（计算机软件与理论专业论文）面向三维重建的工程图投影信息获取与处理.pdf

沈阳理t 大学硕十学位论文 摘要 基于工程图的三维形体重建技术是根据形体在二维投影视图中的几何信息和拓扑 信息生成相应的三维形体，这是一个从低维到高维的构造过程，目前已成为c a d 与c a m 中的重要研究课题。其中工程图投影信息获取与处理作为三维重建工作的第一步，对重 建工作起着重要作用。本文以辽宁省科技攻关项目为背景对基于特征识别的重建方法中 工程图投影信息获取与处理技术做了较深入的研究，取得了一定的研究成果。主要内容 包括： 1 详细研究和分析了d x f 文件的格式和存储结构，设计并编写了各图元的数据结构以 及获取各实体图元信息的接口程序，分析了尺寸标注约束语义，总结出尺寸标注提 取的规则的算法。 2 在工程图视图分离方面，提出一种最小外接矩形的多视图分离方法，实现了对于各 类非标准三视图的视图分离，包括一视图、二视图等，同时结合工程语义确定出视 图的关系，实现从绘图坐标系到空间坐标系的转换。 3 着重讨论了半剖视图的识别与处理方法，针对d x f 文件格式，获取半剖区域信息， 对由半剖视图所打断的形体轮廓线进行了恢复，并给出了具体的算法，降低了后续 三维重建的难度。 综上所述，本文从工程应用角度出发，提出了一整套工程图三维重建预处理方案。 和传统方法相比，在预处理过程中加入了对语义信息和剖视信息的提取识别，能够更加 准确、完整地获取和处理工程图中各类数据信息，将处理对象的范围从标准三视图拓展 到实际工程图，以d x f 工程图文件为数据源，从根本上拓宽了三维重建的适用范围。 本文所给算法已在实际的三维重建系统中得到了实现，结果表明可以满足后续重建工作 的需要。 关键词：三维重建；工程图；视图分离；d x f 文件 沈阳理 丁大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ne n g i n e e f i n gd r a w i n g si st oc o n s t r u c t3 do b j e c t s b yu s eo fg e o m e t r i ca n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o no f2 do r t h o g r a p h i cp r o j e c t i o nv i e w s ，t h e p r o c e s so fc o n s t r u c t i o ni sf r o ml o w e rd i m e n s i o nt oh i g hd i m e n s i o n , w h i c hh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nc a d c a m a st h ef i r s ts t e p o fr e c o n s t r u c t i o n ，i n f o r m a t i o n e x t r a c t i o na n dp r o c e s s i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n3 dr e c o n s t r u c t i o n t h et h e s i sm a d e d e e p l yr e s e a r c ht ot h et e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na n dp r o c e s s i n gi ne n g i n e e r i n g d r a w i n g sb a s e d3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o do fc h a r a c t e r i s t i cr e c o g n i t i o nu n d e rt h eb a c k g r o u n d o ft e c h n o l o g i c a lt a c k i n gk e yp r o b l e mf 研l i a o n i n gp r o v i n c e , w h i c ho b t a i n ss o m ep r o d u c t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o i l sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t , t h ef o r m a to fd x f f i l e sa n ds t o r i n gs t r u c t u r ei sr e s e a r c h e da n da n a l y z e dd e t a i l e d l y i n t e r f a c ep r o g r a mt or e a d i n gp r i m i t i v