一種基于約束特征的網(wǎng)格編輯技術(shù)

為了改進(jìn)自由變形技術(shù)在用戶(hù)交互和編輯靈活性的不足，提出了一種直觀的交互式網(wǎng)格模型編輯技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)不同的約束變形特征、封閉的變形邊界以及編輯參考曲線來(lái)完成網(wǎng)格模型的編輯，并且為了模型的平滑和自然，采用了自適應(yīng)細(xì)分策略。實(shí)驗(yàn)證明，該方法簡(jiǎn)便直觀，有良好的交互性，并能得到很好的編輯結(jié)果。此技術(shù)可以方便地應(yīng)用于CAD/CAM 和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞: 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì); 網(wǎng)格編輯; 約束變形; 幾何造型
曲面的編輯變形是幾何造型與處理的核心內(nèi)容，其目的是為用戶(hù)提供直觀、高效的曲面
編輯工具，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何模型的構(gòu)造。其內(nèi)容包括局部形狀調(diào)整，曲面箭切粘貼，幾何紋理遷移，曲面融合，大范圍形變，模型的完成化等等。
曲面變形方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)基于空間均勻網(wǎng)格的自由變形方法(FFD)，第二
類(lèi)是最近研究比較熱的基于曲面微分屬性的方法[7]。由于本文的方法是基于自由變形方法的一種改進(jìn)技術(shù)，下面將著重對(duì)第一大類(lèi)的FFD 方法進(jìn)行論述。
空間變形技術(shù)的思想是對(duì)物體所嵌入的整個(gè)空間進(jìn)行變形，而不是直接對(duì)物體的頂點(diǎn)或
控制頂點(diǎn)進(jìn)行操作。第一個(gè)空間變形模型是由Barr[1]提出的，他定義了從R3到R3的映射函數(shù)，能夠?qū)臻g物體進(jìn)行仿射變換(拉伸、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切)以及諸如彎曲、扭曲、尖角等變形，但由于Barr 的模型是一種全局的方式，要產(chǎn)生任意形狀是很難的。最流行的空間變形技術(shù)是Sederberg 和Parry 于1986 年引入的自由變形方法(FFD)[2]，這種方法將物體嵌入到一個(gè)平行六面體的柵格中，用戶(hù)通過(guò)操縱柵格上的控制頂點(diǎn)來(lái)控制物體的變形。但是很多情況下柵格和物體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非很直觀，此時(shí)與前一種方法一樣不容易控制。
為了使 FFD 算法效果更好、效率更高以及操作和控制更方便，人們進(jìn)行了更深入的研
究。其中Coquillart 等人提出了一種擴(kuò)展FFD 方法(EFFD)[3]和Hsu 等人提出的直接操縱FFD方法(DFFD)[4]是兩項(xiàng)重要的成果。EFFD 方法拓廣了FFD 技術(shù)，允許非平行六面體的網(wǎng)格形狀，可以由許多FFD 網(wǎng)格合并成EFFD 型網(wǎng)格，從而能實(shí)現(xiàn)更任意的變形。但使用復(fù)雜的控制網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果；而且EFFD 沒(méi)有提供直觀的方法來(lái)控制變形區(qū)域的大小、位置和邊界，用戶(hù)難以預(yù)測(cè)移動(dòng)幾個(gè)控制點(diǎn)的局部變形，因此這種方法僅適用于整體變形。
DFFD 克服了FFD 算法的不足，用戶(hù)操作的是物體上的點(diǎn)而不是控制頂點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方
法是：根據(jù)用戶(hù)選擇點(diǎn)的位移，反求導(dǎo)致這種變化的FFD 控制網(wǎng)格的位移，從而達(dá)到直接操縱物體變形的目的。B-樣條體控制頂點(diǎn)的反求是通過(guò)計(jì)算偽逆矩陣的方式實(shí)現(xiàn)的。所以DFFD 方法的變形控制最為直接，但是由于涉及偽逆矩陣的計(jì)算，該方法的計(jì)算量增加很多，從而影響了用戶(hù)的實(shí)時(shí)交互。
總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)FD 方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：與物體的表示方法無(wú)關(guān)，交互控制直觀，變形過(guò)
程光滑等。但由于控制頂點(diǎn)較多，難以逼近任意拓?fù)涞奈矬w形狀，所以物體變形控制不夠靈活和直觀。人們要獲得所需的變形效果，通常要進(jìn)行多次繁瑣的控制頂點(diǎn)編輯工作。當(dāng)lattice變形和物體變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非很直觀時(shí)，基于FFD 的變形方法就難于奏效。
為了改進(jìn) FFD 方法在變形控制和用戶(hù)交互方面的不足，本文提出了一種能夠精確控制
變形區(qū)域和變形外觀交的互式網(wǎng)格編輯技術(shù)。根據(jù)用戶(hù)選擇的約束特征和變形區(qū)域以及變形程度，曲面網(wǎng)格將作出相應(yīng)的變形。和前述的方法相比，我們的變形算法計(jì)算量較小，可以對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行準(zhǔn)確地控制，而且用戶(hù)可以更加方便地與變形過(guò)程進(jìn)行交互，通過(guò)對(duì)變形參考曲線的編輯自如地控制模型的形狀；同時(shí)擴(kuò)展了[5]中的點(diǎn)約束變形，提出了頂點(diǎn)，曲線和曲面三種約束特征。在算法中，我們還采用了自適應(yīng)細(xì)分策略來(lái)避免變形結(jié)果的走樣。