一种支持自定义语义的电动车变形设计方法

摘要

本发明公开了一种支持自定义语义的电动车变形设计方法，包括：A），分割已创建的电动车三维模型；B），采用聚类分析等方法简约化电动车模型；C），计算电动车模板各部件变形的约束条件；D），定义语义参数实现电动车变形。本发明能够允许用户对电动车三维模型外观进行变形设计，该方法具有直观性、交互性及低运算代价，有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种支持自定义语义的电动车变形设计方法，属于计算机图形学技术领域。

背景技术

随着计算机辅助设计和图形技术的快速发展，人们提出了数字化产品模型设计和虚拟展示的概念。在产品同质化趋势日益加剧的时代，消费者已不满足于被动接受设计好的产品，而希望把自己的想法和理念融入到产品设计当中。在买方市场转向卖方市场的过程中，企业若要提高竞争优势，就要满足顾客的个性化需求。

在数字化产品的创建中，编辑现有数字对象的能力是许多现代活动包括外形设计、形状探索，以及产品定制的中心任务。人造对象(如电动车)因在其美学、结构和制造上含有一套的隐性约束而难以被操纵变形。传统的形状设计和编辑技术需要具备目标领域的专业知识和熟悉模型几何表示和操作等以实现有意义的变形。传统方法通常分析单个模型并给用户提供一组对象操纵器或包围盒操纵器，但这种单个模型分析只适用于从给定模型中提取容易计算的低级几何关系。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种支持自定义语义的电动车变形设计方法，直观、生动地展示用户参与设计的电动车外观。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种支持自定义语义的电动车变形设计方法，包括以下步骤：

(1)分割多组电动车三维模型；

(2)采用聚类分析的方法简约化电动车模型；

(3)计算电动车模型各部件变形的约束条件；

(4)定义语义参数实现电动车变形。

前述的步骤(1)中，分割多组电动车三维模型是指，基于电动车三维点云数据，判断电动车三维模型具备的凹凸性，再由对电动车形状特征的认知，将电动车分割为5个部件：车头、车身、车座、前车轮和后车轮。

前述的判断凹凸性的方法为：

分割多个电动车对应的三维模型，基于unity3D获得每个电动车状态信息，包括顶点的位置、三角面片的数量及顺时针构成三角面片顶点的位置，某个顺时针走向的三角面片的三个顶点为：

p₀(x₀,y₀,z₀),p₁(x₁,y₁,z₁),p₂(x₂,y₂,z₂)，

根据计算p₀的凹凸性，

当p₀点为凸点；当p₀点为凹点；同理可得p₁,p₂的凹凸性。

前述的步骤(2)中，采用聚类分析的方法简约化电动车模型，包括以下步骤：

(2-1)按照以下公式判断任意两个曲面是否属于同一类别：

当不等式成立时，I曲面和J曲面属于同一类别，反之，I曲面和J曲面各自为一类别，最终得到n组具有相似曲面外观的曲面类N_i,i＝1,2...n，

其中，d_iJ为任意I曲面上的任意一点i到任意J曲面上的最小距离，Area(I)为I曲面的曲面面积，n_i为任意I曲面上顶点的个数，d_jI为任意J曲面上的任意一点j到任意I曲面上的最小距离，n_j为任意J曲面上顶点的个数，Area(J)为任意J曲面的曲面面积；

(2-2)对于曲面类N_i，根据每个具有相似曲面特征的曲面类，提取各曲面类中所有曲面的13维特征量x∈R¹³，顶点主成分向量曲面法向量主成分高斯曲率k，

根据均值漂移算法：

判别某曲面类N_i,i＝1,2...n与某类N_j,j＝1,2...n，j≠i，是否需要合并为同一类或生成另一个类，进而对所有分割部件的曲面曲面重新聚类后得到5个曲面类：M_i,i＝1,2...5，

