（计算机应用技术专业论文）基于二维信息的虚拟立体建模技术的研究.pdf

西北工业大学颂士学位论文摘要 摘要 在对新裂产品的开发与研制中，常在立项研究和概念设计阶段就需要进行干 涉捡囊、物憷计算、极构分孛厅、运动学和动力学分丧蓐、真实感显示等试验与测试。 上述分析、试验、测试等过程都离不开对三维虚拟立体模型的建立与研究。 由三视圈组成的工程图，是用二维信息完整地表达三维物体的通用工具。由 于裔接建立三维立体模型过程复杂，困j 西：有必要在王程萄与三维模型之问建立一 种对应关系，自动地将二维工程图转换为三维立体模型。 一个三维形体可以认为是交一系列基本特征形体组合蕊成鞠，溺此扶二维信 息建立三维模型的关键就是如何识别出二维信息中所包含的三维特征信息。 本文杰分绍帮分拆藏久有关三维立体爨建懿研究算法熬主要愚想及其往疑 点的基础上，提出一种基于二维三视图d x f 图形数据进行三维特征识别的三维 虚拟立体建模方法。 通过对三视图的d x f 图形数据的结构分析，获取了相关的二维图形信息， 并拨特征建模的要求对各视图的二维图元进行识别积分类，以利于三维特缝黪有 效识别。 对d x f 文件提供的数据进行预处理，对三视图进行自动分离，并确定投影 中心，使得三维立体特征的识稍难度降低，提高了算法的识别效率。 根据工程图的投影规则，制定融了基于二维工狸图的三维立体特征识别的规 甏黍l 过程，扶俸的角度，溺辩结合二维鹜元信患遗行三维黪，薤识翻。 利用三维特征形体布尔运算的煎建方法，用o p e n g l 技术在w i n d o w sv i s u a l c + 6 0 环壤送行三维特征霪建，饺重建懿练果易予在后续疆究嚣实验中广”泛深 入地应用。 本方法是扶通耀的三襁图中提取三维特征售惑，著对二维信悫逑行了预处 理，在实现过程中采用了o p e n g l 技术，因此本文所提出的方法具有普适性和实 用性。 关键词三维虚拟立体模型，特征识别，三维重建，虚拟现实，o p e n g l ，2 - 2 维工 程圈 注；本研究褥裂国爨秘工委“十五”瑗磅瑗疆“分布式协潮综台蠹缀试验与测试 技术研究”和航空基金“分布式协同综合试验与测试环境技术研究”的资助。 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c l a b s t r a c t w h e nan e w p r o d u c ti sd e s i g n e di nt h ei d e a sa n ds t u d i e dw h e t h e r i tw o u l db e d e v e l o p e d w eh o p et h a t i tc a l lb et r i a l e da n dt e s t e ds u c ha si n t e r v e n ec h e c k e d ， p r o p e r t y c a l c u l a t e d ，f r a m e w o r ka n dk i n e m a t i c s a n dd y n a m i c s a n a l y z e d ，t h i r d d i m e n s i o ns h o w e d m o d e l i n g3 dv i r t u a ls o l i di st h eb a s eo ft h es t u d i e s ，t r a i l sa n d t e s t s t h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g ，m a d eu po ft h et h r e ev i e w s ，h a v eb e e nag e n e r a l m e t h o de x p r e s s i n gt h e3 ds o l i d c o m p l e t e l yw i t h2 di n f o r m a t i o ni ne n g i n e e r i n g p r o j e c tm o d e l i n g3 d s o l i di si m r i c a c y , s oi ti sn e c e s s a r yt h a tac o n v e r s i o ni ss e tu p f r o m e n g i n e e r i n gd r a w i n g s t o3 ds o l i dm o d e l a3 ds o l i di sm a d e u po f as e r i e so f3 df e a t u r e s ，s ot h ek e yt a s ki sh o wt o r e c o g n i z et h e3 d f e a t u r ei n f o r m a t i o nf r o m2 d d r a w i n g d a t a a f t e rs t u d i e dt h ea l g o r i t h m so f t h ep r e v i o u ss c h o l a r s ，t h ep a p e r b r i n g sf o r w a r d s am e t h o da b o u