视触觉结合的雕塑形体快速造型设计

复杂形体是工业设计、艺术设计、陶瓷设计中常见对象,可采用NURBS(非均匀有理B样条)曲面、细分曲面、隐式曲面等加以描述,但对其成形过程目前尚无有效的数字设计工具.人们认识、改变外在事物时,主要利用视觉与触觉的感官功能,通过手眼协调设计出新的事物.现有的数字设计系统大多是基于形体数学描述方式的系数调整,缺乏直观性、易用性.提出了、实现一套视觉与触觉相结合数字设计系统,以数码相机和触觉系统为工具,快速实现复杂形体的数字建模.详述了系统原理及组成,并给出了设计实例,验证了方法的有效性.     

非流形曲面Loop细分研究

工业产品几何造型技术的发展要求，以及代数拓扑学复形等概念引入到几何造型中，因此产生了非流形几何造型理论。参数曲面造型所表示的物体复杂性受到限制，细分造型计算简单，可以表达任意拓扑关系，目前在图形学中已得到广泛研究并在三维建模、计算机动画中得到广泛应用。本文介绍了扩展实现Loop细分算法，使之能应用于非流形曲面，并相应提出了一种简易的基于三角形控制网格的数据结构。     

非均匀Doo-Sabin细分曲面的尖锐特征构造

为进一步增强细分技术的特征造型能力,从修改细分规则的角度提出非均匀Doo-Sabin细分曲面的尖锐特征构造方法。根据基于非均匀Doo-Sabin细分方法的曲线插值理论,分析推导了控制网格中特征面细分的几何规则,并对细分极限曲面在特征附近的连续性进行了分析。在节点距大于零、所有面片边数及所有顶点价均小于11的情况下,细分极限曲面具有分片G1连续性。该方法既可以表示具有各种尖锐特征的任意拓扑复杂曲面,所构造的边界、折痕可以为一般二次NURBS曲线,同时还可以借助加权细分精确构造球面、柱面等一些常用二次曲面。     

基于任意拓扑曲线网的曲面造型技术研究

插值由特征曲线组成的曲线网是最常用的曲面建模思路,而从简单矩形拓扑曲线网到任意拓扑曲线网的扩展不仅增强了曲面设计自由度,而且提高了曲面设计效率。以曲线网建模过程为序,介绍了任意拓扑曲线网的创建和编辑、插值曲面的构造以及曲线网建模系统研究等技术的研究现状,分析了Bezier和NURBS曲面、Gregory曲面片和细分曲面在曲线网插值中的应用特点,指出了今后研究的重点。     

采用NURBS进行汽车壳体计算机拟实造型的方法

NURBS建模方法是一种理想的曲面仿真技术，适合复杂表面的计算机拟实造型。通过新型跑车外观壳体的仿真制作，介绍了该方法的实施步骤，其简便的造型过程、灵活的控制方式、突出的仿真效果将新型跑车流线型外表展现无遗。NURBS建模方法比其他建模方法能更好地控制物体表面曲线度，从而可以创建出曲面更为复杂、形状更为生动、效果更为逼真的造型，必将在CAD和CAM领域获得广泛应用。     

复杂曲面的逆向造型设计及多轴联动加工

基于逆向工程技术及CAD/CAM技术的平台,针对某一工艺品的点云模型文件,利用逆向工程软件Geomagic完成复杂曲面的NURBS曲面三维造型并进行误差分析。根据该复杂曲面零件的结构特点,合理制定加工工艺,运用UG软件生成多轴加工刀具轨迹及数控加工代码。最终经Vericut软件构建的双摆台五轴机床验证了数控程序的正确性。研究表明,利用逆向造型软件对复杂曲面产品进行NURBS曲面重构,结合CAD/CAM技术,不仅能高效地对复杂曲面产品进行二次设计,从而大大缩短产品开发周期,而且也能为复杂曲面零件的仿制加工提供依据。     

基于测量的自由曲面造型与虚拟表示系统的研究

基于自由曲面的测量,通过对测量获取的曲面数据,应用NURBS造型方法对自由曲面进行造型.同时研究了应用OpenGL技术对自由曲面造型中的曲面模型进行虚拟图形表示,开发了一个实用的自由曲面造型系统.该系统主要由曲面模拟模块、数据输入模块、交互修改模块、图形仿真模块及曲面点信息分析模块等组成,讨论了应用于该系统的一些图形技术.     

