CN102629391A

CN102629391A - 基于数字图形介质的三维空间结构图形切割及切片方法

Info

Publication number: CN102629391A
Application number: CN2012100477488A
Authority: CN
Inventors: 魏群; 张国新; 王宗敏; 王颖; 魏鲁双; 刘尚蔚; 叶晓枫; 孙凯; 惠延波; 张俊红
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-08-08

Abstract

本发明涉及一种基于数字图形介质的三维空间结构图形切割及切片方法；基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法按照从整体到局部，再从局部到单元的化整为零的方法进行三维空间结构图形切割；基于数字图形介质的三维空间结构图形切片方法分为工程详图剖面图的三维空间结构图形切片方法和用于快速成型的三维空间结构图形切片方法；本发明的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法是一种三维空间结构网格生成的方法，该方法可解决现有三维空间网格构建方法实现过程复杂化、整体效率不高、自动化程度低的问题；基于数字图形介质的三维空间结构图形切片方法简单有效、精度高。

Description

基于数字图形介质的三维空间结构图形切割及切片方法

（一）、技术领域：本发明涉及一种三维空间结构图形切割及切片方法，特别是涉及一种基于数字图形介质的三维空间结构图形切割及切片方法。

（二）、背景技术: 目前，三维空间结构的数值模拟主要采用连续介质计算方法（FEM）或非连续介质的数值计算方法（如DDA、EDM、NMM），由于计算方法解题过程精度控制的不同，对网格的要求也有所不同。传统的数值模拟网格构建一般采用直接建模方式，按照控制点－－控制线－－控制区域－－单元网格的过程来构建。但是，这种建模方式需要较高水平的人员，按照从单元到局部再到整体的方式，在网格剖分前需进行频繁的交互，寻求封闭区域和独立封闭空间等等。传统的从单元到局部再到整体的网格构建方式，使整个过程实现复杂化，同时容易生成畸形网格，存在整体建模效率不高、自动化程度低等问题。

现实世界的物体常常是三维的，即立体的，如工程设计中产品几何模型、实际景物的几何外观等等，用立体的图形去描述它们当然是最合适的了，三维建模技术的发展已经能够创建出满足要求的模型。但有时我们在描述和观察图形时却常常只能在二维介质中（即平面物体上）来进行，比如：工程图纸的剖面图等等。有时，我们也需要先将三维零件的一层层的二维截面轮廓信息获得，然后采用特定的工艺方法将原材料制成多个与截面形状相同的薄片，再逐层累加，直至生成三维零件的实体模型。在以上两种情况下，都需要进行三维模型的切片处理，即：情况1：在工程详图生成技术中进行切片处理，情况2：在快速成型技术中进行切片处理。

情况1中的切片处理主要是基于三维实体模型的投影变换处理或基于模板的处理，该方法对于处理剖切面问题以及自动标注问题很难解决。

情况2中的切片处理主要由两类方法：一类是基于STL数据模型的切片，STL数据格式因其格式简单，实现方便，已成为快速成型领域的工业标准。但它还存在许多缺点，如数据高度冗余、文件尺寸大、模型误差大等。另一类是基于CAD精确模型的直接切片，处理对象是来自CAD系统的三维精确模型，它不仅避免了STL文件的种种缺点，而且可提高表面精度和质量，但是，此类方法正处在研究设想之中，还没有形成成熟的技术。

因此，针对目前三维空间切片的应用，无疑需要一种更为简单、有效的三维空间结构的切片方法，以满足三维空间结构对于切片的应用需求。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供基于数字图形介质的三维空间结构图形切割及切片方法；其中的图形切割方法是一种三维空间结构网格生成的方法，该方法可解决现有三维空间网格构建方法实现过程复杂化、整体效率不高、自动化程度低的问题；其中的图形切片方法简单有效、精度高。

本发明的技术方案：

为了实现本发明目的，完成三维空间结构图形的切割和切片，首先要了解三维空间结构的数字图形介质模拟方法，该方法具体为（参见图1～图11）：在计算机虚拟空间里，用图形这一载体介质模拟自然界的物理实体的真实自然状态，根据计算机图形学方法，用图形表达自然界的物理实体的外观，该图形具有可视的外形、相应的角点、边、面和体的构造和拓扑关系，用数字化、参数化方式对图形进行语言描述，形成数字化图形，自然界的物理实体的几何属性和物理属性也一并存入数字化图形的图形元素之间，将数字化图形作为一种具有几何属性和物理属性的载体，数据附着于数字化图形，而数字化图形中又隐含有数据，同时以自然界的物理方程来控制数字化图形的动作和相应的变化，各数字化图形之间的相互作用基于物理定律，反映真实自然界的运动规律和结果，数字化图形具备完善的定义、构造和表达方式、数据存储方法，因而是行之有效的模拟真实自然状态的全新方法手段。

