工程图样矢量化算法与三维模型生成的研究

第一章绪论

1.1引言
大脑是处理信息并对其做出相应对策的核心器官，人类获取信息主要是依赖于视觉和听觉。随着计算机技术的产生和普及，人们已经越来越依赖这一自动化和智能化的工具。通过各种信息采集工具将获取的信息输入到计算机，通过相当于人类大脑的cPu对信息进行运算处理并做出相应对策。这一过程近似模拟了人类大脑处理信息的方式，随着计算机技术的快速发展，计算机已具备视觉、嗅觉、触觉、听觉等信息获取能力和智能化的信息处理能力，很大程度的拓展了人类大脑的活动范围。视觉信息分为文字信息和图形信息两大类，其中对规则印刷体文字的计算机识别己达到商业化应用阶段。相比之下，图形识别能力则明显薄弱，特别是在工程图纸方面，识别技术进展相对缓慢。工程图纸的识别主要分为两个阶段:矢量化，即将光栅图像转为矢量图形，虽然现在已有一些矢量化的商品软件，但是大部分软件的功能还不完善，识别效果不是非常理想;三维重建，即由二维视图智能地转换成三维模型的软件至今也未实现商品化。所以，对矢量化和三维重建技术的研究依然存在较大的空间。最早在上世纪七、八十年代，人们就着手研究了矢量化和三维重建技术。矢量化方面:早在1984年，国外著名的cAcUs系统就可以识别一些基本图形。在1973年首先建立了三维重建的数学推理模型。至今，对这两项技术的研究都有30多年的历史，国内外众多研究的机构投入了大量的人力、财力，研究者也投入了巨大的热情，但收效却并不令人满意。然而，该技术是否真的是无法逾越的障碍是否真的是发展的瓶颈我们应该如何继续研究这些正是本文要研究的问题。

1.2课题的背景和意义
在产品的制造过程中，需要涉及大量的工程图样。将历史上成功设计的工程图纸，完好地予以保存，对于今后进行新的设计有很好的借鉴作用。许多新的设计往往就是对己有设计一的改进。但是以工程图纸的形式表达的信息并不能直接用于集成化制造过程中，如何有效的将它们与当今功能强大的cAO技术融合接轨，如何在采用三维数据模型的新技术和采用二维表达的工程图样之间架起一座联系的桥梁，是一个迫切需要解决的问题。因此将纸质工程图样矢量化，使其符合计算机辅助设计之需，是继承传统设计经验，发扬现代设计优点的有效途径。同时它能够减少设计费用和缩短设计周期，创造出更大的经济效益;而且，对现有人工钾能化发展有着决定性作川。现代设计中，三维设计能够全面反映设计对象，使产了，设计成功率大大提高。易于得到设计对象的面积、体积、重心、惯性矩等儿何参数，以进行产品的模拟装配、零件间的二飞涉检查、机构运动仿真、产品的有限元分析、乙算机辅助制造、一商业一告与动画生成等。因此基于图样矢量化的三维重建具有非常重要的工程意义。三维重建是一个模拟人工读图的过程，涉及到机器理解和推理问题。另外，现代设计理念是“设计从三维开始”，由此可见三维模型的地位将会越来越受到重视，很可能取代工程图样而扮演重要角色，故三维重建技术必定有更大的发展及应用空间。