t3 dr e c o n s t r u c t i o no f v i r t u a ls o l i d b a s e do n f e a t u r e r e c o g n i t i o nf r o m t h ed d r a w i n gd a t ao f 2 d o r t h o g r a p h i cv i e w s t h e p a p e ra n a l y z e st h ef r a m e w o r k a b o u tt h ed a t ao f d x f d r a w i n g ，a n dg e t st h e 2 dd r a w i n gi n f o r m a t i o n ，a n ds o r t st h ed r a w i n ge l e m e n t si no r d e rt or e c o g n i z e3 d f e a t u r e sc o n v e n i e n t l y t h ed x fd a t ao f2 di n f o r m a t i o na r e p r e p r o c e s s e d ，t h et h r e ev i e w s a r e r e c o g n i z e da u t o m a t i c a l l y , a n dt h ep r o j e c tc e n t e ri sf o u n d ，s ot h ed i f f i c u l t i e so f f e a t u r er e c o n s t r u c t i o na r e d e p r e s s e d a n dt h e e f f i c i e n c y o ft h e a l g o r i t h m i c i s i n c r e a s e d a c c o r d i n gt ot h er u l e sa b o u to r t h o g r a p h i cp r o j e c t i o n s ，am e t h o do f3 df e a t u r e r e c o g n i t i o ni sm a d e ，w h i c hr e c o g n i z e s3 d f e a t u r e sn o to n l yb y2 d d r a w i n ge l e m e n t s b u t3 ds o l i d w i t hb o o l e a nc a l c u l a t i o no f3 df e a t u r es o l i d t h es o l i d sa r er e c o n s t r u c t e db y o p e n g lt e c h n o l o g yi nw i n d o w sv i s u a lc + + 6 0i tc a nb eu s e df a r t h e ri ns t u d i e s a n dt e s t sl a t e r t h em e t h o ds e a r c h e st h ei n f o r m a t i o no f3 1 3f e a t u r e sf r o mt h r e e - v i e w s d r a w i n g a n d p r e p r o c e s s e st h e2 dd a t a , a n dg e n e r a t e s3 ds o l i dw i t ho p e n g l ，s ot h em e t h o d o f 3 dr e c o n s t r u c t i o ni nt h i sp a p e ri sg e n e r a ls u i t a b l ea n d p r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：3 dv i r t u a lm o d e l ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，3 d - r e c o n s t r u c t i o n ，v i r t u a l r e a l i t y , o p e n g l ，2 d - e n g i n e e rd r a w i n g 耍j ! 三些盔堂堡主堂垡迨塞笙二童笪二鱼 第一章绪论 二维工程视图表示一个立体的方法已延续了近2 0 0 年，这种表征物体方法 的正确性和合理性在使用中己被充分地证明和体现了。但实际的零件是三维的， 而工程图是二维的，要看懂复杂的工程图，需要相当的空间想象力和实践经验， 而用三维造型系统表达零件很自然，要看懂三维造型系统绘制的轴侧图比较容 易且直观，显然用二维工程图表达三维形体是绕了一个圈子。随着计算机的出 现和计算机技术的飞速发展，人们完全可以利用计算机技术来表示一个三维模 型。三维模型的建立有助于在产品实物未被制造出来，就能对未来产品的多种 性能进行虚拟测试和实验。