CAD CAM
文章编号:1008-0570(2010)10-1-0118-03
《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第10-1期
基于建筑施工图的三维重建方法研究
Research on Method of Three-dimensional Reconstruction Based on Architectural Working
Drawing
(河南理工大学)
王玉琨陈冲
WANG Yu-kun CHEN Chong
摘要:在建筑施工图纸的基础上, 选择使用AutoCAD 建模软件生成的DXF 文件作为模型的数据文件。通过对数据文件的组织结构进行分析, 对文件中的点坐标和实体坐标信息通过VC++编程读取, 获取文件中对建模有用的信息。重点讲述如何读取数据文件, 并通过坐标转换, 生成三维坐标系, 根据尺寸链接得到全部点和边的坐标, 并通过三维坐标点的信息结合VC++编程和OpenGL 图形库实现建筑物的三维重建。关键词:建筑施工图; 三维重建; 数据文件; 三维坐标
文献标识码:A 中图分类号:TP311
技
术创新
Abstract:On the Basis of architectural working drawing, the article chooses to use the DXF files which are made by AutoCAD mod -eling software as the data file of the model. It makes an analysis to the organization structure of the file, which reads the coordinate information of the points and the entities by VC ++programming to get the useful message. Its key point are how to read the data files, by coordinate transformation to get three-dimensional coordinate, and get all the coordinates of the points and edges, by which it eventually realizes the two-dimensional reconstruction of the architecture combined with VC++programming and OpenGL graphics library.
Key words:Architectural working drawing; three-dimensional reconstruction; data file; two-dimensional coordinate
引言
计算机三维重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中的一个重要的研究领域, 是计算机视觉、人工智能、虚拟现实等前沿领域的热点和难点, 也是人类在基础研究和应用研究中面临的重大挑战之一。近年来, 随着计算机科学与技术的发展, 三维重建技术不仅在我国的医学领域取得了重大的研究成果, 而且正在朝着建筑、机械、地质等各个方向不断地发展。三维重建其实是通过物体的两个以上的二位投影图的输入, 让计算机进行自动检索, 然后获取物体的二维几何信息和拓扑信息建立起三维立体模型的过程。基于建筑施工图的三维重建的研究, 就是计算机三维重建技术在建筑领域的一个重要应用。根据建筑施工图的标注和尺寸等信息, 首先获取建筑物的二位信息, 再加上三维的位高等信息, 组合成三维坐标信息, 然后结合VC++编程和OpenGL 图形库实现建筑物的三维重建。
准确把握三维模型的细节方位坐标。
因此, 选用AutoCAD 勾勒出建筑施工图的形式, 将二维的图纸信息输入到计算机中, 然后对建筑施工图的信息以合适的数据结构进行组织, 根据这些数据结合VC++编程和OpenGL 图形库实现建筑物的真实三维重建。
由AutoCAD 生成的文件格式有DXF 格式、DWG 格式等。其中DXF(DrawingExchange File, 图形交换文件), 是一种ASCII 文本文件, 它包含对应的DWG 文件的全部信息, 不是ASCII 码形式, 虽然它的可读性比较差, 但用它形成图形的速度快。不同类型的计算机, 哪怕是用同一版本的文件, 其DWG 文件也是不可交换的。为了克服这一缺点,AutoCAD 提供了DXF 类型文件, 其内部为ASCII 码, 这样不同类型的计算机可通过交换DXF 文件来达到交换图形的目的, 由于DXF 文件可读性好, 用户可方便地对它进行修改和编程, 达到从外部图形进行编辑和修改的目的。因此选用DXF 格式文件作为建筑施工图的数据文件。
1建模方式的选择
