（机械设计及理论专业论文）基于几何约束的回转体三维重建方法的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于几何约束的回转体三维重建方法的研究 摘要 基于二维视图的三维形体的重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中一 个重要的研究课题。多年来，有很多研究人员针对该课题做了大量的研究工作，并 取得了不少研究成果。但迄今为止，仍没有一种方法可以解决所有的由二维视图到 三维形体的重建问题，主要原因是由于每种重建方法都存在着一定的局限性，其表 现为： ( 1 ) 三维重建方法中涉及到的形体的覆盖域非常有限： ( 2 ) 重建过程中对出现形体多解时的判别较复杂； ( 3 ) 形体特征的识别过程较长，即三维重建时间达不到要求。 基于上述原因，研究人员仍在不断的努力去寻求一种快速有效且通用性强的方 法，以解决由二维视图到三维形体的重建问题。目前，对空间任意位置回转体，特 别是对任意位置复合回转体的三维重建依然是三维重建研究中尚未解决的一个瓶颈 问题。在查阅大量资料及对三维重建算法进行深入分析和研究的基础上，本文提出 了一种新的三维重建方法：基于几何约束的回转体三维重建。该方法通过对二维图 形的d x f 图形数据的结构分析，获取了相关的二维图形信息，再对构成二维图形的 图元进行识别和分类，进而建立起回转体之间的几何约束关系几何约束图。 几何约束求解的方法是根据二维视图的投影规则，制定出基于几何约束求解的 回转体三维重建的识别规则和过程，从体的角度，同时结合二维图元信息进行三维 几何约束的识别。由于本方法充分利用了d x f 文件提供的图形数据，避免了大量的 数学运算，能够实现对二维视图进行自动识别，使三维重建的识别难度降低，既有 效地提高了算法的运行效率又扩大了算法的形体覆盖域。 利用三维约束形体布尔运算的重建方法，在a u t o c a d 的v b a 环境中进行三维 重建，使重建的结果易于在后续研究和实验中广泛深入地应用。 关键词：三维重建；几何约束求解；回转体；二维视图 i i 东北天学硕士学位论文 3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o dr e s e a r c hf o r r e v o l v i n go b j e c t sb a s e do ng e o m e t r i c c o n s t r a i n t a b s t r a c t t h e3 do b j e c tr e c o n s t r u c t i o nb a s e do n2 dd r a w i n gi so n eo f t h ei m p o r t a n tp r o b l e m s i nc o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dc o m p u t e rg r a p h i c sf i e l d al o to fr e s e a r c h e r sh a v ed o n e m u c hw o r kf o rt h et o p i ca n dh a v eo b t a i n e dn o taf e wr e s e a r c hr e s u l t sf o rm a n yy e a r s b u t u pt ot h ep r e s e n t ，t h e r es t i l lh a v en o ty e tf o u n do u tak i n do fm e t h o di ng e n e r a lu s et o r e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h er e c o n s t r u c t i o nf r o m2 dt o3 d t h em a i nr e a s o ni se a c h r e c o n s t r u c t i o nm e t h o ds t i l le x i s tc e r t a i nl i m i t s ，t h el i m i t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o v e r e dr a n g eo f t h eo b j e c tt h a ti n3 d r e c o n s t r u c t i o ni sl i m i t e d ； ( 2 ) t h ed i s c r e t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e dw h e ni nr e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ； ( 3 ) t h ei d e n t i f i e dp r o c e s so ft h eb o d yc h a r a c t e r i s t i c i s l