基于设计草图的产品三维模型检索研究

摘要

随着信息技术和网络技术的不断发展，特别是CAD技术的飞速发展和广泛应用，工业产品的设计行为和设计方式正在悄悄地发生着变化，有效利用存在于网络上的海量工业产品模型资源，缩短设计周期、提高设计效率是现代工业设计的必由之路。
　　 不管设计的行为与方式发生怎样的变化，设计师的创意设计和概念设计的表达方式永远也不会发生根本性的改变。如果将传统的概念设计表达方式——草图和存在于网络数据库中的海量模型联系起来，实现基于草图的产品模型检索，则既可以充分发挥设计师的创造性思维，又可以基于已有的设计进一步触发设计灵感，完善设计方案、结构设计、零部件设计等，这必将成为未来工业产品设计的新思路、新模式。而目前已有的研究和应用距离这样的目标还有很多理论问题、技术问题需要去攻克。
　　 本文正是在这样的研究背景和应用目标下系统提出了自己的研究思路，在设计草图解读与信息提取、产品三维模型预处理、产品三维模型特征提取、相似性比较等方面开展了全面、系统、深入的研究:
　　 1)通过对设计草图的研究，揭示了设计草图内涵、规律，获得了草图信息提取基本方法。对传统手绘草图的内涵、绘制方法、过程和草图特性进行分析，获得手绘草图的规律;针对设计草图中的笔触进行研究，用整体最优的渐进笔触拟合方法对笔触进行处理;提出间隙误差、冗余误差、多交点误差的概念，提出了相应的算法进行校正，获取设计草图的图形信息和拓扑关系;通过对设计草图透视规律的分析，提出了设计草图透视信息提取的方法，提取了设计草图中的透视信息。
　　 2)提出了三维模型姿态校正的新方法。基于投影变换理论，提出极限投影面积方法对三维空间中产品三维模型的任意姿态进行姿态校正，即将模型绕过模型重心的基向量不断旋转，采集每次坐标面投影面积，在多次迭代后得到极限面积投影，依此确定坐标系方向，实现产品三维模型坐标标准化。
　　 3)获得了产品三维模型特征信息提取的方法。提出了基于二面角统计规律自适应确定阈值提取特征线，根据产品三维模型的复杂度和形状特点自适应地确定合理的阈值，较好地解决了阈值的选取问题，并基于视点提取产品三维模型轮廓线;提出了基于视点的单位矢量球法进行遮挡计算，提高了特征提取的效率。
　　 4)在草图信息提取和产品模型特征信息提取基础上，研究产品三维模型检索的检索因子、特征描述子的构建方法和相似性比较算法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 未来设计的变革

1．1．1 什么是设计

1．1．2 创新性与形象思维

1．1．3 工业设计的变革和趋势

1．2 基于设计草图的工业产品模型检索

1．2．1 研究背景及意义

1．2．2 研究内容

1．2．3 研究思路和方法

1．2．4 论文的组织

第2章 三维模型检索的研究现状

2．1 引言

2．2 三维模型检索概述

2．3 三维模型预处理技术

2．3．1 关于三维模型的数据格式问题

2．3．2 姿态校正

2．3．3 坐标标准化方法

2．3．4 总结与分析

2．4 查询方式

2．5 特征提取技术

2．5．1 基于统计特征的特征提取

2．5．2 基于拓扑结构的特征提取

2．5．3 基于函数变换的特征提取技术

2．5．4 基于视觉特征的特征提取技术

2．5．5 总结与分析

2．6 本章小结

第3章 产品设计数字化手绘草图解读与信息提取

3．1 引言

3．2 设计草图

3．2．1 设计手绘草图

3．2．2 设计手绘过程

3．2．3 设计手绘草图的图形元素分析

3．2．4 设计手绘草图的构图分析

3．3 产品设计数字化手绘草图

3．3．1 设计草图的概念

3．3．2 本研究中设计草图的界定

3．4 设计草图的笔触

3．4．1 单笔触的特征

3．4．2 在线笔触的数据结构

3．4．3 单笔触的提取

3．5 笔触的实时拟合

3．5．1 基于最小二乘法对笔触进行三次Bézier曲线

3．5．2 基于整体最优的渐进笔触拟合

3．6 笔触交点误差校正及拓扑关系建立

3．6．1 间隙误差和冗余误差校正

3．6．2 多交点误差校正

3．6．3 草图拓扑关系建立

3．7 基于设计草图的透视信息提取

3．7．1 透视图种类

3．7．2 影响透视图的因素

3．7．3 基于主向斜率分布的透视骨架提取

3．7．4 利用透视骨架计算透视信息

3．7．5 相机定标

3．8 实验

3．8．1 实验设计

3．8．2 实验结果分析

3．9 本章小结

第4章 产品三维模型的预处理

4．1 引言

4．2 产品三维模型

4．2．1 模型文件格式

4．3 基于极限投影旋转变换的产品三维模型坐标标准化

4．3．1 有关模型标准化

4．3．2 三维模型极限投影面积变换

4．3．3 利用旋转变换理论进行三维网格模型坐标标准化

4．4 本章小结

第5章 产品三维模型的几何特征信息提取

5．1 引言

5．2 特征线提取生成几何特征

5．2．1 概述

5．2．2 基于二面角统计规律确定阈值提取特征线

5．2．3 基于二面角统计规律自适应确定阈值提取特征线

5．3 基于视点生成轮廓线

5．4 单位矢量球法求解面的隐藏

5．4．1 概述

5．4．2 单位矢量球法

5．4．3 算法优化

5．5 本章小结

第6章 产品三维模型的相似性比较

6．1 引言

6．2 检索因子的构建

6．2．1 图形信息

6．2．2 透视信息

6．2．3 检索因子构建

6．3 特征描述子生成

6．3．1 关于透视信息

6．3．2 图形信息

6．3．3 特征描述子的构建

6．4 相似性比较

6．4．1 拓扑结构相似性比较

6．4．2 图形元素相似性比较

6．4．3 整体相似性

6．5 实验系统

6．5．1 实验设计

6．5．2 实验步骤及结果分析

6．6 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 总结

7．2 后续工作展望

致谢

攻读博士学位期间参加的科研项目和完成的论文

参考文献