專利名稱：體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及區(qū)分由包含1介質(zhì)或2介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的、未必封閉的邊界數(shù)據(jù)隔開的空間的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序。
背景技術(shù)：
在研究開發(fā)、技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)場，使用CAD(Computer AidedDesign計算機輔助設(shè)計)、CAM(Computer Aided Manufacturing計算機輔助制造)、CAE(Computer Aided Engineering計算機輔助工程)、CAT(Computer Aided Testing計算機輔助測試)等，分別作為設(shè)計、加工、分析、試驗的輔助手段。
另外，將連續(xù)進行不同的模擬或使模擬結(jié)果與加工工藝聯(lián)動，使這些操作共有1個體數(shù)據(jù)來進行等的方法也正在得到普及。
在上述的傳統(tǒng)的模擬方法中，對象物的邊界面具有重要含意，例如廣泛進行用邊界表現(xiàn)對象物而邊界面內(nèi)部作同樣處理的方法。這時，需要判定是二維或三維的邊界面的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)的內(nèi)外判定方法。
作為傳統(tǒng)的內(nèi)外判定方法，公知有(1)光線交叉法(非專利文獻1)；(2)利用邊界跟蹤的區(qū)域生長(擴展)法(非專利文獻2)；(3)圖像處理中的光柵跟蹤(非專利文獻2)；(4)多方向跟蹤(非專利文獻2)；(5)Curless的方法(非專利文獻3)；(6)使用八分儀的Szeliski的方法(非專利文獻4)或Pulli的方法(非專利文獻5)；以及(7)非專利文獻6、7及專利文獻1～3。另外，公開了本發(fā)明的同一申請人的關(guān)聯(lián)專利文獻4～7。
非專利文獻1J.O′Rourke，″Computational geometry in C secondedition″，p.246，Cambridge University Press，1998.
非專利文獻2Rosenfeld & Kak長尾譯，“數(shù)字圖像處理”，近代科學(xué)社，pp.332～357)非專利文獻3B.Curless and M.Levoy，″A volumetric method forbuilding complex models from range images.″，In Proceedings ofSIGGRAPH′96，pages 303-312，August 1996)非專利文獻4R.Szeliski.″Rapid octree construction from imagesequences.″非專利文獻5K.Pulli，T.Duchamp，H.Hoppe，J.McDonald，L.hapiro，W.Stuetzle.，″Robust meshes from multiple range maps.″Proceedings of International Conference on Recent Advances in 3-DDigital Imaging and Modeling，May 1997，pages 205-211.
非專利文獻6米川、小堀、久津輪，“使用空間分割模型的造型器”信息處理學(xué)會雜志，Vol.37，No.1，pp.60-69，1996非專利文獻7森本、山口，“遞歸空間分割法和局部空間分類，自交叉及向有重疊的曲線的擴展”，信息處理學(xué)會論文集，Vol.37，No.12，Dec.1996非專利文獻8Weiler，K.，The radial-edge structureA topologicalrepresentation for non-manifold geometric boundary representations，InGeometric Modeling for CAD Applications，North-Holland，(1988)，pp.3-36.
非專利文獻9Cavalcanti，P.R.，Carvalho，P.C.P.，and Martha，L.F.，Non-manifold modelingan approach based on spatialsubdivision，Computer-Aided Design，29(3)，(1977)，pp.209-220.
