六面体插值体细分方法研究与应用

细分方法是一种非常有效的表示曲线、曲面和三维体甚至高维数据的手段，针对细分方法新的研究热点问题——体细分实体造型，提出了一种新的基于六面体拓扑网格结构的插值型体细分方法，使用多元情形下生成函数的性质进行了收敛性证明，给出了计算实例；结合离散动力学方程，对细分方法初始控制网格赋予一定的物理属性和运动约束，建立动态细分体变形算法，并将其应用在三维紧身服装穿着时弹性人体变形的实际问题中．     

用局部阻尼波形法的自连贯网格生成法

介绍将生成或已有的有限元规则六面体单元改变成形状复杂且光滑的六面体单元的一种新技术——波形法．简单建立了波形法的数学模型并编程进行了网格生成．实验结果表明,只要把复杂外部形状按波的形式传输给指定的规则六面体单元模型,就可以得到具有复杂外部形状的六面体单元网格模型,且网格生成速度快、不出现单元或节点漏洞、欠缺等问题,同时不受单元类型的限制。     

一种适用于任意复杂结构的曲六面体网格生成算法

曲六面体网格自动生成是时域谱元法发展的瓶颈问题。本文采用基于体基函数的协变投影算法,将一个10节点曲四面体单元分解为四个20节点曲六面体单元,从而形成一种适用于任意复杂结构的曲六面体网格生成算法。使用该算法能够将曲四面体单元均匀分割,且确保新形成的曲六面体单元的翘曲最小。典型算例表明,使用该算法建立的曲六面体离散模型,完全满足时域谱元法的计算精度要求。     

具有特殊效果的混合细分方法

提出了基于三角形和四边形的混合控制网格的细分曲面尖锐特征、半尖锐特征生成和控制方法,避免了已有方法仅局限于初始控制网格为单一的三角形或单一的四边形网格的缺陷.通过局部修改混合细分规则,在光滑混合曲面上产生了刺、尖、折痕、角的尖锐特征效果,并对尖锐特征处局部细分矩阵进行了详细的特征分析,讨论了极限曲面的收敛性及光滑性.同时,用特征处的离散曲率来控制特征处的尖锐程度,实现了半尖锐的特征效果,并通过自适应细分方法,把尖锐特征、半尖锐特征的生成统一起来.该方法具有多分辨率表示能力强、局部性好、简单易操作的特点.实验结果表明,该算法效果好,成功地解决了混合曲面特殊效果生成问题.     

基于片分割的六面体网格生成方法

为了发展一种保证边界质量、考虑全局信息、具有较高计算效率的六面体网格生成技术,提出了基于片分割的六面体网格生成方法.首先在标架场的指引下由实体表面的环扩展出一层六面体单元,然后用该六面体单元层将原实体分割为2个更小规模的子实体,最后采用同样的方式递归处理子实体直至子实体为空.该方法采用分而治之的策略,适宜于并行化.数值实验结果表明,文中方法生成的网格与当前领先的网格生成方法生成的网格质量相当.     

基于细分的网格模型骨架驱动变形技术

针对传统骨架驱动变形方法中模型细节特征不能得到有效保持的问题,提出一种基于细分的骨架驱动网格模型变形方法。首先,对网格模型待变形区域基于截交线进行局部骨架提取和控制网格构建,分别建立骨架与控制网格以及控制网格所对应细分曲面与待变形模型区域之间的关联关系;然后,将基本函数作用下的自由变形方法应用于骨架变形,通过骨架变形驱动控制网格变形,将变形前后控制网格所对应细分曲面的变化信息转为网格模型泊松梯度场的改变;最后,根据改变后梯度场重建网格模型。实例表明,该变形方法针对不同网格模型均可以得到较好的编辑效果,且细节信息在变形后都得到了有效保持。与传统骨架驱动变形方法相比,该方法除具备交互操作简单直观的优势外,同时能够更好保持变形模型几何细节特征,更为适合具有丰富几何细节的复杂模型的变形编辑。     

子域约束扫掠体的六面体网格生成方法

为了保证扫掠法生成六面体网格的效率,必须将扫掠体中的扫掠面划分为结构网格.受到连接体在扫掠面上形成的子域影响,扫掠面的网格划分会出现局部的非结构网格,阻碍扫掠法的应用,为此提出一种新的扫掠方法.该方法将扫掠体中含有子域约束的面网格进行分割,将分割出的结构网格与非结构网格重组为新的扫掠组;在各扫掠组内补充边界点,在边界点内插值生成内部节点,最终完成整个扫掠体六面体网格节点的生成.实例结果表明,文中方法稳定、可靠,可处理复杂2.5D实体六面体网格生成问题.     

