一种三维模型复杂连通区域的提取方法、系统、介质及设备

本发明涉及复杂三维模型分析，具体为一种三维模型复杂连通区域的提取方法、系统、介质及设备。

背景技术：

1、无论是机械设计中的内部流道分析，生物医学成像中的器官分割，还是无损检测中的缺陷识别，能否准确提取出目标结构内部或外部的连通空间区域都是解决相关问题的关键一环。具体地，在医学ct、mri等成像技术中，分割并重建出器官或病灶的精确几何连通形状是后续分析的基础。而在工业无损检测领域，利用ct扫描数据识别出被检测件内部的裂纹、孔洞等连通的缺陷区域也是必不可少的前置步骤。

2、为了更好地解决上述挑战，一些商业cad软件提供了提取连通区域的功能模块。这些软件通常采用基于网格或体元的算法框架，将目标实体模型进行空间剖分，并通过搜索连通的未被实体模型占据的网格或体元来识别出内部空腔。然而，这些方法只能较好地处理拓扑简单的流道区域，当处理具有极高几何复杂度的工业零件时，由于网格剖分精度和数据规模的指数级增长，这类传统算法常常会失效。zhu等人使用基于深度学习的语义分割方法，有效地处理了从眼眶ct图像中提取眼外肌和视神经的连通区域问题，并实现了高准确性的体积测量，但可能会受到主观因素的影响，存在对曲线和其他解剖结构的处理不足。lee等人使用水平集方法解决了肝脏分割的问题，通过两步种子区域生长和2.5d形状传播，能准确快速地提取肝脏的连通区域。但存在肝脏形态变化和相似器官造成的局限性，以及对异常情况和小器官的处理不足。yang等人使用基于拓扑图分析的方法，从二值图像中提取了连通区域的骨架，并可以很好地保持图像中物体之间的拓扑关系。但当前算法的限制在于不处理曲线骨架提取。bowden等人使用活动轮廓和泊松方程处理图像连通区域问题，提高了边界检测的准确性和噪声抑制能力。然而，该方法需要用户选择合适的参数值，并且计算复杂度较高，尤其在处理大规模数据集时存在一定的局限性。所以，这些方法在处理高曲率、多分支的复杂几何时仍然存在着一定的困难。由于现代工业零件往往具有复杂的几何形状和多分支结构，传统算法在处理这些复杂结构时效率低下且准确性不足。因此，开发出一种高效且可靠的复杂连通区域判别算法，可以显著提高复杂零件的检测和分析效率，减少生产过程中的错误和返工，提高整体生产效率和产品质量。

技术实现思路

1、针对现有技术中复杂三维模型连通区域处理效率较低且准确性不足的问题，本发明提供一种三维模型复杂连通区域的提取方法、系统、介质及设备。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种三维模型的复杂连通区域提取方法，包括以下步骤：

4、步骤1，以离散函数ψ(x)表示目标三维模型，以φ(x,y,z；t)表示相场变量，基于相场理论修正allen-cahn方程，建立可以实现提取目标模型连通区域的修正连续系统；