利用虚拟技术，设计人员在虚拟世界中仓i 造新产品， 可以从人机工程学角度检查设计效果、设计人员可直接参与操作模拟，移动部 件和进行各种试验，以确保设计的准确性，这种技术的特点是在未看到新产品 的外形，以便从多方面观察和评审所设计的产品；可以使用不同的虚拟工具来 扭曲、挤压和拉伸物体；可以虚拟地切削或挤压材料，无需耗费材料或占用宝 贵的加工设备；及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题； 直接观察数控加工中刀具的运动轨迹是否正确。 因此目前的设计趋势是从二维平面设计转变到三维空间设计。那么对于已 有大量的二维工程图如何能快速有效地转变成三维虚拟立体模型就成了人们普 遍关注的问题。 自i d e g a w a 于二十世纪七十年代初首次发表由工程三视图重建立体图的论 文以来【l l ，人们就开始探索这方面的问题，到八十年代这个课题曾成为计算机 图形学领域最热的研究方向之一，许多的研究者都曾从事过这方面的研究，并 取缛了一些研究成果，但由于多种原因当时的研究成果在实用性都没有取得突 破性的进展。尽管二维工程图的复杂随意性加大了利用计算机自动识别和转换 的难度，其毕竟有一定的规律，随着计算机技术和其它相关技术的发展，自动 地将二维工程视图信息转化为三维立体模型也是完全有可能实现的。 本文在前入研究成果的基础上提出一种基于形体分析和特征识别的方法实 现由二维平面信息建立三维立体模型。基于二维信息的虚拟立体建模技术是研 究如何利用二维投影视图信息，由计算机自动地识别三维立体特征，并构造出 相应的空间立体模型。 耍i ! 三些查堂堡主兰垡堡塞 笙二望塑笙 1 1 研究课题的来源和背景 本课题来源于国防基础科研计划“分布式协同综合虚拟试验与测试技术研 究”项目。 该项目研究如何在新产品的概念设计、研制开发和试验验证等阶段上，利 用网络进行分布式综合虚拟装配、动力分析、虚拟试验与测试等技术，利用这 些技术可降低新产品设计、开发、试验与测试的成本，提高试验与测试的综合 能力。 在未来新型产品的开发与研制中，不仅要求在产品设计、开发研制与试验 验证阶段进行试验与测试，而且希望在立项研究和概念设计阶段就开展试验与 测试研究，如进行干涉检查、物性计算、机构分析、运动学和动力学分析、真 实感显示等等。 虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境，通过各种传感设备使用户“进 入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行交互的技术，它以计算机技术为 核心，以仿真技术为基础，把计算机图形图像处理，人机接口，显示技术，传 感技术，控制技术，通信技术的一系列高科技领域的最新成果汇集于虚拟现实 的实践中，成为当今最有前途的应用科学之一。其最关键的技术之一就是建立 虚拟立体模型。虚拟建模技术包括实体建模、环境建模和过程建模，其中实体 建模是其基础的关键技术。 二维模型缺乏对产品设计的有效支持，如不能在装配环境下直接获得造型 数据与信息，以便进行结构设计，使得交互频繁、输入数据量大，造成操作步 骤繁杂、不易学习等问题，不能将零件模型与装配模型直接关联，使得模型复 杂且维护困难；不能有效地解决概念设计阶段的零部件布局、联结与配合关系 定义等设计。而三维数字化模型是解决上述问题的有效途径，采用三维模型可 大幅度地提高产品和工程的设计效率和质量，改善劳动条件，提高产品和工程 在市场上的竞争能力。 国外的统计资料表明，应用三维模型设计可降低工程设计成本1 3 3 0 ； 可减少产品从设计到投产时间3 0 6 0 ：提高产品质量5 1 5 倍；增加分析问 题的广度和深度能力3 3 5 倍；增加产品作业生产率4 0 7 0 ；增加投入设备 的生产率2 3 倍；减少加工过程3 0 6 0 ；降低人工成本5 2 0 。 由于三维模型具有可视化好、形象直观、设计效率高、以及能为c i m s 工 程中各应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯 二维模型己成为历史发展的必然。但是，由于经济实力、技术水平、操作的复 杂程度及习惯定势等原因，二维图纸不会在短期内全部消亡，三维立体建模系 统在较长时间内不能完全取代二维模型系统，而在这期间二维绘图用的计算机 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 辅助设计软件与三维造型软件是互相配合、互为补充的关系。据报道，在西方 发达国家，大部分还是使用二维图形系统在进行产品设计，如在西门子公司， 8 0 的零件图是用二维图形系统绘制的。因此，产品模型的可转换性特别是二 维和三维立体模型间的互相转换可满足不同的需要。产品的三维模型直观、形 象，对加速新产品开发、提高产品质量、降低成本起着关键作用，是支持企业 增强创新设计，提高市场竞争力的强有力的手段，在实际工程中，已逐步作为 指导设计、制造、装配的重要技术文档，因此由现有的大量的二维工程图到三 维形体的转换的研究具有重要的实际应用价值。 二维几何图形通常采用点、线、圆( 弧) 等几何图形元素构成特定的零件图 形并将这些构成零件的所有图形元素信息存放在图形数据库中，或以一种标准 的数据文件的形式存储( 如d x f 文件或i g e s 文件) 。