建筑安裝工程圖紙對象自動識別方法的研究*

林銘德，戴一璟，劉 莞

（1.福建工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系,福建 福州350108；2.福建工程學(xué)院 工程管理系,福建 福州 350108；3.福建工程學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心,福建 福州350108）

工程造價(jià)貫穿于整個工程投資前后的工作，如何有效地控制成本，在工程投資中起著決定性的作用。當(dāng)前我國計(jì)價(jià)軟件工程量自動計(jì)算主要分為：(1)二維算量軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將各類構(gòu)件繪制到計(jì)算機(jī)中，輸入構(gòu)件屬性，軟件根據(jù)規(guī)則自動計(jì)算各構(gòu)件實(shí)體的工程量進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)；(2)三維算量軟件，將建筑物的立體構(gòu)造在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出來；(3)四維算量軟件，在三維算量軟件的基礎(chǔ)上增加一個時間軸，隨時間的推移模型空間出現(xiàn)變化。但是由于這些軟件操作復(fù)雜，工程計(jì)價(jià)人員掌握需要耗費(fèi)大量的時間和精力，而且數(shù)據(jù)輸入工作量大，對用戶的軟件應(yīng)用水平要求高。設(shè)計(jì)人員有時繪制出來的設(shè)計(jì)圖缺乏制圖規(guī)范，也易導(dǎo)致識別困難。

1 DXF文件格式

1.1 DXF文件格式說明

DXF是Autodesk公司開發(fā)的用于AutoCAD與其他軟件之間進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式，是一種基于矢量的 ASCII文本格式[1]。DXF文件的結(jié)構(gòu)如表1所示。

1.2 DXF實(shí)體段及分析處理

實(shí)體段記錄了每個幾何元素的名稱、所在圖層名、線型名及有關(guān)的幾何數(shù)據(jù)，其中實(shí)體類型有直線（LINE）、圓（CIRCLE）、文本（TEXT）等幾十種。 圖元實(shí)體信息存放著相應(yīng)圖元實(shí)體所必須含有的各種信息。因此，通過DXF文件實(shí)體段的數(shù)據(jù)分析，可以得到所需要的對應(yīng)圖元實(shí)體。在讀取DXF文件時應(yīng)考慮：(1)由于某一實(shí)體的定義數(shù)據(jù)順序不固定。在編寫DXF文件處理程序時應(yīng)該按組碼的出現(xiàn)來記錄數(shù)據(jù)。(2)必須全面考慮圖元信息的各種可能結(jié)構(gòu),避免出現(xiàn)圖形讀不出來或者缺少的現(xiàn)象發(fā)生。(3)讀出來的圖形出現(xiàn)多線或與原圖不符的情況，主要是讀取中把其他的類讀入到自己的類造成的。(4)讀出來的圖形邊界不完整,主要是在編程中沒有考慮數(shù)據(jù)范圍，導(dǎo)致只能讀取部分圖形。因此要使圖形讀入完整，采用導(dǎo)出前光滑后炸開，圖形都變成小塊后，降低讀入錯誤。建立電氣構(gòu)件的圖元信息規(guī)則，如某線圖元信息表明其長度超過電氣構(gòu)件的最大長度或小于某個閾值，則舍棄該線圖元信息，其處理流程如圖1所示。

表1 DXF文件結(jié)構(gòu)

2 電氣構(gòu)件形狀特征計(jì)算

2.1 不變矩

形狀不變矩是基于區(qū)域的物體形狀表示方法?；趨^(qū)域形狀的中心矩和歸一化中心矩原理，Hu提出了一系列具有旋轉(zhuǎn)、縮放和平移無關(guān)的7個矩特征用于表征圖像的形狀[2-5]。

設(shè)一幅M×N的圖像用二維離散函數(shù)f(x,y)表示，其p+q階矩的定義為:

相應(yīng)的（p+q）階中心矩為：

對于二維圖像，x0,y0表示圖像灰度在水平和垂直方向上的灰度重心。若一般矩已知，則中心矩可按式(3)計(jì)算得到，中心矩具有平移不變性。

由于μ00=m00為區(qū)域面積，利用零階中心矩對其余各階中心矩進(jìn)行歸一化得到歸一化的中心矩:

