基于偏置优化策略的三维扫描数据实体化造型方法研究

Rapid development of digital design and rapid prototyping promote the application requirements of personalized customization product, the solid modeling for 3D scanning data is one of the most important modeling method. Traditional solid modeling methods have some limitations when removing the self-intersections and fitting the offset surface, the processing speed of most of them is not fast enough and the surface details are easy to lose. To overcome these defects, a novel solid modeling research for 3D scanning data based on offset optimization strategy has been developed. A real-time cutting path extracting method is presented combining the heuristic intelligent searching strategy, this providing a cutting tool for modeling the base mesh surface; the implicit representation principal of the restricted offset region is studied by extending signed distance fields functions. To improve the efficiency of initial offset surface reconstruction, a sampling method based on the Morse theory is developed to control the grid cell’s size and hierarchical structure adaptively. Besides, an adaptive remeshing technique is studied, which is intuitive to control the mesh density using one curvature parameter. At last, after building the correspondence between the base mesh and the initial offset mesh, a multi-weight constrained and iterative differential deformation method is presented. By adjusting the local mesh shape, the lost surface details and precision during the implicit reconstruction can be compensated. All of the research on this project will provide the theoretical guidance for the development of solid modeling based on 3D scanning data.

数字化设计技术以及增材制造技术的共同飞跃推动了个性化定制产品的应用需求，面向扫描数据的实体化造型是一类重要的数字化设计方式。针对造型过程中因自交区域去除、偏置曲面拟合而导致的偏置效率较低、细节形态丢失等问题，研究基于偏置优化策略的扫描数据实体化造型设计方法。采用启发式智能搜索策略探讨分割路径的实时交互提取方法，为基网格设计提供分割工具；引入Morse理论提取采样点，研究限定区域内有向距离场函数的隐式曲面表示原理，根据采样点密度自适应设置空间划分的尺寸及层次，构建无自交的初始偏置曲面；利用单一曲率参数调整三角片的分布密度，优化初始偏置曲面的网格分布，实现离散曲面的自适应重新网格化；构建基网格与初始偏置曲面之间的位置对应关系，研究基于多权重特征约束的迭代微分域曲面变形方法，补偿因隐函数拟合重建产生的细节损失和偏置精度损失，为扫描数据的实体化造型提供基础理论支撑。

近年来，增材制造技术获得了广泛关注与快速发展，有望推动制造业的新一轮技术变革。充分利用增材制造可以加工几乎任意复杂模型的优良特性，开展面向增材制造的创新设计方法研究，是实现结构轻量化、设计引导制造、功能驱动设计的重要途径。.曲面偏置是实现均匀/非均匀壁厚三维模型设计所需的关键措施，是三维模型轻量化设计、三维模型创新设计所需的关键基础技术。然而，传统的偏置造型方法极易因自交区域去除、偏置曲面拟合而导致偏置效率较低、细节形态丢失等问题。鉴于此，本项目研究了基于偏置优化策略的三维扫描数据实体化造型方法，主要研究内容及主要研究成果如下：.(1)完成了三维分割路径实时交互提取.研究了基于启发式搜索策略及A*搜索策略的最优路径智能提取技术，可在需要个性化设计的三维曲面上分割出任意形态的子区域曲面。.(2)初始偏置曲面重新网格化方法研究.研究了基于Halfedge半边拓扑结构的离散网格曲面高效编辑理论，实现了细节特征保持、曲面边界约束的重新网格化方法。.(3)可实现细节精度补偿的微分域变形方法研究.通过设置多组权重系数约束变形点与对应目标点之间的变形量，并对初始偏置曲面边缘施加约束变形，提高了偏置曲面与原始曲面的边缘密合度。.(4)基于偏置曲面造型方法的三维晶格填充结构造型设计方法.将偏置曲面造型方法与晶格曲面造型技术相结合，通过对三维零件外表面执行系列偏置处理，实现三维模型的壳体化造型设计，构建有一定厚度的薄壳模型。.项目研究成果为个性化三维实体模型的数字化定制提供了一套参考解决方案，亦为三维模型轻量化设计技术提供了一种较为灵活的数字化设计方法。项目研究面向增材制造所需的三维模型数字化设计领域，且与口腔修复体造型、晶格造型、增材制造工艺数据处理相结合，对于拓展三维零件的设计自由度、充分发挥增材制造的技术优势意义明显。.本项目发表论文6篇，申报发明专利3项，专利成果转化300.8万元，协助培养研究生4名。