基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法.pdf

第 29 卷增刊 1农 业 工 程 学 报Vol.29Supp.1 2013 年4 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringApr. 2013190 基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法 杜建军，郭新宇，陆声链，温维亮，肖伯祥 （北京农业信息技术研究中心，北京 100097） 摘要：为了从日光温室施工图纸中重建出温室结构三维模型，提出基于语义映射的施工图纸三维重建方法。首 先解析和分类日光温室施工图纸 DXF 文件， 从中识别和理解主要特征构件， 建立日光温室构件语义模型并生成分 层控制参数， 进而基于参数化驱动日光温室三维建模， 最后对日光温室三维模型进行真实感渲染。 该方法整合 CAD 制图与三维建模技术，有利于提高日光温室施工图纸的读图效率，建立的三维温室模型具有保真性、交互性和真 实感等特性，可用于工程量和造价计算、温室结构优化以及虚拟展示。 关键词：日光温室，计算机辅助设计，三维建模，语义映射，参数驱动 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.z1.030 中图分类号：TP391.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-Supp.1-0190-07 杜建军，郭新宇，陆声链，等. 基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法J. 农业工程学报，2013，29(增刊 1)：190196. Du Jianjun, Guo Xinyu, Lu Shenglian, et al. Three- dimensional reconstruction method from construction drawings of solar- greenhouses based on semantic drivingJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(Supp.1): 190196. (in Chinese with English abstract) 0引言 日光温室施工图纸一般使用 CAD 制图软件绘 制，包括剖面图、平面图、立面图和基础详图等用 于指导日光温室施工的二维图纸。施工图纸的设计 过程复杂、 信息量大， 无法直观得到三维实体模型， 正确理解图纸需要一定的专业水平。通过对施工图 纸蕴含信息的识别和理解，快速重建直观的三维模 型，一方面能够有效提高读图效率，使得非专业人 员易于理解依据图纸所建成后的温室结构与布局； 另一方面，建立的三维模型可用于计算建筑施工材 料用量、估算建筑成本、结构优化以及进一步的分 析研究。 近几十年来，对施工图纸的识别与理解研究在 建筑、机械等行业面临普遍需求，由于建筑施工图 主要采用二维示意方式表达，包含的图形复杂、类 型众多，真正实现图纸的智能分析与基于图纸信息 的三维重建面临长期挑战1- 5。Ah- soon 等6将图纸 中信息抽象成庞大的图形网络，图形连接关系代表 图形之间约束，该方法计算量大，只能进行简单符 号识别。蔡士杰等7- 11分别基于规则、图形理解和 收稿日期：2012- 11- 14修订日期：2013- 02- 23 项目基金：国家科技支撑计划课题（2012BAD35B01） ；北京农林科学 院青年基金（QN201110） 作者简介：杜建军（1976） ，男，四川仁寿，助理研究员，博士，研 究方向为设施农业、计算机图形图像。北京农业信息技术研究中心， 100097。Email：dujj 语义角度对建筑图进行识别和理解，需要定义复杂 的规则、约束和语义特征来描述建筑图形，并且由 于描述的建筑对象复杂，仅实现了对其主体结构和 局部构件的识别、理解和三维重建。目前，基于图 纸的三维重建工作仍处于探索阶段，已有的研究还 不能从图纸中挖掘出完整的模型三维信息，建立的 模型往往只是体现实体的局部信息，这就要求进一 步融合工程制图、信息技术、机器学习和三维建模 等多学科知识实现图纸信息的理解。日光温室结构 相对简单12- 13，施工制图规范明确，对图纸信息识 别和理解具有更强的针对性。