CN102855668A - 工程图纸三维重构及可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程图纸三维重构及可视化技术领域，特别是一种工程图纸三维重构及可视化方法，包括如下步骤：S1，图纸预处理；S2，DXF文件解析识别；S3，三维重构基础数据修正；S4，三维形体重构并显示。本发明工程图纸三维重构及可视化方法通过对图纸图元的预处理，以及对视图分离算法及面向线框的重建算法的改进，提高了图元提取的准确率和处理速度；同时通过改进的基于线框轮廓拉伸的三维重建算法，运行速度及重构结果的正确性有了较大提高，并能处理部分贯穿孔柱的图纸，最终为三维重建后的数据复用提供了较好的数据基础。

Description

工程图纸三维重构及可视化方法

技术领域

本发明涉及工程图纸三维重构及可视化技术领域，特别是一种工程图纸三维重构及可视化方法。

背景技术

在如今的制造业中，CAD/CAM技术得到越来越广泛的应用，在三维空间中观察三维实体(即在计算机中的三维建模)会有一个真实的形状与构造的感觉，它有助于形成设计概念，从而利于设计决策；通过三维实体也有助于与不熟悉平面图、断面图、基本视图的人交流设计思想；此外，三维实体不仅具有完整的几何、拓扑信息，而且操作、修改也直观明了，便于物体的物性计算分析，如有限元分析处理和机构装配干涉检查等。因此，如何利用和借鉴现有的工程图，快速更新设计，是一个厄待解决的问题。

通过设计完成的图纸进行预处理、数据判读、归类分析，综合计算，最终形成一个完整的三维重构实体。三维重构的大致步骤如下：图纸预处理、图纸判读、几何信息提取、冗余消除以及拓扑关系重构。

目前基于工程图纸的三维重构，根据采用的形体表示方法，大致分为两类：面向体（volume-oriented）的重建方法和面向线框（wireframe-oriented）的重构方法。

面向体的重建方法是假设空间形体由一些基元体构成，由二维视图构建相应的三维基元体，通过各种变换运算和布尔运算组合基元体，形成CSG表示的三维形体。根据具体的构造基元体的策略，面向体的重建方法又可分为基于模型引导的重建方法和基于体切削的重建方法。

面向线框的重建方法是采用自底向上、分层构造策略，依据视图中几何元素的投影关系和求解规则，直接由二维信息构造三维信息。多面体与曲面体具有不同的投影特性。根据孙发的适用范围，面向线框的重建方法又可分为针对多面体的重建方法和针对曲面体的重建方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决XML及DXF格式的工程图纸识别和三维重构及可视化的方法。

为解决上述技术问题，本发明工程图纸三维重构及可视化方法，包括如下步骤：S1，图纸预处理；S2，DXF文件解析识别；S3，三维重构基础数据修正；S4，三维形体重构并显示。

所述图纸预处理包括如下步骤：S1.1，搜索XML文件，进行图元数据提取；S1.2，按照图元类型进行分类；S1.3，将提取到的每类图元按照DXF图元的构建参数进行重构；S1.4，将去除了标注和文本的DXF图元数据集输出保存为中间交换DXF文件。

所述DXF文件解析识别包括如下步骤：S2.1，遍历DXF结构，重点提取出ENTITIES段中的图元对象；S2.2，根据对象类型进行数组归类和辅助参数的计算；S2.3，利用投影区间算法进行视图投影类型的判断和图元对象的投影区间划分；S2.4，根据图元对象所处的投影区间，进行三维坐标变换，得到三维重构基础数据。

