設計數據創建的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及CAD(計算機輔助設計)系統設計數據的創建，特別地，本發明涉及自由曲面在CAD系統設計數據中的轉換。
【背景技術】
[0002]在對一個物體進行專業設計時通常使用CAD系統，CAD系統允許設計參數，就是說建立物體各元素之間的依賴性，以便一個元素的變化能自動或半自動地導致一個其他元素的變化。例如像軸這樣的功能組件可以與相鄰軸承或軸密封圈的尺寸同時設計。對多個這樣的物體組合成一個母體結構來說其可參數化經常是不可缺少的。這樣不同的工作小組就可以在如一輛汽車這樣的一個復雜物體不同的子系統中工作并憑借其交換設計數據。
[0003]在CAD系統上的工作通常是為經過復雜而特殊培訓的專業人士保留的，在CAD系統的方案中一般無法進入創新過程。例如從事物體外形設計的設計師或流體力學家，在將他關于物體外形的設想轉換為設計數據時，憑借CAD系統，可能會遇到困難。所以進行物體設計的設計師操作CAD系統可能會有困難。
[0004]為了解決這一問題，通常應創建一個聲光掃描的三維模型，以便于為CAD系統提供設計數據。但是這一方面要求一位熟練的模型創建者，另一方面要對模型表面掃描點的大量數據進行處理。另外，將掃描點細分為物體的單個元素經常也不能自動地進行。
【發明內容】
[0005]因此，本發明的目的，是提供一個系統、一個方法和一個計算機程序產品，其允許三維自由曲面簡化地轉換為設計數據。本發明借助于獨立權利要求的主題實現了這些目的題。從屬權利要求再次公開了首選的實施例。
[0006]根據本發明的系統包括一個使用者操縱的提供能快速圍住物體的線束的工具，以便由線束產生一個三維自由曲面，一個掃描線束的光學掃描設備，一個在掃描線束的片段中識別基本幾何圖像的處理設備和一個在已識別的圖像的基礎上為自由曲面提供幾何設計數據的轉換設備。
[0007]作為工具可以使用一個釘狀的器械，這就是著名的3Doodler。在此像熱膠槍那樣由用戶控制噴射出一束加熱的塑料，這種塑料離開工具后迅速冷卻并硬化。此線束可以由工作面出發在空間上任意造型，以便能表現三維結構。一臺這樣的工具也可以讓一位未經訓練的人將他的設想在三維自由曲面上表達。在這種情況下，人們處理自由曲面的兩維視野并不受到局限，正像通常在帶顯示屏的計算機系統上所要求的那樣。此外，自由曲面也能在觸覺上被感知，以便用戶能更好地表達。學習使用或習慣使用這種工具的時間可能會很短或完全取消，因此這種工具對有創意的人的設想或者將某人的特殊空間理解(但表達手段有限)轉換為三維自由曲面來說特別適宜。在此除了這種特定的工具之外也可以使用其他同源的產生三維自由曲面的工具。
[0008]通過線束掃描可以避免產生通常在三維表面掃描時出現的大量的點云，因為這種工具提供的線束通常是將三維的自由曲面作為晶格結構來描述的，這就使掃描更加便利了。特別是使掃描產生的數據量相對變小。由此就節省了處理資源，而處理也會變得更快。
[0009]在掃描線束片段中轉換的幾何圖形可以描述得比用戶借助本工具表達得“更為漂亮的”形狀。例如可以由晶格結構的掃描信息提取出一條完美的直線或完美的圓弧。用戶的初始意向可以以改善了方式獲取并被理解，幾何圖形可以以簡單和高效的方式轉換成設計數據，以便設計數據最近似地將用戶初始想表達的東西表達出來。由此通過CAD系統使技術處理的用戶一個創新過程的產品可以被進入。
[0010]在第一個變體中，掃描設備包括用戶產生自由曲面時一個在空間中追蹤工具的光學定位系統。由此用戶工作的同時可以產生一個自由曲面的視覺表現，以后還可以繼續進行處理，以便立即反饋給用戶。例如，當用戶產生自由曲面時，可以借助立體相機追蹤本工具。在另一實施例中，工具也可以借助結構化的光源照明，而為掃描結構光源的反射只設計有一臺相機。例如結構化的光源可以包括一個偽隨機模式的點。其方法與微軟Kinect—樣。在另一個實施例中，在工具上設計有特殊的主動的和被動的標記，以便確定工具在空間中的位置。其方法來自于外科設備定位領域。
[0011]在另一個變體中，掃描設備包括一臺對已提供的自由曲面的所有線束進行光學掃描的相機。當用戶已經提供了自由曲面時，才進行掃描。例如為此可以使用一臺商業上常用的3D掃描儀。這一變體特別經濟實惠和靈活。
[0012]三維自由曲面轉換為自由曲面設計數據的發明性程序包括能快速圍住物質的線束的掃描步驟，此步驟由用戶操縱能構成自由曲面，借助光學掃描設備，在掃描線束的片段中識別基本幾何圖形，在已識別圖形的基礎上提供自由曲面的幾何設計數據。
