（机械设计及理论专业论文）基于三维重建模型的离线参数化技术研究.pdf

摘要 浙江大学硕士学位论文 摘要 本文提出了一种基于三维重建模型的离线参数化方案。首先，从一般d x f 文件出发，在三维重建的特征基元识别过程中，建立基元和二维投影图素之间 的对应关系；然后，从d x f 文件中取得尺寸标注信息，建立尺寸和基元的二维 投影图素之间的约束关系；最后，根据基元投影之间的关系，建立基元与基元 的邻接关系，完成参数化约束模型的建立。由于建立参数化模型与图形形成过 程完全分离，故称之为离线参数化，当尺寸变动时，将驱动相应图形。显然， 离线参数化也可接受扫描仪输入的矢量化图形文件。 ， f 第一章，阐述了参数化研究特别是离线参数化研究的重要意义和国内外对 参数化技术和离线参数化技术的研究情况及其问题所在，提出了本文研究课题 即基于三维重建模型的离线参数化技术的基本思想。 第二章，分析了工程图样的特性、基元的特性以及基元和工程图样之间的 关系，从而阐明了基于三维重建模型的离线参数化技术的必要性和可行性。 第三章，实现离线参数化需要进行一些预处理，如建立基元和二维投影之 间的对应关系；从d x f 文件中读出尺寸标注的信息；将些在三维重建之前被 打断的图素恢复；比较三维重建后的投影结果和原始工程图样，恢复识别过程 中丢弃的图素等等。 第四章，首先讨论了尺寸的基本形式和特征，建立了尺寸和二维图素之间 的约束关系：然后分析并建立了基元之间的关系，在此基础上完成参数化约束 模型的建立，得到离线参数化的结果；最后，用一个实例说明了尺寸驱动图形 的过程。 第五章，介绍了原型系统的结构和数据组织，以及系统的一些实例。 第六章，对本文的工作进行总结，探讨了本课题今后的发展方向， 摘要 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w e p r o p o s ea i lo f f - l i n ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o db a s e d0 1 3 3 ds o l i d m o d e lf r o ma3 ds o l i dm o d e lr e c o n s t r u c t i o n s y s t e m f i r s t ，f r o m t h ed x ff i l e ，t h e r e l a t i o nb e t w e e ne a c hp r i m i t i v ea n di t s2 d p r o j e c t i v eg r a p h i ce n t i t i e si sb u i l ti nt h e p r o c e d u r eo f t h ep r i m i t i v er e c o g n i t i o n ；t h e n ，w eg e tt h ed i m e n s i o ni n f o r m a t i o n sf r o m d x ff i l e t h i sm a k e si t p o s s i b l et ob u i l dt h er e s t r i c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nd i m e n s i o n s a n dt h e2 d p r o j e c t i v eg r a p h i ce n t i t i e s ；f i n a i i y ，a c c o r d i n g t ot h e r e l a t i o no ft h e p r o j e c t i v eg r a p h i ce n t i t i e s o fe a c hp r i m i t i v e ，w eb u l i dt h er e l a t i o nb e t w e e ne a c h p r i m i t i v e a ut h ew o r k d o n e p r e v i o u s l yi sf o rt h eb u l i d i n go f t h ep a r a m e t r i cr e s t r i c t i o n m o d e l b e c a u s et h e b u i l d i n g o fp a r a m e t r i cr e s t r i c t i o nm o d e li s d e p a r t e df r o mt h e s h a p i n g o fg r a p h i c ，w ec a l li to f f - l i n e p a r a m e t r i cd e s i g n w h e nt h ed i m e n s i o ni s c h a n g e d ，i tw i l l d r i v et h e c o r r e s p o n d i n gg r a p h i c b ya l la p p e a r a n c e ，t h i sd e s i g nc a n a c c e p tt h ev e c t