采矿CAD 图元集的构造及多边形图元和标注图元的表述.pdf

采矿 CAD 图元集的构造及多边形图元 和标注图元的表述 陈建宏 古德生 中南大学资源环境与建筑工程学院长沙 410083 摘 要 本文对采矿 CAD 系统中基本图元集的构造及其表述方法进行了研究。提出了一个 7 元素 采矿 CAD 基本图元集构造方案; 讨论了曲线图元和尺寸标注图元的表述方法, 提出用 多边形图元 代替 曲线图元。该图元集构造方案对基于线框构图技术的采矿 CAD 软件开发有一定的指导意义。 关键词 采矿 CAD 图元集 多边形图元 尺寸标注图元 中图分类号 T P399 文献标识码 A 文章编号 1004- 4051 2002 04- 0052- 03 STRUCTURE OF BASICOUTPUT PRIMITIVES FOR MINING IDUSTRY S CAD SYSTEM AND CONFIGURATION OF POLYGON PRIMITIVESAND SIZEINDICATING PRIMITIVES Chen Jianhong Gu Desheng Midsouth University, Changsha 410083 Abstract Based on study of the structure of basic output primitives for mining industry s CAD system and the configuration of these primitives, a scheme to build a set of basic primitives for CAD system used in mining industry with 7 elements is introduced. The configuration of curve primitives and size indicating primitives and the idea of replacing the curve primitives by polygon primitives are studied. The new set of output primitives has great directive meaning for further development of CAD system used in mining industry. Keywords CAD system used in mining industry,Set of output primitives,Polygon primitives,Size indicating primitives 采矿设计与机械和建筑设计不同,它的图纸没 有象机械、建筑等行业那样标准,图例的选择有很 大的随意性, 图形以实测的工程界线为主,如地质 界线、推进线、巷道线、爆破线等工程界线, 不仅 有严格的 精度 要求,还必须是 光滑曲线, 这给采矿 CAD 系统的研制造成了很大的困难。因 此,在采矿 CAD 系统软件的研制中,基本图元集 的构造及其表示方法极其重要,它是采矿 CAD 系 统开发的首要任务和必不可少的前期工作。本文在 分析矿山工程图形特点的基础上,结合计算机图形 处理理论,提出了一个适合采矿 CAD 软件研制的 基本图元集构造方案, 并对其中的多边形图元和尺 寸标注图元的表述方法进行了研究。 1 采矿 CAD 基本图元的选择 图元亦称输出基元 Output primitive ∀1 , 它 是 CAD 系统进行操作和组成画面 图样 的最基 本的素材,一幅画面由图元组成, 图元是一组最简 单的最通用的几何图形和文字。图元集是完成工程 图设计所需图素的最小集合。通常认为,采矿工程 设计图是一种矢量图,可以看成由矢量最小组成单 位 ∃∃∃ 线段构成。由此而产生了一种观点 认为矢 量线段是构造采矿工程设计图的基本图元, 根据这 一观点来研制软件, 虽然也能绘制一些采矿工程设 计图,但其图形生成与存储效率很低, 无法达到全 交互式设计的目的∀4。在工程图设计中,常用图 元通常包括 点、 圆; 52 中国矿业 2002 年第 11 卷第 4 期 教育部高等学校骨干教师资助计划资助, 国家自然科学基金部分资助 59704004 圆弧;∗椭圆;椭弧;,文字;−参数图;.尺 寸标注; 自定义图元。根据采矿制图标准及有关 采矿设计习惯∀5, 6,我们对常用采矿设计图形进行 分析和归类, 点图元可归入直线段图元中,即用具 有两个重合点的直线段来描述几何点,这样做虽然 有些数据冗余,但点图元毕竟在设计图中用得较 少,可以减少一种图元类型, 节省大量程序代码; 椭圆和椭弧图元在采矿设计图中几乎不会用到,即 使用到,也可以用多个圆弧来逼近, 因此,不把它 收入基本图元集; 圆图元可以归入圆弧图元中,把 圆当作一种特殊的圆弧图元来处理。曲线图素可用 有限多个直线段图素来逼近,单从作图角度来考虑 这是完全可行的,可以减少一个图元类型,但从 CAD 角度尤其是采矿 CAD 角度来看,曲线图素有 它存在的依据 曲线是一个不可分割的整体,如 用直线段来代替不能表达整体特性, 而且将失去很 多图形操作特性,如图形运算、光滑、填充等; 这是采矿设计与机械、 建筑等行业的设计的一个重大差别;曲线图素节 省存贮量; 曲线是各种图形运算的基础。因此, 在采矿 CAD 中,曲线图素不仅需要,而且是这些 图素中最重要的一种图素。