Восстановление каркасной модели 3D-объекта по бумажному архивному чертежу

Современный подход к проектированию предполагает, что любое изделие должно иметь информационную поддержку в процессе своего существования (жизненного цикла). Такую поддержку можно осуществлять при помощи совокупности различных систем, объединенных единой базой данных и формирующих электронную модель изделия (ЭМИ). Возможность автоматически создавать 3D-модели объектов в процессе проектирования полностью соответствует современной идеологии CALS-технологий [1]. Для реализации такого подхода системам геометрического моделирования требуется выполнять процессы обработки данных сразу в двух пространствах измерений, так, чтобы между трехмерной моделью объекта (3D-моделью) и его изображением (2D-моделью) была взаимно однозначная связь (3D → 2D). К сожалению, большинство систем предоставляют только связь 3D → 2D, что существенно ограничивает скорость работы конструктора, так как затрудняет использование классических методов проектирования. Ключевым моментом при проектировании изделия является незаменимая роль технического чертежа, так как он содержит всю информацию о проектируемом объекте, полностью соответствует государственному стандарту и является универсальным международным графическим языком, общим для специалистов смежных профессий, и к тому же легко формируется в электронном виде. На предприятиях накопилось огромное количество чертежей на бумажных носителях, которые лежат в основе процесса проектирования и технологической подготовки производства. Создание технологии, позволяющей выполнять автоматическую генерацию трехмерных моделей по техническому чертежу (на бумажных или электронных носителях), позволило бы во много раз сократить время разработки объектов различного назначения и задействовать в процессе проектирования архивные бумажные чертежи. Поэтому разработка математического и программного обеспечения системы автоматической реконструкции трехмерных моделей объектов по техническому чертежу продолжает оставаться актуальной задачей компьютерной геометрии и графики.

Этапы технологии автоматической генерации 3D-модели по бумажному чертежу

Альтернативой предлагаемой информационной технологии является только переконструирование как всего изделия, так и любой его части средствами систем геометрического моделирования, задающими геометрическую составляющую электронной модели изделия (ЭМИ). Перевод архивных чертежей с бумажного носителя в электронный растровый вид тоже не дает эффекта, так как позволяет получить сканированную растровую «картинку», которая может быть использована только в качестве подложки при перечерчивании архивного чертежа и не позволяет создать электронную 3D-модель детали или изделия. Кроме того, надо учесть тот факт, что чертеж на бумажном носителе может содержать в себе как ошибки геометрических построений, характерных для ручного способа построения изображений на поле чертежа, так и ошибки, связанные с деформацией во времени бумажного носителя, что априори дает ошибку геометрических данных при формировании ЭМИ.

Ниже описаны все стадии процесса, необходимого для восстановления каркасной модели изделия вида «деталь» по реальному производственному бумажному чертежу.

Пять примеров чертежей изделий вида «деталь», которые использовались при выполнении тестирования предложенной технологии, приведены на рис. 1–5.

1.    Процедура сканирования чертежаи его векторизация

Автоматизированный ввод исходных данных с бумажного носителя начинается с технологического этапа визуальной оценки их качества, в результате которого принимается решение о целесообразности его сканирования и выполнения последующих технологических этапов в автоматическом режиме, далее выполняются два технологических процесса: сканирование, переводящее исходные графические данные чертежа в растровый формат, и процесс векторизации.

В некоторых случаях требуется провести предварительные процедуры. Например, если контрастность отдельных элементов чертежа оценивалась как неудовлетворительная, что в конечном итоге могло приводить к заметным искажениям формируемой автоматически векторной модели, то проводится этап контрастирования.

Обязательным является этап бинаризации, в результате которого исходное растровое изображение переводится в бинарное растровое изображение проекционных видов. Далее при необходимости проводится этап фильтрации помех, а затем следует процесс векторизации и формирования сегментно-узловой модели [2].

2.    Обработка полученного векторного изображения

Данные в векторном формате проходят процедуру выделения из них ортогональных проекционных видов [3]. Первый этап формирования

Рис. 1. Технический многовидовый чертеж детали «Звездка»

Рис. 2. Технический многовидовый чертеж детали «Рычаг_1»

Рис. 3. Технический многовидовый чертеж детали «Корпус»

Рис. 4. Технический многовидовый чертеж детали «Муфта»

Рис. 5. Технический многовидовый чертеж детали «Рычаг 2»

трехмерной каркасной модели - получение двумерной геометро-графической информации прикладной программой [4, 5]. Чтобы иметь возможность построения каркасной модели, необходимо привести отдельные проекционные изображения к единой системе координат. А именно, необходимо задать внутреннюю систему параметризации рассматриваемого изделия.