o r g r a p h w h i c hi si n p u tu s i n gs c a n n e r i nc h a p t e r1 , w ed i s c u s st h em e a n i n go ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n ，e s p e c i a l l yf o rt h e o f f - l i n ep a r a m e t r i cd e s i g na n dt h ec u r r e n ts t a t u so ft h i sp r o b l e m t h e nw ei n t r o d u c e t h ec o n t e n to f t h i s p a p e ra n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em e t h o dw h i c hw e p r o p o s e ， i n c h a p t e r2 , w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so f p r i m i t i v e sa n d t h er e l a t i o no f t h e m a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h er e l a t i o n ，w ee x p l a i nt h ef e a s i b i l i t yo fo f f - l i n ep a r a m e t r i c i n c h a p t e r3 ，w ep r e - p r o c e s s t h er e s u l t so f3 dr e c o n s t r u c t i o n s y s t e m ，s u c h a s g a i n i n gt h ed i m e n s i o ni n f o r m a t i o n sf r o md x ff i l e ，r e c o n v e r t i n go ru n i t i n gt h eg r a p h i c e n t i t i e sw h i c hw e r ec u r e di nt h e3 dr e c o n s t r u c t i o np r o c e d u r e ，b u i l d i n gt h er e l a t i o n b e t w e e ne a c h p r i m i t i v ea n d t h e i r2 d p r o j e c t i v eg r a p h i ce n t i t i e s ，e t e i nc h a p t e r4 ，f i r s t ，w ed i s c u s st h eb a s ef o r m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i m e n s i o n s a n db u i l dt h er e l a t i o no fd i m e n i s o n sa n d2 dp r o j e c t i v e g r a p h i ce n t i t i e s ；t h e n ，w e a n a l y z ea n db u i l dt h ep r i m i t i v er e l a t i o n i no r d e rt o g e tt h ep a r a m e t r i cr e s t r i c t i o n m o d e l ；f i n a l l y , w eu s ea ne x a m p l et oe x p l a i nh o w t h ed i m e n s i o nd r i v et h ep r o j e c t i v e g r a p h t oa n o t h e rs t a t u s i nc h a p t e r5 ，w ei n t r o d u c et h es t r u c t u r eo f p r o t o t y p es y s t e ma n dt h eo r g a n i z a t i o n o fd a t a t h e ns o m e e x a m p l e sa r eg i v e n i nc h a p t e r6 ，w es u m m a r i z et h ew o r ko f t h i s p a p e r a n dm a k ea p r o s p e c t i i 第一章绪论 浙_ l 工大学硕士学位论文 第一章绪论 本章从参数化设计入手，阐述了参数化研究特别是离线参数化研究的重要 意义。在参数化设计的方法方面，分析了国内外参数化技术和离线参数化技术 的研究情况及其问题所在，提出了本文研究课题即基于三维重建模型的离线参 数化技术的基本思想。 