5、步骤2，采用lagrange乘子法，应用半隐式的crank-nicolson格式对步骤1中的修正连续系统进行离散化处理，获得离散系统；

6、步骤3，针对离散系统在计算域上求解相场变量；求解过程中，相场变量的演化过程即为连通区域的提取过程。

7、优选的，步骤1中，基于相场理论建立的修正连续系统如下：

8、

9、其中，ψ(x)为目标三维模型的表面离散函数，指的是三维模型表面内的区域；

10、m代表扩散率；

11、φ是相场函数；

12、∈是一个代表界面过渡层的参数；

13、f(φ)＝φ2(φ-1)2/4是一个双阱势函数。

14、优选的，步骤2中，首先建立步骤1中的修正连续系统的等价系统，再引入离散运算算子和二阶中心差分法，使用均匀网格对计算域进行离散化。

15、优选的，步骤2中，等价系统的表达式如下：

16、

17、

18、将η(t)的初始条件设定为η(0)＝1，该等价系统与步骤1中的修正连续系统对应等价。

19、优选的，步骤3中，采用picard迭代法在计算域上求解相场变量。

20、一种三维模型的复杂连通区域处理系统，包括模型修正模块、离散化处理模块和模型处理模块，模型修正模块用于基于相场理论修正allen-cahn方程，建立可以实现提取目标模型连通区域的连续系统；离散化处理模块用于采用lagrange乘子法、应用半隐式的crank-nicolson格式对连续系统进行离散化处理，模型处理模块用于采用picard迭代法提取目标三维模型的复杂连通区域。

21、一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的三维模型复杂连通区域的提取方法的步骤。

22、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的三维模型复杂连通区域的提取方法的步骤。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明一种三维模型复杂连通区域的提取方法应用allen-cahn方程的扩散效应和三维模型的表面函数来区分目标模型的连通区域，确保了在提取目标模型连通区域时的精确性，并应用lagrange乘子法保证了模型的稳定性，具有较高的准确性和可靠性，可以广泛应用于三维图像处理、计算机视觉等领域。

25、进一步的，采用lagrange乘子法，并应用半隐式的crank-nicolson格式对修正连续系统进行离散化处理，其目的是为了将连续的数学模型转化为可以在计算机上求解的离散系统。

26、进一步的，采用picard迭代法来求解相场变量。随着迭代过程的进行，相场变量的值会逐渐稳定下来，并呈现出连通区域的特征，通过观察相场变量的分布来提取出三维模型中的复杂连通区域。

技术特征：

1.一种三维模型的复杂连通区域提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三维模型复杂连通区域的提取方法，其特征在于，步骤1中，基于相场理论建立的修正连续系统如下：

3.根据权利要求1所述的三维模型复杂连通区域的提取方法，其特征在于，步骤2中，首先建立步骤1中的修正连续系统的等价系统，再引入离散运算算子和二阶中心差分法，使用均匀网格对计算域进行离散化。

4.根据权利要求3所述的三维模型复杂连通区域的提取方法，其特征在于，步骤2中，等价系统的表达式如下：

5.根据权利要求1所述的三维模型复杂连通区域的提取方法，其特征在于，步骤3中，采用picard迭代法在计算域上求解相场变量。

6.一种三维模型的复杂连通区域处理系统，其特征在于，包括模型修正模块、离散化处理模块和模型处理模块，模型修正模块用于基于相场理论修正allen-cahn方程，建立可以实现提取目标模型连通区域的连续系统；离散化处理模块用于采用lagrange乘子法、应用半隐式的crank-nicolson格式对连续系统进行离散化处理，模型处理模块用于采用picard迭代法提取目标三维模型的复杂连通区域。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的三维模型复杂连通区域的提取方法的步骤。

8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～5任一项所述的三维模型复杂连通区域的提取方法的步骤。

技术总结
本发明涉及复杂三维模型分析技术领域，具体为一种三维模型复杂连通区域的提取方法、系统、介质及设备，该方法包括以下步骤：以离散函数ψ(x)表示目标三维模型，以φ(x,y,z；t)表示相场变量，基于相场理论修正Allen‑Cahn方程，建立可以实现提取目标模型连通区域的修正连续系统；步骤2，采用Lagrange乘子法，应用半隐式的Crank‑Nicolson格式对修正连续系统进行离散化处理，获得离散系统；步骤3，针对离散系统在计算域上求解相场变量；求解过程中，相场变量的演化过程即为连通区域的提取过程。本发明应用Allen‑Cahn方程的扩散效应和三维模型的表面函数来区分目标模型的连通区域，确保了在提取目标模型连通区域时的精确性，并应用Lagrange乘子法保证了模型的稳定性。

技术研发人员：李义宝,赖思静,夏青,沈安伟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5