[发明专利]使用几何面片进行混合建模的方法和系统

说明书

本发明提出了一种方法和系统使用渲染面片进行混合几何建模，用于三维产品设计，其中几何操作包括这些步骤：将渲染面片映射到操作面片、创建相交线、拆分相交线穿过的每个三角形、划分几何形体、重新组合面以形成新的几何物体，并将每个新的几何物体映射到渲染面片。为了记录建模过程，该方法具有步骤：分配一个构造混合几何对象，组成包括几何物体和操作参数的每个操作几何，向对象添加操作几何，用面片进行操作，以及适时更新操作结果。该系统灵活，能够使用基本几何物体、扩展几何物体和曲面片创建精细和多变的几何模型。

背景

领域

本发明为计算机辅助设计和计算机图形系统提供一种方法和一种嵌入该方法的系统，执行布尔运算和几何裁剪，用基本几何物体、扩展形状和曲面片的渲染面片构建三维几何产品模型。计算机辅助设计和计算机图形系统广泛用于设计产品和模拟环境物体。

相关技术

计算机包括：屏幕，显示用户界面；输入设备，包括鼠标和键盘，用户通过其输入文本并点击屏幕上的项目；处理器，执行指令和命令；以及一个媒体，存储数据和可执行指令。

CAD/CG系统在计算机系统中实现并用计算机操作，具有一些预定义的几何形状，例如基本几何物体，用户通过这些几何物体构建复杂的几何模型。

如果一个系统使用基本几何形状构建几何模型，每个几何形状在空间上封闭一个体积并且是水密的，那么该系统是一个实体几何建模系统。

在实体几何建模系统中，基本几何形状可以包括长方体、圆锥、圆柱、棱柱、棱锥、圆环、面封闭体积，并且系统可以提供命令，例如拉伸和旋转，以创建扩展形状。图1显示一些基本几何形状和使用拉伸和旋转操作创建的扩展几何物体。部分或全部形体参与布尔运算，有与、或、差功能，用于构建几何产品模型。

如果一个系统构建一个具有多个曲面片的几何模型，那么该系统是一个曲面建模系统。一个曲面片由一组点、阶数、节点和权重控制几何物体形状，这个几何物体在空间上可能不是封闭的。

曲面建模系统有两种命令：创建一个曲面片和裁剪。

曲面片创建命令生成控制点、节点、阶数和权重。这些命令：拉伸、旋转、弯曲和连接，是一些例子，它们创建非常不同的形状。图2显示使用这些命令生成的一些曲面片。

裁剪命令可以用轮廓线或曲面裁剪曲面。轮廓线可以是曲面上的一条线，也可以是二维线，映射到曲面所在的三维空间。

在进行一次曲面-曲面裁剪时，一个曲面通常与另一个曲面相交，每个曲面被分成两个或多个部分，通常保留其中一个部分用于构建一个几何模型。

如果一个系统用基本几何形状和曲面片进行布尔运算，或者系统用基本几何形状和曲面片进行裁剪，则该系统是混合几何建模系统。

构造实体几何广泛应用于CAD/CG系统，是一种以分层数据结构记录操作序列和几何物体的技术。使用CSG的系统定义了一些基本的几何形状。一次布尔运算具有三个函数中的一个和两个几何物体，每个几何物体都定义了一个边界，将空间分为内部和外部两个半空间。内部半空间假设充满材料，外部半空间是空的。分层数据结构的一个叶节点记录一个几何物体，一个内部节点表示布尔函数类型，并与叶节点和分支节点相连接。

边界表示被认为是一种更灵活的方式，可以支持更多的几何形状，如扩展几何形体，以曲面为边界来表示几何模型，具有两对数据结构。一对数据结构表示几何元素，点、曲线和曲面；另一对指定拓扑元素，顶点、边、环、面和壳，它们记录几何元素如何相互连接。五个元素的数量满足欧拉-庞加莱公式，该公式具有一组欧拉算子和规则，可以在不破坏几何模型整体形状的情况下创建和删除拓扑元素。

发明内容