1 1 引言 在国家高技术自动化领域c i m s 主题和c a d 应用工程的推动下，计算机辅 助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术应用日益普遍。计算机辅助设计( c a d ) 技术 的含义是使用计算机帮助人们进行产品和工程设计，也就是将计算机高速而精 确的计算能力、大容量存储和数据处理能力，与设计者的综合分析和逻辑判断 能力以及创造性思维结合起来，从而大大加快设计进程，缩短设计周期，提高 设计质量。由于产品的设计、制造、分析计算是一个完整的过程，只有根据设 计制造出产品或完成一个工程，才能完整的取得经济效益，计算机图形学( c g ) 和计算机辅助设计( c a d ) 的密切结合，极大地促进了生产的发展，推动了人类 文明的进程。随着c a d c a m 的迅猛发展，传统的设计和制造方式也发生着根 本性的变革，c a d c a t v 是加快制造业自身改造、实现产品设计和制造自动化 的有力手段。 c a d 技术涉及到许多科学领域，如计算机科学与工程、计算数学、机械设计、 人机工程、电子技术及其他很多工程技术，体现了现代新技术的相互渗透性。 c a d c a m 技术在机械行业的应用，从根本上改变了过去的手工绘图、凭图纸组 织整个生产过程的技术管理方式。在机械设计中，产品的整个设计过程包括功 能设计、概念设计、初步设计和详细设计等阶段。在不同的设计阶段，设计人 员所关心的产品信息的着重点是不同的。因此，产品的设计过程是一个不断完 善、反复修改的过程。同时，绝大多数的设计都是属于改进型的设计。现有的 工程图纸中包含了长期以来人类智慧的结晶，对于扫描输入的图形，交互输入 的图形或其它方法生成的图形，进行新的设计和制造，这无疑将极大地推动机 械制造行业的迅速发展。和这一技术密切相关的就是c a d c a m 研究中的参数化 技术。实践证明，图形的参数化是c a d c g 实用化的关键之一。 工程图使用二维的信息来描述三维产品，这种描述准确而有效，在传统的 制造系统中，工程图是产品设计、生产组织的技术数据传递媒介，也是各企业、 系统之间重要的信息交流方式。但在目前的集成制造系统中，三维数据模型是 第一章绪论 浙江大学硕上学位论文 产品数据模型的几何核心。作为一种更先进的产品模型，三维数据模型在实际 应用发展非常迅速，在其基础上，可以直接进行有限元分析等自动化的c a d 技 术，缩短了产品设计周期。但是，工程图也并没有马上被淘汰。实际上，有时 候，二维的工程图能更简洁明快地表达出所要描述的产品零件。在可以预见的 将来，工程图和三维产品数据模型将会在先进制造系统中共存。能对工程图实 行离线参数化，满足目前来说以工程图作为传递媒介的机械设计者的要求，无 疑将加快产品设计的过程。本文就从此出发，充分利用三维信息和二维信息， 结合本研究所的8 6 3 c i m s 主题项目“基于多层次综合集成的三维重建技 术研究及其应用”的一些成果，对工程图样的离线参数化做一些探索的工作。 1 2参数化设计的意义 参数化设计具有极大的现实意义，概括的讲体现在以下几个方面： 一改变传统的绘图方式，降低绘图的工作量 传统的c a d 绘图技术都用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线段 都有确定的位置，要想修改图面的内容，只有擦除原有的线条后重画，而新产 品的打样设计不可避免地要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、 优化。对于定型的产品设计，需要形成系列，以便针对用户的生产特点提供不 同吨位、功率、规格的产品型号。因此在新的c a d 系统中增加参数化和变量化 设计模块是具有很大的现实意义的。 二作为变量化设计的基础，促进设计过程自动化 参数化设计和变量化设计是基于约束的c a d 系统的两种主要实现形式。参 数化设计都是用几何元素及特征定义参数之间的约束来统一不同尺寸模型的表 示，在此基础上，变量设计要求能够随意改变产品几何模型中的特征类型、数 量、生存或消亡。以及特征之间的约束方式，定形定位尺寸等。例如，通孔替 换成阶梯孔，传统参数设计无法实现，所以变量设计包含了更广的内容，参数 化设计在其研究范畴之中。由此看来，参数化设计是变量化设计的基础，与此 同时，变量设计主要也是为了适应参数化、系列化的产品设计而提出的，它所 要解决的主要问题是产品模型中的约束表示和约束求解。就三维变量设计而言， 一般是建立在特征造型的基础上，由于形状特征是各种非形状特征的载体，形 状特征包含的形体几何信息不仅是参数化的主要对象，而且是施加约束的中介。 从设计方法学的角度考虑，变量化设计c a d 系统的体系结构还有许多的问题有 待探讨解决。变量化设计有着极大的应用前景，变量化设计一旦实现，离设计 过程的自动化也将不再遥远。 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 三离线参数化将极大地扩展参数化的应用范畴 现有的参数化设计方法有着共同的缺点：对用户的要求高，设计过程繁琐。 虽然在目前出现了许多商品化的绘图软件，有的也能够实现参数化，但是大部 分能参数化的软件，只适用于其系统本身产生的图形，而对于其他软件产生的 图形却无能为力。