（计算机软件与理论专业论文）基于特征识别的三维重建方法研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 工程视图作为一种以投影原理表达空间三维形体的有效手段，广泛地应用于产品模 型设计，在机械工业中扮演着重要的角色。工程技术人员借助二维视图，可以很容易地 读懂视图所表达的空间形体信息和产品设计思想。随着三维a 虹( a m 软件的广泛使 用，在很多情况下，产品模型都需要进行三维表达，而目前仍然存在着大量设计图纸没 有转换成三维模型，若采用人工手段将耗费大量的人力和时间，于是对由工程视图自动 转换三维模型的算法研究有迫切的需要。经过多年来的研究，己经提出了很多种重建方 法，虽然这些方法各有特点，但离实际应用还有一段距离。 本文介绍了d x f 文件存储格式及其读取算法，详细描述了视图分离，坐标转换， 几何特征识别等工作，提出了连通区域求解的新方法，探讨了基于尺寸标注语义和基于 图形几何形体信息的基元体识别技术，研究了三维重建中的模型引导算法。 在上述研究的基础上，设计了一种由三视图重建三维实体的实施方案。以d x f 格 式文件作为三视图数据输入的统一格式，设计了用于表达特征信息的数据结构，以此来 反映图元与图元之间的关系，并根据模型引导的方法实现三维重建。 为了验证本文所研究的重建方法和所设计的实施方案，开发了一个三维重建的计算 机软件原型工具，并结合一些实例进行了初步验证。 关键词：三视图；特征识别；三维重建；尺寸标注；d x f 文件 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v ee x p r e s s i o nw a yo fp r o d u c t d e s i g n ，e n g i n e e r i n gd r a w i n g sa r ew i d e l yu s e d a n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt r a d i t i o n a lm e c h a n i s mi n d u s t r y i t se a s yf o rt r a i n e de n g i n e e rt o u n d e r s t a n dt h es o l i dm o d e la n dp r o d u c td e s i g ne x p r e s s e di nt h ed r a w i n g s b e c a u s eo ft h e w i d eu s eo f3 dc a d c a ms o f t w a r e ，p r o d u c td e s i g nn e e d st ob ep u ti n3 ds p a c eb u tt h e r ea r c l a r g en u m b e r so fd r a w i n g st h a th a v e n tb e e nc o n v e r t e dt o3 dm o d e l t h em a n u a lc o n v e r t i n g n e e d sm u c hm a n p o w e ra n di t st i m ec o s t sa r ea l s oc o n s i d e r a b l e s ot h er e s e a r c ho na u t o m a t i c 3 dr e c o n s t r u c t i o nf r o me n g i n e e r i n gd r a w i n g si sv e r yn e c e s s a r y a f t e rm a n yy e a r sr e s e a r c ho n t h i st o p i c , a l lk i n d so fa l g o r i t h m sh a v eb e e np r o p o s e d a l t h o u g ht h e s em e t h o d sh a v e r e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c , t h ea p p l i c a t i o no ft h e s em e t h o d sr e m a i n st ob ea nu n r e s o l v e d p r o b l e m i n t r o d u c e dt h ed x ff i l ef o r m a ta n dt h ea l g o r i t h mo ft h ed x f r e a d i n g d e s c r i b e dt h e v i e w ss e p e r a t i n g , c o o r d i n a t et r a n s i t i o n ，g e o m e t r yf e a t u r er e c o g n i t i o n ，p r o p o s e dan e w w a yt o s o l v et