（机械设计及理论专业论文）工程图样的rv转换研究.pdfVIP

西安建筑科技大学硕十学位论文摘要 工程图样的r v 转换研究 专业：机械设计及理论 硕士生：庞连军 指导教师：王永平教授 摘要 工程图样r v ( r a s t e rt ov e c t o r ) 转换技术是工程图纸处理集成系统中的一项重要 的图形、图像处理技术。该技术旨在将扫描的工程图像转换为与c a d 系统相兼容的矢量 数据格式。精确的矢量化结果是进步进行图形理解的基础，然而当前的图纸扫描转换 系统均未能取得令人满意的图素识别精度。在矢量化系统中研究如何提高输入数据的质 量是提高工程图自动识别技术水平和矢量化系统性能的关键。本文围绕这+ 课题开展工 程图样r v 转换的前期处理技术研究，提出了基于阈值连通的视图划分算法和基于轮 廓点匹配的层次划分算法。并用所提出的算法构建了基于图样绘制规则的自动区域化和 基于图样线型属性的智能层次化两个图纸扫描转换系统的前置模块。通过这两个模块提 高图纸扫描转换系统原输入数据的质量，从而提高了r v 转换精度，并为后续的智能 识别与三维重建提供语义上的指导。 基于阈值连通的视图划分算法的基本思想是根据工程图绘制规则，提出了闽值邻接 和阀值连通的概念，将工程图样的基本视图、技术要求以及其它视图等依据制图标准及 图形的工程语义，从整体工程图样中识别与区分，再进行标识。 基于轮廓点匹配的层次划分算法的基本思想是根据工程图样的线宽特征，利用轮廓 跟踪技术，通过轮廓点对匹配算法，得到图中目标对象的轮廓匹配点对。再引入线宽属 性特征因子，运用模糊模式识别的方法，对拾取过程中得到的图素轮廓信息及线型宽度 信息进行模糊判别，实现对图形元素的轮廓层和辅助层的分层标识。 实践表明本文提出的算法具有准确率高、抗干扰性强、失真很小等特点，对复杂多 样的工程图也取得了良好效果。 关键字：一c 程图样r v 转换阈值连通线宽属件特征因子轮廓点对 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕上学位论文 a b s t r a c t s t u d i e so hr vc o n v e r s i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：p a n gl i a n j u n i n s t r u c t o r ：p r o f w a n gy o n g p i n g a b s t r a c t t h er a s t e rt ov e c t o rc o n v e r s i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g si sa ni m p o r t a n tg r a p h i c sa n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ef o rt h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g sr e c o p a f i t i o ns y s t e m e n g i n e e r i n g d r a w i n gr e c o g n i t i o nt e c h n i q u ea i m sa tc o n v e r t i n gs c a n n e de n g i n e e r i n gd r a w i n gi m a g e si n t o v e c t o rf o r m a t sc o m p a t i b l ew i t hc a ds y s t e m s g e t t i n gav e c t o r i z a t i o nr e s u l tw i t hs u f f i c i e n t a c c u r a c yi s t h eb a s i sf o rf u r t h e rd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o n u n f o r t u n a t e l y , n o n e d r a w i n g c o n v e r s i o ns y s t e m sc a r la c h i e v et h es a t i s f a c t o r yr e c o g n i z i n ga c e u r a c y r e s e a r c ho ni m p r o v i n g i n p u td a t aq u a l i t i e sf r o mv e c t o r i z a t i o ns y s t e mi st h ek e yf o re n h a n c i n gp e r f o r m a n c eo fr a s t e r t ov e c t o rc o n v e r s i o ns y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r e v o l v i n