其中，x_i为第i个曲面的13维特征量，N(x)为x的邻域；

(2-3)根据曲面类M_i，得到任意曲面类中任意曲面I点集标准偏差σ₁,σ₂,σ₃,σ₁＞σ₂＞σ₃，任意曲面类中所有圆柱体个数n_c，任意曲面类中所有曲面个数q，

根据

计算每个曲面类中的曲面属于平面群，球面群及圆柱面群的概率，其中，P_p为平面群的概率，P_s为球面群的概率，P_c为圆柱面群的概率；

如果P_p＞0.9,P＞0.9_s,P_c＞0.9，则该曲面类中所有曲面以计算所得最高概率的二次曲面特征呈现；如果P_p＜0.9,P＜0.9_s,P_c＜0.9，则该曲面类中的所有曲面维持其原有曲面特征；

(2-4)电动车的5个分割部件被步骤(2-3)中各曲面类属于的二次曲面群代替，从而多组形态相异的电动车模型以简约化的曲面外观呈现。

前述的步骤(3)计算电动车模型各部件变形的约束条件，包括以下步骤：

(3-1)根据步骤(2)简约化电动车模型的二次曲面特征，判断构成电动车模型的曲面能否在x,y,z轴上平移、缩放及旋转；

(3-2)定义曲面j的变量为：k_j＝{t_x,t_y,t_z；s_x,s_y,s_z；θ_x,θ_y,θ_z}，根据P(k_i|k_j)＝P(k_i,k_j)/P(k_j)，计算待操纵的电动车曲面类J变形时，其他4个曲面类发生变化的概率，

其中，k_i表示曲面类I中曲面i的变量，t_x,t_y,t_z为坐标方差，s_x,s_y,s_z为规模方差，θ_x,θ_y,θ_z为夹角方差，P(k_j)为曲面类J发生变化的概率，P(k_i,k_j)为曲面类J和曲面类I同时发生的概率，P(k_i|k_j)为在曲面类J发生变化的条件下，曲面类I发生变化的概率；

(3-3)构成电动车各部件的曲面由用户编辑操纵器节点、系统固定操纵器节点及系统控制操纵器节点控制，其中，

用户编辑操纵器节点即供用户用于电动车变形的工具，节点位置由用户设定；

系统固定操纵器节点即当某个操纵器节点发生变化时，自动控制固定节点用于减少用户标记固定操纵器次数的工具，节点具备全局对称性或通过标准测地距离g，外方向量n_x,n_y,n_z构成的四维空间s＝[g,n_x,n_y,n_z]的最大欧式距离计算；

系统控制操纵器节点即由用户编辑操纵器节点和系统固定操纵器节点控制，用于电动车变形时，计算各部件的曲面的更新位置信息；

根据定义得到曲面类J下变量k_j用户编辑操纵器结点均值μ_j，曲面类I下变量k_i系统控制操纵器结点的均值μ_i，标准偏差σ_i，

根据最小化问题：得出系统控制操纵器结点s_i变化的最优解，使得用户对电动车变形时产生的约束效果能反应到曲面中，

其中，N为用户编辑操纵器和系统固定操纵器结点数量，K为用户编辑操纵器结点的自由度，包括平移，缩放和旋转；

最小化问题的约束条件为：subject tok_j＝μ_j，表示在曲面类J发生K中任意一变量k_j行为时，计算曲面类I变量s_i系统控制操纵器结点变化的最小化问题；

(3-4)根据多组电动车模型分割后的5个部件的三角面片的信息，计算构成5个部件曲面的三角面片的易损性，三角面片易损性为：V^u＝S^u(e^-4+1/3d)，

其中，曲面滑动量为S，曲面移动方向为u，任意三角面片包围盒的对角线为d，V^u为移动方向u上的易损性，S^u为移动方向u上的滑动量；

当V^u≤0.3，电动车变形时，三角面片变形不受影响；

当V^u＞0.3，电动车变形时，此类三角面片受到其他三角面片的影响程度较大，规定此类三角面片不进行变化。

前述的步骤(3-1)中，判断方法如下：

基于获得的任意曲面类中所有曲面中心位置x,y,z的坐标，计算坐标方差得到t_x,t_y,t_z，根据t_x＞0.05,t_y＞0.05,t_z＞0.05，当等式成立，曲面能够沿x,y,z轴平移，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被平移；

