在线手绘物体立体草图的计算机解释机理与算法研究

在线手绘图的计算机解释按绘制目标不同分为平面草图（流程图、电路图等）识别和物体立体草图解释两类，目前国内外学者对前者进行了较为深入的研究，随着人们对数字化设计自动化要求的不断提高，将CAD技术延伸到设计全程变为亟待解决的问题，而在线手绘物体立体草图的计算机解释是解决该问题的根本瓶颈。针对上述问题，凭借项目组多年对在线手绘图识别和单幅线图3D重构理论的研究，本项目以在线手绘物体立体草图为研究对象，研究速度特征提取难题中绘制速度较均匀的特征提取理论及算法，引入数位板压力特征推导基于多重特征的笔划分割理论及算法；提出基于时空特性的同类型及不同类型线元间多笔划重复绘制的判定与聚类理论及算法；推导基于上下文关系的在线手绘曲面立体草图的端点融合方法，及基于3D重构的在线手绘平面物体立体线图规整方法，从而构建草图规整理论及算法；开发一套在线手绘物体立体草图的原型系统，对上述理论、算法进行验证及优化。

随着人们对数字化设计自动化要求的不断提高，将CAD技术延伸到设计全程变为亟待解决的问题，而在线手绘物体立体草图的计算机解释是解决该问题的根本瓶颈。针对上述问题，本项目借助多年对在线手绘图识别和单幅线图3D重构理论的研究。笔划分割是在线手绘图识别的核心和关键课题。本项目给出基于几何特征的笔划分割方法，该方法通过笔划的凸凹性将笔划进行分类，分别给出了相应的分割算法；针对现有速度特征提取方法的不足，将笔划分为常速和匀速两类，对于前者给出 “三线阈值分割法”，通过滤波-锐化处理将匀速笔划转化为常速笔划，并针对笔划特征的模糊性提出以点段形式表示匀速笔划的速度特征；针对上述两种分割方法的利弊，将获得的分割点进行映射处理得到基于混合特征的笔划分割，提出“分割-识别-再分割”的草图识别原则；将提出的速度特征提取方法与现有方法进行比较，通过实例对三种笔划分割方法进行比较分析,基于混合特征的笔划分割方法有效弥补了其余两种分割方法的不足，分割正确率较高。本项目以在线手绘物体立体草图为研究对象，研究速度特征提取难题中绘制速度较均匀的特征提取理论及算法，引入数位板压力特征推导了基于多重特征的笔划分割理论及算法。本项目给出了将在线多笔划重复绘制草图解释为二维线图的判定与聚类算法。首先，提出通过笔划逼近折线段的折点序列构造一个带圆弧过渡的等距边线围成的多边形区域作为笔划容差带的方法，然后提出利用两条笔划之中最小包络矩形面积较小的笔划的采样点落入另一条笔划的容差带的个数进行多笔划重复绘制的快速判定方法；其次，给出将草图分成若干个表达用户绘制意图的单一几何图元的子草图的聚类算法，根据子草图中笔划的单笔划识别结果，将子草图分为同类型子草图和混合类型子草图，并给出相应的子草图拟合方法。针对现有3D手绘投影图端点融合方法的不足，提出通过变系数容差带进行端点融合的方法。首先，利用容差半径计算变系数容差带，通过将二次曲线求交转化为直线段与二次曲线求交确定节点；其次，按线元为棱线还是转向轮廓线，依据聚类点类型和融合规则分别给出其端点融合方法；最后，结合完整线图和3D重建技术进行端点规整。通过算例对本文端点融合方法予以验证并与现有方法进行比较。实验结果证明本文方法能得到满意的3D手绘投影图规整效果。本项目开发了一套在线手绘物体立体草图的原型系统，该研究成果可拓展到离线图像的三维重构领域。