專利名稱：一種基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工程圖的三維重建系統(tǒng)，特別是一種基于工程圖三維重建系 統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法。
背景技術：
在計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)領域中，出現(xiàn)最早的三維造型 系統(tǒng)就是二十世紀六、七十年代出現(xiàn)的基于線框模型的表示系統(tǒng)，線框作為 最簡便的形體表示方式，能表達形體的基本幾何信息和某些特定的拓撲關 系。二十世紀七、八十年代，隨著計算機技術的高速發(fā)展，CAD/CAM技術也 有了較大發(fā)展，先后出現(xiàn)了基于二維平面、基于三維實體的CAD繪圖系統(tǒng)， 如AutoCAD, CATIA， UG， Pro/E， SolidWorks等。其中出現(xiàn)的表面模型和實 體模型等表示方法，都表達了零件更多的空間特性，給設計帶來了驚人的方 便性，但它們都是在基于線框模型的基礎上發(fā)展起來的。另一方面，隨著計 算機技術與人工智能的發(fā)展，基于工程圖的智能CAD/CAE/CAM系統(tǒng)在工業(yè)領 域越來越受到重視，如何將草圖設計的線框模型快速地轉(zhuǎn)換成理想的三維形 體,必將成為CAD/CAM —個重要的研究領域。無論是當前還是將來的CAD/CAM 系統(tǒng)，基于線框的工程圖三維重建，都是非常重要的研究課題。特別是基于 線框的邊界表示的重建方式是一個主流的形體重建方法，就是從線框中提取 數(shù)據(jù)的幾何和拓撲信息再轉(zhuǎn)化為實體模型。本方法在Markow， Wesly文獻中 所提理論的基礎上，給出了的基環(huán)關系樹構(gòu)造和基環(huán)嵌套關系判定的具體的實現(xiàn)方法，為面片提取提供了新的具體實施例，而面片提取方法作為造型技 術的基礎，可以在相當大的程度上簡化三維產(chǎn)品的設計工作，節(jié)省了資源、
人力成本，也為其他CAD/CAM系統(tǒng)提供了更多的便利和更大的發(fā)展空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實 現(xiàn)方法，主要步驟是在重建出的線框模型基礎上，生成空間表面，生成空間 基環(huán)，生成空間面片以及產(chǎn)生最終的面片表示模型。
一種基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于它是
在由廣域網(wǎng)連接的客戶端和服務器端之間實現(xiàn)的，在建立基環(huán)關系樹的過程
中，使用特征三角形的方法來標記基環(huán)方向；該方法包括如下步驟
A在客戶端輸入由三維頂點和三維邊組成的形體的線框模型，讀取線
框信息以空間頂點表和空間邊表形式存儲，并發(fā)送到服務器端；
B在服務器端對空間頂點表和空間邊表操作生成全部空間表面；在每個 空間表面里，對線框模型中的頂點和邊提取基環(huán)，即提取首尾相連的兩兩不 同的邊組成的環(huán)，并生成基環(huán)表；
C在服務器端對基環(huán)表中的基環(huán)建立標記方向?qū)傩缘奶卣魅切?，并?算特征三角形上任意兩條翼邊的叉積，然后用叉積向量的方向和支撐表面的 外法矢方向進行比較，判定和賦予該原基環(huán)的方向?qū)傩允莍n或out;所述 的支撐表面是包含基環(huán)的平面；
D在服務器端對在同一支撐平面上的基環(huán)進行位置包含關系的判斷，接 著判斷它們之間的重合邊的條數(shù)，進而確定它們之間的嵌套關系，再結(jié)合步 驟C中給出的基環(huán)的方向?qū)傩詠斫⒒h(huán)關系樹；
E按照基環(huán)關系樹中各個節(jié)點之間的層級關系判斷和提取出面片并產(chǎn)生線框模型中的面片表，然后可以用標準的IGES (Initial Graphics Exchange Specification,基本圖形交換規(guī)范)格式或STEP (Standard for The Exchange of Product model data,產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準)格式輸出給客戶端。
所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所 述的步驟A進一步包括
Al形體的線框模型輸入過程中，所述的空間三維線框是由三維重建過 程得到或者由三維CAD軟件繪圖產(chǎn)生的；