h ec o n n e c t i n gd i s t r i c t p r o b e di n t ot h et e c h n i q u eo ff e a t u r er e c o g n i t i o nb a s e do nt h e d i m e n s i o nl a b e ls e m a n t i ca n d g e o m e t r yi n f o r m a t i o no fv i e w s r e s e a c h e dt h em o d e l - o r i e n t e d a p p r o a c ho f t h e3 dr e c o n s t r u c t i o n 、 b a s e do na b o v er e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n sap r o j e c to fr e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e l sf r o m 2 do r t h o g r a p h i cv i e w s t h ep r o j e c tp r o p o s e sam e t h o do fu n i f y i n g2 dd a t af i l ef o r m a ta n d d e s i g n so n ek i n do fd a t as t r u c t u r et oe x p r e s st h ef e a t u r e si n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h e m o d e l - o r i e n t e da p p r o a c ho f r e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e l s r e a l i z et h er e c o n s t r u c t i o n f o rv a l i d a t i n gt h em e t h o do fr e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e l sa n dt h e p r o j e c t o f3 d r e c o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e rr e a l i z et h ee s s e n t i a lf u n c t i o no ft h e3 dr e x ：o n s t r u c t i o ns y s t e m i m p l e m e n t a n dd os o m ee l e m e n t a r yt e s t sb ym a n ye x a m p l e so fs a m p l ep a r t s k e yw o r d s ：o r t h o g r a p h i cv i e w s ；f e a t u r er e c o g n i t i o n ；3 dr e c o n s t r u c t i o n ；d i m e n s i o n l a b e l ；d x fh i e 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、数据和文献的引用已在文中指出， 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 何其他个人或集体己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) ： 核芜 日期 ：年 月日 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：彳霆毫 日期： 指导撕签名：磁 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 本课题来源于辽宁省科技厅的攻关项目“现代装备制造业在线仿真设计平台一 【2 0 0 4 2 2 0 0 0 5 1 的课题“基于特征识别的三维重建方法研究 。 随着计算机硬软件的飞速发展，计算机辅助设计和制造( q 址( ：a m ) 技术在机械 绘图、电子产品设计、建筑设计、外形包装、汽车和飞机船舶制造业等各个领域得到了 越来越广泛的应用。计算机辅助设计是一种综合计算机硬、软件系统的用于辅助人们对 产品或者工程问题进行设计的方法和技术，能够提高工作人员的工作效率，提高产品的 设计质量，缩短科研和新产品的开发周期，提高新产品的可信度和直观性，从而实现设 计的自动化，大幅度提高劳动生产效率及产品的竞争力n 1 。 几何模型是产品设计与生产的基础，如何构造和描述产品的几何模型是c a d c a m 中的重要研究课题。随着科学技术的发展，特别是产品制造中数控技术的发展，几何造 型系统将发挥越来越大的作用。