專利文獻1日本特開平8-96025號公報，“圖形處理方法及裝置”
專利文獻2日本特開平8-153214號公報，“三維正交格子數(shù)據(jù)的生成方法”專利文獻3日本特開2003-44528號公報，“物體的表面格子生成方法”專利文獻4日本特許第3468464號公報，“將形狀與物性統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)生成方法”專利文獻5日本特開2003-330976號公報，“邊界數(shù)據(jù)的內(nèi)外判定方法及其程序”專利文獻6國際公開第03/048980號小冊子，“三維形狀數(shù)據(jù)到胞腔內(nèi)部數(shù)據(jù)的變換方法及變換程序”專利文獻7國際公開第03/073335號小冊子，“邊界數(shù)據(jù)到胞腔內(nèi)形狀的變換方法及變換程序”非專利文獻1公開的光線交叉法(Ray crossings method)中，通過從有輸入邊界面時的點發(fā)射的光線(半直線)與邊界的交點是偶數(shù)還是奇數(shù)，若為偶數(shù)則判斷光線的視點為物體外部，若為奇數(shù)則判斷為物體內(nèi)部。
但是該方法在光線偶爾與邊界相切時，成為重根，因而本來應(yīng)存在2個的交點成為一個而不能適用，存在邊界信息有不完備(CAD數(shù)據(jù)等在用不同軟件讀取時表現(xiàn)方式會有不同或會因數(shù)值誤差而產(chǎn)生數(shù)據(jù)的遺漏)時也不能適用的問題。
采用僅供給邊界信息的圖像處理中的邊界跟蹤的區(qū)域生長(擴展)法，例如非專利文獻2、8、9中所公開的，但存在因處理涉及整體而較慢、表面信息不完備時不能準確識別等的問題。
圖像處理中的光柵跟蹤公開于非專利文獻2，一邊沿著X軸等坐標軸掃描胞腔一邊跟蹤邊界或嵌入邊界的區(qū)域，但是在將不完備(未成為閉曲面)的邊界信息設(shè)為經(jīng)量化的圖像時依然不能準確識別。
作為避免該情況的方法有多方向跟蹤(非專利文獻2)方法，但效率較低。
在逆求工程(根據(jù)測定點群重建表面信息的方法)領(lǐng)域中的Curless方法，是利用有規(guī)則地排列的測定點和向測定對象的多個攝像機的方向等外部信息，在整個場定義基于距離的隱函數(shù)，重建表面信息的可靠的方法，公開于非專利文獻3。
但是Curless方法中，必須進行全部胞腔的距離場計算，在這一點上存在數(shù)據(jù)量和計算時間的缺點。另外，還提出了比胞腔的尺寸薄的結(jié)構(gòu)或在銳角的面上不能正確計算距離函數(shù)等的精度上的問題。這在識別中也會導(dǎo)致誤判斷。
使用八分儀的Szeliski方法(非專利文獻4)或Pulli方法(非專利文獻5)也是將若干取得的對象的程距數(shù)據(jù)(距離數(shù)據(jù))和空間用八分儀分割的胞腔的關(guān)系分為內(nèi)部、外部、邊界這3個類重建邊界的方法。在這些方法中，在各胞腔采用射影(projection)操作，因此存在處理復(fù)雜、花費時間的問題，甚至有射影操作中的計算不穩(wěn)定的問題。
在非專利文獻6公開的方法中，通過外、邊界、內(nèi)這三類胞腔，結(jié)果只能表現(xiàn)2介質(zhì)。另外，存在僅為形狀表現(xiàn)且無物性值的問題。
在非專利文獻7公開的方法是以輸入、分支等為對象的內(nèi)外判定法，但限定為二維且連續(xù)、有界。另外，雖然使用有向曲線，但存在不能適用于多介質(zhì)、三維、不連續(xù)的問題。
另外，專利文獻1～3僅對應(yīng)于2介質(zhì)而不能對應(yīng)于1介質(zhì)也不能對應(yīng)于3以上的多介質(zhì)，且不能對應(yīng)于復(fù)雜的表面數(shù)據(jù)。
另外，在本發(fā)明申請人的專利文獻4～7全部與多介質(zhì)對應(yīng)，但存在以下問題(1)因復(fù)雜形狀的邊界造成多介質(zhì)的所屬空間區(qū)分的困難；(2)對于作為專利文獻4中提出的體數(shù)據(jù)而處理的輸入對象(邊界數(shù)據(jù))有限制。
換句話說，當完全封閉的整體即2流形為邊界數(shù)據(jù)時，即使多介質(zhì)也能處理，但是從1個邊分支出多個面的邊界數(shù)據(jù)或開了孔或中途斷開的邊界數(shù)據(jù)即面的分支、孔、開殼、僅1介質(zhì)或3介質(zhì)以上的多介質(zhì)等的邊界為非流形時的處理有困難。
還有，在本發(fā)明中流形、非流形為二維邊界，立體、體、介質(zhì)、所屬空間為三維區(qū)域。
本發(fā)明為解決上述問題構(gòu)思而成。即，本發(fā)明目的是提供能夠以完全封閉的整體即2流形的邊界數(shù)據(jù)的外和內(nèi)的2介質(zhì)以及包含具有開殼的邊界的1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔等的非流形的邊界數(shù)據(jù)為輸入對象進行處理，且可將由它們隔開的空間高速且可靠地區(qū)分的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序。
