基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法

摘要

本发明给出了一种基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法，它利用已有模型的几何信息，选择用户感兴趣的局部曲面区域，自动生成一个新的曲面特征。鉴于大量的已有曲面模型，首先根据用户需求，选择具有工程语义的局部曲面区域；然后通过获取局部区域中以特征线为主的相关信息；再选择一种适合的曲面生成方式，重构出局部区域形状的曲面；最后对新生成的曲面进行参数化。该方法的主要特点是支持用户自动选择已有模型中的具有工程意义的局部区域，实现特征化，避免每次都从底层进行重新设计。该发明应用于CAD模型设计中，能够促进产品的设计重用和设计变形，缩短产品开发周期和提升设计效率。

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计领域，特别是涉及特征技术中的用户自定义特征、曲面特征表示和曲面特征参数化方法。

背景技术

特征技术的研究正逐渐由简单特征向复杂特征深入、由规则特征向曲面特征转移，但曲面特征技术仍处在初级阶段，尚有许多亟待解决的问题。在用户自定义特征方面，自由曲面特征有太多的自由度，难以像常规特征一样方便地自定义用户所需的曲面特征。鉴于已有大量的曲面模型，利用已有模型中存在的几何信息，对这些具有工程意义的区域进行特征自定义，是避免相同或相似的局域区域进行重复设计的关键。

曲面特征技术于上世纪九十年代就引起学者的关注，而用户自定义曲面特征及其参数化表示是曲面特征技术中的重要和基础性工作。目前，已有的用户自定义特征方法仍处于规则特征的自定义和特定的自由曲面特征自定义上，但这些方法大多难以对具有一般性的自由曲面特征进行定义。在曲面特征自定义过程中，曲面特征的几何元素的建立及其参数化表示都过于繁琐复杂，映射关系建立困难，缺乏一般性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法, 其特征在于：先基于已有模型选择用户感兴趣区域；然后获取该区域中以特征线为主的特征信息；再通过一种适合的曲面生成方法重构出新的曲面；最后对新生成的曲面进行参数化，实现用户对该区域的曲面特征自定义，

首先，基于已有模型选择用户感兴趣区域，包括以下步骤：

步骤S01：从已有曲面模型中选择用户所需要的具有工程意义的曲面区域，该区域可由CAD模型中的单曲面或多个曲面组成；

步骤S02：对局部区域的边界线进行编辑修改，边界线依附于曲面模型上，用户往往很难一次性准确地选定所需区域，它支持用户编辑修改；

然后，获取该区域中以特征线为主的特征信息，包括以下步骤：

步骤S03：获取选定区域的固有特征线，固有特征线是CAD模型中每个曲面包含的边界线； 

步骤S04：利用算法识别选定区域中具有显著特性的特征线，所识别的特征线是局部区域中曲率较大位置所形成的特征线;

步骤S05：根据用户自定义曲面特征信息的需要，支持用户依附模型的局部曲面上绘制特征线，以弥补难以识别的所需特征线;

再通过一种适合的曲面生成方法重构出新的曲面，包括以下步骤：

步骤S06：通过特征线信息，选择一种曲面生成方式，以特征线为中心重构出一个新的几何曲面;

步骤S07：将新生成的曲面与已有局部区域进行形状对比，分析形状误差，指导新的重构曲面;

最后，对新生成的曲面进行参数化，实现用户对该区域的曲面特征自定义，包括以下步骤：

步骤S08：对新生成的曲面进行参数设置，参数标注依附于特征线上的关键点；

步骤S09：以特征线为中间桥梁实现曲面特征的参数化，在曲面特征上配置高层语义参数，在特征线上配置中间层参数，在底层几何形状配置底层参数。

所述具有工程意义的曲面区域是指模型中含有一定意义的、有用的、具有封闭边界的区域。

所述边界线的编辑修改是指模型中曲面区域外围的封闭边界。

所述固有特征线是指曲面模型几何元素中边界线，大多曲面都有边界线，局部曲面区域通常是由这些边界线中部分组成。

所述具有显著特性的特征线是指曲面区域中主曲率变化最明显的位置，通常是曲面区域中的轮廓线，这些显著的特征线能够利用算法识别出来。

所述绘制特征线是指通过用户直接依附于曲面区域上绘制的特征线，这些特征线一般不处于曲面区域上曲率变化明显的位置，难以通过算法识别出来，但对于重构曲面而言具有重要信息，主要用于补充所需的特征信息。