传统的建模软件有很多, 比如Multigen Creator 虚拟现实建模软件、3DS MAX 三维动画制作软件等。这些软件功能强大, 交互性强, 它不仅能够创建建筑物等较规则的三维物体模型, 而且还可以利用数字地图文件创建三维地形模型而且还具有实时三维建模、渲染和动画设计等功能, 但是用以上这些建模软件能够直接建立建筑物的三维模型, 其真实感比较强, 但是建模后的数据文件信息也是异常庞大, 对硬件的要求高, 而且在导入数据文件实现对三维模型的漫游时, 难以从数万行的数据文件中
王玉琨:教授硕士生导师
-118-360元/年邮局订阅号：82-946
2三维重建的基本思路
围绕着建模数据的使用, 基于建筑施工图的三维重建的基本思路如图1所示。
图1三维重建的基本思路
Fig.1Basic approach of three-dimensional reconstruction
《现场总线技术应用200例》
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组。这里使用Visual C++6.0来读取DXF 文件。
在实际应用中, 模型中实体的数目以及实体中点和面的数目都是不定的, 为了有效地利用内存, 在这里选择MFC 类库中的聚合类CObArray 类所创建的对象vertex, sequence 来存储和管理实体的点坐标和点序。
三维实体模型的模型信息中的一部分信息可以在标题段中读出, 通过读取变量名为$UCSORG的三个变量, 可以得到三维实体在世界坐标系中自身所定义的用户坐标系原点的三维
点序, 可以在实体段中坐标。对于三维实体模型的全部点坐标、
按DXF 文件基本结构读出。数据文件读取的程序简单框架图如图2所示。
3.3三维坐标系的实现
要建立建筑物的三维模型, 无论是编程还是直接实现都要有物体的三维坐标。所以在编程实现重建之前有必要了解一下如何建立三维坐标系统。对于三维建模, 它的步骤有两个主要部分:第一个是三维坐标的生成, 第二个就是尺寸链接的生成。
3.3.1三维坐标的生成
建筑物初始的轮廓坐标是基于图纸的局部坐标系的, 这些坐标系的起点和旋转角都不同, 所以必须将这些局部坐标系下的轮廓转化为在全局坐标系下的轮廓。具体的方法就是首先要确定一个转换矩阵, 根据转换矩阵可以计算出各个轮廓顶点的全局坐标, 而且这些轮廓线仍旧是以逆时针首尾相连排序的。
在全局坐标系下, 建筑的轮廓线是二维的, 如果想拉伸成三
假设一个构件所维实体造型的结构, 还缺少建筑物的标高信息。
在的楼层是一致的, 根据有建筑施工图识别的标高表, 可以得到这个楼层的标高数据, 即可以得到楼层所在的构件的标高信息。
当二维坐标系中的x 轴与三维坐标系中的X 轴重合, 并且二维坐标系的y 轴与三维坐标系的Z 轴反向的时候, 标高的坐标信息坐落在三维坐标系的Y 轴上。设给定一点A 的而为坐标为(x,y), 标高为z, 则通过矩阵变换
在选择了建模工具和建模所需的数据文件格式之后, 就为
采用自底向上的二维到三维的转换三维重建做好了数据准备。
策略, 以DXF 数据文件为基础, 首先对建筑施工图的数据文件进行分析。因为只有了解了数据文件的组织结构, 才能准确地获取图纸中所描述的坐标信息。在生成DXF 文件之后如何将图纸上的二维坐标转换为三维重建中的三维坐标是研究的重点。将点和实体的二维坐标转换为三维坐标, 为后来利用OpenGL 编程建立建筑物的三维模型奠定了基石。根据建筑物的三维建
梁模数据, 首先建立简单构件的三维模型, 比如建筑物的外墙、
柱等构件, 再建立复杂构件的三维模型, 例如建筑物内部的一些装饰结构, 包括楼梯、栏杆等, 最后把简单构件和复杂构件的三维模型组合起来就是一个简单完整的三维建筑模型, 再加上真实感图形绘制, 就能使建筑场景更加生动形象。
3三维建模的实现
3.1数据文件的分析
几乎所有的图形处理软件都支持DXF 格式文件的输入和输出,DXF 文件共由5个段构成, 每个段又由多个组构成, 每个组代码都有其特定的含义。它的5个段分别为:
标题(Header)段:由AutoCAD 数据库版本号和一些系统变量组成。每个参数都包含一个变量名称及其关联的值。
表(Table)段:由7种记录当前图形编辑环境表组成, 一次为视窗定仪表、线形表、图层表、字体表、视图表、用户坐标系表、尺寸式样表以及应用程序标示表。
块(Blocks)段:描述图形中的每个块参照的块定义和图形图元以及块内所包含的实体。
实体(Entities)段:定义每个实体的种类、所在图层、颜色、线形、字体等几何信息。
结束(EOF)段:标志DXF 文件结束。
由图形软件生成的图形交换软件一般都比较长, 文件的内容一般包含图形的几何数据和图形的属性数据。在从DXF 文件中提取图形数据或者通过DXF 文件来生成图形的时候, 最重要的就是实体段, 而且图形处理软件均能接受只有一个实体段和结束段的图形交换文件。
3.2数据文件的读取
技术创新
得到其三维坐标(X,Y,Z)。
当顶面生成时, 再依次取轮廓线条, 如果是直线, 取其第一点加入数组; 如果是弧, 采用拟合的方法生成有序的若干点加入数组中(除了终止点) 。建筑物楼层的底面生成方法和顶面相同。对于三维点和直线的数据结构, 分别建立一个三维点表和三维边表存储对应的坐标变换之后的各顶点和各尺寸链接的数据集合。
3.3.2尺寸链接的生成
图2读取数据文件的程序框架图
Fig.2Program framework of get the data file
