一种散乱数据的三角剖分新算法
第11卷第11期2OO5年11月
计算机集成制造系统
ComputerIntegratedI性anufacturingSystems
Vol_1lNo11
Nov.2005
文意编号:1006—5911(2005)11一1640一04
一种散乱数据的三角剖分新算法
慈瑞梅,李东波,童一飞
(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)
摘要:根据逆向工程中散乱数据点规模越来越太的趋势,为缩小剖分时搜寻和遍历数据点的空间范围,提高算法效率,提出了一种大规模散乱数据的空间划分方法及相应的数据结构和编码方案。同时,提出了外连剖分和内连剖分的概念,给出了基于局部增量网格扩张的3维散乱数据点的空间直接三角剖分算法。该算法的总体计算复杂度为o(N),与三角剖分的典型算法相比,有救降低了其时问复杂度,提高了剖分后网格的质量。
关键词:逆向工程;散乱数据;三角剖分;局部增量;网格扩张
中图分类号:TP39】文献标识码:A
Ne、vtriangu】ationa190rithmforscattemdpoints
CJRⅡf一榭f,L¨)ong~60,“)ⅣGH^i
(sch.ofMechamcaIEng,NanjingUniv.ofs&T,Nanjing210094,china)Abstr舵t:Inordertodealwiththetrendofincreasinglargescattereddatapointssetlnreversee“ginee^ng,a8pacepartitl。nstrategywithitscorrespondingdatastructureandencodi“gmethodwasproposedtoimprovethetna“guIatingandsearchefficiency.Atthesamettme,theconceptsofinner—connectIonandouter—connectionwereputfor—wardandthedirecttriangulatlonalgorithmfrom3DscatteredpoIntsbasedonthelocalincrementalmeshexpansIonmethodwasprovided.Thecomputationalcomple)dtyofthIsalgodthmwasO(N).Comparedtothetypicalt订angu—la“onalgorithms,ithassigniflcantlyreduceditstimecomplexityandimprovedthemeshquality
Keywords:reverseengineering;scatteredpoint3;triangulatlo“;localincrement;meshexpansion
0引言
在实物测量造型系统中,根据离散数据点集进行三角网络划分是关键环节之一,也是进行后续随面重构的前提和基础“’2]。对散乱数据三角剖分方法的研究,在2维平面和3维空间区域上都已有诸多成果,尤其是对2维平面散乱数据三角剖分的研究,其理论和算法均较成熟…。相对来说,3维散乱数据的三角剖分,特别是曲面形状较复杂、散乱数据点数目较大时,目前的算法在适应性、执行效率等方面还有待进一步提高。
l散乱数据空间划分方法
大规模散乱数据处理的关键问题之一是数据处理的效率。对散乱数据进行三角剖分需要对数据点进行查找、遍历等操作。如果操作在整个点集s上进行,效率非常低。如果把对数据的操作限制在局部区域内,可大大加快三角剖分的速度。
收稿日期:2004—09—21;修订日期:2004ll一23。Rec邯ed21Sep.2004;accepted23N0v2004.
基金项目:总装备部“十五”预研资助项目(41318.1.17)I江苏省自然科学基金项目(BK2003∞5)。F0岫d丑tjoⅡikm:Prqen8upportedbytheNatlona】Def…eRes…chF0un山tlon,Chlna(No.41318.11.7)andthNat…lSc【enceF0undatjonofJja“gsuProvlnce.China
(No.BK2003095).
