一種基于Grid模型的STL模型建模方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于Grid模型的STL模型建模方法，通過轉(zhuǎn)換Grid模型并建立六面綜合墻，生成三角網(wǎng)后輸出STL模型，連接3D打印機(jī)即可打印該STL模型。本發(fā)明專利技術(shù)采用的方法通過分析STL模型和Grid模型的結(jié)構(gòu)特征，以ESRI?Grid模型為切入，借助計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)Grid模型向STL模型的轉(zhuǎn)換與生成，該方法有效解決了當(dāng)前Grid模型無法直接生成3D打印模型的問題，有效擴(kuò)展了二維地形圖的立體實(shí)物呈現(xiàn)，極大提升了其應(yīng)用價(jià)值，特別是軍事領(lǐng)域及地理測(cè)繪分析領(lǐng)域。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種基于Grid模型的STL模型建模方法，具體為基于Grid模型的STL模型建模方法，屬于地理信息技術(shù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel)，簡(jiǎn)稱DEM，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面數(shù)字化模擬(即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá))它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型(DigitalTerrainModel，簡(jiǎn)稱DTM)的一個(gè)分支。Grid模型即規(guī)則格網(wǎng)模型，是表征地形表面的重要存儲(chǔ)模式，也是當(dāng)前數(shù)字高程模型主流表現(xiàn)形式之一。該模型是將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)高程數(shù)值，已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃與管理、軍事戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略指揮等領(lǐng)域。ESRIGrid格式為美國(guó)ESRI公司目前表征Grid規(guī)則格網(wǎng)模型的最為常見格式之一。Grid模型(如圖1a所示)具有規(guī)則的行列間距相等的格網(wǎng)，行列數(shù)分別為ncols和nrows；每個(gè)格網(wǎng)單元(cellsize，單元格大小)對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值(h)。其中，ESRIGrid文件格式是ArcGIS軟件官方的柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，其結(jié)構(gòu)包括文件頭格式和數(shù)據(jù)格式，柵格的空間位置由左下角像元的位置決定。文件頭格式是由關(guān)鍵字和配對(duì)的信息組成，數(shù)據(jù)格式部分在文件頭后面，各像元值由空格分隔。ESRIGrid模型的數(shù)據(jù)文本呈現(xiàn)如下面數(shù)據(jù)示例。數(shù)據(jù)示例：STL(Stereolithography)模型即三維實(shí)體模型，實(shí)體模型是在三角形所確定三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由一組通過空間位置，在不同平面內(nèi)的線相互連接而成，實(shí)體模型是建立三維模型的基礎(chǔ)。三維實(shí)體模型可通過三角化處理得到3D打印模型。該模型的文件格式是美國(guó)3DSYSTEM公司于1988年制定的接口協(xié)議，已發(fā)展成當(dāng)前工業(yè)界主流標(biāo)準(zhǔn)。由于STL構(gòu)模簡(jiǎn)單、易理解，用三角網(wǎng)表示3D打印模型，可廣泛應(yīng)用于快速成形、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)控加工、有限元分析等3D打印