在零件、产品设计工程领域，几何模型的输入和表示主 要有两种手段：一是二维工程图，二是三维实体模型。机械零件的二维工程图是使用时 间最长，数量最多，应用最广泛，也是工程人员最早熟悉的一种文档模式。在尚未出现 计算机辅助设计系统软件时，人们已经知道在图纸上画出零件的二维投影视图，来表示 现实生活中或准备创造的形体，它是工程界进行技术交流的通用语言t 2 1 。 目前，工程上的二维图纸设计仍然占据着主导地位。这不仅仅是历史上的原因，更 重要的是它表达方式简洁精练，符合设计入员的设计习惯，可以比较容易描述出复杂零 件的结构和技术装备信息。三维实体模型是指由三维的点、线、面或基元体通过一定的 操作或空间运算而构造成的三维形体。三维形体具有完整的几何和拓扑信息，而且显示、 设计和操作简洁直观，便于物体的物性计算分析。 为了将当前的产品制造融合到现在的几何造型软件中，以便在造型软件中方便的更 新和修改产品，充分利用现有的大量的二维工程图资源，实现计算机自动读图，以减轻 沈阳理工大学硕士学位论文 人工读图的工作量，提高图纸理解的准确度和工作效率，有必要研究从二维视图重建三 维形体的技术。目前对此问题进行研究的主要有两个相关领域：一是人工智能领域试图 解决二维视图的机器解释，从而拓宽计算机视觉的应用范围；二是c a d c a m 领域以 此作为计算机辅助几何造型的一种新方法来研究，使其成为一种新的实体模型的输入方 式。 基于特征识别的三维重建技术，其主要任务就是以形体的二维投影工程图为输入。 获得其中的二维信息，根据二维和三维的投影匹配关系以及尺寸标注语义生成三维信 息，对这些信息进行分类处理后，在三维空间重新构造出二维视图所对应的三维形体， 实现形体的重建。 三维重建课题起源于六十年代，在八十年代成为计算机辅助设计领域中的研究热点 之一。但是由于底层识别的处理及二次曲线、曲面，高次曲线、曲面投影匹配中的难点 问题，虽然近四十年来国内外学者在此问题上进行了大量的研究，但是至今该技术尚未 达到实用的水平，更没有实用的软件。随着研究的深入，研究的难度也在增加，从8 0 年代后期至今发表的论文也比较少，目前大部分研究成果仍是实验阶段的演示系统。 1 2 研究意义 三维重建应用前景广泛，主要体现在如下几个方面： 1 三维造型系统的输入手段 近年来三维造型技术得到了迅速发展和应用，推出了一大批造型系统，著名的有 p r o e n g i n e e r ，i n t e r g r a p h ，c a t i a ，s d r c i d e a s ，e u c l i d ，c d c f l c e m ，c a d a m ，i n v e n t o r 等，但在这些强大的软件工具背后，数学模型的原始数据输入问题却始终使研究开发者 们感到棘手，而输入问题与用户使用直接相关，输入方法简单与否理所当然地成为用户 评价一个系统优劣的重要指标1 3 1 0 目前，把三维物体模型输入到计算机内大致有三种 方法： ( 1 ) 定义若干基元体，对它们直接进行并、交、差集合运算生成模型或将它们添加 到已有模型构成新的形体，这是一种从三维到三维的实时输入方法； ( 2 ) 先构造出形体的基线，然后用平移扫描或者旋转扫描生成形体，是一种从二维 第1 章绪论 到三维的实时输入方法； ( 3 ) 在二维视图基础上，通过图形理解获取物体三维模型，是一种从二维到三维的 非实时输入方法。 前两种方法已经成功地应用于前面提到的软件工具中，然而第三种方法虽然输入简 单、方便，符合工程设计和制造的习惯，但还没有应用于商业软件，因为由二维视图转 化为三维形体一直是一个q 蛐c g 领域难以解决的课题。 2 延伸产品信息建模的源头 在厂矿企业中，特别是在一些历史悠久的大型制造业公司中，累积了大量的产品设 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， 其中的经验积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 型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。但是先进制造技 术的信息系统的核心是三维的数据模型，要更充分有效地利用早期的设计成果，就必须 将二维的工程图转化为三维模型。另外，在早期的二维c a d 系统应用阶段和现阶段， 也产生了大量的用二维工程图表达的产品图形文件，将这些产品用手工实时输入的方法 建立其三维模型是十分繁琐的。三维重建这种从二维到三维的非实时输入方法正好可以 利用这些图形文件重建三维模型，延伸了产品信息建模的源头。 3 一种有效的特征识别方法 自动特征识别是从零件的c a d 模型中抽取出具有特定工程语义的特征信息。由于 工业界的迫切需要，o 岫删一体化已经成为近年来c a d 、c a m 研究人员追求的主 要目标之一，然而系统集成面临许多困难，自动特征识别正是因此而产生的c a d 与 c a p p 之间的智能接口，对实现a 址脚p c a m 集成具有重要意义，所以一直是 c a d c a m 领域研究的热点，已取得很多成果。但是由于特征识别具有相当难度，该领 域至今仍存在许多问题有待解决。现有的特征识别方法种类可以分为基于边界匹配和基 于立体分解两种方法，这两类方法都是从实体模型或设计特征表示的产品模型中进行识 别的，遇到的困难很多。