二维化工工艺管道图的三维重建.docx

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二维化工工艺管道图的三维重建

第10卷　第14期　2010年5月167121815（20101423523204　

科　学　技　术　与　工　程

ScienceTechnologyandEngineering

　Vol110　No114　May1

2010

　2010　Sci1Tech1Engng1

二维化工工艺管道图的三维重建

薛　峰　张　燕　赵　盼

（辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院,抚顺113001

摘　要　介绍了如何对二维化工工艺管道的主视图和俯视图进行信息提取,信息匹配及进行三维重建的过程。

从而加快管道设计过程,提高效率。

将实体赋予不同颜色用以区别匹配成功与否,可以达到有效快速匹配的目的。

具体的实现过程是用

AutoCAD二次开发语言ObjectARX完成的。

关键词　二维化工工艺管道图　　三维重建　　ObjectARX中图法分类号　TP391.72L　　文献标志码　

A

2010年2月10日收到

第一作者简介:

薛　峰（1983—,河南郑州人,硕士研究生,研究方向:

计算机图形图像。

　　化工工艺管道结构的复杂性和位置的隐蔽性客观上对二维管道的绘制造成了巨大的困难。

然而二维化工工艺管道图对工程施工却是必不可少的,为了更好地展现化工管道的空间结构,对管道图进行三维重建很有必要,也能满足工作人员对具体工艺管道空间结构的把握。

由于多数管道一般都是由圆柱体组成的,因此在重建三维管道的过程中,一般先使用管道的中心线来表示管道的具体走向和空间布局,不仅可以比较清晰的展示二维管道的空间结构,还可以加快显示和处理三维管道的速度

[1]

。

因而需要准确地确

定出二维化工工艺管道中心线的空间位置,再根据中心线进行三维重构,然后对其进行处理就可以得到相对应的三维管道。

本文专门针对二维化工工艺管道图的主视图和俯视图进行具体的三维重建的。

1　视图的分离与视图关系的确定

由于所需重构的二维化工工艺管道一般是由主视图和俯视图组成的,而利用AutoCAD软件所绘制的二维管道图,不论包含几个视图,在计算机

内都是作为一个图形存在的。

对于两视图一般处于绘图坐标系（XOY坐标系下,必须把两视图转换到对应的空间投影坐标系（XYZ坐标系下,这样才能为获取并匹配二维管道的三维信息做好充分的准备。

这个过程可以根据主、俯两视图长对正的投影特性,确定出视图原点的位置

[2]

。

建立相应的视

图坐标系,从而可以实现二维管道的视图分离。

2　坐标变换

绘制在AutoCAD环境下的二维工艺管道均在同一坐标系下,通常在XOY平面内,所有的点均以（x,y,0的格式记录。

坐标变换就是将绘图坐标系

下的各图元的特征点坐标转换为空间投影坐标系下的相对坐标（见图1。

进行视图分离之后,位于

XOZ平面内的主视图中所有实体,采用鼠标选择的

方法将位于XOZ

平面内所选范围内所有实体放入

图1　管道视图的坐标变换

选择集Set1中,把位于XOY平面内的俯视图中所有实体放入Set2中,根据管道图的特殊性,分别将两个选择集内的实体按类型分为Point,Line,Circle三大类。

在Set1,Set2选择集中分别遍历搜索出所包含的基本图元的特征点坐标分量的极小值与极大值。

可设P1xmin,P1ymin分别为Set1中所有图元特征点的X坐标的最小值,Y坐标的最小值,在图1中分别对应

x11和z11;设P2xmin,P2ymax分别为Set2中所有图元特

征点的X坐标的最小值,Y坐标的最大值,在图1中分别对应x21和y23（或y21或y22。

进行主视图的坐标变换只需在Set1中的点集

PV中顺次选取顶点PVi（XVi,YVi,0,则在空间投影

坐标系下的相对坐标的分量为:

XVi=XVi-P1xmin,

ZVi=YVi-P1ymin,YVi=0,并按此值更新PVi坐标。

直

到将PV中所有顶点坐标更新完毕为止。

进行俯视图的坐标变换与上述方法类似,在Set2中的点集PH中顺次选取顶点PHi（XHi,YHi,0,

则在空间投影坐标系下的相对坐标的分量为:

XHi=

XHi-P2xmin,YHi=P2ymax-YHi,ZHi=0,并按此值更新PHi坐标。

直到将PH中所有顶点坐标更新完毕为

止。

具体以图1为例,原始坐标和变换之后坐标的对应关系如下表1所示。

至此,已完成了对二维管道图的坐标变换

[3]