STL模型(圖1b)是一種用許多空間小三角面片(三角網(wǎng))逼近三維實(shí)體表面的數(shù)據(jù)模型，STL模型的數(shù)據(jù)通過給出組成三角形法向量的3個(gè)分量(用于確定三角面片的正反方向)及三角形的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。STL模型表現(xiàn)為STL數(shù)據(jù)文件格式，一個(gè)完整的STL文件記載了組成實(shí)體模型的所有三角形面片的法向量數(shù)據(jù)和頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。每個(gè)三角形頂點(diǎn)的排列順序遵循右手法則。目前STL文件分為ASCII明碼格式和二進(jìn)制格式兩種。所述STL模型的存儲(chǔ)ASCII格式如下:其中：①為自定義文件頭；②為三角面片法向量的三個(gè)分量值；④為三角面片三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)；⑧為完成一個(gè)三角面片定義。當(dāng)前，Grid模型不能被主流的3D打印設(shè)備生產(chǎn)商所支持，不能直接3D打印。現(xiàn)有已公開的中國(guó)專利CN105479742A中公開的基于NSDTF-DEM數(shù)據(jù)的紙基3D打印方法，其中公開的轉(zhuǎn)換方式是基于特定的第三方軟件來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換生成模型，并僅能夠進(jìn)行紙基3D打印，不具有通用性。因此，開發(fā)一種能夠轉(zhuǎn)換2D模型數(shù)據(jù)至3D模型數(shù)據(jù)的通用轉(zhuǎn)換方法是本領(lǐng)域轉(zhuǎn)換時(shí)亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種。為實(shí)現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：基于Grid模型的STL模型建模方法，通過轉(zhuǎn)換Grid模型并建立六面綜合墻，生成三角網(wǎng)后輸出STL模型，連接3D打印機(jī)即可打印該STL模型。優(yōu)選的，基于Grid模型的STL模型建模方法包括如下步驟：a.讀取Grid模型，以左下角坐標(biāo)為起始坐標(biāo)，從左到右、從下往上讀取至右上角高程點(diǎn)，同時(shí)以格網(wǎng)單元間隔(cellsize)讀取高程值和計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)值，并寫入對(duì)應(yīng)數(shù)組；b.模型尺度轉(zhuǎn)換，將Grid模型的地理坐標(biāo)及高程值按比例縮放，打印模型坐標(biāo)；c.粗胚STL模型建模，對(duì)Grid模型進(jìn)行立體式抬升，建立南墻、北墻、東墻及西墻四側(cè)墻，與底部及地表面構(gòu)成六個(gè)綜合墻；d.按照右手法則，構(gòu)建側(cè)墻三角網(wǎng)，側(cè)墻邊緣相鄰兩頂點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)底部頂點(diǎn)兩兩連接，形成兩個(gè)三角形；e.根據(jù)右手法則構(gòu)建底部三角網(wǎng)及地表面三角網(wǎng)；f.以Grid模型左下角為起點(diǎn)，從左到右、從下往上依次生成三角面，建立STL模型。優(yōu)選的，讀取Grid模型時(shí)，讀取信息包括地理坐標(biāo)點(diǎn)值及高程值，Grid模型左下角坐標(biāo)為原點(diǎn)坐標(biāo)(xllcorner,yllcorner)，行列數(shù)分別為nrows和ncols，讀取過程依次從原點(diǎn)坐標(biāo)第一行開始從左向右，從下往上進(jìn)行，直到最右上角高程點(diǎn)；每間隔單元(cellsize)獲取一個(gè)高程點(diǎn)，該高程點(diǎn)坐標(biāo)可通過計(jì)算得到(xllcorner+n*cellsize,yllcorner+n*cellsize)。將所有高程點(diǎn)的坐標(biāo)及高程值，按照所述的讀寫順序分別寫入，用于存儲(chǔ)X坐標(biāo)數(shù)組(xList[nrows*ncols])、Y坐標(biāo)數(shù)組(yList[nrows*ncols])、和高程值數(shù)組(hList[nrows*ncols])。優(yōu)選的，模型尺度轉(zhuǎn)換步驟具體為：計(jì)算地理坐標(biāo)點(diǎn)值的縮放比例因子，計(jì)算出打印X軸和Y軸坐標(biāo)，設(shè)置基準(zhǔn)高，計(jì)算出高程的縮放比例因子，計(jì)算出打印Z軸坐標(biāo)，已知Grid模型地理坐標(biāo)區(qū)域范圍(minLon,minLat,maxLon,maxLat)，高程數(shù)組hList[nrows*ncols]，STL3D打印模型的胚具規(guī)格(Length*width*height)，求解該兩模型間的尺寸轉(zhuǎn)換過程：①、計(jì)算兩模型間在X和Y軸上的縮放比例因子：scaleX＝(maxLon-minLon)/Length；scaleY＝(maxLat-minLat)/Width；②、設(shè)置基準(zhǔn)高(BaseHeight)，作為打印模型的基座：BaseHeigth＝heigth/4；//取經(jīng)驗(yàn)值height/4③、計(jì)算兩模型間在Z軸上的縮放比例因子：graph＝hList.Max()-hList.Min()；//高程最大值與最小值差scaleZ＝graph/(height-BaseHeight)；④、計(jì)算打印模型的坐標(biāo)：X＝(lon-minLon)/scaleX；//X---打印模型X軸坐標(biāo)Y＝(lat-minLat)/scaleY；//Y---打印模型Y軸坐標(biāo)Z＝BaseHeight+(h-hList.Min())/scaleZ。