ed a t ef r o md x fu n d e rc a ds y s t e mi sa l s od e s i g n e d a n dp r o g r a m m e d a n a l y i n gt h ed i m e n s i o nm a r kr e s t r i c t i o ns e m a n t i c sa n ds u m m a r i z i n gt h e a l g o r i t h mo fe x t r a c t i n gd i m e n s i o nm a r k s e c o n d , o nv i e w ss e p a r a t i o n ，i tp r e s e n t sa nm u l t i - v i e w ss e p a r a t i o nm e t h o do ft h el e a s t c i r c u m - r e c t a n g l e i tr e d u c e st i m e so ft r a v e l l i n gm e t ab ys e t t i n gas i g n - b i ti np r o g r a m m i n ga n d i m p l e m e n t ss e p a r a t i o no fv a r i o u sn o n s t a n d a r dt h r e ev i e w si n c l u d i n go n ev i e w , t w ov i e w s e t c c o m b i n i n ge n g i n e e r i n gs e m a n t i c s ，i tc i d n f i r m st h ev i e w sr e l a t i o n a n di m p l e m e n t s c o o r d i n a t ec o n v e r s i o nf r o md r a w i n gr e f e r e n c ef r a m et os p a c er e f e r e n c ef r a m e t h i r d ，t h et h e s i se m p h a t i c a l l yd i s c u s s e st h em e t h o do fr e c o g n i t i o na n dp r o c e s s i n gt ot h e h a l f - c u t a w a yv i e w s a c c o r d i n gt ot h ef o r m a to f d x f f i l e s ，t h et h e s i sp r e s e n t sa n di m p l e m e n t s t h ea l g o r i t h mt h a te x t r a c t st h ei n f o r m a t i o no fh a l f - c u t a w a yv i e w s t h ea l g o r i t h mr c c o v a - st h e f i g u r ew h i c hi s c u t t e db yh a l f - c u t a w a yv i e w s ，w h i c hd e b a s e st h ed i f f i c u l t i e sf o r3 d r e c o n s t r u c t i o i l t om a k eas u m m a r y ，t h es c h e m eo fe n g i n e e r i n gd r a w i n gp r e - p r o c e s s i n gf o r3 d r e c o n s t r u c t i o na l ep r e s e n t e di nt h i st h e s i sf r o mt h ev i e w p o i n to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，i ti s 沈阳理r 人学硕十学位论文 m o r en i c e t ya n di n t e g r i t yt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o di n p r e p r o c e s s i n gt h ei n f o r m a t i o no f e n g i n e e r i n gd r a w i n g st h r o u g he x t r a c t i n ga n dr e c o g n i z i n gs e m a n t i c si n f o r m a t i o na n d h a l f - c u t a w a yv i e wi n f o r m a t i o n t h es c o p eo fp r o