新-第7章-几何造型技术

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正则集合运算

b(A∩*B)=(bA∩iB)∪(bB∩iA)∪(bA∩bB∩k(iA∩iB))
同理可得: b(A∪*B)=(bA∩cB)∪(bB∩cA)∪(bA∩bB∩k(cA∩cB))
b(A-*B)=(bA∩cB)∪(bB∩iA)∪(bA∩bB∩k(iA∩cB))
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2、构造实体几何法(CSG法)
1973年在英国剑桥大学由I· Braid等建成了BUILD系统 C· 1973年日本北海道大学公布了TIPS-1系统 1978年,Shape Data的ROMULUS系统问世 1980年 Evans和Sutherland开始将ROMULUS投放市场
目前市场上已有许多商品化的几何造型系统。
国外: AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、Pro/Engineer、
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第七章 几何造型简介 7.1 概述 7.1.1 几何造型定义 7.1.2 几何造型历史 7.1.3 几何造型应用 7.2 几何造型三种模型 7.3 实体模型构造
第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.2 几何造型历史 几何造型的基本理论和方法是在本世纪70年代开始 创立的,经过二十几年的发展和研究,现已开始被广泛 地应用在工业生产的各个领域。
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7.3.5 分解表示法(D-rep) 先讨论四叉树再讨论八叉树。
1、四叉树
四叉树处理图形基本思想:假定图形由N ×N个像素构成, 且 N= 2m。将图形四等分,划分后可能出现三种情况: (1)图形不占区域:白色区域,不必再划分; (2)图形全占区域:黑色区域,不必再划分;
(3)不一致,继续划分。
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7.3.5 分解表示法(D-rep) 分解表示法是把一个几何体有规律地分解为有限个单元, 这种方法不仅可以表示平面的几何体,也可以表示复杂的 包括内部有孔的几何体。 D-rep法主要有:八叉树法、细胞分解法、空间堆叠法等。 D-rep法便于进行几何体的并、交、差运算,容易计算几 何体几何特性。但这种方法不是一种精确的表示法,其近 似程度完全取决于分割精度,与几何形体的复杂程度无关 。
7.3.1 概述
目前常用实体造型方法有:边界方法、构造实体几何法、
扫描法和分解表示法。 1、形体描述 在计算机内,通常用体、面、环、边、顶点五 个层次来 描述。 (1)体:由封闭表面围成,如 右图。 (2)面:由外环和内环所定范 (a)正则形体 (b) 非正则形体 围,如图 (a) 有六个环。 图8.5 正则形体和非正则形体 (3)环:有序、有向边组成的 面上封闭边界,如图 (a) V5V6V7V8 (4)边:环的组成元素 (5)顶点:边端点或曲线的型值点
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7.2 几何造型系统三种模型
来自百度文库3、实体模型 反映物体三维形貌,明确定义表面哪一侧存在实体。
实体表示模型
实体模型的优点: (1)完整定义了立体图形,能区分内外部; (2)能提供清晰的剖面图; (3)能准确计算质量特征和有限元网格; (4)方便机械运动的模拟。
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7.3 实体模型的构造
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下面考察正则集合运算C=AB。
对于形体A,令bA表示A的边界点集,iA表示A的内部点集 ,由前面定义则有:
A=bA ∪ iA 同理,对形体B则有:
B=bB ∪ iB
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A∩*B的边界
如图所示,A的边界bA可分为在B内、在B上和B外三种可能, 分别表示bA∩ib、bA∩bB和bA∩cB,其中cB表示位于形体 B外的点集合。同理,bB也可分为bB∩iA、bB∩bA和bB∩cA 三部分,其中bB∩bA=bA∩bB。由点集求交可知,A、B 的边界位于对方体内的部分组成 C的部分边界,A、B分别 位于对方体外的部分边界不在 C的边界上,也就是说 bA∩iB和bB ∩ iA组成C的部分边界,另外C的部分边界则由 图可以看出是由bA∩bB∩k(iA∩iB)组成。
CSG方法示意图
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7.3.4 扫描法
