基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法
【专利摘要】本发明给出了一种基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，该方法从特征线、曲率域凹凸区域及其拓扑位置关系判定曲面类型。首先，识别曲面区域特征线，包括边界线和内部关键特征线；其次，分析曲面区域的曲率特性，将其分割成曲率域曲面图；然后，在凹凸曲面区域间获取特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑结构，并由基于规则的方法和进化算法识别曲面特征类型。该方法的主要特点是从边界线和曲面内的凹凸性判别特征大类、从特征线及拓扑位置关系识别对应的形状特征，避免了完全从几何形状上识别的困难。该发明应用于CAD模型的自由曲面特征识别中，能够满足产品模型的特征转换和外形上的设计需要，并为下游的分析加工等应用提供了有效的信息支持。
【专利说明】基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法
【技术领域】
[0001]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曲面特征的定义、参数化表示和曲面特征识别。
【背景技术】
[0002]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。在曲面模型中设计特征识别方面，由于自由曲面特征复杂多样且有太多的自由度，很难像规则特征一样方便地进行特征识别。鉴于存在的大量曲面模型，通过利用曲面特征中特征线信息及其拓扑关系，对曲面模型进行自动特征识别，生成特征模型，为设计领域下游的分析加工等应用提供了有效的信息支持。
[0003]曲面特征技术于上世纪九十年代就引起学者们的关注，而曲面特征识别是从曲面几何模型转换到特征模型的重要的基础性工作。然而至今，特征识别技术仍处在规则特征识别和少量的简单自由曲面特征识别上，这些识别方法难以扩展到具有一般性的自由曲面特征识别上。在曲面特征识别过程中，由于曲面特征形状多种多样，难以仅通过有限的曲面几何形状匹配目标曲面。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，避免了完全从几何形状上进行识别的困难。
[0005]本发明所采取的技术方案是:
基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:根据已有区域划分，首先识别曲面区域的特征线，包括边界线和内部关键特征线；其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割构成曲率域图；然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，并基于规则的方法识别曲面特征类型，再利用进化算法识别曲面特征。
[0006]首先，识别曲面区域的特征线，包括以下步骤:
步骤S01:获取曲面区域的边界特征线，边界特征线具有封闭性的特性，边界线由一条或多条曲线组成；
步骤S02:判别封闭边界线的整体形状，根据边界线的形状及其连接结构，判定边界线的整体形状；
步骤S03:获取曲面内部特征线，根据曲面区域内曲率变化获取内部关键特征线；
其中，步骤S02中的边界线的形状识别，包括以下步骤:
步骤P01:获取特征线上的特征点及其属性；
步骤P02:利用进化算法识别特征线类型和形状；
步骤P03:在封闭的边界线上设置高层语义参数。[0007]其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割成曲率域图，包括以下步骤: 步骤S04:先设置曲率域取值范围，将曲率值在该范围内的曲率点组成的局部连续曲
面作为一个曲率域；
步骤S05:曲面区域生成多个曲率域后，以曲率域为节点、相邻边为弧，构成曲率域图； 然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线，包括以下步骤:
步骤S06:先设定曲率变化阈值，内部关键特征线的获取是在曲面区域中曲率变化大于阈值的位置中提取骨架线；
步骤S07:利用曲率域图中相邻的边，提取内部关键特征线；
最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，并基于规则的方法识别曲面特征类型，包括以下步骤:
步骤S08:根据曲率域的位置关系，构建其拓扑结构，判别曲面特征所属的大类；
步骤S09:根据边界线和内部特征线的位置和拓扑关系，进一步判别曲面特征的类型；步骤SlO:利用进化算法将特征库中的对应模板实例化，并一一匹配曲面特征，达到形状匹配。
[0008]所述边界特征线是指曲面中最外侧的封闭线，曲面封闭线大多由一条组成，但也可能由O条或多条组成。
[0009]所述封闭边界线的整体形状是指曲面边界外侧边界线组成的形状，它由一条或多条曲线组成。
[0010]所述曲面内部特征线是指曲面内具有显著特性点连接成的曲线，特征线构成了曲面的整体轮廓。
[0011]所述曲率域是指曲面内连续的、具有相似曲率值的曲率点构成的局部区域，一个曲面可由多个曲率域组成。
[0012]所述曲率域图是指一个曲面区域完全曲率域化后所生成图结构，相邻关系用边或弧表示，每个子块曲面用节点表示。
[0013]所述拓扑结构是指局部曲面块间的位置关系，包括相邻、分离和内包。
[0014]所述进化算法识别是通过形状参数的选择、交叉、变异操作实现形状识别，具体步骤为:
步骤q01:设置形状参数t作为进化算法中的基因，由参数值对应的函数作为生成的曲面形状，形状匹配情况作为适应度；
步骤q02:初始化特征库中的曲面模板，先给定曲面模板形状参数初始值t=0，生成初始群体P(O)，并得到初始形状；
步骤q03:计算出个体评价,计算群体中对应参数的适应度；
步骤q04:选择运算，将选择算子作用于群体，其目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代，该操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的；