c e s s i n go b j e c ti se x p a n d e df r o ms t a n d a r d t h r e ev i e w st oa c t u a le n g i n e e r i n gd r a w i n g s ，w h i c he x p a n d sa p p l i c a b i l i t yt o3 dr e c o n s t r u c t i o n r a d i c a l l y t h ea l g o r i t h m si nt h i st h e s i sh a v eb e e ne x p e r i m e n t e di n3 dr e c o n s t r u c t i o ns y s t e m a n ds h o w nt om e e tt h en e e do f3 dr e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：3 dr e c o n s t r u c t i o n ；e n g i n e e r i n gd r a w i n g s ；v i e ws e p a r a t i o n ；d x ff i l e s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：茯丹 日期 ：j 唠年弓月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：秽滑 日 期：蒯，嘎肛秽币签氨兹彬，廖 日 期：赫。矽z ，之 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 课题来源于辽宁省科技攻关项目“现代装备制造业在线仿真设计平台 ( 项目编号： 2 0 0 4 2 2 0 0 0 5 ) ，项目将c a d 与v r 技术融合，实现了三维形体重建、虚拟装配、运动仿 真等功能，所建立的平台以机电产品为应用背景，技术可推广应用于其他装备制造产品、 汽车、飞机、船舶等大型设备的仿真设计和广告设计，本课题实现的是三维形体重建前 的工程图投影信息获取与处理。 1 2 国内外进展 我国自6 0 年代开始研究开发c a d 软件以来，c a d 软件产业【】在建筑、石化、轻工、 造船、机械、电子等行业都己初具规模，成绩显著。在机械方面，c a d 应用于飞机、 汽车、船舶的外形设计，通过对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人一机交互 设计和修改，能够利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加 工代码的指令，为生产制造提供数据信息，另外，c a d 软件与有限元分析系统的无缝 集成也成为c a d 发展的另一个特点。 基于工程图纸的三维形体重建也是c a d 领域中一个非常重要的研究方向。在一些 厂矿企业中，特别是在一些历史悠久的大型制造业公司中，积累了数目非常惊人的产品 设计文档，其中绝大部分是工程图纸，这些工程图纸是一批批工程技术人员智慧的结晶， 其中的经验沉淀指导着将来的产品设计。事实上，许多新产品都是根据原有产品经过变 形设计和适应性设计得到的，但是纸质文档不易于保存，而且管理非常不便，所以产生 了将图纸扫描后存储的数字化管理手段。工程图纸矢量化是把所得到的数字化光栅图像 加以处理、分析、识别，并最终转换成矢量图形格式的过程，也是目前c a d 领域的一 个研究热煎z 1 。c a d c a m 应用中的一项关键技术就是用计算机来表示和构造三维实体 模型，目前三维设计在机械设计中己成为必然的趋势。在三维空间中观察三维实体( 即 沈圈i 理i ：人学硕十学位论文 在计算机中的三维建模) 会有一个真实的形状与构造的感觉，它有助于形成设计概念， 从而利于设计决策，三维实体的使用也有助于与不熟悉平面图、断面图以及基本视图的 人进行交流设计思想。三维设计可提供完整的三维产品数据模型，利用三维产品的几何 数据可以生成具有高度真实感的图形，实现二维、三维关联绘图，自动生成二维工程图， 此外，三维实体不仅具有完整的几何信息和拓扑信息，而且操作、修改也直观明了，便 于物体的物性计算分析，如有限元分析处理和机件装配干涉检查等，使得c a d c a m 在 技术上真正做到“无纸化设计制造 。利用几何造型系统设计三维实体，不仅提高了产 品设计和制造的自动化程度，而且极大地提高了劳动生产率，缩短了设计和生产周期， 因此创建三维实体在工程设计领域有着广泛的使用价值。 自2 0 世纪6 0 年代，尤其是自i d e s a w a 于7 0 年代首次发表关于由工程三视图重建立体 图的论文以来f 3 】，三维重建这一课题的研究受到了普遍重视，其原因主要来自两个方面： 一是人工智能领域的研究工作者试图解决工程视图的机器解释问题，从而拓宽计算机视 觉和机器人视觉功能的应用范围【4 】；二是从事c a d c a m 的科技人员以此作为计算机辅 助几何造型技术的一种新的方法来研究。 