基于栅格法的多体六面体网格自动生成

基于栅格法的六面体网格生成算法由于多体模型复杂的边界几何特征,导致稳定性较差和产生一些质量较差的边界六面体单元.针对这一问题,提出一套以栅格法为基础的全六面体网格自动生成算法.在边界拟合环节,利用Embedding技术提出一种边界拟合算法,建立了实体模型边界元素和核心网格外围边界元素的对应关系,使得六面体网格很好地描述实体模型的几何特征;在拓扑优化环节,利用Pillowing技术给出一种消除网格中拓扑连接关系较差的六面体单元的方法.若干实体模型算例结果表明,该算法实用性强,效果良好.     

基于医学体数据生成四面体网格的方法

为了从医学体数据直接构造四面体网格,提出一种基于栅格的网格生成算法.该算法的主要思想是从背景栅格中提取并填充代表区域边界的等值面.首先,对医学体数据进行预处理与采样,构建一个背景栅格.其次,用对偶方法从栅格提取三角表面网格,用于分段线性逼近等值面.然后,对栅格中所有位于等值面之内或与等值面相交的立方体,用预定义的模板分解成四面体单元.最后,用Laplacian平滑技术优化四面体网格.在均匀网格的基础上,研究了自适应网格生成算法,在保持网格几何精度的同时精简单元数量,以提高有限元计算效率.给出了从CT数据生成人体股骨远端四面体网格的实例,该网格模型被用于虚拟膝关节镜手术.     

基于逆3 细分的渐进网格生成算法研究

提出一种基于逆3 细分的渐进网格生成算法,用于解决图形的快速传输和显示问 题。算法的基本思路是：将细密网格通过边折叠操作得到简化网格,以细分极限点逼近原始网 格为准则进行网格调整,采用3 细分得到高密度网格,调整后进行逆3 细分,即逐层次删除 部分顶点,生成用于重构渐进网格模型的基网格,并记录每层删除顶点在采用本层表示时相对 于细分计算位置的几何调整量。3 细分过程中三角片数量增长速度较慢,采用逆3 细分利于 生成多层次的渐进网格,经实例验证,逆3 细分生成渐进网格的效果能满足快速、多分辨率显 示要求。     

基于Double Marching Cubes的表面重建算法

为克服基于Marching Cubes的表面重建算法在绘制三维表面时因二义性面的存在而使生成的表面网格易出现错误连接而形成层间空洞的不足,提出了基于Double Marching Cubes的表面重建算法.该算法采用双立方体体素作为生成表面网格的基本单元,以双立方体的12个特征点的标记情况为依据,建立一个双立方体体素索引表,通过查找索引表的方法绘制三维表面.该算法在建立双立方体索引表时就排除掉了二义性面的所有错误连接方式,因而生成的表面网格不会出现层间空洞,避免了为消除二义性面所进行的复杂计算,加快了表面重建的速度.     

三角网格的自适应细分研究

提出面向三角网格全局细分和局部自适应的细分算法。在原三角网格模型上计算每个面片的中心坐标,据此生成的中心坐标点作为新的顶点坐标进行重新绘制得到三角基网格,然后进行多次迭代,达到基本的全局细分目标。在最后生成的基网格上,可以通过调节最大网格面积和平均网格面积之间的比例系数等,来得到更加均匀的三角网格。实验表明该方法能到得到质量较高的细分结果。     

扫掠法有限元网格生成方法

为了提高有限元网格的生成质量,扫掠法生成六面体网格过程中内部节点定位成为关键一步,在研究复杂扫掠体六面体有限元网格生成算法过程中,提出了一种基于扫掠法的六面体网格生成算法,算法利用源曲面已经划分好的网格和连接曲面的结构化网格,用仿射映射逐层投影,生成目标曲面,提出基于Roca算法的内部节点定位的新算法,运用由外向内推进的波前法思想,生成全部的六面体网格。通过实例表明,该算法快速,稳定,可靠,可处理大量复杂2.5维实体六面体网格生成问题。     

基于简化和细分技术的三角形网格拓扑优化方法

由于采用自动生成技术得到的网格往往不能满足数值模拟和仿真的要求,为此基于网格简化和细分技术,提出一种简单、高效的三角形网格拓扑优化方法.首先根据边折叠简化算法对三角形网格进行简化,得到具有较好拓扑连接关系的粗网格;然后对简化后的粗网格进行细分,引入具有良好节点度的新节点;最后再进行简化,直到网格的节点数达到给定的阈值.实验结果表明,该方法可以很好地改善网格的拓扑连接关系,与网格修匀技术结合能够大幅度提高网格的质量.     

