三维有限元网格尺寸场光滑化的优化模型和算法

针对单元尺寸值过渡剧烈会导致有限元网格包含低质量单元的问题,提出基于优化原理的单元尺寸场光滑化理论及对应的几何自适应四面体网格生成算法.首先输入CAD模型,生成一套覆盖模型内部的非结构背景网格;然后结合用户参数计算背景网格点上的曲率和邻近特征,以获得自适应CAD模型几何特征的初始单元尺寸场;再以最小化初始单元尺寸场的改变为目标,以单元尺寸值过渡受控为约束,通过求解一类凸优化问题光滑初始尺寸场;最后以光滑后的尺寸场为输入,先后在CAD模型表面与内部生成曲面网格和实体网格.实验结果表明,文中算法仅需5个用户参数,即可在给定CAD模型内部全自动生成高质量的四面体网格.     

基于能量最小化的网格优化算法

对网格优化的方法进行研究,提出一种基于能量最小化的网格优化算法.给定一定数量的三维散乱点数据和一个初始三角网格,使用能量最小化算法对网格顶点位置进行优化,使网格顶点更好地逼近三维散乱点数据;网格也更加逼近实际曲面.实验结果表明,使用该算法能够获得形状良好的网格.     

基于“几何-拓扑”迭代优化的三维网格模型修复算法

针对三维网格模型孔洞保特征修复问题,提出一种基于"几何-拓扑"迭代优化的三维数据修复算法.给定残缺的三角网格模型,首先识别孔洞区域,利用动态规划方法对孔洞区域进行初始的三角剖分,赋予孔洞区域拓扑连接关系;然后识别孔洞边界一对特征点,基于特征点及其法向粗略拟合特征曲线,在特征曲线的指导下调整孔洞局部的拓扑结构,即孔洞区域拓扑连接关系优化;最后基于孔洞及其N环邻域构建保特征的局部总变分能量函数,迭代求解孔洞及其邻域的顶点几何位置,即局部顶点几何位置的优化,重复局部拓扑连接关系优化和顶点几何位置优化,直到拓扑结构优化处理中不再发生连接关系调整,即完成了三维网格模型的修复.在现有的完整三维网格模型上人为去除部分构造带孔洞的残缺模型,以此作为数据,与其他修复算法进行对比实验的结果表明,所提算法可以有效地恢复孔洞区域的显著特征,并且在修复时间和误差统计上占有明显优势.     

基于三角剖分算法的BIM模型高精度显示方法

BIM模型在Web前端的渲染问题是BIM技术在实际应用中的重要问题,利用三角面片来加快模型前端渲染效率（模型轻量化）是该问题的解决方案。根据Revit二次开发技术中BIM模型的三角面片网格平均质量系数较低的问题,针对BIM模型轻量化和基于Web端共享的应用需求,提出结合Revit二次开发和Delaunary剖分算法的改进算法。通过在Revit二次开发得到的BIM模型原始点上增加点,使得原始点与增加的点按照B-W算法符合Delaunay准则,生成更为精细的三角面片,同时避免了域外三角形的产生,改进了算法实际应用效果。实验结果表明改进算法得到的三角面片的网格平均质量系数和网格关联质量系数相较于原始算法均有提高。最后设计利用WebGL将BIM模型按照优化算法生成的三角面片的方式进行渲染,实现BIM模型在Web端的渲染,验证该方法的有效性。     

基于弹塑性变形的快速展平算法与网格参数化

针对复杂CAD模型的展平问题,提出在三角网格上数值模拟汽车覆盖件一步逆成形的优化算法,实现了对车身零件毛坯料的快速估计.首先对初始网格进行补洞与局部重新网格化等预处理,得到辅助网格;为了减少变形,采用基于能量释放的初始解预示算法,并用基于金属板材弹塑性变形的一步逆算法进行迭代优化,得到修正的展平网格,经后处理得到最终参数化结果.将文中算法应用到自由边界网格参数化上,通过大量数值实验和比较结果表明,该算法不仅适用于工业上的坯料预估,而且在网格参数化的面积、扭曲变形方面有明显改善,同时具有较好的保角效果.     

基于拓扑逼近的CAD模型局部结构检索

为了从大量CAD模型中检索出具有指定局部结构的模型,提出一种基于拓扑逼近的检索方法.根据建立的CAD模型上边界面的几何与拓扑信息表达模型,提出一种统一度量方法来计算检索对象与检索条件中不同类型边界面之间的相似度;利用基于广度优先搜索的图生成树算法得到检索对象与检索条件之间的初始边界匹配方案;提出拓扑逼近算法,并将初始边界匹配方案作为其输入条件搜索最佳边界匹配方案;在最佳边界匹配方案基础上计算检索对象与检索条件之间满足绝对误差限的相似度,实现CAD模型的局部结构检索.根据文中方法在UG平台上开发了CAD模型局部结构检索系统.实验结果表明,该方法能够有效地实现CAD模型局部结构检索,具有较好的精度和较高的效率.     

