本文選題：3D打印　切入點(diǎn)：內(nèi)部空腔設(shè)計(jì)　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：三維模型的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基本的研究問(wèn)題之一。三維模型設(shè)計(jì)工具在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和影視動(dòng)畫等多個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。3D打印技術(shù)的日漸興起激發(fā)了普通用戶對(duì)三維模型設(shè)計(jì)的需求。人們想要設(shè)計(jì)和制造個(gè)性化的物品,卻又缺乏使用專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件所需的技能。因此,為普通用戶開發(fā)簡(jiǎn)單易用的三維模型設(shè)計(jì)工具成為了近年圖形學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)普通用戶的操作習(xí)慣,研究了如何利用交互式界面、物理仿真集成和優(yōu)化算法等手段開發(fā)便于普通用戶使用的三維模型設(shè)計(jì)工具,具體包括:·一個(gè)基于三角形面網(wǎng)格的內(nèi)部空腔生成算法,用于設(shè)計(jì)具有特定質(zhì)量分布的三維模型。我們借用形狀優(yōu)化領(lǐng)域中半歐拉導(dǎo)數(shù)的概念,將優(yōu)化問(wèn)題中的能量函數(shù)聯(lián)系到空腔邊界上的速度場(chǎng)上,通過(guò)迭代地移動(dòng)空腔邊界來(lái)生成滿足功能性設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)空腔形狀。除了將該算法應(yīng)用在可穩(wěn)定站立和可穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)模型的設(shè)計(jì)問(wèn)題上,我們還提出了一個(gè)設(shè)計(jì)可漂浮模型的新應(yīng)用。· 一個(gè)既能滿足三維模型功能性設(shè)計(jì)需要,又無(wú)需使用3D打印支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔生成算法。我們使用具有免支撐性質(zhì)的斜六面體結(jié)構(gòu)作為空間體素化的基本單元,并設(shè)計(jì)了體素結(jié)構(gòu)之間的合并算法。通過(guò)推導(dǎo)體素上體積分的參數(shù)化公式,我們?yōu)槟Ｐ偷墓δ苄栽O(shè)計(jì)目標(biāo)構(gòu)造了優(yōu)化函數(shù),并交替進(jìn)行優(yōu)化求解和體素合并兩個(gè)過(guò)程來(lái)生成最終的空腔形狀。我們用這個(gè)方法設(shè)計(jì)了可穩(wěn)定站立和可穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的三維模型,并打印了實(shí)物模型對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證�！ひ粋�(gè)集成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的三維模型形狀編輯系統(tǒng),為用戶提供即時(shí)的物理仿真反饋。我們將四面體網(wǎng)格劃分為網(wǎng)格域,并以網(wǎng)格域作為形狀編輯和有限元系統(tǒng)更新的基本單元。通過(guò)為剛度矩陣中的元素推導(dǎo)參數(shù)化公式,并以網(wǎng)格域?yàn)閱挝粚?duì)有限元系統(tǒng)進(jìn)行局部更新,我們的系統(tǒng)能夠快速地完成有限元系統(tǒng)和四面體網(wǎng)格之間的同步,實(shí)時(shí)地計(jì)算模型上的應(yīng)力分布情況。系統(tǒng)還包括一個(gè)基于網(wǎng)格域的優(yōu)化算法,能夠自動(dòng)地改變模型的局部形狀來(lái)降低模型上的最大等效應(yīng)力�！ひ粋�(gè)基于勾畫的三維模型旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫設(shè)計(jì)系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的交互界面,允許用戶通過(guò)勾畫曲線的方式設(shè)定模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度變化軌跡。系統(tǒng)能夠通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題自動(dòng)地生成最貼近用戶輸入的軌跡曲線,同時(shí)又滿足關(guān)鍵幀朝向約束的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫。
[Abstract]:The design of 3D model is one of the most basic research problems in computer graphics. 3D model design tools have been widely used in many fields, such as product design and film animation. People want to design and manufacture personalized objects. Therefore, the development of simple and easy to use 3D model design tools for ordinary users has become a research hotspot in the field of graphics in recent years. This paper studies how to use interactive interface, physical simulation integration and optimization algorithms to develop 3D model design tools for common users, including: 路an internal cavity generation algorithm based on triangular mesh. By using the concept of semi-Euler derivative in the field of shape optimization, the energy function of the optimization problem is related to the velocity field on the boundary of the cavity. The optimal cavity shape is generated by iteratively moving the cavity boundary to meet the functional design objectives. In addition, the proposed algorithm is applied to the design of stable standing and stable rotation models. We also propose a new application for the design of floatable models. We also do not need to use the 3D printing support structure of the internal cavity generation algorithm. We use an oblique hexahedron structure with no support as the basic unit of spatial voxelization. By pushing the parameterized formula of the upper body integral of the conductor element, we construct the optimization function for the functional design objective of the model. In order to generate the final cavity shape, we design a three dimensional model which can stand stably and rotate stably. And print the physical model to verify the algorithm. 路A three-dimensional model shape editing system integrated with structural strength analysis provides immediate physical simulation feedback for users. We divide tetrahedron mesh into grid domain. Taking the grid domain as the basic element of shape editing and finite element system updating, the parameterized formula is derived for the elements in the stiffness matrix, and the local updating of the finite element system is carried out in the grid domain. Our system can quickly synchronize the finite element system and tetrahedron mesh and calculate the stress distribution on the model in real time. The system also includes an optimization algorithm based on mesh domain. Can automatically change the local shape of the model to reduce the maximum equivalent stress on the model. 路A 3D model rotation animation design system based on sketch. We designed a new interactive interface. The system can automatically generate the trajectory closest to the user's input by solving optimization problems. At the same time, it meets the key frame orientation constraints of the rotation animation.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：1583874