計算機輔助讀圖系統(tǒng)

吳戰(zhàn)國，李宏旭

（同濟大學，上海 200092）

識讀工程圖形是工科學生的一項重要技能，也是工程圖學的重點和難點。提高學生的空間分析和空間想象能力是工程圖學課程的基本目標。提高空間分析能力的主要方法是勤學多練，將投影理論與畫圖及讀圖實踐結合起來，通過不斷重復由三維立體到二維視圖，再由二維視圖到三維形體的投影變換過程，幫助初學者在頭腦中逐步建立形體與視圖的對應關系。

長期以來，投影訓練主要是通過“二補三”，即根據形體的兩個正投影圖，補畫第三個正投影圖的方式進行的。在這個過程中，投影圖所表達的形體不是直觀呈現的，它只存在于學生的腦海中，所以學生在構畫形體的第三視圖時，往往會感覺比較吃力。如果形體結構復雜，空間分析和想象將更加困難。如果能夠勾畫形體的立體草圖，將即興的思想火花記錄下來，顯然有助于分析思考，但對于初學者而言，勾畫立體草圖也不是一件易事，反倒可能更加困難。如果能夠提供一種計算機方法，將構建形體的思考過程直觀地逐步呈現出來，幫助學生及時糾正錯誤，顯然能夠極大地促進空間分析能力和空間想象能力的提高。基于這個思想，我們采用VBA語言，在AutoCAD平臺上開發(fā)了相應的讀圖系統(tǒng)，達到了良好的效果。

1 系統(tǒng)概述

計算機輔助讀圖系統(tǒng)是使用AutoCAD VBA開發(fā)的，其工作區(qū)如圖1所示，用戶界面主要由3個區(qū)域構成。左側A區(qū)為三維模型區(qū)，用于觀察建立的三維模型。右側B區(qū)為視圖驗證區(qū)，用于即時顯示基于模型的動態(tài)三視圖；C區(qū)為視圖輸入區(qū)，用于顯示原始三視圖及交互操作。

圖1 工作區(qū)界面

2 系統(tǒng)流程

計算機輔助讀圖系統(tǒng)的系統(tǒng)流程，如圖2所示，其造型過程主要分為3個階段，分別是：三視圖輸入階段、三視圖預處理階段和交互造型階段。首先，在C區(qū)繪制或調入三視圖，確認無誤后對三視圖進行轉存，即將三視圖以特定的數據結構重新存儲。然后，對三視圖進行預處理，包括分離三視圖、各視圖閉環(huán)搜索及存儲。最后進行特征構建，逐步生成最終形體。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 三維形體建立方法

特征構建的理想方法是讓系統(tǒng)根據三視圖自動創(chuàng)建三維形體，如圖3所示，在系統(tǒng)對三視圖閉環(huán)提取完成后，根據視圖間最大外環(huán)的匹配關系，系統(tǒng)能夠自動生成與三視圖匹配的三維形體。但是，由于三維形體的復雜性，若完全由系統(tǒng)在二維視圖空間自底而上地創(chuàng)建形體，需要反復的視圖匹配及校驗工作，其算法效率往往較低，而且對培養(yǎng)學生的讀圖能力幫助有限。假設以交互方法進行，將人工判斷與計算機快速校驗結合起來，不但能夠使學生直觀地看到形體構思的結果，而且有助于學生理解形體及其投影的產生過程，達到提高讀圖能力的目的。

人機交互的基本方法是人機交互，其過程是：學習者首先在某一個視圖上選擇一個閉環(huán)，確認后系統(tǒng)會自動加亮其他視圖上與之匹配閉環(huán)。當學習者確認匹配后，系統(tǒng)會根據三視圖上的進行校核。若校核通過則在模型區(qū)生成對應的子形體（或特征），并在視圖校驗區(qū)更新對應的三視圖。學習者可通過與輸入三視圖比對來鑒別子形體的有效性。若子形體無效則返回上一步，重復識別過程；若符合要求則確認子形體，并開始下一個子形體的識別，直至產生最終形體。隱含情況下，子形體之間做布爾和運算，使用者也可根據需要改變布爾運算方式。

圖3 全自動造型實例

4 關鍵算法

計算機輔助讀圖系統(tǒng)是在AutoCAD平臺上開發(fā)的，其三維造型的基礎是AutoCAD的VBA模塊。在此基礎上，系統(tǒng)開發(fā)了視圖分析及處理算法，以便向造型接口提供幾何信息和拓撲信息。下面給出該系統(tǒng)的關鍵算法。