換言之，本發(fā)明的目的是提供按區(qū)分的每個空間附加不同的材料(介質(zhì))信息作為VCAD數(shù)據(jù)(體數(shù)據(jù))，并使各種模擬聯(lián)動/連續(xù)，并可利用附加了該信息(按時序變化)的體數(shù)據(jù)進行加工、與實物比較、評價等的檢查的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明，提供一種體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于利用計算機，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計算機輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號，通過空間編號壓縮部件，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號。
另外，依據(jù)本發(fā)明，提供一種體數(shù)據(jù)的胞腔標號程序，其特征在于利用計算機執(zhí)行以下步驟取得由對象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)的外部數(shù)據(jù)取得步驟；將所述外部數(shù)據(jù)輸入到計算機的外部數(shù)據(jù)輸入步驟；將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔的胞腔分割步驟；將分割后的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔的胞腔區(qū)分步驟；對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號的空間區(qū)分步驟；以及將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號的空間編號壓縮步驟。
依據(jù)上述本發(fā)明的方法及其程序，通過胞腔分割部件(胞腔分割步驟)，將全部外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔，并將由胞腔區(qū)分部件(胞腔區(qū)分步驟)分割的各胞腔區(qū)分為邊界胞腔和非邊界胞腔，因此即使外部數(shù)據(jù)為包含3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形，也必定區(qū)分為邊界胞腔或非邊界胞腔。
另外，由于長方體胞腔比原邊界數(shù)據(jù)大，因此通過將僅包含邊界數(shù)據(jù)的一部分(例如1點)的胞腔設(shè)為邊界胞腔，邊界數(shù)據(jù)必定包含于邊界胞腔。
而且，通過空間區(qū)分部件(空間區(qū)分步驟)，對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號，并通過空間編號壓縮部件(空間編號壓縮步驟)將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號，因此即使外部數(shù)據(jù)為包含1介質(zhì)的開殼、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔等的非流形，也可照樣設(shè)定為不同的空間編號。
因而，本發(fā)明的方法及其程序能夠以完全封閉的整體即2流形為邊界的外和內(nèi)的2介質(zhì)，以及包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為輸入對象(邊界數(shù)據(jù))進行處理。
依據(jù)本發(fā)明的理想實施例，通過所述空間區(qū)分部件，(A)當胞腔為非邊界胞腔時，設(shè)定單一的空間編號，(B)當胞腔為邊界胞腔時，設(shè)定邊界數(shù)據(jù)將邊界胞腔的棱在該胞腔內(nèi)切斷的切斷點和僅在連接該切斷點的邊上連接的單一或多個切斷三角形，有切斷點而無切斷三角形時，設(shè)定單一的空間編號，有在邊上連接的多個切斷三角形時，對所有切斷三角形依次實施探索共有邊且面形成的角度為最小的切斷三角形的環(huán)探索方法。
依據(jù)該方法，當存在邊上連接的多個切斷三角形時，也可對以各切斷三角形隔開的每個空間高速且可靠地設(shè)定不同的空間編號。因而，即使胞腔數(shù)n較大時，由于胞腔單位的處理成為基準，因此處理時間也僅為O(n)量級(與n成比例)，可高速處理。
另外，計算步驟簡單，其程序化或向計算機的安裝也簡單。而且，以邊界胞腔隔開的多個空間被賦予不同的空間編號，因此減少不同空間分類為一個空間的可能性，也可適用于能夠表現(xiàn)多介質(zhì)的空間。
通過所述環(huán)探索方法，根據(jù)由對構(gòu)成切斷三角形的背面與表面這2面帶方向邊的環(huán)來確定的其法線矢量所指的半空間，從而設(shè)定有介質(zhì)存在的空間的編號。另外，通過所述環(huán)探索方法，依次探索共有邊且邊的方向相反的2個以上的切斷三角形，最終設(shè)定由到達開始的切斷三角形而封閉的邊界包圍的空間的編號。