其原因就在于各种软件的参数化的关键步骤即建立约束关系 依赖于作图的过程或系统本身。因此，一个软件产生的图形就不能在其他的软 件上参数化。这些软件所用的参数化方法都是在线型的设计，故也称之为在线 参数化。当今的时代是一个信息共享的时代，充分共享现有的资源是人类的共 同目标。在线参数化软件之间的不兼容性，造成了人力的极大浪费。如果能够 提供一种方法，使得它能适用于各种软件产生的图形，这将会大大地降底机械 设计人员的工作量，提高工作效率。区别于在线参数化，这种方法就是离线参 数化，已经有许多研究者口“吲对这一技术进行了深入的研究工作，但是在建立 约束关系和管理约束关系过程中都遇到了较大的困难。所以这一研究工作很有 意义，如何充分利用工程图样或扫描形成的矢量图形所提供的信息，建立严谨 的约束关系，合理地管理这些约束关系，是众多的c a d 工作者共同的目标，也 是本文所要研究的问题，即离线参数化技术的研究。 1 3国内外参数化发展概述 制造业是个国家经济发展的支柱，产品设计与开发则是制造业的灵魂， 是先进制造技术的重要内容。c a d 技术是先进制造技术的重要基础，因此c a d 系统必须不断发展，以适应各种先进制造技术的要求。传统c a d 系统主要是 作为几何造型和工程绘图的工具，人们从八十年代开始进行新一代c a d 系统 的研究，并取得了丰硕的成果，实用化商品化的系统已经开始投放市场，当前， 新代c a d 系统的研究方兴未艾，其主要内容包括集成化，智能化和支持并 行工程的研究，智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) * u 用了人工智能领域的专家 系统和约束管理等方面的研究成果，使用户可以建立较为完善的产品模型，支 持智能化设计过程，并能进行参数化或变量化设计等。 变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 一词是美国麻省理工学院g o s s a r d 教授 在提出的。他采用非线性约束方程组的联立求解，设定初值后用牛顿迭代法精 化。这种方法的最大优点在于约束方程的内容不限，除了几何约束外还可以引 入力学、运动学、动力学等关系。变量化设计系统针对设计对象的操作具有更 好的灵活性和自由度，约束的指定是陈述式的( d e c l a r a i v e ) ，即约束的指定没 有先后顺序之分，约束依赖关系可以根据设计者意图随意更改，通常采用联立 求解约束方程组来确定产品的形状和尺寸。另外，几何约束和工程约束可以联 立整体求解，因而功能更为强大。但是，应该看到的是，大型约束方程组整体 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 求解的效率和稳定性显然不如参数化设计方法。形象地说，陈述式的变量设计 系统告诉计算机做什么，过程式的参数化设计系统告诉计算机怎么做，他们具 有各自的适用范围。 八十年代初，r a l i g h t ，d c g o s s a r d 等人提出了变动几何的理论，把二 维图形中的尺寸信息与图形信息联系起来，用尺寸来约束图形。变动几何理论 的提出第一次系统地将图形和图形以外的信息( 尺寸信息) 联系起来，突破了孤 立定义图形方法的局限，将尺寸作为图形的约束条件引入。然而，变动几何理 论本身就有一个不可逾越的障碍，就是尺寸对图形特征的约束的j a c o b i 行列式 的行的秩有可能不等于列的秩从而导致方程无解致使尺寸对图形的约束无效。 问题的实质在于二维图形只用尺寸本身就有不确定性，另一方面，变动几何也 无法架起二维图形与三维图形之间沟通的桥梁。由此可见，仅仅从一个投影， 一个视图用尺寸来约束图形，不能从根本上解决问题，只有从多方面，多角度， 多准则引进约束条件，才能使计算机生成的图形满足多方面，多层次的需要。 本文提到的三维重建结果，使二维信息和三维信息共存。无疑将对约束关系的 建立起到很大的帮助。 b a 1 d e f e l d ，h s u z n k i 等人提出了几何推理方法，这种方法将一个几何图 形表示为一系列作图步骤，即通过一系列规则和推理明确给定约束中所隐含的 知识，然后用人工智能和几何推理从已知条件中求解未知约束模型的有效性。 该方法具有局部修改的功能，可以加速修改尺寸的图形重建过程，但由此付出 的代价是将原来较简洁直观的几何作图规则拆散成繁琐的约束谓语。因此存在 系统庞大，运算速度慢，对循环约束情况无法求解等问题。所以不能适应实现 交互作图的需要。 d r o l l e r 的变量设计在交互过程中同步建立结构图形约束，当整个图形的 几何定义完成后，意味着约束关系的完成。它将约束封闭于一个图形元素之间， 因此约束具有局部性，便于修改及求解结构图形约束完成及成图后的再加注尺 寸标注约束，两种约束可能存在矛盾，可以回朔查找图形约束关系并进行修正， 从而保证改变尺寸后直接驱动图形。因为结构图形约束和作图同步进行，一般 不会出现欠约束和过约束，但是对作图的要求太高，而且容易出错。 参数编程法将尺寸作为变量，通过编程的方法，运用几何求交运算，实现 参数化设计。这种方法比较简单，而且易于实现。但是，明显的缺点是，图形 的生成过程不直观，编程的工作量太大。 我国从7 0 年代中期起，从各种不同的应用需要出发研究二维图形的构成规 律，如形状参数尺寸代码法、四元组节点表示法及有向元素表示和辅助线作图 法等。