專利名稱：工程圖空間曲線線框模型重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維重建技術(shù)，特別是一種工程圖空間曲線線框模型重建方法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今的信息社會(huì)中，CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從而發(fā)展出兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一個(gè)領(lǐng)域是基于二維平面的CAD設(shè)計(jì)技術(shù)，如AutoCAD軟件；另外一個(gè)領(lǐng)域是基于三維空間的形體設(shè)計(jì)，如Pro/E、UG等軟件。從發(fā)展態(tài)勢(shì)上看，更加傾向于三維空間形體的設(shè)計(jì)方法。但目前還是存在大量的基于二維平面的CAD設(shè)計(jì)圖紙。因此，如何將基于二維平面的CAD設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)用于基于三維空間的形體設(shè)計(jì)系統(tǒng)就成為一個(gè)非常重要的課題，該課題目前在學(xué)術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。三維重建技術(shù)是目前解決該問(wèn)題的一個(gè)主要方法，是將二維圖紙通過(guò)提取二維圖紙中的三維描述信息，自動(dòng)或半自動(dòng)地將其轉(zhuǎn)換成為三維空間形體或模型。該技術(shù)的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了基于三維空間形體設(shè)計(jì)的工作，也為基于二維平面的CAD設(shè)計(jì)技術(shù)提供了生存空間。
國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)圖像初步矢量化過(guò)程提出了一些傳統(tǒng)的算法，如自底向上法(Bottom-up approach)、模型引導(dǎo)的模式匹配法(Model-guided pattern matching approach)、體切削法(Plane-cutting operation approach)、增量拉伸成型法(Incrementalextrusion approach)、自頂向下法(Top-down approach)、特征識(shí)別法(Feature-based recognition approach)、面域識(shí)別法(Area-basedrecognition approach)等。盡管這些方法的重建策略不同，但最終目的都是如何解決兩個(gè)方面的基本問(wèn)題一個(gè)是如何建立不同視圖間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；二是如何利用已經(jīng)建立的視圖間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)個(gè)體元素的組合最后得到三維形體的描述。在解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，不同的方法體現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。但上述所有方法都集中在或是部分集中在不存在曲面體的假設(shè)前提下進(jìn)行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)，目的是提供一種工程圖空間曲線線框模型重建方法。本發(fā)明旨在解決了曲面體重建非正放情況下實(shí)現(xiàn)重建的方法，并且為解決非正放二次空間曲線之間求取相對(duì)位置關(guān)系提供了一條可行的思路。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特點(diǎn)是該方法包括如下步驟步驟A客戶端對(duì)CAD工程圖數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式的CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括生成二維點(diǎn)表、生成二維線表、確定坐標(biāo)原點(diǎn)，并將該CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器；步驟B服務(wù)器端接收到預(yù)處理后的工程圖紙后，采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表；步驟C在服務(wù)器端采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化；步驟D在服務(wù)器端采用去除重疊邊、去除虛假邊和點(diǎn)的方法去除冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型。
