基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法及系统

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，具体涉及一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法及系统。

背景技术

目前，在船舶设计及船舶线型优化过程中，船舶三维几何的精确描述或表达对船舶试验及建造有着至关重要的作用。在实际生产经营过程中，由于知识产权的缘故，船东、船舶设计院、研究所及船厂之间通常分别以二维型线图或船舶几何文件作为基础来进行单个项目的技术交流，然后各参与单位以各自所持有的三维建模软件来进行三维造型，以便完成各自负责的相应环节。

但由于各参与单位不在同一个全生命周期的管理体系下，且各参与单位所持有的三维建模软件不尽相同，很难保证各个环节采用的三维几何模型完全一致且不会产生偏差，且几何模型的曲面重合度检测是相当复杂的，很难单纯用曲面的布点来表征两个曲面是重合的，毕竟布点数量是有限的，且不连续的。

因此，亟需一种在各参与单位使用各自的三维建模软件的基础上，能够使其达到三维建模一致性的三维建模调整方法。

发明内容

为解决目前各个单位在船舶设计及船舶线型优化过程中存在的三维几何模型不一致或偏差等问题，本发明提供了一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法，基于船舶的原始几何模型和新建三维几何模型，计算出线偏差度和斜率偏差度作为曲面重合度检测法的检测参考量，进而调整新建三维几何模型，有助于调整各单位的几何模型一致性，有效减少了几何模型偏差。本发明还涉及一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

模型建立步骤：获取上一单位提供的船舶的原始几何模型，基于原始几何模型的基本参数并采用下一单位的三维建模软件进行建模得到船舶的新建三维几何模型；

轮廓线获取及布点步骤：沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，并分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，再将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开形成二维剖面，并将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上；

线偏差度计算步骤：在二维剖面中选取任一位置为坐标原点建立二维坐标系，根据二维坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值和第二轮廓线在与该布点对应的布点处的第二纵坐标值，再根据第一纵坐标值、第二纵坐标值以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一轮廓线和第二轮廓线的线偏差度；

斜率偏差度计算步骤：依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，再分别计算出第一折线和第二折线中各个线段的斜率，根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度；

第二轮廓线调整步骤：在二维剖面中，将计算出的所述线偏差度和斜率偏差度作为曲面重合度检测法的检测参考量评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线；

三维建模调整步骤：将调整后的第二轮廓线在二维剖面内的坐标信息转换到三维的第二剖面内，进而调整船舶的新建三维几何模型。

优选地，所述轮廓线获取及布点步骤中，所述第一剖面和第二剖面的剖面线包括直线、环形线以及任意曲线。

优选地，所述轮廓线获取及布点步骤中，所述第一剖面和第二剖面包括平行剖面、环形剖面和任意曲面剖面。

优选地，所述轮廓线获取及布点步骤中，以法向角度对原始几何模型和新建三维几何模型进行剖切分别得到第一剖面和第二剖面。

优选地，所述轮廓线获取及布点步骤中，沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点时所有相邻两点之间的间隔相等。

优选地，第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量根据原始几何模型或新建三维几何模型的曲面复杂程度增减，在第一轮廓线或第二轮廓线曲率变化大的地方增加布点数量。

一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整系统，其特征在于，包括依次连接的模型建立模块、轮廓线获取及布点模块、线偏差度计算模块、斜率偏差度计算模块、第二轮廓线调整模块和三维建模调整模块，

所述模型建立模块，获取上一单位提供的船舶的原始几何模型，基于原始几何模型的基本参数并采用下一单位的三维建模软件进行建模得到船舶的新建三维几何模型；

所述轮廓线获取及布点模块，沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，并分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，再将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开形成二维剖面，并将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上；

所述线偏差度计算模块，在二维剖面中选取任一位置为坐标原点建立二维坐标系，根据二维坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值和第二轮廓线在与该布点对应的布点处的第二纵坐标值，再根据第一纵坐标值、第二纵坐标值以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一轮廓线和第二轮廓线的线偏差度；

所述斜率偏差度计算模块，依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，再分别计算出第一折线和第二折线中各个线段的斜率，根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度；

所述第二轮廓线调整模块，在二维剖面中，将计算出的所述线偏差度和斜率偏差度作为曲面重合度检测法的检测参考量评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线；