NURBS技术在地铁车辆车身曲面造型设计研究

简述非均匀有理B样条曲线、曲面在车辆外形设计中的应用方法,推导了基于物理模型的曲线曲面构建方法,进而获得了产品造型所要求的曲面,并在CAD领域的工程实际应用中进行了探索。实践表明,应用NURBS曲面使产品造型设计者能随心所欲地实现自己的设计意图。     

反求工程中实物测量数据补缺及重构技术

复杂曲面反求工程建模是目前 CAD领域的热门研究课题之一 ,通用 CAD/ CAM软件还不能很好地解决这个问题。尤其是一些带凹边、孔或槽等特征的复杂自由曲面零件的 NURBS曲面重构 ,在实际 CAD建模过程中更是耗时、费力。本文针对这类反求工程 CAD建模问题。提出了对实物零件进行人工局部补缺和通过专门软件对数字模型进行补缺的复合数据预处理方法 ;基于三角曲面模型 ,研究了复杂曲面零件的分区 NURBS曲面重构。利用反求工程软件 RE- SOFT,解决了有关零件的反求工程 CAD建模 ,大大缩短了实物样件的反求设计和建模时间 ,提高了复杂曲面产品的设计效率     

NURBS在风机设计中的应用

风机叶片的表面是一种复杂曲面，用传统造型方法难以取得良好效果，而NURBS(非均匀有理B样条)以其诸多优良特性正日益成为一种工业标准。首先介绍了NURBS的数学定义，然后针对风机叶片的造型设计，讨论了用NURBs方法构造曲面的插值算法。     

A reconstruction method using geometric subdivision and NURBS interpolation

Subdivision surfaces (SubD, NURSS) construction is a popular method to present and animate sculpture shapes for entertainment, and this is preferred due to advantage of polygon mesh. But subdivision surfaces have limited familiarity and portability in modern CAD, unlike NURBS-based entities. NURBS-based sculpting using dense point cloud data obtained through geometric subdivision has been so far a less discussed topic. The current work discusses the new methodology of using geometric subdivision and NURBS interpolation with an aim to add a new dimension to reverse engineering. This has distinct advantages like accurate shape building using scanned data, manufacturing ability of complex shapes, faster and accurate shape representation with high quality surfaces, model portability, and a better control on object shape and better patch-planning. Major milestones of the work are bridging the geometric subdivision and NURBS reconstruction on subdivided data, NURBS patch and topology planning (straight and PDPA scan), construction of trimmed NURBS surfaces and, finally, writing IGES of resultant patches. The work is a high-level automation solution for complex constructions. It is applied on human head-scan data and results are displayed.     

面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化

针对当前连续体结构优化所面临的有限元模型与CAD模型转换困难,产品设计意图和结构工艺在优化过程中难以保持等问题,研究了面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化方法。通过分析CAD几何表达和CAE网格划分特点,采用欧拉网格和扩展有限元法,建立面向结构优化的CAD/CAE模型融合机制;而后基于连续体物质导数,推导了CAD直接建模操作敏度,驱动CAD实体模型进行结构形状与拓扑优化。在此基础上,针对操作敏度量纲不一致问题,采用速度场均匀化方法,修正操作敏度,以提高优化收敛效率。通过三维CAD实体模型结构优化实例,验证了上述方法的可行性和求解效率。     

3~(1/2)互细分曲面的误差分析

针对细分控制网格与细分极限曲面的逼近度这一问题,基于细分控制网格的拓扑结构和细分模式的几何规则,提出一种3~(1/2)细分曲面的误差估计方法并给出一个误差估计公式。利用该公式,根据给定的精度,可事先知道细分之后控制网格满足该精度的最少细分次数而不需要实际对一个模型细分。结合该误差估计方法,给出一种3~(1/2)细分曲面数控加工刀具轨迹生成方法和一种用于直接在STL文件基础上提高精度的方法。试验结果表明这种误差估计方法的有效性。     