所述的步驟A中的CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程進(jìn)一步包括步驟A1在客戶端，采用遍歷CAD數(shù)據(jù)輸入所有二維線表的方法，生成二維點(diǎn)表和二維線表；步驟A2在客戶端，根據(jù)二維點(diǎn)表和二維線表，采用基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式確定坐標(biāo)原點(diǎn)、進(jìn)行視圖分離和視圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過(guò)廣域網(wǎng)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)三視圖數(shù)據(jù)給客戶端。
所述的步驟B在服務(wù)器端采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟B1從主視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)vNode(xv，0，zv)，從俯視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)hNode(xh，yh，0)，比較這兩個(gè)二維點(diǎn)之間在X坐標(biāo)上的差異，如果|xv-xh|≤ε，通常取ε＝0.1，則在側(cè)視圖上選取點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟B2，否則繼續(xù)搜索比較側(cè)視圖上二維點(diǎn)，找出滿足|xv-xh|≤ε的俯視圖上的xh點(diǎn)；步驟B2從側(cè)視圖上選取的二維點(diǎn)wNode(0，yw，zw)，比較其Y坐標(biāo)與俯視圖上相應(yīng)點(diǎn)的Y坐標(biāo)值的差異，如果|yw-yh|≤ε，通常取ε＝0.1，則以同樣的方法比較Z坐標(biāo)值之間的差異，轉(zhuǎn)步驟B3，否則繼續(xù)在側(cè)視圖上搜索二維點(diǎn)進(jìn)行比較；步驟B3比較側(cè)視圖上選取的二維點(diǎn)wNode和主視圖上選取的二維點(diǎn)vNode的Z坐標(biāo)值之間的差異，若|zw-zv|≤ε，通常取ε＝0.1，則構(gòu)造空間坐標(biāo)點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)步驟B2。
所述的步驟C在服務(wù)器端采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟C1在工程圖的三個(gè)視圖中選取一個(gè)視圖為當(dāng)前視圖，在當(dāng)前視圖上選取一條線段，根據(jù)二維線表選取其相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)二維端點(diǎn)，在空間頂點(diǎn)表中選取與這兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)空間三維頂點(diǎn)及在另外兩個(gè)視圖上對(duì)應(yīng)的四個(gè)二維端點(diǎn)；步驟C2通過(guò)所述的另外兩個(gè)視圖判別空間三維頂點(diǎn)的連接關(guān)系，其方法是判斷兩個(gè)二維點(diǎn)是否存在二維連接線或者重合；步驟C3將具有連接關(guān)系的三維頂點(diǎn)作為一條空間邊的端點(diǎn)，建立一個(gè)空間邊的變量，利用視圖上二維線的方程聯(lián)合求出空間邊的方程；步驟C4利用空間曲線邊上的關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算空間邊的支撐平面，計(jì)算將空間支撐平面變換成為坐標(biāo)平面所需要的變換矩陣，再利用變換矩陣將空間邊轉(zhuǎn)換成為坐標(biāo)平面上的邊。
所述的步驟D在服務(wù)器端采用去除重疊邊、去除虛假邊和點(diǎn)的方法來(lái)處理冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟D1檢測(cè)空間邊的重疊關(guān)系，將具有重疊關(guān)系的所有邊放入到一個(gè)容器中，如果容器中僅有一條線，則保留該線；否則刪除容器中的所有邊，在容器中按照空間點(diǎn)的坐標(biāo)和空間線的切向方向按順序排列空間點(diǎn)，并按照空間曲線方程和空間點(diǎn)位置關(guān)系重新生成空間曲線；步驟D2根據(jù)空間頂點(diǎn)連接邊的個(gè)數(shù)來(lái)判別空間頂點(diǎn)的有效性或虛假性，要求空間頂點(diǎn)連接邊的個(gè)數(shù)需要大于等于3，將小于2的那些空間頂點(diǎn)和空間邊刪除，將等于2且相關(guān)的邊不共線的邊和點(diǎn)都刪除，將等于2且相關(guān)邊共線的點(diǎn)刪除，兩邊變?yōu)橐粭l邊；步驟D3生成空間線框模型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括了在空間頂點(diǎn)表和空間曲線邊表，并且這兩個(gè)表之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。并輸出線框模型給三維重建后續(xù)處理系統(tǒng)。
