船體三維模型切片數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

景乾峰，尹 勇，神和龍，王智洲

(大連海事大學(xué)，遼寧大連116026)

0 引 言

在船舶運(yùn)動(dòng)仿真、波浪載荷以及船舶配載等領(lǐng)域，船體型線數(shù)據(jù)扮演著關(guān)鍵角色。通過船體剖面數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行諸多船舶水動(dòng)力的計(jì)算[1]。剖面數(shù)據(jù)一般源自船舶二維型線文件，該文件描述了對(duì)應(yīng)肋位的剖面數(shù)據(jù)，如需更密集的數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行插值獲取，文獻(xiàn)[2]在求解船體濕表面網(wǎng)格時(shí)采取了插值加密的方式，文獻(xiàn)[3]在求解流場(chǎng)勢(shì)中也使用了該方法，但插值計(jì)算過程較為復(fù)雜且有一定的局限性，若能直接從船體模型獲取剖面數(shù)據(jù)則能避免這種局限性且簡化計(jì)算過程。利用船體三維模型切片計(jì)算已有諸多成果，文獻(xiàn)[4]提出一種利用水尺平面切割STL模型的方法進(jìn)行船舶吃水轉(zhuǎn)換，文獻(xiàn)[5]利用幾何算法庫進(jìn)行船體切片來計(jì)算船舶濕面積，因此在船體計(jì)算領(lǐng)域，快捷地獲取精確的船舶剖面數(shù)據(jù)是計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)。本文提出一種船體三維模型切片數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，結(jié)合3D打印中的核心技術(shù)[6]，對(duì)船體STL模型進(jìn)行切片處理，獲取精確的船舶剖面數(shù)據(jù)，而且不局限于方向和數(shù)量，對(duì)于船體計(jì)算等領(lǐng)域有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 船體三維模型處理平臺(tái)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

從平臺(tái)設(shè)計(jì)的通用性及有效性出發(fā)，本文設(shè)計(jì)的船體三維模型切片數(shù)據(jù)處理平臺(tái)包含4個(gè)模塊，如圖1所示。其中三維模型讀取模塊負(fù)責(zé)船體STL模型數(shù)據(jù)的讀??；切片處理模塊中能夠?qū)ΥwSTL模型進(jìn)行任意方向、任意數(shù)量的切片操作；數(shù)據(jù)冗余剔除模塊能夠?qū)η衅玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，減少冗余的數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)據(jù)可視化模塊提供三維及二維切片數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化功能。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Platform suructure

1.2 平臺(tái)界面

船體三維模型切片數(shù)據(jù)處理平臺(tái)界面如圖2所示，主要包含三維顯示、二維顯示、切片控制3部分交互界面。

圖2 平臺(tái)交互界面Fig.2 Platform user interface

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維模型讀取模塊

STL文件格式是一種三維模型中最通用的接口協(xié)議，本平臺(tái)主要針對(duì)STL格式的模型進(jìn)行處理。STL文件又稱立體光造型文件，是三維實(shí)體模型經(jīng)過三角化后得到的模型文件，其文件內(nèi)容無序地列出了構(gòu)成實(shí)體表面的所有三角形面片的信息。每個(gè)三角形由3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)以及三角形平面的法矢量信息表示。STL文件分為ASCII和二進(jìn)制2種格式，三維模型讀取模塊首先確定STL模型文件的格式，然后依據(jù)固定格式讀取并保存模型中的三角面片數(shù)據(jù)，船體模型及三角面片如圖3所示。

圖3 KVLCC2 船體 STL 模型Fig.3 STL model of KVLCC2

2.2 切片處理模塊

本文基于開源3D打印程序Slic3r[7]建立了一個(gè)STL模型切片接口類，利用該程序中的三角網(wǎng)格類Class TriangleMesh進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同切片方向、不同切片數(shù)量的STL模型切片方法，并采取PIMPL模式對(duì)其進(jìn)行封裝，封裝后的動(dòng)態(tài)鏈接庫接口簡潔并與平臺(tái)其他模塊解耦，修改接口類方法對(duì)其他模塊無影響。切片模塊對(duì)外設(shè)計(jì)接口包含4項(xiàng)內(nèi)容，分別是切片數(shù)量、切片軸、切片軸夾角、偏移量，切片將沿著切片軸方向進(jìn)行，并按照指定的軸夾角和切片數(shù)量進(jìn)行切片，通過交互界面可以輸入或選擇相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行操作。該模塊內(nèi)部定義了錯(cuò)誤切面的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了切面的檢測(cè)功能，當(dāng)切面檢測(cè)為錯(cuò)誤時(shí)，利用輸入的偏移量對(duì)切片位置進(jìn)行小幅度的偏移并在新切片位置上重新進(jìn)行切片。切片操作具體流程如圖4所示。

圖4 切片流程圖Fig.4 Slice flowchart

讀取STL模型后根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)，沿切片軸方向等分獲取切片位置，保存為切片位置列表，根據(jù)位置列表循環(huán)切片，檢測(cè)到錯(cuò)誤切面時(shí)進(jìn)行小幅度偏移，直到切面無錯(cuò)誤為止，當(dāng)切片位置遍歷完畢后結(jié)束接片，并發(fā)送切片完畢信息。以KVLCC2模型數(shù)據(jù)[8]為例，切片數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 KVLCC2 船體切片數(shù)據(jù)Fig.5 Slice data of KVLCC2