采用該方法，不是胞腔頂點而是使邊界數(shù)據(jù)(胞腔內(nèi)面)的表面與背面直接具有所屬空間，從而即使因多個計算機或用戶而分散的環(huán)境也可通過胞腔高速取得并利用介質(zhì)或各種屬性(的所屬空間)。
另外，最好對各胞腔用所述環(huán)探索方法逐次處理或并行分散處理。
通過該方法，可比最接近本發(fā)明的非專利文獻8、9高速且可靠地進行處理。
另外，通過所述胞腔分割部件，最好將長方體胞腔以八分儀分割來再分割，直到得到可重建構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素的充分的切斷點，或直到使用者任意確定的次數(shù)。
采用該方法，由八分儀分割來可適用于VCAD數(shù)據(jù)。
所述空間區(qū)分部件通過對X、Y、Z這3個方向依次重復(fù)或遞歸處理，依次掃描所述長方體胞腔的全部。
在Voxel數(shù)據(jù)時，通過對X、Y、Z這3個方向依次重復(fù)，而在VCAD數(shù)據(jù)時，通過遞歸處理，能夠進行將長方體胞腔全部依次無遺漏地掃描。
所述外部數(shù)據(jù)包含對象物及包圍它的物性值，最好使所述空間區(qū)分部件設(shè)定的空間編號與該物性值相關(guān)聯(lián)。
依據(jù)上述本發(fā)明的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序，能夠以完全封閉的整體即2流形為邊界的外、內(nèi)2介質(zhì)，以及包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為輸入對象(邊界數(shù)據(jù))進行處理，且可將由它們隔開的空間高速且可靠地區(qū)分。
因而，對區(qū)分后的每個空間附加不同的材料(介質(zhì))信息作為VCAD數(shù)據(jù)(體數(shù)據(jù))，并可聯(lián)動/連接各種模擬，利用附加了該信息(也包含時序變化)的體數(shù)據(jù)，進行加工或與實物的比較、評價等的檢查。
從而，可在(1)結(jié)構(gòu)分析、大變形分析、熱/流體分析、流動分析、去除加工、附加加工、變形加工的模擬；(2)人體等生物和人造物混合存在環(huán)境的模擬、檢查、對人造物的設(shè)計、加工；(3)混合地殼或建筑物等的自然物與人造物時的設(shè)計、分析、加工、組裝、檢查等各式各樣情況下應(yīng)用。


圖1是執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的胞腔標號方法的流程圖。
圖3是專利文獻6中公開的邊界面的例。
圖4是圖2的空間區(qū)分部件D的流程圖。
圖5是選定共有邊且面所成角度最小的切斷三角形的環(huán)探索方法的說明圖。
圖6是表示作為對象的三角形與同順序三角形所形成角的關(guān)系示圖。
圖7是角度θ與sinθ、cosθ、tanθ之間的關(guān)系圖。
圖8是表示各區(qū)間的判斷方法的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖就本發(fā)明的最佳實施方式進行說明。
本發(fā)明的發(fā)明人先創(chuàng)造“將形狀與物性統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)生成方法”并專利申請(專利文獻4)。該方法是可將形狀與物性統(tǒng)一的實體數(shù)據(jù)以小存儲容量存儲，從而，將物體的形狀、結(jié)構(gòu)、物性信息、履歷一元化管理，并可將從設(shè)計到加工、組裝、測試、評價等一系列的工序相關(guān)數(shù)據(jù)用相同的數(shù)據(jù)管理，并可將CAD與模擬一元化的實體數(shù)據(jù)的存儲方法。將該方法的數(shù)據(jù)稱為“V-CAD數(shù)據(jù)”或“體數(shù)據(jù)”，將采用該數(shù)據(jù)的設(shè)計或模擬稱為“體CAD”或“V-CAD”。
本發(fā)明的胞腔標號方法特別適合適用于體數(shù)據(jù)。
首先說明本發(fā)明中的用語。
當存在作為輸入的邊界(表面)數(shù)據(jù)時，將Voxel或八分儀的八分區(qū)等的三維空間的長方體的表面及其內(nèi)部的區(qū)域稱為“胞腔(cell)”，對于胞腔而言，使表面信息保持時的胞腔稱為“邊界胞腔(boundary cell)”，不具有表面信息的胞腔稱為“非邊界胞腔(non-boundary cell)”(專利文獻4中“內(nèi)部胞腔(inner cell)”)。
換言之，邊界胞腔在構(gòu)成胞腔的胞腔內(nèi)部及胞腔邊界即面、棱、頂點中的哪一個上存在與輸入邊界數(shù)據(jù)的交點，不是這樣的胞腔均為非邊界胞腔。相鄰的胞腔之間不論其種類僅共有胞腔邊界。作為邊界具有2流形的、三維的內(nèi)部充滿的物體稱為“空間”。當各空間彼此不連接時作為不同的空間而給予不同的空間編號加以識別。因而是指由閉曲面表現(xiàn)的邊界(表面)所包圍的部分(點集合)，在現(xiàn)實世界中用作限定相同材料的物體的單位。反之，將區(qū)分不同空間的邊界稱為“邊界(boundary與數(shù)學(xué)上使用的邊界相同定義)”或“表面”。