Любую проекцию трехмерной модели на плоскость можно представить в виде графа. Если на чертеже одновременно размещены несколько проекционных видов, то их можно выделить в компоненты связности этого графа. Но применение стандартных подходов к поиску компонент связности (таких как поиск в ширину или глубину, то есть обход всех вершин и ребер графа с пометкой пройденных вершин) не дадут конечный результат в виде проекционных видов. Почти в каждой трехмерной модели присутствуют отверстия, не связанные с внешней геометрией, и они выделятся в отдельные компоненты связности, если использовать, например, поиск в ширину.

В связи с вышеизложенным предлагается следующий подход к выделению нескольких проекционных видов на чертеже. При любом способе получения геометро-графической информации, будь то отсканированный чертеж или начерченный в одной из систем автоматизированного проектирования, для всех видов плоских кривых можно выделить область, внутрь которой эта кривая помещается. Пусть такой областью у нас будет прямоугольник, назовем его ограничивающим. Для вертикальных и горизонтальных отрезков этот прямоугольник выродится в отрезок. Для каждой компоненты связности тоже запомним ограничивающий прямоугольник, расширяя его при добавлении новых объектов (при необходимости). Проверку же принадлежности объекта будем проводить по принципу: если ограничивающий прямоугольник объекта и ограничивающий прямоугольник компоненты связности имеют общую площадь или вершину или пересекаются их стороны, то объект входит в компоненты связности. Более подробная блок-схема данного процесса представлена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема выделения проекционных видов

При данном подходе для чертежа, содержащего несколько проекционных видов (эпюр Монжа, разрезы, сечения и т. д.), будут выделены в компоненты связности и обработаны все пришедшие в виде входной геометро-графической информации виды.

3.    Преобразование точечной моделив предварительную каркасную модель

Следующим этапом получения трехмерной каркасной модели является построение точечной трехмерной модели. Точечная трехмерная модель представляет собой облако точек, никак не связанных между собой. Каждая точка задается своими координатами. В основе алгоритма получения координат точек лежат работы [1, 6–11].

Далее путем добавления массива ребер в точечную модель получается искомая предварительная каркасная трёхмерная модель.

Вычислительная сложность примененного алгоритма подробно описана в [12]. В данном исследовании алгоритм прошел дополнительное тести- рование и в ходе анализа полученных данных был усовершенствован.

Демонстрация результатов работы алгоритма наглядно показана на рис. 7–11. Слева на каждом рисунке показана визуализация 3D-модели детали, полученной традиционными методами проектирования в системе геометрического моделирования Компас-3D, а справа – снимок экрана после проведенного автоматического восстановления каркасной модели объекта по описанной выше технологии.

В процессе тестирования алгоритма проводилось параллельное фиксирование и сравнение параметров математических моделей объектов, а также временных характеристик восстановления объектов.

В таблице приведены данные, полученные при восстановлении трехмерной каркасной модели на основе проекционных изображений, считанных с реальных производственных технических чертежей. Замеры времени были проведены на основе 10 циклов восстановления.

Рис. 7. Визуализация полученной каркасной модели детали «Звездка»

Рис. 8. Визуализация полученной каркасной модели детали «Рычаг_1»

Рис. 9. Визуализация полученной каркасной модели детали «Корпус»

Рис. 10. Визуализация полученной каркасной модели детали «Муфта»

Рис. 11. Визуализация полученной каркасной модели детали «Рычаг_2»

Таблица

Экспериментальные данные

Наименование детали	Количество вершин на проекционных изображениях			Количество восстановленных трехмерных вершин	Общее время работы алгоритма, с	Время создания, с
						точечной модели	каркасной модели
	Фронтальная проекция	Горизонтальная проекция	Профильная проекция
Звездка	3116	3211	3116	5177	32,969	4,1624	28,806
Рычаг_1	641	472	641	705	0,6125	0,1109	0,5016
Корпус	1509	1257	1509	2016	4,5718	0,7905	3,7813
Муфта	1768	1721	1768	3061	9,1172	1,2909	7,8263
Рычаг_2	182	188	182	225	0,0921	0,0125	0,0796

Сравнение данных, представленных в таблице, с временными характеристиками формирования 3D моделей деталей, полученных традиционным способом проектирования (в ходе интерактивного моделирования), позволяет сделать однозначный вывод о преимуществе и перспективности автоматического восстановления моделей объектов по архивным (бумажным и электронным) техническим чертежам.

Дальнейшее преобразование предварительной каркасной модели в каркасную модель без ложных геометрических элементов и последующая генерация граничной модели основана на работах [1, 8, 10].

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-07-01024.