本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，尤其涉及一種從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域，幾何模型的表示與處理是核心方法之一。幾何模型通常分為兩類：顯式幾何和隱式幾何。顯式幾何(如stl、obj格式)通常通過頂點(diǎn)、邊、面等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接表示物體的表面信息，廣泛應(yīng)用于三維建模、渲染和制造等領(lǐng)域。隱式幾何則通過函數(shù)(如符號(hào)距離場(chǎng)，signed?distance?field,sdf)間接表示物體的表面，通過判斷空間點(diǎn)到物體表面的距離來(lái)定義幾何形狀。隱式幾何在碰撞檢測(cè)、物理模擬、和形狀優(yōu)化等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2、顯式幾何的優(yōu)點(diǎn)在于其表示的直觀性和易于編輯，但在一些復(fù)雜的幾何操作和分析中(例如布爾運(yùn)算、碰撞檢測(cè)和物理模擬)，顯式幾何的計(jì)算效率較低。相比之下，隱式幾何由于其連續(xù)性和解析性，在這些應(yīng)用中表現(xiàn)出更高的計(jì)算效率和靈活性。然而，顯式幾何和隱式幾何的轉(zhuǎn)換過程通常計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)，特別是在處理復(fù)雜場(chǎng)景或大規(guī)模幾何數(shù)據(jù)時(shí)，這種轉(zhuǎn)換往往成為整個(gè)工作流程中的瓶頸。

3、目前，已有多種方法嘗試解決顯式幾何到隱式幾何的高效轉(zhuǎn)換問題。如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱式表示方法、基于維諾圖表的方法等。盡管如此，這些方法在處理效率和精度上仍然存在改進(jìn)空間，特別是在大規(guī)?；?qū)崟r(shí)應(yīng)用中，仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4、因此，開發(fā)一種能夠快速將顯式幾何模型轉(zhuǎn)換為隱式幾何模型的方法，尤其是在保持高精度的同時(shí)大幅提高轉(zhuǎn)換效率的方法，對(duì)于提升圖形處理、物理模擬以及相關(guān)領(lǐng)域的整體性能具有重要意義。這種方法的實(shí)現(xiàn)將為多個(gè)工業(yè)和研究領(lǐng)域提供強(qiáng)大的工具，有助于推動(dòng)相關(guān)方法的發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法，包括如下步驟：

3、對(duì)輸入的三角形網(wǎng)格構(gòu)建線性邊界體層次結(jié)構(gòu)，并基于所述線性邊界體層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建八叉樹結(jié)構(gòu)；

4、利用所述八叉樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，利用線性邊界體層次結(jié)構(gòu)結(jié)合最小邊界框剪枝方法，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)并行化計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)；

5、利用角權(quán)重偽法線算法計(jì)算三角形網(wǎng)格的偽法線，利用三角形網(wǎng)格的偽法線計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)；

6、根據(jù)自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)和自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)確定符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)，完成隱式幾何到顯式幾何的轉(zhuǎn)換。

7、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法，通過對(duì)三角形網(wǎng)格構(gòu)建線性邊界體層次結(jié)構(gòu)和八叉樹結(jié)構(gòu)，并基于所述八叉樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)，再結(jié)合三角形網(wǎng)格的偽法線確定無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)，最終確定符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)，完成隱式幾何到顯式幾何的轉(zhuǎn)換，在保持高精度的同時(shí)大幅提高轉(zhuǎn)換效率的方法，可提升圖形處理、物理模擬以及應(yīng)用場(chǎng)景的性能。

8、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)：

9、進(jìn)一步：所述對(duì)輸入的三角形網(wǎng)格構(gòu)建線性邊界體層次結(jié)構(gòu)具體包括如下步驟：

10、以三角形網(wǎng)格的每一三角形面片質(zhì)心坐標(biāo)作為初始數(shù)據(jù)，利用魔法位方法，將以32位二進(jìn)制整數(shù)表征三角形面片的質(zhì)心位置坐標(biāo)交織成以64位二進(jìn)制整數(shù)表征的第一莫頓碼，并針對(duì)每一個(gè)三角形面片計(jì)算其軸對(duì)齊包圍盒；

11、對(duì)所述三角形面片的質(zhì)心位置的第一莫頓碼按照大小順序進(jìn)行排序，利用并行化算法確定每個(gè)所述第一莫頓碼對(duì)應(yīng)的三角形面片的劃分位置，并按照預(yù)設(shè)的分類方法將三角形面片的劃分節(jié)點(diǎn)分成的葉節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)至兩個(gè)不同的獨(dú)立數(shù)組中，得到第一二叉基數(shù)樹；

