CN117934789B - 一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，包括：S1，CAD示意图制作及图层标准化命名；S2，参数解析及二维标注联动重绘；S3，生成参数驱动的动态三维构件模型；本发明能实现属性网格视图中行记录选中操作与二维视图图元重绘的联动响应；当属性网格视图中的造型驱动参数值改变时，借助三维几何造型数据访问接口，即时构造构件的三维模型，将造型结果显示在三维视图中。该方法实现三维模型构件模板的速度快、流程简单，通过二三维视图联动的方式全方位展示了构件模型的参数驱动几何造型过程和结果，实现了借助CAD文件交换模型信息，以及构件模板的实时交互编辑。

Description

一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法

技术领域

本发明涉及信息模型处理与优化技术领域，具体涉及一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法。

背景技术

近年来，作为信息管理的核心载体，三维模型在市政、铁路、公路等各类工程中得到越来越广泛的应用。由于工程中很多基本组成单元“构件”需要被反复使用，而重复性建模势必带来大量人力和时间浪费，亟需建立满足工程需要的三维模型构件模板库，从而为项目级建模提供种类丰富、可快速实例化并重复使用的素材。然而，传统建立三维模型构件模板库的过程不仅需要对工程设计图或施工图有着深刻理解的工程人员参与，更要求对三维模型生产制作有着丰富经验的建模人员协助，由于对某一类构件有不同参数值驱动造型的需要，对其模板逐一建模往往会造成人力和时间的过度投入。因此，有必要采用自定义造型参数、并以其驱动得到不同构件实例的方式，高效便捷、低成本地生成与工程实际相符合的三维模型构件模板。

现有的三维模型构件模板实现方法主要包括以下两种：一是先三维建模后绑定造型驱动参数。这种方法常见于成熟建模商业软件中，即借助软件的三维造型功能先对构件的几何特征建模，而后将工程人员理解的造型参数与模型几何尺寸做绑定关联，这种方式的不足体现在，构件的类型过早地被限制在前期的三维建模结果中，后期对造型参数的扩展能力十分有限，从而导致对构件的抽象化定义程度不高，变更少量的造型参数都需要制作新的模板。另一方面构件模板的实例化成果受限于软件专有格式，不具有通用性，使用时往往需要进行格式转换。二是先定义造型驱动参数后直接生成模型构件的实例。这种方法常见于自主研发的构件模板库，由于在造型驱动参数、三维模型数据访问接口、几何造型方式等诸多方面可供自主选择，其具有较高的可扩展性和可控性。然而这种方法仍然具有以下不足：

1）模板的修改和变更都依赖于研发人员，构件模板的实现效率不高；

2）需要工程人员将建模意向事先实现传达给研发人员，容易引起理解偏差从而导致反复修改；

3）造型驱动参数无法直观地反映在模板上，与构件模型几何的对应关系需要通过另外制作的说明书和示意图表达；

4）难以分析建模异常和错误产生的原因，造型驱动参数之间往往隐含耦合关系，需要工程人员根据经验事先设立约束条件，由此额外增加的测试验证工作制约了三维模型构件模板的快速部署应用。

发明内容

为了解决三维模型构件模板的造型驱动参数定义和配置过程繁琐、表现形式单一、实现效率低的问题，本发明提供一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，包括以下步骤：

S1，CAD示意图制作及图层标准化命名：

使用CAD绘制三维构件在若干视角下的二维平面示意图，并在对应位置添加标注，所述标注为造型驱动参数的名称，用于描述所述三维构件的物理属性；

将每个不同的标注设置在相互独立的图层中，所述图层的名称包括所述造型驱动参数的名称与缺省值，通过所述图层名称进行区分；

当所述造型驱动参数具有控制其它所述造型驱动参数有效性的能力时，在受控的所述造型驱动参数对应的图层名称中追加控制的所述造型驱动参数的名称与参数值；

经上述步骤得到多图层的二维平面示意图；

S2，参数解析及二维标注联动重绘，包括以下步骤：

S21，使用CAD插件对S1得到的多图层的二维平面示意图进行解析；

S22，将S21中解析的结果输入到Visual Studio的属性网格视图控件中，得到属性网格视图，所述属性网格视图包括造型驱动参数名称、造型驱动参数的缺省值；设计属性网格视图的选中行响应函数，所述选中行响应函数用于在所述属性网格视图选中造型驱动参数时，改变所述造型驱动参数对应的所述标注的颜色；配置数值编辑控件，所述数值编辑控件用于在改变所述造型驱动参数时，重绘所述二维视图；