利用计算机图形学方法产生数字图形介质模型文件，将数字图形介质模型文件均存储成统一的Model-XML数据格式；

采用复杂结构图形的截面关键点模型、关键点连线的骨骼网架模型建模方法，这样易于获得实体轮廓，克服了由于实体模型数据过于臃肿带来的数据存储问题，还可方便地判断多段线与指定的空间平面的交点，为判断实体的几何位置提供了方便，将复杂图形结构的拓扑计算简单化；

通过计算机网络传递数字图形介质模型文件，数字图形介质模型文件含有图形数据信息和基于OOP技术的图形数据模板库；

利用复杂结构图形的截面关键点模型、关键点连线的骨骼网架模型和模型的存储方法将图形结构简单化，用直线包络线控制图形结构的形状与延伸的位置，将复杂的拓扑计算变为直线与平面的交点计算；加快了计算速度，提高了精度，加大了图形处理能力，可保证获得数字图形所有属性和信息，为图形数据之间的无缝集成提供了强有力的保障，提供了复杂物体空间剖面的简捷可靠的图形数字方法。

Model-XML数据格式的骨骼网架模型的具体规则为：

命名名称_实体句柄_控制点个数_控制点连接形式

_{_Pnt1_Pnt2_......._Pnt1’_Pnt2’_........_}_{_放样形式_路径控制点个数_UCS原点_UCSX轴矢量_UCSY轴矢量_PPnt1_PPnt2_......_}_{_剖面类型_剖面名称_参数1_参数1值_......_参数n_参数n值_}

例如表1所示：

表1

参数	描述	类型
			命名名称	代表的实体名称，	字符串
实体句柄	代表实体在CAD空间的唯一标识，由CAD空间产生	字符串
			控制点个数	代表剖面控制点个数	正数
控制点连接形式	代表剖面控制点之间的连接关系	字符串
			Pnt1…..	代表剖面控制点的世界坐标	字符串
放样形式	代表实体放样方式	字符串
			路径控制点个数	代表实体放样路径控制点数	正数
UCS原点	代表实体局部坐标系原点坐标	字符串
			UCSX轴矢量	代表实体局部坐标系X轴方向矢量	字符串
UCSY轴矢量	代表实体局部坐标系Y轴方向矢量	字符串
			PPnt1…..	代表路径控制点的世界坐标	字符串
剖面类型	代表截面所属截面分类	字符串
			剖面名称	代表实体放样截面的名称	字符串
参数1…..	代表剖面控制参数名称	字符串
			参数1值…..	代表剖面控制参数值	字符串

采用统一的XML方式对数字图形介质模型中的各分模型的定义、属性、分类、延续、遗传和关联这些内容进行规定与表述，采用XML方式标记数据、定义数据类型，使同一工程的不同部门、不同专业、不同时段内的工程信息具有统一的表达方式；

采用XML方式的数据构件不受软件平台的限制，适合在计算机网络上传输以及协同管理。

将复杂工程中的各个构件和部位实体图形的可视特征与非图形属性融为一体，采用图形的扩展数据方法将各专业所需的属性和标识符附加于图形之中，通过超链接或开发的专用程序加以调用修改，使图形本身包括了空间坐标、时间坐标、非几何信息的五维空间信息；

以VB.Net程序为例，向数字图形介质对象添加或修改扩展数据可以使用SetDGMxdata方法，其定义为：

DGMObject. SetDGMxdata DgmXDataType，DgmXData

其中，DgmXDataType是一个short类型变量数组，数组中的每一个元素说明扩展数据的类型；DgmXData是一个Variant类型的数组，数组中的每个元素包含了扩展数据的内容。DgmXDataType和DgmXData的维数必须一致，DgmXDataType中的元素一一对应地说明DgmXData中元素的类型，其具体含义可以参考下面的代码：

Dim DgmXDataType (0 To 7) as Integer

Dim DgmXData (0 To 7) as Variant

DgmXDataType (0)=1001: DgmXData (0)=”Test_Application”

DgmXDataType (1)=1000: DgmXData (1)=”This is a test for Exdata”

DgmXDataType (2)=1003: DgmXData (2)=”0”