在DXF 文件的结构中,DXF 文件先叙述实体上各个点的坐标, 然后叙述实体上有多少个面, 每个面由哪些点构成。这样, 至少需要2个数组来存储一个实体的信息, 一个用于存储点的坐标, 一个用于存储点序, 然后把这2个数组放到一个结构中, 如果模型中实体的数目不止一个, 我们就用这个结构来定义一个数《PLC 技术应用200例》
图3尺寸链接
Fig.3Dimensions link
三视图中各图形的孤立的几何数据通过坐标投影转换为了三维坐标下的三维坐标信息, 这些三维点集和边集信息并不
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是孤立无联系的, 它们之间存在着尺寸的链接关系。链接是由一个目标点得到另一个目标点, 尺寸链接就是由已知的点集和边集信息, 得到其他未知的点集和边集。下面以一个简单的例子说明尺寸链接的生成如图4所示。
假设已知一个长方体的一点A1的坐标为(x0,y0,z0)和其长宽度w1、高度h1, 另外有两个长方体与这个长方体的位度l1、
置关系如图4所示,, 并已知这两个长方体的长宽高信息分别为
在第一个长方体中, 根据已知点A1的信l2、w2、h2和l3、w3、h3。
息得到其它各个点的信息,B1点的坐标为(x0,y0,z0+h1),A2点的坐标为(x0,y0+l1,z0),同理可以得到这个长方体的各点的三维坐标, 这就是在一个简单几何模型中各点之间的尺寸链接。由A2点的坐标和长宽高信息, 同理可以得到B2点和A3点的坐标, 而由A3点的三维坐标才能得到第三个长方体各点的坐标。这个就是各个简单几何模型之间存在的尺寸链接。
由建筑结构图中各点的三维做坐标和尺寸链接, 就确定了各个点集和边集之间的位置关系, 才能进行准确的三维建模。
3.4三维重建的实现
在三维坐标的实现部分已经得出了建筑物的三维点坐标, 根据三维坐标我们就可以通过OpenGL 编程实现建立建筑物的简单三维模型。以建立建筑物的一面墙为例, 建墙的过程和编程建立一个长方体的过程是类似的。
定义一个数组, 把一个四面墙的八个顶点都放到数组里, 然后每次指定顶点都使用指针, 而不是使用直接的数据, 这样就避免了在指定顶点时考虑大量的数据, 于是减少了代码出错的可能性。按逆时针顺序, 背对我们的面, 则按顺时针顺序, 这样就得到了index_list数组。
需要注意的是, 对于建立墙面时的数组中各个顶点的输出要有一个顺序, 这样才能一次建立一面墙。观察的角度不同, 所
因此在计算光照时, 正面和背面的处理看到的立体效果也不同。
是不同的, 绘制的时候要剔除背面只绘制正面, 可以提高程序的运行效率。程序实现部分代码如下:
void Display(void){
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT) ; //清除场景和深度缓存
glLoadIdentity();//重置当前矩阵……
glTranslatef(0.0f,0.0f, -6.0f); //向屏幕内移7.0f glColor3f(1.0f,0.0f, 1.0f); //设置当前颜色
四象限的glRotatef(45.0f,1.0f, 0.0f, 1.0f); //绕XOZ 平面二、
角平分线旋转90度
DrawCube(2.5f,2.5f, 0.5f); //绘制一面墙
glPopMatrix();
glFlush();}//刷新GL 命令队列
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这只是关于建立一面墙的编程代码, 对于建筑物的多面和多层的结构可以采用类似的方法建模, 这样由建筑施工图(如图4所示) 得到的简单的一层的墙的结构便如图5所示。对于建筑物的多层可以根据实例化技术进行拼接, 组成一个完整的建筑物。
图5墙的三维模型
Fig.5Three-dimensioal model of the wall
在建模完成之后对建筑物使用可以使用消隐处理、光照模型和纹理映射等场景优化技术实现真实感图形的绘制。
4结束语
基于建筑施工图的三维重建技术的重点和难点是对建模所需数据的读取和如何利用建模数据建立建筑物的三维模型。采用AutoCAD 生成的DXF 数据完成建筑施工图的输入, 并且通过VC++6.0编程实现数据读取的操作, 对硬件要求不高, 数据文件比普通的建模软件要小很多, 由于数据组织结构有序同时为二维坐标到三维坐标的转换提供了方便, 更有利于编程建立三维模型。
由于受到编程环境的限制, 由此建立的三维模型在相比建模软件建立的模型在真实感方面可能稍差一些, 因此在建模完成之后, 将要对建筑模型的优化做出更进一步的研究。参考文献
[1]王佳生, 苏莉莉等. 不规则形体表面点三维重建方法[J].东北林业大学学报.2008.36(8):54-57
[2]周伟光. 利用CAD 数据的虚拟现实视景高效建模技术研究[D]. 南京航空航天大学硕士学位论文2007:3-4
[3]王祎, 谢步瀛. 二维建筑结构图的三维模型重建[J].工程图学学报.2006.2:79-83.
[4]彭正洪, 杨建东. 基于二维CAD 图形的水电站尾水管三维重构[J].武汉大学学报.2007.40(4):138-140
[5]袁庆萍. 建筑图三维重建方法[J].多媒体技术及应用. 2007(14)550-552.