面向二维工程图的三维重建技术的应用【s 】主要表现在： ( 1 ) 三维重建技术在c a d c a m 中的应用 尽管随着计算机图形学、几何造型及相关领域技术的不断发展，许多具有造型功能 的商业软件相继推出，但是目前在工程领域，尤其是在逆向工程以及计算机辅助设计与 制造中，三维重建技术的研究仍具有相当高的理论和应用价值，其主要体现在： 工程图纸至o c a d c a m z 维模型的转化； c a d c a m 系统的图形输入； c a d c a m 系统中不同层次模型之间的转换。 三维重建技术还可以使二三维一体化，c a d 系统采用统一模型数据源，因此二三 维之间是一致的、相互关联的，当任何一方模型改变时，系统将向另一方发送消息，然 后自动同步更新，对于设计人员来说，当需要在设计后期细化、更正自己的设计意图或 进行变异设计时，三维重建系统的建立和研究就越发突显出重要的意义。 ( 2 ) 三维重建技术在人工智能领域中的应用 三维重建是一个模拟人工读图的过程，涉及到机器理解和推理问题。在基于二维工 程图的三维重建中，由于二维信息与空间信息是“一对多 的关系，不同于基于单个投 第1 章绪论 影视图的线图理解，它必须符合工程制图的投影规则，重建结果必须满足许多隐式和显 式约束条件，因此对视图的解释过程更加复杂，如何充分、准确、合理地解释工程视图 信息为机器理解和推理提供了新的课题。在智能装配机器人的研究中，三维重建技术在 虚拟世界为机器人装配作业提供了由三视图提示的目标理解功能，从而为机器人视觉提 供了一种目标理解方法。 ( 3 ) 三维重建技术在教学中的应用 三维重建技术可应用于工程图学的教学实践中，训练和强化学生的空间思维能力和 读图能力，是工程图学教学的一种有效的辅助手段。 从发展来看，产品设计的最终出路在于三维设计，这是无法回避的，早日进入三维 设计，就会早日取得经济效益和技术效益。但是由于历史原因，对于专业设计人员来说， 工程图具中几何信息完整，标注方便，便于制造加工及材料信息的标注，用工程图进行 概念设计有着比三维造型更方便快速的优越性；另一方面，随着科技发展和知识积累， 工程设计中有大量旧的工程图可以利用、借鉴，许多新的设计可凭借原有的设计基础作 修改即可完成，因此，在工程设计领域，基于二维工程图创建三维实体( 或称二维转三 维) 具有很大的现实意义。 对于投影信息获取与处理技术的研究，人们将重点放在了两个方面：一方面是在读 耿工程图实体几何信息之后，如何进一步读取工程图相关的语义信息，包括尺寸标注、 文本、图纸边框和标题栏信息等，以便进一步获取工程图特征信息：另一方面是如何对 视图中剖切区域信息进行获取和识别，这些工作对于拓展重建形体覆盖域和提高算法效 率非常有用。工程图样的语义包括：图形元素语义，尺寸标注语义和隐含语义嘲。高玮 等1 7 1 分析了比较几种典型的自动识别方法，如：交点判别法，滚圆判别法等，提出了基 于活动局部坐标系的工程图轮廓线自动识别方法，该方法克服了前面几种算法求交运算 量大，判别时需引入辅助线的缺点，并且能够对外部轮廓和内部轮廓统一处理；陆国栋 【8 】给出了对于工程图语义的层次划分与分类，在此基础上实现了基于剖切区域提取的视 图识别；杨若瑜1 9 1 等分析了工程图中工程对象的构图特点，设计了适用于识别对象的特 征组结构，提出了通过抽取对象特征组，由特征组自动生成识别规则的方法；m e e r a n t l o l 则提出了一种在自动视觉检测系统a v i 下的利用隐含线从二维图纸中提取特征信息的 方法，并给出了实例说明；侯颖等】介绍了不依赖a u t o c a d 平台及其开发工具，实现 d w g 文件中标题栏和明细表中的工程信息的提取技术，通过直接读取d w g 文件，自动 沈佴l 理：i ：火学硕十学位论文 解读工程图中的文本信息，将标题栏和明细表区域的工程信息提取出来，并对提取过程 中的标题栏、明细表的定制和算法实现进行了分析，但是该方法需要对d w g 文件格式 和o d t 软件包有较深入的了解；刘铭1 1 2 通过对矢量图中的尺寸标注归纳和总结，提出了 一种新的对矢量图的尺寸标注进行判断的方法，通过该方法判断尺寸标注，能够有效的 将错误的标注尺寸识别出来，但此识别方法是基于矢量基础上的，在图纸质量较差、矢 量化效果不好的情况结果不理想。 1 3 研究内容和关键技术 通过以上的叙述，可以看出对于工程图预处理技术的研究，主要围绕着以下两点展 开： ( 1 ) 如何高效、准确地实现工程图纸中视图的分离和坐标规格化 传统的视图分离方法主要是根据角度判别法( t u r n t o t h e 1 e f t m o s tr u l e ) 【1 3 l 求出各个 视图的外部轮廓线，然后搜索位于每一轮廓内的二维实体p 4 ，角度判别法主要用于构造 封闭环路；张爱军【1 5 】结合画法几何和工程制图的投影原理及制图规则，给出了统一二维 坐标系下的各视图绘图坐标到空间投影坐标的转换策略，通过引入2 5 d 中间坐标系建立 了各视图间对应点坐标在统一二维坐标系下的联动约束关系；刘世霞f 1 6 】提出了基于“种 子点视图分离法，种子点法利用了改进的最大转角法 1 7 1 可以直接确定每一视图的边界 