DgmXDataType (3)=1040: DgmXData (3)=1.2347913748413E+40

DgmXDataType (4)=1041: DgmXData (4)=1237324938

DgmXDataType (5)=1070: DgmXData (5)=32767

DgmXDataType (6)=1071: DgmXData (6)=32767

DgmXDataType (7)=1042: DgmXData (7)=10

--向数字图形介质对象实体中添加扩展数据

DGMlineObj. SetDGMxdata DgmXDataType，DgmXData

获得数字图形介质对象的扩展数据可以使用GetDGMXData方法，其定义为：

DGMObject.GetDGMXData AppName，DgmXDataType，DgmXDataValue

其中，AppName指定添加扩展数据的应用程序名称（多个应用程序可以向同一个对象添加扩展数据），如果输入一个空字符串表示要获得所有应用程序添加的扩展数据；DgmXDataType返回一个short类型的数组，包含对象扩展数据类型信息；DgmXDataValue返回一个Variant类型的数组，包含了对象的扩展数据。获得对象扩展数据的基本方法为：

Dim Dgmxdata As Variant

Dim DgmxtypeOut As Variant

DGMlineObj.GetDGMXData “”，DgmxtypeOut，DgmxdataOut

采用数字图形与数值计算相结合的方法，直接将数值计算的结果应用于数字图形之中，得到数字图形的运动、变形和碰撞这些复杂问题，数据图形的运动信息存储为统一的Action-XML格式。

图形数据信息包括两部分内容：剖面属性数据和路径数据，剖面属性数据用来记录实体设计的形状信息和相应的物理属性参数，剖面属性数据含有控制剖面形状的数据信息；路径数据用来记录实体的几何信息，几何信息含有起始点、结束点和局部坐标系，或者，几何信息含有拉伸路径；通过规定各剖面控制点的存储顺序，依次存入各空间位置的控制点坐标，从而保存三维控制点的网络骨架。

基于OOP技术的图形数据模板库含有关键点图形框架和控制参数体系，基于OOP技术的图形数据模板库为创建数字图形介质模型的基础数据源。

关键点图形框架包括AISC截面类型、国标型钢、带参数截面、紧固件、水工结构和桥梁工程这些结构类型的关键点图形框架，有4万多种。

自然界中对介质的定义为：当一种物质存在于另一种物质内部时，后者就是前者的介质。

数字图形介质是具有几何属性和物理属性的载体和目标实体，并具有质量、速度、压强、温度以及空间和时间等宏观物理信息。本发明的三维空间结构的数字图形介质模拟方法以自然界的物理方程来控制图形体的动作和相应的变化，具有独特的三维骨骼网架建模方法和XML数据存储方式，采用点、线、面、体、环等基本元素来模拟三维空间结构，用直线与平面来代替复杂的拓扑计算。

与数字图形介质相似的概念：

（1）随着计算机技术的发展，工程界已有数字图形的提法，但这些研究仅仅表现的是图形本身的几何属性，要么是将图形作为最终计算结果的显示形式。没有将数字图形作为一种载体或介质，即除了拥有几何属性之外，还具有非几何属性等信息。更没有实现用自然界中的物理方程来驱动图形的动作和变化。

（2）数字图形处理的概念，是指用电子计算机对图形进行分析、分类、编辑、校正、更新以及图形输出等的工作。一般用于测绘学以及地图制图学中。

（3）数字图形推理的概念，根据数字和图形的规律，推理出图形中空缺位置的图形或数字。现多见于公务员资格考题中。

（4）数字图形图像技术的概念，伴随着流行文化的渗透与商业性影视节目的普及，艺术家和设计师们开始对图像化的视觉接受方式和创作方式进行探讨，数字图形图像技术的介入使这种思考和创作进入了崭新的时代。其中多用于包括集科技性、艺术性、娱乐性、竞技性、仿真性等诸多要素于一体的计算机网络游戏，也包括被称为“大众艺术”的电影样式。