通过归并,我们认为采 矿 CAD 基本图元集由 7 种图元组成比例合理,它 们分别为 直线段图元;∋ 曲线图 元 或称多边形图元 ; 符号图元;参数图元; ∗ 尺寸标注图元; 自定义图元。无论采矿专业图 中的图形多么复杂,都可以用这七种基本图元来构 成。 2 基本图元的表述方法 直线段图元和圆弧图元的表示方法比较简 单 ∀1,2, 这里不再论述。本文仅对采矿 CAD 系统 中比较特殊的二类图元曲线图元和尺寸标注图元 的描述方法进行研究。限于篇幅其他几种图元的表 示方法将在以后的文章中发表。 21 曲线图元的表述方法 在采矿和地质制图中, 地质界线或工程界线大 部分以 曲线 的形式存在,因此 曲线图元 是 采矿 CAD系统最重要的一种图元。曲线图元有以 下几种表示方法∀4 1 多项式拟合法。即用一个有限次多项式来 描述任意几何曲线。这种表示方法可输出光滑连续 的曲线,但其最大缺点是对散点适应程度差, 而且 多项式系数求取、图形运算中的交点求取、存储组 织等都十分困难。因此,这种用 多项式 表示的 曲线图元不适合采矿 CAD 系统。 2 双圆弧逼近法。这种表示方法是将一系列 有序散点所表示的曲线或由函数来描述的曲线由一 系列的双圆弧来逼近,即任何相邻两已知点之间可 用两个圆弧段联结起来。它可使曲线达到二次光 顺, 常用于表示样条曲线或函数曲线。这种方法在 模具、机械、建筑、汽车、造船等行业的 CAD 系 统中用得较多,主要是用于外形造型和曲线放样。 但在采矿设计中所用曲线常存在一些转折点 一次 导数不连续,如图 1 所示 ,曲线的随意性很大, 用这种方法很难描述所有曲线,而且会使曲线之间 的运算增加几何复杂性,从而降低采矿 CAD 系统 的效率。因此, 也不适合在采矿 CAD 系统中使用。 3 多边形逼近法。这种方法是将目标曲线离 散化为首尾相接的有限个直线段, 用它来逼近目标 曲线。在图形输出时,可将这一系列直线视为一个 整体,将其施加各种光滑方法、区域填充或线边填 充等;在图形运算中,也可将它视为一个整体而进 行图形的并、交、差运算。曲线的存贮也很简单, 只需存贮一系列首尾相接的散点坐标。曲线图元在 图形处理中和直线图元相比具有两个重要特点 它有和直线不同的几何意义, 可以表示一个区域或 一个分界线;∋ 尺寸标注的 类型较少; 尺寸标注方式的限制较少。 根据尺寸标注对象的不同, 可将尺寸标注的类 型归纳为以下几种 直线尺寸, 包括 点与点、 点与直线、直线与直线、直线与圆心、两圆心之 间、直线到圆的切点处、两圆切点之间 7 种类型; ∋ 圆弧尺寸,包 括圆的半径、圆的直径。 尺寸标注的几何描述取决于它与被标注对象的 关系。这里存在两种做法 一种是将尺寸标注的描 述建立在待标注对象的描述上; 另一种是尺寸标注 的描述独立存在, 不依赖于待标注图元。前者是将 尺寸标注描述为一二叉树, 如图 1 所示。图中 L1、 L2 为指向需要标注尺寸的两个元素的指针, H 为 尺寸标注类型,D 表示尺寸线的引出线自 L1 元素 的终点到尺寸线之间的距离。 图 1 尺寸标注的二叉树描述 这种尺寸标注的描述方法是比较科学的, 尺寸 标注图元依赖于被标注图元而存在, 待标注图元的 修改将自动反映到尺寸标注图元中来,能够完成自 动标注,图中的尺寸标注工作量较少。但是, 标注 的灵活性较差,软件研制的难度较大。后者是一种 半自动的尺寸标注形式,即用户选定了待标注对象 和标注方式之后, 将尺寸线、箭头、标注文字的位 置都计算出来, 这些和标注方式一起作为独立的参 数进行存储, 标注完成后,尺寸标注图元就独立于 待标注图元而存在, 目标标注图元的修改不会影响 已经形成的尺寸标注。这种描述方式的灵活性好, 编程容易。对于采矿 CAD 系统,采用后一种方式 比较实在。 3 结束语 CAD技术已得到广泛应用,国外基于实体构 模的采矿辅助设计软件也已开发成功, 由于市场竞 争激烈,目前公开发表的 CAD 开发核心技术资料 几乎没有。因此, 要开发自主版权的采矿 CAD 软 件还有许多工作需要我们摸索。本文提出的采矿 CAD 系统基本图元集构造方案及其表述方法,对 基于线框构图技术的采矿 CAD 软件开发有一定的 指导意义。这项技术已成功地运用于矿床模型与开 采辅助设计系统 DM ∀2 李启炎主编, 工程CAD, 北京 机械工业出版社, 1995; ∀3 何援军著, 计算机图形学算法与实践, 湖南科技出版社, 长 沙 1992; ∀4 骆中洲主编, 矿山系统工程及 CAD 技术, 北京 煤炭工业 出版社, 1997; ∀5 采矿制图标准编写组, 采矿制图标准, 冶金部基建局, 有色 总公司基建部颁发, 1985; ∀6 北京有色设计研究总院等, 采矿设计手册,建筑工业出版 社, 1987; ∀7 王李管, 邓顺华, 陈建宏 矿床模型与开采辅助设计软件系 统研制 中南工业大学学报1994, 25 5 ∀8 陈建宏, 邓顺华, 王李管, 交互式图形环境露天矿采剥计划 CAD 软件的开发, 中国矿业, 1996, 2 3 ∀9 申闫春等, 参数化尺寸标注系统开发技术的研究, 中国矿业 大学学报, 1999, 28 3 ; ∀10 闵卫东, 唐泽圣等, 工程图尺寸标注识别的研究与实现 计算机学报, 1994, 17 1 ; 收稿日期2002 年 3 月 20日 ∀作者简介 陈建宏 教授 博士生 研究 方向 采矿计算机辅助设计 科学计算机可视化 工程数据库 古德生 教授 博士生导师 中国工程院院士 54 中国矿业 2002 年第 11 卷第 4 期