基于自适应网格变形的图像编辑算法

提出一套基于自适应网格变形的图像编辑算法框架,包括图像中特征物的平移、旋转和变形,以及保持特征物的任意几何边界图像适应.该算法将图像表示为基于图像特征的自适应三角网格,由此将图像编辑问题转换为带约束的网格变形问题.网格变形由一个二次型能量函数所控制,特征物的平移、旋转和变形可以表述为该能量优化问题的约束;代表特征物的三角网格在网格变形过程中只允许发生刚性变换.该能量优化问题的全局最优解可以通过求解1个或多个稀疏方程组得到.实验结果表明,该算法效果理想、鲁棒性好、运行效率高,可以有效地应用于图像处理软件中.     

多分辨率三维建筑群建模与实时绘制技术

将纹理特征分析技术引入到多边形网格建模中,提出一种基于高程特征值进行曲面细分的算法以构建多分辨率虚拟建筑群模型。该算法给出一种三角边与纹理特征曲线相交的三角面分裂方法构造自适应细分三角网格。通过设计细分三角网格的二叉树数据结构和开发测试程序进行测试,表明该算法具有自适应网格速度快和保持几何特征较好的特点,可以满足在PC机上实现三维建筑群的大范围建模和实时交互显示要求。     

使用Lloyd Relaxation的物体表面网格化

根据输入的物体表面点云生成与表面点云拓扑结构一致且几何形状接近的三角网格,在计算机图形学建模中具有很重要的作用,提出一种基于Lloyd relaxation的模型表面点云网格化方法.首先从输人点云中随机选取一些样本点,样本点的数目可以指定;然后运用扩展的Lloyd relaxation算法将这些样本点沿着物体表面移动;当得到一个近似均匀的样本点分布后,运用改进的"crust"算法根据这些样本点生成三角网格.通过在每次relaxation过程中减少网格和曲面间体积的方法,使生成的三角网格与原始表面点云的几何形状接近.实验结果证明,该方法能正确、有效地生成输入点云模型的三角网格,并可以运用在三维物体表面重建和网格简化上.     

基于区域分割的三角网格模型相似性比较

为了在工程应用中检索已有的三角网格模型,以便重用相应零件的设计信息,节省设计和加工成本,提出一种基于区域分割技术的三角网格模型相似性比较算法。依据三角网格模型的球面图像将模型分割为若干个区域;对每个分割得到的区域用一个10维向量表达其形状的几何特征和拓扑特征,一个三角网格模型的特征即可通过各分割区域所对应的10维向量组成的向量组表达;将该向量组作为三角网格模型的形状描述子,两个三角网格模型的相似性可通过相对应的形状描述子间的相似性表达。将描述子中的每个向量看成是一个带有属性的节点,通过两组节点组成的完全二分图的最优匹配进行两个形状描述子之间的相似性比较,实现两个三角网格模型之间的相似性比较。实验结果表明,该算法有效可行。     

面向可展特征的网格模型去噪方法

可展特征是三维网格模型的常见几何特征。为了更好地对具备可展特征的网格模型进行去噪,提出一种面向可展特征的网格模型去噪方法。首先基于变分形状逼近策略分割可展区域,识别出网格模型上可展特征区域,并对分割区域进行基于可展性度量的合并和划分,改进现有L₀去噪算法中针对非均匀噪声网格的正则优化表达项,引入三角网格顶点的可展度量项,利用可展特征的曲面法向量L₀范数的优化问题求解实现网格模型的去噪。通过对多个模型数据集中的大量模型数据进行处理,验证了该方法的有效性。实验表明,结合模型的可展特性的去噪方法在保持模型的几何特征特别是可展特征上效果优于已有方法。     

结合边折叠和局部优化的网格简化算法

针对目前网格简化算法在将三维模型简化到较低分辨率时,网格模型的细节特征丢失、网格质量不佳的问题,提出一种保持特征的高质量网格简化算法。引入顶点近似曲率的概念,并将其与边折叠的误差矩阵结合,使得简化模型的细节特征在最大限度上得到保持。同时分析简化后三角网格的质量,对三角网格作局部优化处理,减少狭长三角形的数量,提高简化模型的网格质量。使用Apple模型和Horse模型进行实验,并与一种经典的基于边折叠的网格简化算法以及其改进算法之一进行对比。实验结果显示,两种对比算法三角网格分布过于均匀,局部细节模糊不清,而所提算法的三角网格在曲率大的区域稠密,在平坦处稀疏,细节特征清晰可辨;简化模型的几何误差的数量值与两种对比算法处于同一数量级;所提算法的简化网格的平均质量远高于两种对比算法。实验结果表明,在不扩大几何误差的情况下,所提算法不仅具有较强的细节特征保持能力,而且简化模型的网格质量较高,视觉效果较好。     

