基于Voxel的草图交互式三维概念设计系统研究与实现

论文摘要

论文依托于国家自然科学基金项目“产品的多感知因素设计过程研究”(No.50275112)和“十五”国家高技术发展计划项目“面向产品创新的计算机辅助概念设计技术的研究”(No.2002AA411110)。顺应数字化设计的发展趋势,改变传统CAD系统无法满足创意草图表现功能需求的状况,面向产品概念设计阶段,深入系统地研究了基于Voxel的草图交互式三维概念设计并提出一套有效的实现算法。主要的研究内容如下: 1.Voxel模型的理论研究 在研究几何造型技术的基础上采用Voxel模型的数据结构表示物体,提出模型的存储方式并比较分析了这种模型与其它几何模型的优缺点,表明该模型用于概念设计表示模型是可行的。 2.草图曲线交互式的概念设计研究 在Voxel建模表示的基础上,研究并提出了草图曲线的绘制、设计以及基于草图曲线的模型设计这三个交互层次的关键技术和核心算法。 3.概念设计三维模型方案的后期处理 为了进行高质量的效果渲染和设计重用,研究并提出了从概念设计模型中提取三角面片的曲面重构算法和模型转换的算法。 4.原型系统SketchVoxel的设计与实现 设计开发了计算机辅助概念设计原型系统SketchVoxel,并用于具体的实例设计,进行了应用验证。 论文所提出的理论方法和原型系统面向产品概念设计,采用草图和Voxel模型相结合的混合造型方式,提出了一种自顶向下的立体思维模式,可将设计人员从以往繁琐的设计解释和设计操作中解放出来,使之直接从三维的角度对设计作品进行直观方便的可视化操作,随心所欲地在设计理论的支持下利用传统的草图笔划创作出较为复杂的造型,减少了创新思维流断点和信息流断点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 制造业信息化环境下的计算机辅助工业设计
• 1.1.1 先进制造技术和数字化设计
• 1.1.2 计算机辅助工业设计技术
• 1.2 计算机辅助产品概念设计及其相关研究
• 1.2.1 CAID的核心-计算机辅助产品概念设计
• 1.2.2 CACD的相关研究
• 1.3 研究目标与研究内容
• 1.4 论文内容结构
• 第二章 V0XEL模型的建立
• 2.1 三维形体的几何造型技术
• 2.1.1 线框模型
• 2.1.2 曲面模型
• 2.1.3 实体模型
• 2.1.4 参数化设计和特征造型
• 2.2 VOXEL模型的构建
• 2.2.1 Voxel模型的数据结构
• 2.2.2 Voxel模型的存储
• 2.3 VOXEL模型与曲面模型的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 草图曲线交互式的模型概念设计
• 3.1 草图曲线的绘制
• 3.1.1 虚拟云尺模式的设计模线绘制
• 3.1.2 自由手绘模式的自由曲线绘制
• 3.2 草图曲线交互设计
• 3.2.1 基于节点控制的局部设计
• 3.2.2 基于协调因子的全局设计
• 3.3 草图式三维模型交互设计
• 3.3.1 直线笔划式的模型交互
• 3.3.2 曲线笔划式的模型交互
• 3.4 本章小结
• 第四章 概念设计三维模型方案的后期处理
• 4.1 概念设计三维模型方案的显示
• 4.1.1 DVR绘制
• 4.1.2 SF绘制
• 4.1.3 两种绘制方法的比较
• 4.2 概念设计三维模型方案的反走样渲染
• 4.2.1 等值面定义
• 4.2.2 基干 MC的三角网格提取算法
• 4.2.3 提取等值面的算法流程
• 4.3 概念设计三维模型方案的转换
• 4.4 本章小结
• 第五章 原型系统 SKETCHV0XEL开发
• 5.1 图形开发工具VTK（VISUALIZATION TOOLKIT）简介
• 5.1.1 VTK的对象模型
• 5.1.2 VTK的运行机制和框架结构
• 5.2 SKETCHVOXEL的系统设计
• 5.2.1 系统简介
• 5.2.2 系统体系结构
• 5.2.3 系统数据模型
• 5.2.4 系统基本功能
• 5.3 SKETCHVOXEL的应用设计实例
• 5.4 与其它概念设计系统的对比分析
• 5.5 应用前景分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 研究工作与新见解
• 6.2 尚待进一步研究的问题
• 6.3 结论
• 攻读硕士学位期间所发表的论文和所作的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录:设计模线分类及常见的函数曲线