藉由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果
本發(fā)明工程圖空間曲線線框模型重建方法，將工程機(jī)械零件二維工程圖紙轉(zhuǎn)化為三維描述的線框模型形式，特別是對(duì)那些滿足三視圖情況的二維工程圖紙這種方法尤其有效，該方法可廣泛用于工程圖CAD圖紙的三維重建，基于三維形體的識(shí)別技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)化三維形體檢測(cè)等領(lǐng)域。本發(fā)明方法具有適用范圍廣、三維重建精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于工程圖紙三維重建的空間實(shí)體重建過(guò)程等工作具有重要意義。


圖1是本發(fā)明方法所采用的客戶端/服務(wù)器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明方法的流程示意圖。
圖3是本發(fā)明方法中由三視圖的二維點(diǎn)表生成空間頂點(diǎn)表方法的流程示意圖。
圖4是本發(fā)明方法中根據(jù)空間曲線邊的支撐平面將空間曲線邊標(biāo)準(zhǔn)化的流程示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的CAD數(shù)據(jù)文件的圖形顯示圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例中經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后的CAD數(shù)據(jù)文件的圖形顯示圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例中去除冗余元素并生成線框模型后的線框模型數(shù)據(jù)顯示圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
請(qǐng)參閱圖1和圖2。圖1是本發(fā)明方法所采用的客戶端/服務(wù)器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明方法的流程示意圖。本發(fā)明的實(shí)施例中，客戶端對(duì)CAD圖紙進(jìn)行人機(jī)交互方式的預(yù)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的CAD工程圖紙，然后通過(guò)廣域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端，在服務(wù)器端進(jìn)行生成空間點(diǎn)表和空間曲線表，以及去除冗余元素生成線框模型的運(yùn)算處理?？蛻舳丝梢圆捎猛ㄓ玫腜C機(jī)，也可以是一臺(tái)獨(dú)立的服務(wù)器構(gòu)成，其基本要求是具有一定的運(yùn)算能力、輸入輸出功能、以及將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去的功能，并能夠接受遠(yuǎn)程服務(wù)器運(yùn)算的結(jié)果。
本實(shí)施例中的客戶端平臺(tái)性能如下CPU主頻 Celon 2.66G；內(nèi)存容量516M；運(yùn)行操作系統(tǒng)為Windows XP；一個(gè)并行打印端口，配置為USB端口。
本實(shí)施例中的服務(wù)器采用HP的ProLiant DL380 G4(378735-AA1)，其性能如下CPU類型Xeon DP；CPU頻率(MHz)3000；處理器描述標(biāo)準(zhǔn)處理器數(shù)量1；支持CPU個(gè)數(shù)2；CPU二級(jí)緩存2MB；運(yùn)行操作系統(tǒng)為Windows 2003 Server。
本發(fā)明工程圖空間曲線線框模型重建方法各步驟的具體細(xì)節(jié)描述如下1、在客戶端對(duì)CAD工程圖三視圖數(shù)據(jù)進(jìn)行生成二維點(diǎn)表、生成二維線表、確定坐標(biāo)原點(diǎn)等一系列的基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式的CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理，生成統(tǒng)一空間投影坐標(biāo)系的三視圖數(shù)據(jù)，并發(fā)送給服務(wù)器。