gt h i s s u b j e c td e v e l o p m e n t v e c t o r i z a t i o ne n g i n e e r i n g d r a w i n g st h ee a r l i e rp e r i o dp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gr e s e a r c h ， a s s o c i a t i n ge n g i n e e r i n gd r a w i n g si n t e l l i g e n c ei n p u ta n dr e c o g n i t i o ns y s t e m ，t h ea u t h o r p r e s e n t st w oa l g o r i t h m s ，t h ev i e wc o m p a r t m e n t a l i z e da l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h e t h r e s h o l dc o n n e c t e dr e # o ha n dl a y e r i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h eb o r d e r l i n ep o i n t m a t c h i n g t h em o d u l e so fe n g i n e e r i n gd r a w i n g sa u t o m a t i cr e g i o nc o m p a r t m e n t a l i z e db a s e d o nt h ed r a w i n gr u l e sa n di n t e l l i g e n c el a y e r i n gb a s e do nl i n e a ra t t r i b u t ew e r ed e s i g n e du s i n g t h ea l g o r i t h m s t h em o d u l e sa c ta st h ep r e f i x a lm o d u l e se n g i n e e r i n gd r a w i n g si n t e l l i g e n c e i n p u ta n dr e c o g n i t i o ns y s t e m e n a b l e st h es y s t e mt h r o u g ht h e s et w om o d u l e st oh a v et h eh i g h g r a d ed a t a i n p u t ，t h u sn o to n l yi n c r e a s e dr vc o n v e r s i o np r e c i s i o n ，b u ta l s op r o v i d e si n s e m a n t i cf o rt h ef o l l o w i n gi n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o na n dt h et h r e ed i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o nt h e i n s t r u c t i o n t h eb a s i ci d e a ro ft h ev i e wc o m p a r t m e n t a l i z e da l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h et h r e s h o l d c o n n e c t e dr e g i o ni sa c c o r d i n ga sd r a w i n gr u l e sa n dt h e i rs e m a n t e m e s ，t or e c o g n i z ea n dt o m a r kt h eb a s i cv i e w s ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta sw e l la so t h e rv i e w sf r o mt h eo v e r a l l e n g i n e e r i n gd r a w i n g s i i 两安建筑科技大学硕士学位论文a b s t r a c t t h eb a s i c i d e a ro fl a y e r i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h e b o r d e r l i n e p o i n tm a t c h i n gi s i n t e l l i g e n c el a y e r i n gb yl i n e a ra t