新基于STL模型的逆向工程实体建模技术

鉴于STL模型的逆向工程实体建模技术

内容纲领:纲领：针对以STL数据表示的部件模型，在分析结构

件模型几何特色的基础上，提出了一种以几何体素分别与拓扑关

系重修为基础的STL模型逆向工程实体建模技术。经过对三角面

片的归并实现平面、柱面、锥面等基本几何体素的分别，并利用

Parasolid系统达成体素重构，进一步提取几何体素之间的布尔

关系，进而实现含拓扑关系的产品模型重构。利用这一方法，可

以实现RE/RP系统与通用CAD系统之间的迅速集成，实现产品数

据在不一样样系统之间顺畅传达。模型重修1逆向工程CAD技术与

STL模型逆向工程CAD技术一般以数字化丈量设施的输出数据为

原始信息根源[1]。

纲领：针对以STL数据表示的部件模型，在分析结构件模型几何特色的基础上，提出了一种以几何体素分别与拓扑关系重修为基础的STL模型逆向工程实体建模技术。经过对三角面片的归并实

现平面、柱面、锥面等基本几何体素的分别，并利用Parasolid系统达成体素重构，进一步提取几何体素之间的布尔关系，进而实现含拓扑关系的产品模型重构。利用这一方法，能够实现RE/RP系统与通用CAD系统之间的迅速集成，实现产品数据在不一样样系统

之间顺畅传达。

要点词：STL；逆向工程；实体建模；模型重修

逆向工程CAD技术与STL模型

逆向工程CAD技术一般以数字化丈量设施的输出数据为原始信息根源[1]。因为丈量方式的不一样样，数字化丈量设施能够分为接触式和非接触式。跟着丈量技术的发展，无论何种丈量方式，产

生的丈量数据都是特别多的，特别是非接触式的激光丈量，能够产生几十万甚至上百万丈量点的丈量数据。我们将这类数据称为“点云”数据。一般来说，数字化丈量设施都带有数据办理软件。

这个软件的主要功能是对丈量设施输出的数据进行初步办理，如去除明显噪声点、多块数据拼合、数据格式变换等。一般的丈量

设施除了依据自定义格式输出数据外，都供给IGES格式的数据输出。跟着软件功能的增强，目前好多丈量设施能够在输出丈量数据的同时输出三角网格数据(即经过三角化此后的数据)或许STL格式数据。可是这些STL格式数据一般没有经过测试(如不保证关闭性，可能存在裂隙等)，不可以够直接用于逆向工程建模或

RP制造。由丈量设施输出的STL数据必然经过维修、纠错办理，

才能用来进行逆向工程CAD建模。所以，逆向工程中重要的一个

环节就是数据的预办理。

本文研究要点是几何模型重修，所以我们使用的数据都是经过预办理此后的有效数据，而非来自丈量设施的原始数据。

鉴于STL模型的逆向工程实体建模

STL模型是以三角形会合来表示物体外轮廓形状的几何模型[2]。

在实质应用中对STL模型数据是有要求的，特别是在STL模型宽泛应用的RP领域，对STL模型数据均需要经过查验才能使用。

这类查验主要包含双方面的内容：STL模型数据的有效性和STL模型关闭性检查。有效性检查包含检查模型能否存在裂隙、孤立边等几何缺点；关闭性检查则要求全部STL三角形围成一个内外关闭的几何体[3]。本文中讨论的STL模型重修技术中的STL模型，均假设已经进行有效性和关闭性测试，是正确有效的STL模型。

因为STL模型可是记录了物体表面的几何地点信息，没有任何表达几何体之间关系的拓扑信息，所以在重修实体模型中依赖地点信息重修拓扑信息是十分要点的步骤。另一方面，实质应用中的产品部件(结构件)绝大部分是由规则几何形体(如多面体、圆柱、过渡圆弧)经过拓扑运算获得，所以关于结构件模型的重构来讲

