胎面2D花紋的自動測量及重構(gòu)算法研究

陳進(jìn)富，宋忠輝，董玉德*，張方亮，劉彥超，白蘇誠

［1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.佳通輪胎（中國）研發(fā)中心，安徽 合肥 230601］

輪胎花紋作為車輛與地面直接接觸的部位，其形狀直接影響輪胎與地面的牽引力[1]、側(cè)滑力、排水性和噪聲等，同時汽車行駛過程中的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性也與輪胎花紋有密切關(guān)系。輪胎花紋造型是由三維CAD軟件設(shè)計，其中CATIA軟件應(yīng)用最廣，鑒于輪胎花紋表面的復(fù)雜性，在利用CATIA軟件設(shè)計輪胎3D花紋時，通常先設(shè)計胎面2D花紋，然后利用develop命令將2D花紋纏繞到輪胎胎面上[2]，利用一系列命令生成單節(jié)距花紋，最后對不同節(jié)距花紋進(jìn)行裝配形成整條輪胎。

胎面2D花紋的設(shè)計尤為重要，快速高效地獲取2D花紋的幾何參數(shù)并實現(xiàn)參數(shù)與模型的共享對提高胎面2D花紋的設(shè)計效率具有重要的作用。陳理君等[3]提出通過將掃描輪胎花紋圖案處理成[0-1]矩陣的算法識別出了輪胎花紋的周期與節(jié)距的排列規(guī)律，劉雨青等[4]提出利用輪廓提取和種子填充算法計算出花紋塊和花紋溝槽的面積，但該算法是基于AutoCAD二維軟件平臺下完成的，所測的數(shù)據(jù)也主要用于噪聲的分析并不能重構(gòu)出模型。

本工作提出基于特征遍歷算法用于2D花紋參數(shù)的自動測量，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和面向組件技術(shù)開發(fā)出的綜合系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)以CATIA軟件為平臺，利用CAA組件應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行二次開發(fā)，該方式提供了大量的API接口以便擴(kuò)展系統(tǒng)功能，具體是通過將RADE模塊以及API接口相結(jié)合來實現(xiàn)對CATIA的深層次開發(fā)，其中RADE模塊集成在VC++開發(fā)環(huán)境中。同時采用SQLServer數(shù)據(jù)庫[5]對獲取的參數(shù)信息進(jìn)行管理，訪問數(shù)據(jù)庫方式采用的是ADO技術(shù)[6]，該技術(shù)不僅具有OLE DB技術(shù)的優(yōu)點而且使用方便。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意

2 花紋參數(shù)自動測量

三維空間的2D花紋本質(zhì)上是其二維圖形的三維表現(xiàn)，即將原有二維圖形中的點、直線和圓弧等擴(kuò)展到三維空間，難點在于如何通過程序獲取模型信息。另外，在CATIA軟件界面中的模型其特征樹中都會有對應(yīng)的信息，對于輪胎模型而言，為方便管理，通常會在模型樹中新建2D花紋幾何圖形集，因此只需獲取模型樹中的信息即可。而在零件文檔中，零件處于模型樹的根部，零件特征在所有特征中位于最高層，同樣在CAA開發(fā)模式中，零件也是Part文檔的最上層對象，該對象包含兩個對象：線框曲面對象（HybirdBodies）和實體對象（Bodies）。HybirdBodies對象在CATIA軟件交互界面中被稱為幾何圖形集，包含了類似零件設(shè)計中的其他對象如創(chuàng)建空間點、線條和平面等，因此在CATIA二次開發(fā)中具有非常重要的作用，Bodies對象與HybirdBodies對象類似。由上述分析可知，為實現(xiàn)參數(shù)的自動測量，可通過遍歷特征樹獲取所有幾何圖形集，然后通過用戶交互的方式獲取2D花紋幾何圖形集，進(jìn)而針對獲取的幾何特征采用不同的函數(shù)進(jìn)行測量。為了能夠?qū)y得的參數(shù)自動存入數(shù)據(jù)庫且達(dá)到模型重構(gòu)的要求，需要將其進(jìn)行細(xì)分直到不可再分以滿足第1范式。由分析可知，圖形是由圖素構(gòu)成，而每種圖素都有自己的特征數(shù)據(jù)，如直線的起點和終點坐標(biāo)，因此可將2D花紋圖形元素所對應(yīng)的特征數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，使2D花紋與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，實現(xiàn)2D花紋圖與數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)，不同用戶間可通過讀取數(shù)據(jù)庫中的圖形參數(shù)重構(gòu)2D花紋。具體步驟如下。