[0013]該方法可以用于在用戶三維自由曲面的基礎上有益地創建CAD設計數據。如此可以以簡單、強健而便宜的方式由不經培訓的人員對技術上可繼續處理的設計數據進行輸入。
[0014]在一個變體中當用戶創建自由曲面時對線束進行光學掃描，由此本方法的特征在于也可以交互式操作，例如如果線束的一部分識別得不正確的話，用戶也能進行介入。
[0015]在另一個變體中，自由曲面創建完成之后，自由曲面的所有線束都被光學掃描。特別是這種掃描可以在一個或多個通道內為所有線束同時進行。在出現不足或錯誤的情況下這種掃描可以用較少的費用重復進行。另外，用戶在創建物體時的一些條件(例如光學掃描設備需要有開闊的視線)可能就不再需要了。
[0016]優選的方式包括一個或多個線段、圓圈、圓形線段、橢圓形、橢圓線段、三角形或矩形等基本幾何圖形。在這些圖形的基礎上可以最近似地構成任何復雜的物體。在一個變體中所有基本幾何圖形總是位于一個層級。由此可以更好地獲取用戶的意圖，并改善物體的建模。
[0017]在一個最好的實施例中，首先識別兩維的幾何圖形，隨后在識別出的兩維圖形的基礎上再識別或構建一個或多個三維圖形。通過這種分級識別在識別更復雜的三維物體之前可以更好的表達或糾正如沒有完全閉合的線段這樣的不精確性，從而改善該系統或程序的識別功效。
[0018]在另一個實施例中，識別出的三維圖形配有表面，這個表面以后可以由用戶操縱或通過擠壓、旋轉或伸展在參數上繼續處理。如此提供的設計數據可以更實際的或更容易的被處理。
[0019]這個發明的計算機程序產品包括執行所描述程序的程序代碼裝置，如果它在一個實施設備上運行或存儲在一個計算機可閱讀的媒介上的話。
【附圖說明】
[0020]上面描述的本發明的特性、特征和優點及其形成的種類和方式，用下列實施例的描述將能更清晰和明確地理解，并且用示意圖進一步地說明，在此以下列附圖表示:
[0021 ]圖1所示為一個提供幾何設計數據的系統；
[0022]圖2為一個創建三維自由曲面的示范性工具；
[0023]圖3為創建三維自由曲面的示范性工具的另一張視圖；
[0024]圖4為三維自由曲面轉換為自由曲面設計數據的程序流程圖；
[0025]圖5為幾何圖形示范識別的第一個步驟；
[0026]圖6為幾何圖形示范識別的第二個步驟；
[0027]圖7為幾何圖形示范識別的第三個步驟；
[0028]圖8為幾何圖形示范識別的第四個步驟；
[0029]圖9以汽車模型為例的邊緣識別，和
[0030]圖10圖9汽車模型的邊緣。
【具體實施方式】
[0031]圖1顯示的是一個提供幾何設計數據的系統100，該系統包括一個工具105、一個光學掃描設備110、一個處理設備115和一個轉換設備120。
[0032]工具105是如此設立的:即由用戶操縱，以便提供能快速圍住物體的線束。在表述的示范性的實施例中借助該工具105可以加熱塑料130并由一個噴嘴135射出。加熱后的線束125在從噴嘴135噴出時是柔韌的并迅速冷卻和硬化。例如硬化的時間為I秒或更短。在硬化之后線束125顯示出了事先確定的彈性特征或者是僵硬的。由一位用戶操縱的線束125能構成任意形狀。這樣用戶可以借助該工具105制成一個在圖1中表現為埃菲爾鐵塔塔身的三維自由曲面140。在此自由曲面140通常作為晶格結構由線束125的片段組成，這些片段以優先的方式總是在一個層級和連接兩點。在一個實施方案中所有片段都是直線，在另一個實施例中也可能是弧線。
[0033]光學掃描設備110設計為可以掃描構建自由曲面140的線束125。在圖1顯不的第一種實施例中，掃描設備110包括一個帶兩臺立體相機145的光學定位系統。在自由曲面140創建過程中相機145追蹤工具105在空間的位置并確定是否發出了線束125。工具105在一個實施方案中以最好是光學上可溶的反射標記形式進行被動標記，或者以可識別光源的形式進行主動標記。在另一個實施方案中設計成能提供結構化光線的光源，以便照亮射出的線束125。例如結構化光線可以包括照亮工具105使用的區域的點狀圖案或線條圖案，以便創建自由曲面140。然后根據工具105上結構化光線的反射由相機145掃描工具105的位置。在一個實施方案中也可以只有一臺相機145。
[0034]在另一個變體中，光學掃描設備是如此設計的:即如果用戶借助工具105設計完成了自由曲面140時，三維自由曲面才掃描。另外自由曲面140也可以憑借相機145由一個或多個視角被光學掃描。在一個實施例中，只有一臺相機145，自由曲面140可以面對相機145移動，例如在一個旋轉盤上，以便使相機145得到不同的視角。上面描述的帶結構化燈光的實施方案原則上在這一變體上也可以使用。