[发明专利]一种使用几何面的即时布尔运算方法

说明书

本发明提供了一种使用几何对象的及时布尔运算方法和系统，执行布尔运算，用基本的几何形体和扩展几何对象创建几何模型，包括：将几何对象的渲染绘图面片映射到含有相邻三角形的扩展三角形，计算面片间的相交线，拆分相交线通过的面片，确定每个面片是否可见，并重新组合面片以形成一个或多个几何对象。该方法不利用计算机辅助设计/计算机图形/实体建模系统中最流行的数据结构CSG和B‑REP，但具有两者的优点：易于实现和灵活。此外，它是实体建模和曲面建模系统的一个统一方法，能够生成多变和精细的产品模型。

技术领域

本发明为计算机辅助设计、计算机制图、实体造型系统和曲面造型系统提供一种即时布尔运算方法，用初级几何形体构建三维几何模型。机械工业、文化体育，有几何形体的领域，就可能有CAD/CG应用。

背景技术

计算机硬件是如此高度发达，甚至普通的个人电脑都可以用来安装和运行商业CAD/CG系统，它们通常具有布尔操作功能，包括AND、OR和NOT。PC组件包括输入设备，如鼠标和键盘，主计算机，屏幕和打印机。软件系统包含几何和非几何功能。图1为PC机的主要组成部分，图2A到2D描绘了一个典型的CAD/CG软件系统构架。

布尔运算为CAD/CG/实体造型系统提供了一个从不同的几何形体构建复杂实体几何模型的一般过程，造型的几何形体包括初级几何对象、旋转对象和拉伸对象。Lee应用布尔运算来划分曲面[Lee US Patent No.6，307，555]。

布尔运算可以依赖构造实体几何(CSG)来记录几何对象和操作序列的层次结构，这在技术上很容易实现，然而边界表示(B-REP)被认为是一种支持更多几何形体的更加灵活的方法，如扩展的几何图形[Gursoz，1991]。

本发明提出五个布尔运算命令:组合、交集、排除、差和分割，它们直接作用于绘制函数的几何面分解出来的三角形且不需要数据结构造实体几何或边界表示。本发明中定义的数据结构是一些简单的类，包含在本发明中的方法简洁且易于实现，这五个命令允许用户通过选择几何对象类型幷定义面片来创建几何模型。图3展示了一个有6个面片的长方体和一个有不同面片的球体布尔运算产生不同的结果。

虽然这五个命令是为实体建模和曲面建模而设计的，本发明所包含的裁剪命令为曲面造型提供了一种替代方法，它在确定某一面片是否可见时使用不同的方法。

本发明提出了一种不同于CSG和B-REP的数据结构和方法，包括三角形与三角形相交，用子相交线分割三角形，确定一个面是否可见，并重新分组三角形形成几何模型。

发明内容

本发明提供了一组步骤，构成一个执行布尔运算的方法，来生成复杂的几何模型，并直接在由几何面分解的三角形上进行处理，该操作由计算机硬件和软件完成。软件包括图形渲染绘制系统，如OpenGL库函数。一个几何形体，例如球面、圆锥、圆柱、长方体、三角形网格体、旋转对象或拉伸或曲面，经过三角化，生成一个用于图形渲染绘制的集，记为TriangleSet。当为执行布尔运算选择了两个几何形体时，相邻的三角形被添加到TriangleSet中的每个三角形中，每个形体都产生了另一个集合，BlOpTriangleSet。

本发明描述的布尔运算的第二步是在三角形集合之间搜索和创建相交线。它首先找到一对相交的三角形：这个系统为每个三角形建立一个轴对齐的最小边界框，并检查两个边界框是否重叠以决定是否需要进行边与三角形相交计算。当边与三角形相交点位于三角形内时，该系统完成搜索任务，并将点数据存储到相交线集内。

为了扩展当前相交线，此方法跟踪相邻三角形并计算边与三角形相交点，直到相交线闭合。

这个发明描述的布尔运算的第三步是拆分三角形。相交线的每一段引用两个三角形，其中的每个三角形具有至少一个子相交线，它包含一个或多个线段，线段将三角形划分为三个或更多的小三角形。拆分三角形后，删除原始三角形，并将这些较小的三角形添加到BlOpTriangleSet中。