一种基于轮廓输入的三维杆塔造型方法

1.本发明涉及一种杆塔三维造型方法，特别涉及一种基于轮廓输入的三维杆塔模型制作方法。


背景技术：

2.杆塔是架空配电线路中的基本设备之一，是支承架空输电线路导线和架空地线并使它们之间以及与地面之间保持一定距离的杆形或塔形构筑物。随着计算机图形学和计算机辅助设计技术的发展，输电线路的数字化越来越普及。在输电线路的数字化中，杆塔的三维建模是其中一个重要的组成部分。杆塔的构成比较复杂，一般需要专业的设计人员才能实现建模，通常采用cad软件进行设计，其工作量大，设计效率低，难以满足输电线路快速数字化建模的需要。
3.为了对输电线路杆塔进行快速而准确的三维建模，本发明提出了一种输电线路杆塔三维模型草图式建模方法。该方法通过草图的方式绘制杆塔的二维轮廓形状，然后自动识别出杆塔的类型、各部分的组成、结构和约束，再采用参数化的方法，准确地设置杆塔各组成部分的结构与尺寸参数，最后根据二维杆塔形状，自动生成高精度的三维杆塔模型。该方法能够降低输电线路杆塔三维建模的难度，提高建模的设计效率，满足输电线路快速数字化的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速简单的通过输入二维轮廓生成三维输电线路杆塔的造型方法。
5.为解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，包括下列步骤：
7.1)在二维平面中绘制出杆塔的轮廓线，表示杆塔的形状。
8.2)将绘制的轮廓线与各种杆塔的轮廓形状模板进行匹配，识别杆塔的类型。
9.3)根据杆塔的类型与轮廓线的形状信息，将杆塔分为塔头、塔身和塔腿三部分，并识别塔头的结构及其组成。
10.4)根据杆塔的类型与结构，建立轮廓线的约束关系，然后自动调整杆塔的轮廓线，得到规范的形状。
11.5)根据杆塔轮廓线的尺寸比例关系，设置杆塔各个部分的尺寸参数。
12.6)根据杆塔各个部分的形状与尺寸，设置塔头、塔身、塔腿与横隔的结构型式与结构参数，并在二维图中显示相应的斜材与辅助材形状。
13.7)交互修改杆塔各个部分的结构与尺寸参数，并实时更新杆塔的二维形状。
14.8)根据各部件的结构与尺寸参数，自动生成三维的杆塔模型。
15.在步骤1)中，轮廓线是指杆塔的外轮廓线，它是由一系列折线组成的多边形。绘制杆塔的轮廓线时，只需绘制半侧的轮廓线，然后采用对称的方法自动生成完整的轮廓形状；
如果杆塔是不对称的，则可以通过交互的方法将轮廓线修改成不对称的。轮廓线的形状需要与真实杆塔的形状相似，但尺寸不必与真实的杆塔尺寸一致。
16.在步骤2)中，首先需要将各种杆塔的轮廓形状预先做成形状模板，保存在模板库中。模板库中保存杆塔的二维轮廓信息。在识别杆塔的类型时，将绘制的轮廓线与每个模板中的杆塔轮廓线进行比较。形状模板的匹配方法采用一种形状上下文的方法，该方法记载在“s.belongie,j.malik,j.puzicha,shape matching and object recognition using shape contexts,ieee transactions on pattern analysis and machine intelligence,v.24n.4,p.509-522,2002.”(s.belongie,j.malik,j.puzicha,基于形状上下文的形状匹配与物体识别,ieee模式分析与机器智能，第24卷，第4期，页码509-522,2002年)中。
17.在步骤3)中，以步骤2)中模板库内所匹配确定的杆塔类型的形状作为目标图形，其各部分划分及组成均为已知，采用基于轮廓矢量化的形状匹配方法将杆塔轮廓形状分为塔头、塔身与塔腿三部分，并识别塔头的各个组成部分。该方法的步骤是：
18.a)以轮廓线的最低点为起始点，将轮廓线的控制点按逆时针方向进行排序，并计算每根折线的向量方向。
19.b)依次检查每个控制点。对于每个控制点，将该点附近线段组成的向量与目标图形的向量进行比较，计算对应向量之间的夹角。如果夹角之和小于一定的阈值，则认为两个图形是匹配的，所述阈值可以根据经验设置。
20.在步骤4)中，由于草图绘制的轮廓形状只是表示杆塔的大致形状，它不能反映出杆塔的真实形状与尺寸。自动调整轮廓形状是为了得到规范的形状。基于杆塔轮廓线形状的约束关系，可以实现轮廓形状的自动调整。
21.轮廓形状的约束关系主要包括三种：
22.a)水平线约束:一根线段的两个端点高度坐标值相同。
23.b)对称约束:一些线段或控制点以中心线左右对称。
24.c)共线约束：多根不相连的线段落在同一根直线上。
