基于智能特征的手绘组装建模的关键问题研究

Assembly-Based Modeling with Sketch (ABMS) means that a complex product model is assembled from model units with sketch or thumb inputs. By using this technique, users can easily create 3D model with highly detailed geometry, only caring about the assembly relations among model units. However, the relations among units created by state-of-the-art ABMS techniques are not precise, i.e. no design intents. Thus, this project proposes intelligent feature for engineering product which requires precise relations. Intelligent feature is an extension of semantic feature, having formalized knowledge of fact, procedure, and control. It can support the derivation mechanism for search and design intents well. For the reuse of an intelligent feature, feature retrieval with search intent technique is proposed to overcome the incomplete data of sketch input. For the problem of imprecise location among intelligent features, we plan to study a method to create intelligent feature graph based on design intent. An intelligent feature graph describes the mate- and method- relations among intelligent features, which can keep design intents in various design phases. Therefore, the ABMS based on intelligent feature will make a solid base for the intelligent design system research and have a broad application market.

手绘组装建模（ABMS）是指通过手写笔或手指输入数据，把模型单元按一定关系组装成复杂三维产品模型的技术。用户只需构思模型单元之间的关系，即可轻易创建具有高度几何细节的三维模型，然而，目前该技术所创建的模型单元之间的组合关系比较松散，难以体现准确的设计意图。因此，本项目提出基于智能特征的ABMS技术。智能特征是语义特征的扩展，拥有事实性、过程性和控制性等形式化知识，能很好地支持搜索意图和设计意图的推导。对于智能特征的重用，由于手绘输入数据的不完整性，提出基于搜索意图的特征检索技术，能动态检视相似特征；而针对特征实例间相对位置的不准确性，计划研究基于设计意图的智能特征图的创建方法。该图描述了智能特征间严谨的配合关系和行为间的关联关系，能够在设计的各个阶段保留设计意图，便于之后的定制设计等。因此，基于智能特征的ABMS技术将为智能设计系统的研究开发奠定基础，并具有广阔的市场应用前景。

为了解决手绘数据和工程产品建模之间准确性的矛盾，本项目提出基于智能特征的手绘组装工程产品建模技术。首先，根据系统对零件的功能要求把零件对象表示为三层数据结构，即语义层、几何层和功能层。其次，首次把参数化零件表示为一系列视角拓扑图，即模型在视角投影下的特征点及其邻接关系；因此，使手绘检索参数化模型成为可能，并从手绘信息提取参数值和引导零件的摆放。然后，通过频繁项集挖掘技术从特定领域内的大量产品模型中挖掘装配特征和装配关系，创建领域先验知识库。最后，根据新加入零件的装配特征和空间位置及场景零件的装配特征信息，基于图匹配技术搜索出最佳的装配关系，再通过约束解算建立起零件对象之间满足工程要求的约束。本项目基于形状语法创建了一个小型的参数化零件库，内含有20000张手绘草图，50类参数化零件模板，适当扩展可形成测试手绘检索参数化零件的标准数据集。本项目工作打开了参数化零件检索技术的大门，标准测试数据集有利于该技术的进一步发展。若把现有sketch-to-part准确率最高的算法应用到此数据集，准确率只有12.53%，而我们的检索方法的准确率有82.0%，平均检索时间小于15ms，基本满足实际使用要求。另外，本项目总结出了一套具有自主知识产权的三维几何建模内核，并以此搭建出了手绘组装建模的原型系统；且把该内核成功应用到智能制造示范项目中。发表相关学术论文4篇，期中SCI论文2篇，领域内顶级会议1篇，EI论文1篇，另有已投稿待发表SCI论文3篇。培养相关硕士硕士生5名，其中已毕业2名，在读3名。本项目的学术成果将为智能设计系统的研究开发奠定基础，具有广阔的市场应用前景。