环，而不必生成所有可能的二维环；李晋芳等【1 8 l 给出了一种从二维视图到三维几何模型 转换中视图的包围盒分离方法，通过考察图纸中图元包围盒之间的相交情况进行视图分 离，该方法充分利用了转换中所需要的数据结构，与视图的边界曲线状况无关，并利用 基本视图之间的投影关系进行视图识别；董建甲【1 9 ，提出的源子体特征线法，该算法先由 主视图的外轮廓线确定一个子体的主特征线，根据投影关系搜索识别到子体的从特征 线，组成子体特征线组，将该组投影特征线所对应的子体作为特征线搜索的源子体识 别出与之关联的子体主从特征线，并从所有被识别出的子体特征线出发，搜索识别出与 之相关的子体的主从特征线，从而完成对视图的分解；董建甲等t 2 0 l 提出的坐标轴投影分 离法，通过添加平行于两坐标轴的辅助直线，移动辅助线使其将三视图分割开来；李书 红1 2 f l 提出的区域分割法等。 ( 2 ) 如何进一步对工程图原始数据进行整理，保证重建所需数据准确完备 工程图预处理就是通过对原始数据的处理和整理，检查数据的有效性和规范性，删 4 第1 章绪论 除冗余信息，补全必要信息，同时也降低了后续步骤的难度1 5 1 。文献 2 2 】介绍了三维实 体重建过程中投影图数据进行预处理的算法，包括了投影图的分割，坐标系的转换，以 及隐含点的求取；王耘1 2 3 1 介绍了对于d x f 机械零件图中的图形元素数据进行预处理的 方法，通过图形拓扑连接的重建以及建立图形元素间的几何拓扑约束，对于图元之间的 相交和投影重叠等情况做出相应的处理，但是仅限于比较简单的情况；文献 2 4 】中给出 了进行二维工程图纸原始数据预处理的过程，指出三维重建预处理也分解为三个层面， 即表达方式预处理、投影关系预处理和尺寸约束预处理，并以“一图、一树、二链 结 构形式来保存数据信息，这样的处理需要的数据结构比较复杂，处理所需要的时间较长； 为了检查输入数据的正确性，d o r ia n dm i f i t 冽提出了应用变量几何规则( v a r i a t i o n a l g e o m e t r yr u l e ) 检测工程图的尺寸标注方案是否正确的方法，指出工程图中的尺寸标注 方案和拓扑约束为构造雅可比约束矩阵提供了基础，如果雅可比约束矩阵满足一定的条 件，工程图的尺寸标注方案是正确的；尚文利【2 6 】在二维工程图的规范化处理和错误识别 与纠错方面做了大量研究工作，提出了借助尺寸子集模型进行规范化处理和采用图论与 人工智能路径搜索技术进行尺寸标注错误识别的方法，但在给出的演示模块中，只是验 证了部分算法的正确性；文献【1 6 引用d o r i 的方法，首先利用拓扑信息检查工程图中的 错误，然后通过多种方法校正视图中位置的偏移，文中给出了一个较简单的例子，对于 更复杂一些情况没有进一步分析讨论。 工程图投影信息的获取与处理是三维重建工作中的一项基本流程和关键技术。主要 涉及到：读入工程图文件，工程图实体元素识别与过滤，视图分离与识别，视图坐标变 换以及图形数据预处理。作为三维重建工作的基础，同时也是三维重建工作的第一步， 这一部分工作的好坏与否将直接影响到后期的重建工作。因此，如何准确、完整、简便 的对工程图投影信息进行获取与处理就成为人们共同关心的问题。目前，在这方面已经 进行了大量的研究工作，也取得了一些阶段性成果，但是和人们的期望还有一定差距， 所以在这一领域还有很多工作需要进一步去研究。该研究中存在的主要问题是： ( 1 ) 局限于匹配三视图的几何信息 目前研究工作基本上都是针对标准工程三视图来展开的。现有的重建方法往往只考 虑三视图投影之间的纯几何空间匹配，即一般不能多于三个视图，没有尺寸标注，不能 出现投影省略或投影不完整，也不允许出现具有重要意义的点划线以及重要表达手段的 剖切，显然这样的三视图离实际工程图样相差太远，可扩展性差，因而后续的重建技术 沈阿i 理l ：人学硕十学位论文 也缺乏普遍意义。在已有的大多数算法中，处理的图形可称得上是高度抽象的，一般都 将工程图简化为正投影三视图，三个视图出现在预先规定好的位置上，且没有任何标注、 尺寸等附加信息。实际的工程图纸中视图数目和所处位置不是完全确定的，不仅有标准 的三视图，还有大量的工程一视图、二视图、或者是多视图，以及大量含有剖视图、剖 面图、局部视图的工程图纸，剖视图在表达产品模型的“内部 结构信息方面起着举足 轻重的作用，正好可以弥补三视图表达的天生不足，而且图纸中除了含有图元的几何信 息外，还包含大量的尺寸标注和文本说明附加信息，这样，原本针对标准三视图的处理 算法对于这些非标准三视图就无能为力了，因此需要进一步研究针对实际工程图纸的处 理方法。 ( 2 ) 未能充分利用能够从单个视图中获取的所有信息 工程图纸中除了包含实体几何信息之外，还含有大量的语义信息，其中包括尺寸标 注信息，用于注释说明的文本信息，还有明细表、标题栏信息以及剖面线、点划线等信 息。现有的重建方法多数局限于对图纸中图形信息的提取，往往遵循点、线、面、体的 构造方式，利用图元间的几何和拓扑关系，以及视图之间的投影关系，对这些信息进行 处理，而不考虑有关的的尺寸标注信息。这些方法需要进行大量的判断和搜索操作，因 此大大降低了算法的效率。