基于CATIA V6的工程圖矢量填充方法

武佩佩,邢潔鋆, 韓婭娜,孟曉棟, 陳明武

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著三維數字化進程的推進[1]，國內水利水電行業使用CATIA V6在工程設計領域展開了廣泛的研究[2]，特別是在水電與抽蓄[3]、新能源、洞室[4]等工程領域應用較為廣泛。在使用CATIA V6進行三維模型正向設計的過程中[5]，通常以投影的方式得到模型對應的視圖，然后通過視圖剖切得到剖面并進行填充[6]。然而CATIA工程圖應用中的填充功能略顯不足，存在填充內容精度低、質量差、效率慢等問題。因此，如何提高出圖質量、提升出圖效率，已經成為當前工程圖領域急需解決的問題。

工程圖應用中的填充技術包含圖像填充、加陰影、加點、著色、矢量填充等[7]。鄭旻璐[8]利用最小二乘算法,對填充區域的樣本進行特征自適應性優化，進而實現三維船舶圖像填充；彭揚平[9]根據水利水電行業現有的工程出圖標準，提出一種矢量紋理填充方法，該方法借助AutoCAD的基本填充樣式，在3DE平臺開發矢量填充的插件功能，利用CAA二次開發技術實現若干填充實例；李穎弢[10]提出一種基于雙線性插值算法的圖像放大方法，首先獲取需要進行填充區域原始圖像和縮放后圖像的長寬值，計算得到原始圖像和縮放后圖像的寬度比與高度比，然后將原始圖像存入RAM并將圖像數據復制后放入緩存區域中，根據縮放比例計算圖像像素對應的虛擬坐標，最終將虛擬坐標周圍的4個點像素值進行加權計算，得到縮放后的像素值，實現矢量化填充。對于加陰影、加點、著色等填充方式，填充效果單一，無法真實形象的展示材料實際情況。矢量填充使用點、線、矩形、多邊形、圓和弧線等幾何圖形來描述圖案，通過數學公式計算獲取幾何圖形位置信息，在填充圖案進行縮放或旋轉等操作時，幾何圖形位置都會進行計算更新，不會出現整體圖案失真的現象，因此在工程領域應用矢量填充可以達到較好的填充效果。目前矢量填充在AutoCAD中已經得到廣泛應用[11]，矢量圖庫也非常豐富，同時可以根據矢量圖的生成規則自定義矢量圖[12]。相對于CATIA的應用，矢量填充雖然屬于原生功能，但在二維出圖中的應用與研究并不廣泛，且可選的填充樣式非常少，無法滿足復雜的矢量紋理填充需求。

本文針對CATIA V6中工程圖的矢量填充應用不充分，填充質量差、效率底、形式單一等問題進行深入剖析，提出一種快速便捷的矢量填充方法，實現矢量的手動區域填充和剖視圖自動填充的功能，提升工程出圖質量、提高出圖效率。

1 矢量填充方法

矢量填充方法主要分為手動區域填充和剖視圖自動填充。首先,通過自定義配置的方式進行矢量庫的定義，手動區域填充方法是根據實際需求，選擇已經定義過的矢量，在指定的投影視圖區域中進行填充；剖視圖自動填充則是通過對模型所附材料的拔模域添加已經定義的矢量，在生成剖視圖時自動完成剖面的矢量填充。CATIA中使用的矢量填充庫，參考AutoCAD矢量填充庫，按照統一規則完成定義，其默認填充樣式存儲在名為acad.pat的文件中。表1列舉了工程中常用的矢量填充樣式。

表1 矢量圖案類別對應關系

1.1 手動區域填充

矢量填充遵循先定義后使用的原則，在進行手動區域填充前需要進行填充矢量庫定義，生成矢量標準庫文件。在出圖設計過程中，設計人員創建工程圖并選擇存儲矢量標注庫對應的標注文件，其次選擇需要矢量填充的區域和填充矢量，完成手動區域填充。填充流程如圖1所示。

圖1 手動區域填充流程

1.1.1定義矢量

在CATIA V6的環境文件中定義變量CATCollectionStandard，用來指定CATIA安裝路徑下的drafting文件夾為標準矢量文件的保存位置。登錄CATIA V6選擇角色為“所有者”，登錄之后在首選項中進入標準頁面，選擇參考文件，即可在“向量”選項中添加實例，定義標準填充矢量，定義界面如圖2所示。

