CN105718643A - 一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，包括以下步骤：1)在AUTOCAD绘制的原理图或安装图的基础上结合管子零件图和管系坐标，在Tribon中建模将DWG文件转换生成DXF文件；2)通过接口转换，将DXF文件直接转换为OpenFlight格式，获得能应用于Creator或Vega虚拟环境的管系模型；3)进行管系模型的可靠性与经济性的评估；4)在审图机和人机交互观测反馈屏中实现管系模型的生成，实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构；5)应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，指出模型问题后在Tribon软件Pipe Modelling模块的三维模型中做相应修改；6)完成修改，获得最终的船舶机舱管系。本发明方法能优化船舶管系设计，减少船舶设计费用，缩短船舶建造周期。

Description

一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法

技术领域

本发明涉及船舶机舱管系设计技术，尤其涉及一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法。

背景技术

对于目前船舶缺乏关于机舱管系建模的审图利器，有必要设置一个基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构，在审图机&人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)中应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，为机舱管系管理、协调提供可视化信息，优化船舶管系设计与安装，减少船舶设计费用，缩短船舶建造周期。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，包括以下步骤：

1)在AUTOCAD绘制的原理图、安装图基础上结合管子零件图和管系坐标，在Tribon中将DWG文件转换生成DXF文件；

2)通过接口转换，将DXF文件直接转换为OpenFlight格式，获得能应用于Creator或Vega虚拟环境的管系模型；

3)应用贝叶斯网络软件Netica根据建立的有向无环图进行管系模型的可靠性与经济性的评估，若评估通过，转入下一步；否则转入步骤2)；

4)在审图机&人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)中实现管系模型的生成，实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构；

5)应用TribonM3软件的PipeModelling模块建立AUTOCAD绘制的管路图的三维管路模型在人机交互观测反馈屏上建立反馈，应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，指出模型问题后在Tribon软件PipeModelling模块的三维模型中做相应修改；

6)完成修改，获得最终的船舶机舱管系。

按上述方案，所述步骤2)中将DXF文件直接转换为OpenFlight格式采用以下方法：

2.1)创建OpenFlight数据库；

2.2)创建8个以颜色命名的组节点；

2.3)打开DXF文件，读取每个实体的数据类型和颜色属性，读取每个实体的顶点坐标；

2.4)创建OpenFlight的对象节点，根据图形类型创建多个顶点，写入顶点坐标，然后把顶点附加给对象节点，最后根据颜色信息把对象节点附加给相应的组节点；

2.5)循环步骤2.3)至2.4)，直至转换完成。

按上述方案，所述步骤5)中最优化视角方法如下：

选定某个角度，遍历场景图，通过判断场景模型元素的边界体是否与观测体相交，确定场景图中对当前视点而言是可见的节点，剔除场景图中在当前视点视线范围内不可兼得场景图节点；完成该角度的可视化建模；

从各个角度观看建模效果，根据机舱的关系模型总体尺寸确定合适的视点位置，即最优化视角。

本发明产生的有益效果是：

1.采用本发明方法基于AUTOCAD图纸自动生成管系；优化船舶管系设计与安装，减少船舶设计费用，缩短船舶建造周期。

2.实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构应用于船舶生产设计审图；在审图机&人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)中应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，为机舱管系修改提供可视化信息。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的审图机&人机交互观测反馈屏(即基于VR的机舱管系辅助设计平台)的系统结构图；

图3是本发明实施例审图机&人机交互观测反馈屏(即基于VR的机舱管系辅助设计平台)的系统开发流程图；

图4是本发明实施例的基于MFC的Vega视景驱动程序进程同步处理的方法流程图；

图5是本发明实施例的贝叶斯网络有向无环图；

图6是最优化视角示意图；

图7是观测体示意图；

图8是屏幕比例尺示意图；

图9模型导入Creator文件格式转换程序流程图。

图中：1-远剪裁平面，2-截锥体，3-近剪裁平面，4-视点，5-屏幕比例尺，6-视点，7-边界体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，包括以下步骤：

