一种基于轴测图的管道三维重建方法与流程

本发明涉及管道布图设计技术领域，具体地说涉及一种基于轴测图的管道三维重建方法。

背景技术：

管道轴测图一般以AutoCAD软件绘制，现有的管道布图设计工程中常采用中心投影法和平行投影法两种投影方法，工程图纸绝大部分采用平行投影法表达。正等轴测图是由平行投影法生成的，是具有立体感的平面图；换而言之，在形成轴测图的投影方向上具有静态的立体感，当从不同的角度观察轴测图，这种静态的立体感不复存在；其不是真正意义的管道三维立体图，无法从不同的位置和角度观察管道布局，容易在管道施工现场出现管道之间的干涉等设计错误，导致工程停滞或终止；并且只能通过修改错误的管道布图设计后继续施工，这样严重影响到工程的运作效率，成本较高。

基于上述管道布图设计存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于轴测图的管道三维重建方法；旨在解决由管道轴测图布图设计错误在施工设计阶段难于有效排除的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于轴测图的管道三维重建方法，该重建方法包括如下步骤：

S1：将AutoCAD软件绘制的管道轴测图分成若干个管段，采用图形置换和分类编码的方法对管道轴测图的若干个管段进行图形预处理，并保持原有管道中各管段的连通性；

S2：采用AutoLisp/VisualLisp的选择集和图元处理技术对预处理的各个管道轴测图进行各管段坐标数据提取，将提取的坐标数据采用正等轴测图的投影规律转换为三维实体数据；

S3：根据提取的三维实体数据，判断各个管段之间的连通性；

S4：根据已获得管段的连通性以及各管段的三维实体数据，利用AutoLisp/VisualLisp编程实现其三维模型构造；根据步骤S1中的图形置换和编码信息，利用图形置换技术，将被置换的图形以三维对应图形重新置换，完成管道上各种阀门和管件的二维到三维的置换，实现轴测图管道三维重建。

作为对上述技术方案的改进，所述管段以圆柱体管段的轴线(粗实线)位置表示。

作为对上述技术方案的改进，所述图形置换为把所述管道轴测图中的各个管件和阀门置换成“块”实体；所述分类编码为根据所述管道轴测图中的“块”实体进行各自编码。

作为对上述技术方案的改进，所述的步骤3中，根据各个管段的连通性对管段进行分类；将具有连通性的管段构成一个集合形成独立管道；其他管段直接进行建模或抛弃。

作为对上述技术方案的改进，所述独立管道分为简单通路或连通分支通路。

作为对上述技术方案的改进，采用AutoLisp/VisualLisp编程技术将所述独立管道以链表数据结构或数组形式表示；将所述连通分支通路以二叉树/三叉树数据结构表示。

具体来说，上述步骤是这样依次进行的：

管道轴测图一般以AutoCAD软件绘制，管道轴测图中包含若干管段，管段是管道图中的最小单位，一般以圆柱体管段的轴线(粗实线)位置表示(一般是线宽度较大的粗实线)；管段之间的关系包括连通关系，以及不连通的关系；在连通关系下，任意一个管段也可能属于某简单通路或具有连通分支；因此可以结合实际工程制图进行管道轴测图的三维重建，以便能够高效、准确识别管道布局。

首先，采用图形置换和分类编码的方法对各个管道进行图形预处理(即轴测图的规范化)，实现各个管道轴测图的模型规范化表达以及保持原有管道的连通性。

然后，采用AutoLisp/VisualLisp的选择集和图元处理技术对规范化的各个管道轴测图进行各管段坐标数据提取，提取的原始数据以三维形式呈现(例如图3(a)中各管道的数据)。由于轴测图成图的特殊性，该数据本质上是二维数据，利用正等轴测图的投影规律，根据这些原始数据推导其实三维空间的实体数据，完成数据转换。

再次，根据转换后的三维数据判断管段的连通性，分析哪些管段之间具有连通性。具有连通性的各个管段构成一个集合形成独立管道；进一步地，再判断其为简单通路，或具有连通分支，从而分类处理；一般情况下，简单通路为单条独立连通的支路；并且，不在任何通路上的管段，可以认为是孤立存在的，视情况直接三维建模或抛弃。