拓扑关系重修显得特别重要。实质上，目前CAD/CAM系统中常用

的B-rep模型即是鉴于这类界限表示的基本几何体素布尔运算表达的。

所以STL模型重修的过程以下：第一重修STL模型的三角形拓扑

关系；其次从整体模型中分解出基本几何体素；重修规则几何体

素；此后成立这些几何体素之间的拓扑关系；最后重修整个模型。

2.1三角形拓扑关系重修

STL模型中可是包含产品的几何地点信息，并且STL数据中包含大批的重复数据。STL中的三角形极点是重复记录的，其重复度

为N(N为以该点为极点的三角形数目)。为了在后续步骤中提升运算效率，有必需第一去除冗余数据，提升储蓄和运算效率[4]，同时成立STL模型三角形拓扑关系，即成立三角形的边信息结

构，记录每条边的左右三角形。考虑到排序运算效率，我们采纳双向链表的方式记录每一条边的左右三角形信息。

三角形拓扑关系的成立不单精简了STL模型数据，并且是后序几何体素分其他基础。

2.2STL模型几何体素分别

因为STL模型是由三角形会合构成的，所以直接利用三角形数据没法将不一样样的几何体素相互分别。假如将描绘模型平面部分的三角形归并，此后提拿出平面的界限，利用界限就能够将不一样样的几何体素划分开来。

平面是最简单的几何元素。依据平面特色，我们能够获得平面界限提取准则：假如拥有相邻边的两三角形法矢平行，则这两个三角形构成一个平面。以其他推，全部与该平面拥有相邻边且法矢平行的三角形都属于该平面。平面鉴别过程是一个递归循环：设

任一三角形为“种子”三角形，其法矢为N0。Ni为与“种子”三角形有相邻边的三角形的法矢，计算N0、Ni的夹角θ

=arccos(N0.Ni/|N0||Ni)。若θ<δ(δ为三角形归并阈值)，则三角形i能够与“种子”三角形归并。发生三角形归并后，本来的“种子”三角形界限扩大为多边形界限，“种子”三角形成为“种子”多边形。以新获得的“种子”多边形界限为依据，找寻

相邻三角形，再重复以上归并步骤，使“种子”多边形不停长大，最后当全部相邻三角形均没法与“种子”多边形归并时，递归停止。这时获得的是由多条界限构成的平面多边形。

此时我们发现，即即是简单矩形，依旧是由好多短边构成的多边

形，这明显不合适特色造型的要求。为此还需要进行边直化。边

直化就是将共线的短边归并成为一条直线边。达成边直化此后就

获得了正确的平面多边形，其法矢就是初始三角形的法矢。对达成平面界限提取的模型基础，从界限边链表中的随意一条边开始，总能够找到与它地点相连的构成一个关闭几何体的全部边。

这时，剩下的边就成为另一个与目前几何体无几何地点联系的独

立几何体。当界限边链表中全部的边都遍历分别此后，即可获得全部构成部件的独立几何体的各自的边会合。依据该方法，近似阶梯孔之类的特色将会被分解为n个(n为阶梯的层次数)独立的几何体。

体素分其他过程见图1。图1a是STL模型，图1b是提取平面界限后的模型。我们能够看到，本来STL模型上全部的平面都被提拿出来了，而诸如圆角、圆柱面、圆锥面等二次曲面部分则还保

留着三角形描绘。图1c是体素分别此后的STL模型(成为4个独立的几何体素)。关于这些独立体素，我们需要将此中规则几何

体从头利用参数化方法重构，这样才能使最后重修模型成为一个参数化的、有必然拓扑关系的实体模型。

图1几何体素的分别

2.3规则几何体素重构

因为大部分结构件模型能够分解为平面和各样二次曲面(圆柱

面、球面、锥面等)的组合，所以将这些规则几何体利用参数化方法重构此后，就能够获得拥有参数信息的结构件模型。

关于由平面围成的体素，能够直接将全部平面拼合在一同构成实体体素。关于包含圆柱面、圆锥面等非平面的体素，依据这些几

何体的特色以及STL模型能够供给的信息，我们对几类常有几何体的判断给出了准则。经过实质建模证明，这些准则能够较正确地重修这些几何体。

圆柱(外圆柱面、内孔面)体素重修因为STL模型是用失散的数据表示连续曲面，所以STL模型中的圆(柱)其实是一个多边形(体)。关于圆柱面的判断，我们依据其几何特色提出以下准则：