A2空間頂點表和空間邊表的讀取數(shù)據(jù)是遍歷三維空間中的頂點和邊產(chǎn) 生的以表的形式存儲，并發(fā)送到服務器端。
所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所 述的步驟B進一步包括
Bl在服務器端利用兩條相鄰(即相交在公共端點)的空間邊的三個端點 生成出三維線框中的所有可能的空間表面，建立了空間表面表；
B2在服務器端檢測空間表面表中每個表面上的所有空間邊，根據(jù)表面 的外法矢方向并按照右手螺旋法則，提取出該空間表面上所有可能的基環(huán)， 然后創(chuàng)建基環(huán)表；
所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所 述的步驟C其過程進一步包括
CI在服務器端對每一個基環(huán)提取它相鄰的兩條翼邊(即有向邊)，按照 選定的這兩條翼邊的走向，連接第二條翼邊的終點和第一條翼邊的起點，創(chuàng) 建一條新翼邊，即求出原來選定的兩條相鄰翼邊的和向量的反向量。由此得 到的三角形基環(huán)就是標記原來基環(huán)的方向?qū)傩缘奶卣魅切危?br> C2在服務器端首先判斷特征三角形的新邊是否完全包含于原基環(huán)對應的多邊形中；若特征三角形的三條邊不是完全包含在原基環(huán)中，則在原基環(huán) 中另外重新選取兩條相鄰的翼邊，重新構(gòu)造基環(huán)的特征三角形，直到選出滿 足條件的相鄰翼邊為止；
C3在服務器端對在特征三角形中的兩條翼邊做叉積運算，用叉積向量 和支撐平面的法矢進行比較，根據(jù)兩者方向相同與否來確定原基環(huán)的in或 out屬性。
所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所
述的步驟D其過程進一步包括
Dl在服務器端檢測每個支撐平面對應的基環(huán)表中的基環(huán)，以該支撐平 面為虛擬節(jié)點建立基環(huán)關系樹的根節(jié)點；
D2在服務器端對于每個支撐平面上的所有基環(huán)，按照在支撐平面上的 基環(huán)之間的包含關系，結(jié)合步驟C3中已經(jīng)獲得的基環(huán)的方向?qū)傩?，并判?基環(huán)之間的重合邊的條數(shù)，進而確定基環(huán)之間的嵌套關系生成，包含關系對 應父子關系，并列關系對應兄弟關系，以基環(huán)為虛擬子節(jié)點建立起基環(huán)關系 樹；
所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所 述的步驟E其過程進一步包括
El在服務器端根據(jù)基環(huán)關系樹中節(jié)點的屬性，判定所有具有in屬性的 葉子節(jié)點其對應的基環(huán)為邊界生成面片，并把面片輸出給客戶端；
E2在服務器端根據(jù)基環(huán)在關系樹中的方向?qū)傩院颓短钻P系，判定具有 in屬性的節(jié)點和具有out屬性的子節(jié)點之間的所有基環(huán)構(gòu)成一個面片，該面 片的邊界就是這些基環(huán)，并把面片輸出給客戶端。
藉由上述技術方案，本發(fā)明具有如下有益技術效果本發(fā)明基于線框模型的三維重建系統(tǒng)中面片提取實現(xiàn)方法具有適用范 圍廣、三維重建精度高等優(yōu)點，對于基于線框模型的三維重建系統(tǒng)具有重要
本發(fā)明方法可以將各種CAD設計軟件繪制得到的工程機械零件的線框 模型，或在基于草圖的智能CAD實體造型系統(tǒng)中重建出的三維線框 (Wire-frame)模型轉(zhuǎn)化為三維表面表示(Surface)模型。特別是對匹配精 度高，幾何信息和拓撲信息完整的線框模型尤其有效；該方法可廣泛應用于 基于工程圖紙的三維重建過程之中，也可用于工業(yè)自動化檢測、三維形體特 征識別、逆向工程及其他計算機輔助設計與制造領域。


圖1是本發(fā)明方法所采用客戶端/服務器的硬件拓撲結(jié)構(gòu)； 圖2是本發(fā)明方法中面片生成的流程示意圖； 圖3是本發(fā)明方法中基環(huán)關系樹生成的流程示意圖； 圖4是本發(fā)明方法中基環(huán)的方向?qū)傩耘卸ǖ牧鞒淌疽鈭D； 圖5是本發(fā)明方法中基環(huán)的特征三角形中第三邊的包含關系判定的流 程示意圖6-1是本發(fā)明方法中要構(gòu)造判定屬性方向的基環(huán)；
圖6-2是本發(fā)明方法中在基環(huán)上構(gòu)造出的特征三角形；
圖7-1是本發(fā)明方法中要提取基環(huán)的支撐平面中的頂點和邊；
