船舱局部规划中三维数据特征提取方法.pdf

第45卷第2 4期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,2023船舱局部规划中三维数据特征提取方法朱素杰12（1.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨150 0 0 0；2.河南科技职业大学，河南周口46 6 10 0）摘要：TRIBON是一种专业的船舶设计和建模软件，广泛应用于船舶设计和建造领域，基于TRIBON软件强度的数据库技术，可实现船舶的三维快速设计、强度校核、舱室规划等功能，提高船舶舱室设计的效率。本文研究船舱局部规划中的三维数据特征提取技术，从三维模型特征提取、模型投影视图特征提取等角度出发，结合三维软件的坐标系转换，研究基于TRIBON的船舱局部规划中的三维数据特征提取方法。关键词：船舱规划；TRIBON；仿真；坐标转换中图分类号：U611.58文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 0 9 3-0 4Research on 3D data feature extraction method in ship cabin local planning(1.Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150000,China;2.Henan Vocational University of Science and Technology,Zhoukou 466100,China)Abstract:TRIBON is a professional ship design and modeling software widely used in the field of ship design andconstruction.Based on the database technology of TRIBON software strength,it can achieve 3D rapid design,strength veri-fication,cabin planning and other functions of ships,improving the efficiency of ship cabin design.The research direction ofthis article is the 3D data feature extraction technology in ship cabin local planning.Starting from the perspectives of 3Dmodel feature extraction and model projection view feature extraction,combined with the coordinate system transformationof 3D software,a detailed study is conducted on the 3D data feature extraction method in ship cabin local planning based onTribon.Key words:cabin planning;TRIBON;simulation;coordinate transformation0引言船舱局部规划需要综合考虑船舶的使用功能、结构特点、航行环境、船员需求等多方面因素，以实现船舱内部空间的合理布局、舒适性和安全性。在实际设计中，还需要遵循相关的船舶设计规范和标准，确保船舱局部规划符合法规要求并能够满足实际的航行和使用需求。TRIBON软件叫在船舶设计方面有非常广泛的应用，软件功能包括：1）三维建模。TRIBON提供强大的三维建模功能，可以用于船舱内部结构、设备、管道等的建模和设计。收稿日期：2 0 2 3-0 9-18基金项目：河南省高校哲学社会科学研究项目（2 0 2 4-ZDJH-194）作者简介：朱素杰（19 8 7-），女，硕士，讲师，研究方向为图像识别。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.017ZHU Su-jil22）布局规划。船舱内部的布局设计可以通过TRIBON进行，包括设备的摆放、通道的设置、工作区域的规划等。3）系统集成。TRIBON支持船舱设计与船舶其他系统的集成，确保船舱与其他系统的协调和一致性。4）装配和拆卸。TRIBON可以模拟船舱内部设备的装配和拆卸过程，帮助设计人员优化船舱结构和设备布局。5）强度分析。TRIBON可以进行船舱结构的强度分析，评估船舱在不同工况下的受力情况，确保结构的安全性和稳定性。本文研究船舶三维模型的特征提取方法，分别从三维视图特征提取原理、坐标系转换等方面进行阐94述，结合TRIBON软件实现船舱的局部规划设计和特征提取。