基于对称约束的网络虚拟装配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于对称约束的网络虚拟装配方法，基于三角网格模型顶点主曲率提取对称特征，首先根据主曲率值采样获取特征区域样本点，以提取对称特征较明显的模型顶点；然后通过裁剪、六维空间变换、配对、mean‑shift聚类和对称表面扩散等算法处理，提取出模型的对称变换和对称面；最终根据提取的三角网格模型的对称变换和对称面进行虚拟装配，具有较高的鲁棒性和效率，对称特征提取过程中利用了机器学习算法mean‑shift聚类精准地训练六维空间变换数据，保证了提取对称特征的准确性；虚拟装配过程提供了鼠标平移、旋转、拖拽等交互功能，保证了程序良好的交互性。

【技术实现步骤摘要】
基于对称约束的网络虚拟装配方法
本专利技术涉及计算机图形学领域，特别涉及基于对称性约束的网络虚拟装配方法。
技术介绍
随着计算机辅助设计及3D打印技术的快速发展，三角网格模型的虚拟装配技术得到了极大的应用，许多模型的装配都用到了对称特征，尤其是机械零件和工业设计产品的虚拟装配；一方面由于许多三角网格模型对称性检测算法需要进行繁杂的前期处理工作，这使得算法的复杂度大大提高，降低了程序的执行效率；另一方面，目前很多对称性检测算法都局限于本地客户端实现。为了提取到三角网格模型的对称特征，必须进行对称性检测。三角网格模型的对称分为外蕴对称和内蕴对称；而对于机械零件和工业设计产品而言，对称特征大都为外蕴对称特征。目前，外蕴对称特征检测方法一般分为两类，一类是基于三角网格模型的视图特征的对称性检测。例如，BOLi等人在学术期刊《SiggraphAsiaCreativeShapeModeling&Design》2014，15(3)：1-8发表的学术论文″Efficient3Dreflectionsymmetrydetection：Aview-basedapproach″中提出一种基于三角网格模型的样本视点熵特征的对称检测方法。这种方法首先需要对样本视图进行匹配生成候选平面对，然后在最小的样本视图对数目内验证剩余匹配的数目对，最终提取到模型的对称面。但该方法在前期需要利用CPCA(ContinuousPrincipalComponentAnalysis)方法对三角网格模型进行对齐处理，因此该方法的前处理时间过长，导致算法整体效率并不高。另一类方法是基于三角网格模型的几何特征进行对称性检测。例如，NiloyJ.Mitra等人在学术期刊ACM《TransactionsonGraphics(TOG)》2006，25(3)：560-568上发表的学术论文″PartialandApproximateSymmetryDetectionfor3DGeometry″中提出一种处理几何模型并有效地发现和提取其欧几里德对称性的算法。该算法通过均匀采样获取初始样本点并配对，并通过计算多维空间变换和聚类提取出三角网格模型的对称特征。该方法虽然能准确提取出模型的对称特征，但由于该算法在对称性检测之前需要对三角网格模型进行整体均匀采样处理，导致算法总体耗时较多。总之，无论是基于三角网格模型的视图特征还是顶点几何特征的对称性检测，不仅需要进行繁多的前处理工作，而且都是基于本地客户端实现；目前存在的客户端软件，如PROE、BLENDER等虽然提供了便捷的本地三角网格模型对称装配功能，但对于非专业技术人员来说、操作难度大、学习周期长、专业知识要求高，且脱离不了本地客户端操作的限制。对于网络前端程序而言，算法的复杂程度更直接影响执行效率。因此，有必要提出一种新的技术方案。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于对称性约束的网络虚拟装配方法，其克服了
技术介绍
