一种基于物体对称性的六面体网格生成方法

1.本发明涉及工业图像数据处理技术领域，具体涉及一种基于物体对称性的六面体网格生成方法。


背景技术：

2.逆向设计正是产品仿制和重新开发的一种重要技术。工业ct（computed tomography，计算机断层成像）具有非破坏性、不受被测物体内外结构复杂程度影响、准确记录物体内部结构、区分异种材质的突出特点，为逆向设计提供一种良好的技术手段。现有逆向设计多是由ct图像依次生成stl模型、表面模型、实体模型，再到网格模型，是一种间接生成方法，过程繁琐、操作复杂、效率低，依赖操作人员的经验及软件熟练程度。
3.六面体网格因在计算精度、网格单元数量、抗畸变程度、收敛速度及空间复杂度等方面具有显著优势，是理想的有限元体网格，近年来愈发被各行业研究者所重视，被广泛应用于目标物体在三维空间中的重建工作。由工业ct图像直接生成六面体网格的方法正是解决产品逆向设计难题的关键工作。
4.在自然界中，对称性是非常普遍的，人类对于对称特征的感知也是非常强烈的，因此大部分人造物体都是对称的。对称性在心理学上被认为是人类感知的一个基本原则，影响了人们最初的注意机制，指导了后期对物体的各种处理过程。对称特征是三维物体的一个显著的整体特征。
5.综上，根据目标物体的对称特征，并且由工业ct图像直接生成全六面体网格的生成方法对工业器件的逆向设计来说具有非常重要的意义。但是目前大部分六面体网格的生成方法大都将目标工件视为一个不可分割的整体，忽视了工件本身的对称特征，虽然生成的网格模型质量较好，但不能有效地还原工件的对称结构。
6.因此现需要一种能够有效还原工件的对称结构，并且提高网格生成效率的六面体网格生成方法。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，以解决现有技术中不能有效还原工件对称特征、不能提高网格生成效率的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，包括如下步骤：s1，预处理工件的系列ct图像，得到具有工件信息的三维目标区域；s2，在三维目标区域中，检测工件的三维对称性特征，并根据该特征将工件划分为对称的几个部分；s3，取对称的一部分作为主体，采用八叉树方法生成核心网格，采用空隙填充法拟合表面网格；s4，采用对称操作，镜像复制已建成的网格，并将两个对称的网格进行连接；s5，使用拓补优化方法修正对称面连接处的网格结构，最终得到工件的三维全六面体网格。
9.进一步地，步骤s1中对工件的系列ct图像进行预处理的步骤包括：s1.1，对原始图像进行模板大小为5
×
5的中值滤波。
10.s1.2，采用canny算子的边缘检测提取图像中工件的边界信息。
11.s1.3，对图像进行区域填充，从而将工件的有效区域与背景区域分开。
12.s1.4，将处理后的系列图像有序排列，模拟工件的三维空间信息。
13.进一步地，步骤s2包括：s2.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小包围盒包含所有ct图像的有效像素，以最小外包围盒的中心为原点调整三维坐标系。
14.s2.2，经过坐标原点，在最小外包围盒中作对称分割线，包括四条体对角线l
1-l4和三条中心线l
5-l7，记录对称分割线与有效像素的交点作为标记点，其中，第i条对称分割线与第j页ct图像的交点记为标记点。
15.s2.3，对最小包围盒的各面进行划分，其中，正视图的底面、前面、右面、后面、左面、上面分别为f1、f2、f3、f4、f5、f6。
16.s2.4，将fn面上所在半个最小外包围盒中的所有标记点记录为一组标记点集{bn}，将{bn}中各点投影到fn面上得到的投影点构成投影点集{tn}，其中，n=1,2,
……
,6，i=1,2,
……
,7。
17.s2.5，对于标记点集{bn}（n=1,2,
……
,6），计算其几何中心（x,y,z）：，其中，为{bn}的长度，为{bn}中的各个标记点。
18.各个标记点到对应投影点的欧氏距离的平均值dn为：，其中，为{bn}的长度。
19.s2.6，设定几何中心误差阈值d1和投影误差阈值d2，取最小外包围盒中的相对两个面，如f1和f6，其标记点集的几何中心分别为点m1和点m6、各个标记点到对应投影点的欧氏距离的平均值分别为d1和d6。