直接从二维工程图样的表达中识别特征的优越性在于工程图样 的数据是二维的，避免了三维模型所带来的算法的复杂性和较高的误判率。从二维的工 程图样出发的自动特征识别可能是一条有效的途径，特别是通过特征识别可以很方便地 沈阳理工大学硕士学位论文 连接到c a p p 。 4 机器视觉的研究 在机器视觉领域，人们希望通过三维重建的研究使计算机视觉系统具有空间想象 力，以致能看懂工程图样所表达的复杂结构体，一个潜在的应用是装配机器人装配作业 过程中的目标理解，使机器人能够从提供的图形中提取所需的信息，明确作业目标，这 样可以用工程图样规定机器人的任务，为机器人行为规划提供目标。 综上所述，从二维工程视图转化三维实体己成为c a d c a m 和计算机视觉两个不 同领域共同关心的一个研究课题，有着非常广泛的应用前景，但同时又是一个有难度的 课题。从三维形体生成二维视图是一个由高维向低维的投影过程，在投影过程中丢失了 大量的空间拓扑信息，因而，在由二维视图转化三维实体时难免产生多义、多解和病态 解等情况，这样一个由低维向高维恢复信息的过程其难度是显而易见的。 1 3 研究现状与存在的问题 自2 0 世纪6 0 年代，尤其是自i d e s a w a 4 1 于7 0 年代初首次发表关于由工程三视图 重建三维形体的论文以来，三维重建技术这一课题的研究受到了普遍的重视，其动因主 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；二是从事c a d c g 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。 三维重建技术至今已有三十多年的历史，提出了许多各有特色的算法。主要有以下 几种： 1 自底向上方法 该方法最早由i d c s a w a 提出，其主要思想是由二维的顶点生成三维顶点，由三维顶 点生成三维边，再由三维边生成三维面并将正确的面组装成三维形体。i d e s a w a 算法的 主要步骤是相当直观和合理的，但是在实际的操作中容易出现一些假图素，因此需要大 量的运算来判断和消除实际并不存在的点、线、面、体。自底向上的识别方法提出最早， 研究时间最长，算法最多，能识别的实体种类比较多，特别是对于复杂的多面体，这类 算法是解决多解和病态解相对较好的方法。 第1 章绪论 2 模型引导方法 模型引导方法是参照c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 的：i l 型思想，认为一个零件是 由有限的几个基元体通过交并差运算组合而成的 1 。模型引导方法按照模式匹配的思 想直接对图样进行识别，提取出各基元体，然后生成c s g 树或其它的表达形式，最后 得到零件的实体模型。这种方法又有两种不同的指导思想，一种是从假定的子体出发， 寻找相应的图样元素加以验证，将验证了的子体添加到三维实体中；另一种是从三维实 体出发，通过对已得到实体的不断切削，使其三视图投影逐渐逼近乃至完全拟合要识别 的三视图；后者被称为基于体切削的重建方法，与之相对应前者可称为子体组合的重建 方法。 3 自顶向下方法 y a s h i u r a 噶1 等人最先提出了一种自顶向下的由工程三视图构建三维机械零件的算 法。该算法可处理含有文字注释的工程图样，首先用自然语言处理方法来处理工程图中 的注释，然后提取投影信息，最后把投影信息传至一个自底向上重建过程来建立三维实 体。该算法可重建出由平面、圆柱面、锥面、球面、环面等多种面型组成的三维实体。 4 基于专家系统的重建方法 随着三视图识别研究的发展，人们发现单纯从立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。因此引入其它相关领域的技术来帮助识别就 显得越发重要。由于识别中引入了大量人的知识，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，专家系统研究问题的方法建立有关识别的知识库、推理 机制和搜索策略来进行识别，这就是基于专家系统方法的识别方法四1 。 5 基于视觉认知机制的重建方法 该算法类似于模型引导( c s g ) 方法，算法将整个三维实体分成几个基元体的组合 1 1 0 1 e 不同的是，基元不是事先定义好的，而是被限制为能用实体造型中广义平移操作 所能生成的实体。算法利用自底向上( b r e p ) 方法生成实体每一个基元，再将基元合 并成最后的重建实体。在重建过程中出现歧义时，利用剖视图处理和视觉推理机制加以 解决，使得重建实体与人的理解结果更加一致。 纵观现有的算法，从系统的体系结构和理解策略的角度出发，现有的工程图图样识 别理解技术和方法可以作如下分类： 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据体系结构的不同可以分为两类：第一类，程序代码、领域知识和控制策略 等内容融为一体，具有运行效率高的特点，但系统修改和扩展不易，因而对知识的完备 性有较高的要求，基本上属于静态系统；第二类，代码、数据、领域知识和控制策略等 具有结构上的相对独立性，削弱了各部分之间由于内部修改及扩充所引起的对其它部分 的影响，使得系统的扩展简单易行，系统具有动态特性，但受到人工智能技术的发展水 平的制约。 ( 2 ) 在理解策略上，主要有两类方式：第一类是自下而上进行处理的系统，典型的 应用如基于自底向上的重建方法，这种处理方法缺乏灵活性与智能性，且不符合人读图 的思维习惯；第二类是自上而下进行处理的系统，例如基于模型引导的重建方法以及基 于尺寸信息引导的重建方法都属于这一类，应用这种方法可以提高识别对象的可靠性， 通常具有较高的识别和重建效率。 对这个研究课题，虽然提出了各种各样的算法，但这些算法都存在着一定的局限性， 能够识别和重建的实体类型有限。近年来，一些研究者从较高层次上对图纸中的尺寸信 息以及其中几何元素间关系的识别和理解进行了研究，如陆国栋等通过对图样中的语义 信息进行分析和层次划分，提出了由“一图、一树、二链 构成的图形尺寸信息合成网 络，并基于此进行形体的三维重建1 1 1 | 。但目前这些尚处于探索阶段，离建立系统的理 论体系还有一定的距离，但总的趋势是实现以知识为基础的图样智能理解。 1 4 本文所做的工作 本课题采用基于二维视图特征识别的三维重建方法来重建d x f 文件中以三视图形 式记录的三维实体。 主要内容如下t ( 1 ) 获取工程图信息 读取d x f 文件中所记录的图元及标注信息，并建立对应的双向链表来记录这些信 息。 ( 2 ) 重新组织数据结构 在实际工程应用中，所有视图图形都是在个统一的坐标系下描述的，各视图 第1 章绪论 的坐标与空间投影坐标之间并没有确定的对应关系，各视图图形的几何数据是孤立的、 无联系的，因而在重建过程中，需首先将原始坐标系下的坐标，转换为空间投影坐标系 中的坐标，作为后续重建工作的基础； 在已建立物体三维视图的线表、点表信息基础上，通过对基元体在三视图中的 投影分析，识别出三视图中的二维视图特征。可以按外部轮廓线把二维视图特征主要分 为4 种类型：圆特征、含圆弧特征、含斜线特征、矩形特征； 根据三维重建的需要，对各视图中的二维视图特征进行存储； 对有尺寸标注信息的工程图，引入尺寸信息几何复杂度的概念，将尺寸划分为 三个层次，建立相应的链表。 ( 3 ) 实现三视图的三维重建 根据画法几何学和工程制图的投影原理和制图规则，三视图之间应满足。( 主、 俯) 长对正，( 主、侧) 高平齐，( 俯、侧) 宽相等 的投影对应关系。本课题根据三视 图投影对应关系，从基元体出发，寻找相应的图样元素加以验证，将验证了的基元体添 加到基元体链中；根据标注信息的链表，得到相应的基元体，也将其添加到基元体链表 中。 通过判别一个基元体的三个二维特征是否包含在另一个基元体的三个二维特征 内，来对基元体进行虚实性判断，若是则是虚体，否则是实体。分别对实体、虚体作出 标志。 运用模型引导方法，对基元体进行三维重建。 ( 4 ) 生成实体中间文件 遍历各基元体链，以特定的格式生成三维实体中间文件。 1 5 开发工具 本课题以w i n d o w s 为平台，采用v i s u a lc + + 6 0 为编程工具，依赖o p c n g l 程序库 做支持，实现本课题的系统。 c + + 是面向对象的程序设计语言，面向对象技术以其独特的封装性、继承性和多态 性为软件工程带来了一场变革。同传统的软件开发方法相比，面向对象技术可以更直观 沈阳理工大学硕士学位论文 地进行对现实世界的抽象，使软件工程的分析、设计和编程等几个阶段的衔接更加自然 和平滑，因此，更符合软件开发的规律，使软件开发更加规范化，大大提高了软件的可 继承性、可靠性、可维护性和可扩充性。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司的重要产品d e v e l o p e rs t u d i o 工具集的重要组成部分。 它用来在w i n d o w s 环境下开发应用程序，是一种功能强大、行之有效的可视化编程工 具。v i s u a lc + + 以可视化技术为基础，以c + + 语言为蓝本，以众多的集成开发工具为骨 架，在计算机领域的诸多方面都发挥着重要的作用。 o p e n g l 是一个w i n 3 2 内部的应用程序编程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e f f a c e ，简称a p i ) 。从本质上说，o p e n g l 是完全可移植并且速度很快的3 d 图形和 建模库。由于具有体系结构简单合理、使用方便、与操作平台无关等优点，o p e n g l 已 经成为一种3 d 图形接口的工业标准，并能够在各种平台上实现。 第2 章工程图预处理 第2 章工程图预处理 2 1d x f 文件格式 d x f ( d a t ae x c h a n g ef o r m a t ) 文件是著名的工程辅助设计软件a u t o c a d 提供的一种 与其它软件进行图形数据交换的文件格式。a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 系统是在微机上 应用范围最广的一类c a d 系统，它有很强的图形处理和工程计算能力。