武佩佩,邢潔鋆, 韓婭娜,孟曉棟, 陳明武

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著三維數(shù)字化進程的推進[1]，國內(nèi)水利水電行業(yè)使用CATIA V6在工程設(shè)計領(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進行三維模型正向設(shè)計的過程中[5]，通常以投影的方式得到模型對應(yīng)的視圖，然后通過視圖剖切得到剖面并進行填充[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、著色、矢量填充等[7]。鄭旻璐[8]利用最小二乘算法,對填充區(qū)域的樣本進行特征自適應(yīng)性優(yōu)化，進而實現(xiàn)三維船舶圖像填充；彭揚平[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平臺開發(fā)矢量填充的插件功能，利用CAA二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)若干填充實例；李穎弢[10]提出一種基于雙線性插值算法的圖像放大方法，首先獲取需要進行填充區(qū)域原始圖像和縮放后圖像的長寬值，計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)縮放比例計算圖像像素對應(yīng)的虛擬坐標(biāo)，最終將虛擬坐標(biāo)周圍的4個點像素值進行加權(quán)計算，得到縮放后的像素值，實現(xiàn)矢量化填充。對于加陰影、加點、著色等填充方式，填充效果單一，無法真實形象的展示材料實際情況。矢量填充使用點、線、矩形、多邊形、圓和弧線等幾何圖形來描述圖案，通過數(shù)學(xué)公式計算獲取幾何圖形位置信息，在填充圖案進行縮放或旋轉(zhuǎn)等操作時，幾何圖形位置都會進行計算更新，不會出現(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]，矢量圖庫也非常豐富，同時可以根據(jù)矢量圖的生成規(guī)則自定義矢量圖[12]。相對于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，無法滿足復(fù)雜的矢量紋理填充需求。

本文針對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、形式單一等問題進行深入剖析，提出一種快速便捷的矢量填充方法，實現(xiàn)矢量的手動區(qū)域填充和剖視圖自動填充的功能，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區(qū)域填充和剖視圖自動填充。首先,通過自定義配置的方式進行矢量庫的定義，手動區(qū)域填充方法是根據(jù)實際需求，選擇已經(jīng)定義過的矢量，在指定的投影視圖區(qū)域中進行填充；剖視圖自動填充則是通過對模型所附材料的拔模域添加已經(jīng)定義的矢量，在生成剖視圖時自動完成剖面的矢量填充。CATIA中使用的矢量填充庫，參考AutoCAD矢量填充庫，按照統(tǒng)一規(guī)則完成定義，其默認(rèn)填充樣式存儲在名為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 矢量圖案類別對應(yīng)關(guān)系

1.1 手動區(qū)域填充

矢量填充遵循先定義后使用的原則，在進行手動區(qū)域填充前需要進行填充矢量庫定義，生成矢量標(biāo)準(zhǔn)庫文件。在出圖設(shè)計過程中，設(shè)計人員創(chuàng)建工程圖并選擇存儲矢量標(biāo)注庫對應(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，完成手動區(qū)域填充。填充流程如圖1所示。

圖1 手動區(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”，登錄之后在首選項中進入標(biāo)準(zhǔn)頁面，選擇參考文件，即可在“向量”選項中添加實例，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

在進行標(biāo)準(zhǔn)填充矢量定義的時候，指定類型為drafting，通過在陣列的向量中添加實例，增加新的向量節(jié)點，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，對以上參數(shù)進行設(shè)置，即可在預(yù)覽位置，看到當(dāng)前參數(shù)定義對應(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添加矢量進行填充，方法如圖3所示。完成填充之后也可以對已填充區(qū)域進行矢量圖案修改，手動區(qū)域填充效果如圖4所示。

圖3 區(qū)域填充方法

圖4 工程圖手動區(qū)域填充效果

1.2 剖視圖自動填充

上述的手動區(qū)域填充方法仍需要設(shè)計人員在工程圖中手動添加矢量，當(dāng)遇到工程圖中有大量剖切圖需要填充時，難免會造成繁雜重復(fù)的操作，影響工作效率。為了較好地解決此問題，在進行剖視圖填充時，對模型添加材料，并在材料的拔模域中定義矢量，將材料和矢量填充圖案進行關(guān)聯(lián)，將實現(xiàn)剖視圖的自動填充。

1.2.1定義自動填充拔模域

定義自動填充拔模域的目的是使材料與矢量填充圖案關(guān)聯(lián)，從而在剖切后自動填充已關(guān)聯(lián)的矢量圖案。首先進行材料的創(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，剖面即可自動填充與材料相關(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自動填充

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

圖6 剖視圖自動填充結(jié)果

2 應(yīng)用與驗證

為了驗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)計實驗對方法提及的矢量圖案、參數(shù)調(diào)整在工程應(yīng)用進行詳細的驗證。上述材料矢量庫共包含12種類別的圖案設(shè)計，對于每一種矢量圖案，都進行填充實驗，驗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。除此之外對于同一種圖案的不同顯示比例進行實驗驗證，結(jié)果如圖8所示，針對三期混凝土矢量圖案調(diào)整不同的縮放比例，可以看出對于不同的矢量圖案縮放比例都可以進行較好的適配。

圖8 矢量填充比例調(diào)整對比結(jié)果

對于每種矢量填充圖進行詳細的參數(shù)調(diào)整測試，調(diào)整的參數(shù)包含線寬、線型、顏色、角度4種類型，對于每種參數(shù)進行實驗驗證，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)對線型參數(shù)進行變換后的結(jié)果，圖9(d)是對顏色參數(shù)進行設(shè)置的結(jié)果，圖9(e)是進行角度參數(shù)調(diào)整的結(jié)果。可以看出，對矢量圖案進行參數(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)整對比結(jié)果

目前該方法已在金川、阜康、鎮(zhèn)安、大石峽等多個水利水電工程中得到了應(yīng)用，工程采用三維正向設(shè)計，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

本文結(jié)合西北院三維設(shè)計與二維出圖經(jīng)驗，進行基于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，隨著工程項目的不斷拓展，現(xiàn)有的材料庫可能出現(xiàn)無法滿足新項目的矢量圖案需求，因此在今后的工作中需要對矢量填充庫進行及時擴展。