1)在AUTOCAD绘制的安装图基础上结合管子零件图和管系坐标，将DWG文件导入装有TRIBON软件的设备中，直接将二维图纸生成DXF文件导出；

2)通过接口转换，将DXF文件直接转换为OpenFlight格式，获得能应用于Creator或Vega虚拟环境的管系模型；

2.1)创建OpenFlight数据库；

2.2)创建8个以颜色命名的组节点；

2.3)打开DXF文件，读取每个实体的数据类型和颜色属性，读取每个实体的顶点坐标；

2.4)创建OpenFlight的对象节点，根据图形类型创建多个顶点，写入顶点坐标，然后把顶点附加给对象节点，最后根据颜色信息把对象节点附加给相应的组节点；

2.5)循环步骤2.3)至2.4)，直至转换完成。

接口转换过程：

对于Tribon输出的文件,最关键的是掌握文件中图形对象的类型并得到每个图形实体中各个点的坐标。在DXF文件的结构中,三维模型的几何信息主要集中在实体段,实体段中包含了如圆、圆弧、多义线和三维面等多种图形对象。每种图形对象又由多个图形实体组成。在每个图形实体中,数据表达的顺序是:先叙述图形实体的图形类型,接着叙述图形实体的名称和相关属性,最后记录每个点的坐标。为此,本申请采用两个数组来存储一个图形实体的信息:一个用于存储点的坐标,一个用于存储实体的图形类型。将这两个数组放到一个结构中,当模型中不同类型的图形实体数目不止一个时,就可以采用这个结构来定义一个数组。整个模型由大量不同图形类型的实体所构成,只要读取所有实体的数据,就能得到原始Tribon模型的几何信息。根据Tribon导出模型中图形类型的不同建立多个组节点,每个组节点下按照图形实体的名称建立物体节点,最后将顶点的坐标记录到物体节点的面节点中。通过这样的重构方法,以树状的OpenFlight数据结构重新构造了原有模型的组织层次。对于OpenFlight模型实体而言,它由一个或多个面组成,而每个面又是由多个顶点来标定的。模型实体的几何造型就是由这些点和面来确定的,模型实体的材质则通过纹理映射来实现。只要将所有顶点的坐标信息记录到数据库中,就保证了模型的准确和真实可靠。

数据转换

在数据转换过程中把DXF文件当成普通的文本文件来处理,利用标准的C函数,如fopen、fscanf等来搜索文件中特定的图形类型字符串,包括3DFACE、POLYLINE、CIRCLE和SOLID等。读取DXF文件中不同图形类型的各个实体的名称和顶点坐标,然后利用OpenFlightAPI函数建立不同的组节点和物体节点,将顶点坐标保存到相应的面节点里。在读取和写入的过程中,各个顶点的坐标临时保存在一组double型的数组里,使模型的几何信息得以转移。当OpenFlight树状结构上相邻两个多边形节点的颜色、材质或纹理属性不一致时,系统在绘制多边形时将因发生了状态变化而暂停并调用新的属性,从而延缓运行速度。为了减少状态变化的次数和便于模型优化,程序读取了DXF文件中不同图形类型的颜色属性,并根据该属性将颜色相同的不同图形归入不同的组节点。如图9所示。

3)应用贝叶斯网络软件Netica根据建立的有向无环图进行管系模型的可靠性与经济性的评估，如图5所示，若评估通过，转入下一步；否则转入步骤2)；

4)在审图机&人机交互观测反馈屏中实现管系模型的生成，实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构，如图3所示；

步骤4)中在审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)中实现管系模型的生成，具体如下：

4.1)应用Creator软件打开OpenFlight数据格式的文件；

4.2)按照审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)系统开发流程图完成三维实时视景。

审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)系统结构图如图2所示；

审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)系统开发流程图如图3所示；在了解其功能的情况下，开发该平台的具体实施方案如下：