语义信息是表示尺寸、公差和制造说明的标准语言，同时也 代表了设计者的设计目的和思想，虽然实际的重建工作不需要直接使用这些信息，但是 对这些信息的获取和识别将有助于特征识别过程中归纳总结出视图的特征信息，减少不 必要的判断和搜索，有利于后续的重建工作。 ( 3 ) 视图数据整理和错误视图的理解 由于视图投影的重叠性、积聚性、绘图过程的不确定性以及工程视图中经常存在的 简化画法，直接从工程视图上获得的原始数据的几何和拓扑信息都是不完备的，不足以 恢复立体上的所有顶点和边，所以必须对这原始数据进行处理，以保证数据的有效性和 完备性。现有的大多重建算法在这方面处理能力有限，因此对于剖切区域的获取及投影 信息的补全、图元间隐含点求取、输入数据工f 确性检查等情况，需寻求新的解决方法。 此外在实际的工程图纸中，有可能出现设计者的主观错误。常见的错误形式一般表现为 视图中存在矛盾线条和视图中缺漏线条，这就需要三维形体重建系统具有一定的容错能 力，能够剔除多余线条，增补视图中缺少的线条。但目前绝大多数重建算法不具有容错 能力，而在实际应用中可能出现更为复杂的情况，因此有必要进一步深入研究。 第1 章绪论 1 4 本文工作 针对课题目前的研究发展状况，本文将预处理对象由一般图形拓展到实际的工程图 样，从工程应用角度出发，给出了基于特征识别的三维形体重建中投影信息获取与预处 理技术的算法和流程。这些算法克服了现有方法存在的不足和局限性，部分算法已经在 工程图三维重建原型系统( 现代装备制造业在线仿真设计平台) 中得到了实现，主要的 研究工作体现在以下三个方面： ( 1 ) 工程图样中的图形几何信息和语义信息获取与识别 分析了d x f 文件的格式和存储结构，详细给出了基于d x f 文件的工程图实体元素 信息的读取方法、尺寸标注信息的读取、设计出适宜后续视图分离的数据结构。本文详 细研究了尺寸信息在d x f 文件中的描述，给出了尺寸类的数据结构，获取其中的线性 尺寸、半径尺寸等，充分利用视图中包含的所有信息。 ( 2 ) 二维工程图的预处理，保证重建所需数据的有效性和完备性 详细介绍了对于工程图进行预处理的完整算法，对原始图元数据进行了整理，数据 整理包括消除重复图元、对邻接点进行拟合，给出了最小外接矩形的多视图分离方法， 通过建立实体图元的链表，设置遍历标志位，减少遍历图元的次数，采用最少匹配算法， 提高了寻找各视图的最小外接矩形的效率，实现了对于一视图、二视图、标准的三视图、 含有辅助视图的多视图以及含有半剖视图的分离；同时结合制图原理和工程语义确定出 视图的关系，并在此基础上求出投影坐标原点，实现了从绘图坐标系到空间坐标系的转 换。 ( 3 ) 对于含有半剖视图的工程图样的识别和处理 单纯从图形出发的三维重建，在剖视图的处理问题上有很大困难，所以有必要将 重建的对象由一般的图形扩展为实际的工程图样，从表面上看似乎增加了要处理图形的 复杂度，但是实际上为提高三维重建的实用化程度和剖视图处理问题的解决提供了新的 方法。本文分析和研究了实际工程图纸中剖切区域的获取算法，在此基础上，着重讨论 了半剖视图的识别与处理方法，针对d x f 文件格式，获取半剖区域信息，对由半剖视图 所打断的形体轮廓线进行了恢复，并给出了具体的算法。 本文共分七章。 第一章详细讨论了课题的背景，课题目前的国内外研究现状、研究内容和关键技 沈阿i 理l ：人学硕十学位论文 术。 第二章介绍工程图三维重建的相关知识，给出了预处理的整个流程。 第三章实现了工程图样中的信息获取、识别技术以及对图元的数据整理算法，包 括d x f 工程图文件的读耿，实体图元信息的获取，标注尺寸信息获取，重复图元的处理 和邻接点的拟合。 第四章主要围绕着视图分离，投影原点坐标求取等方面展开讨论。 第五章实现了工程图中含有半剖视图的识别与处理技术，通过分析半剖视图在 d x f 文件中的描述，给出了识别和处理半剖视图的算法，其中包括对半剖中心线和剖面 轮廓线的获取，并且给出了镜像算法。 第六章实现了从绘图坐标系到空间坐标系的转换，将获取的二维信息转换为后续 三维重建所需的三维信息。 第七章给出了工程图预处理系统中算法的实现与分析，给出了大量实例。 最后是结论。 第2 章_ 1 ：程图的相关知识及预处理流样 第2 章工程图的相关知识及预处理流程 课题是研究面向三维重建的工程图投影信息获取与处理。本章首先对涉及到的图形 学相关二维投影视图的原理与规则等基础知识作简单介绍，另外课题的开发是以开放式 三维图形软件接e lo p e n g l 和v c + + 6 0 编程技术来实现的。 工程图是三维形体从三维空间向二维空间平行投影结果的描述，工程图一般可以分 为机械、电气、建筑和土木等四大类，各类图样有一定的共性，但又有较大的不同，本 文研究的工程图主要是机械工程图。 机械工程图有如下特征： ( 1 ) 封闭性 每一个视图单位，无论是基本视图及其各种剖视、局部视图、斜视图、旋转视图， 还是移出断面、重合断面、局部放大图，其外边界轮廓线必然是封闭的边界，波浪线是 粗实线轮廓线的一种特殊形态，点划线是视图对称表达时轮廓线的一种特殊形态。换句 话就是不可能存在挂线的情形，同一视图也不可能分离成几块，这一特征为视图分离提 供了基本依据。 ( 2 ) 连续性 视图内部轮廓线一般是连续的，图线之间要么以端点相连，要么图线的端点落在其 它图线上，一根图线横跨另一根图线时，这两根图线将通过交点分割为四根图线。有三 个特例：其一，视图以半剖视图表示时，轮廓线可能终止于点划线；其二，出现两类相 切之一的情况时，轮廓线突然消失或刚好终止于点划线；其三，出现过渡线表达时，轮 廓线会突然消失，连续性也是视图分离的基础。 2 1 投影的基本知识 2 1 1 投影法介绍 将投射线通过形体，向选定的投影面投射，并在该面上得到图形的方法叫投影法， 沈冈l 理i ：人学硕十学位论文 投影法通常分为中心投影法和平行投影法两类1 2 7 1 ，如图2 1 所示。 投影法 辜芸薹耄 法 斜投影法 正投影 透视法 单面 多面 各种正轴测图 多面正投影图 图2 1 投影法的分类 由于投影方向不同，平行投影又分为两种：投影方向不垂直于投影面时称为斜投影， 投影方向垂直于投影面时称为正投影。本文中，输入的工程图是f 投影，其中，正面投 影称为正视图或主视图，水平投影称为俯视图或平面图，侧面投影称为侧视图或侧立面 图，这三个正投影图是分别向笛卡尔坐标系三坐标平面x - - 0 、y = 0 、z = 0 作正投影获得的。 用正投影法绘制的多面正投影图虽然立体感差，没有通过一定训练和学习的人不易 看懂，但它能准确、完整地表达出形体的形状和结构，且作图简便，度量性好，因而在 工程上被广泛采用。国家标准机械制图( g b 4 4 5 8 1 8 4 ) 2 8 1 中规定，“机件的图形 按正投影法绘制”，因此正投影法是工程图研究和讨论的主要内容，以后本文中除特别 指明外，所提及的投影均指j 下投影和正投影图。 2 1 2 三视图的形成及投影规律 三视图一工程中常用物体的正投影视图来表达物体形状，其中三个方向的视图是最 基本的，即主视图、俯视图和侧视图，三视图中实线和虚线分别表示可见边和不可见边。 许多情况下，只用一个投影不加任何注解，是不能完整清晰地表达和确定形体的形 状和结构的，如图2 2 所示，三个形体在同一个方向的投影完全相同，但三个形体的空 间结构却不相同，可见只用一个方向的投影来表达形体形状是不行的，一般必须将形体 向几个方向投影，才能完整清晰地表达出形体的形状和结构。 第2 章 科幽的相关知i 识及预处理流拌 盼吣p 豳2 , 2 二个形体在同一方向的投影 ( 1 ) 三投影面体系 设立三个互相垂直的平面，叫做三投影面。这三个平面将宅州分为八个部分，每一 部分叫做一个分角，分别称为1 分角、1 1 分角分角，如图23 所示，这个体系叫 三投影面体系，世界上有些国家规定将形体放在第一分角内进行投影，也有些囡家规 定将形体放在第三分角内进行投影，我国国家标准机械制图( g b 4 4 5 81 8 4 ) 规定 “采用第一分角投影法”。 幽23 二投影面体系圈2 a 第分角的二投影面体系 图2 4 是第一分角的三投影面体系，对体系采用以下的名称祁标记：i f 对着的正立 投影面称为正面，用v 标记( 也称v 面) ；水平位置的投影面称为水平面，用h 标记 ( 也称h 面) ；右边的侧立投影面称为侧面，用w 杯记( 也称w 面) 。投影面与投 影面的交线称为投影轴，分别以o x 、o y 、o z 标记三根投影轴的交点d 叫原点。 ( 2 ) 三视图的形成 首先将形体放置在前面建立的v 、h 、w 三投影面体系中。然后分别向三个投影面 作e 投影，如图25 ( a ) 所示。 沈冈| 理人学硕十学位论文 r r - - l 、 昭奄 皿。，时 “ c o )i b )( c 1 幽2 5 二视削的形成及视| 圣i 间的坐标对麻黄系 在三个投影面上作出形体的投影后，为了作图和表示的方便，将空间三个投影面 展丌摊平在个平向上其规定展开方法是，如图2 5 f b l 所示：v 面保持不动，将h 面和w 面按图中箭头所指方向分别绕o x 和o y 轴旋转使h 面和w 面均与v 面处 于同一平面内，即得型25 ( c ) 的形体的二三面投影图。 21 3 三视图的对应规律 三视图中每个视图都反应了形体的不同尺寸情况，主视图一反映了形体e 下方向 的高度尺寸和左右方向的长度尺寸，俯视图反映了形体左右方向的陈度尺寸和前后 方向的宽度尺寸，侧视图一反映了形体上下方向的高度尺寸和前后方向的宽度尺寸，根 据每个视图所反映的形体的尺寸情况及投影关系，视图自j 有如下的关系： 主、俯视图中相应投影( 整体或局部) 的长度相等并且对正： 主、侧视图中相应投影( 整体或局部) 的高度相等，并且平齐； 俯、侧视图中相应投影( 整体或局部) 的宽度相等。 这就是画图或看图中耍时刻遵循的“长对工f ，高平齐，宽相等”规律。任何形体在 空间都具有l 、下、左、右、前、后六个方位，形体在守自j 的六个方位( 图2 6 ) 和i 视 图所反映形体的方位( 图27 ) 。 图2 6 形体在空间上的? 、个方位 目。巴。 日 图27 形体的二视| 鉴| 第2 章j ：程图的相关知识及预处理流程 2 2 三维重建的基本原理 对于三维重建问题可以这样来下定义：所谓“三维重建”，就是通过物体的两个以 上的不同角度的二维投影获取该物体在三维空问原完整的几何与拓扑信息。 