基于工程图的三维形体重建方法研究

论文摘要

基于工程图的三维形体重建技术是计算机辅助设计与图形学、人工智能领域的重要研究方法,其主要任务是依据形体在二维视图的几何投影信息和拓扑信息构造对应的三维形体,是一个从低维到高维的变换过程。针对目前已有算法在重建效率和应用范围方面存在的问题,本文对基于工程图重建三维形体的关键技术进行了研究,主要工作包括：1.提出了一个基于实际工程图的预处理算法。首先,针对现有算法只能处理标准三视图的不足,提出了一个多视图自动分离算法。接着,依据视图之间的位置关系判别视图的投影方向和所属投影平面,构造复合三视图。最后,将已经确定投影方向和投影平面的视图转换到空间坐标系,以方便后续的重建过程。该算法从实际工程图中提取几何信息构造复合三视图,将同一个投影方向的多个视图归属到一个复合视图,既满足现有三维重建算法的输入条件,又能处理更多更复杂的工程图样,为三维重建技术的实用化提供了一个新的思路。2.提出了一个从三视图重建复杂组合体的重建算法。针对具有复杂遮挡关系的组合体三视图轮廓搜索不完备的问题,提出了基于动态子视图划分的投影轮廓搜索算法。在应用传统角度判别法找出三视图中所有基环后,以基环为线索动态划分单向子视图并搜索惯性环,对已找到的环进行二元组匹配。接着,依据二元匹配环组动态划分双向子视图并搜索惯性环；最后,从已找到的所有环中搜索基本形体的投影轮廓,通过拉伸或旋转构建基本形体,对基本形体应用正则布尔运算形成最终三维形体。算法既保证了构成组合体的每个基本形体的投影轮廓环不被遗漏、重建结果正确,又避免了穷举式的轮廓环搜索,提高了三维重建的效率。3.提出了一个从三视图构建曲面相贯体的新算法。二次曲面体相交时产生的相贯线一般是高次空间曲线,无法用二维投影精确地表达,通常用拟合的光滑曲线表达,甚至简化为圆弧或直线段,导致相交曲面体的轮廓投影被破坏。而现有构建曲面体的算法都要求曲面体的投影轮廓是完整和精确的,均不适用于曲面相贯体的重建。针对这种情况,本文提出了一种基于四种投影轮廓线索的启发式搜索算法处理曲面相贯体的重建,利用曲面相交时留下的最小迹线在二维视图中恢复曲面体相交之前的正确和完整的投影轮廓,进而重建出完整的曲面体。与以往算法相比,本文提出的曲面相贯体重建算法可以处理视图中出现的简化画法或拟合曲线,解决了二次曲面相交形成的高次空间曲线的投影不精确的问题,扩大了基于CSG表示的重建算法的覆盖域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 工程图学的发展
• 1.1.2 CAD技术的发展
• 1.1.3 从二维到三维转换的必要性
• 1.2 基于二维正交视图的三维重建
• 1.2.1 正投影与三视图
• 1.2.2 三维形体表达模型
• 1.2.3 三维重建问题描述
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 基于B-Rep表示的方法
• 1.3.2 基于CSG表示的方法
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 工程图预处理
• 2.1 背景介绍
• 2.2 机件的表达方法
• 2.2.1 基本视图
• 2.2.2 辅助视图
• 2.2.3 剖视图
• 2.2.4 复合三视图
• 2.3 基于实际工程图的预处理
• 2.3.1 视图分离
• 2.3.2 视图数据整理
• 2.3.3 构造复合三视图
• 2.3.4 视图坐标变换
• 2.4 算法实现和分析
• 2.4.1 测试实例
• 2.4.2 算法分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 重建复杂组合体
• 3.1 背景介绍
• 3.1.1 组合体的组合方式
• 3.1.2 组合体的投影特征
• 3.1.3 组合体的读图方法
• 3.2 组合体重建的总体流程
• 3.3 投影环搜索
• 3.3.1 基本概念和定义
• 3.3.2 节点预处理
• 3.3.3 基环搜索
• 3.3.4 惯性环搜索
• 3.3.5 基于动态子视图划分的惯性环搜索
• 3.4 基本形体构造
• 3.4.1 轮廓三元组匹配
• 3.4.2 轮廓三元组筛选
• 3.4.3 由轮廓三元组构建基本形体
• 3.5 三维形体构建
• 3.5.1 构造CSG树
• 3.5.2 生成结果形体
• 3.6 算法实现与分析
• 3.6.1 测试实例
• 3.6.2 算法分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 重建曲面相贯体
• 4.1 背景介绍
• 4.2 曲面体重建的相关工作
• 4.3 基于线索的曲面相贯体重建算法
• 4.3.1 定义与术语
• 4.3.2 四种基本线索类型
• 4.3.3 线索搜索
• 4.3.4 生成旋转半轮廓
• 4.3.5 生成基本旋转体
• 4.4 算法实现与分析
• 4.4.1 测试实例
• 4.4.2 算法分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果