面向机械结构形态的三维模型信息处理

0 引言

三维模型广泛应用于3D网络游戏、虚拟现实、蛋白质结构模拟、计算机辅助建模和各种机械产业中[1]。目前有数以兆计的三维模型存在，如何方便、准确、快速地获取机械三维CAD模型的信息并加以重用，是提高设计效率、缩短产品开发周期的关键之一。据统计，设计者在进行CAD模型设计时，平均要花费60%的工作时间在产品信息的检索与比较上，浪费了大量的宝贵时间。由于大多数的创新是基于对知识的检索和重用，如果能够高效地对已有的三维模型进行重用，将节省大量人力财力。此外，多学科的交叉融合发展也使得很多非机械专业设计人员在进行科研工作时需要进行机械设计，然而非机械专业人员往往因缺乏机械专业知识而很难设计出合理的机械，但他们对满足其功能设计要求的机械往往有一个大概的设计形态意识。故寻求一种对于三维模型结构的描述具有指导性原则的方法不仅能解决复杂三维模型的可重用性问题，而且能使非机械类人员更快更高效地解决其设计中出现的难题，这对拓宽不同领域机械设计人员的交流具有十分重要的意义。

CAD模型骨架特征描述是结构特征简化的有效途径。骨架图最先由Blum[2]提出，是一种表达模型结构的拓扑图，2D和3D模型的骨架分别表示模型的中轴和模型的中面。Sundar等[3]对经过体素变化的模型细化提取模型骨架，并把3D模型骨架应用于模型检索。王广垒等[4]利用数学形态学方法提出特征曲线带的骨架并将提取的特征曲线用于鞋楦模型的重建。Gagvani等[5]提出一种基于距离变换的带参数控制的三维骨架提取方法。Zhou等[6]使用2种不同的距离变换规则，可以有效地抽取出体素化物体的中心线，可计算距离变换、梯度变换。梯度变换是距离变换的一阶导数变换，能明显地反映出哪些点具有距离变换的极大值，也是骨架点的一个特征。

由上述可知，骨架特征描述尽管有着其独特性和巧妙性，但对于解决模型重建和检索仍然缺少一般性的指导原则。有些模型由一些规则特征体组成，而这些规则特征体有着本身独特的成形规则，故有时骨架特征描述是没有意义的，而且骨架无法准确表达实际结构的大致空间基本体关系。故本文提出一种机械结构形态的描述方法，通过对三维模型机械结构形态信息的处理使人们不仅对三维模型特征的建模思路有更为直观的了解，而且为三维模型检索提供了高效的途径，有利于面向重用CAD模型结构分析问题的解决。

1 机械结构形态描述

机械结构形状描述是计算机处理一切设计模型比较分析问题的基础，形状结构信息构成了数字化模型中最主要的信息。目前3D模型形状描述方法主要有以下几种：基于拓扑结构的形状分析；基于数学分析的形态描述；基于视觉的形状描述；基于统计直方图的形状描述[7]。尽管这些描述方法对于三维模型结构形状描述具有独特性，但往往只适用于特殊场合和特定模式，缺乏一般性的指导原则。机械结构形态是机械结构特征简化的方法，通过三维模型直观体现出基本体结构的空间几何关系，并且反映机械结构功能及拓扑关系。

机械结构形态是以简单的点、线、面描述机械的结构、功能、拓扑关系等，被应用于研究机械结构、机械原理等。机械结构形态主要结合图像骨架的结构特征简化功能及机械结构基本体的已知解析几何表达式抽象出来的线、面表达方式，反映出机械结构的形状、拓扑关系等信息。机械结构形态通过将表达三维模型的几何信息和拓扑信息进行简化，形成一种简单的模型体。原始模型如图1所示，机械结构形态如图2所示。

  

 

图1 原始模型

  

 

图2 机械结构形态

2 机械结构形态信息处理研究

2.1 机械结构形态信息提取

预防为主，注意检疫。带病苗木绝对禁止出圃和调出，应予烧毁。从外地来的苗木，要用0.1%升汞水或5波美度石硫合剂消毒。已染病的大树可切除根瘤，然后用石灰乳、波尔多液或其他苗木消毒剂涂抹伤口。同时，还要将周围的土壤挖走，换上新土，防止病原细菌传播。