基于获得的任意曲面类中所有曲面分别沿着x,y,z轴跨度的规模，计算规模方差得到s_x,s_y,s_z，根据s_x＞0.05,s_y＞0.05,s_z＞0.05，当等式成立，曲面能够沿x,y,z轴缩放，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被缩放；

基于获得的任意曲面类中所有曲面分别投影到yz,xz,xy面与主成分向量的夹角，计算夹角方差得到θ_x,θ_y,θ_z，根据θ_x＞0.1,θ_y＞0.1,θ_z＞0.1，当等式成立，曲面能够沿x,y,z轴旋转，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被旋转。

前述的步骤(4)定义语义参数包括长，宽，高，对电动车自动变形，变形遵循步骤(3)的约束条件。

前述的对电动车5个部件自动变形，一次对一个部件进行变形或者多个部件同时变形。

本发明的有益效果是：本发明算法简单且运算代价低，能直观、生动地呈现用户对电动车变形设计的外观直观，能提高电动车的新颖性和用户的满意度。该方法具有准确性、交互性及低运算代价，有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的支持自定义语义的电动车变形设计方法的流程图；

图2是本发明的基于多组分割后的不同电动车部件曲面聚类的结果图；

图3是本发明的简约化电动车模型图；

图4是本发明的电动车原型与经过变形后的对比图；图4(a)为电动车原型，图4(b)为变形后的电动车。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种支持自定义语义的电动车变形设计方法，包括以下步骤，

步骤(A)分割多组电动车三维模型，基于电动车三维点云数据，判断电动车三维模型具备的凹凸性，再由对电动车形状特征的认知，对电动车分割为5个部件：车头、车身、车座、前车轮和后车轮，获取各部件的状态信息包括顶点的位置、三角面片的数量等静态参数。

判断凹凸性的方法为：

分割多个电动车对应的三维模型，基于unity3D获得每个电动车状态信息，包括顶点的位置、三角面片的数量及顺时针构成三角面片顶点的位置等静态参数。某个顺时针走向的三角面片的三个顶点为p₀(x₀,y₀,z₀),p₁(x₁,y₁,z₁),p₂(x₂,y₂,z₂)，根据计算p₀的凹凸性，当p₀点为凸点；当p₀点为凹点；同理可得p₁,p₂的凹凸性。

步骤(B)采用聚类分析等方法简约化电动车模型，包括以下步骤，

(B1)，根据步骤(A)中多个电动车三维模型分割后的5个部件的状态信息，对分割的各部件曲面聚类，如图2所示的曲面，按照以下公式进行聚类：

当不等式成立时，I面和J面属于同一类别，反之，I面和J面各自为一类别，

其中，d_iJ为任意I面上的任意一点i到任意J面上的最小距离，Area(I)为I面曲面面积，n_i为任意I面上顶点的个数，d_jI为任意J面上的任意一点j到任意I面上的最小距离，n_j为任意J面上顶点的个数，Area(J)为任意J面曲面面积。

得到n组具有相似曲面外观的类N_i(i＝1,2...n)，根据每个具有相似曲面特征的曲面类，提取各曲面类中所有曲面的13维特征量x∈R¹³，顶点主成分向量曲面法向量主成分高斯曲率k，

根据均值漂移算法

其中，x_i为第i个曲面的13维特征量，N(x)为x的邻域。

判别某曲面类N_i(i＝1,2...n)与某曲面类N_j(j＝1,2...n)，j≠i，是否需要合并为同一类或生成另一个类，进而对所有分割部件的曲面重新聚类后得到5个曲面类M_i(i＝1,2...5)。

