一種高效的CAD模型簡化方法

耿維忠,于江饒,焦躍軍

(新鄉(xiāng)學(xué)院 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

CAD模型復(fù)雜化與計算機(jī)系統(tǒng)間的矛盾日益凸顯,其直接影響CAX無縫集成。面向領(lǐng)域需求的CAD模型簡化是促進(jìn)CAX集成的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，在產(chǎn)品CAPP中，采用基于工藝知識驅(qū)動模型簡化方法，抑制后續(xù)工序加工體，實現(xiàn)工序模型幾何演變建模[2，3]。在三維場景構(gòu)建中，保證視覺效果，簡化細(xì)節(jié)特征，有效降低模型復(fù)雜度，是提高分析和渲染效率的關(guān)鍵[4]。因此，模型簡化始終是CAD領(lǐng)域的研究熱點問題之一[5]。

現(xiàn)有模型簡化研究主要面向網(wǎng)格模型、B-rep和CSG模型等三維模型，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多簡化方法。網(wǎng)格模型簡化根據(jù)簡化目的識別并刪除簡化區(qū)域的三角面片，并更新待簡化區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CAD網(wǎng)格模型的三角面片存在疏密不均、尺寸差異較大等特點，其簡化重構(gòu)存在拓?fù)洚悩?gòu)、模型工程語義丟失等問題[6-8]。B-rep模型簡化是以點、線和面等拓?fù)鋵ο鬄閿?shù)據(jù)對象，從B-rep模型中識別待簡化區(qū)域，其相關(guān)研究主要集中在過渡特征抑制和多分辨率建模方面。孫銳等[9,10]認(rèn)為過渡特征抑制是過渡特征生成的逆操作，提出了基于體重構(gòu)的過渡特征抑制算法，又根據(jù)過渡特征抑制是否刪除拓?fù)浼膺咁A(yù)測模型拓?fù)渥兓?，并?jù)此提出一種相交過渡特征的抑制算法。程亞龍等[11]提出了一種面向設(shè)備加工能力的過渡特征抑制方法，該方法根據(jù)主加工面識別過渡面，去識別和抑制過渡特征，并還原三維模型的初始結(jié)構(gòu)。Sun Rui[12]提出基于邊界環(huán)分解的多分辨率建模方法，該方法通過邊界環(huán)分解、修補(bǔ)面縫合等操作，實現(xiàn)B-rep模型的簡化。CSG模型簡化以體素為數(shù)據(jù)單元，識別并抑制帶簡化數(shù)據(jù)單元。面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計，Lee J.Y.等[13]以正特征構(gòu)成初始模型，采用細(xì)胞元表示凹特征,在初始模型中添加凹特征，以體積值為標(biāo)準(zhǔn)排序，通過改變特征歷史樹中的特征順序關(guān)系創(chuàng)建零件多層次分辨率模型。Lee K.Y.等[14]以細(xì)胞元的幾何尺寸為模型簡化標(biāo)準(zhǔn)，通過刪除小尺寸幾何特征、降維薄區(qū)域等操作實現(xiàn)模型簡化。吳敏等[15]基于啟發(fā)性規(guī)則，根據(jù)以特征包圍盒體積表示特征的體積，通過體積簡化閾值的制定，創(chuàng)建多分辨率的簡化模型。

目前，特征CAD模型已廣泛應(yīng)用于商業(yè)CAX系統(tǒng)，其含有拓?fù)湓亍⒃O(shè)計特征和兩者的映射屬性。但是，現(xiàn)有模型簡化研究都忽略了特征CAD的設(shè)計特征及其映射關(guān)系等高層信息，所提方法存在交互性差、工程語義模糊、復(fù)雜度偏高等問題。本文提出一種高效的模型簡化方法，充分挖掘CAD模型中拓?fù)湓睾驮O(shè)計特征中蘊(yùn)含的相關(guān)信息，實現(xiàn)CAD模型交互式快速簡化。

1 高效的CAD模型簡化方法實現(xiàn)

由于特征CAD模型蘊(yùn)含有幾何拓?fù)渑c參數(shù)特征信息，為此，模型簡化應(yīng)該充分挖掘特征信息，確保簡化模型具有明確工程語義完整性。本文提出的高效CAD模型簡化通過簡化特征識別和模型重構(gòu)兩步實現(xiàn)。

1.1 簡化特征識別

簡化特征識別是根據(jù)工程語義需求識別CAD模型中待簡化特征?，F(xiàn)有研究采用閾值自動識別、手工選定標(biāo)識或混合識別等方法，存在效率較低、交互性差等缺點。為此，提出基于特征映射的簡化特征識別算法，挖掘B-rep的拓?fù)湓睾驮O(shè)計特征之間映射關(guān)系。其基本思想是：首先，交互選定待簡化區(qū)域任一拓?fù)涿?，然后，利用B-rep拓?fù)湓睾驮O(shè)計特征之間的映射關(guān)系識別待簡化設(shè)計特征。具體步驟如下：

(1)選定待簡化區(qū)域拓?fù)涿妫@取特征標(biāo)識Tf。

(2)遍歷CAD模型中設(shè)計特征，并執(zhí)行以下操作：①讀取設(shè)計特征Fi拓?fù)涿鏄?biāo)識si，并將其逐個保存至集合S；②遍歷集合S，若任一元素si匹配于Tf，則設(shè)計特征Fi為待簡化特征；③保存設(shè)計特征Fi標(biāo)識，構(gòu)造待簡化特征集合SF={F1,F2,…,Fn}。

