由控制點的柵格定義的3d 建模對象的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明特別設(shè)及計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)領(lǐng)域，并且更具體地，設(shè)及通過圖形化用戶 交互設(shè)計3D建模對象的方法、程序和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 市場上提供了大量的用于對象的設(shè)計、工程和制造的系統(tǒng)和程序。CAD是計算機(jī)輔 助設(shè)計的首字母縮略詞，例如，其與用于設(shè)計對象的軟件解決方案有關(guān)。CAE是計算機(jī)輔助 工程的首字母縮略詞，例如，其與用于對未來產(chǎn)品的物理行為進(jìn)行仿真的軟件解決方案有 關(guān)。CAM是計算機(jī)輔助制造的首字母縮略詞，例如，其與用于定義制造過程和操作的軟件解 決方案有關(guān)。在運樣的計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)中，圖形化用戶界面在如技術(shù)效率的方面起重 要作用。運些技術(shù)可W嵌入在產(chǎn)品生命周期管理(PLM)系統(tǒng)內(nèi)。PLM指的是商業(yè)策略，其幫助 公司在擴(kuò)展公司的概念上共享共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)、應(yīng)用通用過程、W及針對產(chǎn)品從概念到壽命 終點的開發(fā)而施加公司知識。
[0003] 由DASSAULT SYSTEMES(商標(biāo)CATIA、EN0VIA、和DELMIA下）提供的PLM解決方案提供 了對產(chǎn)品工程知識進(jìn)行組織的工程中屯、、對制造工程知識進(jìn)行管理的制造中屯、、W及使得 企業(yè)能夠整合并且連接到工程中屯、和制造中屯、二者的企業(yè)中屯、。該系統(tǒng)作為整體交付了開 放對象模型，所述開放對象模型鏈接產(chǎn)品、過程、資源，W使得能夠進(jìn)行動態(tài)的、基于知識的 產(chǎn)品創(chuàng)造 W及驅(qū)動優(yōu)化的產(chǎn)品定義、制造準(zhǔn)備、生產(chǎn)和服務(wù)的決策支持。
[0004] CAD通常設(shè)及用于表示3D建模對象的表面。表面建模特別用于造型設(shè)計中，造型設(shè) 計包括A級設(shè)計，在A級設(shè)計中，動機(jī)包括被制造的產(chǎn)品的美學(xué)方面。通常的表面由Bezier、 B-Spline的數(shù)學(xué)處理提供，并且更一般地由NURBS(非均勻有理B樣條）曲線和表面模型來提 供。所有運些模型提供了"控制點"的非常流行的概念。表面由點的柵格定義，并且適當(dāng)?shù)匾?動運些點會改變表面的形狀。典型的參考文件是：
[0005] ? Ilie NURBS book,L.Piegl,W,Springer Science,1997;W及
[0006] ? Curves and surfaces for computer aided geometric design:曰 practical guide,G.Farin,Hardcore,1996。
[0007] 現(xiàn)有系統(tǒng)的目的在于允許由用戶進(jìn)行容易的交互操縱，W用于對表面的修改。按 照定義，容易的操縱是直觀的和可預(yù)測的，運意味著初學(xué)者快速地了解怎樣改變表面的形 狀，并且熟練用戶能夠預(yù)期操縱所產(chǎn)生的表面。
[000引用于塑造 NURBS表面的一些方法設(shè)及幾何約束或物理行為。幾何約束方法計算新 的控制點，W使得變形的表面滿足用戶定義的幾何結(jié)構(gòu)（點、點的集合、曲線）。物理行為用 于用戶在表現(xiàn)得像彈性材料的表面上施加力。參考文件包括：
[0009] ?Dynamic NURBS with Geometric Constraints for Interactive Sculping, D.Terzopoulos,H.Qin,ACM Transactions on Graphics,13(2),April,1994,103-136;W 及
[0010] ? Modifying the shape of NURBS surfaces with geometric constraints, S.M.Hu,Y.F丄i,T.Ju,X.Zhu,Computer Aided Design,33(2001)903-912。