所述投影区间算法包括如下步骤：S2.3.1，依据现有所有图元数据集参数，对X轴和Y轴分别进行投影；S2.3.2，用两数组分别记录下所有的X轴投影区间和Y轴投影区间；S2.3.3，对两数组分别进行区间循环合并，直至全为分离区间为止；S2.3.4，分别统计X轴和Y轴上的分离区间个数，即可判断该工程图纸投影类型；S2.3.5，根据Y投影区间一的最大Y值和Y投影区间二的最小Y值，可以得到区间距离DIS,通过DIS/2点处做一条平行于X轴向的辅助线Tlx，然后根据X投影区间二最小值，沿X轴向原点平移DIS/2，通过该点做一条平行于Y轴向的辅助线Tly，则辅助线Tlx与Tly的交点即为视图新切分原点O；S2.3.6，辅助线Tlx与Tly将整个图元区域划分为四个区间，然后进行二维视图坐标变换；S2.3.7，利用改进的基于面向线框的重建算法，综合构建三维信息；S2.3.8，在获得各视图外轮廓图元链表PLV[...],PLH[...],PLW[...]及对应缺失维度拉伸值Wl的基础上，利用OpenGL渲染构建出三维实体。

本发明工程图纸三维重构及可视化方法通过对图纸图元的预处理，以及对视图分离算法及面向线框的重建算法的改进，提高了图元提取的准确率和处理速度；同时通过改进的基于线框轮廓拉伸的三维重建算法，运行速度及重构结果的正确性有了较大提高，并能处理部分贯穿孔柱的图纸，最终为三维重建后的数据复用提供了较好的数据基础。

附图说明

图1为本发明工程图纸三维重构及可视化方法三维重构处理流程图；

图2为本发明工程图纸三维重构及可视化方法XML数据交换流程图；

图3为本发明工程图纸三维重构及可视化方法DXF文件生成流程图；

图4为本发明工程图纸三维重构及可视化方法DXF解析识别流程图；

图5为本发明工程图纸三维重构及可视化方法三维重构基础数据生成流程图；

图6为本发明工程图纸三维重构及可视化方法三维实体生成流程图；

图7为本发明工程图纸三维重构及可视化方法图纸视图智能切分原理图；

图8为本发明工程图纸三维重构及可视化方法实体边界表示原理图；

图9为本发明工程图纸三维重构及可视化方法三维处理前的原始图纸；

图10为本发明工程图纸三维重构及可视化方法去除三维重构不相关信息后的图纸；

图11为本发明工程图纸三维重构及可视化方法三维重构后生成的线框模型；

图12为本发明工程图纸三维重构及可视化方法根据线框模型渲染生成的实体模型；

图13～图15为本发明工程图纸三维重构及可视化方法对各种图纸处理后的结果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明工程图纸矢量化和图元语义提取方法作进一步详细说明。

如图1～图15所示，本发明工程图纸矢量化和图元语义提取方法，包括如下步骤：

S1，图纸预处理，对非DXF格式图纸矢量化得到的XML数据文件，根据XML文件数据结构规范进行数据预读，并按照DXF文件数据结构，生成中间交换DXF文件；具体分为：

S1.1，搜索XML文件，进行图元数据提取：在原始图纸中，存在与三维重构无关或者会影响三维重构结果的图元，因此需要把这部分图元预先剔除掉，最终结果保存至XML文件。

S1.2，按照图元类型进行分类：对于矢量化格式保存的PDF文件图纸，可以利用GhostScript直接读取矢量化后的直线段图元信息。同时，针对不同的线型，需要进行一定的处理以正确地记录箭头短线、实心圆点标注、实心箭头线等图元对应的矢量化数据，同时依据预处理模块提供的信息过滤外围边框线、标注文字线等信息。转换得到的图元信息，利用序列化技术，将对象的公共字段和私有字段以及类的名称（包括类所在的程序集）转换为字节流，保存至XML文件。

对于DXF图纸，由于文件内部对图元已经存在标注，所以跳过。

根据XML文件生成DXF文件：按照DXF格式参考，将XML中保存的图元转换为对应的DXF描述图元。

S1.3，将提取到的每类图元按照DXF图元的构建参数进行重构：读入XML文件后，利用反序列化技术，重新还原出原图纸中的图元对象，但由于反序列化后得到的几何图元信息有限，其参数可能不满足DXF格式需求，所以需要通过基本图元几何算法，计算出需求的几何信息，重新定义几何图元属性。