a u t o c a d 图形 数据库d w g 是以十分紧缩的格式存储的，且其内码是不公开的，对一般用户程序来说， 很难直接读出，为便于数据交换，为此a u t o c a d 又提供了数据交换文件d x f 。d x f 文件包含了a u t o c a d 图形文件的所有内容，它可以被程序员读懂或简单的机器程序读 取。 目前，d x f 文件格式已不仅仅是a u t o c a d 与其它应用程序交换图形信息的格式， 而几乎所有的图形处理软件都提供d x f 文件格式的输入与输出接口，d x f 文件格式现 已成为事实上的图形数据信息交换文件的标准格式，广泛应用于从工作站至微机的各种 图形环境1 1 2 1 。 因此本课题的研究是基于d x f 文件格式的数据提取的。获得d x f 文件的方式有两 种：( 1 ) - 维工程图经扫描仪得到光栅图像，再经过矢量化后以d x f 文件格式存储；( 2 ) 绘图软件绘制的图形直接采用d x f 文件格式存储。 下面介绍一下d x f 文件的基本知识。 2 1 1d x f 文件的总体结构 从本质上说，d x f 文件由许多称为“组”的小单元组成。每个“组 单元包含组码 ( g r o u pc o d e s ) 和组值( g r o u pv a l u e ) 两个组元素，并且每个组元素在d x f 文件中各 占一行，每组均以组码作为该组的简称。如组码为1 的组称为1 组，组码为5 0 的组称 为5 0 组。多个组构成了d x f 文件中的一个节( s e 叩o n ) ，d x f 文件包括h e a d e r 节、c l a s s 节、b l o c k 节、e n t l t y 节、o b j e c t 节等，每个节均以组值为字符串 沈阳理工大学硕士学位论文 s e c t i o n 的o 组开始，随后的组值为节名( 如h e a d e r ) 的2 组以及组成节的其他各 个组，最后以组值为字符串e n d s e c 的o 组结束该节。所有节都结束后，d x f 文件以 组值为e o f ( e n do ff i l e ) 的o 组作为文件的结束标志，多个节构成一个d x f 文件， 各节的含义如下： ，( 1 ) h e a d e r 节( 标题节)该节包含图形文件的一般信息，如a u t o c a d 数据库 的版本号和大量的系统变量，并且每个参数包含一个变量名和变量值。 ( 2 ) c l a s s e s 节( 类节)该节包含系统定义的类信息，这些类的实例可以出现在 图块节( b l o c k s ) 、实体节( d 盯r 朋巳s ) 、对象节( o b j e c r s ) 中，并且应保证类属 性永久不变。 ( 3 ) t a b l e s 节( 表节) 该节由9 个不同的子表构成，如表2 1 所示。 表2 1 构成t a b l e s 节的子表结构 序号子表说明 1a p p i d 应用程序表示符号表 2 b l o c k _ r e c o r d 图块参照表 3d i m s t y l e 尺寸样式符号表 4i a y 琶r 图层符号表 5唧p e线型符号表 6s 1 - e文字式样表 7u c s用户坐标系统表 8v i e w 视图符号表 9v p o r t 视口配置表 ( 4 ) b l o c k 节( 图块节) 该节包含图块的定义和构成图块的实体描述。 ( 5 ) e n t i t i e s 节( 实体节) 该节包含构成图形文件的所有实体和插入图形对象的块 引用。 ( 6 ) o b j e c t s ( 对象节) 该节包含组成图形文件的非图形对象( 实体、符号表记录 和符号表除外) ，并将这些非图形对象保存到该节中。 第2 章工程图预处理 ( 7 ) 删m b n a i ，i m a g e 节( 图形预览节) 该节为可选项，用于包含d x f 文件的 预览图形。： l 、 2 1 2d x f 文件的一般样式 d x f 文件的文件格式如表2 2 所示： 表2 2 d x f 文件的格式 标题节 类节 表节 块节 实体节 对象节 预览图形节 2 1 3 组码和组值的对应关系 d x f 文件是由称为节的元素组成的，而节又是由组码和组值两个元素组成的。组 码和其相应的组值表示对象和实体的某种特性，组值位于组码的下面一行，其数值类型 可以为字符型、整形或浮点型。 组码范围和组值类型的对应关系如表2 3 示： 表2 3 组码范围和组值类型对应关系 组码范围组值类型 o 一9 字符串 1 0 一5 9 双精度型三维坐标点 6 0 一7 9 1 6 位整数值 9 0 9 93 2 位整数值 1 字符串 沈阳理工大学硕士学位论文 1 0 2 字符串 1 0 5字符串( 用十六进制表示) 1 4 ( 卜1 4 7 双精度标量浮点值 1 7 0 1 7 51 6 位整数值 2 8 0 一2 8 98 位整数值 3 0 0 一3 0 9任意文本字符串 3 1 0 一3 1 9 字符串( 用0 , 1 表示的十六进制数) 3 2 0 3 2 9 字符串( 用十六进制表示) 3 3 0 3 6 9代表六角形对象的标识符字符串 3 7 0 - - 3 7 98 位整数值 3 8 0 3 8 9 8 位整数值 3 9 0 3 9 91 6 进制句柄值 4 i 一4 0 91 