S3，生成参数驱动的动态三维构件模型，包括以下步骤：

S31，使用三维造型应用开发接口工具得到参数化描述的三维构件模型；

S32，使用所述三维造型应用开发接口工具将所述三维构件模型转化为网格化Mesh模型；

S33，设计属性值改变响应函数，所述属性值改变响应函数用于在所述属性网格视图中的造型驱动参数被改变时，重绘所述网格化Mesh模型，最终得到动态三维构件模型。

优选的是，S1中所述若干视角包括立面视角、平面视角或剖面视角；所述三维构件的物理属性为驱动三维模型构件几何形态或组成结构发生改变的、具有工程化语义描述的参数。

优选的是，S1中所述图层名称的命名方式为：造型驱动参数名～数据类型标识符～造型驱动参数缺省值。

优选的是，S1中，

当对应的所述造型驱动参数的类型为浮点型时，所述数据类型标识符为空字符；

当对应的所述造型驱动参数的类型为整型时，所述数据类型标识符为i；

当对应的所述造型驱动参数的类型为布尔型时，所述数据类型标识符为b。

优选的是，当所述造型驱动参数具有控制其它所述造型驱动参数有效性的能力时，在受控的所述造型驱动参数对应的所述图层名称中追加的造型驱动参数的名称与参数值的命名方式为：～cb～控制造型驱动参数名～控制造型驱动参数值。

优选的是，S22中，在所述属性网格视图中控制造型驱动参数值与对应的所述图层名称中追加的控制造型驱动参数值相同时，开启所述属性网格视图中对应的所述受控的造型驱动参数的编辑功能。

优选的是，S21具体为：

使用CAD的插件Cadlib解析S1中得到的所有所述图层中的图元和所述图层名称，所述图元包括所述二维平面示意图和所述标注；

所述解析完成后，使用Cadlib建立二维视图。

优选的是，S22中所述的属性网格视图控件为PropertyGridView，所述属性网格视图控件用于将造型驱动参数的名称和缺省值分别对应输出到所述属性网格视图的属性名和属性值列中并进行展示。

优选的是，S33中，重绘所述网格化Mesh模型的方法为：利用改变后的所述造型驱动参数重新进行S31和S32。

优选的是，S3中，所述网格化Mesh模型还要进行表面渲染；所述三维造型应用开发接口工具为BIMBase或AnyCAD。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的方法利用通用CAD矢量线画图格式提供的图层存储机制，不仅避免了现有方法实现三维模型构件模板时成果格式受三维建模商业软件制约的情况，而且解决了模板实现过程紧耦合难以分割、完全依赖研发人员理解造型意图并全力投入的问题。实现了工程人员通过示意图、标注和图层名将造型意图和造型驱动参数快速传递给研发人员的目标，同时利用结构化的数据存储，为计算机提供了高效、自动解析三维模型构件模板信息的实现途径；

（2）本发明的方法在解析通用CAD矢量线画图格式文件中存储的三维模型构件模板造型驱动参数及对应标注的基础上，建立起具有消息联动机制的属性网格视图和二维视图，实现了选中造型驱动参数后对相应标注的重绘，以提示当前操作对象的方式降低了现有方法在绑定造型驱动参数和图元后因示意图中图元间存在拓扑关系而引起的图形重构错误风险；

（3）本发明的方法实现了基于造型驱动参数的三维模型构件实时建模处理和成果展示，与传统方法相比的优势在于，充分利用了CAD矢量线画图直观表达、易于模板实现双方人员理解掌握和结构化解析的特点，同时以二三维视图联动的方式解决了缺少示意图及标注信息情况下盲目驱动三维模型构件造型的问题，不仅更符合工程人员依赖CAD矢量线画图的作业习惯，而且避免了工程人员和研发人员之间频繁产生的理解分歧，最终为三维模型构件模板的应用提供了快速、可靠的技术支撑。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的实施例中借助通用CAD绘制的桥墩构件模板二维平面示意图；

图3为本发明的实施例中属性网格视图的效果图；

图4为二维视图中颜色重绘的效果图；

图5为开启参数的编辑功能的效果图；

图6为动态三维构件模型效果图；

图7为动态三维构件模型随浮点型参数改变的效果图；

图8为动态三维构件模型随布尔型参数改变的效果图；

图9为本发明的具体分步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。

参见图1和图9，本发明的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法包括以下步骤：

S1，CAD示意图制作及图层标准化命名：

采用通用CAD矢量线画图格式及相应编辑软件，绘制三维模型构件在立面、平面、剖面等各视角下的示意图，将其尺寸、角度等几何造型驱动参数设置为示意图上的标注，并将各参数对应的标注逐一设置到相互独立的图层中，图层以“参数名～数据类型标识符～参数缺省值”的方式命名。当该参数具有控制其它参数有效性的能力时，应在受控参数的图层名后追加“～cb～控制参数名～控制参数值”。具体如下：