二维几何图形中所提供的 图形数据库或图形数据文件是图形元素静态信息的载体，可以通过扫描图形数 据库或数据文件的方法依次提取有关的基本几何元素的信息，再根据所建立的 特征分类和识别方法建立相应的几何元素的拓扑关系。由于二维几何图形数据 库提供的仅是单独的几何元素信息，如直线的两个端点、圆的中心点和半径等 因此在图形特征识别过程中需要多次扫描图形数据库，以便将图形数据库中的 链式结构转换为特征所对应的多结点、多叉树结构。 三维立体建模过程复杂、工作量大，而且三维造型建模系统对用户的知识 和操作技巧要求较高，掌握起来也比较困难，因此对于需要大量三维立体建模 的虚拟现实技术来说，亟待需要找到一种快捷、简便的建模方法。对于现存的 大量二维模型信息，若能经过一系列的处理能将其转换成三维立体模型，避免 大量重复性工作，显然是最简捷的一种三维虚拟立体建模途径。 基于特征识别方法是指从传统的二维工程图中提取与三维虚拟立体建模有 关的特征信息的过程。这种方法通常要用到复杂的逻辑推理和数据处理。这里 拟针对一般二维工程图系统中的平面图形，根据三维虚拟立体特征建模的要求， 从二维几何图形信息中自动地进行三维立体几何特征的识别，并给出相关的三 维特征信息，然后运用特征形体布尔运算的方法，在w i n d o w s 环境下利用 o p e n g l 技术进行三维虚拟立体的重建。 1 2 研究的目的和意义 目前三维模型向二维模型转换技术基本上已经成熟，许多面向工程应用的 三维c a d 系统( 如p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 、m d t 、u g 等) 都实现了由三维模 型生成二维工程图的功能。它们都能自动创建三维模型的各个视向的二维正交 视图、轴侧视图、任意给定视向视图等；创建剖视图和局部放大图；投影生成 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 的二维视图可任意排列，对视图进行修改、尺寸标注和工程标注等操作。可以 输出二维剖视图、阶梯剖、旋转剖，可以实现对零件和装配的全剖、半剖、阶 梯剖、旋转剖等，并可随三维模型的修改自动更新。而由二维工程图向三维立 体的重建技术尚处于研究阶段，还没有真正地进入实际应用阶段。 由于二维的三视图组成的工程图已作为在二维图纸上表达三维对象的通用 工具，这种以投影原理为基础的工程图能够表达的零件的复杂性几乎是无限的， 人类近二百年的使用充分证明了工程图表征零件的合理性。若能够充分利用以 往的设计，自动地将已有的工程图转换为三维实体模型，借助计算机完成产品 设计与制造的相关分析，如结构性分析、可装配性分析、干涉检验、物性计算 等等，以保证制造实施可行性，从而降低产品开发风险，提高产品设计的成功 率。 本研究旨在找到一种由二维矢量图自动建立三维虚拟立体模型的方法，该 方法力求接近实用化，有效性好，自动化程度高且可靠，用该方法建立的三维 模型利于后继研究工作的进行。本研究的内容不仅对其来源的科研项目具有实 际的应用价值( 虚拟装配、虚拟实验等) ，而且在理论上为基于二维信息建立三 维虚拟立体模型技术也提供了一种新的思路和方法，同时由二维工程视图信息 重构三维立体技术应用的领域和前景极其广阔，如在虚拟现实技术、 c m s ( c o m p u t e r - i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统) 、计算机 视觉学等领域中都有重要的应用，因此，该研究对于这些领域的发展也具有一 定的贡献。 1 3 国内外研究现状 二维工程图纸经扫描仪扫描输入计算机，需要利用重建三维实体的技术来 实现二维图纸的识别和三维立体模型建立的全自动化。从二维工程图到三维虚 拟立体建模的过程如图1 1 所示 二维工程图卜一扫描为光栅图h 去蓝、矢量化卜一预处理 虚拟装配，测试和实验h 三维立体模型的建立h 三维特征形体的识别 图l 一1 由二维工程图到三维虚拟立体建模的过程 图形扫描与矢量化技术是利用图形扫描仪将工程图纸上的信息扫描输入到 计算机中，然后使用有效的矢量化方法，对扫描后的图像信息进行矢量化处理， 再辅之以矢量图形的编辑修改，在计算机上还原出工程图纸，并形成相应的图 形文件，从而满足用户对矢量化后图形的不同层次的需求。 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 基于工程图纸的三维形体的重建技术是根据形体的二维视图中的几何信息 和拓扑信息，生成相应的三维形体，这是个从低维到高维的构造过程，它是 计算机辅助设计与计算机图形学中一个重要的研究领域。从三视图构造三维立 体的研究课题自从1 9 7 4 年提出以来已近3 0 年，输入二维工程视图由计算机自 动重建三维立体，在2 0 世纪8 0 年代曾成为计算机图形学领域最热闹的研究方 向之一，国内外研究者相继提出了诸多各具特色的重建算法。 1 3 1 典型算法介绍 对现有三维立体重建算法可划分为两大类：基于线框模型、表面模型和边 界表示模型法( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ，简称b r e p ) 的自底向上方法；基于构 造型立体几何模型( c o n s t m c t i v es o l i dg e o m e t r y ，简称c s g 模型) 1 1 9 1 和特征模型 的模型引导方法。