圖2 標準填充矢量定義

在進行標準填充矢量定義的時候，指定類型為drafting，通過在陣列的向量中添加實例，增加新的向量節點，設置當前矢量的名稱、比例、線寬、角度、線形、矢量圖形等，完成矢量的定義。以一期混凝土為例，對以上參數進行設置，即可在預覽位置，看到當前參數定義對應的矢量圖案結果。

1.1.2區域填充

完成矢量填充的定義后，在工程圖生成時選擇1.2.1節定義的標準文件，并在工具條中選擇“區域填充”工具中的“向量”類型，使用已經定義過的矢量圖案手動添加矢量進行填充，方法如圖3所示。完成填充之后也可以對已填充區域進行矢量圖案修改，手動區域填充效果如圖4所示。

圖3 區域填充方法

圖4 工程圖手動區域填充效果

1.2 剖視圖自動填充

上述的手動區域填充方法仍需要設計人員在工程圖中手動添加矢量，當遇到工程圖中有大量剖切圖需要填充時，難免會造成繁雜重復的操作，影響工作效率。為了較好地解決此問題，在進行剖視圖填充時，對模型添加材料，并在材料的拔模域中定義矢量，將材料和矢量填充圖案進行關聯，將實現剖視圖的自動填充。

1.2.1定義自動填充拔模域

定義自動填充拔模域的目的是使材料與矢量填充圖案關聯，從而在剖切后自動填充已關聯的矢量圖案。首先進行材料的創建，在核心材料中選取外觀域和制圖域作為添加域；其次編輯三維模型中材料的拔模域，設定對應的矢量填充圖案，調整比例、線寬、角度、線型等參數，使材料與矢量填充圖案關聯，并且為三維模型添加帶有矢量填充的材料；最終在三維模型生成剖視圖時，剖面即可自動填充與材料相關聯的矢量圖案,如圖5所示。

圖5 三維模型材料與填充圖案關聯

1.2.2自動填充

完成材料和填充的關聯后，在工程圖中無論如何剖切，矢量填充都會與三維模型的材料拔模域設置保持一致，剖面自動填充對應的矢量圖案，提高出圖填充效率。剖視圖的自動填充效果如圖6所示。此外材料與自動填充關聯后得到的工程圖，也可以對填充矢量進行修改和參數編輯。

圖6 剖視圖自動填充結果

2 應用與驗證

為了驗證本文提出的工程圖矢量填充方法的有效性，本節將設計實驗對方法提及的矢量圖案、參數調整在工程應用進行詳細的驗證。上述材料矢量庫共包含12種類別的圖案設計，對于每一種矢量圖案，都進行填充實驗，驗證每種圖案的有效性，結果如圖7所示。

圖7 不同矢量的填充結果展示

由圖中的效果可以看出對于不同的矢量樣式，在填充區域都可以展示正確的填充圖案。除此之外對于同一種圖案的不同顯示比例進行實驗驗證，結果如圖8所示，針對三期混凝土矢量圖案調整不同的縮放比例，可以看出對于不同的矢量圖案縮放比例都可以進行較好的適配。

圖8 矢量填充比例調整對比結果

對于每種矢量填充圖進行詳細的參數調整測試，調整的參數包含線寬、線型、顏色、角度4種類型，對于每種參數進行實驗驗證，結果如圖9所示，其中圖9(a)為原始的黏土矢量圖案，圖9(b)是使用不同線寬參數的結果，圖9(c)對線型參數進行變換后的結果，圖9(d)是對顏色參數進行設置的結果，圖9(e)是進行角度參數調整的結果。可以看出，對矢量圖案進行參數調整后，仍可以保證填充結果的質量和精度。

圖9 矢量填充參數調整對比結果

目前該方法已在金川、阜康、鎮安、大石峽等多個水利水電工程中得到了應用，工程采用三維正向設計，在二維出圖過程中均使用了本文提出的矢量填充方法，提升了工程圖的出圖效率和填充圖案的質量與精度，較好地滿足了設計出圖需求，如圖10所示為水電站工程中尾水閘門操作室縱剖面填充效果。

圖10 尾水閘門操作室縱剖面填充效果

3 結 語

本文結合西北院三維設計與二維出圖經驗，進行基于CATIA V6的工程圖矢量填充關鍵方法的研究，提出基于CATIA V6的工程圖矢量填充方法，在工程中應用證明，設計人員的出圖效率得到了顯著提升，出圖質量得到了較高保證。但是需要指出的是，隨著工程項目的不斷拓展，現有的材料庫可能出現無法滿足新項目的矢量圖案需求，因此在今后的工作中需要對矢量填充庫進行及時擴展。