圖1是執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。如該圖所示，該CAD裝置10具備外部數(shù)據(jù)輸入部件部件2、外部存儲裝置3、內(nèi)部存儲裝置4、中央處理裝置5及輸出裝置6。
外部數(shù)據(jù)輸入部件部件2例如為鍵盤，輸入由對象物的邊界表現(xiàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)。外部存儲裝置3為硬盤、軟盤、磁帶、小型盤等，其中存儲將形狀與物理量統(tǒng)一的體數(shù)據(jù)及其生成程序。內(nèi)部存儲裝置4例如為RAM、ROM等，保管運算信息。中央處理裝置5(CPU)集中處理運算或輸入/輸出等，與內(nèi)部存儲裝置4一起執(zhí)行程序。輸出裝置6例如為顯示裝置和打印機，將存儲的體數(shù)據(jù)與程序的執(zhí)行結(jié)果輸出。
中央處理裝置5、內(nèi)部存儲裝置4及外部存儲裝置3共同作為后述的外部數(shù)據(jù)取得部件、外部數(shù)據(jù)輸入部件、胞腔分割部件、胞腔區(qū)分部件、空間區(qū)分部件及空間編號壓縮部件而起作用。
從外部輸入的外部數(shù)據(jù)是表示多面體的多邊形數(shù)據(jù)、用于有限元法的四面體或六面體要素、用于三維CAD或CG工具的曲面數(shù)據(jù)、或其它的將立體的表面用部分的平面或曲面構(gòu)成的信息表現(xiàn)的數(shù)據(jù)。
外部數(shù)據(jù)除了可為這樣的數(shù)據(jù)(稱為S-CAD數(shù)據(jù))以外，也可為(1)通過V-CAD獨自的接口(V-interface)由人輸入而直接作成的數(shù)據(jù)；(2)測定機、傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器等的表面的數(shù)字化數(shù)據(jù)；或者(3)CT掃描儀或MRI及具有一般用于體繪制的Voxel等的內(nèi)部信息的體數(shù)據(jù)。
圖2是在計算機裝載的本發(fā)明的胞腔標號方法的流程圖。如該圖所示，本發(fā)明的方法是從外部數(shù)據(jù)取得S1到形成V-CAD數(shù)據(jù)14(或體數(shù)據(jù))為止的處理，由外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D及空間編號壓縮步驟E構(gòu)成。將從外部數(shù)據(jù)輸入步驟A到空間編號壓縮步驟E為止的步驟稱為體數(shù)據(jù)形成步驟S2。
另外，如該圖所示，接著體數(shù)據(jù)形成步驟S2，通常進行模擬步驟S3及輸出步驟S4，整體上進行使用計算機的結(jié)構(gòu)分析、大變形分析、熱/流體分析、流動分析、去除加工、附加加工或變形加工的模擬處理。
還有，以下將在外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、體數(shù)據(jù)形成步驟S2(外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D、空間編號壓縮步驟E)、模擬步驟S3及輸出步驟S4中進行的各處理分別稱為外部數(shù)據(jù)取得步驟S1、體數(shù)據(jù)形成步驟S2(外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D、空間編號壓縮步驟E)、模擬步驟S3及輸出步驟S4。
另外，本發(fā)明的胞腔標號程序是用以實施外部數(shù)據(jù)輸入步驟A、胞腔分割步驟B、胞腔區(qū)分步驟C、空間區(qū)分步驟D及空間編號壓縮步驟E的計算機程序。
通過外部數(shù)據(jù)取得步驟S1，利用計算機取得由對象物1的邊界數(shù)據(jù)與物性值構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)12。
通過外部數(shù)據(jù)輸入步驟A，將在外部數(shù)據(jù)取得步驟S1中取得的由對象物1的邊界數(shù)據(jù)與物性值構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)12輸入存有本發(fā)明的方法的計算機等。
通過胞腔分割步驟B將外部數(shù)據(jù)12分割成邊界平面正交的長方體的胞腔13。長方體胞腔13可為長方體胞腔以外的立方體胞腔。
將用胞腔區(qū)分步驟C分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔13a和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔13b。
通過空間區(qū)分步驟D，對將各胞腔13以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號。