。

表1　原始坐标和变换之后坐标的对应

所处选择集原始坐标

变换之后坐标

Set1

Set2（x11,z11,0

（0,0,0

（x12,z12,0（x12-x11,0,z12-z11（x13,z13,0（x13-x11,0,z13-z11（x14,z14,0（x14-x11,0,z14-z11

（x21,y21,0

（0,0,0

（x22,y22,0,（x22-x21,y23-y22,0

（x23,y23,0

（x23-x21,y23-y23,0即:

（x23-x21,0,0

3　视图匹配

从Set1选中一个实体,以直线Line为例,并自动获取起始点坐标值（X1,Y1,0,终点坐标值（X2,

Y2,0。

比较X1和X2的大小:

当X1=X2时,Line在Set2中存在以下两种情况:

①一个以X1为横坐标的点,可以匹配出此点在空间坐标系下对应的Y值。

如图1中的（x12,z12,0和（x13,z13,0组成的线段在Set2中投影为一点,即

（x22,y22,0。

因此这条线段两个端点的三维信息表

示为:

（x12,y22,z12和（x13,y22,z13;②为一条线段,此线段具体与YOZ平面平行,并与OX,OY,OZ均成一定的夹角。

从而也可以通过坐标变换得到Line对应的三维坐标值。

当X1≠X2时,Line在Set2中必定为一条直线,就遍历Set2中的Line类的所有直线。

可以事先将Set2中的点集按X坐标的增序排列,这样就能方便

找出某直线两端点的X坐标分别与Set1中的Line对应两个端点的横坐标X1和X2对应相等。

如图1所示,在Set1中,由（x11,z11,0和（x12,z12,0组成的线段对应于Set2中的线段是由（x21,y21,0和（x22,

y22,0组成的,因为图例中x11=x21,x12=x22。

由于

二维管道重构的特殊性,可以判断出此直线即为管道在XOY平面的俯视图,根据相应的坐标变换,从而可以确定出此管道的三维信息（X,Y,Z。

反映在图1中,所对应的三维信息也就是（x11,y21,z11,

（x12,y22,z12,（x13,y22,z13,（x14,y23,z14,分别对其

进行存储。

需要进一步对属于同一管段的两端点三维坐标的值与相应直线段进行关联处理,不至于在重构的过程中发生混乱。

本文提出了运用将实体赋予不同颜色用以区别匹配成功与否的方法,用这种方法可以提示用户此实体是否已匹配成功,同时也可以降低自动识别过程中的难度。

具体操作也就是将Set2中已与Set1中对应实体匹配成功的实体赋予与原选择集

中其他实体不同的颜色。

直到遍历完Set1中所有的实体,需要检验其所有实体是否真正全部匹配成功。

若匹配成功,可弹出消息框进行提示;再遍

历Set2中所有实体,此时只需检验选择集内所有实体是否都已改变颜色,此种方法可以较快的遍历出Set2中存在的实体是否真正匹配。

若某个实体还未改变颜色,则此实体投影在XOZ平面内必

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为一点。

而在Set2中必为垂直XOZ平面的一条线段,在Set1中则以点的形式存在,此时可以确定出线段的三维信息,并添加到三维重构的集合当中。

将图元的几何信息和拓扑信息进行完整的存储是进行三维重构的基础,而二维管道中常见的图元有:

直线,圆弧等。

每个图元都有自己的特征点和特征信息,如直线的特征点为端点,圆弧的特征点为圆心,特征信息如圆弧的起始角和终止角等。

可根据不同图元,建立不同的链表对其进行存储[4]。

4　三维管道的绘制

由于化工工艺管道一般都是直线型的管道,其实质就是一个柱体,ARX中绘制柱体的命令是Acad:

ErrorStatusAcDbCircle（center,normal,radi2us,其中center是圆柱体下底面的圆心;normal是圆柱体的法向矢量;radius是圆柱体的半径。

这种方法绘制出的圆柱体的倾斜方向就是圆柱体母线的方向矢量,即normal值为后一坐标与前一坐标的差。

从1中依次读取两个相关联的三维点信息,这两点之间的距离即为柱体的高,也就是相应管道的管长,再计算出前点到后点的方向矢量作为柱体的延伸方向,然后调用ARX中绘制柱体的函数就可以实现管道的绘制了[5,6]。

程序如下所示:

AcGePoint3dcenter1（pt[i].x,pt[i].y,pt[i].z;

AcGePoint3dcenter2（pt[i+1].x,pt[i+1].y,pt[i+1].z;//依次得到的两个点坐标值

doublelength=center1.distanceTo（center2;//得到管长

AcGeVector3dnormal（pt[i+1].x-pt[i].x,pt[i+1].y-pt

[i].y,pt[i+1].z-pt[i].z;//得到柱体的延伸方向

进行柱体的绘制:

