基于模式的三维自动重建算法及其在CAD系统中的应用

© 2014 Zakharov A.A.，Zhiznyakov A.L.出版社：Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 9（2014）72 - 772014年AASRI电路与信号处理会议（CSP 2014）基于模式Zakharov Alexei，Zhiznyakov Arkady*弗拉基米尔国立大学Murom学院，Murom，602264，俄罗斯联邦摘要提出了一种基于工程视图的三维物体自动重建任务。该算法基于三维模型的边界表示。该算法包括以下步骤：按视图自动分离图纸、确定顶点的三维坐标、定义和标记线模型图元、重建模型面和模型元素。该算法的基本思想是使用预先指定的模式找到三维模型的结构元素。这些模板是通过矩阵来描述的。匹配算法使用不变量：顶点数，边的类型。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责同行评议关键词：三维重建，CAD系统，关联矩阵。1. 介绍目前，企业档案中积压着大量的纸质和电子形式的技术图纸。另外一点是，许多对象的开发通常从绘图开始，而不是三维模型的使用。二维图纸通常* 通讯作者。联系电话：8（49234）77236。电子邮件地址：aa-zaharov@ya.ru。2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.09.013Zakharov Alexei和Zhiznyakov Arkady / AASRI Procedia 9（2014）7273这些标准难以理解，更新不便，也不能作为计算机系统使用的进一步发展的基础。对象的三维计算机模型，可用于管理程序的开发、工程分析、可视化等，是产品电子模型的组成部分之一。现代CAD系统有一系列的工具来生成三维模型：布尔运算、面向对象建模操作、2.5D操作、顶点、边和面的修改操作。几乎所有的CAD系统都允许使用三维模型生成图纸。然而，生成每个图纸的三维模型给设计人员带来了困难，这与缺乏软件有关。2. 基于技术图纸的三维重建算法综述所有的按图纸生成三维模型的算法可以分为两大类：CSG-和B-rep方法。面向CSG的方法使用“自上而下”的再生策略（Geng，2002; Cicek，2004; Lee，2005; Wang，2007; You，2008; Xie，2009）。该方法是基于这样的事实，即每个三维对象可以使用特定的二维图元以分层的方式构建。在图纸中可以找到图案，这些图案将作为基础，并用于转换为三维模型。完成后，使用布尔运算将所设计的基元收集到生成的三维模型中。面向CSG的方法的缺点是它的使用很难识别复杂图形上的基本图元。而且，当使用CSG几何时，很难想象复杂形状的表面。面向边界表示（B-Rep）的方法使用“上升”技术。面向B-rep的算法通常包括以下步骤：从绘图中生成可能的三维顶点;根据接收到的顶点坐标进行边合成;从位于平面内的边设计面;从面形成三维对象（Masuda，1997; Shin，1998; Watanable，1998; Liu，2001; Golovin，2007）。边界表示为复杂几何对象的建模提供了大量的机会，这是使用CSG方法无法达到的。然而，当使用B-rep表示时，需要更多的存储空间来存储和处理数据。另外一点是，所创建的模型在逻辑上不太稳定，换句话说，有可能构建有争议的配置。现有的逐图重建算法具有以下特点：重建过程中操作者参与程度、曲面几何形状、视图数量、纠错可能性、截面处理等。分析表明，现有的方法通常是针对具有足够简单的几何形状的对象而设计的。这些算法通常不允许执行多边形表面、圆角、槽、孔的重建。在本文中的算法，它允许识别这些结构元素的基础上，预定的模式，提出。3. 基于模式的提出的算法是在B-rep表示的基础上发展起来的，它为复杂形状的几何描述提供了重要的机会。该算法的基本思想是使用预先指定的模式找到三维模型的结构元素。这些模板是通过矩阵来描述的。在此基础上，对孔、槽、倒角等要素进行了描述。74Zakharov Alexei和Zhiznyakov Arkady / AASRI Procedia 9（2014）72所开发的算法对矢量图数据进行处理，并将其保存为DXF（Drawing eXchange Format -drawingsexchange格式）格式。该算法由以下步骤组成。步骤1.矢量文件的绘图读取。图元的参数（顶点坐标、半径、圆心等的值）都读出来了。步骤2.根据视图自动分离绘图。该算法适用于图纸，包括三个视图：前视图、顶视图和左视图。在这种情况下，应检查绘图基元相对于水平和垂直移动直线的位置。例如，将绘图分离为主视图和左侧视图的过程在存在位于直线左侧和右侧的基元，该直线由方程xA描述。在这一点上，这条直线不与绘图的任何图元相交。在这种情况下，对于基元的每个顶点，条件xA或条件xA都应满足。同样，将工程图分离为主视图和俯视图。步骤3 .在视图的基础上找到三维模型顶点的坐标（图1）。如果主视图指示为F（前），左侧视图指示为L（左），顶视图指示为T（顶），则可以根据以下条件确定顶点的三维坐标：XF T，yF L.S.L，zF 阿利兹湖据了解，图纸是在CAD系统中设计的，标准工具：对象捕捉，捕捉到网格等。在创建图元时的任何不准确都会导致图像的解释不明确。步骤4.线模型基元的定义和标记。线模型由直线、圆弧、圆、样条等线段组成。如果至少两个图元在视图上的投影重合，则存在对应的图元顶点，其坐标在步骤3中计算。三维空间中图元的描述应输入存储器，并为其分配编号。步骤5.重建物体模型面的定义和构造。人脸是基于同一平面上的基元的闭合环构造的。