25.识别杆塔的各个组成部分后，首先，根据其结构的特点，建立轮廓形状的约束关系。然后，基于轮廓线的约束关系，自动调整轮廓形状。轮廓线的调整主要包括三种方式：
26.a)对于水平线约束，将非水平线调整为水平线。
27.b)对于对称约束，将不对称的线段或控制点调整为对称的。
28.c)对于共线约束，调整多根不落在同一根线上的线段或控制点，使得它们落在同一根线上。
29.在步骤5)中，设置杆塔各个部分的尺寸参数时，采用模块的方式，分别设置各个部分的尺寸参数。设置参数时，需要保证参数约束的完整性，避免欠约束或过约束。
30.在步骤6)中，设置塔头、塔身、塔腿与横隔的结构型式与结构参数是为了设置这些结构中斜材与辅助材的数量与形状。首先给每个部件设置一个默认的型式，然后根据杆塔的类型与大小自动计算斜材、辅助材的尺寸参数及数量，例如，部件的长度为l，所述型式下斜材的常规间隔为d，则斜材的数量可设置为l/d。
31.在步骤7)中，杆塔各部分的结构型式与结构参数的修改采用交互的方法以对话框的形式实现。选中杆塔的一个部分后，在对话框中显示其结构型式与参数，然后修改其结构
on pattern analysis and machine intelligence,v.24n.4,p.509-522,2002.”(s.belongie,j.malik,j.puzicha,基于形状上下文的形状匹配与物体识别,ieee模式分析与机器智能，第24卷，第4期，页码509-522,2002年)中。
51.步骤3：识别杆塔的结构，将杆塔轮廓线分为塔头、塔身与塔腿三部分(见图4)，并识别塔头的各个组成部分。我们采用基于轮廓矢量化的形状匹配方法，其步骤是：
52.a)以轮廓线的最低点为起始点，将轮廓线的控制点按逆时针方向进行排序，并计算每根折线的向量方向。
53.b)依次检查每个控制点。对于每个控制点，将该点附近线段组成的向量与目标图形的向量进行比较，计算对应向量之间的夹角。如果夹角之和小于一定的阈值，则认为两个图形是匹配的。
54.步骤4：识别轮廓线的约束关系，然后自动调整杆塔的轮廓形状，得到规范的形状。轮廓形状的约束关系主要包括三种：
55.a)水平线约束:一根线段的两个端点的高度坐标值相同。
56.b)对称约束:一些线段或控制点以中心线左右对称。
57.c)共线约束：多根不相连的线段落在同一根直线上。
58.识别杆塔的各个部分后，根据其结构的形状特征，建立轮廓形状的约束关系。由于草图绘制的轮廓形状仅表示杆塔的大致形状，它不能准确地反映出杆塔的真实形状与尺寸。基于轮廓线的约束关系，可以自动调整轮廓形状。轮廓线的调整主要包括三种方式：
59.a)对于水平线约束，将非水平线调整为水平线，即将一根线段的两个端点的高度坐标值调整为相同的。
60.b)对于对称约束，以中心线为对称轴，将不对称的线段或控制点调整为对称的。
61.c)对于共线约束，调整多根不落在同一根线上的线段或控制点，使得它们落在同一根线上。
62.自动调整轮廓线的形状，可以得到较为合理的形状。例如，作为塔头的一个组成部件，横担一侧形状是由一根水平线和一根斜线组成的。在图4中，塔头由3个横担组成，其中下面的两个横担轮廓线都不是水平线。因此，可以将这两个横担中接近水平线的那根线调整为水平线，如图5所示。
63.步骤5：首先设定杆塔的高度，然后根据杆塔轮廓图形的大小，按比例设置杆塔各个部分的尺寸参数，包括塔头、塔身和塔腿的高度与宽度，还有塔头组成部分的尺寸，如横担的宽度与高度。例如，图6为塔腿的尺寸参数。设置各个部分的尺寸参数时，需要检查参数约束的完整性，避免欠约束或过约束。
64.步骤6：首先给每个部件设置一个默认的型式，然后根据杆塔的类型与大小自动计算尺寸参数。例如，对于杆塔的每个部分，我们选择一个基本的型式作为默认的型式，其尺寸参数根据常规的斜材与辅助材的大小与部件尺寸的比例计算得出。设置形式和参数后，在二维图中相应显示斜材与辅助材形状，见图7。
65.步骤7：交互修改杆塔各个部分的尺寸与结构参数。在修改过程中，在二维图中实时更新杆塔的二维结构形状。具体操作方法是：选中杆塔的一个部分后，在属性框中显示其结构型式与参数，然后修改其结构型式与结构参数，同时在二维图中显示斜材与辅助材形状，以表示结构与参数的变化，见图8。
66.步骤8：根据各部件的结构参数与尺寸参数，自动生成三维的杆塔模型。三维杆塔的模型是根据二维杆塔各部分的结构与参数自动生成的。由于杆塔是由许多根角钢构件组成的，我们采用长方体或圆柱体表示角钢构件。根据杆塔各个部分的结构型式、尺寸参数、斜材和辅助材的结构与重复次数，计算各部分的全部角钢构件的端点坐标数据，然后基于坐标数据生成角钢构件的三维建模，最后组合角钢构件得到整体的三维杆塔模型，见图9。