再接着，设计不同的数据结构实现三维重建。对于简单通路的管道，建立链表数据结构或数组；对于具有连通分支的管道建立二叉树/三叉树数据结构，可以利用AutoLisp/VisualLisp编程实现时，不同的数据结构均转变为表结构表达。

最后，实现基于轴测图的管道三维重建。根据已经获得管段的连通性以及各管段的三维数据，利用AutoLisp/VisualLisp编程实现其三维模型构造。根据首次步骤中的图形置换和编码信息，再次利用图形置换技术，将被置换的图形以三维对应图形重新置换一次，主要是完成管道上各种阀门和管件的二维到三维的置换，实现完全意义上的轴测图管道三维重建。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的基于轴测图的管道三维重建方法，解决了由管道轴测图布图设计错误在施工设计阶段难于有效排除的问题。通过采用上述方案，能够实现管道轴测图的三维重建分析，从而可以从各个不同的位置和角度观察管道布局，减少管道施工现场出现管道或部件之间相互干涉等设计错误从而影响工程效率，有效解决了工程施工中布图设计错误带来的难题；并且，本发明提供的轴测图的管道三维重建方法实用性、可操作性强。

附图说明

图1为本发明的一种管道轴测图的三维重建方法的流程图；

图2为本发明的一种管道轴测图；

图3为管段的原始数据与三维重建数据对比轴侧图，其中3(a)为原始数据，3(a)为实体数据；

图4为本发明的一种管道轴测图三种坐标系之间关系的原理图；

图5为本发明的一种管道轴测图的管道走向判定示意图；

图6为本发明的一种管道轴测图中的坐标变换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术作进一步详细说明。

如图1-6所示，本发明的基于轴测图的管道三维重建方法，具体包括以下步骤：

管道轴测图一般以AutoCAD软件绘制，管道轴测图中包含若干管段，管段是管道图中的最小单位，一般以圆柱体管段的轴线(粗实线)位置表示(粗实线)；管段之间的关系包括连通关系，以及不连通的关系；在连通关系下，任意一个管段或隶属于一个简单通路，或隶属于具有连通分支的通路。因此可以结合实际工程制图进行管道轴测图的三维重建，以便能够高效、准确识别管道布局。

首先，采用图形置换和分类编码的方法对各个管道进行图形预处理(即轴测图的规范化)，实现各个管道轴测图的模型规范化表达以及保持原有管段的连通性。图2为管道轴测图的原始图例。

然后，采用AutoLisp/VisualLisp的选择集和图元处理技术对规范化的各个管道轴测图进行各管段坐标数据提取，提取的原始数据以三维形式呈现(例如图3(a)图中各管段的数据)。由于轴测图成图的特殊性，Z坐标全部为零，该数据本质上是二维数据。根据图4所示管道轴侧图三种坐标系统之间的关系示意图，利用正等轴测图的投影规律，由提取的原始数据推导它们位于三维空间的实体数据，完成数据转换，例如图3(b)中各管段的数据。

再次，根据转换后的三维数据判断管段的连通性，分析哪些管段之间具有连通性。具有通路的管段构成一个集合形成独立管道，进一步判断其为简单通路，或具有连通分支，分类处理。

再接着，设计不同的数据结构实现三维重建。对于简单通路的管道，建立链表数据结构或数组；对于具有连通分支的管道建立二叉树/三叉树数据结构。利用AutoLisp/VisualLisp编程实现时，不同的数据结构均转变为“表”结构表达。

最后，实现基于管道轴测图管段的三维重建。根据已经获得管段的连通性以及各管段的三维数据，利用AutoLisp/VisualLisp编程实现其所有管段的三维模型构造。其中，根据首次步骤中的图形置换和编码信息，再次利用图形置换技术，将被置换的图形以三维对应图形重新置换一次，主要是完成管道上各种阀门和管件的二维到三维的置换，实现完全意义上的管道轴测图三维重建。