（1）獲取當(dāng)前根節(jié)點對象。首先通過文檔編輯器CATFrmEditor中的GetCurrentEditor（）函數(shù)返回當(dāng)前激活的編輯器，進(jìn)而通過GetDocument（）函數(shù)返回與該當(dāng)前編輯器對應(yīng)的文檔，其次通過IUnknown基接口中的接口查詢函數(shù)QueryInterface（）獲取根路徑指針接CATInit，然后利用GetRootContainer（）函數(shù)獲取根容器并將其轉(zhuǎn)化為Part容器，最后利用GetPart（）函數(shù)獲取零件特征，也即根結(jié)點對象。

（2）遍歷2D花紋幾何圖形集。首先通過上一步獲取的零件特征QueryInterface檢索零件幾何特征集接口CATIPartRequest，然后通過該接口提供的GetSurfBodies（）函數(shù)檢索所有幾何圖形集，根據(jù)GetPosition（）函數(shù)確定2D花紋幾何圖形集在模型樹中的位置，進(jìn)而獲取花紋特征對象CATBaseUnknown指針，隨后就可通過CATIDescendants接口所提供的GetAllChildren（）函數(shù)檢索零件中的所有子集合（點集合、線集合、圓弧集合等），然后利用遞歸的方法遍歷所有子集合中的元素，便可實現(xiàn)遍歷2D花紋幾何圖形集的功能。需要指出的是所有的接口（包括CATIDescendants接口以及CATIPartRequest接口）都繼承于基接口（IUnknown），而基接口主要通過3個基本函數(shù)（QueryInterface，AddRef，Release）對所有接口指針進(jìn)行管理。

（3）幾何參數(shù)的自動測量。首先利用Size（）函數(shù)獲取不同子集合中元素的個數(shù)，然后利用遍歷的方法提取集合中的元素，針對不同集合中的元素利用CATIMeasurableIn-Context接口下的不同函數(shù)進(jìn)行測量，具體功能的實現(xiàn)方法與其他接口一致，即通過用戶對象（Client Object）、接口（interface）、實現(xiàn)方法（Implementation）三部分實現(xiàn)對CATIA的開發(fā)，這三部分有各自不同的分工和聯(lián)系，用戶對象包含通常所說的對象成員（如點、線、面等），接口是由一組操作集即純虛函數(shù)組成，用戶對象與實現(xiàn)方法的連接通過接口實現(xiàn)，需要指出的是同一個實現(xiàn)方法可以同時為多個接口所共有。幾何參數(shù)的自動測量實現(xiàn)方法為：首先獲取CATIMeasurableInContext接口對應(yīng)的指針，然后利用該接口下不同的函數(shù)對被測對象進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)獲取幾何參數(shù)的功能。

3 重構(gòu)2D花紋

在輪胎花紋設(shè)計過程中，通常由于用戶操作習(xí)慣不同造成模型重構(gòu)過程的不確定性，因此如何通過程序來組合操作步驟以達(dá)到模型重構(gòu)的目的具有一定難度。由分析可知，不同圖元本身雖然是孤立的，但是他們之間通過頂點連接，因此模型重構(gòu)可以先從數(shù)據(jù)庫中讀取圖形參數(shù)，然后利用CAA函數(shù)庫中的不同函數(shù)將構(gòu)成模型所需的所有基本線條繪制出來。由CAA提供的方式可知，基本線條的生成方式是多樣的，如生成一段直線，既可以通過直線的長度、方向和起始點的坐標(biāo)實現(xiàn)，也可以只通過起始點與終止點坐標(biāo)的方式實現(xiàn)，結(jié)合參數(shù)的自動測量過程，本工作采用第2種方式，這種方式雖然在建模過程中并不能體現(xiàn)線段之間的關(guān)系，但是當(dāng)模型建成之后通過依附于線段之間的頂點即可將整個模型聯(lián)系起來。

3.1 搜索需要重構(gòu)的輪胎2D花紋

首先通過查詢輪胎的基本信息查找需要進(jìn)行重構(gòu)的輪胎花紋，然后可讀取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的2D花紋參數(shù)信息。為方便查詢，系統(tǒng)提供了2種方式可供選擇：（1）精確查詢，直接在編輯框中輸入輪胎花紋的ID信息，即可查詢該輪胎花紋的基本信息；（2）模糊查詢，采用的是下拉菜單的方式，該方式結(jié)合了層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計以便減少下拉選項中的內(nèi)容。另外系統(tǒng)還提供了可視化預(yù)覽功能，首先在多選框中單擊輪胎花紋基本信息，然后通過ftp站點[7]將對應(yīng)的花紋圖片從服務(wù)器下載到本地，再利用CAA加載圖片功能[8]將對應(yīng)模型的圖片顯示在界面中。