12、按照一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系為每個(gè)所述第一二叉基數(shù)樹分配對(duì)應(yīng)的所述軸對(duì)齊包圍盒，并對(duì)所述第一二叉基數(shù)樹的葉節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的路徑進(jìn)行并行處理，使得每一個(gè)所述第一二叉基數(shù)樹的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)均匹配對(duì)應(yīng)的所述軸對(duì)齊包圍盒，得到線性邊界體層次結(jié)構(gòu)。

13、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過將所述三角形面片的質(zhì)心位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成64位的第一莫頓碼，這樣可以方便確定對(duì)應(yīng)三角形面片的劃分位置，從而構(gòu)建出第一二叉基數(shù)樹，然后對(duì)所述第一二叉基數(shù)樹分配對(duì)應(yīng)的所述軸對(duì)齊包圍盒，完成線性邊界體層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

14、進(jìn)一步：所述預(yù)設(shè)的分類方法為：

15、針對(duì)每個(gè)三角形面片，比較其左右兩個(gè)三角形面片的第一莫頓碼的共同前綴長(zhǎng)度，并確定劃分方向和劃分節(jié)點(diǎn)；

16、將所有以所述第一莫頓碼表示的三角形面片作為葉節(jié)點(diǎn)，基于所述葉節(jié)點(diǎn)確定劃分位置，并根據(jù)所述葉節(jié)點(diǎn)是否處于所述劃分節(jié)點(diǎn)的位置判斷所述劃分節(jié)點(diǎn)是否為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。

17、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過左右兩個(gè)三角形面片的第一莫頓碼的共同前綴長(zhǎng)度可以精確找到劃分方向和劃分節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)該所述三角形面片是否處于所述劃分節(jié)點(diǎn)的位置判斷所述劃分節(jié)點(diǎn)是否位內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，從而完成對(duì)葉節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的劃分，方便后續(xù)構(gòu)建八叉樹結(jié)構(gòu)和無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)。

18、進(jìn)一步：所述基于所述線性邊界體層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建八叉樹結(jié)構(gòu)具體包括如下步驟：

19、給定八叉樹的劃分層次，將所述三角形網(wǎng)格的包圍空間按照所述八叉樹的劃分層次均勻劃分為與體素?cái)?shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的三維網(wǎng)格，并利用所述體素?cái)?shù)據(jù)構(gòu)建第二二叉基數(shù)樹；

20、基于所述第二二叉基數(shù)樹確定對(duì)應(yīng)的第二莫頓碼，利用所述第二莫頓碼確定所述八叉樹的所有層級(jí)節(jié)點(diǎn)，并為所有所述層級(jí)節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存，存儲(chǔ)所述八叉樹的層級(jí)節(jié)點(diǎn)信息；

21、基于設(shè)定的父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系，采用并行化處理方法確定每個(gè)層級(jí)節(jié)點(diǎn)的父子節(jié)點(diǎn)，并得到八叉樹結(jié)構(gòu)；

22、其中，所述父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系為所述八叉樹的任意兩個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的共同前綴長(zhǎng)能夠被三整除，且二者的共同前綴長(zhǎng)除以三后的差值為一。

23、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過給定的八叉樹劃分層次對(duì)三角形網(wǎng)格的包圍空間均勻劃分，既可以得到與體素?cái)?shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的三維網(wǎng)格，從而可以實(shí)現(xiàn)第二二叉基數(shù)樹的構(gòu)建，這樣即可根據(jù)由二叉基數(shù)樹確定的第二莫頓碼確定所述八叉樹的所有層級(jí)節(jié)點(diǎn)，從而確定層級(jí)節(jié)點(diǎn)的父子節(jié)點(diǎn)，并得到八叉樹結(jié)構(gòu)。

24、進(jìn)一步：所述利用所述八叉樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，利用線性邊界體層次結(jié)構(gòu)結(jié)合最小邊界框剪枝方法，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)并行化計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)具體包括如下步驟：

25、計(jì)算所述八叉樹結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)所處位置的第二莫頓碼，并剔除重復(fù)的莫頓碼，將互不相同的所述第二莫頓碼對(duì)應(yīng)的八叉樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)p；

26、確定所述采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x的位置，基于r-tree的空間縮減方法計(jì)算采樣點(diǎn)p到最近的所述三角形面片的距離；

27、自上而下遍歷所述線性邊界體層次結(jié)構(gòu)，并將所述線性邊界體層次結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)逐一存儲(chǔ)至堆棧s中；

28、針對(duì)所述堆棧s中的任一節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)或右子節(jié)點(diǎn)為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算該節(jié)點(diǎn)到軸對(duì)齊包圍盒的最小距離和最小最大距離，并進(jìn)行最小邊界框剪枝處理，通時(shí)將新增的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)至堆棧s中，直至所述堆棧s中所有節(jié)點(diǎn)均被處理完成；