圖7-2是本發(fā)明方法中所提取的基環(huán)；
圖7-3是本發(fā)明方法中構(gòu)造的基環(huán)關系樹；
圖8-1是本發(fā)明實施例中的CAD三視圖的主視圖； 圖8-2是本發(fā)明實施例中的CAD三視圖的側(cè)視圖；圖8-3是本發(fā)明實施例中的CAD三視圖的俯視圖； 圖9是本發(fā)明實施例的線框模型； 圖IO是本發(fā)明實施例的面片表示模型；
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
本發(fā)明的實施例中，采用客戶端/服務器的硬件拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。 客戶端輸入形體的線框模型數(shù)據(jù)，本實施例的線框模型數(shù)據(jù)由基于三視圖的 三維重建系統(tǒng)得到，然后通過廣域網(wǎng)絡將線框模型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鞫耍?在服務器端進行生成空間表面，提取基環(huán)，生成空間面片以及去除冗余元素 生成邊界表示(Brep)模型的運算處理?？蛻舳丝梢圆捎猛ㄓ玫腜C機，也可 以是一臺獨立的服務器構(gòu)成，其基本要求是具有一定的運算能力、輸入輸出 功能、以及將運算結(jié)果通過網(wǎng)絡傳輸出去的功能，并能夠接受遠程服務器運 算的結(jié)果。
本實施例中的客戶端平臺性能如下
CPU主頻Pentium D 2.80GHz;
內(nèi)存容量512M;
運行操作系統(tǒng)Windows XP/98, 2000， Linux; 一個并行打印端口，配置為USB端口。
本實施例中的服務器采用HP的ProLiantDL380 G4 (378735-AA1 )，其
性能如下
CPU類型XeonDP; CPU頻率(MHz): 3000; 處理器描述標準處理器數(shù)量l;支持CPU個數(shù)2; CPU二級緩存2MB;運行操作系統(tǒng)為Windows 2003 Server?；诠こ虉D的三維重建系統(tǒng)中面片的提取實現(xiàn)方法各步驟具體細節(jié)描 述如下1、客戶端輸入形體的線框模型，包括空間頂點表和空間邊表以及其關 聯(lián)關系，在服務器端采用三點法生成所有可能的支撐表面，在每個支撐表面 里對線框模型中的所有頂點和邊元素利用Markowsky和Wesly所提出的極左 鄰邊方法進行提取基環(huán)，并生成基環(huán)表，其過程進一步包括在客戶端輸入形體的線框模型，讀取線框的數(shù)據(jù)信息，產(chǎn)生空間頂點表 和空間邊表，發(fā)送到服務器端，然后在服務器端利用線框模型中任意兩條相 鄰(相交在公共端點)的空間邊的三個端點生成空間平面表面，所有的表面產(chǎn) 生空間表面表。如圖9所示，實施例的線框中總共可以生成22個平面做為 提取基環(huán)時的支撐表面，然后對22個平面中的每一個平面預先指定一個外 法矢方向。在服務器端檢測遍歷每一個支撐平面，從該平面中的任一條空間 邊開始，根據(jù)預先指定的平面的外法矢方向并按照右手螺旋法則，利用極左 鄰邊方法，提取平面上所有可能的基環(huán)，并創(chuàng)建基環(huán)表。(由于篇幅所限， 我們這里只取一個支撐平面為例來說明面片生成方法)如圖7-l， 7-2所示， 在這個支撐平面中共提取出4個基環(huán)，它們分別是 Cl(vl-v2-v3隱v4-v5-v6-v7-v8國vl)、 C2(vl誦v8-v7-v6國v5國v4-v3-v2-vl)、 C3(v9-vl0-vll畫vl2-v9)、 C4(v9-vl2-vll-vl0誦v9)。本步驟的具體流程圖參見圖2。2、 在服務器端對基環(huán)表中的基環(huán)建立標記該基環(huán)方向的特征三角形， 并通過計算來判定和賦予該基環(huán)的方向?qū)傩?in)或(out)，其過程具體包括:在服務器端對已經(jīng)建立的基環(huán)表進行操作，在基環(huán)表中遍歷每一個基 環(huán)，對每一個給定的基環(huán)，任意選取它中兩條相鄰的翼邊，按照兩條翼邊的 走向連接第二條翼邊BC的終點C和第一條翼邊AB的起點A，創(chuàng)建一條新 邊CA，即求取原來選定的兩條相鄰翼邊的和向量的反向量(如圖6-1，虛 線邊CA)。由此得到的三角形AABC (如圖6-2所示)就是標記原來基環(huán)的 方向?qū)傩缘奶卣魅切?。在服務器端首先判斷特征三角形的新邊CA是否完 全包含于原基環(huán)對應的多邊形中；若特征三角形的第三條邊不是完全包含在 原基環(huán)中，則在原基環(huán)中另外重新選取兩條相鄰的翼邊，重新構(gòu)造基環(huán)的特 征三角形，直到選出滿足條件的相鄰翼邊為止。