二維點(diǎn)表和二維線表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本類似。二維點(diǎn)表是在表示了二維點(diǎn)坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，加上索引相關(guān)邊的信息，以這樣的點(diǎn)構(gòu)成的集合就構(gòu)成了二維的點(diǎn)表；二維線表是所有線元素構(gòu)成的集合。生成二維點(diǎn)表和生成二維線表所采用的方法基本類似。在系統(tǒng)中聲明兩個(gè)變量二維點(diǎn)表變量和二維線表變量。在CAD工程三視圖中找到一邊，將所關(guān)聯(lián)的點(diǎn)加入到點(diǎn)表當(dāng)中，關(guān)聯(lián)當(dāng)前的這條邊，如此循環(huán)操作，當(dāng)遇到重復(fù)二維點(diǎn)時(shí)，將當(dāng)前二維點(diǎn)忽略，將當(dāng)前邊關(guān)聯(lián)到與當(dāng)前點(diǎn)重復(fù)的那個(gè)二維點(diǎn)上。當(dāng)將所有三視圖中的二維邊都執(zhí)行一遍上述的操作后，即可得到相應(yīng)的二維點(diǎn)表。二維邊表可以在進(jìn)行生成二維點(diǎn)的時(shí)候同時(shí)生成。
二維點(diǎn)表和二維線表生成完畢后，采用基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式確定坐標(biāo)原點(diǎn)、進(jìn)行視圖分離和視圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在顯示的視圖上，用鼠標(biāo)在三視圖上選取三個(gè)二維頂點(diǎn)，這三個(gè)頂點(diǎn)要滿足距離候選投影原點(diǎn)最近的三個(gè)點(diǎn)，也就是集中在中間的那三個(gè)點(diǎn)。分別記為(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)。計(jì)算dx＝|x3-x1|，dy＝|y1-y2|，令L＝M＝λ；若dx≤dy，取0≤λ≤dy，否則取0≤λ≤dx。確定了λ后就可以得到坐標(biāo)原點(diǎn)的值了x0＝x3-λ，y0＝y(tǒng)2+λ。從這個(gè)式子可以看出，坐標(biāo)原點(diǎn)位于斜45°的直線上的任意一點(diǎn)。但為了能夠確保坐標(biāo)原點(diǎn)選擇的正確性，需要繼續(xù)人工輸入一個(gè)沿著該直線上的大致坐標(biāo)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，該坐標(biāo)原點(diǎn)要保證將視圖分成四個(gè)部分。
啟動(dòng)/進(jìn)入視圖分割狀態(tài)；根據(jù)確定坐標(biāo)原點(diǎn)過(guò)程得到的中心位置，作為基準(zhǔn)坐標(biāo)(x0，y0)；初始化三個(gè)視圖類對(duì)象正視圖對(duì)象、側(cè)視圖對(duì)象和俯視圖對(duì)象；二維點(diǎn)表和二維線表中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)與坐標(biāo)(x0，y0，z0)比較，如果[(xi-x0＜0)，(yi-y0＞0)]則為正視圖；如果[(xi-x0＞0)，(yi-y0＞0)]則為側(cè)視圖；如果[(xi-x0＜0)，(yi-y0＜0)]則為俯視圖；在對(duì)二維線表進(jìn)行分類的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)點(diǎn)不在同一個(gè)視圖的結(jié)果，則退出循環(huán)，報(bào)“點(diǎn)擊位置錯(cuò)誤”的錯(cuò)誤信息。
得出坐標(biāo)原點(diǎn)以及分割完視圖后，可以進(jìn)入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程了。根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)的在工程圖紙上的坐標(biāo)位置，可以計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣[XYZI]v，[XYZI]h，[XYZI]w，然后根據(jù)坐標(biāo)變換矩陣求取三視圖上的點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。
其中[XYZI]v＝[xyz1]Tv＝[-x+a0y-b1](1)[XYZI]h＝[xyz1]Th＝[-x+a-y+b01] (2)[XYZI]w＝[xyz1]Tw＝
(3)最終可以得出二維點(diǎn)表和二維線表的新的坐標(biāo)表示。圖5是該過(guò)程的輸入CAD數(shù)據(jù)的顯示結(jié)果，圖6是經(jīng)過(guò)預(yù)處理過(guò)程后的統(tǒng)一空間投影坐標(biāo)系的三視圖數(shù)據(jù)的顯示結(jié)果。