o n g e r , t h a t i st h e r e c o n s t r u c t i o nt i m ec o u l dn o ta t t a i nt h ea p p l i e dr e q u e s t a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e dr e a s o n ，t h er e s e a r c h e r ss t i l li ne f f o r tt of i n do u ta k i n do fm e t h o di ng e n e r a lu s et or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h er e c o n s t r u c t i o nf r o m2 dt o 3 d c u r r e n t l y , t h e3 dr e c o n s t r u c t i o no ft h er e v o l v i n go b j e c t sw h i c hi nt h ea r b i t r a r i l y p o s i t i o nt ot h es p a c ee s p e c i a l l yi nt h ea r b i t r a r i l yp o s i t i o nf o rt h ec o m p o s i t er e v o l v i n g o b j e c ti sab o t t l e n e c kp r o b l e mt h a td i d n ty e tr e s o l v eu pt ot h ep r e s e n t t h r o u g hc h e c k a g r e a td e a lo fd a t u ma n dt h e s i s ，a n db a s e do nt h em a i nt h o u g h to ft h ep e o p l eo ft h ep a s t a n dt h ef o u n d a t i o no fi t sm e r i ta n ds h o r t c o m i n g s ：p u tf o r w a r dak i n do fn e w3 d r e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ：3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o dr e s e a r c hf o rr e v o l v i n go b j e c t sb a s e d o ng e o m e t r i cc o n s t r a i n t 。t h r o u 曲t h ea n a l y s i so ft h ed x fs k e t c hd a t ao f2 dd r a w i n g s ， h a v eo b t a i n e dt h er e l a t e dm e s s a g eo ft h e2 dd r a w i n g s ，b e s i d e s ，h a v ei d e n t i f i e da n d c a t e g o r i z e dt h em e s s a g eo ft h e2 dd r a w i n g s t h u sb u i l du pt h eg e o m e t r i cc o n s t r a i n t i i i - 东北大学硕士学位论文 r e l a t i o no fr e v o l v i n go b j e c t s 一一g e o m e t r i cc o n s t r a i n tg r a p h i c a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t i o nr u l eo ft h e2 dd r a w i n g s ，h a v ew o r k e o u tt h ei d e n t i f y i n g r u l ea n dp r o c e s so ft h e3 dr e c o n s t r u c t i o no fr e v o l v i n go b j e c t s f r o mt h ea n g l eo ft h e b o d ya n dc o m b i n e dt h em e s s a g eo f2 dd r a w i n g st oi d e n t i f yt h e3 dg e o m e t r i cc o n s t r a i n t s b e c a u s et h em e t h o dm a k eu s eo ft h es k e t c hd a t at h a td x f p r o v i d e ，i ta v o i d sag r e a td e a