29、針對(duì)所述堆棧s中的任一節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)或右子節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算該采樣點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)代表的三角形面片的距離，并將所有的距離中的最小值作為采樣點(diǎn)到三角形網(wǎng)格的最小距離，完成無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的構(gòu)建。

30、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過剔除重復(fù)的第二莫頓碼，這樣可以打打提交計(jì)算效率，通過根據(jù)采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x的位置可以精確計(jì)算出采樣點(diǎn)p到最近的所述三角形面片的距離，然后基于線性邊界體層次結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)或右子節(jié)點(diǎn)的是否為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行最小邊界框剪枝處理，最后針對(duì)左子節(jié)點(diǎn)或右子節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，其到計(jì)算該采樣點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)代表的三角形面片的距離，再確定最小距離，即可完成無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的構(gòu)建。

31、進(jìn)一步：利用角權(quán)重偽法線算法計(jì)算三角形網(wǎng)格的偽法線，利用三角形網(wǎng)格的偽法線計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)具體包括如下步驟：

32、根據(jù)所述采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x的位置確定三角形網(wǎng)格的偽法線，具體包括：當(dāng)所述采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x位于三角形面片內(nèi)時(shí)，則根據(jù)所述采樣點(diǎn)p和投影點(diǎn)x確定三角形片面的法線，當(dāng)所述采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x位于三角形面片的邊上時(shí)，定義面i和j之間的邊分別具有法線ni和nj，則三角形面片邊的偽法線nedge＝π·ni+π·nj，當(dāng)所述采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x位于三角形面片的頂點(diǎn)上時(shí)，三角形面片頂點(diǎn)的偽法線為nvertice＝∑aini，其中，ai為第i個(gè)面對(duì)應(yīng)的頂角的角度值；

33、基于所有三角形面片的偽法線確定三角形網(wǎng)格的偽法線，并根據(jù)三角形網(wǎng)格的偽法線確定采樣點(diǎn)p的投影點(diǎn)x到查詢點(diǎn)p的方向向量r＝p-x，并根據(jù)方向向量r與投影點(diǎn)x處的法線或偽法線的點(diǎn)積確定查詢點(diǎn)p的符號(hào)。

34、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過采樣點(diǎn)p在最近的所述三角形面片上的投影點(diǎn)x的位置可以準(zhǔn)確計(jì)算出三角形片面的偽法線，然后得到整個(gè)三角形網(wǎng)格的偽法線，從而可以準(zhǔn)確得到無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)。

35、進(jìn)一步：所述的從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法還包括如下步驟：

36、將符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，抽取其等值面，完成隱式幾何的可視化。

37、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過將符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，可以方便將符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)映射到可視化圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)隱式幾何的可視化。

38、進(jìn)一步：所述將符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，抽取其等值面具體包括如下步驟：

39、初始化vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，并將所述八叉樹結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中點(diǎn)坐標(biāo)添加到vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)所述八叉樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建六面體單元，并將所述六面體單元添加至vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中；

40、將所述符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)以點(diǎn)數(shù)據(jù)的形式寫入vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中；

41、初始化等值面值，并獲取符號(hào)距離場(chǎng)的表面輪廓，通過vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中的等值面過濾器模塊對(duì)符號(hào)距離場(chǎng)進(jìn)行等值面提取，并映射到可視化圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

42、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過將所述符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)以點(diǎn)數(shù)據(jù)的形式寫入vtk非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，這樣方便進(jìn)行等值面提取，并映射到可視化圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)隱式幾何的可視化。

43、本發(fā)明還提供了一種從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括構(gòu)建模塊、第一計(jì)算模塊、第二計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)換模塊：

44、所述構(gòu)建模塊，用于對(duì)輸入的三角形網(wǎng)格構(gòu)建線性邊界體層次結(jié)構(gòu)，并基于所述線性邊界體層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建八叉樹結(jié)構(gòu)；

45、所述第一計(jì)算模塊，用于利用所述八叉樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，利用線性邊界體層次結(jié)構(gòu)結(jié)合最小邊界框剪枝方法，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)并行化計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)；

46、所述第二計(jì)算模塊，用于利用角權(quán)重偽法線算法計(jì)算三角形網(wǎng)格的偽法線，利用三角形網(wǎng)格的偽法線計(jì)算自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)；

47、所述轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)和自適應(yīng)網(wǎng)格無(wú)符號(hào)距離場(chǎng)的符號(hào)確定符號(hào)距離場(chǎng)的數(shù)據(jù)，完成隱式幾何到顯式幾何的轉(zhuǎn)換。

48、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述的從顯式幾何到隱式幾何的快速轉(zhuǎn)換方法。