t r i b u t ec a l lu s ec o n t o u rt r a c i n gt e c h n o l o g y ，a c c o r d i n gt o e n g i n e e r i n gd r a w i n g sl i n e a rw i d t hc h a r a c t e r i s t i c ，t h r o u g ht h eb o r d e r l i n ep o i n tm a t c h i n g a l g o r i t h m ，t oo b t a i ng o a lo b j e c tb o u n d a r yp o i n tm a t c h i n gc o u p l e si nt h ed r a w i n g t h e nt h e l i n ew i d t hp a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i cf a c t o ri n t r o d u c e d ，f u z z y p a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d u t i l i z e d ，t h eo u t l i n ei n f o r m a t i o na n dt h el i n e a rw i d t hi n f o r m a t i o no b t a i n e di nt h ep i c k i n g c o u r s ec a r r i e do nt h ef u z z yd i s t i n c t i o n ，t h eg r a p he l e m e n tc a nb er e a l i z e dt oo u t l i n el a y e ro r a s s i s t a n c el a y e rm a r k i n g t h ep r a c t i c e si n d i c a t e dt h a tt h ea l g o r i t h m si sp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a sah i g h e rc o r r e c t r a t e ，ag o o da n t i n o i s ea b i l i t y , a n dn od i s t o r t i o ne t c e s p e c i a l l yf o rt h ec o m p l e xd r a w i n g st h e a l g o r i t h m so b t a i nt h ew e l le f f e c t k e y w o r d ：e n g i n e e r i n gd r a w i n g s ，r vc o n v e r s i o n ，t h r e s h o l dc o n n e c t i o n ，c o n t o u rt r a c i n g ， l i n ew i d t hp a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i cf a c t o lb o r d e r l i n ep o i n tm a t c h i n gc o u p l e t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 。 论文作者签名：惋西 日期：o6 、r 心 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储签名前越翩虢枷吁吼玑川5 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕二t 学位论文 第一章绪 论 第一章绪论 随着计算机硬件和工程自动化软件的发展和普及，机械设计及制造行业也由传统 模式向信息化时代的过渡，逐步形成了工程图纸的扫描输入与智能识别技术，并在此基 础上逐步发展成为工程图纸处理的集成系统。这一系统不仅实现了手绘产品图纸向c a d 系统数据格式的自动转换，解决了在c a d 技术推广应用过程中，如何利用大量、丰富 的存档图纸支持c a d 图形建库、改型设计和制造等技术难题，而且充分利用日新月异 的计算机网络和数据库技术，将手绘图纸输入计算机数据库，适于长期保存，便于管理、 查阅、修改，同时也为企业走上信息高速公路甚至进行网上的虚拟制造做好了准备。 1 1工程图矢量化研究的背景和意义 在设计和生产过程中所积累的大量工程图纸是进行新产品设计与开发的重要依据 和基础。然而由于图纸数量庞大，给图纸的保存、管理和再利用带来了不便：另一方面， 信息时代计算机技术飞速发展，网络技术、c a d 技术已经实用化，而据有关资料统计， 国内真正计算机化的仍只是少数。而且现行的c a d 系统输入工程图纸仍主要以人机交 互方式输入( 即由人读图，逐个图素的输入图形) ，这种图形输入方式存在繁琐、低效 的弊端。