闭环必须由尽可能少的原语组成。步6.在模式的基础上定义和构建模型的结构组件。每个典型的元素可以根据从图纸中提取的三维图元（直线段、圆弧段和圆弧段）的相邻性来确定。我们将假设具有公共顶点的基元作为入射基元。a)b）、图1. (a)图纸上顶点坐标的一致性;（b）重建的三维模型Zakharov Alexei和Zhiznyakov Arkady / AASRI Procedia 9（2014）7275圆角圆凸台圆槽圆柱形孔关联矩阵结构部件结构部件每个结构部件可以用线模型表示（表2）。基元的相对位置可以基于关联矩阵来描述。每列描述顶点V，行是边E（弧、圆、直线段）。最后两列描述了与边K和边类型P相邻的顶点数。决定基元相邻性及其在绘图上的名称的图形位于行和列的交叉点。表1.结构组件及其关联矩阵V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 KPE1555545E2555545E32222E42222E52222E62222V1 V2 V3 V4 V5 V6 KPE11121E22222E31121E433333E533333V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8KPE1555545E2555545E31121E41121E51121E61121V1 V2 V3 V4 V5 V6KPE11121E21121E31121E433333E53333376Zakharov Alexei和Zhiznyakov Arkady / AASRI Procedia 9（2014）72KP5555451121555545112155554511211121KP5555451121555545112155554511211121定义结构构件阵列的矩阵预先保存在系统中。根据直线段和圆（或弧）的相对位置，矩阵元素可以具有以下值：M[i，j]≠ 0，如果直线（弧、圆）的顶点和线段不相邻; M [i，j]<$1，如果直线的顶点和线段相邻。直线的线段用实线表示;M[i，j]，如果直线的顶点和线段相邻。直线的线段是由虚线表示;M[i，j]≠ 3，若顶点与弧相邻.圆弧用实线表示M[i，j]≠ 4，若顶点与弧相邻.圆弧用虚线表示M[i，j]≠ 5，若顶点与圆相邻.圆弧用实线表示M[i，j]≠ 6，若顶点与圆相邻.圆弧由虚线表示4. 关联矩阵比较了模型矩阵与基元矩阵的异同。 不变量用于减少计算。不变量是顶点的数量和边的类型。该算法由以下步骤组成：步骤1.所有边都在矩阵中定义。比较K和P值（图2（a））;步骤2.在矩阵中发现相邻边缘（图2（b））。步骤3.所有相邻的边形成3D基元。a)b）、图2.关联矩阵的匹配：（a）步骤1;（b）步骤2。5. 重建的结果根据从图纸中提取的信息，应制定矩阵，并将其与系统中存储的模式进行比较。如果图案参数一致，则可以得出关于存在一个或另一个结构组分的结论。进而建立了零件形状的边界表示。作为测试示例，采用图1（图1）所示的图纸。视图重建的结果如图1（b）所示。Zakharov Alexei和Zhiznyakov Arkady / AASRI Procedia 9（2014）72776. 结论开发的算法是全自动的，它只与图纸，矢量形式。该算法对图形结构的精度提出了很高的要求，其中一种是对不可见直线和曲面的处理。有必要描述所有可能出现的基元的模式，当模拟时，使系统将是完全通用的各种几何形状。利用AutoLISP语言为AutoCAD系统开发了系统的测试模块。确认这项工作得到了RFBR（项目编号13-07-97523，13-07-00825）的支持，工作编号2014/13关于在俄罗斯教育部国家任务基础部分科学活动领域实施公共工程引用[1] 耿伟，王军，张勇.嵌入视觉认知的三维重建从多视图工程图纸，计算机辅助设计，2002年，卷。34，1944，pp.321-336[2] Cicek A，Gulesin M.使用实体挤压和旋转从2D正交视图重建3D模型，材料加工技术杂志，2004年，第1卷。152，2003，pp.291-298.[3] Lee H，Han S.从二维正交视图重建三维交互旋转体，计算机辅助设计，2005年，卷。37，2013，pp.公元1388-1398年。[4] 作者：Wang Z，J.使用模糊逻辑识别重建三维实体模型，世界工程会议论文集，2007年，第1卷，第37-42页。[5] 你CF，杨SS。从工程图中自动识别特征，国际先进制造技术杂志，2008年，第14卷，2007年，第17页。495-507.[6] 谢波，陈玲，陈玲.一种新的基于体积的重建方法，2009年国际信息处理研讨会论文集，2009年，第132-135页。[7] Masuda H，Numao M.一种基于单元格的方法从正交投影生成实体对象，计算机辅助设计，1997年，卷。29，2003，pp.177比187[8] Shin B S，Shin YG.从正投影视图快速重建三维实体模型，计算机辅助设计，1998年，第30卷，2001年。pp. 63-76.[9] 渡边不一致正交视图的修正，《几何与图形学杂志》，1998年，第2卷，第1期，第45-53页。[10] 刘世祥。从工程图中重建曲面实体，计算机辅助设计，2001年，第33卷，第14期，第114页。1059-1072.[11] Golovin SI，Veselov NA.从三个正交投影自动重建曲面，Proceedings of SYRCoSE 2007，2007年，第2卷，pp. 53比58[12] 你CF，杨SS。从正交视图重建曲线流形对象，计算机图形学，2009年，第20卷，第12页。275-293。