6 位整数值 4 1 0 - - 4 1 9 字符串 9 9 9注释字符串 1 0 0 0 1 0 0 9字符串 1 0 1 0 一1 0 5 9 浮点值 1 0 6 0 1 0 7 01 6 位整数值 1 0 7 1 3 2 位整数值 2 2 图形实体元素的读取 读取d x f 文件算法描述如下： ( 1 ) 以只读方式打开一个d x f 文件： ( 2 ) 从文件第一行开始，若组值不为“e n d s e c ，则利用函数f s c a n f0 扫描该d x f 文件，获取组码和相应的组值； ( 3 ) 如果组码为“0 ，同时相应的组值为“l i n e ，则执行直线读取函数( 直线读 第2 章工程图预处理 取算法详见2 2 1 ) ； ( 4 ) 如果组码为“o ， 算法详见2 2 2 ) ； 、 ( 5 ) 如果组码为“o ， 取算法详见2 2 3 ) ； 同时相应的组值为“c i r c l e 一，则执行圆读取函数( 圆读取 同时相应的组值为“a r c ，则执行圆弧读取函数( 圆弧读 ( 6 ) 如果组码为“0 ，同时相应的组值为“d i m e n s i o n ，则执行标注读取函数( 标 注读取算法详见2 2 4 ) ； 在d x f 文件中，每个实体都有各自的专用组码，下面对最常见的几种实体( 直线、 圆、圆弧) 加以介绍。 2 2 1l i n e ( 直线) 的存储格式及读取算法 表2 4d x f 文件中直线存储格式 组码说明 1 子类标记( a c i ) c i r c l e ) 3 9 厚度( 可选项，默认值为o ) 1 0w c s 中的起点 d x f 中x 值，a p p 中三维点 2 0 ，3 0 w c s 中d x f 中起点的y 、z 值 1 1 w c s 中的端点 d x f 中x 值，a p p 中三维点 2 1 ，3 lw c s 中d x f 中端点的y 、z 值 2 1 0 拉伸方向( 可选项，默认值为o ，o ，1 ) 2 2 0 ，2 3 0 d x f 中拉伸方向的y 、z 值 直线读取算法描述如下： ( 1 ) 定义新直线节点n e w n o d e ； ( 2 ) 读取组码值，若组码值为1 0 ，获取直线起点x 坐标值并存储； ( 3 ) 读取组码值，若组码值为2 0 ，获取直线起点y 坐标值并存储； 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 读取组码值，若组码值为1 1 ，获取直线终点z 坐标值并存储； ( 5 ) 读取组码值，若组码值为2 1 ，获取直线终点) ，坐标值并存储； ( 6 ) 根据直线起始点坐标确定直线的工、y 最值以及直线的长度，将这些值赋给 n e w n o d e 的相应域值； 将新直线节点插入直线链中。 2 2 2c i r c l e ( 圆) 的存储格式及读取算法 表2 5d x f 文件中圆存储格式 组码 说明 1 0 0 子类标记( a c d b c i r c l e ) 3 9 厚度( 可选项，默认值为o ) 1 0o c s 中的圆的中心点 d x f 文件中指x 坐标值，a p p 应用程序中指三维坐标点 2 0 ，3 0o c s 中d x f 文件中圆中心点的y 、z 值 4 0 半径 2 1 0拉伸方向( 可选项，默认为o ) d x f 文件中指x 坐标值，a p p 应用程序中指三维矢量 2 2 0 d x f 文件中拉伸方向的y 、z 值 圆读取算法描述如下： ( 1 ) 定义新圆节点n e w n o d e c ； ( 2 ) 读取组码值，若组码值为1 0 ，获取圆心z 坐标值并存储； ( 3 ) 读取组码值，若组码值为2 0 ，获取圆心) ，坐标值并存储； ( 4 ) 读取组码值，若组码值为4 0 ，获取圆半径值并存储； ( 5 ) 根据圆心坐标以及圆半径确定圆的x 、y 的最值并将这些值赋给n e w n o d e c 的相 应域； 第2 章工程图预处理 将新圆节点插入圆链中。 2 2 3a r c ( 圆弧) 的存储格式及读取算法 表2 6 d x f 文件中圆弧存储格式 组码说明 1 0 0子类标志( a c d b c i r c l e ) 3 9 厚度( 可选项，默认值为o ) 1 00 c s 中的中心点 d x f 文件中指x 坐标值，a p p 应用程序中指三维坐标点 2 0 ，3 0o c s 中d x f 文件中中心点的y 、z 值 4 0半径 1 子类标志( a c d b a r c ) 5 0起始角 5 1 终止角 2 l o 拉伸方向( 可选项，默认值为0 , 0 ，1 ) d x f 文件中指x 坐标值，a p p 应用程序中指三维矢量 2 2 0 d x f 文件中拉伸方向的y 、z 值 圆弧读取算法描述如下： ( 1 ) 定义新圆弧节点n e w n o d e a ： ( 2 ) 读取组码值，若组码值为1 0 ，获取圆弧所在圆圆心工坐标值并存储； ( 3 ) 读取组码值，若组码值为2 0 ，获取圆弧所在圆圆心y 坐标值并存储； ( 4 ) 读取组码值，若组码值为4 0 ，获取圆弧所在圆半径长度并存储； ( 5 ) 读取组码值，若组码值为5 0 ，获取圆弧起始角度并存储； ( 6 ) 读取组码值，如果组码值为5 1 ，获取圆弧终止角度并存储； 根据圆心坐标、圆半径、圆弧起始角度以及圆弧终止角度，确定圆弧的工、y 的最值并将这些值赋给n e w n o d e a 的相应域； 沈阳理工大学硕士学位论文 将新圆弧节点插入圆弧链中。 