步骤q05:交叉运算，将交叉算子作用于群体，所谓交叉是指把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体的过程，在遗传算法中起核心作用；
步骤q06:变异运算，将变异算子作用于群体，就是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动，群体经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体；步骤q07:终止条件判断:先设置适应度阈值，当形状的匹配情况即适应度达到阈值时，所对应的形状参数为T，若t=T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
[0015]本发明所达到的有益效果:
发明给出了一种基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，该方法从特征线、曲率域凹凸区域及其拓扑位置关系判定曲面类型。该方法的主要特点是从边界线和曲面内的凹凸性判别特征大类、从特征线及拓扑位置关系识别对应的形状特征，避免了完全从几何形状上进行识别的困难。该发明应用于CAD模型的自由曲面特征识别中，能够满足产品模型的特征转换和外形上的设计需要，并为下游的分析加工等应用提供了有效的信息支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明中一种基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法的基本工作流程，主要包括在曲面区域中的特征线识别、曲率域图构建、特征线和曲率域中曲面的拓扑结构以及基于规则的方法和进化算法的曲面特征识别；
图2是本发明中利用进化算法识别特征线类型。先通过对特征库中特征模板赋予不同参数值，产生大量实例化特征；再进行匹配，得到最相似的实例化特征，由此达到最终确定特征类型；
图3是本发明中利用进化算法识别线特征、面特征。对确定的特征类型将参数作为基因单元，通过选择、交叉、变异后，最终获得参数值，实现匹配；
图4是本发明中利用曲面特征识别方法实现从曲面几何模型到特征模转换的实例，先将曲面几何模型中规则曲面识别出来，再对自由曲面特征进行识别，最后，将所识别出的特征重新组合成曲面特征模型。
【具体实施方式】
[0017]以下按照附图，对本发明作进一步说明:
如图1所示，所述一种基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:根据已有区域划分，首先识别曲面区域的特征线，包括边界线和内部关键特征线；其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割构成曲率域图；然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，并由基于规则的方法和进化算法识别曲面特征类型。
[0018]首先，识别曲面区域的特征线，包括以下步骤:
步骤S01:获取曲面区域的边界特征线，边界特征线具有封闭性的特性，边界线由一条或多条曲线组成；
步骤S02:判别封闭边界线的整体形状，根据边界线的形状及其连接结构，判定边界线的整体形状；
步骤S03:获取曲面内部特征线，根据曲面区域内曲率变化获取内部关键特征线；
其中，步骤S02中的边界线的形状识别，包括以下步骤:
步骤P01:获取特征线上的特征点及其属性； 步骤P02:利用进化算法识别特征线类型和形状；
步骤P03:在封闭的边界线上设置高层语义参数。
[0019]其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割成曲率域图，包括以下步骤: 步骤S04:先设置曲率域取值范围，将曲率值在该范围内的曲率点组成的局部连续曲
面作为一个曲率域；
步骤S05:曲面区域生成多个曲率域后，以曲率域为节点、相邻边为弧，构成曲率域图； 然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线，包括以下步骤:
步骤S06:先设定曲率变化阈值，内部关键特征线的获取是在曲面区域中曲率变化大于阈值的位置中提取骨架线；
步骤S07:利用曲率域图中相邻的边，提取内部关键特征线；
最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，并基于规则的方法和进化算法识别曲面特征类型，包括以下步骤:
步骤S08:根据曲率域的位置关系，构建其拓扑结构，判别曲面特征所属的大类；
步骤S09:根据边界线和内部特征线的位置和拓扑关系，进一步判别曲面特征的类型；步骤SlO:利用进化算法将特征库中的对应模板实例化，并一一匹配曲面特征，达到形状匹配。
[0020]如图2，图3所示所述进化算法识别是通过形状参数的选择、交叉、变异操作实现形状识别，具体步骤为:
步骤q01:设置形状参数t作为进化算法中的基因，由参数值对应的函数作为生成的曲面形状，形状匹配情况作为适应度；
步骤q02:初始化特征库中的曲面模板，先给定曲面模板形状参数初始值t=0，生成初始群体P(O)，并得到初始形状；
步骤q03:计算出个体评价,计算群体中对应参数的适应度；
步骤q04:选择运算，将选择算子作用于群体，其目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代，该操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的；
步骤q05:交叉运算，将交叉算子作用于群体，所谓交叉是指把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体的过程，在遗传算法中起核心作用；
步骤q06:变异运算，将变异算子作用于群体，就是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动，群体经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体；