S1.4，将去除了标注和文本的DXF图元数据集输出保存为中间交换DXF文件：DXF文件由规定的图形单元保留字和符号组成，包括实体命令和几何数据信息在内的数据文件。完整的DXF文件由六个段（SECTION)和结束待EOF组成。这六段分别为文件头段（HEADERSECTION)、类段（CLASSSECTION）、表段（TABLESECCTION）、块段（BLOCKSSECTION）、实体段（ENTITIESSECTION）和对象段（OBJECTSSECTION）。在此DXF生成模块中，重点关注的是实体段。实体段作用是记录了每个几何元索的名称、所在图层名、线型名、颜色号、基面高度、厚度以及有关的几何数据。其中实体类型有直线（LINE）、圆（CIRCLE）、圆弧（ARC）、椭圆（ELLIPSE）、多段线(POLVLINE)、多段线顶点(VERTEX)、NURBS曲线（SPLINE）、插入体（INSERT）、文本（TEXT）、尺寸（DIMENSION）等几十种。图元实体信息存放着相应图元实体所必须含有的各种信息。

根据以上要求，最终将原始图元对象转换为DXF描述图元对象并保存为DXF文件。

S2，DXF文件解析识别：多种格式的图纸信息转换生成的DXF数据文件，在此进行统一的解析处理。首先完成图元的解析、分离、归类和对象化，保存至各自对应的图元对象数组内，然后基于这些图元对象数组，完成视图类型的判断和视图投影区间的划分，在完成划分后的投影区间内，对图元对象数组内的图元进行二维坐标到三维坐标的转换，最终完成三维基础数据的准备。

解析识别基本步骤为：

S2.1，遍历DXF结构，重点提取出ENTITIES段中的图元对象；

S2.2，根据对象类型进行数组归类和辅助参数的计算；

S2.3，利用投影区间算法进行视图投影类型的判断和图元对象的投影区间划分；

S2.4，根据图元对象所处的投影区间，进行三维坐标变换，得到三维重构基础数据。

S3，三维重构基础数据修正：图纸信息在经过视图切分、绘图坐标-空间坐标变换后，得到了图元的三维基础信息，但该信息还不足以直接进行三维实体的构建，需要先进行三维数据整理，根据立体几何的一些检测算法，去除无效的数据，同时通过视图之间的关系，恢复出一些因投影而损失的数据。具体为：

S3.1依据现有所有图元数据集参数，对X轴和Y轴分别进行投影；

S3.2用两数组分别记录下所有的X轴投影区间和Y轴投影区间；

S3.3对两数组分别进行区间循环合并，直至全为分离区间为止；

S3.4分别统计X轴和Y轴上的分离区间个数，即可判断该工程图纸投影类型，表1为投影类型判断表：

X轴分离区间个数	Y轴上的分离区间个数	判断投影类型
			1	1	单视图
1	2	二视图（主视图+俯视图）
			2	1	二视图（主视图+侧视图）
2	2	三视图

表1

S3.5，根据Y投影区间一的最大Y值和Y投影区间二的最小Y值，可以得到区间距离DIS,通过DIS/2点处做一条平行于X轴向的辅助线Tlx，然后根据X投影区间二最小值，沿X轴向原点平移DIS/2，通过该点做一条平行于Y轴向的辅助线Tly，则辅助线Tlx与Tly的交点即为视图新切分原点O；

S3.6，所述S3.5中，辅助线Tlx与Tly将整个图元区域划分为四个区间，然后进行二维视图坐标变换，步骤如下：

S3.6.1，按照所述S3.4中所得投影类型，对主视图中所有图元先取得二维定位特征点，存于数组MT[...]；

S3.6.2，对数组MT[...]内所有特征点先做顺时针180°旋转变换，再按照所述S3.5中所得新切分原点O做平移变换，得到主视图图元定位特征点新数组MTN[...]；

