计算机读图:读图思路、描述方法和实现技术

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当前,计算机辅助设计和绘图(CADD)技术在建筑设计领域内已经得到了广泛的应用,早已实现八十年代初国家科委提出的“甩图板”的目标,减少了设计人员的工作强度并大大提高了设计和绘图的效率和质量。然而,设计后的各建筑工序(包括审图、算量、钢筋放样、建筑施工管理等)的专业人员仍然只能通过人工读图从图纸或屏幕上的工程图中获取所需的各种设计信息,人工读图的工作强度大、效率低、容易出错。于是,如何把计算机辅助的建筑设计结果转化为一个能为后续各工序提供完整的、适合于计算机直接处理的数据集合成为了问题的关键。计算机读图通过对设计图(.dwg文档)自动识别,直接完成上述转化,是取代冗繁、低效的人工读图的一种技术。 工程图自动识别与理解是计算机读图技术的一个重要应用,也是当前的研究热点之一,具有重要的理论意义和较高的应用价值。本文总结了现有的工程图自动识别与理解方法,并分析它们在处理建筑工程图时不足与局限性;在此基础上,对建筑工程图自动识别与理解进行了更深入的研究。由于建筑工程图的特殊性和艺术性给计算机读图带来了很高的难度,所以以往的研究主要集中在针对建筑工程图中基本图形元素(直线段、弧、圆、文字)、简单建筑符号(如等宽线条围成的门、窗、隔板等)和具有共同特征的某一类建筑构件(如柱、墙、梁、板等)进行识别。本文通过对建筑工程图构图规则的进一步分析,并借鉴人工读图机理,提出了按序、定向、整体的计算机读图思路;在此基础上提出了一种基于内外特征项目的识别过程描述方法,从根本上统一了各种不同建筑工程图对象的识别过程的描述;最后,通过对BNF(Backus Naur Form)从内容和形式上进行一系列的扩展定义,提出了基于对EBNF(Extended Backus Naur Form)描述解释的计算机读图实现方法,提高了识别系统的可维护性、可扩充性和稳定性。 首先,从建筑工程图以及图中各种对象的概念上分析了建筑工程图的构图规则,并借鉴人工读图机理的几个特点,提出了按序、定向、整体的计算机读图思路。从计算机读图的角度出发,通过分析建筑工程图的构图规则,宏观上总结出建筑工程图构图规则的一些共性特点;从人工读图的角度出发,总结出人工读图机理的先验性、顺序性、目标性、整体性和记忆性五个重要特点。在此基础上,提出了基于构图规则、借鉴人工读图机理的按序、定向、整体的计算机读图思路。建筑工程图各类别、各层次的对象之间存在着数据的前后依赖关系,致使人丁读图必须遵循一定的顺序,所以按序的计算机读图思路使得识别过程更具条理性,更加稳定,可以有效地提高自动识别的效率和准确性;建筑工程图巾图元数量庞大,需要识别的对象也比较多,人工读图时读图人总是根据建筑领域知识和构图规则进行有目标的搜索识别,所以定向的计算机读图思路能够降低搜索的盲目性,进一步提高读图的效率和准确性;建筑工程图是各种对象有机地组织在一起的整体,任何对象在整体环境中都不是孤立存在的,和周围的环境都有着固定的联系,人工读图经常利用这种整体性环境条件对识别对象进行判断,故整体的计算机读图思路能够进一步提高读图准确性。 然后,以按序、定向、整体的计算机读图思路为指导,通过探讨不同工程图、不同类型、不同层次对象可用于计算机自动识别的统一的描述方法,提出了一组具有低冗余度面向计算机自动识别的内外公共特征项目。利用这组特征项目(或其中一部分特征项目)可以准确描述任何一个工程图对象的识别过程。工程图对象可以按照组成概念进行逐层拆分,直到不可再分的基本图形对象,每一个拆分出的中间对象也同样可以利用上述公共特征项目(或其中一部分特征项目)进行描述,故这种描述具有典型的层次性,对象的拆分按照由复杂到简单、由整体到局部的原则,拆分的层次性可以表达对象由外到内的识别顺序,同层次的对象的拆分顺序可以表达内部组成对象的识别顺序。这样做既充分利用了建筑工程图构图规则又借鉴了人工读图机理,为计算机自动识别提供准确、高效、灵活的依据。 为了保证识别程序的可维护性、可扩充性和稳定性,本文提出了基于对EBNF描述解释的计算机读图实现方法。BNF是一种典型的层次式表示方法,它也是适合于计算机理解的形式化系统。为了使其能够完整、准确地表示基于内外特征项目的识别过程描述,本文在内容和形式上对其进行了一系列的扩展定义,从而形成EBNF表示方法。EBNF的基本解释思想是首先构造一棵对应的EBNF描述树,然后从EBNF描述树的根结点开始深度优先、递归处理。EBNF很好地解决了描述的形式化问题,是实现基于计算机自动解释描述的计算机读图实现方法的基础。
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