条件1设构成圆柱的三角形会合为Ω，则Ω内全部拥有相邻边、

法矢共面且平行的三角形构成圆柱的两个端平面，见图2a。

条件2Ω内全部拥有相邻边、法矢共面但不平行的三角形构成圆柱面，见图2b。

设圆柱侧面三角形的法矢为Ni(i=0，1，,，m，m为三角形数目)，

Ci为三个法矢的混淆积：

Cj=(Ni×Ni+1).Ni+2，i=0，1，,，m-2若Ci=0，则全部三角形

法矢共面。同时，因为随意两法矢均不平行，故这些三角形构成圆柱面。以上准则可相同合用于等半径过渡圆柱面的判断。

圆柱体素几何参数提取方法以下：在确立了构成圆柱面的三角形后，就能够依据这些三角形确立圆柱面的直径、高度、几何地点等参数。第一，归并这些三角形的公共边，获得两个由三角形界限边构成的多边形(即圆柱上下端面的圆)。此后依据多边形极点数据，计算出两个多边形的几何重心(圆柱地点参数)、外接圆直径(即圆柱直径)以及由两个几何重心确立的圆柱方向、高度。

(2)圆台、圆锥体素重修近似圆柱面的鉴别，圆台、圆锥面的

鉴别准则相同以三角形法矢之间的关系为依据。

条件1设构成圆台(锥)的三角形会合为Ω，则Ω内全部拥有相

邻边、法矢共面且平行的三角形构成圆台(锥)面的端平面。

条件2Ω内全部拥有相邻边、法矢不共面的三角形构成圆台(锥)面。

圆台(锥)体素几何参数提取方法以下：第一，归并构成圆台(锥)面的三角形的公共边，获得由界限边构成的多边形。假如获得两

个多边形，则该体素为圆台，若只有一个多边形(另一个多边形退化为一点)，则该体素为圆锥。依据获得的界限多边形，能够计算出其重心、直径。关于圆台，获得上下圆面直径、方向、几何地点、高度；关于圆锥，获得底面直径、方向、几何地点，因为圆锥只有一个界限多边形，所以需要借助侧面三角形计算圆锥体的高度。

(3)其他二次曲面体素重修在达成平面、圆柱面、圆台、圆锥

面的提取后，利用剩下的还没有识其他三角形数据结构迫近曲面，

并经过迫近曲面鉴别出这些三角形能否为球面、抛物面等二次曲面，并提取二次曲面有关参数。有关经过迫近曲面鉴别球面、抛

物面、旋转面等的算法好多[5，6]。依据计算出的曲面种类和参数，利用现有几何造型软件(如ParaSolid)可直接结构出几何体。

2.4基本拓扑结构重修

可是依赖独立的几何体素是没法正确重修模型的，只有清楚体素之间的拓扑关系，并据此达成拓扑运算后才能获得正确的部件模型。

拓扑关系的运算包含布尔“和”、布尔“减”、布尔“差”3种。因为STL模型表达模型的外轮廓面信息，所以在STL模型中布尔“差”是不会出现的。所以只需分析出两两几何体之间的“和”、“减”关系就能够达成模型重修。

对A、B两个独立的几何体素，需要相互进行包含性测试。包含性测试能够判断出体素的极点与另一体素的关系：极点在体素内、极点在体素外、极点在体素上。依据极点与体素的关系能够

获得两个体素的相互地点关系，进一步获得它们的拓扑关系。通

过分析我们确立了两体素之间的6种地点关系，见图3。分别将

这6种地点关系对应到拓扑关系中，就能够确立两个体素之间的布尔运算种类。

2.5部件模型重修

在确立全部构成部件的几何体素两两之间拓扑关系此后，需要进行布尔运算获得最后的模型。此时需注意的是，不一样样的布尔运算序次会产生不一样样的结果。图4是利用相同体素经过不一样样布尔运算序次产生的部件。能够看到，不一样样的序次产生了两个完满不一样样的新部件。

怎样能获得需要的正确结果，可经过对STL模型的分析，正确的方法是先对全部的体素进行布尔“和”运算，此后在“和”运算

的基础进步行布尔“减”运算，这样才能保证运算结果的正确性、有效性。

实例

图5和图6是两个结构件模型STL数据的重修结果。STL模型数据由丈量数据经过简化获得，利用以ParaSolidV14.0为内核开

发的CAD造型软件进行几何模型重修。因为ParaSolid所保留的xt/xb文件拥有很好的通用性(如UG、SolidWorks等CAD软件均能够直接读入)，所以