[0011] 在此上下文中，仍然存在對設(shè)計3D建模對象的改進(jìn)方案的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，提供了用于設(shè)計3D建模對象的計算機(jī)實現(xiàn)的方法。該方法包括向計算機(jī)系 統(tǒng)提供NURBS表面的步驟，該NURBS表面表示3D建模對象并且由控制點的柵格來進(jìn)行定義。 方法還包括通過計算機(jī)系統(tǒng)確定屬于NURBS表面的表面點的柵格。表面點的柵格根據(jù)預(yù)定 的可逆函數(shù)與控制點的柵格相對應(yīng)。方法還包括通過計算機(jī)系統(tǒng)顯示NURBS表面并且在 NURBS表面上顯示表面點的柵格。方法還包括通過圖形化用戶交互來選擇表面點的子集。方 法還包括通過圖形化用戶交互來修改表面點的被選擇的子集的位置，并且相應(yīng)地，通過計 算機(jī)系統(tǒng)實時地對表面地進(jìn)行更新，所述更新是根據(jù)預(yù)定的可逆函數(shù)執(zhí)行的。
[0013] 方法可W包括W下中的一個或多個：
[0014] -表面點的柵格是Gr自Ville點的柵格；
[0015] -對控制點的柵格進(jìn)行更新是通過在表面點的被選擇的子集的位置如所修改的約 束下，對懲罰NURBS表面的幾何變形的程序進(jìn)行優(yōu)化來執(zhí)行的；
[0016] -程序通過針對每個相應(yīng)的控制點，對更新前的相應(yīng)的控制點與更新后的相應(yīng)的 控制點之間的距離進(jìn)行懲罰，從而懲罰NURBS表面的幾何變形；
[0017] -針對每個相應(yīng)的控制點，程序利用權(quán)重來對更新前的相應(yīng)的控制點與更新后的 相應(yīng)的控制點之間的距離進(jìn)行懲罰，所述權(quán)重是與相應(yīng)的控制點相對應(yīng)的表面點與表面點 的被選擇的子集之間的距離的增函數(shù)；
[0018] -方法還包括通過圖形化用戶交互來對該增函數(shù)進(jìn)行參數(shù)化；
[0019] -該增函數(shù)是如下的指示函數(shù)，對于與表面點的被選擇的子集中的表面點相對應(yīng) 的每個相應(yīng)的控制點，其等于1;對于與屬于被選擇的非轉(zhuǎn)角表面點為中屯、的表面點的柵格 中的最大方形的表面點或者屬于包含所選擇的轉(zhuǎn)角表面點的編碼點的柵格的四分之一的 表面的相對應(yīng)的每一個其它相應(yīng)的控制點，所述指示函數(shù)等于嚴(yán)格大于1的第一預(yù)定的數(shù)； 并且，對于每一個其它相應(yīng)的控制點，所述指示函數(shù)等于大于第一預(yù)定的數(shù)10倍的第二預(yù) 定的數(shù)。
[0020] -方法包括通過圖形化用戶交互來設(shè)置第一預(yù)定數(shù)字；
[0021] -程序是取決于相應(yīng)地在更新后和更新前的控制點的凸能量(convex ene巧y);
[0022] -程序?qū)儆陬惵}
，其中，PiJ和QiJ分別是更新后和更新 前的控制點；
[0023] -利用拉格朗日求解來求解程序；
[0024] -拉格朗日求解包括確定附加函數(shù)的參數(shù)，該附加函數(shù)將表面點的被選擇的子集 的位置作為輸入，并且輸出更新后的控制點，W及將附加函數(shù)應(yīng)用到如所修改的表面點的 被選擇的子集的位置上;和/或
[0025] -利用相同的表面點的被選擇的子集，修改表面點的被選擇的子集的位置和更新 控制點的柵格的步驟是迭代進(jìn)行的，在初始迭代時，計算并且存儲附加函數(shù)的參數(shù)，并且在 全部隨后的迭代中取回附加函數(shù)的參數(shù)；
[0026] 還提供了一種計算機(jī)程序，包括用于執(zhí)行方法的指令。
[0027] 還提供了一種計算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，具有記錄在其上的計算機(jī)程序。
[00%]還提供了一種CAD系統(tǒng)，包括禪合到存儲器的處理器W及圖形化用戶界面，所述存 儲器具有記錄在其上的計算機(jī)程序。
[0029] 還提供了一種用于制造工業(yè)產(chǎn)品的方法，包括根據(jù)上述的設(shè)計方法設(shè)計表示工業(yè) 產(chǎn)品的=維對象，W及隨后基于所設(shè)計的=維對象來制造工業(yè)產(chǎn)品的步驟。
【附圖說明】
[0030] 現(xiàn)在將通過非限制性的示例并且參照附圖，對本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述，在附圖 中：
[0031 ]-圖1示出了方法示例的流程圖；
[0032] -圖2示出了系統(tǒng)的圖形化用戶界面的示例；
[0033] -圖3示出了系統(tǒng)的示例；W及