通过在空间移动的几何集合,扫描出一个实体。 a、要定义移动物体,如曲线、曲面或实体 b、要定义移动轨迹 1、平移扫描法 一个二维图形沿着轨迹作直线移动而形成三维图形,这种方 法称为平移扫描。如图,扫描线是一条直线,扫描得到曲面。
平移扫描
旋转扫描
2、旋转扫描法 绕某以轴线旋转某一角度而形成实体。如图,扫描体是一条 曲线,旋转轴是一直线,旋转后得到一个曲面。
利用投影变换,从三维线框模型可方便 地生成各种正投影图、轴测图和任意观 察方向的透视投影图。
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缺点:
中间打孔的长方体
— 易出现二义性理解; — 缺少曲面边缘侧影轮廓线;
—缺少边与面、面与体之间关系的信息,不能描述产品

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7.2 几何造型系统三种模型 2、表面模型 在线框模型基础上,增加了有关生成立体各表面的数据 而构成的模型。
构造实体几何法是当前许多CAD/CAM系统采用的 表示三维形体的一种方法。CSG用系统定义的简单几何形 体(体素)经正则集合运算,构造出所需要的复杂实体。 通过下图大家可以很容易地发现这种方法的基本思想: 一个三维形体可以通过一些基本形体(这里是两个长方体 和一个圆柱体)的并、差等集合运算来得到正确表示。
并且,由于表面模型比线框模型提供了形体更多的几 何信息,因而还可实现消隐、生成明暗图、计算表面 积、生成表面数控刀具轨迹及有限元网格等。
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缺点
操作复杂,需具备一定的曲面造型知识。 由于缺乏面与体的关系,不能区别体内与体外, 不能指出哪里是物体的内部与外部信息,
因此,表面模型仅适用于描述物体的外壳。
表面模型的数据结构
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按生成方式不同,表面模型有以下几种:
(1)基本面:通过对一条线扫描操作得到 (2)旋转面:对一个平面绕某一轴旋转得到 (3)相交面 (4)分析法表面 (5)雕塑曲面(自由曲面) (6)组合平面:通过四边形网格和纵横边界构成
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表面模型的优点与不足:
优点
利用曲面造型能够构造诸如汽车、飞机、船舶、模具 等非常复杂的物体。
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7.3.5 分解表示法(D-rep) 2、八叉树 原理同四叉树。
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用八叉树表示空间实体具有许多优点,可以用统一而 简单的形体(即立方体)表示空间任意形状的实体,因而 数据结构简单划一;易于实现物体之间的集合运算,易于计 算物体的性质,如物体的体积、质量、转动惯量等。但采 用八叉树表示物体的最大缺点是它占用内存很多,但可用 线性八叉树方法来解决这个问题,即用一个可变长度的一 维数组来存放一棵八叉树,这样很容易将空间任一物体转 化为线性八叉树的编码表示。 一个功能完善的八叉树造型系统应包括如下几类算法: (l)八叉树的生成。 (2)集合运算。 (3)几何运算。 (4)分析例程。 (5)显示生成。
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7.3 实体模型的构造
7.3.1 概述 2、实体表示基本要求 (1)适用范围尽量大 (2)无二义性 (3)惟一性 (4)近似性 (5)有效性 (6)为节省存储空间,表示方法应该紧凑
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7.3.2 边界表示(B-rep)法 1、形体的拓扑关系 对于一个形体,不但有几何信息(大小、位置等),同时 还有拓扑信息。所谓形体的拓扑信息是指形体上所有顶点、 棱边、表面之间的相互连接关系,实体的面、边、点之间共 有9种不同类型的拓扑关系。 如图,V:顶点,E:边, F:面,V->{E}表示由一 个顶点对应相交于此顶点 的所有边;F->表示由一 个面找出该面所有边。
7.3.3 构造实体几何法(CSG)
1、正则集合运算
任意一个三维形体都可用三维欧氏空间中点的集合表示,
而三维空间中任意点的集合却不一定对应一个形体,因此 必须定义正则集。 数学上正则集的定义是:
S=kiS
给定一个集合S,如果此集合内部闭包与所给原集合相等, 则原集合称为正则集。
式中k表示闭包,i表示内部,S表示集合。该式定义是:
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图(a)中原来的集合S不等于 S’( S’=kiS), 故S不是正则集; 图(b)中原来的集合S=S’,故S是正则集。
正则集的定义