[6]王斌, 王知衍. 计算机视觉中的三维重构建模[J].微计算机信息. 2005:21(12):118-120
[7]Shreiner,D等.OpenGL 编程指南(第6版)[M].北京:机械工业出版社,2008.7
作者简介:王玉琨(1960-),男, 河南省焦作市人, 教授, 硕士生导师, 承担省部级科研项目10项, 发表论文40篇, 统编教材5部, 专著2部, 获得河南省科技进步二等奖1项, 三等奖3项; 陈冲(1986-),女, 河南漯河人, 河南理工大学在读硕士研究生, 主要研究方向:计算机图形与图像处理。
Biography:CHEN Chong, female, born in 1986in Henan Luo -he,is postgraduate students in Henan Polytechnic University.Main research is Computer Graphics and Image Processing.
(454000河南焦作河南理工大学计算机科学与技术学院)
技术创新
图4建筑施工图
Fig.4Architectural working drawing
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王玉琨陈冲
(下转第175页)
《现场总线技术应用200例》
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初始化。当持卡者持卡进入通道时, 系统探测到红外探测器信号自动记录该探测器编号及进入时间。然后判断远距离射频读卡器读入卡号, 并判别其合法性。对合法卡调出持卡者档案照片, 与监控图像进行比较; 对非法持卡者进行识别, 对无卡或假卡进行“声光”报警并进行拍照。最后检测另一红外探测器信号。如果是新编号, 通过判别编号顺序识别其是出还是入, 并把有关部门信息通过URAT 存储到监控终端; 如果是老编号, 则重新进行识别。可以非常方便地对出入人员进行考勤、门禁、监控进行有
“百密而无一疏”的目的。效地管理, 实现安全防范
件设计框图如图2所示。
微控制器选用美国Silabs 公司的C8051F020, 在其内部集成了64kB 片内Flash 程序存储器,4352B 的RAM 、8个I/O端口共64根I/O口线、一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟, 其工作电压范围为2.7~3.6V(端口I/O、RST 和JTAG 引脚的耐压为5V) 。与以前的51系列单片机相比,C8051F020增添了许多功能, 同时其可靠性和速度也有了很大提高。
5结束语
本文创新点是:把数字红外技术用于门禁识别, 使其由被动应用变为主动应用, 不仅能够判别是否有人或物的移动, 而且能够自动识别进出方向及出入的次数, 显著提高了安全防范的功效, 开创了数字红外技术的应用先河; 把全球领先的远距离射频识别技术用于门禁系统, 实现了开放式的验证检查, 显著提高了门禁出入的速度; 把考勤、门禁、监控等多种功能有机地结合在一起, 显著提高了安全防范的准确性。
该项目产品广泛应用于企事业单位的考勤、门禁、监控、安
大中小学校园进出入管理、高校学生宿舍管理、各全防范管理、
种大中型会议签到等。据中国安防协会统计和预测, 目前国内的安防监控行业每年的产值在300亿元人民币以上, 并且每年保持25%的增长率, 本项目产品的市场需求空间极为广阔。参考文献
[1]葛文奇. 红外探测技术的进展应用及发展趋势[J].红外技术与应用,2007,2:33-37。
[2]蒋威, 张东阳, 王欣. 基于Multisim 的双支路红外探测器设计[J].装备制造技术,2009,5:84-86。
[3]张东阳, 王欣等. 一种新型的智能用电抄表系统的设计[J].微计算机信息.2009,2-2:p44-45
[4]沈文斌. 嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M].北京:电子工业出版社,2005。
作者简介:张东阳(1967-),男, 副教授, 主要研究方向:智能识别技术及应用。
Biography:ZHANG Dong-yang (1967-), male, vice-professor, the main direction of research:intelligent recognition technology and applications.
(110168沈阳理工大学装备工程学院) 张东阳蒋威
(ShenyangLigong University College of Engineering and equipment 110168, China) ZHANG Dong-yang JIANG Wei 通讯地址:(110168沈阳市浑南新区南屏中路6号) 张东阳
(收稿日期:2009.12.29)(修稿日期:2010.03.29)
图2智能监通道硬件设计框图
两个红外探测器通过两个中断口与微控制器分别相连接。每个红外探测器分别由一个红外发射器与一个红外接收器所
没有人员进入通道时, 红外发射器与红外接收器一直处于组成。
连通状态; 当有人员进入通道时, 红外发射器与红外接收器处于断开状态, 微控制器记录下断开的时间, 即人员进入通道的时间。根据两个红外探测器的断开时间, 可以判断人员出入的方向。
远距离射频卡采用特殊的感应天线, 具有智能感应及加密通信的能力。读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。射频卡内不含电池, 工作能量由读写器发出的射频脉冲提供。射频卡接收射频脉冲中解调出数据并通过一个并行I/
发送数据或O 口送到微控制器。微控制器接受指令完成存储、
其它操作。EEPROM 用来存储射频卡的ID 号, 当微机发生故障或检修时, 不会丢失数据。
图像监控系统实时对出入通道人员进行监控。当出入通道人员所持卡片为非法卡时, 微控制器通过两个并行I/O口分别控制声、光报警系统报警, 同时通过通过一个并行I/O口启动图像监控系统实时摄取该人员的面部图像, 图像监控系统通过串行口把该图像发送到监控终端进行图像分析、处理、甄别等, 严禁非法人员的出入。
微控制器两个URAT 通过RS232串行口分别与射频卡读写器和监控终端进行信息传递。
技术创新
4系统软件流程设计
(上接第120页)
(Instituteof Computer Science &Technology, Henan Poly -technic University, Jiaozuo, Henan, 454000, China) WANG Yu-kun CHEN Chong
通讯地址:(454000河南省焦作市高新区世纪大道2001号河南理工大学1243信箱) 陈冲
(收稿日期:2010.01.11)(修稿日期:2010.04.11)
图3系统软件流程设计框图
系统软件流程图如图3所示。系统上电后, 各模块首先进行《PLC 技术应用200例》
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Abstract:On the Basis of architectural working drawing, the article chooses to use the DXF files which are made by AutoCAD mod -eling software as the data file of the model. It makes an analysis to the organization structure of the file, which reads the coordinate information of the points and the entities by VC ++programming to get the useful message. Its key point are how to read the data files, by coordinate transformation to get three-dimensional coordinate, and get all the coordinates of the points and edges, by which it eventually realizes the two-dimensional reconstruction of the architecture combined with VC++programming and OpenGL graphics library.