作为科学技术发展的必然结果和国内外巨大市场的需要，工程图纸处理集成系 统应运而生。 工程图纸处理集成系统( 以下简称集成系统) 可以为用户解决哪些问题呢? 第一，集成系统为用户解决了档案库库房面积不足、纸图易损坏的问题。图纸由纸 张和缩微胶片形式转化为电子文档，所需存放面积大大缩小，例如：一张a 0 尺寸的工 程图纸用3 0 0 d p i 的分辨率、单色扫描后的扫描图像文件大小在1 5 m b 左右，对图纸管 理系统而言是很大的开销。将图像文件转换为图形文件既可以在不损失信息的前提下大 幅度减少存储空问，又可以灵活、高效地编辑和复用已有工程图，因此有明显的应用价 值。 第二，集成系统利用网络技术，由计算机统一管理。使资源得到共享，方便资源的 检索与管理，提高了信息的流通速度和使用率。形成强大的c a d 数据库，同时也提高 了c a d 出图效率。 第三，在设计方面，集成系统将图纸由图像格式转换为矢量格式，使对原图的修改 变得容易，在改型设计中，仅需在汁算机上对旧图局部修改即可产生新的设计，减少了 设计工作中的重复劳动，提高了设计效率。集成系统给旧图纸的转化工作提供了个完 西安建筑科技大学硕士学位论文第一章绪 论 整的解决方案。 第四，通过集成系统的建立，可以充分利用先进的计算机技术与丰富的计算机工具 和资源，标志着设计部门在软、硬件应用水平上实现了质的飞跃，使其应用水平进入先 进行列，大大提高了企业的整体综合实力。电子文档的形成，加上以计算机通信为基础 的现代通信软、硬件手段，使用户进入信息高速公路成为可能。 有很多研究领域和工程图的理解有着深刻的联系，方面工程图样理解的研究可以 推动它们的发展，另一方面从这些研究领域中汲取新的思想方法也是加速工程图样理解 研究的有益途径。例如，工程图样理解与c a d c a p p 集成、工业机器人、基于内容的检 索以及数据挖掘等领域有着深刻的联系。对于机械工程而言，应该说基本上关心的是 c a d c a p p 的集成问题，而集成就是在两种不同接口之间的一种变换，或者说理解一种 接口的情况下，将它表述为另一种接口的描述方式。这两者都是面向机器或者系统的， 他们对于高层的理解并没有太大的需求；但是对于图纸评审这一个环节而言，人工审查往 往容易出错，如何实现自动化，就必然产生对图纸理解的需求。 还有很多应用领域都存在着对象的识别理解问题，可以说只要有行为存在，就有识 别与理解的发生，所以说识别与理解是一个普遍问题。通过了解其他领域的研究思想、 技术和现状，对我们的研究领域具有直接的推动作用；反过来工程图理解的研究也会相应 推动这些学科的发展。 1 2工程图矢量化的概念 将工程图扫描输入计算机后，对所得的扫描位图加以分析、识别与理解，最终重建其 中的图形对象的过程，称为工程图矢量化( 见图11 ) ，也称为工程图的r v 转换。即 由工程图扫描得到光栅图像( r a s t e r ) 转换成矢量图形( v e c t o r ) i ”。 图1 1工程图矢量化的概念 工程图纸矢量化系统输入数据是工程图的光栅图像，输出数据是工程图中包含的图 形对象，其核心技术包括图形识别技术、符号识别技术和文字识别技术。在图纸的计算 2 西安建筑科技大学硕士学位论文第一章绪论 机处理中，有两个概念是需要强调的，一个是光栅( r a s t e r ) 的概念，一个是矢量( v e c t o r ) 的概念1 2 】。光栅格式和矢量格式都是描述图纸的一种形式，不同点只在于：对于光栅文 件来讲，它以一个一个点的方式来描述一幅图纸。每个点称为一个像素( p i x e l ) ，在计 算机中用若干位来表示( 如1 位图，可表示黑白，8 位图，可表示2 5 6 种颜色或灰度： 2 4 位图，可表示1 6 7 百万种颜色) 。点与点之间至多是位置上的相邻关系，而无任何逻 辑上的联系。对于这种形式的图纸，如不是将所有点形成原图像，人们无法知道它表示 的是什么。光栅存储格式有若干种，典型的有b m p 、t 1 f f 等格式。对于矢量格式来讲， 它是一个个的图形单元的方式来描述一幅图纸的。一个图形单元可能是一条线、一个 圆、一个多边形等。要表示一个图形单元，用若干个字节来描述其相关的属性。例如要 描述一条直线，可以用其两个端点的二维坐标，线的宽度，线的颜色等来描述。矢量格 式也有许多种，比较典型的有d x f 、d w g 等格式。 光栅文件特点如下： 不失真，忠实于原图。 描述的是像素( 图中的每一个点) 。 文件尺寸与分辨率有相当大的关系( 用d p i 来衡量，d p i ：d o tp e ri n c h ，每英 寸像素点数，】i n c h 25 4 c m ) 。 相同幅面的图纸形成为光栅文件尺寸相等( 压缩后有变化) 。 矢量文件的特点如下： 描述的是图形单元。 文件尺寸只与图形单元的多少和复杂程度有关，而与图纸的幅面无直接关系。 较易于处理( 如旋转、缩放等) 。 可直接用于现有c a d 软件进行修改和设计。 1 3工程图纸处理集成系统涉及的关键技术 图纸扫描识别技术是个综合了计算机视觉、计算机图形学、数字图像处理、模式 识别及人工智能等多个学科的交叉课题，所涉及的关键技术口j 有： _ 图像预处理技术 图纸在扫描过程中由于本身的绘制质量、光电扫描过程中的光照度不匀、扫描系统 的带宽限制及二值化等的影响，扫描图像的局部可能会产生缺陷，如孤立点、空穴及毛 刺等噪声。