(B2)，根据步骤(B1)中聚类后获得的5个曲面类M_i，得到任意曲面类中任意曲面I点集标准偏差σ₁,σ₂,σ₃(σ₁＞σ₂＞σ₃)，任意曲面类中所有圆柱体个数n_c，任意曲面类中所有曲面个数q，

根据

计算每个曲面类中的曲面属于平面群，球面群及圆柱面群等其他二次曲面群的概率，其中，P_p为平面群的概率，P_s为球面群的概率，P_c为圆柱面群的概率。

将概率判别类型分为二种类型：①P_p＞0.9,P＞0.9_s,P_c＞0.9，则该曲面类中所有曲面以计算所得最高概率的二次曲面特征呈现；②P_p＜0.9,P＜0.9_s,P_c＜0.9，则该曲面类中的所有曲面维持其原有曲面特征。

(B3)，电动车的5个分割部件被步骤(B2)中各曲面类属于的二次曲面群代替，从而多组形态相异的电动车模型以简约化的二次曲面外观呈现。

步骤(C)计算电动车模板各部件变形的约束条件，包括以下步骤，

(C1)，根据步骤(B)简约化电动车模型的二次曲面特征，判断构成电动车模板的曲面能否在x,y,z轴上平移、缩放及旋转，判断方法为：

基于获得的任意曲面类中所有曲面中心位置x,y,z的坐标，计算坐标方差得到t_x,t_y,t_z，根据t_x＞0.05,t_y＞0.05,t_z＞0.05，当等式成立，曲面可以沿x,y,z轴平移，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被平移；

基于获得的任意曲面类中所有曲面分别沿着x,y,z轴跨度的规模，计算规模方差得到s_x,s_y,s_z，根据s_x＞0.05,s_y＞0.05,s_z＞0.05，当等式成立，曲面可以沿x,y,z轴缩放，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被缩放；

基于获得的任意曲面类中所有曲面分别投影到yz,xz,xy面与主成分向量的夹角，计算夹角方差得到θ_x,θ_y,θ_z，根据θ_x＞0.1,θ_y＞0.1,θ_z＞0.1，当等式成立，曲面可以沿x,y,z轴旋转，反之不满足的判别条件的变量，在相应轴上不能被旋转。

(C2)，根据步骤(C1)中坐标方差t_x,t_y,t_z，规模方差s_x,s_y,s_z及夹角方差θ_x,θ_y,θ_z，得到变量k_j＝{t_x,t_y,t_z；s_x,s_y,s_z；θ_x,θ_y,θ_z}，根据

根据P(k_i|k_j)＝P(k_i,k_j)/P(k_j)，计算待操纵的电动车某部件发生变化时，其他部件曲面发生变化的概率，

其中，曲面类I中的曲面i的变量为k_i，曲面类J中的曲面j的变量为k_j，曲面类J发生变化的概率为P(k_j)，曲面类J和曲面类I同时发生的概率为P(k_i,k_j)，在曲面类J发生变化的条件下，曲面类I发生变化的概率为P(k_i|k_j)。

(C3)构成电动车各部件的曲面由用户编辑操纵器结点、系统固定操纵器结点及系统控制操纵器结点控制。

用户编辑操纵器结点即可供用户用于电动车变形的工具，结点位置由用户设定；

系统固定操纵器结点即当某个操纵器结点发生变化时，自动控制固定结点用于减少用户标记固定操纵器次数的工具，结点具备全局对称性或通过标准测地距离g，外方向量n_x,n_y,n_z构成的四维空间s＝[g,n_x,n_y,n_z]的最大欧式距离计算；

系统控制操纵器结点即由用户编辑和系统固定操纵器结点控制，用于电动车变形时，计算各部件的曲面的更新位置信息。

根据定义得到曲面类J下变量k_j用户编辑操纵器结点均值μ_j，曲面类I下变量k_i系统控制操纵器结点的均值μ_i，标准偏差σ_i。

根据最小化问题得出系统控制操纵器结点s_i变化的最优解，使得用户对电动车变形时产生的约束效果能反应到曲面中，最小化问题为：的约束条件为subject tok_j＝μ_j，