所述三维建模调整模块，将调整后的第二轮廓线在二维剖面内的坐标信息转换到三维的第二剖面内，进而调整船舶的新建三维几何模型。

优选地，所述轮廓线获取及布点模块中，所述第一剖面和第二剖面的剖面线包括直线、环形线以及任意曲线。

优选地，所述第一剖面和第二剖面包括平行剖面、环形剖面和任意曲面剖面。

优选地，所述轮廓线获取及布点模块中，沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点时所有相邻两点之间的间隔相等，或所有相邻两点之间的间隔随着第一轮廓线和第二轮廓线的曲率半径增大而减少。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法，用于船舶设计及船舶线型优化过程中船舶三维几何的精确描述或表达，首先获取上一单位提供的船舶的原始几何模型，基于原始几何模型的基本参数并采用下一单位的三维建模软件进行建模得到船舶的新建三维几何模型，再沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，以最大化展示不同曲面之间的差异，并分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，再将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开形成二维剖面，并将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上；然后选取二维剖面中的任一位置为坐标原点建立二维坐标系，根据二维坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值和第二轮廓线在与该布点对应的布点处的第二纵坐标值，再根据第一纵坐标值、第二纵坐标值以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一轮廓线和第二轮廓线的线偏差度(作为曲面重合度检测法的一个检测参考量)，再依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，再分别计算出第一折线和第二折线中各个线段的斜率，根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度(作为曲面重合度检测法的另一个检测参考量)，可以精准的检测曲面特征是否一致；最后在二维剖面中，基于所述线偏差度和斜率偏差度评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线，将调整后的第二轮廓线在二维剖面内的坐标信息转换到三维的第二剖面内，进而调整船舶的新建三维几何模型。本发明从上一单位提供的图纸或几何模型，获取基本参数；并在下一单位的三维建模软件中，依据获取的所述基本参数创建本单位的三维几何模型；然后通过特定的线偏差度和斜率偏差度检测方法来检验三维几何曲面重合度，并获取线偏差度和斜率偏差度，再基于所述线偏差度和斜率偏差度调整三维几何模型，采用线偏差度和斜率偏差度作为检测参考量，通过计算线偏差度和斜率偏差度来定量评估新建三维几何模型与原始几何模型之间的曲面差异，可以精准地检测曲面特征是否一致，在各参与单位使用各自的三维建模软件的基础上能够达到三维建模的一致性，能够适用于非同一全生命周期管理体系的单位，可以贯穿设计、试验、验证及生产制造等环节，有助于调整各单位的几何模型一致性，有效减少了几何模型偏差。

本发明还涉及一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整系统，该系统与上述的基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法相对应，可理解为是一种实现上述基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法的系统，包括依次连接的模型建立模块、轮廓线获取及布点模块、线偏差度计算模块、斜率偏差度计算模块、第二轮廓线调整模块和三维建模调整模块，各模块相互协同工作，基于船舶的原始几何模型和新建三维几何模型，采用曲面重合度检测法——通过计算出线偏差度和斜率偏差度来判断——以评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线，进而得到调整后的新建三维几何模型，有助于调整各单位的几何模型一致性，有效减少了几何模型偏差。

附图说明

图1是本发明基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法的流程图。

图2是本发明平行剖面截取示意图。

图3是本发明环形剖面截取示意图。

图4是本发明任意曲面剖面截取示意图。

图5是本发明轮廓线及布点展开在二维剖面内的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法，该方法的流程图如图1所示，依次包括以下步骤：

1、模型建立步骤：先基于上一单位提供的船舶二维型线图或船舶几何模型获取船舶的原始几何模型，进而获取基本参数(即船舶主尺度参数，比如船长、船宽、船深和吃水等)，各个单位(或者说是下一单位)再基于原始几何模型的基本参数并采用三维建模软件进行建模得到船舶的新建三维几何模型。

2、轮廓线获取及布点步骤：沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，并分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，再将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开形成二维剖面，并将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上。

具体地，先沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，其中，第一剖面和第二剖面的剖面线可优选包括直线、环形线以及任意曲线。可以理解的是，对原始几何模型和新建三维几何模型进行剖切时，可以任意角度进行剖切，以法向角度最佳，可以最大化展示不同曲面之间的差异。然后分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，并将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开，形成二维剖面，在这过程中，将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上。其中，沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点时所有相邻两点之间的间隔相等，或沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点时所有相邻两点之间的间隔随着第一轮廓线和第二轮廓线的曲率半径增大而减少，即根据第一轮廓线和第二轮廓线的复杂程度选择增加或减少布点数量，例如第一轮廓线和第二轮廓线中曲率变化较大的地方，布点越密。优选地，如图2-4所示，第一剖面和第二剖面均包括平行剖面、环形剖面和任意曲面剖面。图2中的平行剖面为一系列相互平行的剖面，其间距可以通过目测的方法对曲率变化较大的位置适当减小间距，另外，平行剖面的位置不限于初始的AA系列剖面，可以进行360度旋转，图2中BB系列剖面即为旋转后的系列剖面。图3和图4中的环形剖面是基于曲面的视角法向投影曲线进行等间距或等比例偏置而得到，ABC系列剖面由外向内呈现逐步缩小的过程，可以理解的是，在列举系列剖面时，不限于ABC三个剖面数量。

3、线偏差度计算步骤：在二维剖面中，选取任一位置为坐标原点建立二维坐标系，根据二维坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值和第二轮廓线在与该布点对应的布点处的第二纵坐标值，再根据第一纵坐标值、第二纵坐标值以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一轮廓线和第二轮廓线的线偏差度。

具体地，先选取二维剖面中的任一位置为坐标原点O建立二维坐标系，其中，二维坐标系的横坐标沿着第一剖面或第二剖面的剖面线建立，纵坐标沿着剖面线的法向建立，然后根据坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值y