AcDbCircle3pCircle=newAcDbCircle（center1,normal,radi

us;

AddEntityToDbs（pSolid-1;//把柱体加入到数据库中

绘制结果如图2,图3所示

。

图2　CAD

中重构的三维管段图图3　经过渲染的三维管段5　管道之间的连接处理

在重构三维管道时,管道与管道连接处添加必要的连接件（如弯头,法兰,三通等,需要根据记录的数据和实际情况判断在管道连接处需要插入具体的连接件。

如:

弯头和三通适用于两根及以上管道的相交连接处理;而法兰比较适用于若干管道平行时的连接处理。

如下图4就是对图3进行连接处理后的效果[7]

。

图4　经过连接处理之后的三维管段

6　结论

本研究以AutoCAD为二维化工工艺管道处理平台,采用ObjectARX开发程序的方法实现管道从二维到三维的一个转化,从而给管道的设计和施工带来了很大的方便。

本研究不仅对二维化工工艺管道图的三维重建具有普遍的意义,还对AutoCAD二次开发技术作了很好的补充。

参　考　文　献

1　刘家仓.三维管道设计系统的研究与开发.大连:

大连理工大学,2005;24（4:

161—165

2　石岚峰,邓北冀.基于工程图三维重建中的预处理与信息提取技术研究.计算机应用研究,2007

3　韩云鹏,孟　磊.面向三维重建的工程图信息自动获取与处理.

制造业信息化,2004;4:

70—72

5253

14期薛　峰,等:

二维化工工艺管道图的三维重建　

4　赵晓峰,孙静波.面向三维重建的工程图信息预处理的研究.计算机系统应用,2008;2:

48—49

5　李长勋.AutoCADObjectARX程序开发技术.国防工业出版社,20056　王清辉,王　彪.VisualC++CAD应用程序开发技术.北京:

机械工业出版社,2003

7　詹迪维.SolidWorks产品设计实例教程.北京:

机械工业出版社,2008

3DReconstructionofthe2DChemicalProcessPipingDiagram

XUEFeng,ZHANGYan,ZHAOPan

（SchoolofComputerandCommunicationEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,P.R.China

[Abstract]　Howtoextracttheinformationfromthemain2viewandtop2viewofchemicalprocesspipein2Disde2scribed,andmatchtheinformationextractedandreconstructthepipein3D.Thusreducesthedesignperiodofpipeandtheefficiencyareimproved.Thematchingmethod,whichenduestheentitieswithdifferentcolorstodifferentiatewhethertheyarematchingsuccessfully,canmakethematchingeffectiveandfast.ThespecificimplementationoftheseprocessesisdonewiththeseconddevelopmentlanguageObjectARXundertheenvironmentofAutoCAD.[Keywords]　2Dchemicalprocesspipingdiagram;3DreconstructionobjectARX

（上接第3505页

3　结论

理论和实践都表明,本算法在大部分情况下都可以起到良好的效果。

最小二乘法不仅可以在数据采集系统中对采集的数据进行分析和处理,更可以在工控系统中可以矫正非线性环节[6]。

笔者在几个控制系统和数据采集系统中应用最小二乘法曲线拟合矫正的办法,比较好地解决非线性环节的一些问题。

参　考　文　献

1　崔国华,许如初.计算方法.北京:

电子工业出版社,2002

2　刘瑞新.VisualBasic程序设计教程.北京:

电子工业出版社,20073　肖金球.单片机原理与接口技术.北京:

清华大学出版社,2004

4　马东升,雷勇军.数值计算方法.北京:

机械工业出版社,2006

5　王淑玲,段清明,林　君.液体流量控制系统的设计与应用.长春邮电学院学报,2001;19（01:

56—59

7　DeKongWL.Optimalestimationoflineardiscrete2timesystemswithstochasticparameters.Automatica,1984;20:

113—113

IndustrialControlSystemsandMeasurement

SystemsofNon2linearCorrection

LIUGang2li

（ChengduElectromechanicalColledge,Chengdu610031,P.R.China

[Abstract]　Themeasurementsystemofindustrialcontrolsystemsandthebasicprinciplesandnon2linearcalibra2tionmethodsaredescribed,focusedonthecontrolsystemanddataacquisitionsysteminthepracticalapplicationofnon2linearcorrection,provenmethodofleastsquarescurvefittingusingcorrectioncanbettersolvethenon2linearpartofthecontrolandmeasurementsystemintheprecisionoftheproblem.

[Keywords]　non2linearcorrection　　curvefitting　　temperaturecontrolaccuracy　　flowrateaccuracy6253科　学　技　术　与　工　程10卷