因此，本文以日光温 室施工图纸为研究对象，探讨基于图纸信息的三维 建模方法：首先解析日光温室施工图纸 DXF 文件， 建立温室构件语义模型和参数模型；建立图纸信息 与三维模型参数之间的语义映射，并基于语义驱动 日光温室三维建模；最后，管理、调整参数化日光 温室三维模型并实现真实感渲染。 1图纸信息解析 对施工图纸进行识别和理解的研究大多针对 纸质图纸和电子图纸，其中对纸质图纸的识别最 为困难。其步骤是首先将纸质图纸扫描成图像， 然后进行图像分割和识别，提取图像中感兴趣的 图形单元，结合建筑图形特征对这些图元进行分 类、匹配，进而为图元赋予一定的语义来达成对 图纸内容整体上的理解14- 15。这种方法存在的问 增刊 1杜建军等：基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法 191 题是：图像分割的难度较大、精度较差，对图像 中线条、圆等有意义图元的识别存在误差；其次， 对图元的理解需要紧密结合施工制图规范，指定 若干复杂的适应性准则， 建立图元与语义的联系， 在理解上存在多义性。而基于电子图纸的识别与 理解因为无需进行图像分割，提取的图元信息完 整，因此，基于电子图纸的研究主要集中在图元 信息的识别和分类上16。 本文以施工图 DXF 作为图纸信息获取来源。 DXF 是 CAD 制图中的一种通用的图形数据交换标 准，它使用带标记数据的形式表示图形包含的所有 信息17- 19。带标记数据是指在每个数据元素前面都 有一个整数表示的组码，组码值指定了其后数据的 数据类型。由于 DXF 可存储为 ASCII 表示的文本 文件，数据格式公开，具有可读性好、通用性强、 易于使用等特点。目前，几乎所有 CAD 软件都提 供了 DXF 数据接口。DXF 文件数据格式由标题 HEADER 段、类 CLASSES 段、符号表 TABLES 段、块 BLOCKS 段、图元 ENTITIES 段、对象 OBJECTS 段和文件的结束符号组成，每个段又由 若干个组构成。其中，HEADER 段包含了与图形文 件有关的基本信息；CLASSES 段包含了定义的类 信息；TABLES 段含有标注样式、线性、图层、文 字式样等信息；块 BLOCKS 段包含了块定义和每 个块引用的图形图元；ENTITIES 段包含了图元和 对块的引用（插入图元）；OBJECTS 段包含非图 形对象；结束符号使用字符串“ EOF” 标识。DXF 文 件中的图形信息主要存储在 BLOCKS 和ENTITIES 段中，存储在 BLOCKS 段的图元均可转换到 ENTITIES 段中。 对 DXF 文件解析就是将文件中感兴趣的图 元提取出来。本文设计了基本的二维图元类，包 括 LINE、POINT、CIRCLE、ELLIPSE、TEXT、 ARC、 SOLID、 INSERT、 POLYLINE、 DIMENSION 等 30 多种， 其中每个图元类中不仅包含特定的属 性参数， 而且也实现了自己的绘制方法。 由于DXF 文件中数据采用顺序存储方式，通过逐行读取、 解析数据，即可根据组码值确定当前图元的数据 类型，进而实例化对应类的对象以填充其后读取 的数据。 对 DXF 文件的解析流程如图 1 所示，一旦读 取操作结束，文件中所有图形信息均提取到指定的 数据结构。 图2a显示了从给定图纸中解析出的DXF 文件结构，其中大部分 BLOCK 都指定了有意义的 名字，在每个 BLOCK 下包含具体的图元、文字和 标注；图 2b 是将解析的图元数据在二维视图中绘 制的结果。 图 1DXF 文件解析 Fig.1DXF formats analysis a. 图纸结构 a. Drawing structure b. 温室剖面图 b. Profile drawing of solar- greenhouse 图 2图纸结构与绘制 Fig.2Structure and render of construction drawing 农业工程学报2013 年 192 2构件语义模型 由于施工图制图方式的差异性，大部分施工图 纸并不能解析出如图 2a 所示的结构单一、标注明 确的结构信息，因此仅通过结构信息和标注名称并 不能准确识别出图纸中图元所属的构件。这里的构 件是指一系列图元、文字和标注组成的有特定意义 的集合，每个构件又可由其他构件组成，比如温室 后墙作为一个构件包含了平面图、立面图和剖面图 中对应的图元、文字和标注，也包含了后墙上通风 窗等构件。在 DXF 格式图纸中，图形信息是以离 散的图元（直线、虚线、点画线、多义线、圆、文 字和尺寸标注）表示，往往没有反映图元与图元之 间的相互关系。