l o fm a t h e m a t i c so p e r a t i o na n dc o u l dc a r r yo u tt h ea u t o si d e n t i f i e dt h e2 dd r a w i n g s i t l o w e r st h ei d e n t i f yd i f f i c u l t yo ft h e3 dr e c o n s t r u c t i o n ，r a i s e st h em o v e m e n te f f i c i e n c yo f t h em e t h o da n de x t e n d st h ec o v e r e dr a n g eo ft h eb o d yt h a ti n3 dr e c o n s t r u c t i o n m a k eu s eo ft h er e c o n s t r u c t i o no f3 dc o n s t r a i n tb o o l e a nm e t h o da n dc a r r yo nt h e 3 dr e c o n s t r u c t i o ni na u t o c a de n v i r o n m e n to fv b a ，t h er e s u l to ft h e3 dr e c o n s t r u c “o n i se a s yt oa p p l i e di nt h ef o l l o w u pr e s e a r c ha n de x p e r i m e n te x t e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l y k e yw o r d s ：3 dr e c o n s t r u c t i o n ；g e o m e t r i cc o n s t r a i n t ；2 dd r a w i n g s ；r e v o l v i n go b j e c t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：鹰胡 日期：加g 、7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 三维重建技术的现状及发展趋势 在三维重建技术的研究领域中，其中计算机视觉理论中目标的三维重建技术、 医学中的三维重建技术和二维视图的三维重建技术是人们研究的热点。 在计算机视觉理论f 2 1 的研究中，目标的三维重建一直是非常重要的研究课题 之一。在欧氏几何意义下的重建，所用的坐标系是直角坐标系，获取的是目标的三 维直角坐标，但这种方法需要己知投影矩阵，这涉及复杂的摄像机的定标问题p l 。 在计算机视觉中，三维空间点和二维投影图像之间存在一种变换关系，而这种关系 是由摄像机的成像几何模型来决定的，确定模型参数的过程就叫摄像机定标。对摄 像机系统进行定标以后就能从摄像机拍摄的二维图像出发，计算三维物体的位置、 形状等几何信息，进而实现欧氏几何下的三维重建。静态的定标方法是用匹配和运 动信息得出摄像机的内部参数。有关问题己经有了比较成熟的方法和结论1 4 】。 医学的三维重建【5 】是从1 9 8 0 年以来，以c t 研究领域最为活跃。所谓医学三维 重建指的是利用面阵探测器【6 j 在样品上，按一定的扫描方式，在运动过程中一次获 得的面阵投影数据，再根据一定的算法直接重建出多个切片的c t 图形或者得到被 检测样品的三维体数据。使用计算机断层扫描技术、核磁共振成像技术等获得的一 系列二维图像为原始数据重建出来的三维医学图像为现代医学提供了一个很有价值 的工具。它广泛的应用于临床诊断、治疗计划、实体测量以及辅助教育等方面。 基于二维视图的三维形体重建技术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，随着计算机技术，特别是c a d c a m c g 技术的不断发展，人们 愈来愈关注三维重建技术的研究，即如何由计算机来自动识别和处理二维视图，最 后构造出与二维视图相对应的空间三维形体。自2 0 世纪6 0 年代，尤其是自i d e s a w a 【7 】 于7 0 年代首次发表关于由三视图重建立体图的论文以来，三维重建技术这一课题的 研究受到了普遍重视，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 a m 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。 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 基于二维视图的三维形体重建技术的研究至今已有三十多年的历史，当中提出 了许多各有特色的算法。主要有以下几种算法： ( 1 ) 自底向上法【7 】_ 【1 2 】 最早由i d e s a w a 提出，其主要思想是由二维的顶点生成三维顶点，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，能够识别的实体种类也较多，特别是对于复 杂的多面体，这类算法是艇决多解和病态解相对较好的方法。 ( 2 ) 模型引导方法。 1 7 】 模型引导方法是参照c s g 的造型思想，认为一个零件是由有限的几个基本体通 过并交差组合而成的。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进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【1 8 】。【2 0 1 y o s h j u r a 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，晟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【2 1 】- 【2 3 】 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。 一2 一 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 ( 5 ) 基于视觉认知机制的重建方法【2 4 【2 5 1 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。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 基元合并成最后的结果实体。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，使得结果实体与人的理解结果更加一致。 面向二维视图的三维重建技术的研究，经过三十多年的研究，总体进展不大， 目前的算法能够重建的形体范围仍然有限，而且对视图图形的要求基本上都是直线、 圆和圆弧。多数算法仅能重建多面体，只有少数扩展到有限的回转体，而且要求曲 面体的轴线与某一坐标轴或投影面平行。这些限制将大量具有曲面相贯或具有非圆 弧曲线投影的形体，甚至是常见形体排除在外，使算法的实用性受到了很大的制约。 之所蛆如此，是因为多面体与曲面体的投影效果不一样。 国外在三维重建方面研究最多的国家属日本，其次是美国和英国。发达国家起 步较早，研究的也比较深入。国内浙江大学c a d 与计算机图形学国家重点实验室 的高玮、彭群生的基于二维视图特征的三维重建；清华大学国家c a d 工程中心的 刘世霞、胡事民、汪国平、孙家广的基于三视图的三维形体重建技术等，也都分别 从不同方向对三维重建问题进行了研究，并取得了一定的成果。 综上所述，国外在此方向上的研究起步较早，也取得了很多成果。但国内在二 维图形的三维重建问题上的研究还不是很多，其应用也受到了限制。面对现代化生 产的快速发展和需要，在此方向上的研究显得十分必要。三维熏建不仅在飞机、汽 车、舰船制造业以及建筑业、轻工产品等方面有着很大的应用价值，它能够减少设 计费用和缩短设计周期，并会创造出大的经济效益；而且，对现有人工智能化发展 有决定性作用。 1 2 三维重建的研究价值 近年来三维建模技术迅速发展，使用计算机直接设计三维模型终将成为主流。 然而二维图纸仍是设计人员一种方便准确的表达方式，基于二维视图进行三维重建 仍是目前非常有意义的一项研究：一方面可以保留历史遗留的创作成果，另外也是 快速建模的有效途径【2 6 j 。 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 三维重建在c a d c a m 中的应用 尽管随着计算机图形学、几何造型及相关领域的技术不断发展，许多具有造型 功能的商品软件相继出现，但是目前在工程领域，尤其是在逆向工程以及计算机辅 助设计与制造中，三维重建技术的研究仍具有相当高的理论和实用价值，其主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 工程图纸到c a d c a m 三维模型的转化； ( 2 ) c a d i c a m 系统的图形输入i ( 3 ) c a d c a m 系统中不同层次模型之间的转换。 1 2 2 三维重建在人工智能领域中的应用 三维重建是一个模拟人工读图的过程，涉及到机器理解和推理问题。在基于二 维视图的三维重建中，由于二维信息与空间信息是“一对多”的关系，不同于基于 单个投影视图的线图解释，它必须符台工程制图的投影规则，重建结果必须满足许 多隐式和显式约束条件，因此对视图的解释过程更加复杂。如何充分、准确、合理 地解释工程视图信息为机器理解和推理提供了新的课题。 在智能装配机器人的研究中，三维重建技术在积木世界为机器人装配作业提供 了由三视图提示的目标理解功能，从而为机器人视觉提供了一种目标理解方法。 1 2 _ 3 三维重建在教学中的应用 三维重建技术可应用于工程图学的教学实践中，训练和强化学生的空间思维能 力和读图能力，是工程图形教学的一种有效的辅助手段。 1 3 存在的问题和研究目的 2 7 基于二维视图的三维形体重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中一个 重要的研究课题。目前对该问题的研究已取得了相当大的进展，但尚不完善。