中所述的现有技术的不足。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于对称约束的网络虚拟装配方法，包括：步骤1，通过网络浏览器将三角网格模型文件数据读入到内存中，基于读入的三角网格模型数据建立无冗余的点集和面集；基于半边数据结构构建三角网格模型的顶点、边和面片的完整拓扑邻接信息；步骤2，基于步骤1建立的三角网格模型的拓扑邻接信息中的顶点和三角面片数据，利用WebGL技术对整个模型进行可视化绘制；步骤3，遍历三角网格模型的点集，计算模型所有顶点的主曲率与主曲率方向；其中主曲率包含最大曲率kmax和最小曲率kmin，主曲率方向包含最大主曲率方向dmax和最小主曲率方向dmin；步骤4，根据顶点曲率值对整个三角网格模型顶点进行采样，获取初始特征区域采样点集P0；步骤5，利用顶点主曲率的比值对P0进行裁剪，获得裁剪后的特征区域样本点集P1；步骤6，对集合P1中的采样点进行配对；假设P1中存在两个顶点p和q，如果满足顶点p的主曲率坐标与顶点q的主曲率坐标在欧式空间中的距离无限接近，就认为(p，q)是对称点对，从而得到特征区域点对集合Ppair；步骤7，根据变换类型，计算Ppair中点对的六维空间变换得到六维空间变换集合Γ；步骤8，利用mean-shift聚类算法对集合Γ中的六维空间变换进行聚类，并根据聚类结果对特征区域点对集合Ppair中满足相同对称关系的点对进行归类，满足相同对称关系的点对具有相同的对称变换步骤9，根据归类的结果进行三角网格模型的对称表面扩散，并提取对称面；步骤10，导入装配件，以对称检测的模型位置为原点，建立局部坐标系，选取相应的对称面作为约束，并判别该对称面相对于局部坐标系为xy、xz或yz平面，进行虚拟装配。一实施例之中：所述步骤4中，根据顶点的最大主曲率对整个三角网格模型顶点进行采样，获取所述初始特征区域采样点集P0的公式如下：其中，Fv表示顶点分类标志，Kmax表示模型所有顶点的最大曲率值中的最大值，ε1表示提取样本点的阈值参数，V表示三角网格模型的所有顶点集合。一实施例之中：所述步骤5中，裁剪初始采样点集，并获取裁剪后的采样点集P1的公式如下：其中P1为裁剪后的特征区域采样点集，ε2为采样点裁剪阈值。一实施例之中：所述步骤6中，使用标准的空间最近邻查询的数据结构kd-tree，对对称点对p和q进行搜索。一实施例之中：所述步骤7中，所述Ppair中点对的六维空间变换计算公式如下：其中，R为两个局部标架之间的旋转矩阵，以欧拉角形式存储，Fp为顶点p的局部标架，Fq为顶点q的局部标架，t为p到q的平移坐标值，Tpq∈Γ。一实施例之中：所述步骤8中，六维空间变换集合Γ的聚类公式如下：Mh(x)＝||mh(x)-x||＜ε4其中，G(x)为核函数，ω(xi)为xi的权值，xi∈Γ，x为初始点，Mh(x)为mean-shift向量，ε4为聚类容许误差。一实施例之中：所述核函数为高斯核函数，一实施例之中：所述步骤8中，mean-shift算法的执行步骤如下：8.1，计算mh(x)；8.2，将8.1中计算出来的mh(x)值赋给初始点x；8.3，将mean-shift向量Mh(x)的长度与聚类容许误差比较，如果||mh(x)-x||＜ε4，循环结束，获得六维空间变换聚类结果，否则继续执行(1)。一实施例之中：所述步骤9中，对称面的提取包括如下步骤：9.1，由聚类结果，对满足相同的对称变换T的点对所在的区域进行对称表面扩散；9.2，由三角网格模型在某个方向上的对称点对集合Sk，提取相应的对称面；设Sk中存在某一个对称点对(p，q)，用公式(p+q)/2求Sk中对称点对的中心点，利用最小二乘法将这些点拟合到一个平面上，所得到的平面和线即为模型在该方向的对称面。一实施例之中：所述步骤10中，模型在不同的对称面约束装配公式如下：其中V′为再导入的装配件坐标矩阵，V″为对称约束装配后的模型顶点坐标矩阵，X，Y，Z分别为待装配体对称模型的局部坐标系下所有顶点对应的x，y，z方向的坐标矩阵，表达如下：一实施例之中：还包括步骤11，对经过虚拟装配后得到的三角网格模型顶点坐标矩阵，利用WebGL技术再绘制模型，得到符合该对称特征的模型装配场景。