2.3 切片數(shù)據(jù)存取模塊

平臺(tái)每執(zhí)行一次切片操作就會(huì)保存相應(yīng)的切片數(shù)據(jù)，為保證切片數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)清晰，本平臺(tái)根據(jù)切片參數(shù)和STL模型名稱對(duì)切片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。對(duì)STL模型進(jìn)行首次切片操作會(huì)生成以該模型名稱附加SD（Slice Data）的文件夾，每一次切片數(shù)據(jù)會(huì)以STL名稱+切片軸+軸夾角+切片數(shù)量+后綴SD為格式存儲(chǔ)，本平臺(tái)為切片數(shù)據(jù)制定了統(tǒng)一格式，并于接口類中實(shí)現(xiàn)了該格式切片數(shù)據(jù)的讀寫方法。

2.4 數(shù)據(jù)冗余濾除模塊

由于STL模型的復(fù)雜程度不同，其三角面片的數(shù)量不定，經(jīng)過切片操作后的切面數(shù)據(jù)點(diǎn)可能過多且分布不均，不利用進(jìn)一步計(jì)算，尤其在曲率變化較大的部位會(huì)產(chǎn)生大量冗余。因此為獲得高質(zhì)量、低冗余的切面數(shù)據(jù)，本模塊實(shí)現(xiàn)了一種切面數(shù)據(jù)點(diǎn)的冗余濾除方法，該方法通過遍歷數(shù)據(jù)點(diǎn)間距來獲取間距的極值，根據(jù)該極值對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行加密后再根據(jù)所需數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行二次提取以獲得去冗余的切面數(shù)據(jù)，圖6展示了5個(gè)不同部位的船舶橫向切片數(shù)據(jù)去冗余前后對(duì)比。

圖6 冗余濾除前后數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Redundant filtering comparison

2.5 數(shù)據(jù)可視化模塊

本平臺(tái)為切片處理設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化模塊，能夠直觀并迅速地展示切片結(jié)果，三維顯示將STL原始模型和切片數(shù)據(jù)在同一界面內(nèi)展示，可用鼠標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)縮放觀察，二維顯示可對(duì)切片數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇顯示，根據(jù)所選的坐標(biāo)軸向和切片序號(hào)展示相應(yīng)的二維切片數(shù)據(jù)，該可視化模塊可以便捷地觀察切片數(shù)據(jù)，能夠直觀、即時(shí)地提供切片操作的驗(yàn)證，增強(qiáng)了平臺(tái)的可靠性。

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為進(jìn)一步確保平臺(tái)所獲得的切片數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文選取橢球體模型和船舶模型進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，建立了5個(gè)不同長寬比的四分之一橢球體STL模型，部分模型及切片數(shù)據(jù)示例如圖7所示，船舶模型采用KVLCC2。

圖7 部分橢球體模型及切片數(shù)據(jù)Fig.7 Ellipsoid model and slice data

由于橢球體形狀規(guī)則，通過式（1）計(jì)算能夠得到其體積

依此理論值為基礎(chǔ)，橢球體參數(shù)如表1所示。

表1 橢球體模型及切片數(shù)據(jù)Tab.1 Ellipsoid model and slice data

在固定坐標(biāo)軸、軸夾角的情況下，采取不同的切片數(shù)量對(duì)橢球體模型進(jìn)行切片，基于式（2），利用切片面積積分計(jì)算該橢球體的體積。

將數(shù)值計(jì)算與理論值進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)誤差如圖8所示。

圖8 體積相對(duì)誤差Fig.8 Relative error of volume

對(duì)KVLCC2船體模型進(jìn)行不同數(shù)量的切片，基于切片數(shù)據(jù)計(jì)算船舶排水體積并于實(shí)際值比較，結(jié)果如表2所示。

表2 KVLCC2模型排水體積對(duì)比Tab.2 Volumecalculated comparison

經(jīng)本平臺(tái)切片數(shù)據(jù)計(jì)算所得的模型體積與理論值符合度較高，最大相對(duì)誤差為0.129%，隨著切片數(shù)量的增加，體積的計(jì)算精度有所提高并逐漸趨于穩(wěn)定，因此在適當(dāng)?shù)那衅瑪?shù)量和冗余參數(shù)下，既可以保證切片數(shù)據(jù)的精度又可以盡可能減少數(shù)據(jù)量，本平臺(tái)為選取這樣適當(dāng)?shù)膮?shù)提供了十分便利的條件。

4 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了船體三維模型切片數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，該平臺(tái)主要包含讀取不同格式的STL模型、進(jìn)行任意方向和數(shù)量的切片、濾除切片數(shù)據(jù)的冗余、讀寫固定格式的切片數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的可視化4項(xiàng)功能，通過實(shí)際算例驗(yàn)證，船體切片所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，冗余去除算法有效地減少了數(shù)據(jù)量，切片數(shù)據(jù)讀寫為后續(xù)研究工作提供了便利條件。在獲取船舶剖面數(shù)據(jù)方面，能夠有效地降低從船舶型值文件中插值計(jì)算的工作量，減少人為干擾帶來的誤差，該平臺(tái)能夠較好地應(yīng)用于船舶運(yùn)動(dòng)仿真、波浪載荷計(jì)算以及船舶配載計(jì)算等領(lǐng)域。