2.3 实体造型.ppt

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1、2.3 实体造型实体造型2.3.1 引言引言2.3.2 实体造型的概念实体造型的概念2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法2.3.4 实体造型举例实体造型举例 线框造型的缺点线框造型的缺点：（1）图形的二义性（不能唯）图形的二义性（不能唯一表示一个图形）；一表示一个图形）；（2）难以进行形体表面交线）难以进行形体表面交线计算和物性计算，不便于消除计算和物性计算，不便于消除隐藏线，不能满足表面特性组隐藏线，不能满足表面特性组合和存储及多坐标数控加工刀合和存储及多坐标数控加工刀具轨迹的生成等。具轨迹的生成等。2.3.1 引言引言线框造型图形的二义性线框造型图形的二义性表面造型的缺点表面造型的

2、缺点：（1）不能完整全面地表达物体形状；）不能完整全面地表达物体形状；（2）难以直接用于物性计算，内部结构不易显示。）难以直接用于物性计算，内部结构不易显示。2.3.1 引言引言2.3.1 引言引言l上世纪上世纪6060年代初，提出了实体造型的概念。年代初，提出了实体造型的概念。l上世纪上世纪7070年代初，出现了简单的具有一定实用性的基于实体年代初，出现了简单的具有一定实用性的基于实体造型造型CAD/CAMCAD/CAM系统。系统。l上世纪上世纪7070年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。逐渐成熟。l进入进入8080年代后，国内外

3、不断推出实用的实体造型系统，得到年代后，国内外不断推出实用的实体造型系统，得到广泛的应用。广泛的应用。实体造型：不仅描述形体的几何信息，而且还描述其各部实体造型：不仅描述形体的几何信息，而且还描述其各部分之间的联系信息以及表面的哪一侧存在实体等信息。分之间的联系信息以及表面的哪一侧存在实体等信息。2.3.2 实体造型的概念实体造型的概念优点：优点：（1 1）全面完整地定义立体图形；）全面完整地定义立体图形；（2 2）可以自动计算物性、检测干涉、消隐和剖切形体。）可以自动计算物性、检测干涉、消隐和剖切形体。2.3.2 实体造型的概念实体造型的概念2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法实体造

4、型方法要求：实体造型方法要求：1)适应性适应性 2)完备性完备性 3)惟一性惟一性 4)近似性近似性 5)有效性有效性 6)存储性存储性常用的实体造型方法：常用的实体造型方法：扫动法、边界表示法、构造实体几扫动法、边界表示法、构造实体几何法、何法、体素调用法、空间点列法、单元分解法体素调用法、空间点列法、单元分解法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法扫动法扫动法：是通过将一个二维图形或一个形体沿某一路径扫是通过将一个二维图形或一个形体沿某一路径扫动产生新图形的一种表示模式。动产生新图形的一种表示模式。基体的定义基体的定义 基体扫动轨迹基体扫动轨迹 扫动方式：扫动方式：平移扫动平移扫动

5、扫动轨迹为直线扫动轨迹为直线旋转扫动旋转扫动 扫动轨迹为圆或圆弧扫动轨迹为圆或圆弧 2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法扫动法扫动法平移扫动平移扫动2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法扫动法扫动法旋转扫动旋转扫动2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法扫动法扫动法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法扫动法扫动法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法 边界表示法（边界表示法（B-repsB-reps）：）：是以形体表面的细节，即以顶是以形体表面的细节，即以顶点、边、面等几何元素及其相互间的连接关系来表示形体点、边、面等几何元素及其相互间的连接关系来表示形体的。的

6、。2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法边界边界表示表示法法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法边界边界表示表示法法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法边界表示边界表示法法边界表示法边界表示法 数据结构数据结构2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法边界表示法的优点边界表示法的优点2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法l便于图形的显示和输出。便于图形的显示和输出。l对物体的材质、比重、颜色等属性数据，比较容易处理。对物体的材质、比重、颜色等属性数据，比较容易处理。l转换成线框模型非常简单转换成线框模型非常简单l表达的物体无二义性表达的物体无二义性缺点缺点l边界表

7、示法不具惟一性边界表示法不具惟一性l数据量大，需要较大的存储空间。数据量大，需要较大的存储空间。l边界表示法的数据输入比较麻烦，须提供方便的用户界面边界表示法的数据输入比较麻烦，须提供方便的用户界面 构造实体几何法（构造实体几何法（CSGCSG）：）：这种方法把复杂的实体定义这种方法把复杂的实体定义为简单实体（体素）的组合。为简单实体（体素）的组合。使用布尔算子实现这种组合。使用布尔算子实现这种组合。构造实体几何法主要包括：构造实体几何法主要包括：体素的定义体素的定义 体素之间的组合（体素之间的组合（布尔运算布尔运算）2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法 构造实体几何法（构造实体几何法

8、（CSGCSG）：）：体素用参数化的方式表示，一般格式为：体素用参数化的方式表示，一般格式为：名称名称(形状参数，位置参数形状参数，位置参数)2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法布尔运算布尔运算布尔运算布尔运算构造实构造实体几何体几何法法（CSGCSG）2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法构造实构造实体几何体几何法法（CSGCSG）2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法构造实构造实体几何体几何法法（CSGCSG）2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法构造实体几何法（构造实体几何法（CSGCSG）的优点的优点2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法l 体素拼合是一