这些研究遵循与国外不同的技术路线，为当代参数化绘图软件的开发提 供了雄厚的技术基础。 4 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 本文和参数化绘图是密切相关的，目前，许多的c a d 软件公司也提供了参 数化绘图的功能，例如浙江大学的z d d s 。下面就对参数化绘图的近期进展作个 概括。 c a d 软件的市场竞争推动了参数化技术的学术研究，近几年来，尤其是在 国内，各种学术讨论会和技术刊物上发表的有关论文数量急剧增加。 r o ll e r 认为，一个理想的参数化方法至少应能满足以下重点要求： ( i ) 能够检查出约束条件不一致，即是否有过约束和欠约束情况的出现； ( 2 ) 算法可靠，即当给定一组约束和物体的拓扑描述后能够解出存在的一个解， 而且当用户需要是可以给出所有可行解； ( 3 ) 交互操作，即求解速度要快，使得用户的每一步设计操作都能到及时的适当 的响应； ( 4 ) 在构造物体的构成中允许修改约束，而且修改的效果应该与先期的约束设定 次序无关； ( 5 ) 应能容许广泛的约束类型并且容易为某些特殊应用加入新的约束类型； ( 6 ) 应能通用于二维和三维； ( 7 ) 应能处理常规c a d 数据库中的图样，必要时允许人工干预。 根据我们的实践体会，以上七点是正确的，只是第六条应该解释为二维绘 图功能可以直接引申到空间工作平面上，使得任意平面上的二维参数化线框可 以自动转化成总体坐标系中的三维线框并且伸展成三维形体。 一般绘图系统很早就提供了利用绘图语言生成参数化图形的功能，用以建 立标准件库。绘图语句中引用尺寸变量，但是一切绘图指令中都靠手工计算画 线位置。绘图命令文件的编写费时，不直观，容易出错。利用交互作图自动生 成绘图命令的方法，它的优点就在于可以增加参数化绘图的规模，使得整个产 品从装配图到全套零件图，从几何图形到完熬的尺寸。形位公差标注和明细表 生成都实现参数化的尺寸驱动。但是必须一开始就规划好所有的控制参数，确 定相关零件的装配，协调关系，然后在生成出图软件的过程中依次引用这些参 数，形成严密的尺寸控制体系。不难理解，出图系统的功能越强，产品的复杂 度越高，软件开发的工作量也就越大，交互作图过程中人工干预的因素越多。 对用户的要求也越高。用户必须对约束了如指掌，输入正确的参数值是最起码 的要求。 采用周密的拓扑链和尺寸链两类数据结构实现尺寸驱动，不失为一个好的 参数化方法，其中拓扑链是对图形中的每个几何元素详细记录它的首末端和在 两端之间的连接的其他元素。同时指明连接方式。尺寸链是将所有尺寸标注的 基准元素和另一界线元素。尺寸参数。受尺寸参数约束的图形元素等链接一起 形成的有向图。当其中某一尺寸参数修改时，可以从有向图中由链接关系迅速 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 检索出所有的关联元素及其对应尺寸，局部更新画面。 另一类的参数化系统就是基于辅助线的工程图参数化系统，即用辅助线作 为描述图形元素几何约束的主导形式，用链表连接各个几何元素与其所有约束 元素，以此提高约束求解的交互响应速度。北航7 0 3 教研室就自行开发了一个 基于辅助线作图法的工程图纸参数化系统一v c a d 。 因为采用了辅助线，这 一套系统最大的优势可以说是在多视图的处理方面。 总的来说，从7 0 年代末到目前为止，在二维变量设计方面人们先后提出了 变动几何、几何推理、参数化编程等多种参数化设计方法。变动几何法将几何 约束转化为非线性方程组，然后进行整体求解，确定出特征点集。这种方法具 有通用性，但要求设计人员提供充分且一致的几何约束，同时也难以有效地将 局部参数变动局限在局部范围求解。几何推理法一般采用一阶谓词表示几何约 束，通过专家系统进行几何推理逐步确定未知的几何元素，这种方法可以检查 约束模型的有效性，具有较强的智能性，但是存在着推理速度慢，系统复杂， 对循环约束情况无法求解等问题。总体来说多数方法虽能较好地解决单个视图 的二维参数化设计问题，却难以适应多视图的参数化问题。难以直接应用于三 维变量设计中。 s d r c l 9 9 1 年在其i - d e a s 第六版的d r a f t 模块中提出了一项新的交互作用技 术一动态导航技术。该技术利用从工程制图标准抽象出来的规则预测下一步 操作的可能，大大方便了操作，动态导航技术和参数设计技术目前已成为大多 数c a d 系统的主要功能或目标。在三维c a d 系统中，动态导航用来生成二维轮 廓，这个轮廓准确的位置和尺寸都不必在草图输入时给出，而可以在以后的参 数设计过程中得到，三维的参数化设计也主要是针对这个二维轮廓进行的。由 于这个二维轮廓只是用来生成三维特征，它远比我们在二维c a d 系统中要处理 的工程图简单得多。实践证明，无论是动态导航还是参数设计要用来处理工程 图都是很复杂的。但是要实现对二维工程图的参数化设计绘图从一定意义上讲 比在三维环境下更为困难。近年来，许多c a d 工作者围绕着如何将概念设计和 参数化设计引入传统二维c a d 系统进行大量的研究。 目前提出的一些三维参数化设计方法一般多以实体模型为基础实现的，难 以适应于特征设计。