20.s2.7，若点m1与点﹣m6的欧氏距离小于等于d1，且d1与d6的差值小于等于d2时，则认为该物体是关于这两个面的对称面而对称的。
21.s2.8，如果m1与点﹣m6的欧氏距离大于d1，或d1与d2的差值大于d2时，则继续选择另外两个相对面，重复步骤s2.7，直到找到该物体的对称面或者无其他未进行判断的相对面。
22.进一步地，步骤s3包括：s3.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小外包围盒包含所有图像的有效像素，其边长为2的整数次幂。
23.s3.2，将一个三维六面体空间作为根节点，划分为8个大小相同的子空间，即子节点，对每个子节点继续划分直到某一子节点内不再包含有效像素或达到网格规定的层次，由此得到核心网格。
24.s3.3，利用空隙填充法将核心网格表面分为两层进行拟合，内层修改原网格并进行空隙填充，外层将核心网格的表面顶点在其法向量方向上按最短距离拟合到物体边界。
25.进一步地，步骤s4具体为：在三维空间中将已建成的部分工件的六面体网格按对称面镜像翻转坐标，复制得到未建成部分六面体网格，并沿对称面进行合并。
26.进一步地，步骤s5包括：s5.1，将对称面两侧的外层网格进行层删除操作，保留远离对称面的核心网格。
27.s5.2，沿对称面的法向量方向进行列插入操作，使用六面体网格填充核心网格之间的空隙。
28.本发明具有如下有益效果：本发明关注目标物体的对称特性，建立最小外包围盒，通过简单的几何方法进行对称性检测，判断物体的各个对称面，仅取对称的某一部分按八叉树方法生成核心网格质量高的全六面体网格模型，余下各部分进行镜像复制并拼接、修正。既降低了网格生成过程中的空间复杂度和计算时间，也极好地还原了目标物体的对称特征，使生成的六面体网格模型各对称部分完全相同，解决了正常常规生成方法中不能有效保持工件的对称特征的问题。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.在附图中：图1示出了本发明的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法的流程图。
31.图2示出了本发明的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法的工件对称性检测方法的流程。
32.图3示出了在工件的最小外包围盒中作对称分割线的示意图。
33.图4示出了最小包围盒的各面划分示意图。
34.图5示出了圆柱体工件的系列工业ct图像。
35.图6示出了图5的f3面对应的标记点及其投影点示意图。
36.图7示出了图5在f3面上的所有投影点。
37.图8示出了圆柱体工件的镜像对称的两组六面体网格网格。
38.图9示出了图8中两组网格拓补优化后的圆柱体工件的三维全六面体网格。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.下面以对某一圆柱体工件生成三维六面体网格为例，对本发明提供的方法进行详细说明。
41.如图1所示的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，包括如下步骤：s1，预处理工件的系列ct图像，得到具有工件信息的三维目标区域。
42.具体地，步骤s1包括，s1.1，对原始图像进行模板大小为5
×
5的中值滤波。
43.s1.2，采用canny算子的边缘检测提取图像中工件的二维边界，其双阈值系数[tl,th]=[0.05,0.25]，如果某像素点的梯度大于上限阈值th，则被检测为边缘像素，如果低于下限阈值tl，则被抛弃，如果介于二者之间，只有当其与高于上限阈值的像素点相邻时才会被接受。
[0044]
s1.3，对图像进行区域填充，从而将工件的有效区域与背景区域分开，以达到阈值分割的效果。
[0045]
s1.4，将处理后的系列图像有序排列，模拟工件的三维空间信息。
[0046]
s2，在三维目标区域中，检测工件的三维对称性特征，并根据该特征将工件划分为对称的几个部分。
[0047]
具体地，如图2所示，步骤s2包括：s2.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小包围盒包含所有ct图像的有效像素，以最小外包围盒的中心为原点调整三维坐标系。
[0048]
s2.2，如图3所示，其中，l