该研 究中存在的主要问题如下： f 1 1 形体的覆盖域非常有跟。能够重建的形体主要限于多面体、圆柱体、圆锥 体与球体等，对于平面和圆柱体相截、圆柱体与圆柱体互贯的方式有严格的限制。 这是三维重建算法研究至今还难以到达实际应用的主要障碍。另外，机械零件甲常 这是三维重建算法研究至今还难以到达实际应用的主要障碍。另外，机械零件甲常 - 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 三维重建在c a d c a m 中的应用 尽管随着计算机图形学、几何造型及相关领域的技术不断发展，许多具有造型 功能的商品软件相继出现，但是目前在工程领域，尤其是在逆向工程以及计算机辅 助设计与制造中，三维重建技术的研究仍具有相当高的理论和实用价值，其主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 工程图纸到c a d c a m 三维模型的转化； ( 2 ) c a d c a m 系统的图形输入； ( 3 1c a d c a m 系统中不同层次模型之间的转换。 1 2 2 三维重建在人工智能领域中的应用 三维重建是一个模拟人工读图的过程，涉及到机器理解和推理问题。在基于二 维视图的三维重建中，由于二维信息与空间信息是“一对多”的关系，不同于基于 单个投影视图的线图解释，它必须符合工程制图的投影规则，重建结果必须满足许 多隐式和显式约束条件，因此对视图的解释过程更加复杂。如何充分、准确、合理 地解释工程视图信息为机器理解和推理提供了新的课题。 在智能装配机器人的研究中，三维重建技术在积木世界为机器人装配作业提供 了由三视图提示的目标理解功能，从而为机器人视觉提供了一种目标理解方法。 1 2 3 三维重建在教学中的应用 三维重建技术可应用于工程图学的教学实践中，训练和强化学生的空间思维能 力和读图能力，是工程图形教学的一种有效的辅助手段。 1 3 存在的问题和研究目的【2 7 】 基于二维视图的三维形体重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中一个 重要的研究课题。目前对该问题的研究已取得了相当大的进展，但尚不完善。该研 究中存在的主要问题如下： ( 1 ) 形体的覆盖域非常有限。能够重建的形体主要限于多面体、圆柱体、圆锥 体与球体等，对于平面和圆柱体相截、圆柱体与圆柱体互贯的方式有严格的限制。 这是三维重建算法研究至今还难以到达实际应用的主要障碍。另外，机械零件中常 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 见的一些结构，如内圆角、外圆角的光滑过渡等，其曲面形式复杂，难以用解析形 式来表达，给重建工作造成较大的困难。 ( 2 ) 多解性的判别以及重建时间能否达到应用要求。从某一给定的视线方向观 察三维形体，有些点或有些线段可能是重合的，它们在投影平面上的投影就变为同 一点或同一线段。因此三视图和三维形体之间的对应关系并不总是一一对应的，导 致了三维重建过程中可能会产生多个满足三视图的解，这就是三维重建中的多解问 题。如果在重建过程中生成了多个基元形体，那么重建的三维形体可能不止一个， 基元形体所有组合形式中符合输入的三视图的形体都可能是重建算法的一个解。从 基元形体的组合中挑选出符合三视图的三维形体是一个n p 完全问题。如果重建算法 生成了n 个基元形体，那么应该有( 2 “1 ) 种组合形式，而计算和检验所有基元形 体的组合是十分费时的。因此重建算法的速度还没有达到实际应用的要求。这是三 维重建算法研究至今还难以到达实际应用的另一个主要的原因。 f 3 ) 错误视图的理解。在机械设计中，视图中有可能出现主观错误。常见的错 误形式一般表现为视图中存在矛盾线条和视图中缺漏线条。这就需要三维形体重建 系统具有一定的容错能力，能够剔除多余线条，增补视图中缺少的线条。但目前绝 大多数重建算法不具有容错能力，只有少数算法初步讨论了一些方案。 该研究工作的主要目的是减少重建过程的处理时间，扩大形体的覆盖域，并使 输入的二维视图中可以包含任意位置的直线段和圆锥曲线。 1 4 本课题的任务及研究内容 1 4 1 本课题的任务 本课题的主要工作任务有两个方面：二维图形几何约束识别和三维重建。 二维图形几何约束识别是针对二维三视图，首先提取d x f 文件中有用的图元信 息并进行分类，然后进行视图分离，确定主视图、俯视图和左视图，最后对各视图 内的图形进行识别，确定出构成基本体素的图元及其数据信息。 三维重建是根据机械制图中“长对正，高平齐，宽相等”的对应原则，对基本 体素进行三视图的匹配，进而根据匹配后所获得的三维数据及约束信息，用一定的 实体造型技术将三维形体重建出来。 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 本课题的研究内容 本课题所研究的三维重建是基于几何约束的回转体三维重建，是在基于 a u t o c a d 2 0 0 4 平台下开发的。本课题之所以选择在基于a u t o c a d 图形平台下研究 三维重建方法，是因为a u t o c a d 作为通用绘图软件，具有功能强、适应性广等特 点，是目前p c 系列微机上最为广泛流行的绘图支撑软件包。