將未按空間編號壓縮步驟E以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號。
通過模擬步驟S3，利用各胞腔的物性值進行例如設(shè)計、分析、加工或CAM(Computer Aided Manufacturing)、組裝、測試等的模擬。通過輸出步驟S4將模擬結(jié)果例如輸出到打印機或外部NC裝置等。
將本發(fā)明的方法用于V-CAD數(shù)據(jù)時，最好通過胞腔分割步驟B，將長方體胞腔13用八分儀分割進行再分割，直至得到構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素可重建的足夠切斷點。
另外，用于通常的Voxel數(shù)據(jù)時，用胞腔分割步驟B來分割成同一大小的長方體胞腔13。
圖3是專利文獻6中公開的將邊界面設(shè)為邊界的例，示出當具有邊界數(shù)據(jù)的邊界面為平面時的邊界面和棱線的切斷點的數(shù)為3～6的情況。還有切斷點的數(shù)量并不限于該例，也有7～12的情況。另外，本發(fā)明中，以完全封閉的整體即2流形的邊界數(shù)據(jù)分出外、內(nèi)的2介質(zhì)為對象，并以包含1介質(zhì)、3介質(zhì)以上的多介質(zhì)、面的分支、孔、開殼等的非流形為對象。
在圖3例示的邊界胞腔內(nèi)的邊界面可分割成連接切斷點而成的一個或多個切斷三角形。其中，將僅用切斷三角形的邊與多個切斷三角形連接的狀態(tài)(所謂非流形的狀態(tài)的一種，以下本發(fā)明中稱為“分支”)作為對象。
在這樣的各切斷三角形中，各切斷三角形具有用由切斷點的每3個確定的表面與背面這2種1環(huán)(通常稱為loop)分別確定的2種所屬空間(用1環(huán)確定的右螺旋方向的法線矢量所指的一側(cè)的三維Euclid空間中的半空間)(可指定)。
還有，全體結(jié)構(gòu)對于邊界胞腔存在其中包含的全部切斷三角形的列表。還有，切斷三角形可為非連接。
圖4是說明圖2的空間區(qū)分步驟D的更詳細的流程圖。如該圖所示，通過空間區(qū)分步驟D，在步驟S11中胞腔為非邊界胞腔時，設(shè)定單一的空間編號。
另外，當胞腔為邊界胞腔時，在步驟S12中設(shè)定邊界數(shù)據(jù)切斷邊界胞腔的棱的切斷點和僅在連接該切斷點的邊上連接的單一或多個切斷三角形。
接著，在步驟S13中，若存在切斷點而無切斷三角形，則設(shè)定單一的空間編號。
最后，在步驟S14中，若存在邊上連接的多個切斷三角形，則將與共有邊且面所形成角度最小的切斷三角形之間的每個空間設(shè)定不同的空間編號，對所有切斷三角形按順序?qū)嵤┻@樣的“環(huán)探索方法”。
空間編號k例如為1、2、3...的整數(shù)，可采用從小到大的順序。
另外，空間區(qū)分步驟中對X、Y、Z的3個方向依次重復(fù)，或通過遞歸處理，將長方體胞腔13的全部依次掃描。在該掃描中通過邊界胞腔13a時，設(shè)定不同的空間編號(例如k＝k+1)。另外，在掃描中對不以邊界數(shù)據(jù)隔開的相鄰的胞腔設(shè)定了空間編號時，以改設(shè)為較小的空間編號為好。
在圖4的空間區(qū)分步驟D的流程圖中，若S13中存在切斷點而無切斷三角形時，以與非邊界胞腔相同地處理，設(shè)定1種所屬空間編號。
S13中，有切斷三角形時，選擇具有編號小的切斷棱的切斷三角形，并在其背面與表面中選擇任意一側(cè)。
進行與對共有邊的面成形成角度為最小的切斷三角形之間的每個空間設(shè)定不同的空間編號的環(huán)探索，若到達背面與表面的相反側(cè)，則與非邊界胞腔相同，僅設(shè)定1個所屬空間編號。
還有，使用指向僅由原先無切斷點的棱構(gòu)成的胞腔面的內(nèi)側(cè)的環(huán)，在存在切斷點時也能進行環(huán)的細分割(朝向相同的內(nèi)側(cè))。
對上面選擇的有側(cè)向(方向)切斷三角形(開始環(huán))進行以下的環(huán)探索，到達開始環(huán)就結(jié)束。
并且，對上面選擇的有側(cè)向切斷三角形的背面也進行調(diào)查。若背面是該胞腔的外側(cè)，則跳過而進行下一個。調(diào)查后就建立確認完成旗標。若對所有切斷三角形的背、表兩面確認完則結(jié)束。
圖5是用以選定共有邊且面所形成角度我最小的切斷三角形的環(huán)探索方法的說明圖。該圖中，4個切斷三角形共有邊1-2。以下，說明“環(huán)探索”的方法。
圖5中，將被選為上面的有側(cè)向切斷三角形設(shè)為△(0，1，2)。這里括號表示順序?qū)Α?shù)字為切斷點，以探索到該切斷點上共有邊并相鄰的切斷三角形的情況為前提。
接著選擇任意的切斷邊。該例中將共有的邊1-2設(shè)為由環(huán)確定的有向邊(1，2)。
本例中，將共有有向邊(1，2)的同順序有向三角形設(shè)為△(2，1，3)、(2，1，4)...(2，1，n)。還有“同順序”指的是與邊1-2反向地探索的三角形，面的法線朝向相同的空間。
