由控制點的柵格定義的3d 建模對象的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明特別設及計算機輔助設計(CAD)領域，并且更具體地，設及通過圖形化用戶 交互設計3D建模對象的方法、程序和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 市場上提供了大量的用于對象的設計、工程和制造的系統(tǒng)和程序。CAD是計算機輔 助設計的首字母縮略詞，例如，其與用于設計對象的軟件解決方案有關。CAE是計算機輔助 工程的首字母縮略詞，例如，其與用于對未來產品的物理行為進行仿真的軟件解決方案有 關。CAM是計算機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。在運樣的計算機輔助設計系統(tǒng)中，圖形化用戶界面在如技術效率的方面起重 要作用。運些技術可W嵌入在產品生命周期管理(PLM)系統(tǒng)內。PLM指的是商業(yè)策略，其幫助 公司在擴展公司的概念上共享共享產品數據、應用通用過程、W及針對產品從概念到壽命 終點的開發(fā)而施加公司知識。
[0003] 由DASSAULT SYSTEMES(商標CATIA、EN0VIA、和DELMIA下）提供的PLM解決方案提供 了對產品工程知識進行組織的工程中屯、、對制造工程知識進行管理的制造中屯、、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品、過程、資源，W使得能夠進行動態(tài)的、基于知識的 產品創(chuàng)造 W及驅動優(yōu)化的產品定義、制造準備、生產和服務的決策支持。
[0004] CAD通常設及用于表示3D建模對象的表面。表面建模特別用于造型設計中，造型設 計包括A級設計，在A級設計中，動機包括被制造的產品的美學方面。通常的表面由Bezier、 B-Spline的數學處理提供，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，并且適當地移 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] 現有系統(tǒng)的目的在于允許由用戶進行容易的交互操縱，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測的，運意味著初學者快速地了解怎樣改變表面的形 狀，并且熟練用戶能夠預期操縱所產生的表面。
[000引用于塑造 NURBS表面的一些方法設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構（點、點的集合、曲線）。物理行為用 于用戶在表現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，仍然存在對設計3D建模對象的改進方案的需求。

【發(fā)明內容】

[0012] 因此，提供了用于設計3D建模對象的計算機實現的方法。該方法包括向計算機系 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行定義。 方法還包括通過計算機系統(tǒng)確定屬于NURBS表面的表面點的柵格。表面點的柵格根據預定 的可逆函數與控制點的柵格相對應。方法還包括通過計算機系統(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，并且相應地，通過計 算機系統(tǒng)實時地對表面地進行更新，所述更新是根據預定的可逆函數執(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行優(yōu)化來執(zhí)行的；
[0016] -程序通過針對每個相應的控制點，對更新前的相應的控制點與更新后的相應的 控制點之間的距離進行懲罰，從而懲罰NURBS表面的幾何變形；
[0017] -針對每個相應的控制點，程序利用權重來對更新前的相應的控制點與更新后的 相應的控制點之間的距離進行懲罰，所述權重是與相應的控制點相對應的表面點與表面點 的被選擇的子集之間的距離的增函數；
[0018] -方法還包括通過圖形化用戶交互來對該增函數進行參數化；
[0019] -該增函數是如下的指示函數，對于與表面點的被選擇的子集中的表面點相對應 的每個相應的控制點，其等于1;對于與屬于被選擇的非轉角表面點為中屯、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角表面點的編碼點的柵格的四分之一的 表面的相對應的每一個其它相應的控制點，所述指示函數等于嚴格大于1的第一預定的數； 并且，對于每一個其它相應的控制點，所述指示函數等于大于第一預定的數10倍的第二預 定的數。
[0020] -方法包括通過圖形化用戶交互來設置第一預定數字；
[0021] -程序是取決于相應地在更新后和更新前的控制點的凸能量(convex ene巧y);
[0022] -程序屬于類聖
，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的參數，該附加函數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及將附加函數應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行的，在初始迭代時，計算并且存儲附加函數的參數，并且在 全部隨后的迭代中取回附加函數的參數；
[0026] 還提供了一種計算機程序，包括用于執(zhí)行方法的指令。
[0027] 還提供了一種計算機可讀數據存儲介質，具有記錄在其上的計算機程序。
[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程序。
[0029] 還提供了一種用于制造工業(yè)產品的方法，包括根據上述的設計方法設計表示工業(yè) 產品的=維對象，W及隨后基于所設計的=維對象來制造工業(yè)產品的步驟。
【附圖說明】
[0030] 現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，提出了用于設計3D建模對象的計算機實現的方法。該方法包括 步驟S10,向計算機系統(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)產品的外部邊界/包封的至少一部分(諸如，機械零件）的3D建模對 象，例如，照相機），并且如本身已知地，NURBS表面由控制點的柵格進行定義。該方法還包括 步驟S20,通過計算機系統(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 格根據預定的可逆函數(例如，給定的一對參數處的NURBS表面的估計)與控制點的柵格相 對應。計算機系統(tǒng)可W保持所述預定的可逆函數，或者保持從中可W獲得所述預定的可逆 函數的規(guī)則，W使得其可W在任何時間執(zhí)行S20。運可W從CAD的領域中獲知，其中開發(fā)者在 被提供了運些時知道如何實現數學方案（可應用到當前情況的數學方案的示例在下文提 供）。該方法還包括步驟S30,通過計算機系統(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。方法相應地執(zhí)行步驟S54,通過計算機系統(tǒng) (例如，自動地)實時地對表面進行更新。更新是根據S52處執(zhí)行的修改(實時地、W及例如對 所述修改自動地和/或立即地進行反應）W及根據預定的可逆函數來執(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)中重復進行SlO、S20、S30。 運時，S40和/或S50當然可W被再次迭代。運樣的循環(huán)對于熟練的計算機科學家而言是顯而 易見的。
[0036] 運樣的方法改進了3D建模對象的設計。特別是，該方法允許通過圖形化用戶交互 來進行對NURBS表面的修改，NURBS表面是在CAD和工業(yè)設計領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） 來修改幾何結構。該方法由此呈現出"所見即所得"的行為。此外，由于修改是經由預定的可 逆函數(例如，該可逆函數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 關的點上執(zhí)行的，因此該方法能夠依賴運樣的預定的可逆函數來反映表面上的修改(在S54 處），從而保持表面的初始拓撲和用戶意圖（特別是在表面是由用戶之前設計的情況下）。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據。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表面的細節(jié)密度和固有的數學定義。用戶由此更好地理解修改和所產生的表面。
[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撲地鄰近（即，在柵格上不必相鄰）的多個表面點進行 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果。
[0038] 方法是計算機實現的。方法的步