技术特征：
1.一种基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，采用草图输入结合参数控制，实现精确的三维杆塔造型，具体包括下列步骤：1)在二维平面中绘制出杆塔的轮廓线，表示杆塔的形状；2)将绘制的轮廓线与预先建立的各种杆塔的轮廓形状模板进行匹配，识别杆塔的类型；3)根据杆塔的类型与轮廓线的形状信息，将杆塔分为塔头、塔身和塔腿三部分，并识别塔头的结构及其组成；4)根据杆塔的类型与结构，建立轮廓线的约束关系，然后自动调整杆塔的轮廓线，得到规范的形状；5)根据杆塔轮廓线的尺寸比例关系，设置杆塔各个部分的尺寸参数；6)根据杆塔各个部分的形状与尺寸，设置塔头、塔身、塔腿与横隔的结构型式与结构参数，并在二维图中显示相应的斜材与辅助材形状；7)交互修改杆塔各个部分的结构与尺寸参数，并实时更新杆塔的二维形状；8)根据各部件的结构与尺寸参数，自动生成三维的杆塔模型。2.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤1)中，轮廓线是指杆塔的外轮廓线，是由一系列折线组成的多边形，绘制杆塔的轮廓线时，只需绘制半侧的轮廓线，然后采用对称的方法自动生成完整的轮廓形状；如果杆塔是不对称的，则通过交互的方法将轮廓线修改成不对称的。3.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤2)中，首先需要将各种类型杆塔的轮廓形状预先做成形状模板，保存在模板库中，即模板库中保存有各种类型杆塔的二维轮廓信息，在识别杆塔的类型时，将绘制的轮廓线与每个模板中的杆塔轮廓线进行比较，采用形状上下文的形状匹配方法确定所输入轮廓的杆塔类型。4.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤3)中，采用基于轮廓矢量化的形状匹配方法将杆塔轮廓形状分为塔头、塔身与塔腿三部分，并识别塔头的各个组成部分；该方法是以步骤2)中模板库内所匹配确定的杆塔类型的形状作为目标图形，具体步骤包括：a)以轮廓线的最低点为起始点，将轮廓线的控制点按逆时针方向进行排序，并计算每根折线的向量方向；b)依次检查每个控制点，对于每个控制点，将该点附近线段组成的向量与目标图形的向量进行比较，计算对应向量之间的夹角，如果夹角之和小于预设阈值，则认为两个图形是匹配的。5.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤4)中，根据杆塔的类型与结构，建立轮廓线的约束关系，主要包括三种：a)水平线约束：一根线段的两个端点高度坐标值相同；b)对称约束：线段或控制点以中心线左右对称；c)共线约束：多根不相连的线段落在同一根直线上；根据上述约束关系自动调整轮廓形状从而得到规范的形状。6.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤5)中，设置杆塔各个部分的尺寸参数时，采用模块的方式，分别设置各个部分的尺寸参数，且
设置参数时，需要保证参数约束的完整性，避免欠约束或过约束。7.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤6)中，设置塔头、塔身、塔腿与横隔的结构型式与结构参数以设置这些结构中斜材与辅助材的数量与形状，首先给每个部件设置一个默认的型式，然后根据杆塔的类型与大小自动计算尺寸参数。8.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤7)中，杆塔各部分的结构型式与结构参数的修改采用交互的方法以对话框的形式实现，即选中杆塔的一个部分后，在对话框中显示其结构型式与结构参数，然后修改其结构型式与结构参数后在二维图中显示相应的结构与尺寸变化。9.根据权利要求1所述的基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，其特征在于，在步骤8)中，三维杆塔的模型是根据二维杆塔各部分的结构与参数自动生成的。采用长方体或圆柱体表示杆塔主材角钢构件，根据杆塔各个部分的结构型式、尺寸参数、斜材和辅助材的结构与重复次数，计算各部分的全部角钢构件的端点坐标数据，然后根据设计需求，基于坐标数据生成角钢构件的三维建模，最后组合角钢构件构成整体的三维杆塔模型。

技术总结
本发明公开了一种基于轮廓输入的三维杆塔造型方法，该方法通过草图的方式绘制杆塔的二维轮廓形状，结合预先设置好的各种类型杆塔的二维形状模板库自动识别出所绘杆塔的类型、各部分的组成、结构和约束，再采用参数化的方法，准确地设置杆塔各组成部分的结构与尺寸参数，从而确定各组成部分中斜材及辅助材，最后根据得到的二维杆塔形状，自动生成高精度的三维杆塔模型。该方法能够降低输电线路杆塔三维建模的难度，提高建模的设计效率，满足输电线路快速数字化的需要。路快速数字化的需要。路快速数字化的需要。


技术研发人员：张东亮 张婷 王洛迪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/3/8