再利用2階和3階歸一化中心矩導(dǎo)出7個具有平移、尺寸、旋轉(zhuǎn)不變矩組：

某些圖像在計(jì)算不變矩時可能會出現(xiàn)極小值和負(fù)值或矩值之間差距較小的現(xiàn)象，對相似度距離計(jì)算有很大影響。為了避免這種情況，本文通過取對數(shù)加絕對值的方法修正矩值：

2.2 矩特征RTS不變性

從矩的物理意義上分析[6,7]，圖像的灰度分布函數(shù)可以看成是圖像的密度函數(shù)。由3階以下的矩構(gòu)成的7個矩特征具有旋轉(zhuǎn)、平移不變性。當(dāng)密度函數(shù)發(fā)生變化時，圖像的實(shí)質(zhì)沒有發(fā)生變化,此時改變的只是各階矩的值，計(jì)算得到的各階矩仍具有旋轉(zhuǎn)、平移不變性。在工程圖繪制中，電氣構(gòu)件的位置往往需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?；诿婢鼗叶炔蛔兙靥卣鞯挠?jì)算包含了圖像較多的信息，因此得到的圖像特征具有較強(qiáng)的魯棒性。本文對三極暗插座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放如圖2所示，計(jì)算得到不變矩特征值如表2所示。

表2 三極暗插座灰度圖像RTS不變矩特征

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真流程設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)仿真在MATLAB R2007a上實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)仿真步驟如下：

(1)讀入CAD工程圖，轉(zhuǎn)換為 DXF文件，根據(jù)規(guī)則刪除冗余信息；

(2)將DXF文件轉(zhuǎn)換成圖像文件；

(3)圖像分割，計(jì)算分割后每個區(qū)域的不變矩；

(4)計(jì)算各區(qū)域不變矩與電氣構(gòu)件不變矩距離，分類統(tǒng)計(jì)電氣構(gòu)件。

3.2 DXF文件冗余圖形信息刪除實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

讀取原始建筑安裝工程圖紙并轉(zhuǎn)換為DXF文件，然后導(dǎo)出為圖像，結(jié)果如圖3所示。對DXF文件實(shí)體段圖元信息分析，刪除與電氣構(gòu)件無關(guān)的冗余圖元信息，再導(dǎo)出為圖像則可獲得如圖4所示的分割的電氣構(gòu)件區(qū)域圖像。

通過對圖3、圖4對比可作如下分析：(1)圖3中的墻體、樓梯、文字標(biāo)注、門等與電氣構(gòu)件無關(guān)的圖形元素在圖4中已經(jīng)完全被刪除了，圖4只保留電氣構(gòu)件相關(guān)圖形信息，如配電箱、插座等。(2)圖4中的電氣構(gòu)件圖形保留在原來圖紙中的位置信息。(3)保留了各電氣構(gòu)件圖形之間的拓?fù)潢P(guān)系，有利于將來進(jìn)一步處理。

3.3 圖像分割及目標(biāo)表達(dá)

對DXF文件導(dǎo)出的圖像文件進(jìn)行圖像分割，顏色空間由RGB轉(zhuǎn)為灰度，則圖像背景的白色與有意義的電氣構(gòu)件的灰度分割閾值θ很容易確定。通過像素8連通標(biāo)記確定不同電氣構(gòu)件區(qū)域，滿足分割區(qū)域互不交叉及特定區(qū)域的一致性[8]。

特殊情況考慮：如電話出線座，由“H”和外包圓構(gòu)成，在8連通計(jì)算下會被識別成兩個區(qū)域，一個為外包圓，另一個是“H”，這時應(yīng)采用像素位置包含的方法將這兩個區(qū)域合并成一個區(qū)域，這樣就可以將圖4分割成多個單獨(dú)的電氣構(gòu)件區(qū)域并進(jìn)行編號，然后再進(jìn)行不變矩的計(jì)算和圖像識別。

3.4 電氣構(gòu)件特征識別

3.4.1 部分安裝工程圖標(biāo)準(zhǔn)電氣構(gòu)件圖不變矩

本文對構(gòu)成建筑安裝工程圖的電氣構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行不變矩計(jì)算，部分電氣構(gòu)件的不變矩特征值如表3所示。表3中的電氣構(gòu)件來自工程圖紙圖例說明中標(biāo)準(zhǔn)電氣構(gòu)件圖例。