在構(gòu)造出基環(huán)的特征三角形 以后，判斷特征三角形中的任意兩條翼邊的叉積向量與基環(huán)所在支撐平面的 外法矢方向量是否相同，若兩者相同，則該基環(huán)的方向?qū)傩詾?out)，若兩 者相反，貝lJ該基環(huán)的方向?qū)傩詾?in)。本步驟的具體流程圖參見圖4，圖5。3、 在服務器端對同一平面上的基環(huán)之間進行相對位置關系判定，再結(jié) 合基環(huán)的方向?qū)傩越⒒h(huán)關系樹，其過程進一步包括在服務器端遍歷每個支撐表面，以支撐表面為虛擬節(jié)點建立基環(huán)關系樹 的根節(jié)點。對應的基環(huán)表中的最外基環(huán)為第一級子節(jié)點，在服務器端對于每 個支撐平面上的所有基環(huán)，按照在支撐平面上的基環(huán)之間的包含關系，結(jié)合 步驟C3中己經(jīng)獲得的基環(huán)的方向?qū)傩?，并判斷基環(huán)之間的重合邊的條數(shù)， 進而確定基環(huán)之間的嵌套關系，嵌套關系包括兩個方面包含關系對應父子 關系，并列關系對應兄弟關系，在每個支撐表面內(nèi)以基環(huán)作為虛擬節(jié)點建立起基環(huán)關系樹。如圖7-2所示，Cl為最外環(huán)且默認它的方向?qū)傩允莖ut， C2 為最外環(huán)的兒子節(jié)點且判斷其方向?qū)傩允莍n， C3和C4為C2的兒子節(jié)點且 方向?qū)傩苑謩e是out和in.本步驟的具體流程圖參見圖3。4、按照基環(huán)關系樹的節(jié)點層級關系提取所有面片并產(chǎn)生面片集合，以 標準的IGES文件格式輸出給客戶端，其過程進一步包括在服務器端根據(jù)基環(huán)關系樹中節(jié)點的屬性，判定具有in屬性的葉子節(jié) 點其對應的基環(huán)生成面片，面片的邊界就是該基環(huán)。在服務器端根據(jù)基環(huán)方 向?qū)傩栽陉P系樹中的關系，判定具有in屬性的節(jié)點和具有out屬性的子節(jié)點 之間的所有基環(huán)構(gòu)成一個封閉的邊界，并以這些基環(huán)為邊界生成面片。又如 圖7-2,圖7-3中所示C4(in)是葉子節(jié)點，因此它對應的基環(huán)生成一個面片； 同時C2(in)和C3(out)兩個節(jié)點共同對應生成一個面片，其中C2(in)為面片的 外基環(huán)，C3(out)為面片的內(nèi)基環(huán)。按照上述步驟，處理完整個線框模型，提 取出所有面片，并刪除冗余面片之后，輸出給客戶端。如圖8-l，圖8-2，圖 8-3，圖9，圖10，它們分別是輸入實施例的工程三視圖，線框模型圖和形 體的面片表示圖。本步驟的具體流程圖參見圖1，圖2。綜上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范 圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應為本發(fā)明 的技術范疇。
權利要求
1、一種基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于它是在由廣域網(wǎng)連接的客戶端和服務器端之間實現(xiàn)的，在建立基環(huán)關系樹的過程中，使用特征三角形的方法來標記基環(huán)方向；該方法包括如下步驟A在客戶端輸入由三維頂點和三維邊組成的形體的線框模型，讀取線框信息以空間頂點表和空間邊表形式存儲，并發(fā)送到服務器端；B在服務器端對空間頂點表和空間邊表操作生成全部空間表面；在每個空間表面里，對線框模型中的頂點和邊提取基環(huán)，即提取首尾相連的兩兩不同的邊組成的環(huán)，并生成基環(huán)表；C在服務器端對基環(huán)表中的基環(huán)建立標記方向?qū)傩缘奶卣魅切?，并計算特征三角形上任意兩條翼邊的叉積，然后用叉積向量的方向和支撐表面的外法矢方向進行比較，判定和賦予該原基環(huán)的方向?qū)傩允莍n或out；所述的支撐表面是包含基環(huán)的平面；D在服務器端對在同一支撐平面上的基環(huán)進行位置包含關系的判斷，接著判斷它們之間的重合邊的條數(shù)，進而確定它們之間的嵌套關系，再結(jié)合步驟C中給出的基環(huán)的方向?qū)傩詠斫⒒h(huán)關系樹；E按照基環(huán)關系樹中各個節(jié)點之間的層級關系判斷和提取出面片并產(chǎn)生線框模型中的面片表，然后可以用標準的IGES格式或STEP格式輸出給客戶端。