上述步驟通過交互選定簡化區(qū)域拓?fù)涿?，利用拓?fù)涿婧驮O(shè)計特征之間映射關(guān)系，快速識別待簡化特征。

1.2 CAD模型構(gòu)建

特征CAD模型構(gòu)建是設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計需求和規(guī)范添加設(shè)計特征的過程，CAD模型設(shè)計特征添加過程的不同，特征依賴關(guān)系也不同。下面給出CAD模型中設(shè)計特征的依賴關(guān)系定義，并給出相應(yīng)的CAD模型重構(gòu)算法。

1.2.1 特征依賴關(guān)系

根據(jù)CAD模型設(shè)計特征構(gòu)建過程及其構(gòu)建參考特征的不同，設(shè)計特征的依賴關(guān)系分為直接依賴、間接依賴和引用依賴三種類型。

(1)直接依賴關(guān)系。定義：若設(shè)計特征Fj以Fi的拓?fù)湓貫閰⒖继卣?，則Fj直接依賴于Fi，記作Fi→Fj。如圖1所示，活塞頭模型的設(shè)計特征F1是F2和F3的參考特征，即兩者直接依賴于F1。

圖1 直接依賴關(guān)系

(2)間接依賴關(guān)系。定義：若設(shè)計特征Fi→Fj且Fj→Fk，則Fk間接依賴于Fi，記作Fi→…→Fk。如圖2所示，活塞頭模型的設(shè)計特征F1是F2的參考特征，同時，F(xiàn)2是F3的參考特征，從而，F(xiàn)3間接依賴于F1。

圖2 間接依賴關(guān)系

如圖3所示，活塞頭密封圈卡槽的特征F2以設(shè)計特征F1為基特征，因此，F(xiàn)2引用依賴于F1。

圖3 引用依賴關(guān)系

1.2.2 CAD模型重構(gòu)

CAD模型重構(gòu)是抑制待簡化特征集SF={F1,F2,…,Fn}，其關(guān)鍵是保持特征依賴關(guān)系及CAD模型語義完整性?；舅枷胧牵罕闅v待簡化特征集SF={F1,F2,…,Fn}，并根據(jù)CAD模型中Fi的特征依賴關(guān)系選擇執(zhí)行操作。具體步驟如下：

(1)讀取Fi∈SF={F1,F2,…,Fn}(i=1,2,…,n)。

(2)若Fi沒有子特征，則直接刪除該特征。

(3)若Fi擁有子特征Fj，則執(zhí)行以下步驟：①讀取子特征Fj；②根據(jù)子特征Fj的特征依賴關(guān)系類型選擇執(zhí)行任務(wù)，若Fj直接依賴于Fi，且不再被其他特征所依賴，則直接刪除Fj；若Fj間接依賴于Fi，且其中間特征Fk不是待簡化特征，則提取Fk的構(gòu)建參數(shù)，并重構(gòu)Fk；若Fj引用依賴于Fi，則直接刪除Fj；③從CAD模型中刪除Fi。其中，步驟②是算法關(guān)鍵，具體如下。

若設(shè)計特征間形成直接依賴關(guān)系，即F2和F3之間沒有特征依賴關(guān)系，如圖4(a)所示，則設(shè)計特征F2和F3均可直接刪除，如圖4(b)所示。

圖4 直接依賴關(guān)系模型重構(gòu)

若設(shè)計特征間形成間接依賴關(guān)系，即F3間接依賴于F1，如圖5(a)所示。F2是待刪除特征，為了保證CAD模型工程語義完整性，則首先以F1為參考特征重構(gòu)F3，再刪除F2，如圖5(b)所示。

圖5 間接依賴關(guān)系模型重構(gòu)

2 算法測試

2.1 測試一

輸入異型管件特征CAD模型，簡化目標(biāo)區(qū)域為加強(qiáng)筋，簡化過程如下：

(1)選定待簡化區(qū)域任一拓?fù)涿?，如圖6(a)所示。

(2)單擊“特征識別”按鈕，執(zhí)行特征映射，識別簡化特征，如圖6(b)所示。

(3)簡化特征是旋轉(zhuǎn)陣列特征，單擊“特征抑制”按鈕，簡化區(qū)域被抑制，實現(xiàn)模型簡化，如圖6(c)所示。

圖6 異形管件模型

2.2 測試二

輸入配電盒注塑模型的特征CAD模型，簡化目標(biāo)區(qū)域是多組工藝凹槽，模型簡化過程如下：

(1)選定多個待簡化區(qū)域拓?fù)涿?，如圖7(a)所示。

(2)單擊“特征識別”按鈕，執(zhí)行特征映射，識別簡化特征，如圖7(b)所示。

(3)簡化特征包括兩組引用特征和一組間接引用特征，單擊“特征抑制”按鈕，簡化區(qū)域被抑制，實現(xiàn)模型簡化，如圖7(c)所示。

圖7 配電盒注塑模型

模型復(fù)雜度和算法執(zhí)行時間統(tǒng)計如表1所示。實驗結(jié)果表明，所提方法以設(shè)計特征為單元實現(xiàn)CAD模型簡化，具有以下優(yōu)點：①算法執(zhí)行效率較高，且與B-rep模型復(fù)雜度無關(guān)；②簡化過程具有所見即所得特點，交互性強(qiáng)，操作語義明晰。

表1 模型復(fù)雜度和算法執(zhí)行時間

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于特征映射的模型簡化方法，該方法充分利用了特征CAD模型所蘊(yùn)含的拓?fù)涮卣餍畔?，可實現(xiàn)快速交互式簡化。實驗結(jié)果表明，本文方法具有簡單高效、操作語義明晰等優(yōu)點。

本方法的局限性是：可能無法處理由不規(guī)范建模所創(chuàng)建的CAD模型，原因是此類CAD模型設(shè)計特征依賴關(guān)系混亂。不規(guī)范CAD模型簡化方法是后續(xù)研究內(nèi)容。