下面针对具体的五种典型的算法作一简要的介绍。 a 自底向上的重构方法1 1 2 1 3 i 由二维顶点生成三维顶点；由三维顶点生成三维边；三维边构造三维面三 维面合成三维实体目标。由于重构的每一步中都会产生大量并不属于实体目标 的虚假三维图形基元( 描述三维实体的三维点、线、面) 。自底向上重构算法发 展的过程实际上就是如何改进虚假三维图形基元的消除算法，增强处理多解的 能力，从而提高识别效率的过程。 w e s l e y m a r k o w s k y 算法是自底向上方法中重要算法之一。其算法的特点在 于：首先采用了比较严谨的数学方式，建立了有关算法的一整套形式定义、定 理和证明，从而使算法建立在一个比较严谨的基础之上；其次，通过引入切边 将单面分割成更小的平面，然后进行组合，第一次比较有效地解决了多解和病 态解问题，构造出满足投影图的所有解，而且在算法的每一步比较有效地消除 虚假的三维图形基元。视图图形只限于直线，故只能识别平面体。算法得到了 比较好的实现，识别出比较复杂的例子。后来s a k u r a i g o s s a r d 算法对上述算法 进行了扩展，允许视图图形包含直线和圆弧，因而可识别包含平面、圆柱面、 圆锥面、球面和圆环面的实体目标。这也是目前能够处理实体类型较多的算法 之一。后又有多种算法对w e d e y - m a r k o w s k y 算法进行改进和扩展。如我国辜 凯宁等人对该算法的改进和补充，可以排除病态解，并能在多解情况下求出全 部解。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 b 基于模型引导的重构方法辑9 ，1 2 ，1 3 从构造实体几何角度来讲，任何复杂的实体都可以分解成属于预定义的一 些体索的组合。如果能将体素的三维特征及其三视图投影特征描述定义成一系 列的模式，构成描述体素的模型，则输入的视图图形可按各种模型要求分类， 运用不同模式加以匹配。如果视图中的图形与一个体索模型的三视图模式相匹 配，就可以运用其三维实体模式直接构造相应的子体。这就是a l d e f e l d 首先提 出的基于模型引导的识别方法。 a i d e f e l d 后来提出了一个半自动的，由用户引导的交互式识别算法，来弥 补前面算法的不足。在这个方法中用交互式对视图进行操作，人为地增加辅助 线，从而使要识别子体原本不完整的投影趋于完整，使基于模型引导的识别得 以实施。我国的霍彬提出的算法也属于此类。算法允许只有两个视图，允许有 剖面和作图省略，它还能处理其轴线倾斜于两个投影面的体素，由这些类体素 构成的复合体均可识别。 c 基于体切削的重构方法i s , 9 , 1 2 , 1 3 l 如果说自底向上的识别是从二维图形数据出发，逐步推导出三维形体结构， 那么，基于体切削的重构方法则是从三维实体出发，通过对已得到的实体的不 断切削，使三视图投影逐渐逼近乃至完全拟合要识别的三视图。 m a s a t o s h ir o 和a t s u s h im o r i 在其文章中运用了这种思想：首先以某一视 图内实体目标投影的外轮廓为底面构造一个柱体，以其它视图内的图形中不包 含在前一视图内的第三坐标的最大值和最小值来确定柱体的高度和位置。该柱 体完全包含了真正的实体目标。然后对这个实体根据三视图作进一步的切削、 挖，真到得到的结果完全符合要识别的三视图。但算法没有更进一步的的描述 和全面的实现，只能识别一些特殊的平面体，也不能处理多解和病态解。 z e nc h e n 与d e r - b a a up e m g 将这种方法加以扩展，使之更接近实用。算法 采用“各个击破”的策略，将视图图形分成孤环类( 不与其它环相交的环) 、弧 类和其它。运用基于模型引导的识别方法对原图进行简化后再构造柱体。该算 法要求视图图形是直线、圆和圆弧，能识别均匀厚度实体和非均匀厚度的平面 体，但不能处理多解和病态解。 d 自顶向下的重构方法 1 2 ，1 3 l 以上三种方法的共同特点是实体目标的构造，均只依据其在三视图上的投 影，且均要求投影是完备的和一致的( 交互方式除外) 。事实上，工程中的三视 6 耍j ! 苫些盔堂堡主兰垡迨塞垡= 童墨! 旦 图述有一部分信息没有使用，即描述、解释实体有关特征的标准信息。而h 因 隽 乍躅方便、习惯或明了，多少存在一些不标准、露晦豹地方。这是上述方法 所没有处理的，而这些地方往往有标注说明。因j 琏：出现了利用图上标注信惑来 指鼯实体目标识别的方法，称为自顶向下的识别方法。 e 艇于专家系统的照构方法1 1 z 1 3 l 随着三视图识剐研究的发展，人们发现单纯从_ 盘体几何学和制图原理的角 度进行研究，要识别更复杂的视图越来越力不从心。因此弓l 入其它楣关领域的 技术来帮助识剐就驻得越发重要。融于识别中弓f 入了大量入的知识，很自然地 考虑到从人工智能、专家系统的角度出发，按照人工智能、专家系统研究问题 匏方法建立鸯关识鬟静知谈痒、壤壤褫隶l 耨援索繁略来进行谤爨，这就是蒸于 专家系统方法牟识别方法。 w h i t a k e r - h u h n s 及1 w a t a 等人强露提爨了稷盛豹方法，这些雾法仅链瑷聚 一必很简单的实体翻标，也不能处理多解和病态解的情况。 