1三维模型特征提取及投影视图特征提取原理通常，三维模型的主平面是形状参考面，平面满足三维模型所有顶点到其距离和最小，定义为：(x,J,z)=Ni=1三维模型与参考平面H关系模型如图1所示。L4(32)舰船科学技术带有曲率的三维模型在投影时利用曲率作为信号函数，如下：K(t)=(t)-0(t-1),t=0,1,.n,(t)=arctan 式中，w为曲率点的间隔。NNXi，yi，NNi-11第45卷y(t)-y(t-w)x(t)-x(t-w)空间曲率模型的二维投影示意如图2 所示。图中，SZi为空间三维曲率点S在二维平面的投影。P(X,Yo,Z)P=Ax+By.+Cz.H图1三维模型与参考平面关系模型Fig.13D model and reference plane relation model图中，点(A,B,C)为模型质心的单位法向量，三维平面可表示为：Pc=Axj+Byz+Czz。模型的主平面H表示为：H*=min ZI-I2=ZEe*min分别对A、B、C 求导，可得：x(Ax+By+Cz)=0,(a.y,z)s2y(Ax+By+Cz2)=O,(x.y,z)s2z(Ax+By+Cz)=O。(x,z)s2投影视图特征提取基于Zernike矩阵，Zernike矩阵是一组正交矩阵2，在单位圆(2+y21)内是正交的，形式如下：Vnem(x,y)=Vnm(o,0)=Rnm(0)exp(jm0)。式中：为向量之间的夹角；p为原点到(x,y)的向量。Rnm(p)按下式计算：(n+1)Rnm(o)=(-1)5=0(n+ImlS(n-Iml22S图2 空间曲率模型的二维投影示意图Fig.2 Two-dimensional projection of space curvature model2三维模型特征提取过程的坐标系转换三维模型的特征提取过程需要进行多个坐标系的转换，本文建立了2 个二维坐标系和2 个空间三维坐标系来表示坐标系转换过程，如图3所示。(Ax+By+Cz)?。(x,x.y)s2(n-s)!uX图3三维模型的特征提取过程坐标系Fig.3 Three dimensional model feature extractionprocess coordinatesystem图中，坐标系分别为图像坐标系oo-uovo、像平面坐标系0 1-xy、空间坐标系Oc-XcYcZc和物理坐标系Ow-XwYwZwo1）图像坐标系三维模型的投影图像以MxN的二维矩阵形式保存下来，图像坐标系的单位为像素。2）像平面坐标系0 1-xy像平面坐标系可以表示像素点的物理位置，素点在图像坐标系和像平面坐标系的转换关系为：SV=+VOoYZ第45卷矩阵形式为：u1/dxV01/dyVo103）空间坐标系Oc-XYcZc空间坐标系以模型质心为坐标系原点Oc，平面坐标系原点与空间坐标系原点之间的距离为三维模型提取过程的焦距f。4）物理坐标系物理坐标系是实物船舶的基准坐标系，可以通过旋转和平移变换转换到空间坐标系下，物理点P(Xw,Yw,Zw)与空间点Pc(Xc,Yc,Zc)的转换关系为：XcXwYeRtYwZZw071式中：R为33旋转矩阵；t为平移矩阵；OT表示(0,0,0)T。3基于TRIBON软件的船舱局部规划三维特征提取3.1TRIBON数据库技术TRIBON软件提供了一个统一的数字模型平台，涵盖了船舶设计、结构分析、生产规划和船舶建造等方面的功能，提供了一站式的数字化解决方案。通过TRIBON软件，可以实现船舶设计与建造过程的数字化、智能化和集成化，提高船舶工程的效率和质量。TRIBON软件的船舶数据库原理如图4所示。三维/二维建模刚度TRIBON轴一提高设计效来梁图4TRIBON软件的船舶数据库原理Fig.4TRIBON software ship database schematicTRIBON软件的船舶数据库包括系统、装配件、管路、设备、盖板、梁、轴、刚度信息等，每类对象都按一定的方式进行组织，在进行二维和三维建模时，用户只需要按照关键字进行系统的模型提取和组合。在TRIBON系统数据库应用过程中，关键字的提取场景最常见，图5为TRIBON系统的数据提取关键字。朱素杰：船舱局部规划中三维数据特征提取方法0uo011一系统装配件管路设备盖板95TRIBON特征关键字XHULL组件组件组件组件组件组件7BlockPanelPalate图5TRIBON系统的数据提取关键字Fig.5 TRIBON system data extraction keywordsTRIBON系统的数据提取关键字分为两级，包括HULL组件、cable组件、comp组件、结构组件和设备组件4等。表1为TRIBON系统的部分程序关键字与对应的功能描述。表1部分程序关键字与对应的功能描述表Tab.1 Some program keywords and correspondingfunction description table程序关键字输出PANEL(*)TRAPANEL(*)SYMPANEL(*)OUTPANEL(*)PLATEPANEL(*)NHOLEPANEL(*)NCPANEL(*)NFLANGEPANEL(*)NBRACKPANEL(*)NPILLAR3.2基于TRIBON的船舱局部规划的三维数据提取在船舱局部规划过程中，结合TRIBON数据库和XML指令实现特征数据的提取，将船舶模型中的分段数、材料类别、结构形式等信息提取到内存中，基于TRIBON的三维数据特征提取的流程图如图6 所示。