S3.6.3，由新数组MTN[...]更新对应图元二维定位特征点，生成以新切分原点O坐标系下的主视图投影图元数据集；

S3.6.4，依据同样的方法，变换得出新俯视图及侧视图投影图元数据集。

S3.7，利用改进的基于面向线框的重建算法，综合构建三维信息，其步骤如下：

S3.7.1，所述S3.6中,对得到的新主视图、新俯视图及新侧视图投影图元数据集进行三维坐标变换，得到三维基准数据，各视图处理算法如下：

主视图是立体在XOZ坐标面上的投影，将立体上的全部Y坐标变为0，而X,Z不变，可获得主视图，其变换矩阵为： $T_v=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

俯视图是立体在XOY坐标面上的投影。将立体上的Z坐标变为0；按三视图展开后的配置，应把俯视图绕X轴顺时针转90°，为使其与主视图保持一定的距离，应下一定距离V_k,因此俯视图的变化矩阵为：

左视图是立体在XOY坐标面上的投影，将立体的X坐标变为0，在绕Z轴逆时针旋转90°，为与主视图保持一定的距离，应使左视图向右移一个距离V_w，变换矩阵为：

S3.7.2，在得到各视图三维基准数据TBDV[...],TBDH[...],TBDW[...]后，按照基于维度的数据补全算法，转换各视图三维基准数据集为三维构建数据集.算法步骤如下：

a.首先对所选视图类型，获取视图缺失维度W；

b.按照视图缺失维度W，到对应的视图区间获得该维度W上的投影值区间，分别记为Wmin和Wmax，同时记录缺失维度拉伸值Wl；

c.然后对该视图三维基准数据集TBDX[...]进行遍历，对每个元素的原有缺失维度W由0分别替换为Wmin和Wmax

d.更新生成新三维构建数据集TDX[...]

S3.7.3，按照工程图纸多面正投影的“长对正，高平齐，宽相等”的特性，对得到的各视图三维数据TDV[...],TDH[...],TDW[...]进行反投影验证，以去除病态三维数据，步骤如下：

S3.7.3.1，对各视图进行轮廓提取，这里采用了改进的基于图元端点的判别算法：

a.首先按照端点相连的顺序构建该视图内的图元链表Elist；

b.然后获取坐标值最靠近原点的端点所属的图元作为起始搜索路径；

c.从图元链表Elist中筛选出与当前搜索路径有端点连接的图元作为新搜索路径，若新搜索路径与起始搜索路径相等，则完成搜索；

d.若有多条端点连接的图元，则计算当前图元路径与分支路径矢量间夹角的三角函数值，同时取最大夹角所属的分支作为新的搜索路径；若其中有圆弧存在，则取其切线方向进行计算；由于直接用角度计算要考虑到象限及三角函数本身的误差，这里根据角度与对应向量叉积关系，改角度比较为叉积比较；

e.最终完成外轮廓提取，得到各视图外轮廓图元链表PLV[...],PLH[...],PLW[...].

S3.7.3.2根据所选三维数据集TDX[...]投影类型，获取其在剩余投影面上的实际投影数据集DP[...]；

S3.7.3.3，判断投影数据集DP[...]与对应外轮廓图元链表PLX[...]所构成的多边形的几何关系，剔除掉落在该多边形外的投影数据集DP所对应的三维数据集TDX[...]中的三维数据；

S3.8，在获得各视图外轮廓图元链表PLV[...],PLH[...],PLW[...]及对应缺失维度拉伸值Wl的基础上，利用openGL渲染构建出三维实体,步骤如下：

S3.8.1，遍历主视图外轮廓图元链表PLV[...]，按照图元类型及特征三维点，利用openGL绘图函数绘制出主视图外轮廓，然后利用openGL扫掠函数以对应缺失维度拉伸值Wlw进行拉伸，生成主视图基本拉伸体ShapeV；