1.3国内外研究现状
1.3.1图像矢量化技术
图形矢量化技术如何将大量的机械工程图输入到计算机中是一非常热门的研究课题。从20世纪70年代末开始，国外一些科研机构和企业对于图形信息的输入和识别的开发研究投入了大量的人力、物力和资金。日本、美国、加拿大等工业发达国家对图纸的识别与理解的各个环节都开展了大量的研究，如eAD、overlav、Raserex、Gx、vpstudio、RxAuto一mage、proz000、CroCible及vpmaxN下等,在国内，图形矢量化技术起步较晚，其中一个重要原因就是当时我国的计算机水平明显落后于其他发达国家，从20世纪80年代中期起，通过二十几年的潜心研究，也获得了很大的发展，特别是在各高校和科研院所，比如华中科技大学、清华大学、中国科学院自动化所、西北工业大学及浙江大学等单位，他们相继推出了一些图纸识别与理解系统，如华中科技大学的Dls软件、清华大学的ANNO等，都取得了良好的效果。尽管如此，现有矢量化软件的水平还是有很大的提高空间，特别是在曲线、文字和符号的识别方面、处理速度方面以及对噪声的抵抗性等方面。就目前工程图纸矢量化识别软件的应用情况来看，可将其分为交互式识别转换、半自动识别转换和自动识别转换3种。特别是自动一识别，它是极有意义最具挑战性的一项图纸矢量化识别技术，也是矢量化识别技术将来发展的方向之一。但是到目前为止，市面上还没有真正能完全满足用户需要的自动识别软件。所以，图形矢量化有很广阔的发展前景和空间。
1.3.2三维重建技术
三维重建的英文术语名称是3DReconstruction，即重建视图中形体的几维模型，也称为几何重构，主要研究如何从二维视图中恢复形体的拓扑与几何结构，这好是程图学研究的如何用二维视图表达三维形体的逆过程。虽然人类的读图过程就是个三维重建过程，但其作为一个研究课题却始于20纪60年代，计算机的出现和发展使创建一利，机器读图方法逐渐成为可能。基于三视图的三维重建始见于文献。三维重建技术是图形学领域的一个经典难题，是计算机造型的重要手段之一。主要包括三个研究热点:计算机视觉理论的标找维垂建、工程图纸的三维乖建、医学应用二，的三维重建。ldesawals于1973年首先给出了一二维重建的数学模型，但该方法有很大的局。旱在上世纪80年代初，维建技术的研究已成为图形学领域，址热门的研究方向之一，提出井实现了系列的算刀和技术，几要包括两人类:边界农小法(B一rep)和结构实体几何法(es6)。
 
   1.4 本文主要工作 ....................12-14
第二章 图纸信息采集与图像处理 ....................14-22
    2.1 图纸的输入 ....................14-15
    2.2 灰度增强 ....................15-16 
    2.3 去除噪声 ....................16-18
    2.4 图像矫正 ....................18-20
    2.5 边缘检测 ....................20-21
    2.6 本章小结 ....................21-22
第三章 工程图样矢量化转换 ....................22-39
    3.1 各种矢量化算法分析 ....................22-25
    3.2 基于图像细化的分层矢量化和基于整体矢量化算法 ...........25-36
    3.3 矢量化技术的实例与讨论 ....................36-37
    3.4 本章小结 ....................37-39
第四章 三维实体重建算法的研究 ....................39-62
    4.1 视图信息预处理 ....................39-46
    4.2 组合体分析和封闭环提取 ....................46-52
    4.3 组合体的拆分与三维重建 ....................52-59 
    4.4 影响三维重建稳定性因素的分析 ....................59-61
    4.5 本章小结....................61-62
第五章 三维模型生成二维工程图形 ....................62-67
    5.1 视图生成原理 ....................62-63
    5.2 视图生成实现过程 ....................63-65
    5.3 实例分析 ....................65-66
    5.4 本章小结.................... 66-67
第六章 信息管理系统的研制 ....................67-71
    6.1 软件接口技术.................... 67
    6.2 系统模块集成 ....................67
    6.3 矢量化识别模块 ....................67-68
    6.4 三维重建模块 ....................68
    6.5 系统实现 ....................68-71

结论

本文以工程图纸为研究对象，查阅了大量文献资料和经验数据，在总结前人经验、研究成果的基础上，添加了自己思路和算法，很好地实现了从图像识别到图形，一再到实体三维重建，最后再生成二维工程图纸的整个过程，并且将各个过程集成为一个系统，从整体上把握了从扫描图或照片到二维图纸的过程。本文在基于MATLAB图像的预处理技术、基于照片的矢量化技术、基于二维工程矢量图的三维重建技术、基于三维模型而自动转换成二维工程图纸的技术等方向都进行了不同程度的探索研究，力求可以在算法的稳定性和健壮性上有所突破，进而形成了本文所有的研究内容。具体而言，本文的主要研究内容包括以下凡个方面:
(1)图像预处理是进行工程图纸矢量化前必须进行的操作。文章首先将扫描或是拍摄得到的图纸图像输入到计算机中，接着利用灰度变换法进行图像信息的增强，然后进一步利用维纳滤波器对图像进行去噪处理，之后还利用双线性映射模型进行了图像的矫正，将拍摄后畸变的图像还原到拍照前的尺寸，把拍摄过程中产生的变形予以最大程度的消除。最后提取出图像所需的所有边缘轮廓像素点的坐标，建立相关的数据表。
(2)通过查阅大量文献资料，分析总结了现有的常见的几种矢量化算法，然后采用先细化图像信息，再进行矢量化识别的思路，并且利用了基于细化的分层和基于整体矢量化算法。主要讨论了直线、圆和圆弧、点画线的识别及矢量化过程。文中还将识别出的图形做了进一步的线条合并，修剪“毛刺”等、重新绘制中心线等操作。

参考文献

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