  

 

图3 机械结构形态几何要素关系

图7通过模型树的方式显示了特征分析结果。三维模型提取顺序按照建模顺序进行，依次提取出图中的拉伸特征方体、旋转特征圆柱体和孔特征，然后再对特征的基面、导线和约束线信息进行提取，最后将每个特征的几何要素信息转化为点的坐标显示，并将提取出的信息进行存储，这样将有利于后续三维模型的检索和重建。

启动Pro/E,打开一个模型，然后点击工具菜单下的辅助应用程序，将注册文件(protk.dat)启动，菜单工具栏会自动添加一个名为“主菜单”的菜单按钮，点击该菜单的2级菜单按钮，得到一个对话框。通过点击对话框中的“遍历所有特征”，可以获得所需要的特征信息。特征提取如图7所示。

  

 

图4 圆柱提取分析

  

 

图5 棱柱提取分析

2.2 机械结构形态信息提取的实现过程

Pro/E作为一种全参数化的计算机辅助设计系统，提供了强大的三维几何造型功能，而且Pro/E提供了多种二次开发方法，例如族表、用户定义特征(UDF)、Pro/Program、J-link和Pro/TOOLKIT[8]，而其中的Pro/TOOLKIT提供了大量的C语言函数库，能够使外部应用程序安全有效地访问Pro/E的数据库和应用程序，从而使用户和第三方能够在Pro/E中添加所需要的功能来进行二次开发。

三维模型特征被认为是一种具有特定形状和特定功能的基本信息单元，而零件就是由特征以适当的方式组合而成的。特征既不是单纯的几何实体，也不同于工艺中的形面要素，它具有更加丰富的内涵，可用于描述各种类型的零件。根据零件基本体结构类型及其各面连接属性确定基本体的基面、导线以及约束线，然后根据它们的尺寸关系进行形态判断。点是几何造型中最基本的元素，自由曲线、曲面或其他形体均可用有序的点集表示，故提取点的信息更有利于机械结构形态模型的表达。机械结构形态中的边采用曲线和直线方程表示，而点采用几何坐标来确定。机械结构形态几何要素关系如图3所示。

完成应用程序的设计后，编写信息文件和资源文件。利用Pro/TOOLKIT所提供的相关函数，在Visual C++环境中进行程序设计，通过调用相应的库函数对Pro/E数据库进行访问，最终编译生成能够在Pro/E环境中运行的动态连接库程序，Pro/E系统通过配置文件加载该动态连接库文件，最终实现应用程序的具体功能。

本文的程序设计主要通过ProMdlCurrentGet函数获得当前模型，然后调用ProsolidFeatVisit库函数遍历当前零件模型中所有的特征项，将特征句柄保存在指针数组中并进行标号。采用循环方式，根据特征句柄对每个特征分别提取出基面、导线和约束线，最后利用ProGeomitemdata、ProGeomitemgeomPoint等Pro/TOOLKIT提供的库函数，分别提取出每个特征的基面轮廓、导线、约束线的句柄指针数组以及数目，并将提取出的信息保存到Access数据库中。Pro/TOOLKIT二次开发流程如图6所示。

  

 

图6 Pro/TOOLKIT二次开发流程

按照Pro/TOOLKIT应用程序在Pro/E环境中运行的要求，设计接口程序和应用程序运行时的初始化部分和终止部分。根据功能要求设计Pro/TOOLKIT应用程序的主体部分，即完成应用程序预定功能的一个或多个CPP源程序。在程序的主体设计部分中，由Pro/TOOLKIT提供的初始化函数use_initialize对应用程序进行初始化，并设置用户的交互接口，如菜单项的设置、对话框的调用等[9]。

3 实例

由仿真波形可知，车辆运行至约0.3 s时，电池电流Ibat和直流侧电压Udc处于临界稳定的状态，之后的时间曲线逐渐振荡发散，其中电池侧电流振荡的幅值最高为±300 A，直流侧电压的幅值最高达到±1 500 V，运行至0.63 s时动车组的速度达到45 km/h，系统在功率恒定的状态下运行，之后电池电流Ibat和直流电压Udc基本不再变化，仿真结果与理论分析一致。

