武佩佩,邢潔鋆, 韓婭娜,孟曉棟, 陳明武

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著三維數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)[1]，國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè)使用CATIA V6在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。在使用CATIA V6進(jìn)行三維模型正向設(shè)計(jì)的過程中[5]，通常以投影的方式得到模型對(duì)應(yīng)的視圖，然后通過視圖剖切得到剖面并進(jìn)行填充[6]。然而CATIA工程圖應(yīng)用中的填充功能略顯不足，存在填充內(nèi)容精度低、質(zhì)量差、效率慢等問題。因此，如何提高出圖質(zhì)量、提升出圖效率，已經(jīng)成為當(dāng)前工程圖領(lǐng)域急需解決的問題。

工程圖應(yīng)用中的填充技術(shù)包含圖像填充、加陰影、加點(diǎn)、著色、矢量填充等[7]。鄭旻璐[8]利用最小二乘算法,對(duì)填充區(qū)域的樣本進(jìn)行特征自適應(yīng)性優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維船舶圖像填充；彭?yè)P(yáng)平[9]根據(jù)水利水電行業(yè)現(xiàn)有的工程出圖標(biāo)準(zhǔn)，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(tái)開發(fā)矢量填充的插件功能，利用CAA二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)若干填充實(shí)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(jìn)行填充區(qū)域原始圖像和縮放后圖像的長(zhǎng)寬值，計(jì)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(shù)據(jù)復(fù)制后放入緩存區(qū)域中，根據(jù)縮放比例計(jì)算圖像像素對(duì)應(yīng)的虛擬坐標(biāo)，最終將虛擬坐標(biāo)周圍的4個(gè)點(diǎn)像素值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到縮放后的像素值，實(shí)現(xiàn)矢量化填充。對(duì)于加陰影、加點(diǎn)、著色等填充方式，填充效果單一，無(wú)法真實(shí)形象的展示材料實(shí)際情況。矢量填充使用點(diǎn)、線、矩形、多邊形、圓和弧線等幾何圖形來(lái)描述圖案，通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算獲取幾何圖形位置信息，在填充圖案進(jìn)行縮放或旋轉(zhuǎn)等操作時(shí)，幾何圖形位置都會(huì)進(jìn)行計(jì)算更新，不會(huì)出現(xiàn)整體圖案失真的現(xiàn)象，因此在工程領(lǐng)域應(yīng)用矢量填充可以達(dá)到較好的填充效果。目前矢量填充在AutoCAD中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[11]，矢量圖庫(kù)也非常豐富，同時(shí)可以根據(jù)矢量圖的生成規(guī)則自定義矢量圖[12]。相對(duì)于CATIA的應(yīng)用，矢量填充雖然屬于原生功能，但在二維出圖中的應(yīng)用與研究并不廣泛，且可選的填充樣式非常少，無(wú)法滿足復(fù)雜的矢量紋理填充需求。

本文針對(duì)CATIA V6中工程圖的矢量填充應(yīng)用不充分，填充質(zhì)量差、效率底、形式單一等問題進(jìn)行深入剖析，提出一種快速便捷的矢量填充方法，實(shí)現(xiàn)矢量的手動(dòng)區(qū)域填充和剖視圖自動(dòng)填充的功能，提升工程出圖質(zhì)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(dòng)區(qū)域填充和剖視圖自動(dòng)填充。首先,通過自定義配置的方式進(jìn)行矢量庫(kù)的定義，手動(dòng)區(qū)域填充方法是根據(jù)實(shí)際需求，選擇已經(jīng)定義過的矢量，在指定的投影視圖區(qū)域中進(jìn)行填充；剖視圖自動(dòng)填充則是通過對(duì)模型所附材料的拔模域添加已經(jīng)定義的矢量，在生成剖視圖時(shí)自動(dòng)完成剖面的矢量填充。CATIA中使用的矢量填充庫(kù)，參考AutoCAD矢量填充庫(kù)，按照統(tǒng)一規(guī)則完成定義，其默認(rèn)填充樣式存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)關(guān)系

1.1 手動(dòng)區(qū)域填充

矢量填充遵循先定義后使用的原則，在進(jìn)行手動(dòng)區(qū)域填充前需要進(jìn)行填充矢量庫(kù)定義，生成矢量標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件。在出圖設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建工程圖并選擇存儲(chǔ)矢量標(biāo)注庫(kù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)注文件，其次選擇需要矢量填充的區(qū)域和填充矢量，完成手動(dòng)區(qū)域填充。填充流程如圖1所示。

圖1 手動(dòng)區(qū)域填充流程

1.1.1定義矢量

在CATIA V6的環(huán)境文件中定義變量CATCollectionStandard，用來(lái)指定CATIA安裝路徑下的drafting文件夾為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)中進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)頁(yè)面，選擇參考文件，即可在“向量”選項(xiàng)中添加實(shí)例，定義標(biāo)準(zhǔn)填充矢量，定義界面如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)填充矢量定義