4.1 三視圖數據轉存

原始三視圖可以在C區(qū)直接繪制，也可以從外部調入。對輸入到系統(tǒng)中的三視圖，要以特定的數據結構進行存儲，不失一般性，我們以平面立體為例加以說明。平面立體的正投影圖上只包含點和線兩種圖元，幾何數據比較簡單，可以用數組存儲。考慮到后繼數據處理的需要，還需要對點與點、點與線之間的關聯關系加以存儲。

對于每個視圖，我們用5個表來存儲視圖信息，分別為點表、線表、點的關聯點表、點的關聯線表以及點的度數表。點表用于記錄該視圖上點的坐標；線表用于記錄該視圖上線的端點；點的關聯點表用于記錄該視圖上點的鄰接點；點的關聯線表用于記錄該視圖上點到鄰接點的關聯線；點的度數表用于記錄該視圖上點的鄰接點的個數。

4.2 分離視圖算法

由三視圖分離出主視圖、俯視圖和左視圖可以通過人工依次在3個視圖上指定對應點來完成，如圖3所示。這種方法需要初學者具備基本的讀圖能力，為簡化操作，系統(tǒng)也提供了分離視圖的自動工具。其算法的主要依據是：每個視圖一定是一個封閉的區(qū)域，而且視圖間存在間隙。主要過程是：首先將三視圖看作一個整體，搜索出左下角點、左上角點和右上角點；然后分別從3個角點出發(fā)，依據點的關聯線表由左下角點向上搜索到俯視圖上具有最大Y坐標的角點，由左上角點向下搜索到主視圖上具有最小Y坐標的角點，取兩個Y坐標的中線，即可將主視圖和左視圖與俯視圖分離。同理由左上角點向右、由右上角點向左搜索，可以得到主視圖上具有最大X坐標的角點和左視圖上具有最小X坐標的角點，從而將主視圖和俯視圖與左視圖分離。

4.3 視圖上閉環(huán)的搜索方法

二維視圖上的閉環(huán)搜索是計算機圖形學的基本問題，有成熟的算法可以參考，其主要原理是通過計算下一條矢量邊與當前矢量邊的轉角，并依據內環(huán)和外環(huán)的不同，分別選擇最大轉角邊和最小轉角邊來實現的。在轉存三視圖數據時，我們紀錄了點的關聯點表，也是出于閉環(huán)搜索的需要。

為降低算法復雜性，除最大外包閉環(huán)外，我們僅提取并存儲了最大外包閉環(huán)內部彼此獨立的內部閉環(huán)，沒有考慮內部閉環(huán)之間的組合及包容關系。關于此部分的內容，我們另文討論。

4.4 子形體的構建方法

由于系統(tǒng)開發(fā)的目的是培養(yǎng)初學者對三視圖讀圖能力，其三維形體不是實際機件，而是幾何形狀比較簡單的組合形體，所以選擇了AutoCAD軟件平臺。AutoCAD的三維造型功能比較簡單，主要用斷面拉伸和斷面回轉兩個造型命令，但能夠滿足組合形體的建模需要。

構建子形體的主要過程是：首先依據匹配的閉環(huán)，自動提取適用于造型的斷面數據；然后根據斷面所在的視圖以及相對位置，自動對斷面進行旋轉、平移變換；接著依據另一個視圖上的匹配閉環(huán)或線段，構造子形體并加亮；最后由操作者決定布爾運算的類型，從而生成特定形體。

對于特定形體，系統(tǒng)可以全自動創(chuàng)建三維形體。如圖3所示，系統(tǒng)自動提取3個視圖的外包閉環(huán)后，依次將3個外包閉環(huán)拉伸生成3個子形體，然后將3個子形體作布爾和運算，最終的形體就自動產生了。

5 結束語

本文介紹了一種計算機輔助讀圖系統(tǒng)，能夠自動分割三視圖，并依據三維造型的需要將三視圖數據進行轉存，記錄三視圖上相互關聯的線面信息，然后在視圖匹配規(guī)則的引導下，通過用戶交互，快速生成其三維模型，實現了輔助學習者培養(yǎng)空間想象和空間分析能力的效果。

讓程序根據三視圖自動重建三維形體，是計算機造型領域研究者的一個目標，如何進一步提高重建程序的智能，也是作者努力的方向。

[1]吳戰(zhàn)國, 李啟炎.面向三維重建的三視圖數據結構[J].工程圖學學報, 2001, 22(2): 129-132.

[2]董建甲, 王小椿, 陳丁躍.基于專家系統(tǒng)的二維投影視圖的三維實體重建[J].小型微型計算機系統(tǒng),2003, 24(7): 1394-1396.