1-l4为4条体对角线，l
5-l7为3条中心线。经过坐标原点，在最小外包围盒中作对称分割线，包括四条体对角线l
1-l4和三条中心线l
5-l7，记录对称分割线与有效像素的交点作为标记点，其中，第i条对称分割线与第j页ct图像的交点记为标记点。
[0049]
s2.3，如图4所示，对最小包围盒的各面进行划分，其中，正视图的底面、前面、右面、后面、左面、上面分别为f1、f2、f3、f4、f5、f6。
[0050]
s2.4，如图5、图6和图7所示，将fn面上所在半个最小外包围盒中的所有标记点记录为一组标记点集{bn}，将{bn}中各点投影到fn面上得到的投影点构成投影点集{tn}，其中，n=1,2,
……
,6，i=1,2,
……
,7。标记点b
3i
代表对称分割线l3与第i页ct图像中有效像素的交点，投影点t
3_3i
代表b
3i
在f3面上的投影，在f3面半侧的所有标记点构成一组标记点集{b3}，在f3面上的所有投影点构成一组投影点集{t3}。
[0051]
s2.5，对于标记点集{bn}（n=1,2,
……
,6），计算其几何中心（x,y,z）：，其中，为{bn}的长度，为{bn}中的各个标记点。
[0052]
各个标记到对应投影点的欧氏距离的平均值dn为：，其中，为{bn}的长度。
[0053]
s2.6，设定几何中心误差阈值d1和投影误差阈值d2，取最小外包围盒中的相对两个面，如f1和f6，其标记点集的几何中心分别为点m1和点m6、各个标记点到对应投影点的欧氏距离的平均值分别为d1和d6。
[0054]
s2.7，若点m1与点﹣m6的欧氏距离小于等于d1，且d1与d6的差值小于等于d2时，则认为该物体是关于这两个面的对称面而对称的。
[0055]
s2.8，如果m1与点﹣m6的欧氏距离大于d1，或d1与d2的差值大于d2时，则继续选择另外两个相对面，重复步骤s2.7，直到找到该物体的对称面或者无其他未进行判断的相对面。
[0056]
s3，取对称的一部分作为主体，采用八叉树方法生成核心网格，采用空隙填充法拟合表面网格。
[0057]
具体地，步骤s3包括：s3.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小外包围盒包含所有图像的有效像素，其边长为2的整数次幂。
[0058]
s3.2，将一个三维六面体空间作为根节点，划分为8个大小相同的子空间，即子节点，对每个子节点继续划分直到某一子节点内不再包含有效像素或达到网格规定的层次，
由此得到核心网格。
[0059]
s3.3，利用空隙填充法将核心网格表面分为两层进行拟合，内层修改原网格并进行空隙填充，外层将核心网格的表面顶点在其法向量方向上按最短距离拟合到物体边界。
[0060]
s4，采用对称操作，镜像复制已建成的网格，并将两个对称的网格进行连接。
[0061]
具体地，步骤s4具体为：在三维空间中将已建成的部分工件的六面体网格按对称面镜像翻转坐标，复制得到未建成部分六面体网格，并沿对称面进行合并。
[0062]
s5，使用拓补优化方法修正对称面连接处的网格结构，最终得到工件的三维全六面体网格。
[0063]
具体地，如图8所示，步骤s5包括：s5.1，将对称面两侧的外层网格进行层删除操作，保留远离对称面的核心网格。
[0064]
s5.2，沿对称面的法向量方向进行列插入操作，使用六面体网格填充核心网格之间的空隙，最终生成如图9所示的圆柱体工件的三维全六面体网格。
[0065]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，预处理工件的系列ct图像，得到具有工件信息的三维目标区域；s2，在三维目标区域中，检测所述工件的三维对称性特征，并根据该特征将工件划分为对称的几个部分；s3，取对称的一部分作为主体，采用八叉树方法生成核心网格，采用空隙填充法拟合表面网格；s4，采用对称操作，镜像复制已建成的网格，并将两个对称的网格进行连接；s5，使用拓补优化方法修正对称面连接处的网格结构，最终得到所述工件的三维全六面体网格。2.根据权利要求1所述的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，对所述工件的系列ct图像进行预处理的步骤包括：s1.1，对原始图像进行模板大小为5
×