1.审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)系统组成：本系统是以数据库为中心的分布式的仿真系统，由数据库服务器、子系统仿真计算机、物理盘台、工控机、运行管理计算机组成，通过100M网络交换机组成快速以太网，具有虚拟驾驶台、虚拟集控台、虚拟主机、机舱漫游等功能。审图机和人机交互观测反馈屏(即基于VR的船舶机舱管系辅助设计平台)的视景系统包括：视景计算机、视景投影仪、视景投影幕等。

2.运行环境及开发环境：

可在WindowsXP及其以上操作系统运行

三维建模软件：Creator等

图象处理软件：Photoshop

视景驱动软件：Vega

数据库管理系统：Access

程序设计环境：VisualC++

3.三维模型建立：包括数据采集及预处理，材质纹理色彩处理等

4.人机交互实现三维模型漫游观测。

其中基于MFC的Vega视景驱动程序为：

Step1：创建一个基于MFC的单文档工程

Step2：导入vega提供的zsVegaView类，该类是CView类的继承类，该类提供的基本功能是开启一个线程，把Vega着色放进基于MFC应用程序的View窗口中。

Step3：在应用程序主View类中调用zsVegaView：：runVega()开启线程运行Vega。在zsVegaView中，调用vegaNT的API函数vgInitWinSys，把Vega窗口加到View窗口中。

Step4：调用Vega的三个初始化函数。

调用vgInitWinSys()函数初始化系统，并创建共享的内存区和信号区；

通过vgDefineSys()调用应用定义文件，读入该文件的数据并装载相关的数据库，创建需要的类和事件；

通过vgConfigSys()配置类的实例，将类的事件与函数调用结合起来。

Step5：编写Vega应用程序的主循环。一个典型的Vega应用程序包括vgSyncFrame和vgFrame函数的调用。通常在每个主循环或者每次需要一个新的显示时调用这些函数。vgSyncFrame函数把请求线程同步到一个给定的帧率上。

基于MFC的Vega应该程序的基本框架为：

Vega主循环的处理过程

主要的Vega仿真应用过程都是在Vega主循环中实现的，Vega主循环也可以分为严格有序的两个步骤：

(1)调用vgSyncFrame()函数进行当前帧的应用进程同步处理，即保证应用进程与给定的振频率同步，其主要过程如图4所示；

其中的处理包括检查应用程序退出标志、执行应用程序中的各类系统同步回调函数、更新Vega类实例状态、输入输出设备同步等，Vega应用程序的应用进程就是在这个过程中完成的。

应用进程进行仿真应用一些必须的处理操作，包括更新虚拟场景模型数据库的数据，读取输入设备(如鼠标、操纵杆、控制台按钮或其他模拟输入设备)的控制信息，计算视点和模型在虚拟场景中的位置和方向等等，并将所有的这些必备的数据信息储存为场景图(ScenceGraph，一种用于描述虚拟场景的由节点组成的有向无环图(一种层级状的数据结构)，从而进入图形管道后进行剔除和绘制处理。

(2)调用vgFrame()函数完成当前帧的剔除和绘制进程及相关处理。

5)应用TribonM3软件的PipeModelling模块建立AUTOCAD绘制的管路图的三维管路模型在人机交互观测反馈屏上建立反馈，应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，指出模型问题后在Tribon软件PipeModelling模块的三维模型中做相应修改；

最优化视角方法具体如下：

在基于MFC的Vega视景驱动程序中调用vgFrame()函数完成当前帧的剔除时选定某个视角，遍历场景图，通过判断场景模型元素的边界体(BoundingVolume用于限定模型边界范围的立方体、球体、圆柱体等闭合几何体)是否与观测体(ViewingVolume,用于表示虚拟场景中的观测者视线范围的假想几何体)相交，确定场景图中哪些节点对当前视点而言是可见的。剔除场景图中在当前视点视线范围内不可兼得场景图节点。通常系统会把需要绘制的场景部分的状态信息和渲染指令以类似显示列表的形式储存在内存中，为绘制场景图像做好准备。