本发明计算机图形学方法为基础下产生的所有文件均存储成统一的Model-XML数据格式，Model-XML数据格式具有如下的优点：

（1）该格式可通过计算机网络有效传递几何模型信息的结构。

（2）该格式定义表示 XML 中的三维几何图形和图形的常用词汇表。这样建立的格式数据内容独立于表达形式，可读性强，具有更大的柔性和适应性，且便于搜索。

（3）该格式可标注二进制文件，如图像、声音等，适应工程项目信息系统可视化的需要。

（4）该格式提供不同软件和不同应用系统之间的数据表示和交换功能。用

Model-XML文档表示的各种工程数据可以在计算机网络上方便地传递和共享，实现建设项目参与各方信息的无缝搭接。

（5）该格式元素类型由用户自己定义，可以方便的扩展。

（6）该格式可以与数据库良好地集成，可以方便地把由STEP 表示的建筑产品数据转化为Model-XML文档，同时，Model-XML 到STEP 的逆向转换也十分便利。这种不同参与方、组织之间的信息横向的有序连接，以及后续工作的参与者与前阶段参与者的纵向有序搭接，为实现项目全寿命期内各参与方的信息共享与合作提供了必须的条件。

本发明基于三维图形建模中截面关键点及骨骼网架创建数据图形模板库以及多源数据耦合的地质数据模板库，可为工程设计开发软件系统，以及为虚拟现实和基于物理的工程动画提供了强大的技术支持。

为实现大型复杂三维空间结构的可视化仿真建模，并为工程界更易接受和推广，本发明采用基于OOP编程技术的图形数据模板库，吸纳各种编程语言的优点，构建符合CIS/2和IFC在内的广泛通用的参数化图形数据模板库，该图形数据模板库简便易行，可生成二维或三维图形和统计表格。

本发明在引入和发展CIS/2和IFC两个ISO国际标准的基础上，提出了“数据附着于图形，图形蕴含数据”的方法及图形五维空间（x y z t v）的方法，使数字图形成为反映工程结构实时动态和关联信息的载体，具有唯一标识的各个图形元素也与庞大的工程数据库双向动态关联，这种新型的数字图形信息工程体系提出了数字图形介质图形独特的数据存储关联技术和数据交换格式，为当前日益发展的三维设计平台提供了具有重要意义的关键技术。

一种基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，具体为：按照从整体到局部，再从局部到单元的化整为零的方法进行三维空间结构图形切割，具体含有以下步骤：

步骤1、根据三维空间结构的数字图形介质模拟方法生成具有几何属性和物理属性的目标实体，该目标实体的几何构造采用三维骨骼网架模型和模型的存储方法；

步骤2、切割控制参数的输入，切割控制参数包括切割位置的定位坐标

P（x，y，z）、倾向角、走向角，通过定位坐标P（x，y，z）、倾向角、走向角这三个参数确定切割面，获得切割面的基本控制参数，确定切割面方程ax + by +cz + d=0；

步骤3、根据切割控制参数确定切割面的单位法线矢量，由此得到切割平面，

切割平面由切割平面方程ax + by + cz + d=0定义；

步骤4、确定切割检索条件下切割对象的集合，切割检索条件为：目标实体的类型为数字图形介质模型；

具体采用下列算法实现：

首先，判断切割对象集合“SSetObjCut”是否存在，如存在删除原有集合对象；

If Not IsDBNull(DObject.SelectionSets.Item("SSetObjCut")) Then

SSet = DObject.SelectionSets.Item("SSetObjCut ")

SSet.Delete()

End If

其次，定义当前的切割对象集合“SSetObjCut”；

SSet = DObject.SelectionSets.Add("SSetObjCut ")

最后，根据切割检索条件，将切割对象添加到切割对象集合作为公有变量，为下一步切割运算准备。

FilterType(0) = 0

FilterData(0) = "*3DSolid*"

SSet.Select(AcSelect.acSelectionSetAll, , , FilterType, FilterData)

步骤5、根据切割平面对切割对象集合中的目标实体进行切割运算，用直接的数学计算代替复杂的图形拓扑运算；

步骤6、进行切割运算后切割生成实体的处理，包括：切割判断、ID转移生成、链表生成；

步骤7、根据切割控制参数判断切割是否完成？如没有完成，转到步骤3；如完成，转到步骤８；

步骤８、结束。

在步骤1中：三维骨骼网架模型和模型的存储方法可直接将三维实体模型、表面模型或混合模型与数据库直接关联起来，三维空间结构的切割对象数据可从三维空间结构的数字图形介质模拟方法产生的数字图形介质模型获取。

