专利名称：一种基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法
技术领域：
本发明涉及工程图的三维重建系统，特别是一种基于工程图三维重建系 统的面片提取的实现方法。
背景技术：
在计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)领域中，出现最早的三维造型 系统就是二十世纪六、七十年代出现的基于线框模型的表示系统，线框作为 最简便的形体表示方式，能表达形体的基本几何信息和某些特定的拓扑关 系。二十世纪七、八十年代，随着计算机技术的高速发展，CAD/CAM技术也 有了较大发展，先后出现了基于二维平面、基于三维实体的CAD绘图系统， 如AutoCAD, CATIA， UG， Pro/E， SolidWorks等。其中出现的表面模型和实 体模型等表示方法，都表达了零件更多的空间特性，给设计带来了惊人的方 便性，但它们都是在基于线框模型的基础上发展起来的。另一方面，随着计 算机技术与人工智能的发展，基于工程图的智能CAD/CAE/CAM系统在工业领 域越来越受到重视，如何将草图设计的线框模型快速地转换成理想的三维形 体,必将成为CAD/CAM —个重要的研究领域。无论是当前还是将来的CAD/CAM 系统，基于线框的工程图三维重建，都是非常重要的研究课题。特别是基于 线框的边界表示的重建方式是一个主流的形体重建方法，就是从线框中提取 数据的几何和拓扑信息再转化为实体模型。本方法在Markow， Wesly文献中 所提理论的基础上，给出了的基环关系树构造和基环嵌套关系判定的具体的实现方法，为面片提取提供了新的具体实施例，而面片提取方法作为造型技 术的基础，可以在相当大的程度上简化三维产品的设计工作，节省了资源、
人力成本，也为其他CAD/CAM系统提供了更多的便利和更大的发展空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于工程图三维重建系统的面片提取的实 现方法，主要步骤是在重建出的线框模型基础上，生成空间表面，生成空间 基环，生成空间面片以及产生最终的面片表示模型。
一种基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于它是
在由广域网连接的客户端和服务器端之间实现的，在建立基环关系树的过程
中，使用特征三角形的方法来标记基环方向；该方法包括如下步骤
A在客户端输入由三维顶点和三维边组成的形体的线框模型，读取线
框信息以空间顶点表和空间边表形式存储，并发送到服务器端；
B在服务器端对空间顶点表和空间边表操作生成全部空间表面；在每个 空间表面里，对线框模型中的顶点和边提取基环，即提取首尾相连的两两不 同的边组成的环，并生成基环表；
C在服务器端对基环表中的基环建立标记方向属性的特征三角形，并计 算特征三角形上任意两条翼边的叉积，然后用叉积向量的方向和支撑表面的 外法矢方向进行比较，判定和赋予该原基环的方向属性是in或out;所述 的支撑表面是包含基环的平面；
D在服务器端对在同一支撑平面上的基环进行位置包含关系的判断，接 着判断它们之间的重合边的条数，进而确定它们之间的嵌套关系，再结合步 骤C中给出的基环的方向属性来建立基环关系树；
E按照基环关系树中各个节点之间的层级关系判断和提取出面片并产生线框模型中的面片表，然后可以用标准的IGES (Initial Graphics Exchange Specification,基本图形交换规范)格式或STEP (Standard for The Exchange of Product model data,产品模型数据交换标准)格式输出给客户端。
所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所 述的步骤A进一步包括
Al形体的线框模型输入过程中，所述的空间三维线框是由三维重建过 程得到或者由三维CAD软件绘图产生的；
A2空间顶点表和空间边表的读取数据是遍历三维空间中的顶点和边产 生的以表的形式存储，并发送到服务器端。
所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所 述的步骤B进一步包括
Bl在服务器端利用两条相邻(即相交在公共端点)的空间边的三个端点 生成出三维线框中的所有可能的空间表面，建立了空间表面表；
B2在服务器端检测空间表面表中每个表面上的所有空间边，根据表面 的外法矢方向并按照右手螺旋法则，提取出该空间表面上所有可能的基环， 然后创建基环表；
所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所 述的步骤C其过程进一步包括