噪声的存在严重影响了后续的矢量化处理。因此，对图像进行噪声滤波，确 保图像数据质量，是首先要做的工作。 西安建筑科技大学硕二e 学位论文 第一章绪论 对于图像边缘的毛刺，通常采用平滑算法，可分为线性滤波和非线性滤波两种， 线性低通滤波器是最常用的线性滤波器，而中值滤波则是一种非线性滤波，非线性滤波 相比较线性滤波的优点是：在消除噪音的同时，还能保持图像的细节。图像中空穴的填 补，一般采用数学形态学中的侵蚀和膨胀算法【5 1 ，但是对于图像中存在的较大的污斑、 断线等，还只能依靠交互编辑的方式来处理。 连通体检测技术 连通体检测的目的是将图样中物理上相互连通的部分提取出来，实现基于连通性质 的图形要素的粗分割，同时通过分别处理每个相互连通的子图，可减少系统的存贮开销 或便于数据的并行处理。二值图像常用的连通体检测方法可分为如下三类【： 投影法：主要用_ - j 二文本中的文字识别。该方法通过检测文字页的水平、铅垂或斜投 影值来实现页到行、行到词、词到字的分割。但当文字的间隔很小或文字具有突出的部 分时，这种方法可能导致分割的失败。 边界跟踪法：可以分割相互镶嵌的连通体。但当连通体含有孔时需区分内、外边界。 当连通体出现包含情况时检测算法很复杂。 区域增长法：通常采用基于象素点的标号传播过程来实现。首先对光栅图像逐行 ( 列) 扫描，每遇到一个未标记的“1 ”象素点，就分配其一个未使用过的标号，然后 对其邻域点进行检测，如有未标记过的“l ”象素点，则赋予相同的标号。反复执行这 一操作，直到不存在能传播标号的“1 ”象素。然后继续行( 列) 扫描，整个图像扫描 结束，算法也终止。这种方法可以准确的检测出各种类型的连通体，但处理时间也较长。 - 图文分割技术i 7 | 【8 】i9 1 0 】 工程图是图形和文字的混合体，对图形和文字的处理策略是不同的。对于图形侧 重于提取其中的特征参数，如：线宽，直线的斜率，圆弧的半径等值：而对于符号文字 等则侧重于理解其表达的语义信息。因此，需要将图形数据和文字符号数据分开，以分 别进行处理。 些图文分割算法足直接在图像的点阵象素数据上进行的，也有些算法是在细化以 后进行图文分割。大多数图文分割采用“基于连通体分析”的方法。当前对于图文不粘 连的情况已经能够起到很好的分割效果，尚未完全突破的难点是“图文粘连”的情况， 对于这一问题也有大量的研究。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文第一章绪论 _符号文字识别技术川1 符号文字识别技术已经发展成了一个独立的研究领域一光学字符识别( o c r ) 技术。 工程图中的符号文字的识别，根据其处理的信息层次来看，一些是在字符轮廓级上进行 识别1 2 】，一些是在细化骨架基础上进行识别i ”】。可采用基于统计的模式识别算法和基 于结构的模式识别算法进行符号文字的识别。 一矢量化算法 矢量化算法是扫描识别系统的核一i l , 技术，当前已经出现了众多的矢量化算法，矢量 化算法可以分为两个大类：基于细化的方法和非细化的方法。 所谓细化，指从原来的图像中去掉一些点，但仍要保持原图像的拓扑形状，即保持 图像的骨架。骨架可以理解为图像的中轴，在许多文献中细化和中轴转化( 或骨架化) 是不区分的，典型的图像骨架提取方法是细化算法。基于细化的算法通常实施一种交替 的边界腐蚀操作从而不断的移去最外层的边界像素，直到保留单个像素宽度的中心骨 架。从处理的过程来看，细化算法又可分为并行细化算法和序贯细化算法两类。基于细 化算法的主要优点是：能够保持图形的连通性和连接关系的不变性，算法实现起来简单， 有些细化算法能并行处理，效率较高，能用硬件实现。但是细化算法存在较多的问题， 细化算法易受噪声的影响，细化结果一般会造成交叉点畸变，最常见的是一个十字交叉 点细化为两个接近的三叉点，图素边缘的毛刺在细化结果中成为短枝，而图像内部的气 泡在细化结果中被放大为小圈，细化结果在整体上会出现拐角钝化、直线抖动、产生细 碎矢量和断线等问题，线宽信息的丢失及交叉点精确定位等困难是影响基于细化的矢量 化系统识别效果的关键。而且，细化算法中的模板匹配是几个象素之间的一种局部的操 作，无法利用图线( 或轮廓) 在较大范围内的几何特性作指导。由于细化算法的上述缺 陷，出现了较多对细化之后的校正算法的研究：针对细化算法一般会造成节点( 交叉点) 畸变的问题，文献 1 4 提出了一种基于知识的细化算法；文献 1 5 引入“内度”的概念， 原始模式某象素点的内度表示该点距模式边界的最短路径长度，等等。 非细化算法主要有：基于i - i o u g h 变换的算法i5 1 ，基于轮廓跟踪的算法i1 6 】【1 7 1 ，基 于游程的算法【”】，基于网格模式的算法【”1 ，基于稀疏像素的算法【20 1 ，基于整体的矢量 化算法1 2 1 【2 2 ，基于种子段的矢量化算法f2 3 l 【2 4 1 等。 5 西安建筑科技大学硕二e 学位论文 第一章绪论 1 4论文背景和国内外研究现状 论文背景 以工程图样的配置关系、关联关系、领域知识和绘制规则，结合数字图像分区和分 层处理方法，对不同区域的工程图样进行初区域识别和层次识别，为后续的具体的工程 图样的转换、智能识别及三维重建等作语义的指导。 