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第18卷第11期 计算机辅助设计与图形学学报 

v01.18.NO.11 

2006年11月 JOURNAL OF COMPUTER—AIDED DESIGN&COMPUTER GRAPHICS 

Nov.,2006 

从2D视图重建3D实体中的假元删除算法 

叶宁宁 邹北骥 王 涛 

(湖南大学计算机与通信学院长沙410082) 

(中南大学信息科学与工程学院长沙410083) 

(yeningning1981@263.net) 

摘 要从2D视图重建3D实体的过程中,2D视图中的虚线会在3D重建中引起假边和假面的生成.针对此,提出 

些规则在重建早先的阶段识别并删除这些假元.对于一个完全可见面,一旦搜索到它的外环和内环的边界,那么 

在该面内投影为虚线的边均将被删除. 

关键词三视图;3D重建;边界环;假元 

中图法分类号TP391 

Pseudo Element Removing in 3D Reconstruction from 2D Orthographic Views 

Ye Ningning )Zou Beiji )Wang Tao2) 

(School ofComputer and Communication,Hunan University,Changsha 410082) 

)(School ofInformation Science andEngineering,Central South University,Changsha 410083) 

Abstract Dotted lines in 2D views may give rise to pseudo edges and faces in 3D reconstruction.Some 

rules are presented to recognise pseudo elements in the early stage.For a completely visible face,once the 

construction of its boundaries of outer loop and inner loops are completed,all the dotted lines remained inside 

the face should be deleted.The algorithm can raise the efficiency of 3D reconstruction. 

Key words three orthographic views;3D reconstruction;boundary loop;pseudo element 

适合任意多面体的重建算法,该算法的每一步均检 

0 引 言 

测并删除相应的假元,保证了算法在病态和多解的 

情况下也能提供较好的效果,但需要较长的处理时 

从2D视图重建3D实体已经研究了近30年, 间.文献[4—5]首先提出合理利用三视图中的虚线信 

它是CAD/CAM中的主要研究课题之一.重建算法 息删除线框模型中的非法边和面,并利用虚线信息 

主要可分为自顶向下的CSG方法和自底向上的B— 

标定生成的基元体是确定的还是非确定的,从而加 

rep方法.本文采用的是B—rep方法,该方法首先从 

速3D形体的求解过程.该方法可以生成对应于输 

2D顶点生成3D顶点;然后从3D顶点生成3D边; 

入工程图的多个解,但是只能重建平面体.Yan 

再从3D边生成形体的面环;最后进行决策求解,搜 等_6 J提出了适合平面体的从三视图构造实体模型 

索有效实体.此方法能够得到满足2D视图的所有 

的重建算法,通过合理地利用虚线信息来加速求解 

解.各种B—rep方法的区别主要在于上述4步所采 

过程,并详细分析了利用拓扑信息排除病态边 和不 

用的技巧.由于重建过程可能会产生大量并不属于 

符合三视图的解,提高了构造正确形体的效率.You 

3D形体的点、边和面,因此自底向上的重建算法中 

等 详细研究了如何应用工程图中的深度信息删 

的一个关键技术是检查并删除线框模型中的假元. 除非法边和非法面,并给出了删除线框模型中非共 

Idesawa…认为在3D形体中,度小于3的顶点 

存面的分治算法,但该算法限制重建二次曲面的主 

或者邻接面的数目小于2的边都是假元,但该算法 

轴必须平行于某一坐标轴.Kuo[ 在生成面环后,为 

仅能构造非常有限的多面体.文献[2—3]提出了一个 

了删除线框模型中的非法元素,根据Moebius和工 

收稿日期:2006—04 24 

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2004CB719404) 

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叶宁宁等:从2D视图重建3D实体中的假元删除算法 

程图的属性归纳了若干决策准则,利用这些决策准 

则可以确定面和边的存在性.Liu等_9 J扩展了形 

体覆盖域,可以重建任意位置的二次曲线边,并且详 

细研究了如何利用工程图中的虚线信息和2一流形 

体中的拓扑信息删除线框模型中的非法元素,但是 

能利用虚线信息删除假元所适合的候选边非常有 

限.因为在线框模型中对应某一视图为虚线边的候 

选边在另外某一视图的投影必须具有局部最大值, 

方能认为是假元而得到删除,否则即使是在完全可 

见面上的投影为虚线边的候选边,在线框模型阶段 

也不能被判断为假元.而且若对每一虚线边所产生 

的候选边都要进行一次假元删除算法,势必造成多 

余的假元删除算法的执行次数,浪费了时间.本文 

旨在避免前人假元删除算法的反复执行、同时删除 

更多情况下的假元,以进一步完善假元删除技术. 