2、請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明方法中由三視圖的二維點(diǎn)表生成空間頂點(diǎn)表方法的流程示意圖。服務(wù)器端接收到客戶端發(fā)來(lái)的經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的CAD 程圖文件后，在服務(wù)器上采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表，這個(gè)頂點(diǎn)表在內(nèi)存中的排列并非按順序相連的，而是按照指針地址的相互指向關(guān)聯(lián)起來(lái)的，真正的頂點(diǎn)表和后續(xù)的二維邊表都是存儲(chǔ)在如圖1所示的內(nèi)存芯片中，在執(zhí)行生成空間頂點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，高速CPU芯片不斷與內(nèi)存芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的讀寫(xiě)操作，其具體過(guò)程進(jìn)一步包括步驟(1)從主視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)vNode(xv，0，zv)，從俯視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)hNode(xh，yh，0)，比較這兩個(gè)二維點(diǎn)之間在X坐標(biāo)上的差異，如果|xv-xh|≤ε，通常取ε＝0.1，則在側(cè)視圖上選取點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟(2)，否則繼續(xù)搜索比較側(cè)視圖上二維點(diǎn)，找出滿足|xv-xh|≤ε的俯視圖上的x3點(diǎn)。
步驟(2)從側(cè)視圖上選取的二維點(diǎn)wNode(0，yw，zw)，比較其Y坐標(biāo)與俯視圖上相應(yīng)點(diǎn)的Y坐標(biāo)值的差異，如果|yw-yh|≤ε，通常取ε＝0.1，則以同樣的方法比較Z坐標(biāo)值之間的差異，轉(zhuǎn)步驟(3)，否則繼續(xù)在側(cè)視圖上搜索二維點(diǎn)進(jìn)行比較。
步驟(3)如果Z坐標(biāo)值之間的差異不大，即|zw-zv|≤ε，ε＝0.1，則構(gòu)造空間坐標(biāo)點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)步驟(2)。
3、采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的空間曲線采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)格式在內(nèi)存芯片中存放，其格式包括的數(shù)據(jù)有空間邊的標(biāo)準(zhǔn)化方程系數(shù)、支撐平面方程系數(shù)以及坐標(biāo)變換矩陣，這些數(shù)據(jù)并非存儲(chǔ)在與空間邊所包括的那個(gè)內(nèi)存區(qū)間中，而是在空間邊所在的區(qū)間內(nèi)放入這些數(shù)據(jù)的地址指針，起到相互指向的作用將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，這些數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在如圖1所示的內(nèi)存芯片中，并且計(jì)算過(guò)程是高速CPU芯片通過(guò)不斷讀寫(xiě)內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)來(lái)完成的，圖4是本發(fā)明方法中根據(jù)空間曲線邊的支撐平面將空間曲線邊標(biāo)準(zhǔn)化的流程示意圖。如圖4所示，其過(guò)程進(jìn)一步包括在工程圖的三個(gè)視圖中選取一個(gè)視圖為當(dāng)前視圖，在本實(shí)施例中選取正視圖為當(dāng)前視圖。在當(dāng)前視圖上選取一條線段，根據(jù)二維線表選取其相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)二維端點(diǎn)，在空間頂點(diǎn)表中選取與這兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)空間三維頂點(diǎn)及在另外兩個(gè)視圖上對(duì)應(yīng)的四個(gè)二維端點(diǎn)。這四個(gè)二維點(diǎn)分別有兩個(gè)在側(cè)視圖，兩個(gè)在俯視圖，通過(guò)這另外兩個(gè)視圖判別空間三維頂點(diǎn)的連接關(guān)系，其具體方法是判斷兩個(gè)二維點(diǎn)是否存在二維連接線，如果存在連接線(曲線或直線)，或者重合，都說(shuō)明二維點(diǎn)在空間上的頂點(diǎn)存在連接關(guān)系，需要構(gòu)造空間曲線，如圖4所示的“確立連接關(guān)系的空間兩點(diǎn)V1、V2”。