1）主平面特征提取利用程序关键字组合，可实现三维模型的主平面特征提取，返回值为4x4矩阵，形式为：1100000001087700mn1在三维空间中，用四维齐次坐标x,y,z,1表示三维点，三维几何变换表示为：p=x,y,z,1=p.T3D=a6CPdexyZhij1mnS结构CableHoleBracket11111CompVentNameAssembly说明返回主平面特征返回板材数量返回面板数量返回板定位返回孔数量返回控制器返回法兰数量返回轴数量返回支撑数量设备Pipe96主平面特征提取名称指定平面板架名称、模块执行模块XML文件数据输出结束图6 基于TRIBON的三维数据特征提取的流程图Fig.6 Flow chart of 3D data feature extraction based on TRIBON其中，T3D为变换矩阵。变换矩阵沿3个坐标轴旋转的基本形式为：10cosOsing0Tkx=0-singcosO000cos0-sing00100TKY=sin0cos O0000cosOsin00-sincosO0 0Tkz=002）布局特征提取TRIBON软件可以将设计结果以可视化的形式展示出来，包括染、动画等5，使设计师可以更直观地了解设计方案。基于TRIBON软件的可视化功能，可以实现船舱局部规划的布局特征提取。图7 为TRIBON软件提取的船舱局部规划布局图，图中可见舱室肋板、设备位置等详细规划信息。4结语为了提高船舶设计过程的舱室布局规划水平，本文船舱局部规划中的三维数据特征提取方法结合船舶设计软件TRIBON在数据库技术方面的优势，实现了舰船科学技术程序开始信息类型NYY信息获取类型NY执行分段模块000011010001第45卷分段信息提取分段名称指定图7 TRIBON软件提取的船舱局部规划布局图Fig.7 TRIBON local planning layout diagramof the cabin extracted by the software船舱局部设计三维模型的主平面特征提取、规划布局特征等功能。参考文献：1】宋欣悦.基于迁移学习的三维模型特征提取方法研究.电子技术与软件工程，2 0 2 0(13):16 5-16 7.SONG Xin-yue.Research on 3D model feature extraction basedon Transfer learningJ.Electronic Technology and SoftwareEngineering,2020(13):165-167.2刘洪豪，赵秀艳，张开兴，等.基于三维小波变换的农机CAD模型特征提取与评价方法.农业机械学报，2 0 18,49(S1):338-346+274.LIU Hong-hao,ZHAO Xiu-yan,ZHANG Kai-xing,et al.Fea-ture extraction and evaluation method of agricultural machineryCAD model based on 3D wavelet transformJ.Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery,2018,49(S1):338-346+274.3李海生,孙莉,武玉娟,等.非刚性三维模型检索特征提取技术研究.软件学报,2 0 18,2 9(2):48 3-50 5.LI Hai-sheng,SUN Li,WU Yu-juan,et al.Research on featureextraction for non-rigid 3D model retrievalJ.Journal of Soft-ware,2018,29(2):483-505.4】孙挺,耿国华.基于正视图的三维模型特征提取算法.计算机工程,2 0 10,36(4):10-11+16.SUN Ting,GENG Guo-hua.Feature extraction Algorithm of 3Dmodel based on front viewJ.Computer Engineering,2010,36(4):10-11+16.5刘晓宁，周明全，高原，等.基于点对分布的三维模型特征提取算法.计算机应用,2 0 0 6(1):10 9-111.LIU Xiao-ning,ZHOU Ming-quan,GAO Yuan,et al.Featureextraction algorithm of 3D model based on point pair distribu-tionJ.Journal of Computer Applications,2006(1):109-111.