S3.8.2，遍历俯视图外轮廓图元链表PLH[...]，按照图元类型及特征三维点，利用openGL绘图函数绘制出俯视图外轮廓，然后利用openGL扫掠函数以对应缺失维度拉伸值Wlv进行拉伸，生成俯视图基本拉伸体ShapeH；

S3.8.3，遍历侧视图外轮廓图元链表PLW[...]，按照图元类型及特征三维点，利用openGL绘图函数绘制出主视图外轮廓，然后利用openGL扫掠函数以对应缺失维度拉伸值Wlh进行拉伸，生成侧视图基本拉伸体ShapeW；

S3.8.4，对各视图筛选出在该视图外轮廓所构成多边形范围内的剩余图元，利用搜索外轮廓同样的算法，得到内轮廓；

S3.8.5，利用孔柱判断算法，目前仅适用于贯通孔柱，若多个内轮廓所在凸包是包含关系，则最内部的内轮廓判断为孔，包含其的内轮廓均为柱，利用openGL扫掠函数以对应缺失维度拉伸值对孔柱轮廓进行拉伸，由此得到各视图的孔拉伸体集HoleShapes和柱拉伸体集CylinderShapes；

S3.8.6，对于实体的布尔操作，其定义描述如下：

实体A的边界记为b(A),实体B的边界记为b(B),

AinB表示b(A)在B中的部分，（AinB）^-1表示一个与AinB所含的所有面相同，但朝向相反的面的集合。

AonB+表示b(A)中与b(B)相重合，并且法线方向相同的部分。

AonB表示b(A)中与b(B)相重合，并且法线方向与b(B)相反的部分。

分两步进行：

a.split(A,B)->{AoutB,AinB,(AinB)^-1,AonB⁺,AonB^-,BoutA,BinA,BinA）^-1,BonA^-},其中BonA⁺与AonB⁺相同，故不列入内

b.粘合规则

A∩B->AinB*BinA*AonB

AUB->AoutB*BoutA*AonB⁺

A\B->AoutB*(BinA)^-1*AonB

S3.8.7，对各视图基本拉伸体进行孔柱组合，首先将基本拉伸体ShapeX与该视图的柱拉伸体集CylinderShapes进行并布尔运算，然后再与该视图的孔拉伸体集HoleShapes进行并布尔运算，最终得到各视图的新组合体ShapeNV，ShapeNH，ShapeNW；

S3.8.8，对各视图新组合体ShapeNV，ShapeNH，ShapeNW进行并布尔运算，得到最终三维实体FShape。

由于视图投影的重叠性和积聚性以及绘图者绘图过程的不确定性，直接从工程视图上获得原始数据的几何信息和拓扑信息都是不完备的，不足以恢复立体上的所有顶点和边。因此，需要对视图中的数据进行整理，以便获得完备的几何信息和拓扑信息，大致分为重叠处理和相交处理两种。

视图在投影面上进行投影的时候，有时不同的边会产生重叠，因此，必须对那些在三视图上因投影而重叠在一起的边进行分解与重构，才能获得视图比较完备的数据信息。重叠处理也就是指对重叠边的分解与重构处理。

重叠边的分解：析出长线段(包括线段、圆、椭圆、圆弧及椭圆弧)所覆盖的全部予线段及其特征点，并追加到相应的边集和点集中。

重叠边的重构：将完全重合或部分重合的线段以及若干共线且连续的子线段(包括圆弧及椭圆弧)合并为长线段，并将该线段及其特征点追加到相应的边集和点集中。

重迭边分解与重构的目的是生成三视图上全部二维线段，避免了在后续处理和特征识别重建过程中产生干扰信息。

因为图元间的位置关系，有时在投影面上的投影会出现相交(或相切)的情况，而这些交点或切点信息是不能直接从图形数据文件无法直接得到的，这类点定义为隐含点。缺少这些隐含点数据，就无法获得视图完备的几何信息和拓扑信息，会给后面重建过程中生成线框的搜索带来困难。

