CN105354396B - 一种不同软件协同建模的几何比对方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同软件协同建模的几何比对方法，包括以下步骤：读取两个三维模型的几何拓扑信息；每个模型的几何拓扑信息中包括三维模型中所有几何面信息，通过等步长的面上采点法获取每个几何面的点云数据，从而分别构成两个模型的点云数据；通过主元分析法将两个模型的姿态对齐，对齐处理包括平移、旋转，不包括缩放；在模型点云姿态对齐后，通过点到点的最近点迭代法对两个三维模型点云进行精确配准；精确配准后，记录两个三维模型点云中不匹配的点，并将不匹配的点作为差异显示出来。本发明采用两个模型自动比对，避免了人工比对存在遗漏的问题，模型比对识别度稿，将不匹配的点作为差异显示出来，模型比对精确性更高。

Description

一种不同软件协同建模的几何比对方法
技术领域
本发明涉及三维CAD领域，尤其涉及基于异构平台的三维模型的建立方法。
背景技术
随着三维CAD技术的迅速发展，很多三维CAD软件已经在制造业、工程设计等领域广泛应用。设计者们在设计产品的数字模型时，通常使用不同的CAD软件进行协同建模，但设计者们在利用CAD软件设计产品时也面临新的问题，由于产品方案随时可能发生变更，随之三维模型的变更也不可避免。通常设计师在进行三维模型协同设计更改(这里的协同设计更改是指设计师导入他人的设计模型进行更改)时，通常采用“先改后记”和“边改边记”的方式，由于设计师习惯不同且工作量非常大，所以在实际设计过程中也暴露了以下几个问题：
1.难以避免漏记、错记，对一些关联变更无法估计。尤其是在更改信息量较多的大模型时，效率问题更加明显。虽然一些主流CAD软件(如Pro/E)提供了零件级的几何比较，但比较方式较为简单。如果几何完全相同的两个模型位置不同，Pro/E的几何比较会认为两个模型几何不同。所以Pro/E提供的几何比对无法满足设计者的需求。
2.因为设计师记录更改的方式是手工记录，所以工艺人员无法快速在模型上找到关联的更改点，且容易遗漏，需要大量时间与设计部门交流确认，严重影响工作效率，另一方面无法察觉关联尺寸等非直接变更导致的更改，这样生成的变更信息用于指导生成制造，势必影响整个产品质量。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种不同软件协同建模的几何比对方法，本发明研究了如何快速比较两个模型的几何差异：首先，通过等步长采点获取两个模型的点云数据；然后，利用主元分析法计算两个点云的特征向量从而获取点云的参考坐标系，计算两个点云参考坐标系的坐标变换，将两个点云调整到一致，即可实现点云的初始配准；最后，利用最近点迭代法对两个点云进行精确配准，记录配准后两个点云中的非重叠区域，可获取两个点云的几何差异区域。该方法建模更加快速、精确，更能满足现有技术人员的需求，且能用于目前主流CAD模型，如Pro/E、UG、CATIA、Solidworks等模型。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种不同软件协同建模的几何比对方法，包括以下步骤：
读取两个三维模型的几何拓扑信息；
每个模型的几何拓扑信息中包括三维模型中所有几何面信息，通过等步长的面上采点法获取每个几何面的点云数据，从而分别构成两个模型的点云；
通过主元分析法将两个模型点云的姿态对齐，对齐处理包括对点云的平移、旋转，不包括缩放；
在模型点云姿态对齐后，通过点到点的最近点迭代法对两个三维模型点云进行精确配准；
精确配准后，记录两个三维模型点云中不匹配的点，并将不匹配的点作为差异显示出来。
进一步的，获取三维模型的几何拓扑信息的方法有两种，一是直接通过三维模型所属CAD软件的二次开发接口获取；二是在三维模型所属CAD软件未提供二次开发接口的情况下，将三维模型文件转换成step格式，再按step标准获取模型几何信息。