5的中值滤波；s1.2，采用canny算子的边缘检测提取图像中所述工件的边界信息；s1.3，对图像进行区域填充，从而将工件的有效区域与背景区域分开；s1.4，将处理后的系列图像有序排列，模拟工件的三维空间信息。3.根据权利要求1所述的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，步骤s2包括：s2.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小包围盒包含所有ct图像的有效像素，以最小外包围盒的中心为原点调整三维坐标系；s2.2，经过坐标原点，在最小外包围盒中作对称分割线，包括四条体对角线l
1-l4和三条中心线l
5-l7，记录对称分割线与有效像素的交点作为标记点，其中，第i条对称分割线与第j页ct图像的交点记为标记点；s2.3，对最小包围盒的各面进行划分，其中，正视图的底面、前面、右面、后面、左面、上面分别为f1、f2、f3、f4、f5、f6；s2.4，将f
n
面上所在半个最小外包围盒中的所有标记点记录为一组标记点集{b
n
}，将{b
n
}中各点投影到f
n
面上得到的投影点构成投影点集{t
n
}，其中，n=1,2,
……
,6，i=1,2,
……
,7；s2.5，对于标记点集{b
n
}（n=1,2,
……
,6），计算其几何中心（x,y,z）：；其中，为{b
n
}的长度，为{b
n
}中的各个标记点；各个标记点到对应投影点的欧氏距离的平均值为：；其中，为{b
n
}的长度；s2.6，设定几何中心误差阈值d1和投影误差阈值d2，取最小外包围盒中的相对两个面，如f1和f6，其标记点集的几何中心分别为点m1和点m6、各个标记点到对应投影点的欧氏距离
的平均值分别为d1和d6；s2.7，若点m1与点﹣m6的欧氏距离小于等于d1，且d1与d6的差值小于等于d2时，则认为该物体是关于这两个面的对称面而对称的；s2.8，如果m1与点﹣m6的欧氏距离大于d1，或d1与d2的差值大于d2时，则继续选择另外两个相对面，重复步骤s2.7，直到找到该物体的对称面或者无其他未进行判断的相对面。4.根据权利要求1所述的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，步骤s3包括：s3.1，根据工业ct图像，在三维空间中建立工件的最小外包围盒，最小外包围盒包含所有图像的有效像素，其边长为2的整数次幂；s3.2，将一个三维六面体空间作为根节点，划分为8个大小相同的子空间，即子节点，对每个子节点继续划分直到某一子节点内不再包含有效像素或达到网格规定的层次，由此得到核心网格；s3.3，利用空隙填充法将核心网格表面分为两层进行拟合，内层修改原网格并进行空隙填充，外层将核心网格的表面顶点在其法向量方向上按最短距离拟合到物体边界。5.根据权利要求1所述的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，步骤s4具体为：在三维空间中将已建成的部分工件的六面体网格按对称面镜像翻转坐标，复制得到未建成部分六面体网格，并沿对称面进行合并。6.根据权利要求1所述的一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，其特征在于，步骤s5包括：s5.1，将对称面两侧的外层网格进行层删除操作，保留远离对称面的核心网格；s5.2，沿对称面的法向量方向进行列插入操作，使用六面体网格填充核心网格之间的空隙。

技术总结
本发明提供了一种基于物体对称性的六面体网格生成方法，涉及工业图像数据处理技术领域，用于生成具有对称特征的工业器件的六面体网格，包括如下步骤：预处理工件的系列CT图像，得到具有工件信息的三维目标区域；在三维目标区域中，检测工件的三维对称性特征，并根据该特征将工件划分为对称的几个部分；取一部分作为主体，采用八叉树方法生成核心网格，采用空隙填充法拟合表面网格；采用对称操作，镜像复制已建成的网格，并将两个对称的网格进行连接；使用拓补优化方法修正对称面连接处的网格结构，最终得到所述工件的三维全六面体网格。本发明的技术方案生成的全六面体网格，能有效还原工业器件的对称特征、提高网格生成效率。提高网格生成效率。提高网格生成效率。


技术研发人员：王武礼 方岩 李泽旭 张利
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/8/16