CN102646286A - 三维空间结构的数字图形介质模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维空间结构的数字图形介质模拟方法；具体为：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；本发明能在计算机虚拟空间里用图形来模拟三维空间结构。

Description

三维空间结构的数字图形介质模拟方法

 

（一）、技术领域：本发明涉及一种数字图形介质模拟方法，特别是涉及一种三维空间结构的数字图形介质模拟方法。

（二）、背景技术: 当前，随着我国经济的持续有效发展，也带动了工程建设事业的蓬勃发展，一大批重大的工程相继进入开发的日程，因此，发展交叉学科并将相应的技术理论方法和各专业标准规范融合成体系，研究具有发展潜力和应用前景的高新技术方法显得尤为突出和必要，这是行业发展的需要。

随着信息化技术的发展，图形技术开始在水电工程、土木工程及相关领域中得以应用，之后又有数字图形的概念，但这些研究仅仅表现的是图形本身的几何属性，要么是将图形作最终计算结果的显示形式，没有将除几何属性之外的物理属性、拓扑等信息融入到图形之中，忽略或没有挖掘出数字图形和信息工程的融合统一。目前，有一些关于空间结构三维模拟方面的研究，包括设计、分析、施工、管理，但这些研究未形成比较全面的体系研究，同时缺少图形与信息的融合，应用范围有限。现实应用中需要一种更为理论化、系统化的表现形式，将空间结构不只是仅包括几何坐标的三维表达，还要包括表达模拟物体的更多的非几何属性，用更多维的系统进行描述和模拟方法，以满足工程建设对新技术的应用需求。

（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，提供一种三维空间结构的数字图形介质模拟方法，该方法能在计算机虚拟空间里用图形来模拟三维空间结构。

本发明的技术方案：

一种三维空间结构的数字图形介质模拟方法，具体为：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_}

采用统一的XML方式对数字图形介质模型中的各子模型的命名、属性、分类进行定义，并对延续、遗传和关联主体模型的内容进行表述，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，通过超链接或超链接程序加以调用修改，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，为求解数字图形的运动、变形和碰撞这些复杂的随机非线性问题提供了图形计算的方法，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类：可视数据和附着数据，而可视数据又可分为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；附着数据是指除物理实体的几何属性之外，与物理实体相关的其它各类属性信息，附着数据存储于相应的图形元素之间；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。

本发明的有益效果：

1、          本发明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。

（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。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图11，图中，三维空间结构的数字图形介质模拟方法具体为：

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。

图5中的F1指截面关键点模型；图6中的F_E指结束截面，F_S指起始截面，P指拉伸路径，W指骨骼网架线；图7中的F_E指结束截面，F_S指起始截面，P指拉伸路径，W指骨骼网架线，F_M指中间截面；图8中的F_E指结束截面，F_S指起始截面，W指骨骼网架线，F_T指任意平面，F_C指任意平面与数字图形介质模型相交轮廓面。

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_}

采用统一的XML方式对数字图形介质模型中的各子模型的命名、属性、分类进行定义，并对延续、遗传和关联主体模型的内容进行表述，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，通过超链接或超链接程序加以调用修改，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，为求解数字图形的运动、变形和碰撞这些复杂的随机非线性问题提供了图形计算的方法，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类：可视数据和附着数据，而可视数据又可分为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；附着数据是指除物理实体的几何属性之外，与物理实体相关的其它各类属性信息，附着数据存储于相应的图形元素之间；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。  

Claims (4)

1.一种三维空间结构的数字图形介质模拟方法，其特征是：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；

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；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；

采用统一的XML方式对数字图形介质模型中的各子模型的命名、属性、分类进行定义，并对延续、遗传和关联主体模型的内容进行表述，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；

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，通过超链接或超链接程序加以调用修改，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；

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，为求解数字图形的运动、变形和碰撞这些复杂的随机非线性问题提供了图形计算的方法，数据图形的运动信息存储为统一的Action-XML格式。

2.根据权利要求1所述的三维空间结构的数字图形介质模拟方法，其特征是：所述图形数据信息包括两类：可视数据和附着数据，而可视数据又可分为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；附着数据是指除物理实体的几何属性之外，与物理实体相关的其它各类属性信息，附着数据存储于相应的图形元素之间；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。

3.根据权利要求1所述的三维空间结构的数字图形介质模拟方法，其特征是：所述基于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。

4.根据权利要求3所述的三维空间结构的数字图形介质模拟方法，其特征是：所述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。

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