如图7所示，一般，观测体的顶点就是观察者的视点位置，观测体的底面为投影面，也就是产生渲染图像的位置。两个与底面平行的平面将观测体截断就得到了一个四棱台。构成四棱台的六个面被称为裁剪面，离视点最近的裁剪面是近裁剪面，离视点最远的裁剪面是远裁剪面。在实时渲染过程中，只有落在截锥体内部的场景元素才会被绘制出来。

在可视化建模过程中，用户需要不定时的从各个角度观看建模效果，不同机舱的关系模型总体尺寸千差万别，这就需要确定合适的视点位置，即最优化视角。

如图8所示，引入屏幕比例尺概念，以屏幕分辨率数值为量，以1米为单位新建一个面，称为拟合面，该面的长和宽分别对应屏幕的长宽尺寸，然后调整视点位置，直到刚好将整个拟合面映射到屏幕上，此时的视点位置、拟合面所组成的观测体就被称为屏幕比例尺。要在一个虚拟现实场景中全面预览管系模型图，就必须将包容所有模型的边界体包含在观测里。在管系建模过程中，不管模型的尺寸多大或者多小，视点和投影面的投影矩形四个顶点的连线都分别经过拟合面的四个顶点，拟合面的四个顶点分别将视点与投影面矩形四个顶点的连线分成了相同比例；要在视图中预览所有三维模型，就必须将主视方向上的边界体全部包含到观测体中去。由于边界体的大小在预览瞬间是固定的，将边界体包含到观测体中的唯一方法就是调整视点位置，下面将对视点位置的确定进行算法分析。

如图6所示，设视点位置为Pview(Xview，Yview，Zview)，在屏幕比例尺中：拟合面长度为Ln，宽度为Wn，视点和拟合面中心连线长度为Lc。边界体的长度为Lg，宽度为Wg，边界体投影面四个顶点坐标分别为P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),P4(x4,y4,z4).

以主视图为例，将视点和边界体分别投影到投影面上。为了充分利用计算机屏幕的显示空间，件视点投影设在边界体投影的中心上，所以不难得到Xview和Zview的坐标值：

Xview＝1/2(x2+x3)

Zview＝1/2(z1+z2)

由于边界体的长宽比例与拟合面的长宽比例可能不一样，如果统一按照长或宽比例来计算就可能出现边界体模型溢出现象，所以在求Yview的时候就要分两种情况：

当Lg/Wg≧Ln/Wn时：Yview＝y1+LcLg/Ln

当Lg/Wg<Ln/Wn时:Yview＝y1+LcWg/Wn

同理，根据上述计算方法可以精确计算出左视、俯视状态下预览全部模型的最佳视点位置。

6)完成修改，获得最终的船舶机舱管系。

在本发明中，在2.6)中采用Schroeder三角形网格简化算法建立具有多种细节层次的OpenFlight模型,以满足视景仿真系统对实时性的要求。三角形网格简化算法具体如下：

(1)构造三角形网格顶点的平均平面，平均平面的构造方法为

$x=\frac{\mathrm{\&Sigma;}xiAi}{\mathrm{\&Sigma;}Ai},N=\frac{\mathrm{\&Sigma;}niAi}{\mathrm{\&Sigma;}Ai},n=\frac{N}{\left|N\right|}---\left(1\right)$

式中ni，Ai，xi分别为顶点周围第i个三角形的所在平面的单位法向量，面积和平均平面的中心点坐标；n，x分别为平均平面的单位法向量和中心点坐标。

(2)计算三角形网格中每个顶点到该平均平面的举例，除了复杂顶点(以其为端点的边没有被两个三角形所共享，或者该顶点被一个没有在三角形环中的三角形使用)不能被删除外，为其余顶点进行排序，组成顶点链表，控制删除顶点的个数可以控制模型网格的简化程度。