1 3 2 典溅算法分析 狱土这黧方法( 雾法) 务蠢特色、其毒攘瘟静鹜形重建藏港，菸基己敬褥了 较大的进展，但从总体上讲，仍存谯着一憋妨碍研究实用化的问题，其结果并 # 令人溪蠢。 自底向一b 的识别方法是提出最早，研究时间最长，算法缀多，能够识别的实 体耳标种类较多，鳃决多鳃郛瘸态鼹楣对较好鳃方法。它是按照翩圈双则， 二维患、线对应关系逐步建立三维点、线、面直到体。假这并不是有经验的 工程师蓿图的方法，尽臀经过不断的改逑，使识别的速度积能处理实体的复 杂度有了缀大褥篱，但由于在层次亿的谈别过稷中，总簧进行复杂的判定以 消除大墩存在的虚假三维图形基元，而且要求实体目标的所有三维边的投影 黪须在瑟骞撬图海缘存纛。困嚣侮有搜索空鬻遵大，无法箍理大鄢零舞鬻中 存在的省略和剖黼等问躐。自底向上方法适用范围较广，但这种算法以点、 钱为形传重建熬簸夺掏造擎元，翳形理鳞层次逑低，缺麓宏鼹籀等，携滋子 局部细节，运算髓随着图形的复杂度增加而急剧增大，并且由于在整个构造 中缺少更高层次的约束，造成了病态解豹产生秘大量地搜索运算。 模型弓f 导方法采厢了模式识剐识澍技术，是从假定的子体出发，详找其相应 的三视圈投影加以验证，从而避免了自底向上方法中对三维图形罄元的庞大 镀索帮游除搡 筝，在某爨场合速发极侠，算法也魄较简革。伛是t 程中髂三 亨 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 视图情况并不总是象算法要求的那样理想。当某些子体的投影因与其它子体 合并而不能全部表现在视图上时，模式无从匹配，导致算法失败。虽然交互 识别能识别很复杂的视图，但实际上主要是靠人识别，因此识别的成功与否 主要依赖于使用者的知识和技巧，该算法在实用上有很大的局限性。这种方 法从体的理解角度来解释三视图，效率和可靠性都优于最早出现的自底向上 算法，但适用面窄，面对干变万化的图形显得束手无策。 基于体切削的识别算法的特点在于它总是在三维空间的体、面、边上进行操 作，只对生成的可能虚假予体进行判断和切削。而不要象自底向上方法那样 为确定三维点、边和面的真假而煞费苦心，也有效得多，但也带来了大量而 复杂的三维空间操作和计算。 自顶向下的方法虽然是利用视图中标注信息来指导识别，但实际上仍要有其 它方法加以辅助，否则就不能识别没有标注信息相对应的图形。当图纸变得 比较复杂时，标注识别就成了处理省略、不规范图形描述，简化识别复杂度， 提高算法实用性不可缺少的方法。 基于专家系统方法的识别能够有效地表示知识和知识推理，从而提高了建立 识别算法的效率。但当体素变得复杂时，很难用人工的方式建立起体素的识 别模式。另外，当专家系统很大以后，识别复杂实体的速度和知识库的使用 效率会受到影响。 以前的重建算法由于反复执行投影匹配操作和复杂的几何运算，需要较长 的处理时间，使这些三维重建算法的实际应用受到一定的限制，其主要表现为： 第一，这些算法一般要求图形的轮廓线是完备的，即轮廓线不能缺少，如 不能出现省略的情况，虚线必须全部画出；轮廓线也不能多余，如中心线不能 出现，出现立体相贯线在重建中也很难处理； 第二，这些算法一般只注重图形信息，往往遵循点、线、面、体的分层构 造方式，从而不考虑，也不允许尺寸信息出现，前人研究和实践表明只从图形 出发的三维重建有很大难度，有必要引入尺寸等其它因素； 第三，即使从图形信息看，这些算法往往将图形看成是无意义的点、线、 圆的组合，如对线型不加区分，图线之间的关系不加分析，因此无法有效地利 用图形所包容的语义信息。 造成这些困难的原因是二维工程图一般是由点、线、面以及它们之间的拓 扑关系等底层的信息组成，要从这些底层信息中抽取三维立体特征这样高层次 的信息是非常困难，又这些制图原理、规范是人们长期工作经验总结的结果， 具有很大的人为性、灵活性、经验性和模糊性，所以在很大程度上不适合计算 机的识别、处理。虽然有经验的工程师可以很快地将复杂的又不太严格的图纸 堕垄三些盔量塑主兰垡堡塞 一兰三兰l 兰! 鱼 t 读懂”，但要将这种能力教给擅长精确数字计算的计算机却是很困难的。 近年来，国内如清华大学、浙江大学等科研院校或机构在工程图纸扫描图 矢量化、二维图纸参数化及基于二维图形的三维重建方面进行了许多的研究工 作，并取得了一定的成果。 1 4 三维特征识别方法 如何把二维工程图信息与三维立体模型统一起来，以一种简便、实用而有 效的方法从现有的二维工程信息进行三维虚拟立体模型建立是本文研究的主要 内容。 本文在剖析前人研究算法的基础上，提出以三维形状特征( 与描述零件几何 形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加工工艺形状、装配辅助形状等) 识别的方法进行三维虚拟立体重构。该方法宏观上是自底向上的重建算法( 由 线、圆弧等基本二维图元构造出三维基本特征，再构造三维子体，最后构造出 三维立体) ，但采用了模型引导的和专家系统的思想。 7 本方法由于从通用的工程三视图中提取三维特征信息，在进行三维特征的 识别前对二维工程图的数据信息进行了预处理，降低了识别的难度，提高了识 别的效率，制定出基于二维工程图信息的三维立体特征识别的规则和过程；在 重建的过程中采用了特征形体布尔运算的重建方法，利用开放的图形平台 o p e n g l 技术将识别出来的三维虚拟立体特征在w i n d o w s v i s u a lc + + 6 0 环境下 重建。