而且在我国的c a d 应 用工程中，国内不少工厂和科研院所大都选用的c a d 系统是a u t o c a d 的系列版本。 正是因为如此多的用户使用它，使得它的数据交换文件d x f 文件成为了事实上的标 准。此次本研究方法的开发正是在基于d x f 文件的基础上来提取二维数据信息的。 基于二维视图的特点，本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 三维重建研究方法的总体结构与实施方案。介绍三维重建研究方法的基本 框架、开发平台、开发工具、编程接口。 ( 2 ) 提取数据、图形分离及坐标变换。提出从二维图形的d x f 文件中提取数据、 视图分离、投影坐标系的建立的实现方法。 ( 3 ) 算法分析。提出- - e e 新的算法：基于几何约束的回转体三维重建。从约束 关系入手，借助于投影之间的约束关系来完成对复合回转体的识别，将相关联的复 合回转体分解为相对独立的几个基本形体，从而转化为对基本形体约束关系的识别。 1 5 本课题的几个假定 针对本课题的研究，提出几个假定： ( 1 ) 研究的回转体仅限于圆柱体，圆锥体和球体； ( 2 ) 二维图形符合国家制图标准； ( 3 ) 二维图形仅跟于基本三视图，不包含剖视图的情况； ( 4 ) 二维图形中没有辅助图元( 如尺寸标注、各种文字信息等) ； ( 5 ) 两回转体相交时，回转体的直径应小于另一回转体的高度，且与其完全 相贯。如图1 1 所示。 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 两相交回转体的三视图 f i g t 1 t h e t h r e e v i e w s o f t h e t w o i n t e r s e c t e dr e v o l v i n g o b j e c t s 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件 2 ，1 三维重建方法的研究结构 简介 基于几何约束的回转体三维重建的研究与实现过程( 如图2 1 ) 包括输入二维视 图、提取数据、图形分离及坐标变换、算法分析、三维重建五部分，其中提取数据、 图形分离及坐标变换和算法分析是实现回转体三维重建的关键a 图2 1 三维重建的研究结构 f i g 2 1t h es t u d ys t r u c t u r eo f3 dr e c o n s t r u c t i o n 提取数据、图形分离及坐标变换是基于几何约束的回转体三维重建研究方法的 一个重要的预处理环节。在提取数据、图形分离及坐标交换环节里包括以下几个步 骤： ( 1 ) 从d x f 文件中提取相关数据； ( 2 ) 区分三视图； ( 3 ) 建立投影坐标系。 基于几何约束的算法分析是实现回转体三维重建的核心部分，主导思想是首先 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 根据已知的二维图形信息，对图形中的图元进行位置信息的判断，再通过计算和分 析得到图形的形状约束和位置约束，进而确定图形所在的位置和相应的尺寸。 三维重建是指把识别出来的单个或者复合回转体通过布尔运算来进行立体重 构，得到立体图形，达到回转体三维重建的目的。 2 2 在c a d 平台上实现回转体的三维重建【2 8 】 2 2 1 利用v b a 创建应用程序 本课题以v b 为编辑器，以a u t o c a d 2 0 0 4 为图形支撑平台，用v b 开发a r x 程序，可以在一个集成环境下编辑、编译、连接和调试，避免了不同环境下的反复 切换。 2 2 2a u t o c a d 的二次开发 a u t o c a da e t i v e x 使用户能够从a u t o c a d 的内部或外部以编程方式来操作 a u t o c a d 。它是通过将a u t o c a d 对象显示到“外部世界”来做到这一点的。一旦 这些对象被显示，许多不同的编程语言和环境以及其他应用程序( 例如m i c r o s o f t w o r d v b a 或e x c e l v b a ) 就可以访问它们。 图2 2a e t i v e xa u t o m a t i o n 接口显示 f i g 2 2i n t e r f a c em a n i f e s t a t i o no fa e t i v e xa u t o m a t i o n 在a u t o c a d 中实现a c t i v e x 接口有两大优点： ( 1 ) 更多的编程环境可以编程访问a u t o c a d 图形。在a c t i v e x a u t o m a t i o n 出现 以前，开发人员只能使用a u t o l i s p 或c + + 接口。 ( 2 ) 与其他w i n d o w s 应用程序( 例如m i c r o s o f te x c e l 和w o r d ) 共享数据变得 一9 一 东北大学硕士学位论文 g = - 章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 更加容易。 