將具有連接關(guān)系的三維頂點(diǎn)作為一條空間邊的兩個(gè)端點(diǎn)，建立一個(gè)空間邊的變量，利用視圖上二維線的方程聯(lián)合求出空間邊的方程。
如圖7所示，圖7是本發(fā)明實(shí)施例中去除冗余元素并生成線框模型后的線框模型數(shù)據(jù)顯示圖。正視圖上的底邊對(duì)應(yīng)側(cè)視圖的底邊和俯視圖的外輪廓，從而說(shuō)明A、B兩點(diǎn)間具有連接關(guān)系，存在一條空間上的曲線邊。這條曲線邊在正視圖上的投影的參數(shù)方程為x=tz=a,t0≤t≤t1---(4)]]>在側(cè)視圖上的投影的參數(shù)方程為y=βz=a,β0≤β≤β1---(5)]]>在俯視圖上的投影方程為圓弧x=cosθy=sinθ,θ0≤θ≤θ1---(6)]]>因此可得到空間曲線的參數(shù)方程為x=cosθy=sinθz=a,θ0≤θ≤θ1---(7)]]>如圖4所示的第三個(gè)方框圖“求出V1和V2之間曲線參數(shù)方程”。
為了將來(lái)便于后續(xù)計(jì)算，需要計(jì)算出空間曲線邊的支撐平面，為了計(jì)算方便，這里采用了不共線的三個(gè)點(diǎn)來(lái)構(gòu)造一個(gè)支撐平面。如兩個(gè)端點(diǎn)A、B以及它們?cè)谠撉€邊上的中心，將這三個(gè)點(diǎn)帶入到待定方程Ax+By+Cz+D＝0(8)并且要求A2+B2+C2＝1，四個(gè)方程四個(gè)未知量便能夠得到代數(shù)解析式，方便計(jì)算機(jī)運(yùn)算。從而可得支撐平面方程為z＝a。如圖4所示的“應(yīng)用三點(diǎn)法求支撐平面”。
得到支撐平面后，我們就很容易知道支撐平面轉(zhuǎn)化到空間坐標(biāo)面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程為x′y′z′1=Txyz1.]]>其中，T為變換矩陣T=10000100001d0001,---(9)]]>最終得出支撐平面方程變?yōu)閦＝0，(10)通過(guò)變換矩陣，系統(tǒng)仍然能夠?qū)⒖臻g曲線邊的參數(shù)方程標(biāo)準(zhǔn)化為x=cosθy=sinθz=0,θ0≤θ≤θ1---(11)]]>如圖4所示的“標(biāo)準(zhǔn)空間曲線方程”。
4、在服務(wù)器端采用去除重疊邊、去除虛假邊和點(diǎn)的方法來(lái)處理冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型，計(jì)算過(guò)程是高速CPU芯片通過(guò)不斷讀寫(xiě)內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)來(lái)完成的，其過(guò)程進(jìn)一步包括重疊邊在空間形體中是多余的，應(yīng)當(dāng)予以消除，它的判定依據(jù)是若兩條邊重疊，則2條邊共線且必有一邊的一個(gè)端點(diǎn)是另一邊的內(nèi)部點(diǎn)。首先生成一個(gè)空間邊表類別的臨時(shí)變量，這個(gè)變量用于搜集那些具有重疊關(guān)系的邊，找到一條未被處理的邊作為被判別重疊邊。然后搜索整個(gè)空間三維曲線、直線邊表，將與被判別重疊邊具有重疊關(guān)系的那些邊加入到這個(gè)臨時(shí)邊表中，搜索完成整個(gè)空間后，如果這個(gè)臨時(shí)邊表中的空間邊的個(gè)數(shù)達(dá)到兩個(gè)及兩個(gè)以上，則刪除這些邊，利用臨時(shí)邊表中保留的端點(diǎn)和曲線方程按順序重新構(gòu)造空間邊。如果在臨時(shí)邊表中僅有一條空間邊則保留這條邊。循環(huán)進(jìn)行上述的操作就可以完成對(duì)重疊邊的去除處理工作。
這里需要注意的是重疊邊的判別，如果一個(gè)邊的內(nèi)點(diǎn)成為另一條邊的端點(diǎn)，則這兩條邊具有重疊關(guān)系。這方面的處理方法是從曲線的方程入手，加入另一條邊的端點(diǎn)，判斷是否滿足方程，如果滿足且不與被判別重疊邊的端點(diǎn)重合，則判斷具有重疊關(guān)系。