1 线框模型中的假元删除算法 

三视图是分别向欧氏平面 =0,Y=0和z=0 

作正投影获得的.正投影是多对一的映射,例如2 

个或2个以上的线段可能会投影到投影平面上同一 

直线段或同一个2D封闭区域.因此投影的逆过程 

是一对多的映射.重建便是投影的逆过程,凡是满 

足在3个视图中都存在其投影的3D顶点和3D边 

均会生成,这其中便会包含一些可能在原3D形体 

中并不存在的3D元素.B—rep方法前两步得到的是 

线框模型,其中3D顶点和3D边我们称为候选顶点 

(c—vertex)和候选边(c—edge).在原3D形体中并不 

存在的候选顶点和候选边,我们称这些非法元素为 

假元. 

定义1.平行投影下,对于沿投影方向上完全不 

被遮挡的有界面为完全可见有界面. 

如图l所示,面F 即为完全可见有界面.如不 

加以特殊说明,观察方向均与投影方向一致.本文 

算法就是要找到沿某一投影方向的一个完全可见有 

界面,然后删除完全可见面内投影为虚线边的候 

选边. 

/_ 。 

/ 

图1定义1与投影性质 

定义2.在平面内,以各曲线边(包括直线)的公 

共顶点为原点,曲线边在原点的切向量绕原点逆时 

针旋转所遇到的邻接边在原点的切向量之间的夹角 

称为转角.如图2所示,e1与e 5就具有最大转角. 

0 

图2最大转角 

性质1.投影性质.平行投影下,对于3D形体 

的三视图中的虚线边,在相应投影方向上,造成虚线 

边的完全可见有界面若存在,则是唯一的. 

证明.3D形体三视图中的某一视图存在虚线 

边,不妨假设虚线边是在俯视图(沿Z轴负方向投 

影)上,虚线边是由一条3D线段E被一个完全可见 

有界面F遮挡所引起.若存在另一完全可见面F1 

遮挡E,如图1所示,F 同时也会遮挡部分F,它与 

F是完全可见面矛盾,故F是唯一的. 证毕. 

对应某一视图(假设沿X轴负方向的投影)的 

虚线边e( 1, 2),重建生成的c—edges E1(V}, 

!),E2(V ,V;),…,E (V ,V )中,E 为具有最 

大x值的候选边,即 在 i, },…, 中具有 

最大的x坐标值, 在 !, ;,…, 中具有最 

大的x坐标值.若存在一个面F将E 遮挡,那么 

E1,E2,…,E 1也必然会被F遮挡;否则也会被 

E 所在的面所遮挡.所以,在面环生成之前,能删 

除的因虚线所形成的可能的假元为E . 

1)利用虚线信息删除假元算法 

Step1.对存在虚线边的某一视图(假设沿x轴负方向 

的投影),任选一个未被处理的虚线边e,转Step2;若虚线边 

均被处理,结束. 

Step2.从虚线边e的某一端点 出发搜索一个与e具 

有最大转角的实线2D边e ,继续以e】的另一端点搜索与 

e 具有最大转角的实线2D边e2,如此继续,直到搜索到的 

实线2D边e 的另一端点为 .此时在该视图中便搜索到 

个实线边界环z . 

Step3.若z 环上的某一边的端点为e的另一端点 2, 

则说明z 为一有界面的外环.若该有界面没有内环,记录在 

z】内的其他虚线边P (M=1,2,…,m),我们将环z】记为 

z1(一x,(e1,e2,…,e ),(e,ei,ei,…,P二)),转Step4;否则,从 

e的另一端点 2出发,如Step2中搜索另一实线边界环z2,那 

么z1,z2为一有界面的外环和内环,记录在z1和z2围成的有 

界面内的其他虚线边P (M=1,2,…,m),记为z】z2(一x, 

(P1,P2,…,en),( +1, +2,…,ej),(P,P ,P ,…, )),其中 

e1,e2,…,e 为z1上的边,e +1,e +2,…,ej为z2上的边. 

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1732 计算机辅助设计与图形学学报 2006焦 

Step4.从e重建生成的c—edges中具有最大x值的候 

Step4.如果degree( )=3且3个邻接 ̄edges中有2个 

选边E的端点 (其投影为 】)出发,搜索一个对应z 的 

是共线的,合并共线的c-deges,删除顶点 和另外一个c-edge. 