所述曲面生成方式是指构建一曲面时所选择的生成方式，如拉伸、蒙皮、放样、覆盖曲面等，自由曲面通常由蒙皮、覆盖、填充等曲面生成方式生成。

所述新生成的曲面与已有局部区域进行形状对比是指通过Hausdorff距离求出两个曲面的最大值，具体步骤为：

步骤i01：将新生成的曲面与已有局部区域进行配准，即在已有曲面上重构出新的曲面依旧放置于原位置；

步骤i02：将两曲面进行离散化，分别在两曲面上采集N*N个离散的点集，已有曲面的离散点集合命名为S0和新生成的离散点集合命名为S1；

步骤i03：将对S0和S1两个点集合间求出最小距离中的最大值，即为Hausdorff距离； 

步骤i04：将Hausdorff距离作为两个曲面的近似误差，当在指定误差范围内时，认为两个曲面是相似的。

所述参数设置是指在新生成的曲面上配置高层参数，每个参数具有一定语义，如长、宽、高和角度等，使得用户能够通过少量的高层语义参数编辑修改特征，具体步骤为：

步骤p01：新生成的曲面特征是以特征线为中心生成的，在特征线中选择一些关键特征点，特征点通常位于特征线中较显著变化的位置；

步骤p02：将依附于特征线上的特征点，配置用户所需特征参数，特征参数可以在单特征线上设置，也可在多个特征线上设置。语义参数一般可分为高层参数、中间层参数和底层参数；

步骤p03：将高层参数用于控制曲面特征的总体形状，中间参数用于控制局部形状，底层参数用于操纵细节形状。

所述以特征线为中间桥梁实现曲面特征的参数化是指在建立各层参数间的映射关系和约束关系时，将特征线作为具有承上启下的中间环节，避免从高层的特征参数直接到底层参数的复杂映射，具体步骤为：

步骤q01：在曲面特征的高层参数与中间层的特征线参数间建立一级映射关系，使得高层参数的变化改变中间层参数，中间层参数变化反馈于高层参数；

步骤q02：在曲面特征的中间层参数与底层参数间建立二级映射关系射，使得中间层参数的变化改变底层参数，底层参数变化反馈于中间层参数。

本发明所达到的有益效果：

本发明通过基于已有曲面模型，先选择用户感兴趣的、具有工程意义的曲面区域；然后获取该区域中以特征线为主的特征信息；再通过一种适合的曲面生成方法重构出新的曲面；最后对新生成的曲面进行语义参数配置，建立映射和约束关系，实现对该区域的参数化。该发明应用于CAD模型特征设计中，使得设计者能够从特征层面上方便地实现设计重用，有效地提升产品设计能力和提高设计效率。

附图说明

图1是本发明中一种基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法的基本工作流程，包括在已有曲面模型中选取感兴趣区域、获取特征线、重构自由曲面和参数化曲面特征；

图2是本发明中感兴趣区域的选择。通过选取、识别或绘制边界线，确定曲面模型中局部曲面区域范围；在初步选取范围后，支持用户编辑修改边界线，达到最终所选区域；

图3是本发明中对局部区域中三类特征线的获取方法，第一类为用户直接选择的固有特征线，第二类为通过算法识别的特征线，第三类是支持用户依附于曲面模型绘制的特征线；

图4是本发明中曲面特征的重构方案，先在曲面模型的感兴趣区域选择所需区域范围，然后获取相关特征线信息，再选用一种适合的曲面生成方法重构出该区域曲面；

图5a－图5c是本发明中源曲面与新生成曲面的误差比较，利用Hausdorff距离算法判别源曲面与重构曲面的误差，当未达到指定的误差范围内时，逐步增加约束条件，最终使得新生成的曲面符合指定要求；

图6a-图6f是本发明中用户自定义曲面特征的构建过程实例，重构曲面特征后，对曲面区域进行参数化，关键在于配置相关高层参数和建立映射和约束关系。

具体实施方式

以下按照附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，所述一种基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法，其特征在于：先基于已有模型选择用户感兴趣区域；然后获取该区域中以特征线为主的特征信息；再通过一种适合的曲面生成方法重构出新的曲面；最后对新生成的曲面进行参数化，实现用户对该区域的曲面特征自定义；