CI在服务器端对每一个基环提取它相邻的两条翼边(即有向边)，按照 选定的这两条翼边的走向，连接第二条翼边的终点和第一条翼边的起点，创 建一条新翼边，即求出原来选定的两条相邻翼边的和向量的反向量。由此得 到的三角形基环就是标记原来基环的方向属性的特征三角形；
C2在服务器端首先判断特征三角形的新边是否完全包含于原基环对应的多边形中；若特征三角形的三条边不是完全包含在原基环中，则在原基环 中另外重新选取两条相邻的翼边，重新构造基环的特征三角形，直到选出满 足条件的相邻翼边为止；
C3在服务器端对在特征三角形中的两条翼边做叉积运算，用叉积向量 和支撑平面的法矢进行比较，根据两者方向相同与否来确定原基环的in或 out属性。
所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所
述的步骤D其过程进一步包括
Dl在服务器端检测每个支撑平面对应的基环表中的基环，以该支撑平 面为虚拟节点建立基环关系树的根节点；
D2在服务器端对于每个支撑平面上的所有基环，按照在支撑平面上的 基环之间的包含关系，结合步骤C3中已经获得的基环的方向属性，并判断 基环之间的重合边的条数，进而确定基环之间的嵌套关系生成，包含关系对 应父子关系，并列关系对应兄弟关系，以基环为虚拟子节点建立起基环关系 树；
所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所 述的步骤E其过程进一步包括
El在服务器端根据基环关系树中节点的属性，判定所有具有in属性的 叶子节点其对应的基环为边界生成面片，并把面片输出给客户端；
E2在服务器端根据基环在关系树中的方向属性和嵌套关系，判定具有 in属性的节点和具有out属性的子节点之间的所有基环构成一个面片，该面 片的边界就是这些基环，并把面片输出给客户端。
藉由上述技术方案，本发明具有如下有益技术效果本发明基于线框模型的三维重建系统中面片提取实现方法具有适用范 围广、三维重建精度高等优点，对于基于线框模型的三维重建系统具有重要
本发明方法可以将各种CAD设计软件绘制得到的工程机械零件的线框 模型，或在基于草图的智能CAD实体造型系统中重建出的三维线框 (Wire-frame)模型转化为三维表面表示(Surface)模型。特别是对匹配精 度高，几何信息和拓扑信息完整的线框模型尤其有效；该方法可广泛应用于 基于工程图纸的三维重建过程之中，也可用于工业自动化检测、三维形体特 征识别、逆向工程及其他计算机辅助设计与制造领域。
图1是本发明方法所采用客户端/服务器的硬件拓扑结构； 图2是本发明方法中面片生成的流程示意图； 图3是本发明方法中基环关系树生成的流程示意图； 图4是本发明方法中基环的方向属性判定的流程示意图； 图5是本发明方法中基环的特征三角形中第三边的包含关系判定的流 程示意图6-1是本发明方法中要构造判定属性方向的基环；
图6-2是本发明方法中在基环上构造出的特征三角形；
图7-1是本发明方法中要提取基环的支撑平面中的顶点和边；
图7-2是本发明方法中所提取的基环；
图7-3是本发明方法中构造的基环关系树；
图8-1是本发明实施例中的CAD三视图的主视图； 图8-2是本发明实施例中的CAD三视图的侧视图；图8-3是本发明实施例中的CAD三视图的俯视图； 图9是本发明实施例的线框模型； 图IO是本发明实施例的面片表示模型；
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的实施例中，采用客户端/服务器的硬件拓扑结构如图1所示。 客户端输入形体的线框模型数据，本实施例的线框模型数据由基于三视图的 三维重建系统得到，然后通过广域网络将线框模型的数据传输到服务器端， 在服务器端进行生成空间表面，提取基环，生成空间面片以及去除冗余元素 生成边界表示(Brep)模型的运算处理。客户端可以采用通用的PC机，也可 以是一台独立的服务器构成，其基本要求是具有一定的运算能力、输入输出 功能、以及将运算结果通过网络传输出去的功能，并能够接受远程服务器运 算的结果。
本实施例中的客户端平台性能如下
CPU主频Pentium D 2.80GHz;
内存容量512M;
运行操作系统Windows XP/98, 2000， Linux; 一个并行打印端口，配置为USB端口。
本实施例中的服务器采用HP的ProLiantDL380 G4 (378735-AA1 )，其
性能如下