Key words:Architectural working drawing; three-dimensional reconstruction; data file; two-dimensional coordinate
引言
计算机三维重建技术是计算机辅助设计与计算机图形学中的一个重要的研究领域, 是计算机视觉、人工智能、虚拟现实等前沿领域的热点和难点, 也是人类在基础研究和应用研究中面临的重大挑战之一。近年来, 随着计算机科学与技术的发展, 三维重建技术不仅在我国的医学领域取得了重大的研究成果, 而且正在朝着建筑、机械、地质等各个方向不断地发展。三维重建其实是通过物体的两个以上的二位投影图的输入, 让计算机进行自动检索, 然后获取物体的二维几何信息和拓扑信息建立起三维立体模型的过程。基于建筑施工图的三维重建的研究, 就是计算机三维重建技术在建筑领域的一个重要应用。根据建筑施工图的标注和尺寸等信息, 首先获取建筑物的二位信息, 再加上三维的位高等信息, 组合成三维坐标信息, 然后结合VC++编程和OpenGL 图形库实现建筑物的三维重建。
准确把握三维模型的细节方位坐标。
因此, 选用AutoCAD 勾勒出建筑施工图的形式, 将二维的图纸信息输入到计算机中, 然后对建筑施工图的信息以合适的数据结构进行组织, 根据这些数据结合VC++编程和OpenGL 图形库实现建筑物的真实三维重建。
由AutoCAD 生成的文件格式有DXF 格式、DWG 格式等。其中DXF(DrawingExchange File, 图形交换文件), 是一种ASCII 文本文件, 它包含对应的DWG 文件的全部信息, 不是ASCII 码形式, 虽然它的可读性比较差, 但用它形成图形的速度快。不同类型的计算机, 哪怕是用同一版本的文件, 其DWG 文件也是不可交换的。为了克服这一缺点,AutoCAD 提供了DXF 类型文件, 其内部为ASCII 码, 这样不同类型的计算机可通过交换DXF 文件来达到交换图形的目的, 由于DXF 文件可读性好, 用户可方便地对它进行修改和编程, 达到从外部图形进行编辑和修改的目的。因此选用DXF 格式文件作为建筑施工图的数据文件。
1建模方式的选择
传统的建模软件有很多, 比如Multigen Creator 虚拟现实建模软件、3DS MAX 三维动画制作软件等。这些软件功能强大, 交互性强, 它不仅能够创建建筑物等较规则的三维物体模型, 而且还可以利用数字地图文件创建三维地形模型而且还具有实时三维建模、渲染和动画设计等功能, 但是用以上这些建模软件能够直接建立建筑物的三维模型, 其真实感比较强, 但是建模后的数据文件信息也是异常庞大, 对硬件的要求高, 而且在导入数据文件实现对三维模型的漫游时, 难以从数万行的数据文件中
王玉琨:教授硕士生导师
-118-360元/年邮局订阅号：82-946
2三维重建的基本思路
围绕着建模数据的使用, 基于建筑施工图的三维重建的基本思路如图1所示。
图1三维重建的基本思路
Fig.1Basic approach of three-dimensional reconstruction
《现场总线技术应用200例》
您的论文得到两院院士关注
CAD CAM
组。这里使用Visual C++6.0来读取DXF 文件。
在实际应用中, 模型中实体的数目以及实体中点和面的数目都是不定的, 为了有效地利用内存, 在这里选择MFC 类库中的聚合类CObArray 类所创建的对象vertex, sequence 来存储和管理实体的点坐标和点序。
三维实体模型的模型信息中的一部分信息可以在标题段中读出, 通过读取变量名为$UCSORG的三个变量, 可以得到三维实体在世界坐标系中自身所定义的用户坐标系原点的三维
点序, 可以在实体段中坐标。对于三维实体模型的全部点坐标、
按DXF 文件基本结构读出。数据文件读取的程序简单框架图如图2所示。
3.3三维坐标系的实现
要建立建筑物的三维模型, 无论是编程还是直接实现都要有物体的三维坐标。所以在编程实现重建之前有必要了解一下如何建立三维坐标系统。对于三维建模, 它的步骤有两个主要部分:第一个是三维坐标的生成, 第二个就是尺寸链接的生成。
3.3.1三维坐标的生成
建筑物初始的轮廓坐标是基于图纸的局部坐标系的, 这些坐标系的起点和旋转角都不同, 所以必须将这些局部坐标系下的轮廓转化为在全局坐标系下的轮廓。具体的方法就是首先要确定一个转换矩阵, 根据转换矩阵可以计算出各个轮廓顶点的全局坐标, 而且这些轮廓线仍旧是以逆时针首尾相连排序的。