從同順序的有向三角形中，選擇與設(shè)為對象的有側(cè)向切斷三角形△(0，1，2)所形成的有向二面角(directed dihedral angle)成為最小的，即二面的法線所形成的角最小(接近-π)的切斷三角形，從而得知作為對象的有側(cè)向的切斷三角形△(0，1，2)與該切斷三角形(本例中△(2，1，3))共有同一空間。
以下，就從同順序的有向三角形中，選擇與設(shè)為對象的有側(cè)向切斷三角形△(0，1，2)所形成的有向二面角成為最小的切斷三角形的方法進行說明。
圖6是設(shè)為對象的三角形和同順序的三角形所形成的角之間的關(guān)系示圖。該圖中，將三角形的面用線段表示，設(shè)為對象的三角形為2-0，同順序的三角形為3個線段2-i。
圖6中，若設(shè)2個面所形成的角度為α(0～2π)，則2個面的法線所形成的角度θ成為-π～+π。另外，2個面的法線所形成的角度θ由式(1)表示。
tanθ=n→0×n→i(n→0,n→i)·P1→P2||P1→P2||---(1)]]>因而，只要從式(1)選擇使|1，2|tanθ＝((0，1)×(0，2))×((i，2)×(i，1))·(1，2)/(0，1)×(0，2)·(i，2)×(i，1)(2)最小的切斷點i即可。還有在該式中，×是外積，·是內(nèi)積。
式(2)中，若設(shè)inner＝((0，1)×(0，2))·((i，2)×(i，1))；outer＝((0，1)×(0，2))×((i，2)×(i，1))；inout＝outer·(i，2)，則成為式(3)。
|1，2|tanθ＝inout/inner＝outer·(i，2)/inner(3)其中，tanθ連續(xù)的范圍為-π/2～+π/2，因此分割為-π～-π/2及π/2～π，且先必須除去cosθ＝0的情況。以下，將-π～-π/2稱為區(qū)間1，-π/2～+π/2稱為區(qū)間2，π/2～π稱為區(qū)間3。
圖7是角度θ與sinθ、cosθ、tanθ之間的關(guān)系圖。由該圖可知在區(qū)間1、2、3內(nèi)tanθ總為增函數(shù)，若在各區(qū)間內(nèi)選擇tanθ值小的一方，則能選擇θ小的切斷三角形。另外，在式(3)中，inout和inner分別為與sinθ和cosθ成比例的標量。
圖8是表示各區(qū)間的判斷方法的流程圖。該圖中，若在S21中inner為0，則cosθ＝0，若在S22中inout(sinθ)為負值，則θ＝-π/2，若inout(sinθ)為正值，則θ＝+π/2。
若在S23中inner(cosθ)為正值，則根據(jù)圖7為區(qū)間2。而且，若在S24中根據(jù)圖7inout(sinθ)為負值，則為區(qū)間1，若inout(sinθ)為正值則為區(qū)間3。
因而，在圖8所示的方法中，判斷θ＝-π/2、+π/2的情況和這以外的各區(qū)間，并選擇區(qū)間編號小的區(qū)間，而且如果在同一區(qū)間內(nèi)選擇tanθ的值小的值，就能選擇θ小的切斷三角形。
從外部輸入的外部數(shù)據(jù)12是表示多面體的多邊形數(shù)據(jù)、用于有限元法的四面體或六面體要素、用于三維CAD或CG工具的曲面數(shù)據(jù)或其它的將立體表面由局部的平面或曲面構(gòu)成的信息表現(xiàn)的數(shù)據(jù)。
在這樣的數(shù)據(jù)以外，外部數(shù)據(jù)12可為通過V-CAD獨自的接口由人輸入來直接作成的數(shù)據(jù)；(2)測定機或傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器等的表面的數(shù)字化數(shù)據(jù)；或CT掃描儀或MRI及具有一般用于體繪制的Voxel數(shù)據(jù)等的內(nèi)部信息的體數(shù)據(jù)。
輸出數(shù)據(jù)是由附加了按每個空間而異的標記(空間編號)的邊界和最小的空間分解能力以上的尺寸的胞腔構(gòu)成的VCAD數(shù)據(jù)。該VCAD數(shù)據(jù)具有由直接具邊界的胞腔(邊界胞腔)和不具邊界的胞腔(非邊界胞腔)填充的全空間。
如上所述，本發(fā)明的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法及其程序具有以下的效果(1)能夠進行用傳統(tǒng)方法不能解決的復(fù)雜形狀的多介質(zhì)的所屬空間區(qū)分；(2)從而可用VCAD處理的輸入對象得到擴大。即，可適用于從以完全封閉的整體即2流形為邊界的外與內(nèi)的2介質(zhì)到在邊界具有非流形(面的分支、孔)、開殼的1介質(zhì)到3以上的介質(zhì)。
(3)以相同的數(shù)據(jù)連續(xù)進行存在1種或3種以上的材料的(多介質(zhì))的物體或流體的混合體的表現(xiàn)、分析及加工或檢查、評價。
(4)通過不在胞腔的頂點而讓邊界數(shù)據(jù)(胞腔內(nèi)面)的表面與背面直接具有所屬空間，即使在多個計算機或用戶分散的環(huán)境中也能高速地經(jīng)由胞腔取得并利用介質(zhì)或各種屬性(的所屬空間)。
還有，本發(fā)明并不限于上述的實施例，在不超出本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)顯然可作各種變更。