CPU类型XeonDP; CPU频率(MHz): 3000; 处理器描述标准处理器数量l;支持CPU个数2; CPU二级缓存2MB;运行操作系统为Windows 2003 Server。基于工程图的三维重建系统中面片的提取实现方法各步骤具体细节描 述如下1、客户端输入形体的线框模型，包括空间顶点表和空间边表以及其关 联关系，在服务器端采用三点法生成所有可能的支撑表面，在每个支撑表面 里对线框模型中的所有顶点和边元素利用Markowsky和Wesly所提出的极左 邻边方法进行提取基环，并生成基环表，其过程进一步包括在客户端输入形体的线框模型，读取线框的数据信息，产生空间顶点表 和空间边表，发送到服务器端，然后在服务器端利用线框模型中任意两条相 邻(相交在公共端点)的空间边的三个端点生成空间平面表面，所有的表面产 生空间表面表。如图9所示，实施例的线框中总共可以生成22个平面做为 提取基环时的支撑表面，然后对22个平面中的每一个平面预先指定一个外 法矢方向。在服务器端检测遍历每一个支撑平面，从该平面中的任一条空间 边开始，根据预先指定的平面的外法矢方向并按照右手螺旋法则，利用极左 邻边方法，提取平面上所有可能的基环，并创建基环表。(由于篇幅所限， 我们这里只取一个支撑平面为例来说明面片生成方法)如图7-l， 7-2所示， 在这个支撑平面中共提取出4个基环，它们分别是 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画vl2-v9)、 C4(v9-vl2-vll-vl0誦v9)。本步骤的具体流程图参见图2。2、 在服务器端对基环表中的基环建立标记该基环方向的特征三角形， 并通过计算来判定和赋予该基环的方向属性(in)或(out)，其过程具体包括:在服务器端对已经建立的基环表进行操作，在基环表中遍历每一个基 环，对每一个给定的基环，任意选取它中两条相邻的翼边，按照两条翼边的 走向连接第二条翼边BC的终点C和第一条翼边AB的起点A，创建一条新 边CA，即求取原来选定的两条相邻翼边的和向量的反向量(如图6-1，虚 线边CA)。由此得到的三角形AABC (如图6-2所示)就是标记原来基环的 方向属性的特征三角形。在服务器端首先判断特征三角形的新边CA是否完 全包含于原基环对应的多边形中；若特征三角形的第三条边不是完全包含在 原基环中，则在原基环中另外重新选取两条相邻的翼边，重新构造基环的特 征三角形，直到选出满足条件的相邻翼边为止。在构造出基环的特征三角形 以后，判断特征三角形中的任意两条翼边的叉积向量与基环所在支撑平面的 外法矢方向量是否相同，若两者相同，则该基环的方向属性为(out)，若两 者相反，贝lJ该基环的方向属性为(in)。本步骤的具体流程图参见图4，图5。3、 在服务器端对同一平面上的基环之间进行相对位置关系判定，再结 合基环的方向属性建立基环关系树，其过程进一步包括在服务器端遍历每个支撑表面，以支撑表面为虚拟节点建立基环关系树 的根节点。对应的基环表中的最外基环为第一级子节点，在服务器端对于每 个支撑平面上的所有基环，按照在支撑平面上的基环之间的包含关系，结合 步骤C3中己经获得的基环的方向属性，并判断基环之间的重合边的条数， 进而确定基环之间的嵌套关系，嵌套关系包括两个方面包含关系对应父子 关系，并列关系对应兄弟关系，在每个支撑表面内以基环作为虚拟节点建立起基环关系树。如图7-2所示，Cl为最外环且默认它的方向属性是out， C2 为最外环的儿子节点且判断其方向属性是in， C3和C4为C2的儿子节点且 方向属性分别是out和in.本步骤的具体流程图参见图3。4、按照基环关系树的节点层级关系提取所有面片并产生面片集合，以 标准的IGES文件格式输出给客户端，其过程进一步包括在服务器端根据基环关系树中节点的属性，判定具有in属性的叶子节 点其对应的基环生成面片，面片的边界就是该基环。在服务器端根据基环方 向属性在关系树中的关系，判定具有in属性的节点和具有out属性的子节点 之间的所有基环构成一个封闭的边界，并以这些基环为边界生成面片。又如 图7-2,图7-3中所示C4(in)是叶子节点，因此它对应的基环生成一个面片； 同时C2(in)和C3(out)两个节点共同对应生成一个面片，其中C2(in)为面片的 外基环，C3(out)为面片的内基环。按照上述步骤，处理完整个线框模型，提 取出所有面片，并删除冗余面片之后，输出给客户端。如图8-l，图8-2，图 8-3，图9，图10，它们分别是输入实施例的工程三视图，线框模型图和形 体的面片表示图。本步骤的具体流程图参见图1，图2。综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范 围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明 的技术范畴。
权利要求