在步骤2中：在每次切割完成后输入下一次的切割控制参数；或者，在切割开始前输入所有切割控制参数，然后完成所有切割。

在步骤3中：切割面的单位法线矢量采用待定系数法求解，具体步骤如下：

步骤3.1：建立三维直角坐标系；

步骤3.2：设置切割面的法线向量N=（a，b，c）；

步骤3.3：在切割面内找出两个不共线的向量，记为N1=（a1，a2, a3）， N2=（b1，b2，b3）；

步骤3.4：根据法线向量的定义建立方程组：①N*N1=0 ，②N*N2=0；

步骤3.5：解方程组，取其中一组解即可。

三维平面的法线是垂直于该平面的三维向量，用方程ax + by + cz +d=0表示的平面，向量(a,b,c)就是其法线。

在步骤5中：进行切割运算时，利用步骤3中的切割平面方程ax + by + cz + d=0分别与步骤1中的三维骨骼网架模型的各控制线1-1^/、2-2^/、3-3^/、4-4^/、5-5^/进行平面与线的求交点计算；

平面与线的求交点计算依照点乘与叉乘的定理，平面的已知条件为其法向量N及其上任意一点Pon，直线的已知条件为其上两顶点P1，P2，具体求解方法如下：

设矢量Pt = P1 + t(P2 ‐P1)；

因为矢量Pt也是平面上的顶点，则矢量Pt 、Pon与法向量N的点乘为0，可列方程：

(Pt ‐Pon) · N = 0；

(P1 ‐Pon)· N + t(P2 ‐P1)· N = 0；

则 t = ‐(P1 ‐Pon)· N /(P2 ‐P1)· N；

若分母(P2 ‐P1)· N = 0，则说明直线垂直于法向量，与平面是平行的，将无交点。若分子(P1 ‐Pon)· N = 0，则说明直线上的顶点与平面上顶点构成的向量垂直于法向量，即此顶点为交点或这个直线位于平面上。

切割运算可用下列算法实现：

// 输入: 直线上的两个顶点p1, p2；平面的法向量和其上任意一顶点

pNormalofPlane

// 输出: 若存在的话，输出直线与平面的交点 *I0

// Return: 0 代表没有交点

// 1 代表存在唯一的交点 *I0

// 2 代表直线上顶点为交点或整个直线位于平面上

int CDEMAlgorithm::Intersect3D_LinePlane( XYZ p1,XYZ p2, XYZ

pNormalofPlane, XYZ pOnPlane,XYZ* I )

{ Vector u = p2 - p1;

Vector w = p1 - pOnPlane;

double D = Dot(pNormalofPlane, u); //点乘

double N = -Dot(pNormalofPlane, w); //点乘

if (fabs(D) < EPS) { // 直线与平面平行

if (N == 0) // 顶点为交点或这个直线位于平面上

return 2;

else

return 0; // 交点不存在

}

double t = N / D;

*I = p1 + t*(p2 - p1); // compute segment intersect point

return 1;

}

在步骤6中：切割判断是指由切割控制参数确定的切割平面对切割对象集合中的目标实体进行切割运算后是否产生交集的判断；切割判断的实现方法是：定义一个布尔型变量SecRst代表切割结果，其中，布尔型变量为真时（SecRst=true），代表产生交集，布尔型变量为假时（SecRst=false），代表未产生交集，根据切割运算结果，确定布尔型变量SecRst的值，判断是否产生交集，如产生了交集，则表明产生了切割；

ID转移生成是指对切割产生的新的目标实体的ID转移生成，ID转移生成的实现方法是：在切割对象被切割平面切割后，初始的目标实体会生成为N个新的目标实体，新的目标实体的ID继承初始的目标实体的ID，ID为目标实体在三维空间的唯一标识，如：切割前初始的目标实体的ID为a20334，切割后新的目标实体的ID为a20334，a20335。N为大于等于2的自然数；

