一种曲面偏置方法、系统、电子设备及介质与流程

本发明涉及计算机辅助，特别是涉及一种曲面偏置方法、系统、电子设备及介质。

背景技术：

1、在计算机辅助设计与制造领域中，曲面模型的偏置广泛应用于快速成型技术，数控加工，机器人路径规划等多个领域。在快速成型领域中，曲面模型偏置可以对几何模型进行预处理，改善模型上由于通过层与层的制造方式而导致的模型质量与精度降低的情况，修补曲面上由于曲面不连续而造成的褶皱等缺陷。一套完善的组合曲面模型的偏置方法不仅可以提高产品的质量，减少废品率。同时，可以提升加工效率，在工业领域有着重要作用。

2、单一的曲面(face)偏置(offset)即基于距离参数d构造新的单一曲面，使原始曲面上任一点与新曲面的法向距离均为d，同时，使新曲面上任一点与原始曲面的法向距离也均为d。曲面片体模型是多个曲面通过彼此的连接关系构成的组合体。片体模型的偏置意味着新片体在遵循上述偏置定义的前提下，新片体内部的曲面和曲面之间依然保持恰当连接关系而不发生离散、交叠。在计算机辅助几何设计中，曲面片体模型的偏置功能是重要的基础性功能之一，几乎出现在任何曲面建模的操作序列中。

3、经对现有文献进行检索，有关曲面模型的偏置的方法如下。

4、曲面偏置的算法从输入输出的表示形式上看主要分成两类，第一类是参数曲面上的偏置算法，第二类是网格曲面上的偏置算法。在第一类算法中，一般采用直接构造的方式得到曲面的偏置，对于一些简单的解析曲面可以直接得到其偏置曲面的表示，比如平面，球面，柱面。对于一些特殊的过程曲面，比如拉伸面，旋转面可以通过轮廓线的偏置，然后基于偏置后的轮廓线重新拉伸或旋转得到其偏置面，对于nurbs(non-uniform rational b-splines，非均匀有理b样条)曲面，则可以通过采样的方式来逼近其偏置面，采样的密度通过计算二次偏导信息获得([1]piegl la,tillerw.computing offsets ofnurbs curvesand surfaces[j].computer-aided design,1999,31(2):147-156.doi:10.1016/s0010-4485(98)00066-9.)。这类方法可以通过理论的方式获得最小曲率半径，当偏置距离小于曲率半径时，偏置曲面不会产生自相交([2]wallner j,sakkalis t,maekawa t,etal.self-intersections of offset curves and surfaces[j].international journal of shapemodeling,2011,07(1):1-21.doi:10.1142/s0218654301000023.)。当偏置距离大于最小曲率半径时需要后期精细处理自相交部分或补充由于非g1造成的空隙问题。但是总体上难以在理论上保证最终的偏置曲面是没有自相交的，另外这类方法在修复自相交的曲面的时候也存在困难，因为曲面与曲面的求交问题本身会导致一个非常高次数的方程求解问题。更多的介绍请参见综述文献([3]maekawa t.an overview ofoffset curves and surfaces[j].computer-aided design,1999,31(3):165-173.doi:10.1016/s0010-4485(99)00013-5.)。在第二类方法中比较常见的方法是基于闵可夫斯基和的算法([4]pavi d,kobbeltl.high-resolution volumetric computation of offset surfaces with featurepreservation[j].blackwell publishing ltd,2008(2).doi:10.1111/j.1467-8659.2008.01113.x.)。在这类方法下，偏置问题被看成是闵可夫斯基和的一种特例，即网格曲面所表示的实体(网格通常是封闭的)和一个球体的闵可夫斯基和。通常先通过网格曲面来构造一个有向距离场，再通过marchingcubes(mc)算法是面绘制来提取其中的等值面。这类方法的优点是可以在理论上保证没有自相交产生，另外也可以自动的处理复杂拓扑问题。但是这类方法的缺点是性能比较慢，通常需要分辨率很高的体素(1000*1000*1000)来表示有向距离场，尽管可以通过一些空间剖分的技术比如八叉树之类来加速，它的性能依然难以满足交互设计的要求。另外在cad的实际应用中为了便于数据存储和交换，如果输入是参数化曲面，输出的偏置曲面最好也是参数化的表示或nurbs表示，这类方法很难直接给出参数化的曲面表示。基于网格曲面的偏置算法还有很多其他的做法比如通过粒子系统优化的方式([5]meng w,chen s,shu z,etal.efficiently computing feature-alignedandhigh-qualitypolygonal offset surfaces[j].computers&graphics,2017,70(feb.):62-70.doi:10.1016/j.cag.2017.07.003.)，或者直接通过网格曲面的布尔运算，比较适合小规模的网格或针对特殊场景比如保持特征。除去上述基于曲面表示的两类方法之外，其他表示下的偏置有基于隐式表示或细分曲面表示的偏置算法([6]wang j,chengf.aheuristic offsetting scheme for catmull-clark subdivision surfaces[j].taylor&francis,2014(6).doi:10.1080/16864360.2015.1033342.)。

5、但是现有技术中，得到的偏置后的曲面鲁棒性差，并且，输出的偏置后的曲面无法直接应用到数控加工等领域的设备上，还需要将偏置后的曲面的格式进一步进行转换为brep模型，使得现有技术在实际应用中效率较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种曲面偏置方法、系统、电子设备及介质，能够提高偏置后的实体的鲁棒性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种曲面偏置方法，所述方法包括：