1、一种基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于它是在由广域网连接的客户端和服务器端之间实现的，在建立基环关系树的过程中，使用特征三角形的方法来标记基环方向；该方法包括如下步骤A在客户端输入由三维顶点和三维边组成的形体的线框模型，读取线框信息以空间顶点表和空间边表形式存储，并发送到服务器端；B在服务器端对空间顶点表和空间边表操作生成全部空间表面；在每个空间表面里，对线框模型中的顶点和边提取基环，即提取首尾相连的两两不同的边组成的环，并生成基环表；C在服务器端对基环表中的基环建立标记方向属性的特征三角形，并计算特征三角形上任意两条翼边的叉积，然后用叉积向量的方向和支撑表面的外法矢方向进行比较，判定和赋予该原基环的方向属性是in或out；所述的支撑表面是包含基环的平面；D在服务器端对在同一支撑平面上的基环进行位置包含关系的判断，接着判断它们之间的重合边的条数，进而确定它们之间的嵌套关系，再结合步骤C中给出的基环的方向属性来建立基环关系树；E按照基环关系树中各个节点之间的层级关系判断和提取出面片并产生线框模型中的面片表，然后可以用标准的IGES格式或STEP格式输出给客户端。
2、 根据权利要求1所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现 方法，其特征在于所述的步骤A进一步包括Al形体的线框模型输入过程中，所述的空间三维线框是由三维重建过 程得到或者由三维CAD软件绘图产生的；A2空间顶点表和空间边表的读取数据是遍历三维空间中的顶点和边 产生的以表的形式存储，并发送到服务器端。
3、 根据权利要求1所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现 方法，其特征在于所述的步骤B其过程进一步包括Bl在服务器端利用两条相邻的空间边的三个端点生成出三维线框中 的所有可能的空间表面，建立了空间表面表；B2在服务器端检测空间表面表中每个表面上的所有空间边，根据表 面的外法矢方向并按照右手螺旋法则，提取出该空间表面上所有可能的基 环，然后创建基环表。
4、 根据权利要求1所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现 方法，其特征在于所述的步骤C其过程进一步包括Cl在服务器端对每一个基环提取它相邻的两条翼边，按照选定的这 两条翼边的走向，连接第二条翼边的终点和第一条翼边的起点，创建一条 新翼边，即求出原来选定的两条相邻翼边的和向量的反向量，由此得到的 三角形基环就是标记原来基环的方向属性的特征三角形；C2在服务器端首先判断特征三角形的新边是否完全包含于原基环对 应的多边形中；若特征三角形的三条边不是完全包含在原基环中，则在原 基环中另外重新选取两条相邻的翼边，重新构造基环的特征三角形，直到 选出满足条件的相邻翼边为止；C3在服务器端对在特征三角形中的两条翼边做叉积运算，用叉积向 量和支撑平面的法矢进行比较，根据两者方向相同与否来确定原基环的in或out属性。
5、 根据权利要求1所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法，其特征在于所述的步骤D其过程进一步包括Dl在服务器端检测每个支撑平面对应的基环表中的基环，以该支撑平面为虚拟节点建立基环关系树的根节点。；D2在服务器端对于每个支撑平面上的所有基环，按照在支撑平面上 的基环之间的包含关系，结合步骤C3中已经获得的基环的方向属性，并 判断基环之间的重合边的条数，进而确定基环之间的嵌套关系生成，包含 关系对应父子关系，并列关系对应兄弟关系，以基环为虚拟子节点建立起 基环关系树。
6、 根据权利要求1所述的基于工程图三维重建系统的面片提取的实i见 方法，其特征在于所述的步骤E其过程进一步包括El在服务器端根据基环关系树中节点的属性，判定所有具有in属性 的叶子节点其对应的基环为边界生成面片，并把面片输出给客户端；E2在服务器端根据基环在关系树中的方向属性和嵌套关系，判定具有 in属性的节点和具有out属性的子节点之间的所有基环构成一个面片，并 把面片输出给客户端。
全文摘要
本发明涉及一种基于工程图三维重建系统的面片提取的实现方法。步骤是A在客户端输入形体的线框模型，产生空间顶点表和空间边表以及其关联关系，并发送到服务器端；B在服务器端生成基环表；C在服务器端对基环表中的基环建立起标记该基环方向的特征三角形，并通过计算来判定和赋予该基环的方向属性；D在服务器端建立基环关系树；E按照基环关系树中各节点之间的层级关系和属性提取出面片集，并以标准的IGES等文件格式输出给客户端。该方法可广泛应用于基于工程图纸的三维重建过程中，也可用于工业自动化检测、三维形体特征识别、逆向工程以及计算机辅助设计与制造等其他领域。
文档编号G06F17/50GK101655886SQ200910195909
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者赵会波, 顾永明 申请人:永凯软件技术(上海)有限公司