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn) 方法，其特征在于所述的步驟A進一步包括Al形體的線框模型輸入過程中，所述的空間三維線框是由三維重建過 程得到或者由三維CAD軟件繪圖產(chǎn)生的；A2空間頂點表和空間邊表的讀取數(shù)據(jù)是遍歷三維空間中的頂點和邊 產(chǎn)生的以表的形式存儲，并發(fā)送到服務器端。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn) 方法，其特征在于所述的步驟B其過程進一步包括Bl在服務器端利用兩條相鄰的空間邊的三個端點生成出三維線框中 的所有可能的空間表面，建立了空間表面表；B2在服務器端檢測空間表面表中每個表面上的所有空間邊，根據(jù)表 面的外法矢方向并按照右手螺旋法則，提取出該空間表面上所有可能的基 環(huán)，然后創(chuàng)建基環(huán)表。
4、 根據(jù)權利要求1所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn) 方法，其特征在于所述的步驟C其過程進一步包括Cl在服務器端對每一個基環(huán)提取它相鄰的兩條翼邊，按照選定的這 兩條翼邊的走向，連接第二條翼邊的終點和第一條翼邊的起點，創(chuàng)建一條 新翼邊，即求出原來選定的兩條相鄰翼邊的和向量的反向量，由此得到的 三角形基環(huán)就是標記原來基環(huán)的方向?qū)傩缘奶卣魅切?；C2在服務器端首先判斷特征三角形的新邊是否完全包含于原基環(huán)對 應的多邊形中；若特征三角形的三條邊不是完全包含在原基環(huán)中，則在原 基環(huán)中另外重新選取兩條相鄰的翼邊，重新構(gòu)造基環(huán)的特征三角形，直到 選出滿足條件的相鄰翼邊為止；C3在服務器端對在特征三角形中的兩條翼邊做叉積運算，用叉積向 量和支撐平面的法矢進行比較，根據(jù)兩者方向相同與否來確定原基環(huán)的in或out屬性。
5、 根據(jù)權利要求1所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法，其特征在于所述的步驟D其過程進一步包括Dl在服務器端檢測每個支撐平面對應的基環(huán)表中的基環(huán)，以該支撐平面為虛擬節(jié)點建立基環(huán)關系樹的根節(jié)點。；D2在服務器端對于每個支撐平面上的所有基環(huán)，按照在支撐平面上 的基環(huán)之間的包含關系，結(jié)合步驟C3中已經(jīng)獲得的基環(huán)的方向?qū)傩?，?判斷基環(huán)之間的重合邊的條數(shù)，進而確定基環(huán)之間的嵌套關系生成，包含 關系對應父子關系，并列關系對應兄弟關系，以基環(huán)為虛擬子節(jié)點建立起 基環(huán)關系樹。
6、 根據(jù)權利要求1所述的基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實i見 方法，其特征在于所述的步驟E其過程進一步包括El在服務器端根據(jù)基環(huán)關系樹中節(jié)點的屬性，判定所有具有in屬性 的葉子節(jié)點其對應的基環(huán)為邊界生成面片，并把面片輸出給客戶端；E2在服務器端根據(jù)基環(huán)在關系樹中的方向?qū)傩院颓短钻P系，判定具有 in屬性的節(jié)點和具有out屬性的子節(jié)點之間的所有基環(huán)構(gòu)成一個面片，并 把面片輸出給客戶端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于工程圖三維重建系統(tǒng)的面片提取的實現(xiàn)方法。步驟是A在客戶端輸入形體的線框模型，產(chǎn)生空間頂點表和空間邊表以及其關聯(lián)關系，并發(fā)送到服務器端；B在服務器端生成基環(huán)表；C在服務器端對基環(huán)表中的基環(huán)建立起標記該基環(huán)方向的特征三角形，并通過計算來判定和賦予該基環(huán)的方向?qū)傩?；D在服務器端建立基環(huán)關系樹；E按照基環(huán)關系樹中各節(jié)點之間的層級關系和屬性提取出面片集，并以標準的IGES等文件格式輸出給客戶端。該方法可廣泛應用于基于工程圖紙的三維重建過程中，也可用于工業(yè)自動化檢測、三維形體特征識別、逆向工程以及計算機輔助設計與制造等其他領域。
文檔編號G06F17/50GK101655886SQ200910195909
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者趙會波, 顧永明 申請人:永凱軟件技術(上海)有限公司