因此需要利用图元的类型和几何信 息来建立图元之间的拓扑信息，再基于拓扑关系分 析将所有的图元赋予一定的语义，归类到构件中。 为了将图纸中解析出的所有图元进行归类，本 文设计了温室结构构件的语义模型，如图 3 所示。 图 3日光温室构件语义模型 Fig.3Semantic model of solar- greenhouse components 日光温室被分为屋面结构、围护结构、土壤与 附属、工作间结构、附属组件与外部对象 5 大类。 其中，屋面结构由前/后屋面、钢架和卷帘等构件组 成，围护结构包含了前墙、后墙、东侧墙和西侧墙 等构件，其中每个构件又可进一步细分直到最后的 基本图元类型。 图 3 的树状组织结构中， 按照功能、 依赖关系将日光温室所涉及的所有组成部分提炼 成构件，并赋予有意义的名称。因此，对温室图纸 的识别与理解是在图纸特征信息分析基础上，利用 位置关系、图元识别、文字和标注解析等方法，将 从施工图纸中解析出的语义信息映射到对应构件 上的过程。其中，每个构件将负责管理、分析来自 不同类型图纸的所属图元、标注和文字。 图 3 显示了日光温室构件语义模型，由于每个 构件均具有明确的含义，可以将其作为温室结构的 构件组织方式。基于图纸信息建立温室语义模型， 需要为图纸中图元、标注和文字赋予一定语义20。 在施工图纸中，对同一实体对象采用的描述方法与 组织方式的差异，导致信息传递过程中的语义变异 与信息理解上的语义偏差。因此，需要构建有效的 语义映射机制，使同一实体在不同表示方法之间能 够进行数据共享与信息集成。建立语义映射，首先 定义出关键的语义信息、建立语义空间，并给出语 义的相似度度量方法，实现语义检索21。目前，最 常用语义定义是采用文本对图形及图形区域进行 解释，然后利用字典或者词汇表将文本表示的相关 语义联系起来，从而获得一定的模糊匹配能力22。 该方法具有简单直观、容易处理的优点，但缺点是 难以自动获取文本描述，对概念之间复杂关系缺乏 足够的表达能力，难以独立完成语义描述的任务。 因此，本文基于对不同类型施工图纸的分析，综合 利用图元全局坐标、图形特征和文本信息分析方法 建立图元、标注和文字与构件之间的语义映射。 日光温室平面图、立面图和剖面图给出了整个 温室的拓扑结构、各构件关系以及整体描述信息。 不同类型的图纸所描述的信息、采用的表示方法均 有较大区别，需要结合日光温室的特点制定特征规 则来对图纸类型进行识别。比如，温室的前屋面在 剖面图中一般都具有独特的样式，平面图和剖面图 中温室长度远大于其跨度是其明显特征，另外图纸 的文字信息一般也能表示图纸类型。因此，在识别 中将这些具有特殊标志的图元、标注和文字作为主 要特征对图纸进行归类。 日光温室施工图纸表达的建筑结构构件包括 基础、墙体、屋面、工作间以及门、湿帘、通风窗 （口）等独立构件，每个构件均具有一定的图形特 征并且在不同图纸中采用不同的表示方法，构件的 全局坐标信息可用于对构件进行初步定位。 在 DXF 文件的 HEADER 段中包含了部分图纸信息，其中 在UCSORG中的3个变量保存了用户定义的坐标 系原点所对应的世界坐标系中的三维坐标；在 EXTMAX 和EXTMIN 中则保存了图在世界坐标 系中的范围。因此，对图纸中构件拓扑结构关系分 析以及建立不同类型图纸中构件对应关系，都需要 计算得到构件的全局坐标。每个构件的全局坐标和 大小是由其包含的所有图元的坐标决定，可以使用 一个最小的立方体包围盒作为其在三维坐标系下 所占的空间，然后利用立方体之间碰撞检测初步确 定构件之间的连接关系。一旦确定构件的类型后， 即可将每个图元、标注和文字按照空间位置关系将 增刊 1杜建军等：基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法 193 其归入所属的构件中。 日光温室的语义模型定义了温室构件之间拓 扑结构，通过检索每个构件所包含的图元、标注和 文字来确定构件的几何信息。由于施工图纸具有较 强的示意性，解析出的图元位置与尺寸并不能准确 表示实际的施工参数，图纸中构件对应的标注和文 字包含的信息则表示了构件的真实尺寸。然而，标 注的表达方式具有复合型、示意性、缺省性、多态 性及参考性，使得对标注进行图形识别的难度较 高。在日光温室图纸中标高和轴线的标注图形都是 易于确定的特征，其中标高表示了真实高度，而轴 线则定义了构件的准确位置；另外，日光温室中的 长度、跨度标注具有明确特征，可以通过标注文字 中数字大小来确定。