一实施例之中：所述参数阈值ε1取值范围为0.1-0.9。一实施例之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于对称约束的网络虚拟装配方法，其特征在于：包括：步骤1，通过网络浏览器将三角网格模型文件数据读入到内存中，基于读入的三角网格模型数据建立无冗余的点集和面集；基于半边数据结构构建三角网格模型的顶点、边和面片的完整拓扑邻接信息；步骤2，基于步骤1建立的三角网格模型的拓扑邻接信息中的顶点和三角面片数据，利用WebGL技术对整个模型进行可视化绘制；步骤3，遍历三角网格模型的点集，计算模型所有顶点的主曲率与主曲率方向；其中主曲率包含最大曲率kmax和最小曲率kmin，主曲率方向包含最大主曲率方向dmax和最小主曲率方向dmin；步骤4，根据顶点曲率值对整个三角网格模型顶点进行采样，获取初始特征区域采样点集P0；步骤5，利用顶点主曲率的比值对P0进行裁剪，获得裁剪后的特征区域样本点集P1；步骤6，对集合P1中的采样点进行配对；假设P1中存在两个顶点p和q，如果满足顶点p的主曲率坐标

【技术特征摘要】
2018.08.23 CN 20181096761641.基于对称约束的网络虚拟装配方法，其特征在于：包括：步骤1，通过网络浏览器将三角网格模型文件数据读入到内存中，基于读入的三角网格模型数据建立无冗余的点集和面集；基于半边数据结构构建三角网格模型的顶点、边和面片的完整拓扑邻接信息；步骤2，基于步骤1建立的三角网格模型的拓扑邻接信息中的顶点和三角面片数据，利用WebGL技术对整个模型进行可视化绘制；步骤3，遍历三角网格模型的点集，计算模型所有顶点的主曲率与主曲率方向；其中主曲率包含最大曲率kmax和最小曲率kmin，主曲率方向包含最大主曲率方向dmax和最小主曲率方向dmin；步骤4，根据顶点曲率值对整个三角网格模型顶点进行采样，获取初始特征区域采样点集P0；步骤5，利用顶点主曲率的比值对P0进行裁剪，获得裁剪后的特征区域样本点集P1；步骤6，对集合P1中的采样点进行配对；假设P1中存在两个顶点p和q，如果满足顶点p的主曲率坐标与顶点q的主曲率坐标在欧式空间中的距离无限接近，就认为(p，q)是对称点对，从而得到特征区域点对集合Ppair；步骤7，根据变换类型，计算Ppair中点对的六维空间变换得到六维空间变换集合Γ；步骤8，利用mean-shift聚类算法对集合Γ中的六维空间变换进行聚类，并根据聚类结果对特征区域点对集合Ppair中满足相同对称关系的点对进行归类，满足相同对称关系的点对具有相同的对称变换步骤9，根据归类的结果进行三角网格模型的对称表面扩散，并提取对称面；步骤10，导入装配件，以对称检测的模型位置为原点，建立局部坐标系，选取相应的对称面作为约束，并判别该对称面相对于局部坐标系为xy、xz或yz平面，进行虚拟装配。2.根据权利要求1所述的基于对称约束的网络虚拟装配方法，其特征在于：所述步骤4中，根据顶点的最大主曲率对整个三角网格模型顶点进行采样，获取所述初始特征区域采样点集P0的公式如下：其中，Fv表示顶点分类标志，Kmax表示模型所有顶点的最大曲率值中的最大值，ε1表示提取样本点的阈值参数，V表示三角网格模型的所有顶点集合。3.根据权利要求1所述的基于对称约束的网络虚拟装配方法，其特征在于：所述步骤5中，裁剪初始采样点集，并获取裁剪后的采样点集P1的公式如下：其中P1为裁剪后的特征区域采样点集，ε2为采样点裁剪阈值。4.根据权利要求1所述的基于对称约束的网络虚拟装配方法，其特征在于：所述步骤6中，使用标准的空间最近邻查询的数据结构kd-tree，对对称点对p和q进行搜索。5.根据权利要求1所述的基于对称约束的网络虚拟装配方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，吴金华，皮成祥，许建文，黄常标，江开勇，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35