国内外针对特征模型中的几何约束和参数化，变量设计问 题开展了许多研究工作，l u b y ，s c 采用结合面表示形状特征之间的定位约束 关系，通过在其父特征结合面上建立子特征的相对坐标系支持变动设计：g o s s a r d 用相对位置操作显式表示平面之间的尺寸约束，并由相对位置操作和c s g b r e p 表示一起组成几何约束模型，通过相对位置操作和布尔运算实现尺寸驱动，另 外还有人提出了由虚面表示法与贴合面结构共同组成的几何约束模型。通过自 建立整体约束方程组，采用快速约束方程求解算法实现参数化特征造型。 6 第一章绪论 浙江大学颁七学位论文 1 4基于三维重建模型的离线参数化的提出 从以上的讨论中，我们可以看到，无论是二维的参数化研究还是三维的参 数化研究，都各有优势，也各有缺陷。总的来说，现在的研究工作存在二维、 三维变量设计之间缺乏有效的联系和相互支持，现有的造型方法所能处理的几 何约束模型种类有限，约束求解算法和变动设计方法效率不高等问题。 二维设计的基本单元是点、线等基本几何元素，而三维设计的基本单元是 基本体索或形状特征，而不是基本的点、线元素。二维设计可通过比较成熟的 图形的交互技术来设计草图，而三维设计的交互过程则复杂而繁琐。二维几何 模型比较简单，而三维几何模型信息丰富，结构复杂。 在以往的二维离线参数化的研究中，很少用到三维形体信息，而在三维参 数化研究中，也很少用到二维信息，这主要是因为二维信息和三维形体信息较 难共存。三维参数化系统中的三维形体信息的输入一般由类似于特征造型的系 统完成，或者用文件的形式输入，输入的是一些形如c s g 模型的数据。建立产 品模型的过程也就是不断施加约束的过程，系统需要通过这些约束确定特征及 特征之间的各种关系，这无疑增加了用户操作的难度。在这样的系统中要得到 二维信息必须通过投影来完成，这是目的却不是过程，所以三维参数化很难在 参数化的过程中利用二维投影信息。二维参数化的二维信息一般是通过交互绘 图生成，要与三维形体信息共存几乎不大可能。所以在以往的参数化研究中， 很少有人考虑过同时利用三维形体信息和二维图素信息。应该说如果能够同时 利用三维形体信息和二维信息，可以走出一条参数化的新路。 值得一提的是，在一些大型的制造业公司中，累积了数卧晾人的产品设计 文档。其中绝大部分是工程图纸，这些产品设计是一批批工程技术人员的智慧 结晶，其中的经验积累指导着将来产品设计，而且有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( 进一步手工或半自动矢量化) 后的数字 化管理手段。如果能将矢量化的扫描图形进行参数化，将对于提高产品设计质 量，缩短产品设计周期，增强产品的竞争能力，都有重要的作用，本文的所针 对的最原始的对象就是这些工程图样。 参数化设计的关键在于约束关系的建立，约束关系的建立是参数化设计的 基础。传统的设计方法的不足正是在于，它们是属于在线型的设计。因此，使 设计过程复杂化，系统也不能兼容。如果计算机能自动地识别并建立图形的约 束信息，则将会给设计人员带来很大的方便。这将是c a d c g 的一项新的突破。 本篇论文建立在本研究所所做出的部分三维重建的成果的基础之上，也就 7 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 是基于三维重建结果的离线参数化的研究与实现。从三维重建的目的来看，应 该说参数化是它的主要目的之一。二维参数化设计和三维参数化设计是可以双 向沟通的，三维重建系统使完整的二维投影信息和完整的三维形体信息共存， 并且他们之间存在着密切的联系，或者说是一种明确的从属关系。从本文的基 础来看，由于数据源是目前通用性比较高的绘图软件a u t oc a d 的d x f 文件，这 样一来就使得本系统具有较强的通用性。用户几乎不需要在约束的建立和三维 形体信息上做出什么考虑，就可以实现参数化，并且能看到无论二维和三维的 图形，变动灵活。本文结合二维图素与三维形体的信息，用三维形体的整体性 去弥9 1 - 维图素的个体性，用三维约束的集中性弥补二维图素约束的分离性， 力求克服以往单纯的二维离线参数化和三维参数化的种种困难，寻找离线参数 化的最佳路径。 1 5课题的基本内容和特点 综上所述，对已经有的二维工程图样进行参数化研究是c a d 领域中极有意 义的课题。本文通过建立基元( 或者也可以称之为特征) 之间的约束关系，基元 与二维工程图素表达之间的包含关系，尺寸和二维图素之间的约束关系这三种 关系，从而建立起一套从尺寸出发，以尺寸驱动二维图素，以二维图素驱动基 元，以基元驱动相关的基元，以基元结果驱动二维图素并最终实现联合驱动的 机制，从而达到对二维工程图样的离线参数化的效果。 课题的主要内容包括以下几点 1 ) 三维重建结果的预处理 本文研究的方案是针对三维重建结果的离线参数化，此方案的优势正是在 于有三维重建结果作为基础。三维模型的形体信息和二维投影信息共存，能够 给一般的d x f 表示的二维工程图样实现尺寸驱动的参数化。这里所指的三维重 建结果包含的是一些特征以及特征的一些特征参数，如基元的高度、圆柱的半 径、拉伸体的基环、特征的大部分二维投影表示等等。三维重建结果的预处理 就是要将二维尺寸信息( 来源于三维重建之前的d x f 文件) 加入到三维重建结果 中，另外还要将打断的图素恢复，以便于建立二维图素和尺寸之间的约束关系。 