[0034] -圖4-圖17示出了方法。
【具體實施方式】
[0035] 參照圖1的流程圖，提出了用于設(shè)計3D建模對象的計算機(jī)實現(xiàn)的方法。該方法包括 步驟S10,向計算機(jī)系統(tǒng)提供NURBS表面(例如，B自Zier表面）。該NURBS表面表示3D建模對象 (例如，幾何地表示工業(yè)產(chǎn)品的外部邊界/包封的至少一部分(諸如，機(jī)械零件）的3D建模對 象，例如，照相機(jī)），并且如本身已知地，NURBS表面由控制點的柵格進(jìn)行定義。該方法還包括 步驟S20,通過計算機(jī)系統(tǒng)確定屬于NURBS表面的表面點的柵格。在S20處確定的表面點的柵 格根據(jù)預(yù)定的可逆函數(shù)(例如，給定的一對參數(shù)處的NURBS表面的估計)與控制點的柵格相 對應(yīng)。計算機(jī)系統(tǒng)可W保持所述預(yù)定的可逆函數(shù)，或者保持從中可W獲得所述預(yù)定的可逆 函數(shù)的規(guī)則，W使得其可W在任何時間執(zhí)行S20。運可W從CAD的領(lǐng)域中獲知，其中開發(fā)者在 被提供了運些時知道如何實現(xiàn)數(shù)學(xué)方案（可應(yīng)用到當(dāng)前情況的數(shù)學(xué)方案的示例在下文提 供）。該方法還包括步驟S30,通過計算機(jī)系統(tǒng)顯示（例如，在例如屏幕上顯示給用戶)NURBS 表面，W及在該NURBS表面上顯示表面點的柵格。方法隨后包括步驟S40,通過圖形化用戶交 互來選擇表面點的子集(例如，任何子集）。在框S50中，方法隨后執(zhí)行步驟S52,通過圖形化 用戶交互來修改表面點的被選擇的子集的位置。方法相應(yīng)地執(zhí)行步驟S54,通過計算機(jī)系統(tǒng) (例如，自動地)實時地對表面進(jìn)行更新。更新是根據(jù)S52處執(zhí)行的修改(實時地、W及例如對 所述修改自動地和/或立即地進(jìn)行反應(yīng)）W及根據(jù)預(yù)定的可逆函數(shù)來執(zhí)行的。如在圖1上所 示，更新S54可W被反映在NURBS表面的定義上，并且因此在循環(huán)中重復(fù)進(jìn)行SlO、S20、S30。 運時，S40和/或S50當(dāng)然可W被再次迭代。運樣的循環(huán)對于熟練的計算機(jī)科學(xué)家而言是顯而 易見的。
[0036] 運樣的方法改進(jìn)了3D建模對象的設(shè)計。特別是，該方法允許通過圖形化用戶交互 來進(jìn)行對NURBS表面的修改，NURBS表面是在CAD和工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中廣泛使用的表面類型。圖 形化用戶交互是容易的，因為其由選擇點（在S40處)和隨后修改運些點的位置(在S52處)組 成。因為在S40處被選擇并且在S52處被修改的點是表面點，所W該方法允許非常直觀的圖 形化用戶交互，運時，用戶可W直接地與表面交互并且利用局部操縱(與其中用戶必須操縱 NURBS的控制點的解決方案相反，所述控制點不位于表面上-與該方法的被操縱的點不同） 來修改幾何結(jié)構(gòu)。該方法由此呈現(xiàn)出"所見即所得"的行為。此外，由于修改是經(jīng)由預(yù)定的可 逆函數(shù)(例如，該可逆函數(shù)考慮輸入修改的局部性和幅度)在與NURBS表面的初始控制點相 關(guān)的點上執(zhí)行的，因此該方法能夠依賴運樣的預(yù)定的可逆函數(shù)來反映表面上的修改(在S54 處），從而保持表面的初始拓?fù)浜陀脩粢鈭D（特別是在表面是由用戶之前設(shè)計的情況下）。實 際上，該方法既不刪除控制點，也不添加控制點。該方法僅修改控制點，并且可W不觸及定 義表面的任何其他數(shù)據(jù)。從用戶視點，表面沒有被替換而是僅被修改。運保持了給定的 NURBS表面的細(xì)節(jié)密度和固有的數(shù)學(xué)定義。用戶由此更好地理解修改和所產(chǎn)生的表面。
[0037] 此外，在示例中，系統(tǒng)可W例如在任何配置下提供在S40處對任何數(shù)量的點的選 擇，W使得方法允許快速并且靈活的修改操作。特別地，可W對例如不在柵格的相同行/列 上的、例如不必在表面點的柵格上拓?fù)涞剜徑?，在柵格上不必相鄰）的多個表面點進(jìn)行 選擇和修改。修改可W在被選擇的表面點上W任何方式執(zhí)行，例如，不必W均勻的方式執(zhí) 行。在示例中，該方法，特別是S54,按線性時間執(zhí)行，因此其是高度響應(yīng)的并且由此是用戶 友好的。在示例中，方法限制了由修改所引起的震蕩的引入，從而提供更直觀的結(jié)果。
[0038] 方法是計算機(jī)實現(xiàn)的。方法的步