其中，用户编辑操纵器和系统固定操纵器结点数量为N，用户编辑操纵器结点的自由度(包括平移，缩放和旋转)为K，

约束条件表示为，在曲面类J发生K中任意一变量k_j(平移，旋转或缩放)行为时，计算曲面类I变量s_i系统控制操纵器结点变化的最小化问题。

(C4)，根据步骤(A)中多组电动车分割后的5个部件的三角面片状态信息，计算构成5个部件曲面的三角面片的易损性，三角面片易损性为：V^u＝S^u(e^-4+1/3d)，

其中，曲面滑动量为S，曲面移动方向为u，任意三角面片包围盒的对角线为d，移动方向u上的易损性为V^u，移动方向u上的滑动量为S^u，

①当V^u≤0.3，电动车变形时，三角面片变形不受影响；

②当V^u＞0.3，电动车变形时，此类三角面片受到其他三角面片的影响程度较大，则规定此类三角面片不进行变化。

步骤(D)定义电动车变形的语义参数：长，宽，高，根据用户不同需求，对电动车自动变形，变形时要遵循步骤C的约束条件。对电动车各部件外观变形，可对一个或多个部件同时变形设计。

例如：当用户需要增加电动车整体车长时，根据步骤(C1)，判断电动车每个部件能否在x,y,z轴上进行移动，缩放及旋转；根据步骤(C2)、(C3)，当位于车身的用户编辑操纵器结点E发生变化时，得到与其具有全局对称关系的系统固定操纵器结点A，同时自动更新位于其他部件上的系统控制操纵器结点C的位置。位于车身的其他顶点以E为球心，简约化车身模型的长为半径，在球内的顶点随着E同等变化，其他部件的顶点变化与C变化相同；根据步骤(C4)，判断三角面片是否随着电动车的变形而变化。

如图2所示，图中为基于多组分割后的不同电动车部件曲面聚类的结果，对于每个相似曲面外观的曲面类，提取各曲面类中所有曲面的13维特征量x∈R¹³，顶点主成分向量曲面法向量主成分高斯曲率k，

根据均值漂移算法x_i为某个曲面的13维特征量，N(x)为x的邻域。

判别某曲面类N_i(i＝1,2...n)与某曲面类N_j(j＝1,2...n)，j≠i，是否需要合并为同一类或生成另一个类，进而对所有分割部件的曲面聚类重新聚类后得到5个曲面类M_i(i＝1,2...5)。

如图3所示，图中为简约化电动车模型，计算每个曲面类中的曲面属于平面群，球面群及圆柱面群等其他二次曲面群的概率，其中，P_p为平面群的概率，P_s为球面群的概率，P_c为圆柱面群的概率。

将概率判别类型分为二种类型：①P_p＞0.9,P＞0.9_s,P_c＞0.9，则该曲面类中所有曲面以计算所得最高概率的二次曲面特征呈现；②P_p＜0.9,P＜0.9_s,P_c＜0.9，则该曲面类中的所有曲面维持其原有曲面特征。

如图4所示，图4(a)为电动车原型图，图4(b)为电动车在变形约束条件和语义属性的控制下变形的结果图。用户增加电动车整体车长，通过调整车身上的用户编辑操纵器结点E，自动更新系统控制操纵器结点C的位置。当位于车身的用户编辑操纵器结点E发生变化时，得到与其具有全局对称关系的系统固定操纵器结点A，同时自动更新位于其他部件上的系统控制操纵器结点C的位置。位于车身的其他顶点以E为球心，简约化车身模型的高为半径，在球内的顶点随着E同等变化，其他部件的顶点变化与C变化相同。

综上所述，本发明的支持自定义语义的电动车变形设计方法，首先，根据已有的多个电动车三维模型，先分割电动车为5个部件；再对所有分割部件聚类形成5组曲面类，用规则的二次曲面代替构成5组曲面类的自由曲面，形成简约化的电动车模型；最后定义变形的语义参数，实现对电动车的个性化变形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。