3.2 輪胎2D花紋的重構(gòu)及顯示

輪胎2D花紋的重構(gòu)及顯示步驟如下。

（1）創(chuàng)建幾何圖形集。首先利用編輯文檔類CATFrmEditor中 的GetCurrentEditor（）函 數(shù)返回當(dāng)前已激活編輯器，進(jìn)而通過GetDocument（）函數(shù)獲取當(dāng)前文檔，然后利用Part容器實現(xiàn)CATIMechanicalRootFactory接口，該接口主要用于創(chuàng)建幾何圖形集、有序幾何圖形集和幾何體，因此可利用該接口中的CreateGeometricalSet（）函數(shù)創(chuàng)建輪胎2D花紋幾何圖形集以便模型的管理。

（2）線框模型的重構(gòu)。利用該文檔容器CATIContainerOfDocument中的GetSpecContainer（）函數(shù)獲得規(guī)格容器，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為幾何工廠CATIGSMFactory接口，該接口模塊提供的函數(shù)可以實現(xiàn)絕大多數(shù)創(chuàng)建底層幾何對象的操作，如點、線、面、圓弧、多段線、球體、旋轉(zhuǎn)體、拉伸體和填充面等，因此可以先通過其提供的CreatePoint（）函數(shù)創(chuàng)建圓弧以及直線的起始點與終止點，然后利用CreateLine（）函數(shù)和CreateCircle（）函數(shù)創(chuàng)建直線與圓弧，當(dāng)利用for循環(huán)將所有的直線和圓弧都創(chuàng)建出來之后，即整個線框模型重構(gòu)完成。

（3）線框模型的顯示。通過CATIGSMProceduralView接口將創(chuàng)建的CATISpecObject類型的幾何特征對象添加到幾何集中，然后利用InsertInProceduralView（）函數(shù)將其顯示在窗體中。

3.3 參數(shù)輸出

為方便用戶察看與分析研究，本系統(tǒng)提供2種數(shù)據(jù)顯示方式。

（1）界面顯示。該方式主要通過選擇器列表類CATDlgSelectorList中的SetLine（）函數(shù)將需要輸出的數(shù)據(jù)顯示在多選框中，同時為了只顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，需要用ClearLine（）函數(shù)對之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行清空。

（2）文件導(dǎo)出。首先利用SetVisibility（）函數(shù)將選擇路徑窗體顯示出來，并利用GetSelection（）函數(shù)獲取用戶選擇的文件路徑，然后就可以利用fopen（）函數(shù)打開該文件，進(jìn)而利用fputs（）函數(shù)按指定的數(shù)據(jù)格式寫入文件中，最后利用fclose（）函數(shù)關(guān)閉文件。

4 應(yīng)用

當(dāng)用戶完成單節(jié)距花紋后，首先利用系統(tǒng)提供的交互界面輸入該輪胎花紋的基本信息，然后選擇模型樹中的2D花紋幾何圖形集即可，界面如圖2所示，系統(tǒng)會自動測量模型的幾何參數(shù)將其存入到數(shù)據(jù)庫中，并與其基本信息一一對應(yīng)。

圖2 選擇胎面2D花紋幾何圖形集界面

當(dāng)其他用戶設(shè)計輪胎花紋時即可利用服務(wù)器中已有的模型及其參數(shù)，具體方法為：先通過系統(tǒng)提供的檢索界面（如圖3所示）篩選出需要的輪胎花紋，然后系統(tǒng)會利用數(shù)據(jù)庫中的幾何參數(shù)將對應(yīng)的模型重構(gòu)出來，同時將其幾何參數(shù)顯示在界面中，如圖4所示。如果需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可將其幾何參數(shù)導(dǎo)出。

圖3 輪胎花紋基本信息檢索界面

圖4 胎面2D花紋模型及其對應(yīng)參數(shù)顯示界面

由此可見，通過本系統(tǒng)不僅大大提高了測量效率，而且可以實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的共享。

5 結(jié)語

針對輪胎2D花紋自動測量的關(guān)鍵技術(shù)提出相應(yīng)算法，該算法不僅可以用于輪胎花紋的測量，而且對于其他線框模型也有很好的適用性，同時自動測量所生成的基本參數(shù)信息可自動導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中并相互關(guān)聯(lián)。對于不同的輪胎可以通過檢索輪胎花紋的基本信息重構(gòu)出對應(yīng)的輪胎2D花紋（包括但不限于單節(jié)距花紋），從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與模型共享，并且開發(fā)出的系統(tǒng)能夠無縫嵌入到CATIA軟件中。