2 2 4d i m e n s i o n ( 标注) 本文读取了线性标注，直径标注以及半径标注。由于d x f 文件是先记录所有图元 信息，再记录所有标注信息，在记录标注信息时，还会再次记录所标注图元的类型以及 位置信息。所以可以先读取所有图元信息，形成图元信息链，再读取所有标注信息，并 通过匹配对各个图元进行标注。 标注读取算法描述如下： ( 1 ) 定义一个整型变量舻，用于判断标注类型： ( 2 ) 读取组码值，如果组码值为1 或4 2 则组值为标注长度，获得标注长度； ( 3 ) 读取组码值，如果组码值为1 0 0 同时组值为a c d b a l i g n e d d i m e n s i o n ，说明标注 为线性标注，将矽值定为1 ；如果组码值为1 0 0 同时组值为a c d b r a d i a l d i m e n s i o n ，说 明标注为半径标注，将舻值定为2 ；如果组码值为1 0 0 同时组值为 a c d b d i a m e t r i c d i m e n s i o n ，说明标注为直径标注，将值定为3 ； ( 4 ) 如果舻= 1 ，读取组码值。如果组码值为1 3 ，获取直线第一点x 坐标值；如果组 值为2 3 ，获取直线第一点y 坐标值；如果组码值为1 4 ，获取直线第二点x 坐标值；如 果组值为2 4 ，获取直线第二点y 坐标值；遍历直线链表，找到与已确定的坐标值相匹 配的直线，并将标注长度赋给该直线的长度值l e n g t h ； ( 5 ) 如果t p = 2 ，读取组码值，如果组码值为1 5 ，获取半径标注点z 坐标值；如果组 值为2 5 ，获取半径标注点，坐标值； 遍历圆链表，找到与已确定的坐标值相匹配的圆( 标注点在该圆上) ，并将标注长 度赋给该圆的半径值，； ( 6 ) 如果t p = 3 ，读取组码值，如果组码值为1 5 ，获取直径标注点戈坐标值；如果组 值为2 5 ，获取直径标注点y 坐标值；遍历圆链表，找到与已确定的坐标值相匹配的圆 ( 标注点在该圆上) ，并将标注长度的一半赋给该圆的半径值，。 第2 章工程图预处理 2 3 视图分离 互 工 y 1 v 2 - 口。口 1 口气 r r 图2 1 三视图的形成及视图间的坐标对应关系 y 基于工程视图的三维重建技术就是研究如何利用二维投影视图，由计算机自动构 造、直观描述空间形体。国内外的研究工作者对此进行了大量的研究协蜘，提出了许 多有见解的算法和方法。在这些研究中，都假定作为被处理的原始输入图形必须满足如 图2 1 所示的空间坐标对应形式，其中各视图的布局已经确定，并且视图间的坐标与目 标形体的空间投影坐标系的相互对应关系已经明确的建立。三维重建的基本出发点就是 空间点应满足以下坐标对应关系： 4 v ) - x ) y 哆) 宣y 哆) ( 2 - 1 ) lz 杪) 一z ( w ) 式c 1 ) 中：( x ( 功，z ( 功) ，( x ( 印，y ( - ) ) f f l ( y ( w ) ，z ( ) ) 分别为空间点在主视图取俯视 图日和侧视图形上的投影坐标。 然而d x f 文件中的所有视图图形都是在一个统一的坐标系下描述的，各视图的坐 标与空间投影坐标之间并无明确的对应关系，各视图图形的几何数据是孤立的、无联系 的，因而在重建过程中，需首先将图2 2 所示的图形坐标转换成图2 3 所示的坐标形式， 作为重建工作的基础。国内外研究者相继提出许多算法来解决这个坐标转换过程，但都 过于繁琐。本文根据d x f 文件的特点，通过遍历各链表并比较图元的x ，y 坐标极值， 确定空间投影坐标系原点，并以此为依据来完成坐标转换。这种算法效率较高，可以准 确地划分视图并进行坐标转换。 在建立视图间的空间投影坐标对应关系之前，首先需要对整个图纸进行视图的分离 处理【1 6 ，1 7 1 ，即把整个图纸中的内容按其三视图的归属分成相应的3 个区域，每个区域对 沈阳理工大学硕士学位论文 应一个视图。在这个转化过程中最重要的是要确定空间投影坐标轴的原点0 ，如图2 3 所示。 y 2 4 坐标转换 图2 2 原始图形坐标系 图2 3 空间投影坐标系 2 4 1 确定空间投影坐标轴原点 确定空间投影坐标轴原点的算法描述如下： ( 1 ) 遍历各链，通过比较，选取最小y 值点( 整个图形的左下角) ，最大z 值( 整个 图形的右上角) ，最大y 值同时又是最小z 值点( 整个图形的左上角) ； ( 2 ) 分别以选取的各点为起点，遍历各链，找到该点对应视图中最接近空间投影坐 标原点的点，如图2 2 所示： ( 3 ) 确定空间投影坐标轴原点：图2 3 中的3 个矩形区域分别为各视图图形的凸包 矩形，假定视图y 和之间以及y 和日之间分别是严格对齐的，那么只要所选的投影 原点坐标能够满足l = m 即可。根据工程制图的习惯，通常以具有最短距离的两个视图 为基准，设置投影原点d ( 口，6 ) 的位置( 其中a 为点o 在原始图形坐标系中的横