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(2)正则集运算 以二维平面上物体A和B为例, 按照下图(b)的位置求交运算,照一般 求交运算得到图(c), 这不是正则形体,因为 有悬边,若去掉悬边就 是正则形体,因此引入正则运 集合和正则集合的交运算 算符进行运算,定义如下: A∪*B= ki(A∪B) 通过Ki作用,使A∪B运算后变成正则形体 A∩*B= ki(A∩B) 通过Ki作用,使A∩B运算后变成正则形体 A-*B= ki(A-B) 通过Ki作用,使A-B运算后变成正则形体
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7.3.3 构造实体几何法(CSG) 1、正则集合运算
(1)定义 对两个实体进行普通的布尔运算产生的结果并不一定 是实体。
为此,我们不使用普通布尔运算,而是采用正则布尔 运算。正则化运算符可以分别用∪*,∩*和-*表示。定义 这些运算符后,对实体进行布尔运算时总是产生实体。
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UnigraphicsⅡ、 ACIS、Parasolid等。
国内:高华、金银花、管道CAD、 制造工程师 (ME)、
NPU-CAD/CAM系统
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第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.3 几何造型应用 工业上应用:1、航空工业:飞机设计 2、汽车工业:车身设计 3、船舶工业 4、模具设计 医学上应用:1、CT图象三维模型 2、模拟解剖 建筑工业: 1、建筑图自动绘制 2、物理特性计算,如:计算重心、体积 3、结构有限元分析 服装业应用、动画制作、人体造型、计算机辅助教学
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2、表面模型
3、实体模型
7.2 几何造型系统三种模型 1、 线框模型 最早表示形体模型,用线框表示物体,如图。
线框模型的数据结构
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线框模型的优缺点
优点: 构造模型时操作简便,处理速度快且占 用内存少。 特别适用于设计构思、建立 设计图的总体空间位置关系及图形的动态 交互显示。
工具表示描述物体形状,设计几 何形体,模拟物体动态处理过程 的一门综合技术。包括: 1、曲面造型:B样条曲面,Coons 2、实体造型 3、特征造型:面向制造全过程,实现CAD/CAM集成重要手段 三种造型关键是实体造型,后面重点讨论实体造型。
几何造型:在计算机内生成所需要的几何形状。 计算机图形学:在输出设备上显示所生成的图形。
画、边、点之间的拓扑关系
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7.3.2 边界表示(B-rep)法
2、形体边界表示法 (1)分层表示 将形体面、边、顶点的信息分别记录,建立层与层 之间的关系,其信息包括几何信息和拓扑信息。 (2)翼边结构 以边为核心来组织形体数据
(3)优缺点 优点:可直接用几何体面、边、点来定义数据, 方便图形绘制。 缺点:数据结构复杂,存储量大。
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7.2 几何造型系统三种模型
1、线框模型
由构成物体的一组顶点和 边来表示物体的几何形状 ,其中边可以是直线,也 可以是曲线,如圆弧、二 次曲线、B 样条曲线和 Bezier曲线。 表面模型是以物体的各个 表面为单位来表示其形体 特征的,在线框模型的基 础上增加了有关面和边的 几何信息、拓扑信息。 实体模型的核心问题是采用什 么方法来表示实体。与线框模 型和表面模型的根本区别在于 :实体模型不仅记录了全部几 何信息,而且记录了全部点、 线、面、体的拓扑信息。
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小结
除上述四种实体造型方法以外,还有其它一些方法,如 基本体素表示法、空间位置枚举法、描述性造型和基于
物理的造型。
对于不规则形体的造型,例如山、水、树、草、云、烟 等自然界丰富多彩的物体,不能用欧氏几何加以描述, 可用分形理论的随机插值模型、粒子系统模型和基于文 法模型等对这些不规则形体进行造型。
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Computer Graphics
王汝传 wangrc@njupt.edu.cn
黄海平 hhp@njupt.edu.cn 林巧民 qmlin@njupt.edu.cn
教材:《计算机图形学》王汝传等
编著 人民邮电出版社
http://10.20.79.1
第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.1 几何造型定义 几何造型是计算机及其图形
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