因此本文所提出的方法具有普适性和实用性。 1 5 本文的内容安排 在二维工程图到三维虚拟立体建模的过程中，由于二维工程图纸的扫描和 矢量化技术已成熟，且已有众多的硬件和软件供应商提供这方面的技术和商业 化的产品，如德国c o n t e x t 的专业级大幅面扫描仪及矢量化软件v pm a x p r o s t u d i o 等，该领域的技术己进入了实际的应用阶段。故本文从二维矢量化图 形文件开始，主要研究对二维图形数据的预处理，三维立体特征的识别及三维 虚拟立体的重建方面的内容，从而建立一套完整的基于二维工程图纸建立三维 立体模型的解决方案。 本文共分为六章及结束语，具体的内容安排如下： 第一章，概述，介绍了本课题的来源及背景，三维重建技术的发展状况及 国内外相关的研究成果现状，经过对它们的分析和研究，针对它们中存在的不 足和问题提出本文的研究课题一基于形体特征识别的三维重建方法，并简述了 9 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 本研究的目的和意义。 第二章，介绍了本文相关的背景知识。首先介绍了画法几何中制图及投影 的知识有关理论和方法；下来介绍了有关o p e n g l 的编程技术，主要介绍在 w i n d o w s 环境下v i s u a lc + + 平台上基于m f c 技术的o p e n g l 程序的开发的要点 和注意事项。 第三章对读入的二维图形信息进行特征识别前的预处理，准备工作。如对 缺损的信息补全，图形的分割处理，半剖视图的识别与处理；视图的分离、及投 影中心确定等方法。 第四章，讨论了本研究中二维数据信息来源一矢量图形数据交换文件 d x f 的结构，详细地介绍了有关图形数据的图元段，对其d x f 文件中各种图 元的数据结构进行详细的讨论，据此给出了读取d x f 文件中图元数据信息的读 取方法。 第五章，介绍三维虚拟立体的特征识别过程。在经过预处理的二维数据信 息和识别前准备工作的基础上；建立坐标系与坐标转换系统，并建立了二维图 形信息经过各视图坐标转换到三维投影坐标的矩阵运算关系；根据三维基本特 征的特点进行识别匹配。并将识别的结果存入一结构体中，作为后继三维虚拟 立体重建时使用的相关数据。 第六章，利用三维特征形体布尔运算的方法进行三维立体模型的建立。一 个三维形体是由一系列基本形体组合而成的，从几何建模的角度则可以认为是 几个基本三维特征体通过布尔运算( 并、差、粘连) 得到的最终结果。在前章识 别出来的特征的基础上，利用o p e n g l 技术便可容易地将识别出的三维特征进 行虚拟立体模型的建立。 l o 亘! ! 三些丕堂堡圭兰垡笙塞箜三童堡重塑鬯堕里兰型生堇查堡蕉 第二章投影视图原理与o p e n g l 技术综述 本课题是研究基于二维信息模型的三维虚拟立体模型的建立方法。本章首 先对于涉及到的图形学相关二维投影视图的有关原理与规则基础知识作一介 绍。另外本文三维模型的建立是以开放式的三维图形软件接口o p e n g l 编程技 术来实现的，因此对此相关知识也作一介绍。 2 1 投影视图与坐标系统 2 1 1 投影视图基本知识概述 在画法几何中，把投影分为中心投影和平行投影两类，平行投影又分为斜 投影和正投影法，其中正投影法是工程机械制图中最常用的一种投影方法。 物体的投影称为视图，在正立投影面v 上投影称为主视图，在水平投影面 h 上的投影称为俯视图，在侧立投影面w 上的投影称为左侧视图( 常简称左视 图) ，主视图、俯视图及左视图通常又简称三面视图或三视图。三视图的位置关 系是：俯视图在主视图的下方，左视图在主视图的右方。正投影图能反映物体 的真实形状，绘制时方便，所以是工程界最常用的一种投影图。其缺点是立体 感差，看图时必须几个视图互相对照，才能想象出物体的形状，因而没有学习 过制图原理的人不容易读懂它。 2 1 2 三投影面体系建立 用正投影三视图来表达立体的方法在机械零件设计与制造中的应用极为普 遍，空间形体的三视图以不同方向的二维投影信息隐式表达空间的立体信息。 以三个相互垂直的投影面：正立投影面v 、水平投影面h 和侧立投影面w 将 空间分为八个分角，我们国家的制图标准规定空间形体在第一分角向投影面进 行投影，其方式见图2 - 1 ( a ) 所示。 2 1 3 点、线、面、体的三面投影 如图2 - l 所示，以顶点a 为例，a ，a ，a 分别为点a 在h 面、v 面和w 面 上的投影。从图2 - l ( c ) 可以看出，在三投影面体系中，点a 的三个投影的位置 关系是确定的有机整体。在平行投影中，直线的投影及为直线，同时由于两点 可以唯一确定一条直线，所以在绘制直线的投影时，只要做出直线上任意两点 l l 的投影，然后连接这两点的同面投影，即是直线上三面投影图。同样，面的投 影是点和直线投影的综合，而立体是由若干面所围成的几何体，立体的投影表 示方法主要是画出立体的棱线( 轮廓线) 或顶点的投影。 2 1 4 投影视图知识 用正投影法将物体向投影面投影所得的图形，即为视图。视图分为基本 图2 - 2 视图的分类 视图、局部视图、斜视图和旋转视图等四种。根据工程制图的投影原理和制图 规则，三视图( 基本视图) 之间应满足“( 主、俯) 长对正，( 主、侧) 高平齐，( 俯、 侧) 宽相等”的投影对应关系。