基于三角曲面的逆向工程CAD建模方法

根据目前逆向工程CAD建模中存在的问题，提出一种基于三角Bezier曲面模型初始表达的跨平台产品逆向工程CAD建模策略，既能利用三角Bezier曲面的优势，又能有效地与通用CAD软件集成。对涉及产品逆向建模方案、数字化测量规划、实际建模过程和再创新设计等具体内容进行了详细阐述，并结合具体实例说明了该方法的可行性和有效性。     

任意拓扑三角网格模型的Loop细分曲面重建系统

提出一种从任意拓扑密集的三角网格模型拟合Loop细分曲面系统，包含对原网格模型进行特征识别，把保持了原有特征的简化网格和拓扑优化所获得的网格作为拟合初始控制网格。系统通过对控制网格顶点的循环修正和局部自适应细分来求解最终拟合细分曲面控制网格，避免了求解线性方程组，提高了拟合曲面的质量，实现了在给定精度下用较少的控制网格反映物体细节特征的分片光滑（片内除奇异点C^1外其余C^2连续）的Loop细分曲面重建。实例表明，Loop细分曲面重建系统对于任意拓扑海量三角网格测量数据的细分曲面重建是高效可行的。     

基于STEP中性文件的有限元自动建模

直接利用CAD系统的几何造型 ,以STEP中性文件为CAD造型系统与有限元单元剖分系统间的几何和拓朴信息传递媒介 ,实现有限元单元的自动剖分。按STEP/AP2 0 3的语义模型提取STEP中性文件中三维形体的表面信息 ,将该形体的每个表面映射到二维参数平面 ;利用参数平面的边界数据和二维单元自动剖分模块 ,用推进波前法实现表面网络的自动生成 ;然后由表及里实现三维实体单元的生成 ,系统基于STEP中性数据文件 ,可以与多个流行的CAD系统实行连接。     

Complete 3D surface reconstruction from unstructured point cloud

In this study, a complete 3D surface reconstruction method is proposed based on the concept that the vertices of surface model can be completely matched to the unstructured point cloud. In order to generate the initial mesh model from the point cloud, the mesh subdivision of bounding box and shrink-wrapping algorithm are introduced. The control mesh model for well representing the topology of point cloud is derived from the initial mesh model by using the mesh simplification technique based on the original QEM algorithm, and the parametric surface model for approximately representing the geometry of point cloud is derived by applying the local subdivision surface fitting scheme on the control mesh model. And, to reconstruct the complete matching surface model, the insertion of isolated points on the parametric surface model and the mesh optimization are carried out. Especially, the fast 3D surface reconstruction is realized by introducing the voxel-based nearest-point search algorithm, and the simulation results reveal the availability of the proposed surface reconstruction method.     

基于网格分割的自适应细分曲面算法研究

细分曲面中，随着对模型细分次数的增多，模型的面片数迅速增长，巨大的数据量加大了模型后处理的难度。为此，结合网格分割技术，提出了一种自适应细分曲面算法。该算法利用控制网格每个顶点与其对应的极限位置之间的欧氏距离不同、采用K-均值算法和区域合并技术对控制网格进行分割，随后对用户指定的网格区域或不满足精度的区域进行局部自适应细分。实验结果表明，该算法在给定精度范围内，有效地以相对较少的面片数获得了理想光滑的细分曲面，且大大提高了模型的后处理速度。     

给定精度条件下的Catmull-Clark细分曲面求交研究

细分曲面由于没有整体解析表达式,与参数、隐式曲面相比求交更加困难。针对基于平面四边形网格的Catmull-Clark细分曲面,在给定精度条件下,把对细分曲面的求交转化为对一定细分层次控制网格的求交:首先构造两张控制网格上相交四边形网格带及其1-邻域网格带,然后不断细分相交四边形网格带及其1-邻域网格带,提高求交精度,其次求解出相交四边形网格的交点,并根据拓扑关系将其顺序连接起来既得到两细分曲面之间的相交曲线,实现了细分曲面的求交。