通用CAD矢量线画图格式一般都具有分图层存储二维图元的能力，例如dwg、dxf、iges、stl、step等。工程人员通常采用上述格式的文件来存储项目设计图或施工图，因此十分熟悉其创建和修改编辑操作。本发明充分利用了通用CAD矢量线画图格式在数据结构和数据处理上的这两个优势，实现了示意图、标注以及造型驱动参数的便捷化编辑、存储和传递。

首先在任意图层中绘制出表达三维模型构件在平面、立面、剖面等不同视角下的示意图，这一过程与传统绘制各类工程图的方法基本相同，区别在于本发明方法不用考虑将构成示意图的图元按类型分图层存储，也无需为图元指定线型、颜色、填充纹理等属性。而后对于能驱动三维模型构件几何形态或组成结构发生改变的、具有工程化语义描述的造型驱动参数，则需要绘制清楚。例如桥墩构件的墩高、墩身坡率，隧道拱墙构件的厚度、内轮廓圆弧半径等。根据这些造型驱动参数所属的长度、半径等类型，使用CAD软件提供的标注工具，在不同视角的示意图中相对应的图元上标绘出来。

在标绘的过程中，将标注按照对应的造型驱动参数配置到独立的图层中。当不同视角下的示意图上有多个标注都对应相同的造型驱动参数时，将这些标注配置到同一个图层中。

图层的命名规则见表1

表1

参见表1，采用“参数名～数据类型标识符～参数缺省值”的方式为图层命名，用于定义图层所对应的造型驱动参数并记录其中的信息。两相邻字段间用“~”符号连接，字段为空字符时，删除字段后的连接符号“~”；浮点型的数据类型标识符为空字符。

当造型驱动参数受其它参数控制时，使用cb作为此字段类型的字段值；当控制造型驱动参数的控制参数值与对应的受控造型驱动参数名称中的控制参数值相同时，开启受控的造型驱动参数的驱动造型的能力。

为了实现一个三维模型构件模板允许定义不同造型驱动参数集合的能力，通过在图层名后追加由三个字段构成的“～cb～控制参数名～控制参数值”字符串，定义了参数之间的单向控制关系。例如某造型驱动参数A，其名称为NameA其数据类型为布尔型，当其值为1时，造型驱动参数B才能够参与三维模型构件的几何造型并具备驱动能力，此时造型驱动参数B受控于造型驱动参数A，所以对于造型驱动参数B的图层名则需要在其后追加“～cb～NameA～1”字符串。表1展示了上述图层命名的字段组成方式，以及不同数据类型的造型驱动参数的字段取值规则。

完成三维模型构件的示意图绘制、标注标绘以及符合上述规则的图层命名后，将通用CAD矢量线画图保存输出为文件，成为用于后续建立视图并实现联动机制的三维模型构件模板交换数据。

S2，参数解析及二维标注联动重绘：使用可访问S1步骤中CAD矢量线画图格式文件的数据访问接口，解析其中记录的各图层名称，以获得参数名，参数值类型和缺省参数值，进而采用属性网格视图实现构件造型驱动参数的可交互性及可编辑性。使用二维视图重新绘制CAD矢量线画图格式文件中记录的所有示意图及参数标注，并与属性网格视图建立联动响应，当某参数被用户选中编辑时，二维视图中与该参数对应的标注以区别于其它非选中标注的颜色重新绘制，实现在选中参数后高亮显示二维视图标注的效果。具体包括以下步骤：

S21， 使用步骤S1中创建文件时使用的线型、线宽和颜色通过插件输出到二维视图中，实现两类几何信息的初始绘制和展示，具体为：以步骤S1所得CAD矢量线画图文件为输入数据，使用相应的CAD插件Cadlib，解析其中的图元和图层名。其中图元包括示意图和标注两类几何信息。再根据解析的几何信息使用Cadlib建立二维视图，所述二维视图用于显示上述示意图和标注的所有点、线、面等要素。

遍历步骤S1所得CAD矢量线画图文件中的图层，按照表1确定的命名规则，解析各图层名称中的字段值，获得造型驱动参数的名称、数据类型、缺省值，以及与其它造型驱动参数间可能存在的控制与被控制关系。