链表生成是指对切割产生的新的目标实体的数据结构的生成。

N为2，或为3，或为4。

切割运算后切割生成实体的处理利用CAD环境中强大的内置检索功能、

CAD图形存储的特性，将围绕任一块体某一给定距离内的所有块体寻找出来，并形成连结链。切割后的块体单元具备如下数据结构：

Public Struct Element

{

Public String ElementName; //单元名称

Public String ElementID; //单元ID

Public Double ElementVolume; //单元体积

Public Vector3 ElementCentrePoint; //单元中心

Public ArrayList ElementBoundary ; //单元的边界组成

Public ArrayList ElementNear ; //单元的临接关系

Public ArrayList ElementPoints ; //单元的结点集合

}

一种用于工程详图剖面图的三维空间结构图形切片方法，含有以下步骤：

步骤1、采用计算机图形学方法视口处理技术确定视口内的三维空间结构实体集合；

步骤2、采用计算机图形学方法的图层处理技术进行布局空间图层的冻结操作；

步骤3、添加视口到布局空间；

步骤4、通过三维空间内任意三点或者剖切线两点或者默认确定当前视图的方向矢量；

步骤5、确定当前视图目标和中心；

步骤6、添加视图并定义为当前视图；

步骤7、剖切投影基于数字图形介质建模方法的三维空间结构的实体模型；

步骤8、坐标变换1：将剖切投影的三维空间结构的实体模型变换到当前视图坐标；

步骤9、坐标变换2：将剖切投影的三维空间结构的实体模型的当前视图坐标变换到布局空间坐标。

从三维空间结构模型自动生成二维视图的方法为：三维空间结构实体模型在某一个观察方向上经过剖切和投影变换后，转换到二维视图坐标中，再将二维视图坐标变换到布局空间坐标，进行图纸信息设置及相应的尺寸标注设置。

一种用于快速成型的三维空间结构图形切片方法，对三维空间结构实体模型进行切片处理，用一组平行的剖切平面对三维空间结构实体模型进行剖切，将实体模型分层，使剖切平面与实体模型求交，同时记录下交线数据，也就是二维轮廓切片；在确定一定的切片方向后，根据剖切基准线及剖分平面确定相关尺寸，然后开始循环切片，直至剖切完毕；具体含有以下步骤：

步骤1、读取三维空间结构的数字图形介质模拟方法生成的三维空间结构模型文件，提取其几何拓扑信息并重构内部几何模型；

步骤2、用户选择零件的制作方向，并输入分层厚度，分层厚度记为d；

步骤3、切片平面所在高度记为Z，切片平面所在高度的最小值记为Zmin，切片平面所在高度的最大值记为Zmax，令Z=Zmin；

步骤4、判断Z<Zmax？如是，转入步骤5；如不是，转入步骤8；

步骤5、调用分层函数进行分层；

步骤6、将当前层所有交线排序形成交线环，得到当前层轮廓；

步骤7、令Z=Z+d，然后转入步骤4；

步骤8、将分层结果写入SLC文件输出。

相关尺寸为实体厚度、切层厚度和程序自动计算出的层数，程序自动计算出的层数作为剖切循环的次数。

在切片过程中，每切一次都保存二维轮廓数据，以便后置编程软件读取，后置编程软件将读取的二维轮廓数据生成扫描路径或进行数控编程处理，最终传送到RP成型系统中进行轮廓加工。

本发明的有益效果：

1、本发明的三维空间结构的数字图形介质模拟方法以数字图形作为具有

几何属性和物理属性的载体和目标实体，在计算机空间将其视为自然界的真实物体，可对其赋予宏观的物理量如质量、速度、压强、温度等，同时还可以赋予空间和时间的信息，并以自然界的物理方程来控制图形体的动作和相应的变化。本发明能很好地应用于大型水利水电工程、土木工程及其相关领域的三维空间结构的分析和计算，是真正在虚拟的空间里用图形这一载体介质诠释真实的自然状态的全新方法。

2、本发明的三维空间结构的数字图形介质模拟方法具有的建模功能、数

据存储功能、图形拓扑运算功能及三维实体图形运算功能，可直接实现设计、施工、安装等阶段详图的自动生成，可以迅速准确地将钢结构构件在三维空间的位置、连接形式、焊接方式及各种特殊的处理实时地显示出来。

3、本发明的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法按照从整体

到局部，再从局部到单元的化整为零的方法进行三维空间结构图形切割，快速、准确地构建三维空间块体结构，以切割块体网格为载体，附着几何特性及拓扑关系与力学特性，该方法不仅解决现有三维空间网格构建方法实现过程复杂化、整体效率不高、自动化程度低的问题，还为工程各类数值计算方法的网格生成提供了最基本通用的图形数据，也为后续单元的网格划分以及虚拟仿真实现提供了完善的数据资源。

4、本发明的基于数字图形介质的三维空间结构图形切片方法以数字图

形介质模拟方法为基础，提出一种基于数字图形介质建模数据标准的实体信息模型直接切片方法, 通过提取实体模型的几何、拓扑信息，确定切片空间位置后，任意切片出复杂模型的轮廓数据信息，具有快速准确地处理图形剖切功能，可以应用在工程详图生成技术和快速成型技术中。