(3)如果顶点到平均平面的距离小于给定的近似误差值，那么就删除这个顶点。顶点的删除方法是：对于简单顶点(正好被一个完整的三角形环所包围，每个以该顶点为端点的边被两个三角形所共享)，如果其与一个平均平面的距离小于摸个预定义的值，则该顶点将被删除。对于在三角形网格边界上的顶点，则以其到某一直线的举例作为删除标准，该直线是通过连接两个产生边界的顶点所形成的。顶点v到平均平面的距离d可表示为

d＝|ni(v-x)|(2)

(4)对删除顶点后留下的空洞采用Delaunay三角形剖分法进行局部三角化。

(5)重复上述操作，直到三角形网格中无满足上述条件的点为止。

现根据三角形网格建立所用的三角形个数及顶点个数情况对满足视景仿真系统对实时性的要求，进行可靠性和经济性打分由贝叶斯网络得出综合评估结果。A：可靠性，取值范围0～1；B：经济性，取值范围:0～1，建立普通贝叶斯网络即有向无环图如图5所示：

在贝叶斯网络软件Netica中根据(a)普通贝叶斯网络的有向无环图完成计算(图中以可靠性打分0.25，经济性打分0.65举例说明)，或按照定性贝叶斯网络(QuantityBayesianNetworks,QBN)在不需要概率非常精确，只需要一个定性结果下，按照(b)图对应的定性贝叶斯网络，“+”代表正影响,“-”代表负影响，设G＝(V(G)，A(G))是一个有向无环图，V(G)是节点的集合，A(G)是有向边的集合。大写字母A,B表示节点，小写字母a，b表示节点的取值，Pa(*)表示节点的双亲节点集，以此完成综合评估结果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在AUTOCAD绘制的原理图或安装图的基础上结合管子零件图和管系坐标，应用TribonM3软件的PipeModelling模块建立根据AUTOCAD图纸绘制的管路图的三维管路模型,将DWG文件转换生成DXF文件；

2)通过接口转换，将DXF文件直接转换为OpenFlight格式，获得能应用于Creator或Vega虚拟环境的管系模型；

3)应用贝叶斯网络QBA定性评估或贝叶斯网络软件Netica建立的有向无环图进行管系模型的可靠性与经济性的评估，若评估通过，转入下一步；否则转入步骤2)；

4)在基于VR的审图机和人机交互观测反馈屏中实现管系模型的生成，实现人机交互功能观察船体机舱管系内部结构；

5)应用TribonM3软件的PipeModelling模块建立根据AUTOCAD图纸绘制的管路图的三维管路模型在审图机和人机交互观测反馈屏上建立反馈，应用最优化视角方法有效发现管系建造中的问题，指出模型问题后在Tribon软件PipeModelling模块的三维模型中做相应修改；

6)完成修改，获得最终的船舶机舱管系。

2.根据权利要求1所述的基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，其特征在于，所述步骤2)中将DXF文件直接转换为OpenFlight格式采用以下方法：

2.1)创建OpenFlight数据库；

2.2)创建8个以颜色命名的组节点；

2.3)打开DXF文件，读取每个实体的数据类型和颜色属性，读取每个实体的顶点坐标；

2.4)创建OpenFlight的对象节点，根据图形类型创建多个顶点，写入顶点坐标，然后把顶点附加给对象节点，最后根据颜色信息把对象节点附加给相应的组节点；

2.5)循环步骤2.3)至2.4)，直至转换完成。

3.根据权利要求1所述的基于最优化视角的船舶生产设计审图器实现方法，其特征在于，所述步骤5)中最优化视角方法如下：

选定某个角度，遍历场景图，通过判断场景模型元素的边界体是否与观测体相交，确定场景图中对当前视点而言是可见的节点，剔除场景图中在当前视点视线范围内不可兼得场景图节点；完成该角度的可视化建模；

从各个角度观看建模效果，根据机舱的关系模型总体尺寸确定合适的视点位置，即最优化视角。