S22，建立具有逐项选中和属性值编辑能力的属性网格视图：使用Visual Studio的属性网格视图控件（PropertyGridView），将造型驱动参数的名称和缺省值分别对应输出到属性网格视图的“属性名”和“属性值”列中并展示，设计属性网格视图的选中行响应函数，在该响应函数中，实现代码以提示性的颜色重绘该行对应造型驱动参数的标注。根据造型驱动参数的数据类型，在“属性值”列下其对应的单元格中配置相应的可用于数值编辑和选择的控件。

在属性网格视图和二维视图之间建立起“选中参数->颜色重绘”的消息联动机制，即当属性网格视图中某造型驱动参数所在的行被选中时，使用与初始绘制时不同的、具有提示性的颜色，借助Cadlib给标注指定颜色的功能改变二维视图中造型驱动参数对应的标注图元的颜色；反之当取消选中时，使用与初始绘制时相同的颜色重新绘制相应标注的图元，可以清晰明确的通过二维视图提示当前造型驱动参数的所在部位。

结合造型驱动参数间构成的控制与被控制关系，设置被控制造型驱动参数的可编辑性，当控制造型驱动参数获得与表1中“控制参数值”字段相同的值时，可对被控制造型驱动参数的“属性值”单元格中数值进行修改编辑；否则设置其“属性值”单元格为不可编辑状态，禁止该参数的造型驱动能力。

S3，生成参数驱动的动态三维构件模型：借助三维几何造型数据访问接口，将由S2步骤解析所得的所有造型驱动参数转换为轮廓、体块等各类三维建模基本图元的尺寸，当位于S2中属性网格视图下的任一参数值通过修改编辑发生数值变化时，立即重新构造构件的三维几何形体，并在三维视图中实时显示其造型结果，以实现一组参数驱动一种构件几何造型的目标，最终完成构件模板的快速部署。具体如下：

以步骤S2所得的属性网格视图中显示的造型驱动参数的名称、数据类型、缺省值和用户设定值为输入数据，借助三维几何造型数据访问接口AnyCAD，将输入的所有造型驱动参数转换为轮廓、体块等各类三维建模基本图元的尺寸。以这些三维建模基本图元为造型对象，采用计算机图形学中的构造实体几何CSG方法，可以重新构造并显示构件的三维几何形体，步骤如下：

S31，根据造型需要创建一个或多个独立几何体，当多个独立几何体被创建时，借助AnyCAD提供的造型功能，在其彼此间执行布尔运算，以得到参数化描述的三维构件模型。独立几何体由基本几何体（如球/椭球体、长方体、圆锥体等）和复杂几何体（如拉伸体、Loft体、扫掠体等）构成，布尔运算则包括交集、并集、补集和分割；表2展示了构造部分独立几何体所需的尺寸参数。

表2 构造独立几何体所需的尺寸参数

S32，使用AnyCAD或BIMBase提供的网格化Mesh模型构造功能，在步骤S31所得构件模型的表面上采样关键点，并在相邻关键点之间按照特定的规则连线，再由连线围合成相互邻接的三角面，最终生成便于计算机显示的网格化Mesh模型，用来近似表达构件的三维几何形体；

S33，创建三维视图：将步骤S32所得Mesh模型经过表面渲染后显示到计算机前端；通过设计属性网格视图的属性值改变响应函数，建立起造型驱动参数值变更与三维视图重绘的联动机制，在该响应函数中，实现代码以改变后的造型驱动参数值重新执行模型造型过程。当步骤S2中属性网格视图下的造型驱动参数值发生改变时，重复上述步骤S31和S32，进而删除三维视图中原有Mesh模型，重新绘制显示新构造的Mesh模型。

实施例1

为验证本发明的方法，以桥梁的组成单元，圆端型实体墩身为例，采用dwg作为CAD矢量线画图格式，完整实施了本发明方法的各步骤。如图2所示，使用AutoCAD软件绘制圆端型墩身示意图、添加标注并基于命名规则确定图层名。

该圆端型实体墩身模板共计由12个造型驱动参数构成，各项参数的名称、数据类型、缺省值、控制参数名与控制参数值见表3所示。

表3 圆端型实体墩身的造型驱动参数

如图3所示，按照步骤S2方法，将从图层名中获得的造型驱动参数名称、数据类型和缺省值显示到属性网格视图中，将构成示意图和标注的全部几何图元输出显示到二维视图中，并通过选中行响应函数建立属性网格视图中记录与标注间的消息联动响应。