3D实线边界环L1,记为L1(一x,(E1,E2,…,E ),(E,E;, 

Step5.如果degree( )≥3且所有邻接c—edges是共面的 

E;,…,E;)),其中E1,E2,…,E ,E,E;,E ,…,E;共一个 

但不共线,删除顶点口和所有的c—edges. 

平面;若z2存在,则从E的另一端点 2出发,搜索一个对 

下面举例详细说明.如图3 a所示,在俯视图中 

应z2的3D实线边界环L2,L1L2确定的有界面记为 

存在2D虚线边e( 】, 2).从 2出发,由于e(V2, 

L1L2(一x,(E1,E2,…,E ),(E +1,E +2,…,E,),(E,E;, 

V6)与e( l, 2)是最大转角且为实线边,故e( 2, 

E ,…,E;)).E1,E2,…,E ,E +1,E +2,…,E,,E,E;,E , 

)为2D环z的一条边界边.P( 2, 6)与P( 6, 

E;(P≤优)共一个平面,E1,E2,…,E ,E +l,E +2,…, 

E,,E,投影分别为P1,P2,…,P , +1, +2,…,P,,P.E;, 

)是最大转角且为实线边,故e( , )也是z的 

E;,…,E;的投影边在ei,ei,…,e 中.若L1(即只有外环 

条边界边.依次继续可得到z(一z,(e( 2, 6), 

的情况)或L1L2(存在一个内环的情况)存在,转Step5;否 

P( 6, 1),P( 1, 5),P( 5, 2)),(P( 1, 2))).由 

则,转Step1. 

于E(V1,V2)、E(Vi,Vi)和E( 1, 2)是由俯 

Step5.若环L 存在2条共端点的非共线边均是对应各 

视图中的2D虚线边e( 】, 2)所生成的3条候选 

自投影边生成的具有最大x值的候选边(这时L 为完全可 

边,又由于E(V ,V2)在该3条候选边中具有最大 

见有界面的外环,由性质1知该完全可见有界面唯一),那么 

的z值,我们从V2出发搜索其邻接边,由于 

E为假元,删除之,同时删除L1或L1L2确定的有界平面内 

E(V2,V6)是e( 2, 6)所生成的候选边,故其为 

的其他投影为虚线边的候选边,即删除E;,E;,…,Ej,然后 

转Step1. 

3D环L的一条边界边,依次寻找共面边界边我们 

2)结合2一流形体中定义的拓扑信息删除部分 

得到L(一Z,(E(V2,V6),E( 6,V1),E(V1, 

假元. 

),E( 5,V2)),(E(V1,V2))).又因为E(V2, 

我们用degree( )表示候选顶点 的邻接边数. 

V )是e( 2, )所生成的具有最大z值的候选边, 

Step1.如果degree( )<2,删除顶点 及其邻接的c— 

E( ,V )是e( 6, 】)所生成的具有最大z值的 

edges. 

候选边,故删除E(V】,V2),如图3b所示.这时V2 

Step2.如果degree( )=2且2个邻接c—edges是共线 

满足利用拓扑信息删除假元的条件4,故删除候选 

的,合并这2个c—edges,删除顶点 . 

顶点V2和候选边E(V2, ),如图3 C所示.顶点 

Step3.如果degree( )=2且2个邻接c—edges不共线, 

V 满足条件3,故删除候选顶点V3及候选边 

删除顶点 和相关联的c—edges. 

E(V3,V4)和E( 3,V5),如图3d所示. 

侧视图 z 

a假元删除前线框模型 

b利用本文算法删除假元 c利用拓扑信息删除假元d删除假元后的线框模型 

图3新的假元删除算法 

修改了假元删除部分进行实验,并与Liu的假元删 

2 实验结果与分析 除算法进行了比较.图4所示为参考文献中的经典 

实例,图中的线框模型为删除假元后的线框模型. 

我们继承Liu等 m 实验代码,根据本文算法 本文算法能得到前人可以得到的结果,如图4中的 

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11期 叶宁宁等:从2D视图重建3D实体中的假元删除算法 1733 

例1和例2.由于本文算法的执行时间与Liu的算 

法执行时间相差甚小,故来比较算法的执行次数. 

视图的一条虚线边,便能得到Liu的实验结果,而不 

用对线框模型中投影为虚线边的每一候选边进行一 

表1所示为对例1和例2使用利用虚线信息删除假 

元算法的执行次数.尤其是图中例1仅需判断每一 

次利用虚线信息假元删除算法,执行次数减少了 93

. 