在空間線框模型中，那些不滿足形體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)和邊，如孤點(diǎn)，孤邊和懸邊等，被稱為虛假元素。虛假元素在空間形體中是也是多余的，應(yīng)予以消除。刪除依據(jù)根據(jù)2-流形體拓?fù)錀l件的要求，與每個(gè)空間頂點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊不少于3個(gè)，即對(duì)任意頂點(diǎn)v，都有d(x)≥3。這里提到一個(gè)度的概念；度，是指頂點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的邊數(shù)稱為該點(diǎn)的度，任一頂點(diǎn)vj的度表示為d(vj)。該消除算法可描述如下存在v，d(v)＝0，則將該點(diǎn)從頂點(diǎn)集合中刪除；存在v，d(v)＝1，則將該點(diǎn)從頂點(diǎn)集合中刪除，同時(shí)在邊集合中刪除與之相關(guān)聯(lián)的邊；存在v，d(v)＝2，且與之相關(guān)聯(lián)的2條邊共線，則將該點(diǎn)從頂點(diǎn)集合中刪除，在邊集合中將兩邊合成一條邊；若2條邊不共線，則將該點(diǎn)從頂點(diǎn)集合中刪除，同時(shí)在邊集合中將兩邊刪除。
生成空間線框模型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括了在空間頂點(diǎn)表和空間曲線邊表，并且這兩個(gè)表之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。并輸出線框模型給三維重建后續(xù)處理系統(tǒng)以及反饋給客戶端顯示給用戶，以供觀察和進(jìn)一步的修改編輯。
本發(fā)明提供了一種工程圖空間曲線線框模型重建方法，主要解決現(xiàn)有三維重建方法中如何建立視圖對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及如何形成三維形體的中間元素——線框模型等方面的問(wèn)題。該方法能夠得到較理想的三維線框模型，提高三維重建的精度，為進(jìn)一步形成三維實(shí)體模型奠定基礎(chǔ)。
綜上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟A客戶端對(duì)CAD工程圖數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式的CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括生成二維點(diǎn)表、生成二維線表、確定坐標(biāo)原點(diǎn)，并將該CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器；步驟B服務(wù)器端接收到預(yù)處理后的工程圖紙后，采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表；步驟C在服務(wù)器端采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化；步驟D在服務(wù)器端采用去除重疊邊、去除虛假邊和點(diǎn)的方法去除冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特征在于所述的步驟A中的CAD數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程進(jìn)一步包括步驟A1在客戶端，采用遍歷CAD數(shù)據(jù)輸入所有二維線表的方法，生成二維點(diǎn)表和二維線表；步驟A2在客戶端，根據(jù)二維點(diǎn)表和二維線表，采用基于半人機(jī)交互半自動(dòng)化方式確定坐標(biāo)原點(diǎn)、進(jìn)行視圖分離和視圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過(guò)廣域網(wǎng)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)三視圖數(shù)據(jù)給客戶端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特征在于所述的步驟B在服務(wù)器端采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟B1從主視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)vNode(xv，0，zv)，從俯視圖上選取一個(gè)二維點(diǎn)hNode(xh，yh，0)，比較這兩個(gè)二維點(diǎn)之間在X坐標(biāo)上的差異，如果|xv-xh|≤ε，通常取ε＝0.1，則在側(cè)視圖上選取點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟B2，否則繼續(xù)搜索比較側(cè)視圖上二維點(diǎn)，找出滿足|xv-xh|≤ε的俯視圖上的xh點(diǎn)；步驟B2從側(cè)視圖上選取的二維點(diǎn)wNode(0，yw，zw)，比較其Y坐標(biāo)與俯視圖上相應(yīng)點(diǎn)的Y坐標(biāo)值的差異，如果|yw-yh|≤ε，通常取ε＝0.1，則以同樣的方法比較Z坐標(biāo)值之間的差異，轉(zhuǎn)步驟B3，否則繼續(xù)在側(cè)視圖上搜索二維點(diǎn)進(jìn)行比較；步驟B3比較側(cè)視圖