预处理的结果就是建立起基元和二维投影建立对应的关系。对应关系实质上是 在三维重建或者说是在特征识别的过程中就已经建立了。但是在特征识别中由 于是以识别出形体特征为主的，所以并没有保留二维的投影信息。这里的三维 重建的预处理就是保留住这些投影信息。 2 ) 基元和二维投影图紊的关系识别 第一章绪论 浙江人学硕士学位论文 工程图样是三维形体的二维投影表达，这种投影表达有许多的规律可循， 客观地讲，由三维形体向二维投影图难度应该是比由二维重建出三维形体的难 度要小。原因就在于三维形体的信息是比较齐全的，但是在投影的过程中，丢 失了大量的空间拓扑信息造成三维重建的困难。本文研究的方案由于是基于 三维重建模型的离线参数化，三维形体的信息完全由二维投影图得到，所以它 能够非常方便地建立二维图素和基元之间的从属关系，基元信息和二维图素信 息共存。但是必须跟踪三维重建的过程，把握在特征的识别过程中，到底哪些 二维图素有效地生成了哪些基元，哪些又是在识别的过程中被丢弃了的图素。 这些被丢弃了的图素，如相贯线、截交线，它们都包含着一定的意义，能够辅 助几何约束的建立，特别是基元之间的关系的识别，这些相贯线或截交线，表 面上看是不属于任何一个基元，但是实际上，它们是由于同时属于多个基元而 不便于将其归结为只属于其中的某一个基元，为此，在本文的研究中，将这些 在识别的过程中被丢弃的二维投影图素作为基元的投影图素，加入到基元的相 关链表中。识别基元和二维投影图素的关系，目的在于建立基元对二维投影图 素的约束，使得在离线参数化的过程中，基元的变动能够有效地驱动从属于该 基元的投影图素的变动。 3 ) 基元之间的关系识别 前面已经提到过，建立产品模型的过程也就是不断施加约束的过程，通过 约束确定特征及特征之间的各种关系。在本文研究的方案中，模型生成过程也就 是三维重建的过程，这种三维重建出来的模型与一般的三维变量设计的特征造 型中特征模型是不同的，基元之间不存在运算关系，也就是不存在交、并、差 的运算关系。基元之间的关系可以概括为共面、包含、相贯、共线这四种关系。 这些关系反映在相应的二维视图中有一定的特征，可以称之为关系特征。如果 把握了这些关系特征，也就能建立特征之间的关系，为参数化的实现提供帮助。 基元之间的关系识别，目的在于建立基元对基元的约束，使得在离线参数化的 过程中一个基元的变动能够有效地驱动与之相关联的基元，从而使准确地驱 动整个零件图。 4 ) 尺寸对二维图素的约束识别 参数化的本质就是提取图形中各元素对象的几何与拓扑信息，分析各图形 实体之间的约束关系，在保持原有图形的拓扑关系不变的基础上，实现图形随 尺寸的改变。从中我们可以看到，尺寸是引起图形变动的根本性因素。因此， 建立尺寸与图形之间的约束关系，是最基本的一项要求。在本文的研究中，尺 寸对二维图素的约束可能转化成尺寸对基元的某一特征参数( 如拉伸体的高度 等) 的约束，也有可能转化成尺寸对三维形体的位置约束( 即定位尺寸) 。同 时在拉伸体的基环表达中，尺寸和二维图素之间的关系主要用来驱动二维中的 面域，二维面域一般是封闭的，这一点便于建立二维尺寸链，从而在参数化的 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 研究中结合了二维参数化的优点。此外，二维面域的变动也将引起拉伸体的某 些属性图素的变动。建立尺寸与二维图素之间的约束关系，目的在于当尺寸变 动时，能够驱动它所约束的元素或特征属性进行正确的变动。 本文工作有如下特点 1 ) 提出了一种新的离线参数化方法。该方法以三维重建模型为背景，图形 的形成过程与参数化过程完全分离，尺寸改变在二维投影图中进行，尺寸驱动 图形仍然在二维中实现。 2 ) 在三维中建立二维和三维之间的联系，具有三维离线参数化的优势。基 元和二维图素之间的对应关系使二维图素的变动成为整体性的行为，从而使工 程图样的参数化不需要规定视图的类型和数目。 3 ) 在二维中建立图形和尺寸之间的联系，具有二维离线参数化的优势。该 方法继承了三维重建数据源的二维尺寸标注，尺寸和三维图形在二维中结合， 尺寸对二维投影图素的约束被传递到具体的基元，对基元的某些特征属性或位 置产生约束。 1 0 第二章离线参数化技术分析 浙江大学硕士学位论文 第二章离线参数化技术分析 本章从工程图样入手，通过分析工程图样的特性、三维基本特征形体的特 性以及三维基本特征形体和工程图样之间的关系，阐明了基于三维重建模型的 离线参数化技术的必要性和可行性。 2 1 工程图样的特性 工程图样一般可以分为机械、电气、建筑和土木等四大类，各类工程图样 之间有相同之处，但又有较大的不同，本文的研究的对象是机械工程图样，在 下面的论述中，工程图样指的就是机械工程图样，与其他的工程图样不同，机 械工程图样具有以下几个显著特性： 一) 实形性 机械工程图样的度量性好，但是立体感差，实形性是度量性好的根本基础。 从投影表达来看，诸多表达手段正是为实形性服务的，例如局部视图和斜视图 的配合表达，旋转视图的表达等；从尺寸标注来看，实形性为尺寸标注提供了 可行性。非实形的表达是没有意义的，应该通过不同途径予以避免。由于实形 性，在不考虑尺寸标注工程背景时，提供了尺寸处理时尺寸之间的可转换性。 