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面向产品概念设计的智能草图研究

宋保华  
【摘要】: 计算机支持的草图设计技术在手绘创意草图和计算机辅助详细设计之间架起一道桥梁,是对传统CAD技术的完善和重要发展,也是计算机辅助工业设计(CAID)的关键技术,它真正实现了计算机技术对设计全过程的支持。本文主要面向产品概念设计阶段,就计算机支持的智能草图理论与方法展开深入系统研究。它主要包括草图理论基础与技术方法体系的构建,以及笔式草图表达与交互界面,草图智能识别,基于草图的产品几何建模等几个方面,最终实现一个具有广泛应用前景的草图工具原型软件系统ISID。本文主要研究内容和成果概述如下: (1)草图研究与智能草图技术方法体系 研究总结出草图绘制习惯、行为特征,以及草图绘制活动与设计活动、思维活动之间的内在关系,确定了计算机环境下的草图绘制模式,为计算机支持的智能草图设计提供了必要的理论基础。给出了实现计算机环境下的智能草图的基本原理,它包括五个方面的关键技术,共同构建出一个完整的智能草图技术体系框架。 (2)笔式草图交互界面 包括笔式草图绘制技术和单笔划手势界面技术。笔式草图绘制技术,采取笔划(Stroke)的输入模式,通过一个笔划类实现,一支输入笔即可完成各种草图绘制任务。将基于笔划的手势交互技术引入到草图技术,由简单的手势笔划替代产品草图绘制过程中各种烦琐复杂的交互操作命令。手势交互界面主要包括笔划识别技术,手势笔划集设计和手势交互界面实现技术。采用网格编码的手势识别方法,对匹配算法做了改进,使得手势笔划识别起来简单易行,并初步设计一套手势集。 (3)笔式草图的智能识别 作为草图技术的核心,采取了分步逐层的草图识别方法,包括从笔划的在线识别,到几何层次上的草图规整,到语义层次上的草图理解,逐步解决草图的模糊性和不确定性。 笔划的在线识别主要是将原始笔划转换为规则的基本几何线元,即直线条,圆弧,和样条曲线。对不同类型的线条应用不同的识别方法,特别是将改进的Freeman链码应用到复合线条的分割。草图规整通过一个带有黑板结构的知识库系统来实现,它主要包括线元空间关系分析和约束施加两部分。通过分析总结草图线元关系即草图文法,构建了草图文法知识规则库,在此基础上通过获取草图上下文内容来推理捕捉设计师的意图,确定线条之间可能的几何关系,施加相应约束,使凌乱的线元得到规整。面向具体领域的草图理解仍然通过一个知识库系统来实现。构建了产品领域知识库,包括产品元素模式规则 库、产品元素几何特征库和产品模板映射器,定义了产品元素模式类和几何特 征类,通过一会模式匹配机制和约束施加机制,实现对草图元素设计层的解释 和规整。 (4)基于草图的几何建模 基于草图的几何建模技术包括二维草图和三维模型的集成,基于笔输入方 式的三维建模;以及基于模板的集成建模等技术,它们被应用在具体的造型技 术中,如用户向定义的雕刻造型技术,切分技术和锥面造型技术。另外还提出 基于草图理解的几何建模方式,针对具体产品领域,与前面草图理解结合,提 出具有三层结构组成的领域知识模板,并通过一套参数化驱动机制和特征关联 机制,推理先成二维草图到三维模型的快速构建。 (5)草图l二具原型系统ISID 基于面向对象的思想方法开发实现的原型草图工具软件系统ISID,是有 关智能草图技术的应用和验证。给出了草图工具的体系结构和基本数据模型, 并介绍了它具山的一些基本功能,以及强大的建模功能,它可以迅速完成从草 图绘制到实体概念模型构建,并能和一般CAD系统实现数据交换。最后给出了 应用I引])完成的一些二维草图和概念产品模型实例,并与一些商品化软件做 了对比分析,探讨了该草图工具及其用到的智能草图技术将来的丁程应用前 景。 创新点主要包括: 1.构建了一个计算机环境下的智能草图理论方法与技术体系; 2。将笔界面特别是单笔划手势界面应用到草图设计工具中,改进了匹配 识别算法;并初步设计一套面向草图设计工具的手势集; 3.实现一个分步逐层的草图智能识别技术方案和相应算法,包括笔划在 线识别技术,基于上下文的草图规整技术(几何层)和基于领域知识 的草图理解技术(语义层),有效解决了草图的模糊性和不确定性; (.基十草图的快速儿们建模技术,以及基于草图理解的产品建模技术 坐 YJ D


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