4、获取原始曲面片brep模型并接收用户输入的偏置距离；

5、当所述原始曲面片brep模型的各曲面片的最小曲率半径大于所述偏置距离时，应用曲面偏置软件对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体；

6、当所述原始曲面片brep模型中存在一张曲面片的最小曲率半径小于等于所述偏置距离时，应用简化的闵可夫斯基和方法，对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体。

7、可选地，应用简化的闵可夫斯基和方法，对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体，具体包括：

8、对所述原始曲面片brep模型进行离散化，得到三角网格模型；其中，所述三角网格模型包括多个三角网格；各所述三角网格为一个三角片；

9、根据所述偏置距离，分别对所述三角片的顶点、边和面做偏置，得到球体、圆柱体和三棱柱体；其中，所述球体为所述三角片的顶点偏置后的结果；所述圆柱体为所述三角片的边偏置后的结果；所述三棱柱体为所述三角片的面偏置后的结果；

10、对所述球体、所述圆柱体和所述三棱柱体进行布尔和操作，得到闵可夫斯基和表示所述三角片的实体；

11、对所有三角片的闵可夫斯基和进行布尔和操作，得到闵可夫斯基和表示所述原始曲面片brep模型的实体；

12、根据偏置方向确定绘图软件中的三维视角；所述偏置方向为用户输入的偏置方向或者根据所述最小包围盒的最小长度的轴向所确定的方向；

13、按照所述三维视角获取所述闵可夫斯基和表示所述原始曲面片brep模型的实体的外壳面，并对所述外壳面进行参数化表示；

14、判断所述原始曲面片brep模型的曲面片数量是否小于预设数量阈值；

15、当所述原始曲面片brep模型的曲面片数量小于所述预设数量阈值时，应用第一种简化闵可夫斯基和的提取方法确定参数化表示的外壳面的采样点数据，得到第一规则化点云数据；所述第一种简化闵可夫斯基和的提取方法为建立采样点与第一最小平面上的规则网格的第一对应关系并根据所述第一对应关系对所述参数化表示的外壳面进行采样；所述第一最小平面上的规则网格是通过将所述最小包围盒对应的矩形区域光栅化得到的；

16、根据所述第一规则化点云数据，应用规则点云对所述外壳面进行重建，得到nurbs曲面，并将所述nurbs曲面作为最终的brep模型；

17、当所述原始曲面片brep模型的曲面片数量大于等于所述预设数量阈值时，应用第二种简化闵可夫斯基和的提取方法确定参数化表示的外壳面的采样点数据，得到第二规则化点云数据；所述第二种简化闵可夫斯基和的提取方法为建立采样点与第二最小平面上的截线的第二对应关系并根据所述第二对应关系对所述参数化表示的外壳面进行采样；所述第二最小平面上的截线是截面与所述最小包围盒对应的矩形区域的交线；所述截面为与所述最小包围盒对应的矩形区域垂直且与所述外壳面相交的平面；

18、根据所述第二规则化点云数据，应用规则点云对所述外壳面进行重建，得到nurbs曲面，并将所述nurbs曲面作为最终的brep模型。

19、可选地，当多个所述采样点与所述第一最小平面上的规则网格中一个规则网格对应时，建立离最小平面最远的采样点与所述一个规则网格的对应关系、。

20、可选地，当所述第一最小平面上的规则网格中一个规则网格没有对应的采样点时，按照第一预设规则，将所述一个规则网格周围的网格对应的采样点作为所述一个规则网格对应的采样点。

21、可选地，当多个所述采样点与所述第二最小平面上的截线中一个线段对应时，建立离最小平面最远的采样点与所述一个线段的对应关系。

22、可选地，当所述第二最小平面上的截线中一个线段没有对应的采样点时，按照第二预设规则，将所述一个线段周围的线段对应的采样点作为所述一个线段对应的采样点。

23、一种曲面偏置系统，应用上述的曲面偏置方法，所述系统包括：

24、输入模块，用于获取原始曲面片brep模型并接收用户输入的偏置距离；

25、第一偏置模块，用于当所述原始曲面片brep模型的各曲面片的最小曲率半径大于所述偏置距离时，应用曲面偏置软件对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体；

26、第二偏置模块，用于当所述原始曲面片brep模型中存在一张曲面片的最小曲率半径小于等于所述偏置距离时，应用简化的闵可夫斯基和方法，对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体。

27、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的曲面偏置方法。

28、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的曲面偏置方法。

29、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

30、本发明通过获取原始曲面片brep模型并接收用户输入的偏置距离，并根据原始曲面片brep模型的各曲面的最小曲率半径的值与偏置距离的值的比较结果确定对原始曲面片brep模型进行偏置的方法，具体为：当所述原始曲面片brep模型的各曲面的最小曲率半径大于所述偏置距离时，应用曲面偏置软件对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体；当所述原始曲面片brep模型中存在一张曲面片的最小曲率半径小于等于所述偏置距离时，应用简化的闵可夫斯基和方法，对所述原始曲面片brep模型的各曲面片进行偏置，得到偏置后的实体，从而提高了偏置后的实体的鲁棒性。