通过自动区域化和智能层次化，基于工程语义建立各视图问的相互关联，根据视图 问的各种关联性，得出关联视图问的可能的视图表达方式，以启用相应的细部矢量化实 现功能模块，以达到语义的指导。 基于领域知识的工程图样区域化与层次化主要研究以下两个问题： 1 ) 基于图样绘制规则的光栅图样的自动区域化； 2 ) 基于图样线型属性的光栅图样的智能层次化。 _ 国内外研究现状2 2 5 】【2 6 1 【2 7 【2 8 】 将纸介质图纸经过一系列软硬件处理而转换成由c a d 系统可直接识别和处理的电 予图纸，这一领域的工作国内外开展的都比较晚，其中一个原因是因为图形识别软件研 制难度大，要求高，存在许多困难，如圆弧及各种工程曲线的识别，字符的分离和识别， 尺寸数字的识别等。 进入上世纪八十年代以来，国外一些大公司和大学开始投入了相当多的人力、物力 和资金致力于图形信息的输入及识别的研究和开发。从而引发了对工程图矢量化的广泛 研究。 九十年代是矢量化研究的高潮，成立了一些专门性的组织并召开了一系列国际会 议，现在，矢量化已经广泛应用在很多领域，如g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m m i o ns y s t e m ) ， 工程业、房地产业中各类图纸的自动输入。工程图矢量化研究较多针对机械图、电子图 和建筑图，已经提出多种矢量化方法，也出现了一些商品化的矢量化软件，如德国s o f t e l e e 公司的v p s t u d i o 、挪威r a s t e r e x 公司的r x s p o t t i g h t 、美国g t x 公司的 g t x r a s t e r c a dp l u s 等等。但是，这一领域的专家k a r lt o m b r e 2 在评价矢量化研究的 程度时认为现有方法尚未成熟：“n o n eo f t h e s em e t h o d sw o r k s ”。他进一步解释这个结论 的含义；“a c t u a l l y , t h em e t h o d sd ow o r k ，b u tn o n eo f t h e mi sp e r f e c t ”。现有方法的普遍缺 点是精度和速度不高，对噪音、缺损敏感等，尚不能满足工程自动化的需要。因此，工 程图矢量化研究仍然是模式识别领域中的一个热点。 i a p r ( i n t e m a la s s o c i a t i o no f p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是模式识别领域的专业性国际组织， 它的第十个技术分会( t c 1 0 ) 专门面向图形识别领域。1 a p r 主办的( ( p a t t e r nr e c o g n i t i o n l e t t e r s ) ) 是该领域的重要期刊，它主办的国际模式识别会议1 c p r ( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o np a u e mr e c o g n i t i o n l 已经有二十多年的历史。从1 9 9 1 年开始，i a p r 与工程技术界的 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章绪论 权威机构i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 联合举办国际文档分析识别 会议i c d a rf i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo fd o c u m e n la n a l y s i s a n dr e c o g n i t i o n ) k f j 各种类型 的文档识别研究( 包括文字文档、图形文档和混合文档) 提供专门的论坛。i e e e l r a n s a c t i o n o np a t t e r na n a l y s i sa n dm a c h i n ei n t e l l i g e n c e 和i e e ec o n f e r e n c eo nc o m p u t e rv i s i o na n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n 也是矢量化研究方面的重要期：刚和会议。 此外，矢量化研究比较活跃的国际著名期刊还有p a t t e r nr e c o g n i t i o n ；c o m p u t e r v i s i o n ，g r a p h i c s ，i m a g ep m c e s s i n g ；i m a g ea n dv i s i o nc o m p u t i n g ；c o m p u t e rv i s i o na n d i m a g eu n d e r s t a n d i n g ；m a c h i n ev i s i o na n da p p l i c a t i o n 等。 