确定温室真实尺寸需要参考建 筑规范，比如一般标高中的数字采用单位米，而长 度、跨度、构件尺寸采用毫米为单位。因此，在尺 寸解析过程中必须进行相应的单位换算，将温室和 构件置于统一的三维坐标系。 3参数驱动模型 日光温室的结构参数可使用五度、四比、三材 表示。其中，五度包括：角度（屋面角、后屋面仰 角和方位角）、高度（矢高和后墙高度）、跨度、 长度和厚度（后墙、侧墙、后坡厚度）；四比包括： 前后坡比、高跨比、保温比、遮阳比；三材为：建 筑材料、透光材料及保温材料。五度包含了温室的 主体结构信息，结合三材可计算出四比。 参数化设计与建模在机械行业应用广泛，本文 采用参数化方法建立日光温室三维模型。参数化建 模是使用一组参数来约束模型及模型之间的关系， 进而通过修改参数方式驱动整体模型联动，实现从 定性和定量角度建立三维模型23- 24。该方法包括 3 个步骤 1）层次化定义参数：按照层次不同类型参数， 包括温室五度参数、在不同构件中共用的结构参 数、构件结构参数、纹理材质参数等。 2）定义约束模型：对各个层次的参数，确定 约束类型、约束来源、约束条件和约束表达式，定 义参数之间的约束关系，使得约束源参数的修改能 够引起联动23。建立每层构件与同层或者上层构件 之间的参数引用关系，在参数修改过程中直接引起 其他构件参数的联动。图 3 显示的温室构件语义模 型定义了日光温室构件之间的主要约束关系，约束 关系的建立需要经过系列逻辑判断、推理和计算， 比如温室门、窗构件可能属于东墙上层构件，这种 约束关系使得东墙墙体在模型表示上为：东墙墙体 =东墙构件- 门构件- 窗构件。基于温室设计知识，不 同类型的约束将使用相应的约束定义和表达式来 处理，最终建成约束网络。 3）约束的动态化和智能化：在约束模型基础 上，一旦修改某项参数，其他参数将在约束网络作 用下进行调整，实现参数化驱动建模。 4语义驱动三维建模 基于语义的三维重建在虚拟仿真、场景设计和 工程计算等领域有广泛应用25- 28。本文利用语义对 等原则，建立温室构件语义模型与三维建模参数模 型之间的对应关系，进而实现图纸信息构件语 义参数模型之间的语义映射机制。保真性、交 互性和真实感是检验基于图纸三维重建可靠性的 标准。其中，日光温室三维模型保真是要求所建三 维模型真实再现了施工图纸设计的原型，可用于定 量分析和计算；交互性是指可用参数模型驱动温室 结构的动态调整；而真实感则强调日光温室模型的 立体形态展示效果。为达到上述指标，本文提出了 基于语义驱动的日光温室图纸三维重建方法（图 4），其中建立合理的日光温室构件语义模型是核 心问题。通过解析整套施工图纸，结合空间位置检 查、图元特征识别、标注和文字识别对图纸对象进 行分类、识别和理解，从施工图纸中提取出温室整 体和构件结构参数，能够真实反映图纸设计意图。 基于语义分析得到日光温室参数模型，是通过参数 驱动方法建立的，因此用户具有进行模型管理、修 改和修复的权限，可以交互式局部调整具有语义二 义性的构件。在三维温室模型基础上，通过从外部 加载地形、环境、设施、作物等模型，也使得三维 温室具有比施工图纸更为形象、直观的示意效果。 图 4语义驱动的日光温室图纸三维建模 Fig.4Three- dimensional model of solar- greenhouse construction drawings based on semantic driving 以语义模型为基础进行的三维建模设计，是 以构件作为基本设计对象，构件所包含的所有识 别出的二维图元均定义为该构件的属性，其中图 元信息已经映射到其所属构件的其他属性上。因 此，利用面向对象技术将所有构件抽象成类，从 构件所含的所有二维图元中提取出构件属性，并 实现从接口和基类中重载的方法，完成对日光温 室的整体和构件信息描述；利用设计模式中组合 农业工程学报2013 年 194 和聚合概念描述温室整体及其构件之间约束关 系；利用接口和继承技术共用参数和方法，建立 参数驱动的日光温室三维模型。设计的日光温室 三维建模类图如图 5 所示，其中 CStructLib 类包 含了温室五度参数和其他共用参数，CMatLib 和 CTextureLib 分别保存材质参数和纹理图片信息； CBaseModel 类是构件基类， 所有与图形表示相关 的构件类均从此类中派生，该类主要提供渲染绘 制、材质纹理设置和计算的虚函数。温室三维模 型类 CGreenHouseModel也从 CBaseModel类中继 承，并采用组合方式使用屋面结构、维护结构、 土壤与附属、工作间和附属组件等类。