三维基础数据中的点表，其中只包含有从数据文件中可读到的点数据，而对于图元之间的交点和切点信息，从图形数据文件无法直接得到，一般情况下，有一部分重建所需的点数据需要对投影图数据文件进行处理才能得到，称之为隐含点数据。隐含点数据的产生主要原因是图元间位置关系从图形数据文件中无法直接得到，例如，两圆的切点无法从数据文件中读到。隐含点数据可以通过对投影视图中各图元闻位置关系进行分析来得到。对于图元间相交的位置关系，可以归结为三类进行研究：线段相交，线段与圆（弧）相交或相切，圆（弧）与圆（弧）相交或相切。

求取隐含点时，先按图元的特征进行相交或相切判断，然后根据具体情况求解，求出图元间的公共点之后，用求出的点数据充实已有的点表，合并点表中点数据相等的结点，同时对边表中相关的数据也做相应调整，保证数据的一致性。

S4，三维形体重构并显示：利用先前得到的修正过的三维基础数据，完成各子实体，内外实体的构建，进行转换和布尔运算，最终生成的三维线框模型显示效果见附图11，渲染后的三维实体模型效果见附图12。结果表明，改进的三维重构算法，特别是对于带孔洞结构的实体，能取得良好的效果。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.工程图纸三维重构及可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，图纸预处理；

S2，DXF文件解析识别；

S3，三维重构基础数据修正；

S4，三维形体重构并显示。

2.根据权利要求1所述的工程图纸三维重构及可视化方法，其特征在于，所述图纸预处理包括如下步骤：

S1.1，搜索XML文件，进行图元数据提取；

S1.2，按照图元类型进行分类；

S1.3，将提取到的每类图元按照DXF图元的构建参数进行重构；

S1.4，将去除了标注和文本的DXF图元数据集输出保存为中间交换DXF文件。

3.根据权利要求1所述的工程图纸三维重构及可视化方法，其特征在于，所述DXF文件解析识别包括如下步骤：

S2.1，遍历DXF结构，重点提取出ENTITIES段中的图元对象；

S2.2，根据对象类型进行数组归类和辅助参数的计算；

S2.3，利用投影区间算法进行视图投影类型的判断和图元对象的投影区间划分；

S2.4，根据图元对象所处的投影区间，进行三维坐标变换，得到三维重构基础数据。

4.根据权利要求3所述的工程图纸三维重构及可视化方法，其特征在于，所述投影区间算法包括如下步骤：

S2.3.1，依据现有所有图元数据集参数，对X轴和Y轴分别进行投影；

S2.3.2，用两数组分别记录下所有的X轴投影区间和Y轴投影区间；

S2.3.3，对两数组分别进行区间循环合并，直至全为分离区间为止；

S2.3.4，分别统计X轴和Y轴上的分离区间个数，即可判断该工程图纸投影类型；

S2.3.5，根据Y投影区间一的最大Y值和Y投影区间二的最小Y值，可以得到区间距离DIS,通过DIS/2点处做一条平行于X轴向的辅助线Tlx，然后根据X投影区间二最小值，沿X轴向原点平移DIS/2，通过该点做一条平行于Y轴向的辅助线Tly，则辅助线Tlx与Tly的交点即为视图新切分原点O；

S2.3.6，辅助线Tlx与Tl y将整个图元区域划分为四个区间，然后进行二维视图坐标变换；

S2.3.7，利用改进的基于面向线框的重建算法，综合构建三维信息；

S2.3.8，在获得各视图外轮廓图元链表PLV[...],PLH[...],PLW[...]及对应缺失维度拉伸值Wl的基础上，利用openGL渲染构建出三维实体。

Images