更優(yōu)選的，立體式抬升Grid模型時(shí)，以基準(zhǔn)高為抬升尺度。更優(yōu)選的，構(gòu)建側(cè)墻三角網(wǎng)時(shí)，南墻三角面頂點(diǎn)為逆時(shí)針方向排列，北墻三角面頂點(diǎn)為順時(shí)針方向排列，圖4a中，南墻a、b、z和w四相鄰頂點(diǎn)(即高程點(diǎn))，其中a和b為地表面最南邊緣的兩個(gè)頂點(diǎn)，z和w為對(duì)應(yīng)底部頂點(diǎn)，a和b連接線L1，a和z連接線L2，b和w連接線L3，b和w連接線L4。生成STL模型，新增b和z的連接線L0，繼而形成兩個(gè)三角形S1(a、b、z)和S2(b、z、w)。以S1(a、b、z)為例，求解該三角形的法向量，遵循以下計(jì)算步驟：varab:Object＝newObject()；ab.x＝a.x-b.x；ab.y＝a.y-b.y；ab.h＝a.h-b.h；varbc:Object＝newObject()；bz.x＝b.x-z.x；bz.y＝b.y-z.y；bz.h＝b.h–z.h；然后計(jì)算法線，即另一個(gè)向量。求本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于：通過轉(zhuǎn)換Grid模型并建立六面綜合墻，生成三角網(wǎng)后輸出STL模型。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于：通過轉(zhuǎn)換Grid模型并建立六面綜合墻，生成三角網(wǎng)后輸出STL模型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于：基于Grid模型的STL模型建模方法包括如下步驟：a.讀取Grid模型，以左下角坐標(biāo)為起始坐標(biāo)，從左到右、從下往上讀取至右上角高程點(diǎn)，同時(shí)以格網(wǎng)單元間隔讀取高程值和計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)值，并寫入對(duì)應(yīng)數(shù)組；b.模型尺度轉(zhuǎn)換，將Grid模型的地理坐標(biāo)及高程值按比例縮放，打印模型坐標(biāo)；c.粗胚STL模型建模，對(duì)Grid模型進(jìn)行立體式抬升，建立南墻、北墻、東墻及西墻四側(cè)墻，與底部及地表面構(gòu)成六面綜合墻；d.按照右手法則，構(gòu)建側(cè)墻三角網(wǎng)，側(cè)墻邊緣相鄰兩頂點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)底部頂點(diǎn)兩兩連接，形成兩個(gè)三角形；e.根據(jù)右手法則構(gòu)建底部三角網(wǎng)及地表面三角網(wǎng)；f.以Grid模型左下角為起點(diǎn)，從左到右、從下往上依次生成三角面，建立STL模型。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于，模型尺度轉(zhuǎn)換步驟具體為：計(jì)算地理坐標(biāo)點(diǎn)值的縮放比例因子，計(jì)算出打印X軸和Y軸坐標(biāo)，設(shè)置基準(zhǔn)高，計(jì)算出高程的縮放比例因子，計(jì)算出打印Z軸坐標(biāo)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于：立體式抬升Grid模型時(shí)，以基準(zhǔn)高為抬升尺度。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Grid模型的STL模型建模方法，其特征在于：構(gòu)建側(cè)墻三角網(wǎng)時(shí)，南墻三角面頂點(diǎn)為逆時(shí)針方向排列，北墻三角面頂點(diǎn)為順時(shí)針方向排列。6.根據(jù)權(quán)利...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳新保，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：湖南科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：湖南;43