根据画法几何的基本理论可知，空间点在两个不同方向的投影可以完全确定点在空 间的位置1 2 9 1 ，即点和线在不同视图中的坐标值应具有对等的关系。对于三视图，若用f 、 t 、s 分别表示主视图、俯视图、侧视图上的点的集合，点八f f ) 具有鼽z 坐标，用 x 6 9 、z 0 9 表示，同理俯视图和侧视图的点分别用顶力、y ( 力和y o ) 、z o ) 表示，则由三视图 生成的空间点集v 可用下式表示： v = ( 厂，t ，s ) f 木t 木s x ( f ) = 工( f ) ，y ( f ) = y ( s ) ，z ( s ) = z ( 厂) )( 2 一1 ) 以上所描述的点的空间坐标对应关系就成为三维重建的基本出发点，在三维顶点基 础上又可以建立起这些点组成的三维边界的几何信息以及由这些边界围成的三维表面 信息，因此理论上只要给出空间形体的两个完整、不同方向的投影视图，那么该形体的 所有的三维几何元素都在视图中得到了完整表达，即都能从这两个视图中得到重建。然 而实际情况并不如此简单，直接由三视图获取的三维信息一般都超出了唯一确定这一物 体所需要的数据，即包含有虚假元素，另外由于实际工程图中存在大量的剖视图，其投 影信息并不完全反映在视图上，造成投影信息的丢失和不全，这些都是三维重建中需要 解决的问题。 2 3w i n d o w s 环境下o p e n g l 编程技术 o p e n g l t 3 0 j 是目前国际上通用的开放式图形标准，用户可以利用它编写出高质量的 图形应用程序；由于o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 具有跨平台性、简便、高效、功 能完善等特点，目前已经成为三维图形制作方法中事实上的工业标准。自从w i n d o w s n t 3 5 1 在微机平台上支持o p e n g l 以后，现在微软公司在w i n d o w s 9 5 、w i n d o w sn t 4 0 中 连续性的提供o p e n g l 开发环境，v i s u a lc + + 从4 2 版本以后已经完全支持o p e n g l a p i ，使三维世界的“平民化 已成为必然。 沈阿i 理：人学硕十学位论文 2 3 1w i n d o w s9 5 n t 下o p e n g l 编程原理 w i n d o w s 下用g d i 作图必须通过设备上下文( d e v i c ec o n t e x t 简写d c ) 调用相应 的函数。用o p e n g l 作图也是类似，o p e n g l 函数是通过“渲染上下文( r e n d e r i n g c o n t e x t 简写r c ) 完成三维图形的绘制，w i n d o w s 窗口下的设备上下文支持的“位图 格式”( p i x e l f o r m a t ) 属性和r c 有一致的位图结构。只要在创建r c 时与一个d c 建立联系( r c 也只能通过已经建立了位图格式的d c 来创建) ，o p e n g l 的函数就可以 通过r c 对应的d c 画到相应的显示设备上，这里还有以下需要注意的方面： ( 1 ) 一个线程只能拥有一个渲染上下文( r c ) ，也就是说，用户如果在一个线程内 对不同设备作图，只能通过更换与r c 对应的d c 来完成，而r c 在线程中保持不变， 与此对应，一个r c 也只能属于一个线程，不能被不同线程同时共享。 ( 2 ) 设定d c 位图格式等于设定了相应的窗口的位图格式，并且d c 和窗1 3 的位图 格式一旦确定就不能再改变，这一点只能期望以后的w i n d o w s 版本改进了。 ( 3 ) 一个r c 虽然可以更换r c ，在任何时刻只能利用一个d c ( 这个d c 称为r c 的 当前d c ) ，但由于一个窗口可以让多个d c 作图从而让多个线程利用多个r c 在该窗口 上执行o p e n g l 操作。 ( 4 ) 现在的w i n d o w s 下的o p c n g l 版本对o p e n g l 和g d i 在同一个d c 上作图有 一定的限制，当使用双缓存用o p e n g l 产生动画时，不能使用g d i 函数向该d c 作图。 2 3 2v c + + 6 0 和o p e n g l 图形接口的实现 实现v c + + 6 0 和o p e n g l 图形接1 3 主要的两步工作是设置像素格式和将d c 、r c 关联起来。在v c + + 6 0 下通过创建工程并加入支持o p c n g l 的连接库和头文件，设置 o p e n g l 支持的w i n d o w s 窗口风格、设置像素格式、关联r c ( r e n d e r i n gc o n t e x t s ) 和 d c ( d e v i c e c o n t e x t s ) ，从而实现与o p e n g l 在w i n d o w s 操作系统下的图形接1 3 ，具体 步骤如下： ( 1 ) 先设置显示设备d c 的位图格式( p i x e l f o 砌涯a t ) 属性，