对象是所有a c t i v e x 应用程序的主要构造块。每个显示的对象均精确代表一 个a u t o c a d 组件。a u t o c a d a c t i v e x 接口中有许多不同类型的对象。例如： ( 1 ) 直线、圆弧、文字和标注等图形对象都是对象。 ( 2 ) 线型与标注样式等样式设置都是对象。 ( 3 ) 图层、编组和块等组织结构都是对象。 ( 4 ) 视图与视口等图形显示都是对象。 ( 5 ) 甚至图形、a u t o c a d 应用程序本身也是对象。 m i c r o s o f tv b a 是一个面向对象的编程环境，可提供类似v i s u a lb a s i c ( v b ) 的 丰富开发功能。v b a 和v b 的主要差别是v b a 和a u t o c a d 在同一进程空间中运行， 提供的是具有a u t o c a d 智能的、非常快速的编程环境。 在a u t o c a d 中实现v b a 有四大优点： ( 1 ) v i s u a lb a s i c 编程环境易于学习和使用。 ( 2 ) v b a 可与a u t o c a d 在同一进程空间中运镭。这使程序执行得非常快。 ( 3 ) 对话框的构造快速而有效。这使开发人员可以构造原型应用程序并迅速收 到设计的反馈。 ( 4 ) 工程可以是独立的，也可以嵌入到图形中。这样就为开发人员提供了非常 灵活的方式来发布他们的应用程序。 v b a 通过a u t o c a da c t i v e xa u t o m a t i o n 接口将消息发送到a u t o c a d 。 a u t o c a d v b a 允许v b a 环境与a u t o c a d 同时运行，并通过a c t i v e x a u t o m a t i o n 接 口对a u t o c a d 进行编程控制。a u t o c a d 、a c t i v e xa u t o m a t i o n 和v b a 的这种结合 方式不仅为操作a u t o c a d 对象，而且为向其他应用程序发送或检索数据提供了功 能极为强大的接口。 以下是a u t o c a d 中定义a c t i v e x 和v b a 编程的三个基本元素。 第一个元素是a u t o c a d 本身，它拥有丰富的封装了a u t o c a d 圈元、数据和命 令的对象集。因为a u t o c a d 是一个设计为具有多层接口的开放架构应用程序，因 此熟悉a u t o c a d 编程功能对于有效使用v b a 来说是非常必要的。如果使用过 a u t o l i s p 编程来控制a u t o c a d ，就应该已经对a u t o c a d 的机制有了一定的了解。 然而，v b a 的基于对象的处理方式和a u t o l i s p 的方式却很不一样。 第二个元素是a u t o c a da c t i v e xa u t o m a t i o n 接口，它建立与a u t o c a d 对象的 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 消息传递( 通信) 。用v b a 编程需要对a c t i v e x a u t o m a t i o n 有基本的了解。即使是 有经验的v b 编程人员也会发现要理解和开发a u t o c a dv b a 应用程序，a u t o c a d a c t i v e x a u t o m a t i o n 接口是非常重要的。 第三个元素是v b a 编程环境o d e ) ，它具有自己的对象组、关键词和常量等， 能提供程序流、控制、调试和执行等功能。 此外，也存在一些依赖性和限制，如果在安装a u t o c a d 之后安装了、重新安 装了或卸载了m i c r o s o f to f f i c e 或其他v b a 应用程序，则需要重新安装a u t o c a d 并 重新启动系统。 a u t o c a da c t i v e x 和v b a 一起运行时，a u t o c a da c t i v e x v b a 接口表现出超 出其他a u t o c a da p i 环境的许多优点： ( 1 ) 速度：当与v b a 在同一进程空间中运行时，a c t i v e x 应用程序比其它开发 方式( 如a d s r x ，a d s 和l i s p ) 要提高许多，如图2 3 所示。 1 2 i 0 8 0 6 0 4 o 2 0 图2 3v b a 与其它开发方式的性能比较 f i g 2 3t h ec o m p a r i s o no f v b aa n do t h e rd e v e l o p m e n tw a y ( 2 ) 易于使用：其编程语言和开发环境易于使用，而且随a u t o c a d 安装。 ( 3 ) w i n d o w s 互操作性：a c t i v e x 和v b a 设计为与其他w i n d o w s 应用程序共同 使用，并为应用程序之间的信息交流提供了绝佳的途径。 ( 4 ) 快速原型：v b a 的快速界面开发为原型应用程序开发提供了一个优良的环 境，即使那些应用程序最终将用其他语言开发。 f 5 1 程序员基础：世界上有数百万的v i s u a l b a s i c 程序员。a u t o c a d a c t i v e x 和 1 l m掣藿盆u暑鼋 东北大学硕士学位论文 第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 v b a 技术为这些程序员以及将来更多的学习v i s u a lb a s i c 的人员打开了自定义 a u t o c a d 和开发a u t o c a d 应用程序的途径。 2 3c a d 软件接口一d x f 文件简介 2 9 1 2 3 1d x f 图形文件的结构 二维视图是最好的工程设计语言，特别在表达零件的制造信息，如尺寸精度、 粗糙度、形位公差等方面，具有非常直观、完整和准确的特点，因此广泛地被工程 界所采用。对于二维视图的处理和表达，每个c a d 系统都有自身的数据文件，数 据文件分为图形数据文件、几何模型文件和产品模型文件。数据文件的格式与每个 c a d 系统的内部数据模式密切相关，而每个c a d 系统内部的数据模式一般是不公 开的，并且是各不相同的。为了用户的方便使用，就有了数据交换文件3 0 1 这一概念。 本课题研究的二维视图接受图形中性文件d x f 的格式，这样就使前置接口具有普遍 意义。 d x f 是a u t o c a d 系统的图形数据文件，d x f 不是图形数据文件的标准，但由 于a u t o c a d 系统的普遍应用，使得d x f 已经成为事实上的数据交换标准。d x f 是 具有专门格式的a s c 兀码文本文件，它易于被其他程序处理，主要用于实现高级语 言编写的程序与a u t o c a d 系统间的连接，或与其它c a d 系统与a u t o c a d 系统间 交换图形文件。在a u t o c a d 图形编辑状态下，可以用d x f o u t 命令来生成它，也 可以用d x f i n 命令来输入它。 因为d x f 文件已经成为事实上的标准，因此无论国内还是国外软件商开发的 c a d 系统一般都设置有专门的接1 ：3 ，可以生成d x f 文件，实现不同之间的数据信 息的相互转换。因此本课题的研究是基于d x f 文件格式的数据提取。 2 3 2d x f 文件总体结构 一个完整的d x f 文件由六大段组成，它们是： ( 】) 标题段( h e a d e rs e c t i o n ) 此段包含图形的基本信息，它由一个a u t o c a d 数据库版本号和许多系统变量组 成。每个参数包括一个变量名及其组值。 ( 2 ) 类段( c l a s ss e c t i o n ) 一】2 一 东北大学硕士学位论文第二章三堆重建的结构、开发软件及接口文件简介 此段包含有关的应用程序定义类的信息，这些类的实例包含在b l o c k s 段， e n t i t i e s 段，o b j e c t s 段的数据库中。类定义在类的层次结构中是固定不变的。 ( 3 ) 表段( t a b l e ss e c t i o n ) 此段包含如下符号表的定义： a p p i d ( 应用程序标识表) b l o c kr e c o i m ( 块引用表) d i m s t y l e ( 尺寸标注式样表) l a y e r ( 图层表) l t y p e ( 线型表) s t y l e ( 文本样式表) u c s ( 用户坐标系表) v i e w ( 视图表) v p o r t ( 视口配置表) 这些表记录了当前图形编辑的支撑环境。 ( 4 ) 块段( b l o c k ss e c t i o n ) 此段记录了每一个块的定义，包括h a t c h 和d i m 块。记录了这些块的名字、 类型、基点及组成该块的所有成员，对每个成员的定义同实体段。 ( 5 ) 实体段( e n t i t i e ss e c t i o n ) 此段定义了每个实体的种类、所在图层名、颜色、线型、厚度、实体描述及有 关的几何数据。 f 6 ) 对象段( o b j e c t ss e c t i o n ) 此段包含图形中的非图形对象，所有那些非符号表的、符号表的和非图元的对 象都存储在此区域内。 2 3 3d x f 文件中组代码和组值 d x f 文件中的每一段又是由数个组构成的，每个组占两行。第一柠筠组代码， 它是一个非零的正整数，占三个字节，右对齐，相当于数据类型代码，每个组代码 的值由a u t o c a d 系统规定。第二行为跟随值，它所采用的格式取决于组代码制定 的组类型。组代码相当于数据名称的代码，跟随值是数据的具体值，二者结合起来 表示一个数据的含义和它的值。 一1 3 东北大学硕士学位论文第二章三维重建的结构、开发软件及接口文件简介 组代码既可以用来指出其对应组值的类型，也可以在文件各段中表示一定的含 义。组代码的具体功能取决于它在文件中所处的位置，是变量、表项、还是实体说 明。组代码的一般含义如下： 组代码 组代码的一般含义 0 标识一个事物的