[发明专利]一种增量式的高效中轴生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维建模领域，具体涉及一种三维模型的增量式中轴生成方法。

背景技术

二维模型的中轴是指其内切圆圆心集合，三维模型的中轴则是指其内切球球心的集合。在许多工程领域，中轴的优秀属性使其有着重要的意义，例如有限元分析、形状分析、机器人路径计划、实体建模以及网格生成。

目前已经有许多中轴生成方法的研究，总体上传统中轴生成方法可分成三类：打薄法、跟踪法和韦诺图法。打薄法是将模型变成一个能够容易计算的近似模型，然后将模型不断地向里“变瘦”直至来自不同方向的变瘦过程“碰上”而计算其中轴，计算的精确度由模型的近似精确度控制；跟踪法是一种递归的方法，它基于局部连续性，通过跟踪特殊中轴点来生成中轴；韦诺图法基于韦诺图和德劳内三角形之间的对应关系，近似通过韦诺图中计算而得。但是，上述中轴生成方法的速度都很慢，都不适用于带有各种表面的复杂模型，对于带有各种表面的复杂模型而言，至今还没有一个令人满意的方法能高效快速地生成出其中轴。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生成速度快、计算效率高、计算成本低的增量式高效中轴生成方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种增量式高效中轴生成方法，其实施步骤如下：

1）将三维模型进行体素化为内部体素、边界体素和外部体素；

2）初始化当前队列和预备队列，将边界体素放入当前队列，初始化三维模型中各边界体素的到最近边界体素的距离为零、各内部体素的到最近边界体素的距离为无穷大；

3）遍历当前队列的体素，取出当前体素的最近边界体素和与当前体素面连接、边连接、点连接的周围内部体素，依次更新各周围内部体素到所述最近边界体素的距离，如果该更新距离大于或者等于当前距离与体素边长之和且小于当前距离与两倍体素边长之和，则将当前体素移入预备队列，然后判断当前体素的各周围内部体素是否为中轴体素：如果当前周围内部体素的两个最近边界体素属于不同的两个表面且这两个表面不是以凹边连接，或者当前周围内部体素的最近边界体素与至少一个面连接的周围内部体素的最近边界体素不属于同一个面且这两个面不是以凹边相连，或者当前周围内部体素的最近边界体素与至少一个面连接的周围内部体素的最近边界体素属于两个不同的凹边，或者当前周围内部体素的两个最近边界体素属于同一个面且该当前周围内部体素的法线穿过其两个最近边界体素，或者当前周围内部体素的两个最近边界体素属于同一个凹边且该体素与这两个最近边界体素的连线与这个凹边相切，则该当前体素为中轴体素；

4）在当前队列遍历完毕后，如果预备队列非空，则将预备队列与当前队列互换，并将当前距离设置为原当前距离与体素边长之和，然后重复执行步骤3）直至预备队列为空；

5）合并中轴体素获取生成的中轴体素集合。

作为本发明技术方案的进一步改进：

所述步骤3）中更新各个周围内部体素到最近边界体素的距离时，如果周围内部体素到针对当前体素的最近边界体素的新距离小于原距离时，则将该周围内部体素到最近边界体素的距离更新，否则保持该周围内部体素到最近边界体素的距离不变。

所述步骤1）中首先判定三维模型是否为基本模型通过布尔操作形成，获取尚未获得中轴体素的基本模型；所述步骤3）中对不存在中轴体素的基本模型进行获取中轴体素；所述步骤5）中将步骤3）生成的中轴体素和已经获得中轴体素进行合并生成中轴体素集合。

所述步骤1）中体素化的详细步骤包括：获取三维模型的包围盒，将该包围盒分割成若干未判定的正方体体素，将正方体体素全部初始化为外部体素；用射线法在外部体素中获取属于三维模型各个面的边界体素；遍历外部体素，获取下体素、左体素、后体素都为边界体素的外部体素作为第一个内部体素；根据第一个内部体素通过广度优先搜索的方法寻找其他内部体素。

本发明具有下述优点：

1、本发明通过体素化是指将一个三维实体模型转化成若干正方体体素集合的近似表示，并利用当前队列和预备队列两个队列，将这些体素到边界的距离进行蔓延更新。而通过这些距离信息，可以判断哪些被蔓延的体素是中轴体素，从而生成出中轴体素集合，具有生成速度快、计算效率高、计算成本低的优点。