在全局坐标系下, 建筑的轮廓线是二维的, 如果想拉伸成三
假设一个构件所维实体造型的结构, 还缺少建筑物的标高信息。
在的楼层是一致的, 根据有建筑施工图识别的标高表, 可以得到这个楼层的标高数据, 即可以得到楼层所在的构件的标高信息。
当二维坐标系中的x 轴与三维坐标系中的X 轴重合, 并且二维坐标系的y 轴与三维坐标系的Z 轴反向的时候, 标高的坐标信息坐落在三维坐标系的Y 轴上。设给定一点A 的而为坐标为(x,y), 标高为z, 则通过矩阵变换
在选择了建模工具和建模所需的数据文件格式之后, 就为
采用自底向上的二维到三维的转换三维重建做好了数据准备。
策略, 以DXF 数据文件为基础, 首先对建筑施工图的数据文件进行分析。因为只有了解了数据文件的组织结构, 才能准确地获取图纸中所描述的坐标信息。在生成DXF 文件之后如何将图纸上的二维坐标转换为三维重建中的三维坐标是研究的重点。将点和实体的二维坐标转换为三维坐标, 为后来利用OpenGL 编程建立建筑物的三维模型奠定了基石。根据建筑物的三维建
梁模数据, 首先建立简单构件的三维模型, 比如建筑物的外墙、
柱等构件, 再建立复杂构件的三维模型, 例如建筑物内部的一些装饰结构, 包括楼梯、栏杆等, 最后把简单构件和复杂构件的三维模型组合起来就是一个简单完整的三维建筑模型, 再加上真实感图形绘制, 就能使建筑场景更加生动形象。
3三维建模的实现
3.1数据文件的分析
几乎所有的图形处理软件都支持DXF 格式文件的输入和输出,DXF 文件共由5个段构成, 每个段又由多个组构成, 每个组代码都有其特定的含义。它的5个段分别为:
标题(Header)段:由AutoCAD 数据库版本号和一些系统变量组成。每个参数都包含一个变量名称及其关联的值。
表(Table)段:由7种记录当前图形编辑环境表组成, 一次为视窗定仪表、线形表、图层表、字体表、视图表、用户坐标系表、尺寸式样表以及应用程序标示表。
块(Blocks)段:描述图形中的每个块参照的块定义和图形图元以及块内所包含的实体。
实体(Entities)段:定义每个实体的种类、所在图层、颜色、线形、字体等几何信息。
结束(EOF)段:标志DXF 文件结束。
由图形软件生成的图形交换软件一般都比较长, 文件的内容一般包含图形的几何数据和图形的属性数据。在从DXF 文件中提取图形数据或者通过DXF 文件来生成图形的时候, 最重要的就是实体段, 而且图形处理软件均能接受只有一个实体段和结束段的图形交换文件。
3.2数据文件的读取
技术创新
得到其三维坐标(X,Y,Z)。
当顶面生成时, 再依次取轮廓线条, 如果是直线, 取其第一点加入数组; 如果是弧, 采用拟合的方法生成有序的若干点加入数组中(除了终止点) 。建筑物楼层的底面生成方法和顶面相同。对于三维点和直线的数据结构, 分别建立一个三维点表和三维边表存储对应的坐标变换之后的各顶点和各尺寸链接的数据集合。
3.3.2尺寸链接的生成
图2读取数据文件的程序框架图
Fig.2Program framework of get the data file
在DXF 文件的结构中,DXF 文件先叙述实体上各个点的坐标, 然后叙述实体上有多少个面, 每个面由哪些点构成。这样, 至少需要2个数组来存储一个实体的信息, 一个用于存储点的坐标, 一个用于存储点序, 然后把这2个数组放到一个结构中, 如果模型中实体的数目不止一个, 我们就用这个结构来定义一个数《PLC 技术应用200例》
图3尺寸链接
Fig.3Dimensions link
三视图中各图形的孤立的几何数据通过坐标投影转换为了三维坐标下的三维坐标信息, 这些三维点集和边集信息并不
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CAD CAM
是孤立无联系的, 它们之间存在着尺寸的链接关系。链接是由一个目标点得到另一个目标点, 尺寸链接就是由已知的点集和边集信息, 得到其他未知的点集和边集。下面以一个简单的例子说明尺寸链接的生成如图4所示。
假设已知一个长方体的一点A1的坐标为(x0,y0,z0)和其长宽度w1、高度h1, 另外有两个长方体与这个长方体的位度l1、
置关系如图4所示,, 并已知这两个长方体的长宽高信息分别为
在第一个长方体中, 根据已知点A1的信l2、w2、h2和l3、w3、h3。