温室三维 模型的层次结构展开后与语义模型具有对应关 系，即顶层代表日光温室整体，下面的若干层均 为构件类，构件类可由若干其他基本构件组成。 基本构件一般为立方体、圆柱体、球 B 样条圆柱 /棱柱、多面体等三维图形类，这些基本构件之间 通过排列、组合、约束可以构造出复杂构件。 图 5日光温室三维建模类图 Fig.5Class diagram for three- dimensional solar- greenhouse modeling 设计的与图形绘制相关的构件和三维图形 类都必须实现 CBaseModel 类中提供的纯虚绘制 函数，负责将其所包含的几何、材质、纹理等属 性在三维场景中绘制出来。在建模过程中，首先 使用语义模型解析出的参数初始化参数模型， 然 后通过调整其中结构、 纹理和材质参数驱动模型 生成。 图 6 显示了使用本文方法从不同施工图纸中 重建出的日光温室三维模型， 其中图 6a 的温室屋 面为抛物线形状，图 6b 为圆弧形状。可以看出， 在屋面形状、温室长度、钢架布局、墙体尺寸等 方面均体现了图纸信息的差异。 日光温室三维模型的主要结构参数来自于施 工图纸，如果某些几何结构参数和纹理材质数据 无法从图纸中解析，或者图纸本身就未包含这些 数据，则使用了默认的模板数据填充参数模型。 使用该方法建立三维温室模型具有很好的 层次性、组合型和灵活性，同时具有参数驱动的 优势，可以交互式修改任何温室构件的几何结 构、材质和纹理参数，建立不同样式的日光温室 模型。 根据模型中构件的语义特征，结合构件所包 含的三维图形属性，也为温室和构件的建筑用材 计算、施工工程量与造价估计、温室结构优化与 计算等提供支持。 a. 抛物线剖面的温室三维模型 a. Models with parabolic profile drawing b. 圆弧形剖面的温室三维模型 b. Models with circular profile drawing 图 6基于不同施工图纸建立的日光温室三维模型 Fig.6Three- dimensional models of solar- greenhouses based on different construction drawings 5结束语 本文提出了基于语义映射的施工图纸三维重 建方法。该方法融合了建筑 CAD 制图、三维建模 技术和可视化技术，通过解析成套的日光温室施工 图纸，对图纸信息进行分类、识别和理解，构造了 温室构件语义模型和参数模型，并基于参数驱动整 个三维建模流程。提出方法的优势体现在：独立于 AutoCAD 环境对 DXF 进行解析和显示，使得基于 增刊 1杜建军等：基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法 195 该方法设计的系统可移植性好，提高了日光温室施 工图纸的读图效率；通过从二维图纸中恢复出日光 温室的三维模型，信息完整，有利于充分利用已有 的施工图纸资源，丰富和完善施工图纸的设计；建 立的三维温室模型具有保真性、交互性和真实感的 特点，可以广泛应用于施工量计算、造价估计、结 构优化和虚拟展示展览。 参考文献 1Xuetao Y, Wonka P, Razdan A. Generating 3D building models from architectural drawings: A surveyJ. IEEE Computer Graphics and Application, 2009, 29(1): 20 30. 2Dori D, Tombre K. From engineering drawings to 3D cad models: are we ready now?J. Computer- Aided Design, 1995, 27(4): 243254. 3Shum S S P, Lau W S, Yuen M M, et al. Solid reconstruction from orthographic opaque views using incremental extrusionJ. 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The construction drawings of solar- greenhouse with DXF formats were analyzed to obtain the structure elements which consisted of