优选地，本发明提供的轴测图的管道三维重建方法具体实施过程如下：

1、图形预处理

采用图形置换和分类编码的方法对管道进行图形预处理，即轴测图的规范化，实现管道轴测图的模型规范化处理并保持原有管道的连通性。对于管道轴测图进行规范化处理，主要是分离管道轴测图中的各类阀门和管件，将构成阀门和管件的几何元素提取出来，组合成独立的“块”实体；“块”实体是AutoCAD中的一种实体类型，可通过AutoCAD软件实现；并按照阀门或管件的功能对他们进行编码，本方案中对原始图形进行预处理是为了统一管道轴测图的表达，并保持了原有管道图的连通性。管道图错综复杂，如图2所示，为了高效完成三维重建工作，需要根据其处理方法和特点进行一定的预处理工作；工程图预处理是三维重建中的一项基本处理，同时也是三维重建的第一步骤，这一部分工作的好坏与否将直接影响后续的重建工作；其过程包括：

(1)、删除与重建无关单元：视图中的辅助图元，如管架、方向标、材料表、标题栏以及一些标注信息(指与实际特征一致的几何标注，如长度标注)等；

(2)、规范化处理：建立基本管线图层来存放管道，分别建立阀门和管件图层来存放阀门和管件，例如法兰、截止阀、异径管等。管线统一用单线粗实线表示，阀门和管件用细实线表示；

(3)、把阀门和管件做成块的形式，并按照一定的规则编码命名块。

2、管段的数据提取及坐标变换

采用AutoLisp/VisualLisp的选择集和图元处理技术对规范化的管道轴测图进行各管段坐标数据提取，提取的原始数据以三维形式呈现。由于轴测图成图的特殊性，该数据本质上是二维数据，采用正等轴测图的投影规律，将这些原始二维数据推导成三维空间的实体数据，完成数据转换。

如图4所示，为了实现坐标变换，首先要理解二维世界坐标系OX_wY_wZ_w(xoy)，轴测坐标系OX₁Y₁Z₁和空间投影坐标系OXYZ三种不同坐标系之间的关系，以及轴测图与三维实体图之间的关系。世界坐标系即绘图坐标系，利用AutoCAD软件绘制管道轴测图时通常是在此坐标系下进行，其Zw坐标缺省情况下是0，存储于AutoCAD数据库内的数据就是此坐标系下的数据。空间投影坐标系OXYZ是三维重建目标坐标系，其坐标轴互成90°，是真实情况下三维物体所处的坐标系。轴测坐标系是空间坐标系OXYZ在轴测投影面上的投影。管道图大多采用正等轴测投影，轴测投影轴之间的夹角是120°。

(1)、管段数据的提取：化工管道轴测图中涉及到的图形对象主要有点、直线、圆弧。获取和修改图形信息，可以通过两种方法：AutoLisp的组码表处理方法和Visual Lisp的对象属性处理方法。AutoLisp程序通过图形的图元名和相应的DXF来获取所需信息。例如用(cdr(assoc 10(entget(car(entsel)))))来获取直线起始点信息。本发明采用Visual Lisp中ActiveX方法通过图形的对象名和属性来获取所需信息。直线对象有StartPoint，EndPoint，Length，Angle，Color等许多属性。对于上述直线，将其图元名转化为对象名，然后通过获取属性函数来获取所需信息。例如通过(Vlax-Get(Vlax-Ename-＞Vla-Object(car(entsel)))’StartPoint)来获取直线起始点信息，(Vlax-Get(Vlax-Ename-＞Vla-Object(car(entsel)))’Angle)来获取直线角度信息，(Vlax-Get(Vlax-Ename-＞Vla-Object(car(entsel)))’Length)来获取长度信息；通过改变属性名称可获取其他属性信息。相对于处理复杂的DXF组码来说，使用ActiveX方法能更直观地访问和编辑图元属性。