面向CAE 的STL 模型三角网格均匀化

提出了一种基于STL数据的有限元网格再生成算法,该算法主要用于CAE工程分析.鉴于CAD模型的网格特征形态不匀称,分布不均匀的特点,对CAD模型进行网格再生成,使其符合CAE工程分析的要求.算法主要由拓扑建立、网格聚类、网格重采样和三角化四部分组成.实验表明该算法能够有效降低三角网格最长边和最短边的比值,使得模型的网格特征形态趋于均匀.     

三维网格的边界强度分割算法

提出一种新的基于网格边界几何信息的快速分割算法,首先按照原始网格模型面片的拓扑关系建立对偶图,并根据网格面片的几何信息设定顶点权和边权;使用k-way 多级分割方法在对偶图上进行快速分割,得到预分割区域以及各分割区域的初始边界;然后定义分割片的特征边界和边界强度函数,用以表示各预分割区域边界上的形变模型;通过最小化形变模型的能量函数,推动初始边界向特征边界运动,最终得到符合最小值法则的有意义的子网格.实验结果表明,该算法快速有效,适用于各种局部边缘特点较显著的三角网格模型.     

基于自适应网格变形的图像编辑算法?

提出一套基于自适应网格变形的图像编辑算法框架,包括图像中特征物的平移、旋转和变形,以及保持特征物的任意几何边界图像适应。该算法将图像表示为基于图像特征的自适应三角网格,由此将图像编辑问题转换为带约束的网格变形问题。网格变形由一个二次型能量函数所控制,特征物的平移、旋转和变形可以表述为该能量优化问题的约束;代表特征物的三角网格在网格变形过程中只允许发生刚性变换。该能量优化问题的全局最优解可以通过求解1个或多个稀疏方程组得到。实验结果表明,该算法效果理想、鲁棒性好、运行效率高,可以有效地应用于图像处理软件中。     

面向移动终端的三角网格逆细分压缩算法

针对移动用户的实时显示需求,提出一种基于逆细分的三角网格压缩算法.通过改进逆Butterfly简化算法,采用逆改版Loop模式,将细密的三角网格简化生成由稀疏的基网格和一系列偏移量组成的渐进网格;然后,通过设计偏移量小波树,将渐进网格进行嵌入式零树编码压缩.实验结果表明:该算法与以往方法相比,在获得较高压缩比的同时,运行速度较快.适用于几何模型的网络渐进传输和在移动终端上的3D图形实时渲染.     

大规模地形散乱点的快速构网算法

针对大规模视景仿真地形显示的需要,提出了一个利用大规模地面散乱点构建地形三角网格的算法.先将空间的散乱点投影到XOY坐标平面,在坐标平面上对散乱点进行均匀网格划分,然后按照一定顺序将大规模散乱点组织成若干不相交的单调链,由相邻单调链连接成单调多边形,利用单调多边形的特点快速构建初始三角网格模型,并在空间上对模型进行三角网格优化.通过加入辅助点的方法,有效解决了网格边沿的奇异情况.算法在保证网格质量的同时,大幅减少了构网的时间开销,证明了提高网络的速度.     

结合边分割的改进二次误差测度算法

为了有效解决二次误差测度算法(quadric error metrics, QEM)容易产生异常三角面、失去局部特征、几何结构异常等问题, 提出一种结合边分割的改进二次误差测度算法(quadric error mactrics with edge splitting, ESQEM). 该算法添加顶点高斯曲率作为边折叠代价之一, 通过参数调节模型特征保留情况; 添加边长查询机制, 对细长三角面进行边分割操作. ESQEM算法能有效维护网格模型高曲率区域特征、保持网格几何结构、消除狭长三角面, 简化后的模型有更好的视觉效果, 高简化率下的简化精度更高.     

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.     

基于几何矩的CAD模型形状匹配算法及应用

基于矩方法及其理论,提出了一个基于几何矩的形状匹配算法,用于识别CAD模型中具有相似形状特征的几何体.该算法采用一组满足平移、旋转、缩放不变性的几何矩不变量对三维几何体的形状特征进行描述,并根据形状特征向量的相似程度评估几何体之间的相似性.为提高几何矩计算的准确性和效率,对CAD模型的三角面片数据进行了预处理,并采用递...