步骤q07:终止条件判断:先设置适应度阈值，当形状的匹配情况即适应度达到阈值时，所对应的形状参数为T，若t=T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
[0021]如图4所示，所述基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法实现从曲面几何模型到特征模转换的实例，先将曲面几何模型中规则曲面识别出来，再识别自由曲面特征中的特征线及构建拓扑关系，识别出自由曲面特征，最后，将所识别出的特征重新组合成曲面特征模型。
[0022]综上所述，通过本发明提供的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，能够从特征线、曲率域凹凸区域及其拓扑位置关系判定曲面类型。首先，识别曲面区域特征线，包括边界线和内部关键特征线；其次,分析曲面区域的曲率特性,将其分割成曲率域曲面图；然后，在凹凸曲面区域间获取特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑结构，并由基于规则的方法和进化算法识别曲面特征类型。该方法的主要特点是从边界线和曲面内的凹凸性判别特征所属的大类、从特征线及拓扑位置关系识别对应的形状特征，避免了完全从几何形状上识别的困难。该发明应用于CAD模型的自由曲面特征识别中，能够满足产品模型的特征转换和外形上的设计需要，并为下游的分析加工等应用提供了有效的信息支持。
【权利要求】
1.基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:根据已有区域划分，首先识别曲面区域的特征线，包括边界线和内部关键特征线；其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割构成曲率域图；然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，并基于规则的方法识别曲面特征类型，再利用进化算法识别曲面特征；首先，识别曲面区域的特征线，包括以下步骤:步骤SO1:获取曲面区域的边界特征线，边界特征线具有封闭性的特性，边界线由一条或多条曲线组成；步骤S02:判别封闭边界线的整体形状，根据边界线的形状及其连接结构，判定边界线的整体形状；步骤S03:获取曲面内部特征线，根据曲面区域内曲率变化获取内部关键特征线；其中，步骤S02中的边界线的形状识别，包括以下步骤:步骤P01:获取特征线上的特征点及其属性；步骤P02:利用进化算法识别特征线类型和形状；步骤P03:在封闭的边界线上设置高层语义参数；其次，根据曲面区域的曲率特性，将曲面区域分割成曲率域图，包括以下步骤:步骤S04:先设置曲率域取值范围，将曲率值在该范围内的曲率点组成的局部连续曲面作为一个曲率域；步骤S05:曲面区域生成多个曲率域后，以曲率域为节点、相邻边为弧，构成曲率域图；然后，在曲率域图的凹凸区域获取内部特征线，包括以下步骤:步骤S06:先设定曲率变化阈值，内部关键特征线的获取是在曲面区域中曲率变化大于阈值的位置中提取骨架线；步骤S07:利用曲率域图中相邻的边，提取内部关键特征线；最后，构建特征线和曲率域曲面的拓扑关系，识别曲面特征类型，包括以下步骤:步骤S08:根据曲率域的位置关系，构建其拓扑结构，判别曲面特征所属的大类；步骤S09:根据边界线和内部特征线的位置和拓扑关系，进一步判别曲面特征的类型；步骤S10:利用进化算法将特征库中的对应模板实例化，并一一匹配曲面特征，达到形状匹配。
2.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S01所述边界特征线为曲面中最外侧的封闭线。
3.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S02所述封闭边界线的整体形状为曲面边界外侧边界线组成的形状，它由一条或多条曲线组成。
4.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S03所述曲面内部特征线为曲面内具有显著特性点连接成的曲线，特征线构成了曲面的整体轮廓。
5.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S04所述曲率域为曲面内连续的、具有相似曲率值的曲率点构成的局部区域。
6.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S05所述曲率域图为一个曲面区域完全曲率域化后所生成图结构，相邻关系用边或弧表示，每个子块曲面用节点表示。
7.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤S08所述拓扑结构为局部曲面块间的位置关系，包括相邻、分离和内包。
8.根据权利要求1所述的基于特征线及拓扑关系的曲面特征类型识别方法，其特征在于:步骤SlO进化算法识别是通过形状参数的选择、交叉、变异操作实现形状识别，具体步骤为: 步骤q01:设置形状参数作为进化算法中的基因，由参数值对应的函数作为生成的曲面形状，形状匹配情况作为适应度； 步骤q02:初始化特征库中的曲面模板，先给定曲面模板形状参数初始值t=0，生成初始群体P(O)，并得到初始形状； 步骤q03:计算出个体评价,计算群体中对应参数的适应度； 步骤q04:选择运算，将选择算子作用于群体； 步骤q05:交叉运算，将交叉算子作用于群体； 步骤q06:变异运算，将变异算子作用于群体，群体经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体； 步骤q07:终止条件判断:先设置适应度阈值，当形状的匹配情况即适应度达到阈值时，所对应的形状参数为T，若t=T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
【文档编号】G06K9/46GK103699898SQ201310712171
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】何坤金, 陈正鸣, 赵宗星, 蒋俊锋, 耿维忠, 吴云燕, 陈小中, 王淋, 李强, 张莉军 申请人:河海大学常州校区