近年来，国际上对工程图矢量化的研究仍然非常活跃。美国的r k a s t u f i 和d ， d o e r m a n n ，法国的k t o m b r e ，以色列的d d o r i 等国际知名学者在这一领域进行了 多年的研究，提出了各自的矢量化系统和性能评价方案，发表了大量学术论文，为推动 矢量化技术的发展做出了巨大贡献。 国内从上世纪八十年代后期开始图像矢量化软件的研究与开发，并取得了很大的成 就。比如：清华大学的t h d a i m s 系统和东大阿尔派的s e a s 3 x 系统是国内比较成熟的 图纸自动输入与管理系统，取得了良好的效果。华中理工大学c a d 中心研制的工程图信 息系统e d i s 也成功的利用了这种技术，实现了对工程图图档管理的功能。以浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室和工程及计算机图学研究所为依托的若干研究机构，主要研究 领域为从工程语义入手实现工程图样理解，继而完成工程图样的三维重建等。 在社会各界的努力下，光栅图像的矢量化研究工作在不断完善，矢量化方法也随之 不断改进。到目前为止，已经开发出了适合众多特定领域的矢量化软件，例如专门为地 图矢量化而设计的软件以及专门为工程图矢量化而设计的软件等。但值得注意的是，现 有矢量化软件的水平不是很高，主要表现在抗噪声性、处理速度和各种曲线、字符的识 别还不很理想，还不能发挥极大的效益，离实用化还存在一定距离。 1 5论文主要研究内容 当前的关于工程图样r - - v 转换研究基本上都偏重于改善图纸质量，改进矢量化算 法，即在识别算法的研究等方面做的工作很多，而对工程图的工程语义方面的研究相对 较少，并且这方面的研究成果也不尽人意。而应用工程语义指导下进行的：亡程图样的矢 量化、智能识别及三维重建是很有发展前景的研究方向。本文认为工程图样理解的研究， 应该主要从计算机图形学、数字图像处理、模式识别与人工智能和工程图所表示对象的 领域知识既工程图学等几方面着手。模式识别与人： 智能提供识别的原理方法：计算机 图形学与数字图像处理提供图形图像的表示、变换的基础理论；制图标准提供图形的语 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章绪论 法和语义、识别对象的特征规范、领域知识等；c a d 系统提供图形文件的格式既输入 数据的初始状态。本文则就此方面进行研究，分析了机械工程图样的工程语义性质及其 分类。本文提出并着重探讨研究了两个算法：基于阈值连通的视图划分算法和基于轮廓 点匹配的层次划分算法，并根据所提出的算法建立了工程图样自动区域化模块和智能层 次化模块。下边进行简要介绍： 基于闽值连通的视图划分算法的基本思想是将工程图样的基本视图、技术要求以及 其它视图等利用制图标准及图形的工程语义，从整体工程图样中识别区分出来，为后续 工程图样的矢量化、智能识别及三维重建等作语义上的指导。在研究和分析本研究领域 已有的思想及算法，并在对已有算法的优缺点进行分析比较的基础上，对其进行改进优 化。本文提出阈值邻接和阈值连通的概念，设计新的算法一基于阈值连通的视图划分算 法。根据绘制规则，工程图样具有阈值连通性，选取适当的阈值，可将其进行自动区域 划分。在此模块中还分析了机械工程图样的视图表达知识和视图工程语义。第三章将对 工程图样的自动区域化技术进行详细的论述。 基于轮廓点匹配的层次划分算法的基本思想是根据工程图样的绘制规则，工程图样 的线宽特征，提出基于轮廓点匹配的层次划分算法，利用轮廓跟踪技术，通过轮廓点对 的匹配算法，可以得到图中目标对象的轮廓边界点的匹配点对；再引入线宽属性参数的 特征因子，运用模糊模式识别的方法，对拾取过程中得到的图素轮廓信息及线型宽度信 息进行模糊判别，实现对粗细线型的识别判定，从而实现对图形元素的轮廓层和辅助层 分层标i ：5 = 。在此模块中还分析t a l 械工程图样的线型工程语义。第四章将对基于轮廓点 匹配的层次划分算法进行详尽的论述。 1 6本章小结 本章从介绍： 程图纸矢量化研究的背景和意义开始，指出工程图纸矢量化的概念， 以及矢量化软件在该集成系统中的地位和重要作用。进而介绍了工程图纸矢量化软件的 结构和应月j 范围，并详细讨论了扫描工程图处理所涉及的关键技术等，接下来介绍了本 论文的背景和国内外工程图矢量化领域的研究现状与成果，最后部分介绍了本论文的研 究内容。 西安建筑科技大学硕：l 学位论文 第二章工程图样矢量化知识概述 第二章工程图样矢量化知识概述 工程图纸处理集成系统主要由图像输入、图像识别与重建、图形输出三部分组成。 系统的总体设计思想是：通过图像获取设备将工程图纸转换为数字图像，经过图像锐化、 二值化和净化处理，得到与工程图中图素相关的一组代码。然后对图像进行细化处理， 轮廓跟踪，形成各个图素的图像集，再对其进行编码，将其转化为矢量数据。对于图像 中的字符，在图像中找到它们的区域，识别它们，并将它们转化为相应的高级代码定义。 最后将结果存储成符合c a d 规范的文件，进而进行智能识别及三维重建等。 工程图样r v 转换技术是一种需要综合应用图形、图像处理、模式识别等领域技 术的操作，此章对将要涉及的图像处理术语、基本概念、基础算法、工程图样的特征及 其工程语义等予以简要介绍。 