如图4和图5所示，当在属性网格视图中选中名为“墩身高”的造型驱动参数时，该参数在二维视图中对应的标注将重绘为其它颜色，指示出当前操作参数相应的尺寸在示意图中的位置。当改变属性网格视图中名为“是否采用坡率”的造型驱动参数值为0，即复选框为不勾选状态时，其控制参数“坡率N”变为不可编辑状态，同时二维视图中其相应的标注消失不见，其另一个控制参数“墩底纵长”变为可编辑状态，同时在二维视图中显示其相应的标注。

按照步骤S3得到三维视图之后，当在属性网格视图中改变造型驱动参数“墩身高”的尺寸值后，如图6和图7所示，三维视图中墩身构件模型的几何造型随即发生改变，墩身高度变化为更改后的尺寸值；改变造型驱动参数“有无沟槽”的复选框为不选中状态时，图7和图8的二维视图中示意图上的开槽图元消失，同时三维视图中墩身模型上的开槽造型消失。

Claims (9)

1.一种三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，CAD示意图制作及图层标准化命名：

使用CAD绘制三维构件在若干视角下的二维平面示意图，并在对应位置添加标注，所述标注为造型驱动参数的名称，用于描述所述三维构件的物理属性；

将每个不同的标注设置在相互独立的图层中，所述图层的名称包括所述造型驱动参数的名称与缺省值，通过所述图层名称进行区分；

当所述造型驱动参数具有控制其它所述造型驱动参数有效性的能力时，在受控的所述造型驱动参数对应的图层名称中追加控制的所述造型驱动参数的名称与参数值；

经上述步骤得到多图层的二维平面示意图；

S2，参数解析及二维标注联动重绘，包括以下步骤：

S21，使用CAD的插件Cadlib解析S1中得到的所有所述图层中的图元和所述图层名称，所述图元包括所述二维平面示意图和所述标注；

所述解析完成后，使用Cadlib建立二维视图；

S22，将S21中解析的结果输入到Visual Studio的属性网格视图控件中，得到属性网格视图，所述属性网格视图包括造型驱动参数名称、造型驱动参数的缺省值；设计属性网格视图的选中行响应函数，所述选中行响应函数用于在所述属性网格视图选中造型驱动参数时，改变所述造型驱动参数对应的所述标注的颜色；配置数值编辑控件，所述数值编辑控件用于在改变所述造型驱动参数时，重绘所述二维视图；

S3，生成参数驱动的动态三维构件模型，包括以下步骤：

S31，使用三维造型应用开发接口工具得到参数化描述的三维构件模型；

S32，使用所述三维造型应用开发接口工具将所述三维构件模型转化为网格化Mesh模型；

S33，设计属性值改变响应函数，所述属性值改变响应函数用于在所述属性网格视图中的造型驱动参数被改变时，重绘所述网格化Mesh模型，最终得到动态三维构件模型。

2.根据权利要求1所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S1中所述若干视角包括立面视角、平面视角或剖面视角；所述三维构件的物理属性为驱动三维模型构件几何形态或组成结构发生改变的、具有工程化语义描述的参数。

3.根据权利要求1所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于，S1中所述图层名称的命名方式为：造型驱动参数名～数据类型标识符～造型驱动参数缺省值。

4.根据权利要求3所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S1中，

当对应的所述造型驱动参数的类型为浮点型时，所述数据类型标识符为空字符；

当对应的所述造型驱动参数的类型为整型时，所述数据类型标识符为i；

当对应的所述造型驱动参数的类型为布尔型时，所述数据类型标识符为b。

5.根据权利要求4所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：当所述造型驱动参数具有控制其它所述造型驱动参数有效性的能力时，在受控的所述造型驱动参数对应的所述图层名称中追加的造型驱动参数的名称与参数值的命名方式为：～cb～控制造型驱动参数名～控制造型驱动参数值。

6.根据权利要求5所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S22中，在所述属性网格视图中控制造型驱动参数值与对应的所述图层名称中追加的控制造型驱动参数值相同时，开启所述属性网格视图中对应的所述受控的造型驱动参数的编辑功能。

7.根据权利要求1所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S22中所述的属性网格视图控件为PropertyGridView，所述属性网格视图控件用于将造型驱动参数的名称和缺省值分别对应输出到所述属性网格视图的属性名和属性值列中并进行展示。

8.根据权利要求1所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S33中，重绘所述网格化Mesh模型的方法为：利用改变后的所述造型驱动参数重新进行S31和S32。

9.根据权利要求1所述的三维构件造型驱动参数表达与模型动态造型方法，其特征在于：S3中，所述网格化Mesh模型还要进行表面渲染；所述三维造型应用开发接口工具为BIMBase或AnyCAD。