进一步的，三维模型对齐的处理是采用主元分析寻找模型的三个主轴，原心是点云重心，通过平移和旋转将两个三维模型点云的原心和三个主轴调整到一致，达到初始配准。
更进一步的，对于每个三维模型，获取到点云数据后，利用点云数据构造协方差矩阵，然后使用Jacobi方法计算协方差矩阵的特征值和特征向量，求得的三个特征向量构成模型点云的参考坐标系，通过计算点云中所有点坐标的算术平均数获取点云重心坐标，将点云重心作为参考坐标系原心。
进一步的，精确配准后的差异显示应用OpenGL的显示库，先将两个原始三维模型显示出来，然后在两个原始三维模型上对存在差异的点云区域涂色。
进一步的，完成初始配准后，继续对两个三维模型点云进行精确配准，设两个三维模型点云数据如下：
S1＝{pi|pi∈R3，i＝1，2，...，M}，
S2＝{qj|qj∈R3，j＝1，2，...，N}，
其中，S1为一个三维模型的点云，pi为点云S1的任意一个点云数据，M为点云S1的点云数据的个数，S2为另一个三维模型的点云，qj为点云S2的任意一个点云数据，N为点云S2的点云数据的个数，R为实数集；
运用点到点的最近点迭代法进行精确配准的主要步骤如下:
步骤1：若pk∈S1，计算点云数据中的对应点qt∈S2，使||qt-pk||→min，以点集方式配准时，算法复杂度为O(MN)；pk为点云S1的一个点云数据；
步骤2：采用最优化解析方法计算旋转变换R1和平移变换T1，使得∑||R1qt+T1-pk||→min；
步骤3：利用R1和T1对S1进行变换，得到经过坐标转换后的点云Trans(S1)；
步骤4：当最小二乘误差不小于事先给定的阈值τ，τ＞0时返回到步骤1，直到最小二乘误差小于τ或迭代次数大于预设的最大值时，迭代终止。
本发明的有益效果：
1、本发明的基本原理是通过几何配准匹配两个模型点云的重叠部分，对不重叠区域中的点涂色，作为差异显示，避免了漏记、错记的技术问题，同时三维模型两两比对，效率更高。
2、本发明采用两个模型自动比对，避免了人工比对存在遗漏的问题，模型比对识别度稿，将不匹配的点作为差异显示出来，模型比对精确性更高。
附图说明
图1a-图1a’是两个几何不同的模型；
图1b-图1b’是初始配准后的两个模型，为方便查看，只显示旋转对齐，未显示平移对齐；
图1c-图1c’是精确配准后的两个模型差异显示效果；
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明提出的不同软件协同建模的几何比较方法，主要是找出两个三维模型的几何差异。参见图2，可用于比较相同或者不同CAD软件创建的两个模型，所述CAD软件包括Pro/E、UG、CATIA、Solidworks等。本发明的具体方法包括：
首先，如图1a-图1a’所示，要获取两个三维模型的几何拓扑信息，方法有两种，一是直接通过模型所属CAD软件的二次开发接口获取；二是在模型所属CAD软件未提供二次开发接口的情况下，将模型文件转换成step格式，再按step标准读取模型step文件中的几何信息。
然后，等步长对模型所有面进行采点，获取的点集作为模型点云数据。采点对象是模型的所有面。
通过主元分析法获取模型点云的参考坐标系，从而对模型进行姿态对齐，对齐处理包括平移、旋转，不包括缩放。
具体为：获取到点云数据后，利用点云数据构造协方差矩阵，然后使用Jacobi方法计算协方差矩阵的特征值和特征向量，求得的三个特征向量构成模型点云的参考坐标系。通过计算点云中所有点坐标的算术平均数获取点云重心坐标，将点云重心作为参考坐标系原心。
将两个点云的参考坐标系调整到一致，即可达到两个点云的初始配准，参见图1b-图1b’，为方便查看，图中只显示了两个参考坐标系的旋转对齐，未显示平移对齐。
完成初始配准后，继续对两个模型点云进行精确配准，设两个模型点云数据如下：
S1＝{pi|pi∈R3，i＝1，2，...，M}，