作者简介:慈瑞梅(1975一),女,山东潍坊人,南京理工大学机械工程学院博士研究生,主要从事逆向工程、cAD/cAM/cAPP等研究。
E—majl{clr山mei@eyou.c。m。
万方数据
第11期慈瑞梅等:一种散乱数据的三角剖分新算法
目前,在处理大规模空间数据时,常采用八叉树型数据结构。八叉树空间分割模型是用一个立方体序列包围一个曲面(数据云)占据的空问。其方法是首先构造被测曲面的最小外接正方体,并视其为八叉树模型的根节点;然后把该最小外接正方体分割成大小相同的八个子立方体,每个子立方体均被视为根节点的子节点,由此将造型空间递归细分为2的幂次方个子立方体。八叉树空间分割模型有效地建立了空间数据点之间的邻近拓扑关系,空间效率较高,但在数据结构上只能采用链表的形式,搜索速度较慢。
本文提出—种大规模散乱数据的空间划分方法及其相应的数据结构和编码方案,以提高在数据点搜寻和遍历时的速度。
为把对数据点的操作限制在一定的范围内,需要对数据点进行空间划分。划分时,按以下步骤进行:
步骤1计算散乱数据点的最小长方体包围盒,得到min~z,max—z,min一,,max—y,min—z和max-z的值。
步骤2将包围盒分为number—z,number—y和number—z个小立方栅格,分别对应z,y,z3个坐标轴方向。其中,number—z一(int)(max—z—min—z)/edge,number-y一(int)(ma。o,一mirLy)/edge,number—z一(int)(max—z—min一2)/edge,edge为立方栅格的边长。
步骤3对立方栅格进行编号,以z—y—z为序,如图1所示。
图l立方栅格图
对散乱数据进行局部三角剖分,应首先读人数据点,建立数据点及其邻近点之间的空间位置关系。为此,需要建立数据点与立方栅格之间的相互对应关系。对任一数据点v:(z:,弘,≈)(i一1,2,…,n),
用Hash函数方法求其所在的立方栅格号:ceILindex一(int)(z;/edge)+(intJ(弘/edge)×numbeLz+(int)(z,/edge)×number_z
×number_一+l,(1)即根据搜索目标的索引值,通过Hash函数的公式计算出搜索目标所在位置的一种搜索策略。在式(1)中,搜索目标的索引值就是数据点V(z.心∞)(i—l,2,…,n)的坐标,所在位置就是celljndex的值。这种方法能够大大加快搜索速度,所要查找的对象集的规模越大,该方法的优势越明显。
2数据结构
2.1数据点的存储结构
三角剖分过程中不需要对数据点进行插人和删除操作,且主要的操作是迅速检索任~数据点V。所在的立方栅格和任一立方栅格所包含的数据点,因此,本文根据散乱数据空间划分方案,采用线性顺序表的形式建立数据点和立方栅格的数据结构,如表l和表2所示。
寰1数据点的存储结构
数据点序号对应立方栅格号坐标值
poIntllndex(z)
cell一1ndex
表3立方栅格的存储结构
立方栅格号点数数据点指针4—-
ce【Ljndexp0Interofindex
由表1和表2所建立的数据点和立方栅格的数据结构,能够迅速由一个数据点的序号查到该点所在的立方栅格,同时也能通过指针运算,由立方栅格号查到该立方栅格内所有的数据点。查找过程如下:
(1)由该点的序号通过Hash函数计算出该点所在的立方栅格序号。
(2)根据立方栅格的编码方案,计算出其上下左右与之相邻的共26个立方栅格的序号。
(3)根据该立方栅格及其周围26个立方栅格的序号,由立方栅格的存储结构通过指针运算查找到所有立方栅格内的数据点,其集合除去该点本身即为该点的邻近点集。
万方数据
计算机集成制造系统第11卷
2.2临时边界点表的存储结构
I临时边界点表是三角网格增量扩张的前沿,本文采用如图2所示的双链表结构来表示临时边界点表,以方便各种操作,其中Present代表当前点指针。
圈2临时边界点表
3空间散乱数据三角剖分
3.1三角剖分算法思想
本文算法采用局部增量网格扩张的3维散乱数据三角剖分方法,逐步构造三角形网格。基于局部网格增量扩张的3维散乱数据三角划分算法,就是把三角划分的范围限制在一个很小的区域内。因为复杂的曲面整体上是一个多值曲面,但当把观察的角度限制在一个很小的区域内时,这个很小的区域就是一个单值曲面。由此可见,一个复杂的多值血面是由若干这样的小单值曲面构成的。因而,对局部进行三角划分时不会产生网格畸变,能够满足对复杂曲面的三角划分要求。
该算法在进行局部网格的增量扩张过程中,有内连和外连两种不同的扩张方式。
定义l如果以原有的网格边界中的某一条边界AB或某两条边界AB和BC为基础向外扩张,则AB和Bc称为扩展边界边,如图3所示。
新增垃
外迁内连
圈3三角网格增量扩张中的外连与内连
定义2以原有的网格边界的一条边为扩展边界边,以未剖分的点集中的一点为待扩展点新增一个三角形的网格扩张方式称为外连,如图3所刀i。
定义3以相邻的两条网格边界为扩展边界边,将这两条边的非相邻两点相连,新增一个三角形的网格扩张方式称为内连,如图3所示。
3.2三角剖分算法步骤
本文算法的步骤如下:
步骤1读人数据,对数据进行预处理,主要是滤除噪音点。
步骤2一三角划分。构造初始三角形,形成临
时三角网格边界表,同时储存三角形三顶点、
三条边和三角形本身的有关信息。
步骤3遍历临时三角网格边界表的每一条边,并在边界上搜索对应的最优点,即进
行内连测试,通过内连测试的点进行内连;再
进行外连测试,取临时边界表内的一条边,在未划分的邻近点中搜索最优点进行外连,直到遍历所有的散乱数据点。
4算法复杂度分析
本文算法是建立在局部增量网格扩张基础上的3维空间直接三角剖分算法,从总体上说,每一次局部扩张都增加一个三角形。每一次外连扩张,都向网格中增加一个散乱数据点,因此其总体时间复杂度为O(Ⅳ),N为散乱点个数。与空间散乱数据三角剖分典型算法的时问复杂度比较如表3所示。
表3算法时间复杂度的比较
平l再『3维
算法/Ⅱ
Dd札ma7Delaunav场函数法本文算法方法形法
算法算法
时间
o(NlogN)o(N2)0(Ⅳ2)o(N109N)o(N)
复杂度
对于大规模数据点集来说,本文算法在计算时间上占有优势;但对每个点来说,相对剖分时间变动性较大,随着立方栅格边长的变化,每一点的邻近点集规模都不同。因此,根据数据点集的密度选择恰当的立方栅格边长,是保证算法速度与网格质量的关键。同时,本算法为提高时间效率采用的数据结构牺牲了一定的空间效率。
5实例及结语
为验证本文算法,软件开发时采用了基于c/c++语言的c++Builder可视化集成开发环境,计算结果调用OpenGLAPI函数在屏幕上显示输出。图4是测量法兰表面后得到的数据点及其剖分结果。本文提出的基于局部增量网格扩张的3维散乱数据点的空间直接三角剖分算法,具有计算稳定、适
亨一
万方数据
第11期慈瑞梅等:一种散乱数据的三角剖分新算法1643
应性强等优点。与空间散乱数据三角剖分典型算法相比,其时间复杂度占有明显的优势。
罔4法兰数据点及三角剖分后的结果
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一种散乱数据的三角剖分新算法
作者:慈瑞梅, 李东波, 童一飞, CI Rui-mei, LI Dong-bo, TONG Yi-fei
作者单位:南京理工大学,机械工程学院,江苏,南京,210094
刊名:
计算机集成制造系统
英文刊名:COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING SYSTEMS
年,卷(期):2005,11(11)
被引用次数:1次
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随着当前数字化测量技术的快速发展,反求工程技术在工程中已经得到广泛的应用.与此相应,对点云数据的曲面重构研究也引起了足够的重视.该文主要研究了散乱数据的NURBS曲面重构和在重构网格基础上的后续数控加工路径规划问题.散乱数据重建存在点与点之间几何拓扑关系建立困难和存在大量冗余数据两大难点.为了实现数据的精确压缩,简化点与点之间拓扑结构的建立,把散乱数据转化为扫描线数据,对点云数据进行了直接分层处理,采用了基于最小距离关联点对的线面截交算法和截面轮廓数据的八方向编码追踪算法,并用实例验证了方法的可行性.基于截面轮廓数据,详细探讨了NURBS曲线的拟合方法.用积累弦长的方法对截面轮廓数据进行参数化;给出了节点矢量选择的合理数学模型;用最小二乘法对截面轮廓数据进行了NURBS曲线的拟合;二分法寻找最优控制点的算法使NURBS曲线的拟合达到全自动化的程度.基于轮廓曲线,详细探讨了网格生成技术.在曲线相容、蒙皮的基础上,形成了四边形网格;在曲线相容的基础上,实现了三角剖分算法;通过计算NURBS曲线的曲率,实现了三角网格简化算法,并且分析了简化后三角网格的精度.最后用实例验证了算法的可行性.面向数控加工,该论文讨论了STL模型的刀具路径规划问题.在STL切片的基础上,对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值,通过刀触点计算出刀位点,实现了数控加工路径的规划.最后对论文的工作进行了总结.介绍了建模模块的界面、整体框架以及OpenGL下曲线、曲面的显示.文中还给出了一个具体工程实例,验证了该建模模块的功能.
10.期刊论文梁佳洪.刘会霞.王霄基于平面曲率提取产品特征线的散乱数据建模-机床与液压2004,""(9)
提出了一种基于平面曲率从散乱数据中提取特征线的方法,它包括三个主要步骤:首先对散乱数据截取平面点云,利用平面曲率法提取特征点;然后,把取得的特征点作为NURBS曲线的节点,求出NURBS曲线,用能量法光顺,生成产品特征线;最后,利用生成的特征线分割测量数据,然后分块拟合.该方法把复杂的三维散乱数据的产品特征线提取问题变为简单的二维计算,降低了运算复杂度.
引证文献(1条)
1.慈瑞梅.成小英基于微元网格扩张的三角剖分算法关键问题研究[期刊论文]-扬州职业大学学报 2008(1)
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