二) 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，还是移出剖面、重合剖面、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。这也就是说，不可能存在挂线的情形，同视图也不可能 成为分离的几块。这一特征为视图的划分提供了基本依据。这不仅有利于三维 重建的实现，在离线参数化的实现中，也起着一定的作用。 三1 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 落在另外的图线上。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。 四) 视图尺寸协调性 第二章离线参数化技术分析浙江大学硕士学位论文 机械工程图样的视图表达和尺寸标注是协调的，而不是冲突的、干涉的。通 过视图尺寸的相互作用，将可以尽可能多的抽取机械工程图样的工程语义，在 离线参数化的实现中，尺寸所起的作用更是不容忽视。尺寸和视图的协调性， 能有效地辅助图形之间的约束关系的建立，从而为离线参数化的深入研究提供 了现实可能性。 2 2 特征的含义与分类 任何形体总是可以将其分解为若干基本立体和扫描体所组成，把握每一种 基本特征形体的投影特征，在离线参数化的过程中，有效地驱动单个特征形体 是驱动整个工程图样的基础。 2 2 1特征的含义 在本篇论文中，因为很多的地方将用到特征这一名词，有必要将特征的含 义加以说明。 特征这一概念的提出可以追溯到1 9 7 8 年，美国麻省理工学院g o s s a r 教授指 导的一篇学士论文“c a d 中基于特征的零件表示”和1 9 7 9 年的另一篇论文“轴 类零件的c a d 特征描述系统”。由于实体造型在实际使用中所暴露出来的不 足，学术界和工业界对于特征的研究投入了极大的热情和期望，到8 0 年代后期， 这一概念和技术才为人们广泛接受。但是，特征的概念归根到底是来源于工程， 应用于工程，依赖于工程的。工程范围的广阔，使得目前还没有形成一个一致 的，各应用学科都能接受的理论体系。研究人员从各自不同的应用领域出发进 行研究，形成了特征概念的多个定义，从加工角度看，特征被定义成和工具有 关的零部件形式以及技术特性。从形体建模角度看，特征是一组具有特定关系 的几何或拓扑元素。从设计人员角度看，特征用于设计，分析和设计评估的基 本元素。 大多数的特征定义是面向几何形状并与应用领域有关，也就是常称的形状 特征。还有一些定义不仅面向零件的几何形状，而且还面向几何形状体的非几 何属性( 如精度，材料等性质) 。这类特征又叫广义特征。总的来说，特征的定 义可以描述为以下几点： 1 ) 特征是人们感兴趣的零部件表面的区域： 2 ) 特征是产品模型中的一组相关元素，该元素遵从一系列识别与分类规 则，并在产品的生命周期中作为独立的实体具有一定的功能： 3 ) 特征是将设计，分析和加工中使用的几何，拓扑和功能基元重新 2 第二章离线参数化技术分析浙江大学硕士学位论文 组织，形成更高，更方便的设计加工实体； 4 ) 特征是具有一定几何模式，并对应特定机械功能的零部件； 5 ) 特征是设计，加工，装配等过程中进行推理所需的关于零件形状 和其他属性的信息集合： 6 ) 特征是定义机械零件的高层语言或表达方式中的基本元素： 7 ) 特征是包括材料类型，功能以及其他描述信息的零件特性。 从以上的定义可以看出，特征是一组具有特定属性的实体，它们反映了产 品生命周期各阶段中实际工程零部件的特定集合形状和特定加工的功能要求， 不仅为设计人员提供了更高层次的设计概念与手段，而且为c i m s 中的其他系统 提供了获取设计人员设计意图和要求的手段。 产品设计模型中所反映的特征一般分为产品更新换代的形状特征( 反映零 件的几何形状) 、精度特征( 它由尺寸公差、位置公差和表面粗糙度组成，反 映产品更新换代的工艺性和互换性要求) 、材料特征( 包括材料、热处理等要 求) 等，这三种特征可以基本满足c a d c a m 的集成需要。在特征设计系统中， 功能语义是特征的主要含义；而从特征识别的角度看，特征的首要考虑因素是 零件的几何形状，即其形状特征。本文以下所讨论的特征都是指形状特征，本 文所述的工程图中的特征识别也是特指零件的形状特征的识别。 2 2 2形状特征的分类 特征的表达，操作都离不开对特征的恰当的分类。由于特征的定义与应用 领域有关，对特征的分类也不尽相同。p r a t t 和w i l s o n 为c a m i 提出了一个按 形状和构造特点对形状特征分类的模式，现己被p d e s 作为形状特征信息模型 f f i m 的组成部分。如图2 1 。 以上的分类因为并不能适合于本文的系统形状的几何描述，因此，结合在 本文之前所作的三维重建的工作，特征的分类表见图2 2 。由于特征不可穷举， 对特征的分类将会为特征的定义和操作提供方便。并且在产品数据转换中具有 重要意义。 在本文中，形状特征的分类参考了文献【4 9 i 。该分类方法主要从设计角度考 虑，综合为制造而设计的并行思想，如图2 2 所示，由四个层次组成：表达层、 模式层、性质层和实现层。 第二章离线参数化技术分析浙江大学硕士学位论文 1 隐式特征 图2 1p d e s s t e p 特征分类 隐式特征利用形状特征参数表达形状模型，可以实现用最少的描述定义相