刚 剖视图是假想用剖切平面将机件立体剖开，且移去处在观察者和剖切平面 之间的部分，将剩余部分向投影面投影所得到的图形。由于剖切平面剖切机件 的方式和位置的不同，剖视图可分为全剖视图、半剖视图和局部剖视图三种。 其中，在机件具有对称平面时，在垂直于对称平面的投影面上投影所得到的图 形，若以对称中心为界，一半画成剖视图，另一半画成全视图( 不剖切的投影视 图) ，这种剖视图称为半剖视图。它有以下两特点： a 机件具有对称平面时，在垂直于对称平面的投影面上，才宜采用半剖视。 机件的形状接近于对称，而不对称部分已另有视图表达时，也可以采用半剖视。 b 半个剖视图和半个视图必须是以点画线( 中心对称线) 为界。但如轮廓线 与图形对称线重合时，则应避免使用。 通过以上多种视图灵活组合运用，可以正确、完整、清晰地表达立体的形 状。工程人员根据视图所提供的二维信息、视图及视图之间对应的投影关系， 可以很容易地读懂视图所描述的空间形体结构。本课题就是研究如果利用计算 机依据以上的投影视图规则来自动识别三视图所描述的空间立体模型。 2 2w 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 ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是美国s g i 公司最新推出的一套开放式 的三维图形软件接e l ，适用于广泛的计算机环境，从个人计算机到工作站， o p e n g l 都能实现高性能的三维图形功能。经过多年实践考验，o p e n g l 已经发 展为成熟的图形开发平台，同时由于o p e n g l 具有跨平台性、简便、高效、功 能完善，目前已经成为了三维图形制作方法中事实上的工业标准。o p e n g l 本 身不仅提供对简单图元的操作和控制，还提供了许多函数用于复杂物体的建模， 其编程类似c 编程。 目前，m i c r o s o f t 公司在其w i n d o w s 9 5 或更高版本的操作系统和m i c r o s o f t v i s u a l s t u d i o 系列高级语言开发环境中捆绑了o p e n g l 的开发工具。因此，一 般建议在下面的环境中开发o p e n g l 应用程序。 操作系统：w m d o w s 9 5 9 8 ，或w i n d o w sn t 3 5 ，或更高版本。 开发平台：v i s u a lc ，h 42 以上版本，p o w e r s t a t i o n 4 0 ( f o r e a n ) 。 o p c n g l 库：o l ”n 9 1 3 2l i b ，# u 3 2 1 i b ，9 1 a hl i b 。 下面以w i d o w s 9 8 w i d o w s n t 4 0 为支撑平台，介绍o p e n g l 编程技术。 2 2 1o p e n g l 的函数库 o p e n g l 函数有五类函数，另还有结构体，现介绍如下：1 2 1 l 1 ) o p e n g g l 核心函数，这些函数以g l 开头，有1 0 5 个。这些函数是最基 1 3 本的，可以运行于任何o p e n g l 工作平台。可用这些函数创建二维和三维几何 形体，设置视点，建立视觉体，设置颜色及材质，建立灯光，进行纹理映射， 反走样，处理融合，雾化场景等。它们可以接受不同的参数因而可派生出3 0 0 多个函数。 2 ) o p e n g g l 实用库函数，这些函数以g l u 开头。这些函数事实上是基于 o p e n g l 核心函数，提供对辅助函数特征的支持，并且执行了核心的o p e n g l 交互，因而是比核心函数更高一层的函数，也更具有通用性。 3 ) o p e n g l 辅助库函数，这些函数以a u x 开头，有3 1 个。这是一类特殊的 函数，并不保证在任何平台的使用，但w i d o w s 9 8 w i d o w s n t 4 0 支持它们。这 些函数简化了像素格式的设置，集成了窗口管理系统的生成、控制及背景过程， 简化了可定制的输入事件及交互手段，可绘制常见的典型的三维物体等。 4 ) w i n d o w s 专用函数库，这些函数以w g l 开头。是用于连接o p e n g l 和 w i n d o w s 窗口系统的。用它们管理着色描述表( r e n d ec o n t e x t ) 及显示列表， 扩展功能，管理字体位图等。 5 ) w i n 3 2a p i 函数，这些函数无专用前缀，共有6 个。用于处理像素格式 及缓冲。 6 ) o p e n g l 结构，有4 个，常用的个是p i x e l f o r m a t d e s c r i p t o r ， 其详见2 2 2b ( 1 ) 介绍。 2 2 2w i n d o w s 9 8 1 n t 下o p e n g l 编程 科学计算可视化，计算机动画和虚拟现实是现在计算机图形学的三个热点。 而这三个热点的核心都是三维真实感图形的绘制。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 0 s r 2 、w i n d o w s n 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 ，使三维图形