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)填充矢量定義的時(shí)候，指定類型為drafting，通過在陣列的向量中添加實(shí)例，增加新的向量節(jié)點(diǎn)，設(shè)置當(dāng)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(duì)以上參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可在預(yù)覽位置，看到當(dāng)前參數(shù)定義對(duì)應(yīng)的矢量圖案結(jié)果。

1.1.2區(qū)域填充

完成矢量填充的定義后，在工程圖生成時(shí)選擇1.2.1節(jié)定義的標(biāo)準(zhǔn)文件，并在工具條中選擇“區(qū)域填充”工具中的“向量”類型，使用已經(jīng)定義過的矢量圖案手動(dòng)添加矢量進(jìn)行填充，方法如圖3所示。完成填充之后也可以對(duì)已填充區(qū)域進(jìn)行矢量圖案修改，手動(dòng)區(qū)域填充效果如圖4所示。

圖3 區(qū)域填充方法

圖4 工程圖手動(dòng)區(qū)域填充效果

1.2 剖視圖自動(dòng)填充

上述的手動(dòng)區(qū)域填充方法仍需要設(shè)計(jì)人員在工程圖中手動(dòng)添加矢量，當(dāng)遇到工程圖中有大量剖切圖需要填充時(shí)，難免會(huì)造成繁雜重復(fù)的操作，影響工作效率。為了較好地解決此問題，在進(jìn)行剖視圖填充時(shí)，對(duì)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，將實(shí)現(xiàn)剖視圖的自動(dòng)填充。

1.2.1定義自動(dòng)填充拔模域

定義自動(dòng)填充拔模域的目的是使材料與矢量填充圖案關(guān)聯(lián)，從而在剖切后自動(dòng)填充已關(guān)聯(lián)的矢量圖案。首先進(jìn)行材料的創(chuàng)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(shè)定對(duì)應(yīng)的矢量填充圖案，調(diào)整比例、線寬、角度、線型等參數(shù)，使材料與矢量填充圖案關(guān)聯(lián)，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(shí)，剖面即可自動(dòng)填充與材料相關(guān)聯(lián)的矢量圖案,如圖5所示。

圖5 三維模型材料與填充圖案關(guān)聯(lián)

1.2.2自動(dòng)填充

完成材料和填充的關(guān)聯(lián)后，在工程圖中無(wú)論如何剖切，矢量填充都會(huì)與三維模型的材料拔模域設(shè)置保持一致，剖面自動(dòng)填充對(duì)應(yīng)的矢量圖案，提高出圖填充效率。剖視圖的自動(dòng)填充效果如圖6所示。此外材料與自動(dòng)填充關(guān)聯(lián)后得到的工程圖，也可以對(duì)填充矢量進(jìn)行修改和參數(shù)編輯。

圖6 剖視圖自動(dòng)填充結(jié)果

2 應(yīng)用與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的工程圖矢量填充方法的有效性，本節(jié)將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)方法提及的矢量圖案、參數(shù)調(diào)整在工程應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證。上述材料矢量庫(kù)共包含12種類別的圖案設(shè)計(jì)，對(duì)于每一種矢量圖案，都進(jìn)行填充實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證每種圖案的有效性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同矢量的填充結(jié)果展示

由圖中的效果可以看出對(duì)于不同的矢量樣式，在填充區(qū)域都可以展示正確的填充圖案。除此之外對(duì)于同一種圖案的不同顯示比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示，針對(duì)三期混凝土矢量圖案調(diào)整不同的縮放比例，可以看出對(duì)于不同的矢量圖案縮放比例都可以進(jìn)行較好的適配。

圖8 矢量填充比例調(diào)整對(duì)比結(jié)果

對(duì)于每種矢量填充圖進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)調(diào)整測(cè)試，調(diào)整的參數(shù)包含線寬、線型、顏色、角度4種類型，對(duì)于每種參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)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(shù)的結(jié)果，圖9(c)對(duì)線型參數(shù)進(jìn)行變換后的結(jié)果，圖9(d)是對(duì)顏色參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的結(jié)果，圖9(e)是進(jìn)行角度參數(shù)調(diào)整的結(jié)果?？梢钥闯觯瑢?duì)矢量圖案進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后，仍可以保證填充結(jié)果的質(zhì)量和精度。

圖9 矢量填充參數(shù)調(diào)整對(duì)比結(jié)果

目前該方法已在金川、阜康、鎮(zhèn)安、大石峽等多個(gè)水利水電工程中得到了應(yīng)用，工程采用三維正向設(shè)計(jì)，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(zhì)量與精度，較好地滿足了設(shè)計(jì)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(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合西北院三維設(shè)計(jì)與二維出圖經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行基于CATIA V6的工程圖矢量填充關(guān)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(yīng)用證明，設(shè)計(jì)人員的出圖效率得到了顯著提升，出圖質(zhì)量得到了較高保證。但是需要指出的是，隨著工程項(xiàng)目的不斷拓展，現(xiàn)有的材料庫(kù)可能出現(xiàn)無(wú)法滿足新項(xiàng)目的矢量圖案需求，因此在今后的工作中需要對(duì)矢量填充庫(kù)進(jìn)行及時(shí)擴(kuò)展。