上式中，y

4、斜率偏差度计算步骤：依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，再分别计算出第一折线和第二折线中各个线段的斜率，根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度。

具体地，如图5所示，实线为第一轮廓线，虚线为第二轮廓线，先依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，例如，将第一轮廓线或第二轮廓线上位于①、②、③、④、⑤处的布点均作为相邻布点，将位于①、②处的相邻布点采用直线进行连接，以此类推，分别连接②、③处，③、④处，以及④、⑤处的相邻布点得到由多个线段构成的第一折线和第二折线，然后再根据第一折线和第二折线上任意相邻两点的坐标(x

最后根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度，其中，第一折线和第二折线的斜率偏差度S'

上式中，y′

5、第二轮廓线调整步骤：在二维剖面中，基于曲面重合度检测法的检测参考量——线偏差度和斜率偏差度评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线，即逐渐使其线偏差度和斜率偏差度的值变小以使第二轮廓线趋近于第一轮廓线。其中，线偏差度和斜率偏差度的值越小，重合度越高。

6、三维建模调整步骤：将调整后的第二轮廓线在二维剖面内的坐标信息再转换到三维的第二剖面内，进而调整船舶的新建三维几何模型，实现了基于重合度来调整三维几何模型的过程。

曲面重合度检测是相当复杂的，很难单纯用曲面的布点来表征两个曲面是重合的，毕竟布点数量是有限的，且不连续的。本发明采用采用线偏差度和斜率偏差度作为检测参考量，即综合线偏差度计算和斜率偏差度构建的曲面重合度检测法，通过计算线偏差度和斜率偏差度来定量评估新建三维几何模型与原始几何模型之间的曲面差异，可以精准地检测曲面特征是否一致，有助于调整各单位的几何模型一致性。

本发明还涉及了一种基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整系统，该系统与上述基于曲面重合度检测法的船舶三维建模调整方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，该系统包括依次连接的模型建立模块、轮廓线获取及布点模块、线偏差度计算模块、斜率偏差度计算模块、第二轮廓线调整模块和三维建模调整模块，具体地，

所述模型建立模块，获取上一单位提供的船舶的原始几何模型，基于原始几何模型的基本参数并采用下一单位的三维建模软件进行建模得到船舶的新建三维几何模型；

所述轮廓线获取及布点模块，沿某一方向对原始几何模型进行剖切得到三维的第一剖面，并沿与该方向相同的方向对新建三维几何模型进行剖切得到三维的第二剖面，第一剖面与原始几何模型的轮廓相交形成第一轮廓线，第二剖面与新建三维几何模型的轮廓相交形成第二轮廓线，并分别沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点，再将第一剖面或第二剖面沿着剖线在二维平面内展开形成二维剖面，并将第一轮廓线、第二轮廓线以及对应的布点映射至二维剖面上；

所述线偏差度计算模块，在二维剖面中选取任一位置为坐标原点建立二维坐标系，根据二维坐标系得到第一轮廓线在某个布点处的第一纵坐标值和第二轮廓线在与该布点对应的布点处的第二纵坐标值，再根据第一纵坐标值、第二纵坐标值以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一轮廓线和第二轮廓线的线偏差度；

所述斜率偏差度计算模块，依次将第一轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第一折线，并依次将第二轮廓线中的所有相邻布点采用直线进行连接，得到由多个线段构成的第二折线，再分别计算出第一折线和第二折线中各个线段的斜率，根据第一折线中某个线段的斜率、第二折线中与该线段对应的线段的斜率、以及第一轮廓线或第二轮廓线的布点数量计算出第一折线和第二折线的斜率偏差度；

所述第二轮廓线调整模块，在二维剖面中，将计算出的所述线偏差度和斜率偏差度作为曲面重合度检测法的检测参考量评估出第一轮廓线与第二轮廓线的重合度，根据重合度调整第二轮廓线趋近于第一轮廓线；

所述三维建模调整模块，将调整后的第二轮廓线在二维剖面内的坐标信息转换到三维的第二剖面内，进而调整船舶的新建三维几何模型。

优选地，轮廓线获取及布点模块中，所述第一剖面和第二剖面的剖面线包括直线、环形线以及任意曲线。

优选地，第一剖面和第二剖面包括平行剖面、环形剖面和任意曲面剖面。

优选地，轮廓线获取及布点模块中，沿着第一轮廓线和第二轮廓线进行布点时所有相邻两点之间的间隔相等，或所有相邻两点之间的间隔随着第一轮廓线和第二轮廓线的曲率半径增大而减少。

本发明提供了客观、科学的基于曲面重合度检测法的三维建模调整方法及系统，基于船舶的原始几何模型和新建三维几何模型，采用曲面重合度检测法——通过计算出线偏差度和斜率偏差度来检验新建三维几何模型曲面重合度，进而调整新建三维几何模型，有助于调整各单位的几何模型一致性，有效减少了几何模型偏差。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。