Комбинирование современных подходов восстановления трехмерных объектов по графическим проекциям

УДК 004.94

КОМБИНИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ГРАФИЧЕСКИМ ПРОЕКЦИЯМ

С.А. Минаков, А.В. Барабанов, С.Л. Кенин

В статье представлен метод реконструкции трехмерных графических моделей в системах автоматизированного проектирования по их ортогональным проекциям с помощью комбинирования современных подходов построения трехмерных объектов

Ключевые слова: трехмерная модель, проекция, графический объект

Реконструкция трехмерных графических объектов по ортогональным проекциям является одним из методов трехмерного твердотельного моделирования. Ниже представлены алгоритмы, значительно совершенствующие технику реконструкции трехмерных объектов. В данной статье представлена новая методика реконструкции, основанная на понятиях инженерной семантики, в основе которой лежит комбинирование современных подходов построения трехмерных графических объектов. Данный принцип подобен методу контурного анализа, используемого опытными инженерами. Особенности нового метода заключаются в

указанных ниже утверждениях.

Во-первых, понятия инженерной семантики применяются для ускорения процесса

идентификации особенностей конструкции в

формах компонент и примитивов

реконструируемого объекта.

Во-вторых, используемые для трехмерной реконструкции механизмы предположения и интерпретации основываются на заранее определенных установках и базовых видах, для однозначной идентификации, полученной в

результате реконструкции трехмерного объекта.

В-третьих, применяется интеграция и

комбинирование методов реконструкции трехмерных объектов, с целью расширения области всевозможных форм реконструируемых объектов.

В-четвертых, базируется на рассуждениях, которые в дальнейшем используются для создания самообучающихся механизмов распознавания свойств и форм примитивов, образующих трехмерные объекты.

Экспериментальные результаты показали, что усовершенствования, полученные при

использовании нового алгоритма, полезны с точки зрения скорости обработки графики при реконструкции трехмерных объектов по чертежам ортогональных проекций.

Минаков Сергей Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: minakov_sergey@mail.ru

Барабанов Александр Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: minakov_sergey@mail.ru Кенин Сергей Леонидович - ООО «Сименс», соискатель, e-mail: minakov_sergey@mail.ru

Центральная часть системы представляет собой ядро, которое осуществляет преобразование двумерных видов объекта в трехмерные файлы CAD моделей, которые затем могут быть обработаны посредствам современных систем автоматизированного проектирования, как AutoCAD, ProgeCAD и другие CAM, CAPP, CAE системы. Разрабатываемый программный комплекс может значительно сэкономить огромные временные затраты и рабочую силу.

На сегодняшний день представлено множество различных алгоритмов, описывающих способы построения трехмерных графических объектов. Среди них каркасное представления (Boundary Representation), конструктивная твердотельная геометрия (Constructive Solid Geometry - CSG), а также большое множество других алгоритмов - являющихся модернизацией уже существующих.

Алгоритм каркасной геометрии имеет восходящий подход. Трехмерные твердотельные объекты каркасной модели сроятся под управлением двумерной информации в следующей очередности: вершина - ребро - контур -поверхность - тело. На Рисунке под буквой А схематично изображен алгоритм каркасной геометрии.

Основные шаги алгоритма заключаются в следующем: первым делом выстраивается каркас, который составлен из трехмерных вершин и трехмерных ребер. Затем, находятся грани, содержащие трехмерные ребра. Далее удаляются все псевдо элементы в соответствии с определенными критериями, а все истинные грани собираются воедино и формируют общую твердотельную модель.

Алгоритм CSG наоборот имеет нисходящий подход и основан на технологии разбиения объемного тела на составляющие. Как показано на Рисунке под буквой Б, данный подход предполагает, что каждый трехмерный объект может быть синтезирован из определенного набора трехмерных примитивов и представлен в иерархическом виде. За основу берется двумерный контур, из которого восстанавливаются трехмерные примитивы, в соответствии с их двумерными образцами на каждом из видов. Далее трехмерные примитивы объединяются, для формирования

итогового твердотельного трехмерного объекта. Главная идея данного алгоритма заключается в следующем: любое тело со сложным строением может быть синтезировано из многообразия заранее определенных трехмерных примитивов, таких как куб, сфера, цилиндр, конус, клин, тор, пирамида и другие. Трехмерные объекты, реконструированные по трем видам ортогональных проекций представляются как совокупность заранее определенных примитивов хранящихся в базе данных в виде ряда образцов и существующих моделей. В процессе реконструкции, во-первых, исключают из каждого вида повторы примитивов, затем подгоняют к образцам из базы данных графические контуры, используя технику распознавания структуры образа.

А

Б

Два подхода моделирования трехмерных объектов А. Алгоритм каркасного моделирования Б. Алгоритм конструктивной твердотельной геометрии

Если найденные повторы в трех видах, точно соответствуют, перечню трех видов образца примитива, трехмерный примитив может быть сгенерирован согласно заранее предопределенному трехмерному образцу. В противном случае возможного решения не существует.