9、个集合运算过程；体素拼合是一个集合运算过程；l 运算结果依然是正则集：运算结果依然是正则集：l 表示一个复杂形体非常简洁，所定义的几何形状不易产生错表示一个复杂形体非常简洁，所定义的几何形状不易产生错误，用户输入的信息量少，描述物体的数据结构非常紧凑：误，用户输入的信息量少，描述物体的数据结构非常紧凑：缺点缺点l 为隐式模型，不反映物体的面、边、顶点等有关边界信息，为隐式模型，不反映物体的面、边、顶点等有关边界信息，也不显示说明三维点集与所表示物体的对应关系；也不显示说明三维点集与所表示物体的对应关系；l 进行拼合操作及最终显示物体时，还需将进行拼合操作及最终显示物体时，还需将CSG树这种数据

10、树这种数据结构转变为边界表示结构转变为边界表示(B-rep)的数据结构，为此在计算机内除了的数据结构，为此在计算机内除了存储存储CSG树外还应有一套数据结构存放体素的体树外还应有一套数据结构存放体素的体面面边信边信息。息。常用三种实体表示法的比较：常用三种实体表示法的比较：2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法l精度精度 支持高质量图形的系统经常使用含非多面体基本支持高质量图形的系统经常使用含非多面体基本体素的体素的CSG法和允许使用曲面的法和允许使用曲面的B-rep法法l适用范围适用范围 扫描法表示物体的范围是有限的，而扫描法表示物体的范围是有限的，而B-rep法法可用于表示许多种类的

11、物体。可用于表示许多种类的物体。l有效性有效性 所有的表示法中，所有的表示法中，B-rep法最难保证有效性，不法最难保证有效性，不仅顶点、边和表面可能不一致，而且面或边也可能交错。仅顶点、边和表面可能不一致，而且面或边也可能交错。但但CSG法只需对局部的语法作检查就可保证有效性。法只需对局部的语法作检查就可保证有效性。l封闭性封闭性 简单扫描法生成的物体布尔运算后常常不封闭，简单扫描法生成的物体布尔运算后常常不封闭，不适于描述物体内部。不适于描述物体内部。B-rep法布尔运算时也有封闭性的法布尔运算时也有封闭性的问题。问题。B-reps/CSGB-reps/CSG混合法混合法 B-repsB-

12、reps法在图形处理上有明显优势法在图形处理上有明显优势，根据根据B-repsB-reps数据可迅数据可迅速转换为线框模型，尤其在曲面造型领域，便于计算机处理、速转换为线框模型，尤其在曲面造型领域，便于计算机处理、交互设计与修改。此外，交互设计与修改。此外，B-repB-rep多面体系统在生成浓淡图时多面体系统在生成浓淡图时也有特点。但数据结构复杂。也有特点。但数据结构复杂。CSG CSG表示法在几何形体定义方面具有精确、严格的优点。表示法在几何形体定义方面具有精确、严格的优点。其数据结构比较简单。其数据结构比较简单。CSGCSG表示法模型误差很小。表示法模型误差很小。CSGCSG表示表示法在

13、形成产品模型方面具有优势。但其边界信息不完整，不法在形成产品模型方面具有优势。但其边界信息不完整，不能做局部修改。能做局部修改。B-repsB-reps（内部模型）和内部模型）和CSGCSG（外部模型）混合法外部模型）混合法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法体素调用法：这种表示模式采用规范化的几何形体及其形体素调用法：这种表示模式采用规范化的几何形体及其形状参数描述形体。状参数描述形体。2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法对这些规范对这些规范化的几何形化的几何形体作体作变比变比或或者定义不同者定义不同的的参数值参数值，将可产生不将可产生不同的形体。同的形体。空间点列法空间点列

14、法：这种表示模式将形体所在空间分割成具有固这种表示模式将形体所在空间分割成具有固定形状（如立方体）的、彼此相连的一系列单元，每个单定形状（如立方体）的、彼此相连的一系列单元，每个单元可用其形心坐标（元可用其形心坐标（x,y,zx,y,z）表示。表示。通过记录形体对单元的占据状态可描述形体的几何形状。通过记录形体对单元的占据状态可描述形体的几何形状。这种表示模式是坐标参数的有序集合，即空间点列。这种表示模式是坐标参数的有序集合，即空间点列。2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法单元分解法单元分解法：就是首先将形体分解为一些列单元，然后表就是首先将形体分解为一些列单元，然后表示这些单元及其相

15、互间的连接关系。示这些单元及其相互间的连接关系。单元分解法单元分解法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法2.3.3 常用实体造型方法常用实体造型方法l现在大多数系统都兼有现在大多数系统都兼有CSGCSG法、扫描法及法、扫描法及B-repB-rep法，这样一法，这样一来，实现这几种表示法之间数据结构上的转换就显得特别来，实现这几种表示法之间数据结构上的转换就显得特别重要。例如将重要。例如将CSGCSG法表示转换成法表示转换成B-repB-rep法表示要靠算法，但法表示要靠算法，但反向转换，即从反向转换，即从B-repB-rep法到法到CSGCSG法还不能实现。法还不能实现。l不断推出采用

16、多种表示法的新系统，以及研究表示法之间不断推出采用多种表示法的新系统，以及研究表示法之间相互转换的算法，依然是几何造型技术的重要研究内容。相互转换的算法，依然是几何造型技术的重要研究内容。实实例例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例 坯料坯料整体加载方案整体加载方案局部加载方案局部加载方案冲头冲头凹模凹模2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例2.3.4 实体造型举例实体造型举例流线露头流线露头2.3.4 实体造型举例实体造型举例