(2)、管段的走向判定：大多数情况下，管道的空间位置是垂直于基本投影面，即处于铅锤线，侧垂线和正垂线位置。由轴测投影规律可知，在轴测图中表现为平行于相应的轴测轴。因此，正等轴测图中管道在世界坐标系中位于与X_w正向夹角为±30°，±90°，±150°方位上，如图5所示。为了实现管道的坐标变换，首先要判定其空间走向；通过直线对象的Angle属性可以得到管道与X_w正向的夹角信息，所得角度信息以弧度为单位表示。例如，在图5中，管道OA与X_w正向夹角为30°，即与轴测轴X1轴平行且为负向，可推出OA平行于空间坐标系下X轴；同理，可得出AB平行于空间坐标轴Z轴，BC平行于空间坐标轴Y轴。当管段为投影面平行线或一般位置直线，可采用换面法转化为投影面垂直线解决。

(3)、单一管段的坐标变换：化工管道图中各管段是首尾相连的。本文充分利用了首尾相连的特性，假设计算新的管段的坐标时，该管段的起点已经转换获得了空间坐标系下的坐标。如图6所示，SE为管道图的一个管段，S(X_ws，Y_ws，Z_ws)和E(X_we，Y_we，Z_we)为管段SE在世界坐标系OX_wY_wZ_w中的坐标，Z_ws＝Z_we＝0。S₁(X_1s，Y_1s，Z_1s)和E₁(X_1e，Y_1e，Z_1e)为变换后的空间坐标，起点S的空间坐标S₁(X_1s，Y_1s，Z_1s)为已知，根据已提取的SE的世界坐标系的几何数据，推导出终点空间坐标E₁(X_1e，Y_1e，Z_1e)的数值；在轴测坐标转换时，需要对起始管段的起始点进行定位，一般可将其确定为坐标原点或局部坐标原点。以此为出发点，依次计算出管道上其它管段的轴测坐标。

不失一般性，假设α＝30°，SE平行于X1轴负向。参见图6，则有：

成立。L几何意义为SE管段实长，当管段方向与X₁轴负向同向时L取负，与X₁轴正向同向时L取正。L可通过Length属性获得。以列向量表示点的坐标，写成齐次矩阵形式表示为：

记

则有P_e1＝M_X1·P_s1。

同理，当SE//Y₁和SE//Z₁时，分别有

P_e1＝M_Y1·P_s1，P_e1＝M_Z1·P_s1。

其中，

定义矩阵与向量相乘函数，可完成上面的转换计算。

3、阀门和管件识别

管道布置图中有大量的阀门、管件(包括弯头、三通、法兰、异径管等)、管道附件等；它们以规定图形按大致比例和实际位置用细实线绘制；管件、阀门等与管道的连接形式(法兰连接、螺纹连接、焊接)的图形符号也用细实线画出；这些简易符号仅仅是示意图，往往需要借助标注或文字等工程语义来完整表达其相关信息。现有计算机已能够读取几何图形元素，但对于工程语义信息的理解还很难做到智能化。因此，本发明通过判定图层、线宽和块名的方法来识别管道、阀门和管件；通过块名来识别是何种阀门、管件，通过块的属性值或者扩展数据来获取其主要参考尺寸(如公称直径和总体长度)。发明人通过研究分析了大量管件、阀门，将其按照一定的原则和方法进行区别和归类，制定出一种编码规则，块名采用此编码命名。编码依次由模块类别码、类型特征码、连接类型码组成。例如编码010102代表焊接闸阀。阀门和管件的三维造型仅作示意用，只要保证公称直径与管道相同，外形与真实实体相似即可。

结合上述方案，在初始图形预处理步骤中还包括将管道轴测图中的各个阀门和管件进行图形预处理；提取各阀门和管件的插入点坐标数据；通过建立阀门和管件的属性，便于集中处理管道中各管段的数据提取和转换。

通过采用上述方案，运用图形分析技术，能够实现基于管道轴测图的三维重建，从而可以从各个不同的位置和角度观察管道布局，减少管道施工现场出现管道之间相互干涉等设计错误从而影响工程效率，有效解决了工程施工中布图设计错误带来的难题；并且，本发明提供的轴测图的管道三维重建方法实用性、可操作性强。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。