表3 電氣構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)圖不變矩特征表（保留4位小數(shù)點(diǎn)有效位）

3.4.2 相似度距離計(jì)算

(1)特征值歸一和歐氏距離

同一特征的不同分量可能具有完全不同的物理意義，各自變化的幅度也可能存在較大的差異，如果不進(jìn)行歸一化操作直接進(jìn)行相似度計(jì)算就可能引起較大偏差。通過計(jì)算每一個電氣構(gòu)件特征值向量的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差 σ，進(jìn)行特征歸一化，數(shù)值落在[-1，1]區(qū)間的概率為99%[9]，將超出-1或1的數(shù)值賦值為-1或1。然后根據(jù)歐氏距離公式計(jì)算兩個電氣構(gòu)件不變矩特征值的距離。

(2)電氣構(gòu)件距離計(jì)算歸類結(jié)果示例

如圖4經(jīng)分割后的電氣構(gòu)件區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域圖像不變矩為 t(7.105 6，16.093 4，25.589 5，25.229 2，50.388 0，33.305 6，51.017 1),計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)電氣構(gòu)件圖像的不變矩特征值的歐氏距離得到與三極暗插座圖的距離d=0.951 7；與白熾燈圖的距離 d=0.875 8；與電視出線板圖的距離d=0.742 1;與單位單極開關(guān)圖的距離d=0.795 0；與兩位單極開關(guān)圖的距離d=0.808 8；與兩極加三極暗插座圖的距離d=0.771 2；與單管日光燈圖的距離d=0.702 9，與其他電氣構(gòu)件的歐氏距離均小于0.951 7。因此判斷該區(qū)域圖像為三極暗插座，實(shí)驗(yàn)顯示該區(qū)域圖像為其他分割區(qū)域圖像驗(yàn)算的結(jié)果也是準(zhǔn)確的，由此可證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

(1)原始的安裝工程圖像包含墻體、樓梯、門窗、標(biāo)注等多種構(gòu)件圖元，電氣構(gòu)件區(qū)域不易分割。本文通過讀取安裝工程圖的DXF文件，根據(jù)自定義規(guī)則刪除與電氣構(gòu)件無關(guān)的墻體、門窗等圖元信息，能較好地得到獨(dú)立的電氣構(gòu)件區(qū)域，如圖4所示。

(2)對分割區(qū)域進(jìn)行修正的不變矩特征計(jì)算，并將特征值歸一處理，再與所有的標(biāo)準(zhǔn)電氣構(gòu)件特征值計(jì)算相似度距離。根據(jù)相似度距離大小可判斷該區(qū)域圖像屬于哪一類電氣構(gòu)件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法準(zhǔn)確無誤。

(3)本文示例獲得的分割區(qū)域的圖像存儲空間為1.25 KB、尺寸為 43×67像素，由此得到特征值；采用標(biāo)準(zhǔn)電氣構(gòu)件圖像存儲空間為37.8 KB、尺寸為238×343像素，計(jì)算得到修正不變矩特征與本文方法得到的特征值差距很小，其他區(qū)域圖像大小尺寸也相類似。顯然本方法使計(jì)算成本得到有效控制。實(shí)驗(yàn)證明本文的方法能準(zhǔn)確、有效地識別安裝工程圖紙中的不同電氣構(gòu)件。

建筑工程圖紙自動識別綜合了建筑、計(jì)算機(jī)圖形圖像、人工智能等多學(xué)科內(nèi)容，是建筑行業(yè)信息化一個重要的發(fā)展方向。本文通過分析DXF文件實(shí)體段圖元實(shí)體信息的構(gòu)成及表示，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的建立刪除冗余信息規(guī)則，設(shè)計(jì)了一個計(jì)算機(jī)自動識別系統(tǒng)，對圖像中的電氣構(gòu)件區(qū)域進(jìn)行分割、識別、分類統(tǒng)計(jì)，目的是利用計(jì)算機(jī)自動為工程計(jì)價(jià)相關(guān)軟件提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。實(shí)驗(yàn)仿真表明該方法快速、有效。

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