESHTACKLED

7.1 软件系统MESHTACKLED 概述

7.2 模块设计

7.3 小结

8 总结和展望

8.1 全文总结

8.2 工作展望

致谢

参考文献

附录作者在攻读博士学位期间发表的主要论文

发布时间: 2006-04-05

基于力约束模型的可变形网格重建及处理

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