息得到其它各个点的信息,B1点的坐标为(x0,y0,z0+h1),A2点的坐标为(x0,y0+l1,z0),同理可以得到这个长方体的各点的三维坐标, 这就是在一个简单几何模型中各点之间的尺寸链接。由A2点的坐标和长宽高信息, 同理可以得到B2点和A3点的坐标, 而由A3点的三维坐标才能得到第三个长方体各点的坐标。这个就是各个简单几何模型之间存在的尺寸链接。
由建筑结构图中各点的三维做坐标和尺寸链接, 就确定了各个点集和边集之间的位置关系, 才能进行准确的三维建模。
3.4三维重建的实现
在三维坐标的实现部分已经得出了建筑物的三维点坐标, 根据三维坐标我们就可以通过OpenGL 编程实现建立建筑物的简单三维模型。以建立建筑物的一面墙为例, 建墙的过程和编程建立一个长方体的过程是类似的。
定义一个数组, 把一个四面墙的八个顶点都放到数组里, 然后每次指定顶点都使用指针, 而不是使用直接的数据, 这样就避免了在指定顶点时考虑大量的数据, 于是减少了代码出错的可能性。按逆时针顺序, 背对我们的面, 则按顺时针顺序, 这样就得到了index_list数组。
需要注意的是, 对于建立墙面时的数组中各个顶点的输出要有一个顺序, 这样才能一次建立一面墙。观察的角度不同, 所
因此在计算光照时, 正面和背面的处理看到的立体效果也不同。
是不同的, 绘制的时候要剔除背面只绘制正面, 可以提高程序的运行效率。程序实现部分代码如下:
void Display(void){
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT) ; //清除场景和深度缓存
glLoadIdentity();//重置当前矩阵……
glTranslatef(0.0f,0.0f, -6.0f); //向屏幕内移7.0f glColor3f(1.0f,0.0f, 1.0f); //设置当前颜色
四象限的glRotatef(45.0f,1.0f, 0.0f, 1.0f); //绕XOZ 平面二、
角平分线旋转90度
DrawCube(2.5f,2.5f, 0.5f); //绘制一面墙
glPopMatrix();
glFlush();}//刷新GL 命令队列
《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第10-1期
这只是关于建立一面墙的编程代码, 对于建筑物的多面和多层的结构可以采用类似的方法建模, 这样由建筑施工图(如图4所示) 得到的简单的一层的墙的结构便如图5所示。对于建筑物的多层可以根据实例化技术进行拼接, 组成一个完整的建筑物。
图5墙的三维模型
Fig.5Three-dimensioal model of the wall
在建模完成之后对建筑物使用可以使用消隐处理、光照模型和纹理映射等场景优化技术实现真实感图形的绘制。
4结束语
基于建筑施工图的三维重建技术的重点和难点是对建模所需数据的读取和如何利用建模数据建立建筑物的三维模型。采用AutoCAD 生成的DXF 数据完成建筑施工图的输入, 并且通过VC++6.0编程实现数据读取的操作, 对硬件要求不高, 数据文件比普通的建模软件要小很多, 由于数据组织结构有序同时为二维坐标到三维坐标的转换提供了方便, 更有利于编程建立三维模型。
由于受到编程环境的限制, 由此建立的三维模型在相比建模软件建立的模型在真实感方面可能稍差一些, 因此在建模完成之后, 将要对建筑模型的优化做出更进一步的研究。参考文献
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[3]王祎, 谢步瀛. 二维建筑结构图的三维模型重建[J].工程图学学报.2006.2:79-83.
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[7]Shreiner,D等.OpenGL 编程指南(第6版)[M].北京:机械工业出版社,2008.7
作者简介:王玉琨(1960-),男, 河南省焦作市人, 教授, 硕士生导师, 承担省部级科研项目10项, 发表论文40篇, 统编教材5部, 专著2部, 获得河南省科技进步二等奖1项, 三等奖3项; 陈冲(1986-),女, 河南漯河人, 河南理工大学在读硕士研究生, 主要研究方向:计算机图形与图像处理。
Biography:CHEN Chong, female, born in 1986in Henan Luo -he,is postgraduate students in Henan Polytechnic University.Main research is Computer Graphics and Image Processing.