前视图 侧视图 

厂 

门l_I 

一 

圃一 

俯视图 

例1 

前视图 

侧视图 

=q 

线框模型 重建后实体 

俯视图 

例2 

图4参考文献中的经典实例 

表1利用虚线信息删除假元算法执行次数比较 次 图5中,图5 a显示了Liu删除假元后的线框模 

型,图5 b显示了本文中假元删除使用后的线框模 

型.表2列出了对例3、例4、例5 3个实例使用Li

●一

u等 

假元删除算法与使用本文假元删除算法后线框模型 

前视图 

目 

侧视图 

a Liu删除假元后的 b 重建后实体 

线框模型 

例5 

图5本文算法的应用 

 

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1734 计算机辅助设计与图形学学报 2006正 

中的候选边数.从表2可看出较之Liu的工作,本文 

算法在线框模型阶段删除了更多情况下的假元. 

表2假元删除后线框模型中候选边数目比较 条 

3 结 论 

在基于工程图的3D重建中,深入分析工程图 

中的各种信息,在生成线框模型之后,能利用三视图 

中的虚线信息和2一流形体中的拓扑信息以及2D信 

息和重建的3D信息之间的关系,删除了更多非法 

的几何元素.该方法较之前人的工作有以下优点: 

1)避免了对投影为虚线边的候选边进行一次是否为 

假元的判断,尽管本身比较复杂,但在一定程度上提 

高了利用虚线信息删除假元的效率;2)更重要的是 

在线框模型中,不仅可以删除以前方法能够删除的 

假元,而且可以删除更多情况下的假元,减少搜索面 

环和搜索有效实体的搜索空间,从而提高得到有效 

实体的效率.今后的工作是如何去提高重建过程中 

决策求解的效率,不仅能得到有效实体而且能处理 

多解. 

参 考 文 献 

[1] 

Idesawa M.A system t0 generate a solid figure from three view 

[J].Bulletin of the JSME,1973,16(92):216—225 

[2] Markowsky G,Wesley M A.Fleshing out wireframes[J]. 

IBM Journal of Research and Development,1980,24(5):582 

597 

[3] Wesley M A,Markowsky G.Fleshing out projections[J].IBM 

Journal of Research and Development,1981,25(6):934—953 

[4] 

Gujar U G,Nagendra I V.Construction of 3D solid objects 

from orthographic views[J].Computers and Graphics,1989, 

13(4):505—521 

[5] 

Nagendra I V,Gujar U G.3-D objects from 2-D orthographic 

views—a survey[J].Computer and Graphics,1988,12(1): 

111—114 

[6]Yan O W,Chen C L,Tang Z S.Efficient algorithm for the 

of 3D objects from orthographic projections[J] 

oCmputer—Aided Design,1994,26(9):699—717 

[7] 

You C F,Yang S S.Reconstruction of curvilinear manifold 

objects from orthographic views[J].Computer and Graphics, 

1996,20(2):275—293 

【8] 

Kuo M H.Reconstruction of quadric surface solids from three— 

view engineering drawings[J].Computer—Aided Design,1998, 

30(7):517—527 

[9] 

Liu S X,Hu S M,Chen Y J,et a1.Reconstruction of curved 

oslids from engineering drawings[J].Computer—iAded Design, 

2001,33(14):1059—1072 

[10] 

Liu Shixia,Hu Shimin,Wang Guoping,et a1.Reconstruction 

of 3D objects from orthographic views[J].Chinese Journal of 

oCmputers,2000,23(2):141—146(in Chinese) 

(刘世霞,胡事民,汪国平,等.基于三视图的3D形体重建 

技术【J].计算机学报,2000,23(2):141—146) 

[11] 

Liu Shixia,Hu Shimin,Sun Jiaguang.Two accelerating 

techniques for 3D reconstruction[J].Joumal of Computer 

Science&Technology,2002,17(3):362—368 

[12] 

Liu Shi—Xia,Hu Shi—Min,Tai Chiew—Lan,et a1.A matrix- 

based approach to reconstruction of 3D objects from three 

orthographic views[C]//Proceedings of Pacific Graphics 2000. 

Hong Kong:IEEE Computer Society Press,2000:254—261 

叶宁宁 男,1982年生,硕士研究生, 

主要研究方向为计算机图形图像处理、 

CAD. 

邹北骥男,1961年生,博士,教授, 

主要研究方向为计算机图形学、图像处理、 

多媒体技术、软件工程. 

王涛男,1982年生,硕士研究生, 

主要研究方向为图形图像处理、CAD. 


本文标签: 删除 算法 虚线 信息 投影