（四）、附图说明：

图1为Model-XML数据格式组成结构示意图；

图2为Model-XML数据格式组成层次结构示意图；

图3为Model-XML数据格式Dgmdb：Line的数据结构关系示意图；

图4为Model-XML数据格式Dgmdb：Line的XML标准形式图；

图5为截面关键点模型示意图；

图6为直线型骨骼网架模型控制点示意图；

图7为折线型骨骼网架模型示意图；

图8为直线与平面的交点计算示意图；

图9为基于OOP技术的图形数据模板库分类示意图；

图10为基于OOP技术的图形数据模板库的CIS/2中三个模型的相互关系示意图；

图11为基于OOP技术的图形数据模板库的CIS/2逻辑产品模型示意图。

图12为基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法的流程图；

图13为三维骨骼网架模型的示意图；

图14为三维骨骼网架模型的切割的示意图；

图15为三维空间平面及其法线的示意图；

图16为切割运算的示意图；

图17为三维空间下直线与平面的交点的示意图；

图18为ID转移生成的示意图；

图19为用于工程详图剖面图的三维空间结构图形切片方法的流程图；

图20为用于快速成型的三维空间结构图形切片方法的流程图。

（五）、具体实施方式：

参见图12～图18，其中：图1３、图1４、图16、图18中的1-1^/、2-2^/、

3-3^/、4-4^/、5-5^/为三维骨骼网架模型的控制线，图1４、图16中的Ｐ为切割平面，图1５中的Plane为三维空间平面，Normal为法线。

基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法为：按照从整体到局部，

再从局部到单元的化整为零的方法进行三维空间结构图形切割，具体含有以下步骤：

步骤1、根据三维空间结构的数字图形介质模拟方法生成具有几何属性和物

理属性的目标实体，该目标实体的几何构造采用三维骨骼网架模型和模型的存储方法；

切割平面由切割平面方程ax + by + cz + d=0定义；

具体采用下列算法实现：

If Not IsDBNull(DObject.SelectionSets.Item("SSetObjCut")) Then

SSet = DObject.SelectionSets.Item("SSetObjCut ")

SSet.Delete()

End If

其次，定义当前的切割对象集合“SSetObjCut”；

SSet = DObject.SelectionSets.Add("SSetObjCut ")

FilterType(0) = 0

FilterData(0) = "*3DSolid*"

SSet.Select(AcSelect.acSelectionSetAll, , , FilterType, FilterData)

步骤８、结束。

步骤3.1：建立三维直角坐标系；

步骤3.2：设置切割面的法线向量N=（a，b，c）；

步骤3.5：解方程组，取其中一组解即可。

平面与线的求交点计算依照点乘与叉乘的定理（参见图17），平面的已知条件为其法向量N及其上任意一点Pon，直线的已知条件为其上两顶点P1，P2，具体求解方法如下：

设矢量Pt = P1 + t(P2 ‐P1)；

(Pt ‐Pon) · N = 0；

(P1 ‐Pon)· N + t(P2 ‐P1)· N = 0；

则 t = ‐(P1 ‐Pon)· N /(P2 ‐P1)· N；

切割运算可用下列算法实现：

pNormalofPlane

// 输出: 若存在的话，输出直线与平面的交点 *I0

// Return: 0 代表没有交点

// 1 代表存在唯一的交点 *I0

// 2 代表直线上顶点为交点或整个直线位于平面上

int CDEMAlgorithm::Intersect3D_LinePlane( XYZ p1,XYZ p2, XYZ

pNormalofPlane, XYZ pOnPlane,XYZ* I )

{ Vector u = p2 - p1;

Vector w = p1 - pOnPlane;

double D = Dot(pNormalofPlane, u); //点乘

double N = -Dot(pNormalofPlane, w); //点乘

if (fabs(D) < EPS) { // 直线与平面平行

if (N == 0) // 顶点为交点或这个直线位于平面上

return 2;

else

return 0; // 交点不存在

}

double t = N / D;

*I = p1 + t*(p2 - p1); // compute segment intersect point

return 1;

}

N为2，或为3，或为4。

Public Struct Element

{

Public String ElementName; //单元名称

Public String ElementID; //单元ID

Public Double ElementVolume; //单元体积

Public Vector3 ElementCentrePoint; //单元中心

Public ArrayList ElementBoundary ; //单元的边界组成

Public ArrayList ElementNear ; //单元的临接关系

Public ArrayList ElementPoints ; //单元的结点集合

}

参见图19，用于工程详图剖面图的三维空间结构图形切片方法含有以下步

骤：

步骤3、添加视口到布局空间；

步骤5、确定当前视图目标和中心；

步骤6、添加视图并定义为当前视图；

参见图20，用于快速成型的三维空间结构图形切片方法为：对三维空间结构实体模型进行切片处理，用一组平行的剖切平面对三维空间结构实体模型进行剖切，将实体模型分层，使剖切平面与实体模型求交，同时记录下交线数据，也就是二维轮廓切片；在确定一定的切片方向后，根据剖切基准线及剖分平面确定相关尺寸，然后开始循环切片，直至剖切完毕；具体含有以下步骤：