首先，基于已有模型选择用户感兴趣区域，包括以下步骤：

步骤S01：从已有曲面模型中选择用户所需要的具有工程意义的曲面区域，该区域可由CAD模型中的单曲面或多个曲面组成；

步骤S02：对局部区域的边界线进行编辑修改，边界线依附于曲面模型上，用户往往很难一次性准确地选定所需区域，它支持用户编辑修改；

然后，获取该区域中以特征线为主的特征信息，包括以下步骤：

步骤S03：获取选定区域的固有特征线，固有特征线是CAD模型中每个曲面包含的边界线； 

步骤S04：利用算法识别选定区域中具有显著特性的特征线，所识别的特征线是局部区域中曲率较大位置所形成的特征线;

步骤S05：根据用户自定义曲面特征信息的需要，支持用户依附模型的局部曲面上绘制特征线，以弥补难以识别的所需特征线;

再通过一种适合的曲面生成方法重构出新的曲面，包括以下步骤：

步骤S06：通过特征线信息，选择一种曲面生成方式，以特征线为中心重构出一个新的几何曲面;

步骤S07：将新生成的曲面与已有局部区域进行形状对比，分析形状误差，指导新的重构曲面;

最后，对新生成的曲面进行参数化，实现用户对该区域的曲面特征自定义，包括以下步骤：

步骤S08：对新生成的曲面进行参数设置，参数标注依附于特征线上的关键点；

步骤S09：以特征线为中间桥梁实现曲面特征的参数化，在曲面特征上配置高层语义参数，在特征线上配置中间层参数，在底层几何形状配置底层参数。

如图2所示，所述选择具有一定工程意义的曲面区域，该区域是用户选择的含有一定意义的、有用的、具有封闭边界的区域。如图中的固有特征线、识别特征线等。

如图3所示，所述在曲面区域中获取三类特征线，第一类为用户直接选择的固有特征线，第二类为通过算法识别的特征线，第三类是支持用户依附于曲面模型绘制的特征线。

如图4所示，所述基于已有曲面模型中选择区域到曲面特征重构的方案，先在曲面模型的感兴趣区域选择所需区域范围，然后获取相关特征线信息，再选用一种适合的曲面生成方法重构出该区域曲面。

如图5a-图5c所示，以蝶状形状的源曲面与重构曲面比较为例，所述基于选定的源局部区域曲面与新生成曲面的误差比较，利用Hausdorff距离算法判别源曲面与重构曲面的误差，当未达到指定的误差范围内时，逐步增加约束条件，最终使得新生成的曲面符合指定要求。图5a源曲面与重构曲面, 误差为0.27055mm；图5b源曲面与重构曲面（一约束线）, 误差为0.20268mm；图5c源曲面与重构曲面（三约束线）, 误差0.13569mm。

如图6a-图6f所示，以蝶状形状的用户自定义特征(主要是参数设置和映射关系建立)为例，所述用户自定义曲面特征的参数设置是指在新生成的曲面上配置高层参数，每个参数具有一定语义，如长、宽、高和角度等，使得用户能够通过少量的高层语义参数编辑修改特征，步骤包括：

步骤p01：新生成的曲面特征是以特征线为中心生成的，在特征线中选择一些关键特征点，特征点通常位于特征线中较显著变化的位置；

步骤p02：将依附于特征线上的特征点，配置用户所需特征参数，特征参数可以在单特征线上设置，也可在多个特征线上设置。语义参数一般可分为高层参数、中间层参数和底层参数；

步骤p03：将高层参数用于控制曲面特征的总体形状，中间参数用于控制局部形状，底层参数用于操纵细节形状。

所述以特征线为中间桥梁实现映射关系建立是指在建立各层参数间的映射关系和约束关系时，将特征线作为具有承上启下的中间环节，避免从高层的特征参数直接到底层参数的复杂映射，具体步骤为：

步骤q01：在曲面特征的高层参数与中间层的特征线参数间建立一级映射关系，使得高层参数的变化改变中间层参数，中间层参数变化反馈于高层参数；

步骤q02：在曲面特征的中间层参数与底层参数间建立二级映射关系射，使得中间层参数的变化改变底层参数，底层参数变化反馈于中间层参数。

综上所述，通过使用本发明提供的基于已有模型的用户自定义曲面特征的方法。首先根据用户需求，选择具有工程语义的局部曲面区域；然后通过获取局部区域中以特征线为主的相关信息；再选择一种适合的曲面生成方式，重构出局部区域形状的曲面；最后对新生成的曲面进行参数化。该方法的主要特点是支持用户自动选择已有模型中的具有工程意义的局部区域，实现特征化，避免每次都从底层进行重新设计。该发明应用于CAD模型设计中，能够促进产品的设计重用和设计变形，缩短产品开发周期和提升设计效率。