Хотя трехмерная реконструкция из двумерных ортогональных проекций изучалась более трех десятилетий, существующие алгоритмы все еще далеки от желанной цели достичь общего решения и практического применения. Геометрическая реконструкция имеет ряд перечисленных ниже проблем.

1. Восстанавливаемые объекты обычно представляют собой - три ортогональных вида, которые не имеют средних линий, размеров, разрезов, частных и вспомогательных видов.

2. Что касается Каркасного представления, то его эффективность реконструкции низка, и легко можно получить тупиковые случаи; Для CSG трудно иметь дело со сложными объектами, потому что ограниченные, заранее определенные образцы примитивов сужают область применимости данного метода.

3. Использование единственной техники реконструкции приводит к ограниченному множеству форм восстановленных объектов.

Чтобы расширить практическую значимость трехмерной реконструкции, представлена методика, основанная на понятиях технической семантики.

Ключевая проблема понимания технических чертежей состоит в том, как восстановить потерянную геометрическую и топологическую информацию. Опытные инженеры часто изучают проекцию методом контурного анализа. Главные шаги метода приведены ниже.

1. Сложное тело разделяется на части, разложением на видовые контуры.

2. Соответствующие контуры, выбираются из

трех видов, рассматривая их последовательность согласно правилам ортогонального

проектирования;

3. Соответствующая трехмерная модель синтезируется из типичных образцов согласно контурам примитивов, а разнообразные интерпретации модели исключаются проверкой видов.

В данной статье рассматривается метод комбинирования современных подходов построения трехмерных моделей и представлена методика, основанная на понятиях инженерной семантики. Процесс реконструкции целевой твердотельной модели подобен машинной сборке. Основные шаги метода описаны ниже.

Во-первых, выделяются сложные виды, и выявляются их свойства графической информации.

Во-вторых, инженерная семантика и возможное априорное знание используются, чтобы определить компоненты или примитивы, а также отношения между компонентами и примитивами.

В-третьих, быстрое использование на первом этапе реконструкции компонентов. Если предыдущий подход алгоритма оканчивается неудачей, тогда вызывается модуль трехмерной реконструкции. При условии, что вышеуказанные методы не пригодны для этого компонента, компонент может быть восстановлен программным модулем, основанным на разложении графических компонент на примитивы.

Для сортировки компонентов и примитивов, используется преимущество семантики чертежей, чтобы ускорить процесс правильной идентификации примитивов. Согласно процессу проектирования, семантика делится на семантику способов представления, семантику отношений проекций и семантику размерных ограничений. Кроме того, каждый уровень подразделяется на явную и скрытую семантику.

Понимание семантического выражения -предварительное условие распознавания

технических чертежей; понимание семантики отношений проекций - ключевой процесс; понимание семантики размерных ограничений играет роль помощника. Когда существуют многовариантные интерпретации модели, тогда активизируется сравнение видов и визуальное рассуждение, для выбора самой приемлемой интерпретации модели.

Комбинирование различных видов алгоритмов реконструкции позволяет

восстанавливать различные примитивы достаточно эффективно от высокого до низкого. Метод CSG используется сначала, для восстановления трехмерных примитивов, поскольку он обладает самой высокой эффективностью реконструкции. Но заранее определенные образцы примитивов

ограничивают его применимость. Так, каждый новый восстановленный примитив сохраняется как новый образец, с целью расширить базу образцов CSG для определения свойств в дальнейшем. Метод каркасного представления применяется в том случае, когда невозможно построить графический объект из существующих в графической базе данных примитивов

Особенность описанного метода заключается в следующем: во-первых, сложная форма объекта разделяется на различные виды компонентов и примитивов, а техническая семантика используется, для определения найденных компонентов и примитивов; во-вторых, применяется анализ и тестирование видов, чтобы реконструировать и окончательно

аутентифицировать полученный в результате трехмерной реконструкции объект; в-третьих, комбинирование методов реконструкции используются, для увеличения множества форм восстанавливаемых трехмерных объектов.

Литература

1. Wang W. D., Grinstein G. G. «A Survey of 3D Solid Reconstruction from 2D Projection Line Drawings», Computer Graphics Forum, 1993, Vol. 12(2): 137-158.

2. Yoshiura,H., Fujimura,K. Kunii,T. L. «Top-down Construction of 3-D Mechanical Object Shape from Engineering Drawing», IEEE Computer Magazine, 1984, Vol.(12): 32-40.

3. Lu G D, Peng Q S. «Research on Primitive Relation Recognition Based on the Engineering Drawing Semantics», Journal of Computer Aided Design and Computer Graphics, 2000, Vol. 12(9): 700-704.

Воронежский государственный технический университет ООО «Сименс», Воронеж

COMBINATION OF MODERN APPROACHES OF RECONSTRUCTION OF THREE-DIMENSIONAL OBJECTS ON GRAPHIC PROJECTIONS S.A. Minakov, A.V. Barabanov, S.L. Kenin

In article the method of reconstruction of three-dimensional graphic models in systems of the automated designing on their orthogonal projections by means of a combination of modern approaches of construction of three-dimensional objects is presented

Key words: three-dimensional model, a projection, a graphic object