2 1基本概念 一工程图的分类| 2 9 i 在工业生产和科学研究中，广泛使用图纸来表达设计意图，进行生产和技术交流。 工程图是工业生产部门和科技部门的一种重要技术资料，有“工程界的语言”之喻。工 程中使用的图形种类可谓林林种种、复杂多样。对于工程图的类别，往往根据表达对象 的工程领域进行分类；每一个领域中又根据表达对象的属性进行分类。这样虽然有利于 工程人员的学习和交流，但是对于计算机理解而言，这样的分类就不一定合适了。根据 计算机理解的特点，本文从描述对象的方式和表达对象的属性两个方面来考虑工程图的 分类问题，而不论图中所表达对象工程领域的差别。这里将工程图分为：逻辑框图、结构 简图和实体图样三种。逻辑框图就是采用方框、箭头和文字以及特定符号等表达手段为 主，用来反映工程对象总体性的逻辑结构与功能结构；比如，软件开发中广泛使用的模 块图、流程图、数据流图，控制工程中的方块图、信号流图等。结构简图就是主要采用 特定符号和线段来表达工程对象中各个元器件之间的连接关系：比如机械工程中的机构 图，电子电气工程中的线路图等。实体样图则是采用几何投影方法，按照一定的比例， 借助定的符号严格反映出对象的真实几何属性以及一些附加信息；比如航空航天、船 舶工程、车辆工程、机械工程、电子： 程等领域的零件图，装配图等。 对于逻辑结构图而言，可以说是一种半几何，半语言的表达方式，目前对它进行自 动处理似乎没有强烈的实际要求，本文也不对其进行更多的讨论。对于结构简图，可以 说是一种高度符号化的表达方式，工程中对它进行自动分析处理既有实际要求，处理难 话安建筑科技大学硕士学位论文第二章工程图样矢量化知识概述 度适中，技术上也比较成熟。例如，电子线路设计软件就有此功能，本文也不对这种类 型的图纸进行过多的研究。对于实体图样，主要采用画法几何方法反映对象的几何性质， 内容和实体相一致，内容就更加复杂多变，处理起来难度就更大。本文着重研究这类 工程图的计算机理解问题，尤其是对机械工程的实体图样的矢量化转换问题进行研究。 表2 1 工程图分类表 类别 定义举例 采用方框、箭头和文字以及特定符 软件开发中的模块图、流 逻辑结构图号等表达手段为主，用来反映工程 程图、数据流图，控制工 程中的方块图、信号流图 剥缘总体性的逻辑结构与功能结构 等 主要采 _ j 采用特定符号和线段来表 机械： 程中的机构图，电 结构简图达工程对象中各个元器件之间的连 子电气工程中的线路图 接关系 采用投影方法，按照一定的比例， 航空航天、船舶工程、车 实体图样借助一定的符号严格反映出对象的 辆工程、机械工程、电子 工程等领域的零件图，装 真实几何属性以及一些附加信息 配图等 二值图像和背景点、目标点 二值图像：仅由黑白两种灰度级( o 和1 ) 组成的图像。如未加特别说明，下文所讨 论的图像均指得是二值图像。 在二值的工程图扫描图像数据中，我们通常把灰度级为o ( 黑色) 的像素点称为目 标点，这些点构成了： 程图中的图形、符号、文字等有意义信息，灰度级为1 ( 白色) 的像素点称为背景点。 _ 邻接性、连通性和图像特征点1 2 s l 为了判断目标边缘或内部各点是否连接在一起，首先要对象素的邻接性和连通性进 行定义。通常有两种定义方法，即： 1 14 邻接： 只取像素的上、下、左、右四个相邻的像点作为相连的邻域点。如图2 1 中的a 和 a o 、a 2 、a 4 、a 6 为4 邻接。4 邻接的像素有称为4 连通的。 2 ) 8 邻接： 取像素四周的8 个像素点作为相连接的邻域点，则称为8 邻接。如图2 1 中的a 和 a o 到a 7 的八个像素点便是8 邻接。4 邻接的像素有称为4 连通的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第二章： 程图样矢量化知识概述 a 3 a 2a 1 a da a o a sa 6 a 1 图21像素a 的4 邻接和8 邻接像素 3 、阂值邻接： 设定闽值为v 的阈值邻接为取像素四周的( 2 v + 1 ) 2 1 个像素点作为相连接的邻域点， 8 邻接可以看作阈值为l 的阈值邻接。如图2 2 所示的邻接示意图中的点a 。2 卜2 ，到点 a 。+ 2m ，的2 4 个像素点便是点a ( j ，一) 阈值为2 的闽值邻域内的所有象素点。 a r t 一2 ，j 一2 j 4 r z 一2 ，j 一1 j 4r t 2 ，j )么r i 一2 j + 1ja ( t 一27 h2 ) 4 r z 一1 ，j 一2 j4 r t 一1 ，j 一1j 4r z 一1 ，j j 4 r t 一1 ，计1 j 4 r i 一1 ，j + 2 j a ( t j 卜2 )4r z ，j 1 j么r t ，j j4 r z ，j + 1j4 r 。，j + 2 j ar t + 1 ，j 一2 ja r z + 1 ，j 1j4r t + 1 ，j jar 什1 ，计1 j 4 r 1 + 1 ，j + 2 j a ( * 2j 一2 ) a r 。+ 2 ，j 一1 j a ( 、七23 )ar 什2 ，j + 1 ja r t + 2 ，j + 2 j 图2 2闽值邻接示意图 4 1 连通性与阈值连通性： 所谓连通性，即指区域中任意两个e j 标象素之间，从一点出发，总可以找