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不规则矿体的三维建模与虚拟切割

作　者: 张粉霞
导　师: 李军民
学　校: 西安科技大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 三维建模数据精简凸壳算法虚拟切割
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着信息技术的快速发展，虚拟制造与三维建模的应用越来越广泛，而虚拟切割等虚拟加工技术是虚拟制造的底层关键技术。三维数据场的三维建模以及三维模型的虚拟切割等虚拟加工技术的出现，为生产设计和创新提供了先进的技术平台。虚拟切割操作是一种交互式操作手段，能够对现实对象的切割过程进行模拟，得到最佳的操作方案。设计人员能够直接从三维物体和构思入手，通过对三维模型的仿真能够更加直观的分析和处理三维数据、评价设计方案以及对其进行可行性和可靠性分析。随着三维建模和虚拟切割技术的日趋成熟，出现了许多好的建模技术与软件，本文针对虚拟雕塑和钻石切割等领域，探讨了如何进行三维数据场的数据预处理，即三维离散点云的数据精简技术，以及根据三维数据场进行三维建模。设计了一种基于三维凸壳模型的虚拟切割方法，通过凸壳顶点以及边界面集合求取使三维凸壳模型经过虚拟切割后能够满足特定要求规格，比如获取一个体积最大的球体或正多面体。论文的主要工作如下：(1)三维数据场数据量大和建模数据精度高是三维虚拟技术的特点，且通常包括大量的冗余数据，本文在对数据精简相关算法的学习研究之后，对基于聚类平面特征的三维点云数据精简算法进行了优化。(2)通过分析对比各种三维建模技术的优缺点，最后利用极值点结合快速凸包技术和四面体剖分算法进行离散点集的凸壳求取，实现了一种较好性能的三维凸壳模型的建模和体积计算方法。(3)研究了几种虚拟切割算法，并进行了比较分析。在此基础上提出一种对三维凸壳模型的虚拟切割方法，实验表明切割后的模型接近正多面体且体积减少最小。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 选题背景及研究意义  8-10
  1.2 数据精简算法的研究现状  10
  1.3 三维建模与虚拟切割的研究现状  10-12
    1.3.1 三维建模的研究现状  10-11
    1.3.2 虚拟切割的研究现状  11-12
  1.4 研究内容和组织结构  12-14
2 数据精简的相关算法  14-20
  2.1 基于距离最近的聚类分析点云数据精简算法  14-15
    2.1.1 散乱数据点聚类  14-15
    2.1.2 数据精简  15
  2.2 基于平面特征的聚类分析三维点云数据精简算法  15-17
    2.2.1 数据分块  15-16
    2.2.2 Z 阈值层分区  16
    2.2.3 处理分层中的数据  16-17
    2.2.4 数据精简的规范  17
  2.3 基于平面特征的聚类分析三维点云数据精简算法的优化  17-19
    2.3.1 Z 阈值的选取和数据分层  17
    2.3.2 确定步长  17-18
    2.3.3 数据简化  18
    2.3.4 算法的实现步骤  18-19
    2.3.5 算法复杂度及实验分析  19
  2.4 本章小结  19-20
3 三维建模与虚拟切割的基本理论  20-26
  3.1 三维建模与虚拟切割的数据来源  20
  3.2 三维建模技术  20-24
    3.2.1 基于面的建模方法  21-22
    3.2.2 基于体的建模方法  22-23
    3.2.3 混合建模方法  23-24
    3.2.4 泛权建模方法  24
  3.3 虚拟切割的技术  24-25
    3.3.1 基于表面模型的虚拟切割  24
    3.3.2 基于体模型的虚拟切割  24-25
  3.4 本章小结  25-26
4 三维建模的相关算法  26-44
  4.1 Delaunay 三角剖分  26-30
    4.1.1 三角剖分的概念  26
    4.1.2 Delaunay 三角剖分的概念及性质  26-28
    4.1.3 Delaunay 三角剖分的相关算法  28-29
    4.1.4 逐点插入法生成 Delaunay 四面体网格的算法  29-30
  4.2 凸壳算法  30-43
    4.2.1 凸壳的概念  30-31
    4.2.2 凸壳的求解算法  31-33
    4.2.3 基于三角剖分的平面点集的凸壳算法  33
    4.2.4 一种优化了的基于四面体剖分的凸壳求解算法  33-43
  4.3 本章小结  43-44
5 三维凸壳模型虚拟切割的研究  44-56
  5.1 虚拟切割的相关算法  44-50
    5.1.1 碰撞检测(Collide Detection)切割  44-46
    5.1.2 顶点移动算法  46-48
    5.1.3 基于表面模型的平面切割  48-50
  5.2 三维凸壳模型的虚拟切割方案  50-55
    5.2.1 利用 K 均值聚类算法求取三维凸壳模型的中心点  51
    5.2.2 确定三维凸壳模型的长轴和短轴  51
    5.2.3 虚拟切割的具体步骤  51-54
    5.2.4 切割效果判断及应用  54-55
  5.3 本章小结  55-56
6 结论  56-58
  6.1 本文工作总结  56
  6.2 未来工作展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
附录  62

不规则矿体的三维建模与虚拟切割

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