S2＝{qj|qj∈R3，j＝1，2，...，N}，其中，S1为一个三维模型的点云，pi为点云S1的任意一个点云数据，M为点云S1的点云数据的个数，S2为另一个三维模型的点云，qj为点云S2的任意一个点云数据，N为点云S2的点云数据的个数，R为实数集；
运用点到点的最近点迭代法即ICP算法进行精确配准的主要步骤如下:
步骤1：若pk∈S1，计算点云数据中的对应点qt∈S2，使||qt-pk||→min。这一步计算代价较大，以点集方式配准时，算法复杂度为O(MN)；
步骤2：采用最优化解析方法计算旋转变换R1和平移变换T1，使得∑||R1qt+T1-pk||→min；
步骤3：利用R1和T1对S1进行变换，得到经过坐标转换后的点云Tran(S1)；
步骤4：当最小二乘误差不小于事先给定的阈值τ，τ＞0时返回到步骤1，直到最小二乘误差小于τ或迭代次数大于预设的最大值时，迭代终止。
精确配准后的两个模型的点云会重叠在一起，记录不重叠的点作为几何差异显示出来，参见图1c-图1c’。
本发明的基本原理是通过几何配准匹配两个模型点云的重叠部分，对不重叠区域中的点涂色，作为差异显示。精确配准之后的两个点云距离在容差之外的点即不重叠区域中的点。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种不同软件协同建模的几何比对方法，其特征是，包括以下步骤：
读取两个三维模型的几何拓扑信息；
每个模型的几何拓扑信息中包括三维模型中所有几何面信息，通过等步长的面上采点法获取每个几何面的点云数据，从而分别构成两个模型的点云；
通过主元分析法将两个模型点云的姿态对齐，对齐处理包括对点云的平移、旋转，不包括缩放；
在模型点云姿态对齐后，通过点到点的最近点迭代法对两个三维模型点云进行精确配准；
精确配准后，记录两个三维模型点云中不匹配的点，并将不匹配的点作为差异显示出来；
获取三维模型的几何拓扑信息的方法有两种，一是直接通过三维模型所属CAD软件的二次开发接口获取；二是在三维模型所属CAD软件未提供二次开发接口的情况下，将三维模型文件转换成step格式，再按step标准获取模型几何信息；
三维模型对齐的处理是采用主元分析寻找模型的三个主轴，原心是点云重心，通过平移和旋转将两个三维模型点云的原心和三个主轴调整到一致，达到初始配准；
对于每个三维模型，获取到点云数据后，利用点云数据构造协方差矩阵，然后使用Jacobi方法计算协方差矩阵的特征值和特征向量，求得的三个特征向量构成模型点云的参考坐标系，通过计算点云中所有点坐标的算术平均数获取点云重心坐标，将点云重心作为参考坐标系原心；
完成初始配准后，继续对两个三维模型点云进行精确配准，设两个三维模型点云数据如下：
S1＝{pi|pi∈R3，i＝1，2，...，M}，
S2＝{qj||qj∈R3，j＝1，2，...，N}，
其中，S1为一个三维模型的点云，pi为点云S1的任意一个点云数据，M为点云S1的点云数据的个数，S2为另一个三维模型的点云，qi为点云S2的任意一个点云数据，N为点云S2的点云数据的个数，R为实数集；
运用点到点的最近点迭代法进行精确配准的主要步骤如下：
步骤1：若pk∈S1，计算点云数据中的对应点qt∈S2，使||qt-pk||→min，以点集方式配准时，算法复杂度为O(MN)；pk为点云S1的一个点云数据；
步骤2：采用最优化解析方法计算旋转变换R1和平移变换T1，使得∑||R1qt+T1-pk||→min；
步骤3：利用R1和T1对S1进行变换，得到经过坐标转换后的点云Trans(S1)；
步骤4：当最小二乘误差不小于事先给定的阈值τ，τ＞0时返回到步骤1，直到最小二乘误差小于τ或迭代次数大于预设的最大值时，迭代终止。
2.如权利要求1所述的一种不同软件协同建模的几何比对方法，其特征是，精确配准后的差异显示应用OpenGL的显示库，先将两个原始三维模型显示出来，然后在两个原始三维模型上对存在差异的点云区域涂色。
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