栅格法三维六面体网格局部加密算法

有限元数值分析的精度和效率与网格单元的划分质量以及疏密程度密切相关,针对三维六面体网格单元之间疏密过渡必须平缓和协调的要求,提出了一套基于8分法的六面体网格加密模板,并给出了相应的数据结构和模板应用方式.为使所有加密单元都有相对应的加密模板,建立了加密信息场调整规则;对需要进行加密的区域首先补充加密单元,按照节点加密属性调整加密信息场,然后根据单元加密属性对加密单元进行分类,按照全加密单元、面加密单元、边加密单元以及过渡加密单元的顺序依次采用相应的模板进行加密,从而实现三维六面体网格的局部协调加密.实例结果表明,采用该套加密模板的六面体网格局部加密算法能够保障密集网格向稀疏网格的平缓和协调过渡,所生成的网格可满足有限元数值计算的要求.     

保持尖锐特征的混合细分曲面生成

基于混合细分模式,提出了细分曲面尖锐特征生成方法,通过对初始混合控制网格上要生成的各种尖锐特征的顶点和边分别作标记,然后局部修改细分规则进行迭代细分,实现了光滑混合曲面上产生折痕、角点、刺点、尖点的尖锐特征效果,并对尖锐特征处的局部细分矩阵进行了详细的特征分析。实验结果表明,该文算法效果好,能很好地保持模型的尖锐特征。     

基于任意六面体单元数据场的可视化研究

任意８节点六面体单元是有限元分析中常见、且有效的体单元。为了有效地实现对任意六面体剖分结构的结果可视化,提出了基于体单元节点相关性的等值面构造算法,可简捷地确定出等值面的位置,进而得出任意剖面上的等值线,该等值面构造算法突破了以往算法中受规则立方体单元的限制,而且简单可行、实用可靠。     

基于Euler操作的四边形网格细分算法设计与实现

通过分析细分曲面在Euler规则下的性质,提出了适用于四边形网格细分的基本Euler操作方法.在这些方法中,任意一种操作都是不可分割原子操作,而每一次细分迭代实际上就是这些基本操作顺序有效的组合.在Euler操作的基础上,选择halfedge数据结构,四边形网格的初始细分和对偶细分得以成功实现.     

三维形状的自支撑晶体结构的逼近与填充EI北大核心CSCD

针对三维打印无法制造具有悬空杆和悬空节点的晶体结构的问题,提出自支撑晶体结构针对三维形状的逼近与填充算法.首先以菱形六面体为晶体单元,构造晶体单元的几何形状与其自支撑性的函数关系,进一步生成包围三维形状的最小自支撑晶体单元;然后在最短边长与细分次数的约束下,通过晶体单元的迭代细分对三维形状进行逼近;最后,对悬空节点添加支撑杆以保证整体结构的可打印性.另外,通过晶体结构的细分生成三维形状的自支撑填充结构.实验对选自3D ShapeNet数据库的三维模型进行逼近与填充,在VS 2010和MATLAB R2017a平台上进行算法的实现和结果的可视化,结果表明了所提算法对三维形状的逼近与填充的有效性和鲁棒性.     

非平均化自适应Catmull-Clark细分算法

提出一种基于网格边的光滑度计算来进行Catmull-Clark自适应细分的新算法。该方法能够在满足显示需求的前提下较好地减小细分曲面过程中的网格生成数,同时解决了由于采用网格顶点曲率计算,来实现自适应细分方法中平均化生成顶点曲率带来的不足。通过对比试验,算法能更好地区别当前细分网格中光滑与非光滑区域,增加对非光滑区域网格加密密度,并且该算法能够普遍适用于较复杂的细分模式中,具有一定的推广价值。