(454000河南焦作河南理工大学计算机科学与技术学院)
技术创新
图4建筑施工图
Fig.4Architectural working drawing
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王玉琨陈冲
(下转第175页)
《现场总线技术应用200例》
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初始化。当持卡者持卡进入通道时, 系统探测到红外探测器信号自动记录该探测器编号及进入时间。然后判断远距离射频读卡器读入卡号, 并判别其合法性。对合法卡调出持卡者档案照片, 与监控图像进行比较; 对非法持卡者进行识别, 对无卡或假卡进行“声光”报警并进行拍照。最后检测另一红外探测器信号。如果是新编号, 通过判别编号顺序识别其是出还是入, 并把有关部门信息通过URAT 存储到监控终端; 如果是老编号, 则重新进行识别。可以非常方便地对出入人员进行考勤、门禁、监控进行有
“百密而无一疏”的目的。效地管理, 实现安全防范
件设计框图如图2所示。
微控制器选用美国Silabs 公司的C8051F020, 在其内部集成了64kB 片内Flash 程序存储器,4352B 的RAM 、8个I/O端口共64根I/O口线、一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟, 其工作电压范围为2.7~3.6V(端口I/O、RST 和JTAG 引脚的耐压为5V) 。与以前的51系列单片机相比,C8051F020增添了许多功能, 同时其可靠性和速度也有了很大提高。
5结束语
本文创新点是:把数字红外技术用于门禁识别, 使其由被动应用变为主动应用, 不仅能够判别是否有人或物的移动, 而且能够自动识别进出方向及出入的次数, 显著提高了安全防范的功效, 开创了数字红外技术的应用先河; 把全球领先的远距离射频识别技术用于门禁系统, 实现了开放式的验证检查, 显著提高了门禁出入的速度; 把考勤、门禁、监控等多种功能有机地结合在一起, 显著提高了安全防范的准确性。
该项目产品广泛应用于企事业单位的考勤、门禁、监控、安
大中小学校园进出入管理、高校学生宿舍管理、各全防范管理、
种大中型会议签到等。据中国安防协会统计和预测, 目前国内的安防监控行业每年的产值在300亿元人民币以上, 并且每年保持25%的增长率, 本项目产品的市场需求空间极为广阔。参考文献
[1]葛文奇. 红外探测技术的进展应用及发展趋势[J].红外技术与应用,2007,2:33-37。
[2]蒋威, 张东阳, 王欣. 基于Multisim 的双支路红外探测器设计[J].装备制造技术,2009,5:84-86。
[3]张东阳, 王欣等. 一种新型的智能用电抄表系统的设计[J].微计算机信息.2009,2-2:p44-45
[4]沈文斌. 嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M].北京:电子工业出版社,2005。
作者简介:张东阳(1967-),男, 副教授, 主要研究方向:智能识别技术及应用。
Biography:ZHANG Dong-yang (1967-), male, vice-professor, the main direction of research:intelligent recognition technology and applications.
(110168沈阳理工大学装备工程学院) 张东阳蒋威
(ShenyangLigong University College of Engineering and equipment 110168, China) ZHANG Dong-yang JIANG Wei 通讯地址:(110168沈阳市浑南新区南屏中路6号) 张东阳
(收稿日期:2009.12.29)(修稿日期:2010.03.29)
图2智能监通道硬件设计框图
两个红外探测器通过两个中断口与微控制器分别相连接。每个红外探测器分别由一个红外发射器与一个红外接收器所
没有人员进入通道时, 红外发射器与红外接收器一直处于组成。
连通状态; 当有人员进入通道时, 红外发射器与红外接收器处于断开状态, 微控制器记录下断开的时间, 即人员进入通道的时间。根据两个红外探测器的断开时间, 可以判断人员出入的方向。
远距离射频卡采用特殊的感应天线, 具有智能感应及加密通信的能力。读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。射频卡内不含电池, 工作能量由读写器发出的射频脉冲提供。射频卡接收射频脉冲中解调出数据并通过一个并行I/
发送数据或O 口送到微控制器。微控制器接受指令完成存储、
其它操作。EEPROM 用来存储射频卡的ID 号, 当微机发生故障或检修时, 不会丢失数据。
图像监控系统实时对出入通道人员进行监控。当出入通道人员所持卡片为非法卡时, 微控制器通过两个并行I/O口分别控制声、光报警系统报警, 同时通过通过一个并行I/O口启动图像监控系统实时摄取该人员的面部图像, 图像监控系统通过串行口把该图像发送到监控终端进行图像分析、处理、甄别等, 严禁非法人员的出入。
微控制器两个URAT 通过RS232串行口分别与射频卡读写器和监控终端进行信息传递。
技术创新
4系统软件流程设计
(上接第120页)
(Instituteof Computer Science &Technology, Henan Poly -technic University, Jiaozuo, Henan, 454000, China) WANG Yu-kun CHEN Chong
通讯地址:(454000河南省焦作市高新区世纪大道2001号河南理工大学1243信箱) 陈冲
(收稿日期:2010.01.11)(修稿日期:2010.04.11)
图3系统软件流程设计框图
系统软件流程图如图3所示。系统上电后, 各模块首先进行《PLC 技术应用200例》
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