步骤4、判断Z<Zmax？如是，转入步骤5；如不是，转入步骤8；

步骤5、调用分层函数进行分层；

步骤7、令Z=Z+d，然后转入步骤4；

步骤8、将分层结果写入SLC文件输出。

Claims

1.一种基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：按照从整体到局部，再从局部到单元的化整为零的方法进行三维空间结构图形切割，具体含有以下步骤：

步骤2、切割控制参数的输入，切割控制参数包括切割位置的定位坐标、倾向角、走向角，通过定位坐标、倾向角、走向角这三个参数确定切割面，获得切割面的基本控制参数，确定切割面方程；

步骤3、根据切割控制参数确定切割面的单位法线矢量，由此得到切割平面，切割平面由切割平面方程定义；

步骤5、根据切割平面对切割对象集合中的目标实体进行切割运算；

步骤８、结束。

2.根据权利要求1所述的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：在所述步骤1中：三维骨骼网架模型和模型的存储方法可直接将三维实体模型、表面模型或混合模型与数据库直接关联起来，三维空间结构的切割对象数据可从三维空间结构的数字图形介质模拟方法产生的数字图形介质模型获取。

3.根据权利要求1所述的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：在所述步骤2中：在每次切割完成后输入下一次的切割控制参数；或者，在切割开始前输入所有切割控制参数，然后完成所有切割。

4.根据权利要求1所述的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：在所述步骤3中：切割面的单位法线矢量采用待定系数法求解，具体步骤如下：

步骤3.1：建立三维直角坐标系；

步骤3.2：设置切割面的法线向量N；

步骤3.3：在切割面内找出两个不共线的向量，记为向量N1、向量N2；

步骤3.5：解方程组，取其中一组解即可。

5.根据权利要求1所述的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：在所述步骤5中：进行切割运算时，利用步骤3中的切割平面方程分别与步骤1中的三维骨骼网架模型的各控制线进行平面与线的求交点计算。

6.根据权利要求1所述的基于数字图形介质的三维空间结构图形切割方法，其特征是：在所述步骤6中：切割判断是指由切割控制参数确定的切割平面对切割对象集合中的目标实体进行切割运算后是否产生交集的判断；切割判断的实现方法是：定义一个布尔型变量代表切割结果，其中，布尔型变量为真时，代表产生交集，布尔型变量为假时，代表未产生交集，根据切割运算结果，确定布尔型变量的值，判断是否产生交集，如产生了交集，则表明产生了切割；

ID转移生成是指对切割产生的新的目标实体的ID转移生成，ID转移生成的实现方法是：在切割对象被切割平面切割后，初始的目标实体会生成为N个新的目标实体，新的目标实体的ID继承初始的目标实体的ID，ID为目标实体在三维空间的唯一标识， N为大于等于2的自然数；

7.一种用于工程详图剖面图的三维空间结构图形切片方法，其特征是：

含有以下步骤：

步骤3、添加视口到布局空间；

步骤5、确定当前视图目标和中心；

步骤6、添加视图并定义为当前视图；

8.一种用于快速成型的三维空间结构图形切片方法，其特征是：对三维空间结构实体模型进行切片处理，用一组平行的剖切平面对三维空间结构实体模型进行剖切，将实体模型分层，使剖切平面与实体模型求交，同时记录下交线数据，也就是二维轮廓切片；在确定一定的切片方向后，根据剖切基准线及剖分平面确定相关尺寸，然后开始循环切片，直至剖切完毕；具体含有以下步骤：

步骤4、判断Z<Zmax？如是，转入步骤5；如不是，转入步骤8；

步骤5、调用分层函数进行分层；

步骤7、令Z=Z+d，然后转入步骤4；

步骤8、将分层结果写入SLC文件输出。

9.根据权利要求8所述的用于快速成型的三维空间结构图形切片方法，其特征是：所述相关尺寸为实体厚度、切层厚度和程序自动计算出的层数，程序自动计算出的层数作为剖切循环的次数。

10.根据权利要求8所述的用于快速成型的三维空间结构图形切片方法，其特征是：在所述切片过程中，每切一次都保存二维轮廓数据，以便后置编程软件读取。