權(quán)利要求
1.一種體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于利用計算機，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計算機輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號，通過空間編號壓縮部件，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號。
2.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于通過所述空間區(qū)分部件，(A)在胞腔為非邊界胞腔時設(shè)定單一的空間編號，(B)當胞腔為邊界胞腔時，設(shè)定邊界數(shù)據(jù)將邊界胞腔的棱在該胞腔內(nèi)切斷的切斷點和僅在連接該切斷點的邊上連接的單個或多個切斷三角形，當有切斷點而無切斷三角形時，設(shè)定單一的空間編號，當存在邊上連接的多個切斷三角形時，對所有切斷三角形依次實施探索共有邊且與面形成的角度最小的切斷三角形的環(huán)探索方法。
3.如權(quán)利要求2所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于通過所述環(huán)探索方法，對于構(gòu)成切斷三角形的背面與表面這2面根據(jù)由有向邊的環(huán)確定的其法線矢量所指的半空間來設(shè)定有介質(zhì)存在的空間的編號。
4.如權(quán)利要求3所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于通過所述環(huán)探索方法，依次探索共有邊且邊的方向相反的2個以上的切斷三角形，最終到達開始的切斷三角形，從而設(shè)定封閉邊界包圍的空間的編號。
5.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于對各胞腔用所述環(huán)探索方法逐次處理或并行分散處理。
6.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于通過所述胞腔分割部件，將長方體胞腔用八分儀分割進行再分割，直至得到可重建構(gòu)成外部數(shù)據(jù)中包含的邊界面的邊界形狀要素的足夠切斷點，或直至由使用者任意確定的次數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于所述空間區(qū)分部件通過對X、Y、Z這3個方向依次重復(fù)或進行遞歸處理，將全部的所述長方體胞腔依次掃描。
8.如權(quán)利要求1所述的體數(shù)據(jù)的胞腔標號方法，其特征在于所述外部數(shù)據(jù)包含對象物及包圍它的物性值，使通過所述空間區(qū)分部件設(shè)定的空間編號與該物性值相關(guān)聯(lián)。
9.一種體數(shù)據(jù)的胞腔標號程序，其中執(zhí)行以下步驟用計算機取得由對象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)的外部數(shù)據(jù)取得步驟；將所述外部數(shù)據(jù)輸入到計算機的外部數(shù)據(jù)輸入步驟；將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔的胞腔分割步驟；將分割后的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔的胞腔區(qū)分步驟；對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定不同的空間編號的空間區(qū)分步驟；以及將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號的空間編號壓縮步驟。
全文摘要
利用計算機，通過外部數(shù)據(jù)取得部件取得由對象物的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)，用外部數(shù)據(jù)輸入部件向計算機輸入所述外部數(shù)據(jù)，通過胞腔分割部件將所述外部數(shù)據(jù)分割成邊界平面正交的長方體胞腔，將由胞腔區(qū)分部件分割的各胞腔區(qū)分為包含邊界數(shù)據(jù)的邊界胞腔和不含邊界數(shù)據(jù)的非邊界胞腔，通過空間區(qū)分部件對將各胞腔以邊界數(shù)據(jù)隔開的每個空間設(shè)定為不同的空間編號，通過空間編號壓縮方法，將不以邊界數(shù)據(jù)隔開而相鄰的胞腔的空間編號再設(shè)定為同一空間編號。
文檔編號G06F17/50GK1950824SQ20058001440
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
發(fā)明者加瀨究, 手島吉法, 宇佐見修吾, 加藤昌也 申請人:獨立行政法人理化學(xué)研究所