上選取的二維點(diǎn)wNode和主視圖上選取的二維點(diǎn)vNode的Z坐標(biāo)值之間的差異，若|zw-zv|≤ε，通常取ε＝0.1，則構(gòu)造空間坐標(biāo)點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)步驟B2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特征在于所述的步驟C在服務(wù)器端采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟C1在工程圖的三個(gè)視圖中選取一個(gè)視圖為當(dāng)前視圖，在當(dāng)前視圖上選取一條線段，根據(jù)二維線表選取其相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)二維端點(diǎn)，在空間頂點(diǎn)表中選取與這兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)空間三維頂點(diǎn)及在另外兩個(gè)視圖上對(duì)應(yīng)的四個(gè)二維端點(diǎn)；步驟C2通過(guò)所述的另外兩個(gè)視圖判別空間三維頂點(diǎn)的連接關(guān)系，其方法是判斷兩個(gè)二維點(diǎn)是否存在二維連接線或者重合；步驟C3將具有連接關(guān)系的三維頂點(diǎn)作為一條空間邊的端點(diǎn)，建立一個(gè)空間邊的變量，利用視圖上二維線的方程聯(lián)合求出空間邊的方程；步驟C4利用空間曲線邊上的關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算空間邊的支撐平面，計(jì)算將空間支撐平面變換成為坐標(biāo)平面所需要的變換矩陣，再利用變換矩陣將空間邊轉(zhuǎn)換成為坐標(biāo)平面上的邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程圖空間曲線線框模型重建方法，其特征在于所述的步驟D在服務(wù)器端采用去除重疊邊、去除虛假邊和點(diǎn)的方法來(lái)處理冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型，其過(guò)程進(jìn)一步包括步驟D1檢測(cè)空間邊的重疊關(guān)系，將具有重疊關(guān)系的所有邊放入到一個(gè)容器中，如果容器中僅有一條線，則保留該線；否則刪除容器中的所有邊，在容器中按照空間點(diǎn)的坐標(biāo)和空間線的切向方向按順序排列空間點(diǎn)，并按照空間曲線方程和空間點(diǎn)位置關(guān)系重新生成空間曲線；步驟D2根據(jù)空間頂點(diǎn)連接邊的個(gè)數(shù)來(lái)判別空間頂點(diǎn)的有效性或虛假性，要求空間頂點(diǎn)連接邊的個(gè)數(shù)需要大于等于3，將小于2的那些空間頂點(diǎn)和空間邊刪除，將等于2且相關(guān)的邊不共線的邊和點(diǎn)都刪除，將等于2且相關(guān)邊共線的點(diǎn)刪除，兩邊變?yōu)橐粭l邊；步驟D3生成空間線框模型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括了在空間頂點(diǎn)表和空間曲線邊表，并且這兩個(gè)表之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。并輸出線框模型給三維重建后續(xù)處理系統(tǒng)。
全文摘要
一種工程圖空間曲線線框模型重建方法，包括如下步驟步驟A客戶端對(duì)CAD工程圖數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并發(fā)送給服務(wù)器；步驟B服務(wù)器端接收到預(yù)處理后的工程圖紙后，采用點(diǎn)坐標(biāo)匹配法計(jì)算并生成空間候選頂點(diǎn)表；步驟C在服務(wù)器端采用基于連接關(guān)系判定的方法生成空間曲線，并采用基于正則化空間曲線的方法將所生成的空間曲線標(biāo)準(zhǔn)化；步驟D在服務(wù)器端采用去除重疊邊和去除虛假邊和點(diǎn)的方法去除冗余元素，并生成工程圖空間曲線線框模型系統(tǒng)的最終結(jié)果——具有標(biāo)準(zhǔn)空間曲線的線框模型。本發(fā)明的工程圖空間曲線線框模型重建方法具有適用范圍廣、三維重建精度高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于工程圖紙三維重建的空間實(shí)體重建過(guò)程等工作具有重要意義。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101082994SQ20071004277
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者顧永明, 劉剛 申請(qǐng)人:永凱軟件技術(shù)(上海)有限公司