  

 

图7 特征提取

机械结构三维模型由若干基本体模型构成，而基本体可以看做是由基面沿不同导线扫掠而形成的几何空间。基面轮廓、导线和约束线一般均可分为直线、圆弧、椭圆、椭圆弧和圆。以圆柱体为例，基面就是底面圆，导线即为上下圆心的连线。圆柱提取分析如图4所示。此时，通过提取底面圆和导线，即可获得该圆柱体的机械结构形态，而底面圆可以由圆心以及任意2条相互垂直的直线确定。故构建机械结构形态的几何要素时，只需要提取出上下2个圆心E和F的坐标即可确定导线，提取2条垂直半径与圆的交点B，C，以及圆心A的坐标即可确定该基面圆，通过该基面以及导线则可以确定该圆柱。棱柱提取分析如图5所示。基面为底面ABCD或者A1B1C1D1，本例以底面ABCD为基面，导线为上下2个面中心的连线，即线段EF，而约束线为AA1，BB1，CC1，DD1中任意一条即可，现以AA1为该棱柱的约束线。 此时基面中有AB，BC，CD，DA 4条直线，故可以提取出基面中A，B，C，D 4个点的坐标确定基面，而导线可以提取出E和F点的坐标来确定，约束线可提取出点A和A1的坐标来确定。因此，可通过该棱柱的基面、导线和约束线表达棱柱的几何信息。

4 结论

机械结构模型重用是CAD领域的研究热点，机械结构形态有利于解决复杂机械结构模型重用过程中存在的问题。本文通过对机械结构形态进行分析，对机械结构形态信息提取过程进行了详细的阐述，

对同一个文件政策的理解在各级部门有所偏差，等政策文件下发到基层的时候，已经经过了好几层领导的理解。这一过程中，很容易出现理解的偏差和误解。而最重要的是领导对基层的了解不够，在对政策的制定和解读上也没有能及时了解到从业者和基层的想法。

水磨石地面是将石英石、大理石石屑等骨料和(或)需要用于着色的染色剂拌入水泥黏接料制成混凝制品，直接在基层上原位浇筑后经表面研磨、抛光的制品，有时使用黄铜片在其中充当伸缩缝，作为浇筑的分格，减少相邻水磨石的影响.较多使用在行政建筑与公共建筑室内.例如在胶澳总督官署旧址的一二层公共通道、门厅及主楼梯铺设包含黑白石粒骨料的中灰色水磨石地面；胶澳帝国法院旧址的门厅赭石色水磨石地面还镶嵌有黑黄两色的小块地砖形成几何边框.

并采用Pro/E提供的二次开发工具Pro/TOOLKIT实现机械结构形态信息的提取，最后给出提取实例验证该提取方法的可行性。机械结构形态的研究将有利于非机械类人员进行机械结构设计，同时也为三维模型的重用提供理论基础。

参 考 文 献

[1] 孙晓鹏.三维模型的分割及应用研究[D].北京：中国科学院研究生院(计算技术研究所),2005.

[2] Blum H.A transformation for extracting new descriptors of shape[J].Models for the Perception of Speech and Visual Form,1967,19:362-380.

[3] Sundar H,Silver D,Gagvani N,et al.Skeleton based shape matching and retrieval[C].Shape Modeling International,2003:130-139.

[4] 王广垒，张维忠，宋明玉,等.基于数学形态学的鞋楦特征曲线骨架的提取方法[J].青岛大学学报(自然科学版)，2012，25(2):43-46.

[5] Gagvani N,Silver D.Parameter-controlled volume thinning[J].Graphical Models and Image Processing,1999,61(3):149-164.

[6] Zhou Y,Toga AW.Efficient skeletonization of volumetric objects[J].IEEE Trans Vis Comput Graph,1999,5(3):196-209.

[7] 马露杰.三维CAD模型形状结构分析方法[D].武汉:华中科技大学,2009.

[8] 张继春.Pro/ENGINEER二次开发实用教程[M].北京：北京大学出版社,2003:15.

[9] 刘顺涛，陈雪梅，赵正大,等.基于 CATIA 二次开发的数模信息提取及组织技术研究[J].航空制造技术,2014,463(19):78-80.