基于“筆”輸入模式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

訾乃全

北京航天自動控制研究所，北京100854

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的早期階段，是設(shè)計(jì)人員靈感的“盛產(chǎn)期”。工程人員頭腦中的想法是即時(shí)而過的，需要把它快速記錄下來，本文針對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)草圖快速設(shè)計(jì)需求，巧妙利用多功能筆的交互能力，在航天工程草圖設(shè)計(jì)過程中融合手勢輸入和筆劃輸入，提供了一個(gè)一體化的輸入、編輯環(huán)境，提出“筆”輸入模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。文中從總體方案設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)、識別流程、核心軟件識別匹配算法等方面對基于“筆”輸入模式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行深入詳細(xì)的介紹。

1 基于“筆”輸入模式的航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案

開發(fā)基于“筆”輸入的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為底層硬件環(huán)境及其配套軟件，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體總體方案:開發(fā)設(shè)計(jì)出融合位置、壓力、方向等功能敏感器的多功能設(shè)計(jì)光筆，配套對應(yīng)的硬件系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序，硬件工作平臺PC 機(jī)安裝配套軟件，通過光筆和輸入板輸入草圖信息后經(jīng)過分離器預(yù)處理，筆劃、手勢、擴(kuò)展手勢識別，再進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)庫匹配，完成輸入信息的整套處理過程，最后利用系統(tǒng)反饋模塊顯示草圖，并通過人回路進(jìn)行判斷和后續(xù)處理，完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入和草圖生成的工作流程。其中基于“筆”輸入的設(shè)計(jì)總體方案如圖1 所示。

圖1 基于“筆”輸入模式的航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架圖

其中系統(tǒng)硬件主要包括:具有高精度定位功能，融合筆壓、筆劃順序等傳感器的光筆;高精度分離液晶顯示屏;一體化輸入板等硬件開發(fā)平臺。開發(fā)此種硬件環(huán)境是開創(chuàng)性的工作。其中核心硬件多功能光筆產(chǎn)品模型如圖2 所示。

2 基于“筆”輸入模式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于“筆”輸入模式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件總體框架

圖2 “筆”輸入模式的多功能光筆產(chǎn)品模型圖

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖快速設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)“筆”輸入軟件結(jié)構(gòu)時(shí)，為了整個(gè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，功能明確，便于維護(hù)，該軟件系統(tǒng)從層次結(jié)構(gòu)來組建模塊劃分。層次結(jié)構(gòu)的作用在于能把各層的軟件功能單元分隔開，每一層向其上一層提供調(diào)用服務(wù)，并調(diào)用其下一層的服務(wù)，而與其他的層保持獨(dú)立。本系統(tǒng)共分為5 層:硬件層、輸入層、識別層、應(yīng)用層和表示層。相應(yīng)的，對數(shù)據(jù)的處理過程也是自下而上，數(shù)據(jù)是逐層向上路由的。各層的作用如下:

1)硬件層:由“筆”輸入驅(qū)動模塊組成。向上層提供與硬件無關(guān)的筆輸入數(shù)據(jù);

2)輸入層:由“筆”輸入平臺模塊組成。該層包裝從硬件層獲取的輸入數(shù)據(jù)，并把它路由到上一層進(jìn)行處理;

3)識別層:包含數(shù)據(jù)分離器模塊、手勢識別器、擴(kuò)展手勢識別器、“筆劃”識別器4個(gè)模塊。該層對路由來的數(shù)據(jù)分成手勢和筆劃，并分別進(jìn)行相應(yīng)的處理。識別層處理后的數(shù)據(jù)變成幾何圖元或手勢ID;

4)應(yīng)用層:該層對應(yīng)于具體的應(yīng)用，因此它是應(yīng)用相關(guān)的。該層根據(jù)當(dāng)前裝載的模板庫來進(jìn)行語義解釋，把手勢ID 映射到具體的命令，把單獨(dú)的幾何元素組合成更有意義的圖形;

5)表示層:表示層向用戶輸出有關(guān)的信息。把操作命令的結(jié)果及“筆劃”識別的結(jié)果以一種直觀自然的方式呈現(xiàn)給用戶。

根據(jù)“筆”模式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的物理層和功能層，軟件系統(tǒng)整體框架見圖3 中深色部分。

2.2 基于“筆”輸入模式的軟件工作流程

基于前述思想研制了“筆”輸入模式原型系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)“筆”模式結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)，從預(yù)處理、分段、識別、約束調(diào)整、匹配，直到三維形體的構(gòu)建，對原型系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行剖析。原始“筆”輸入數(shù)據(jù)的處理流程如圖4 所示。

圖3 “筆”輸入快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件詳細(xì)框架

圖4 “筆”輸入數(shù)據(jù)的處理流程圖

“筆”模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)時(shí)，核心點(diǎn)在于系統(tǒng)軟硬件必須具備保持高度的“即時(shí)反饋交互”機(jī)制，為了達(dá)到高效反應(yīng)特性，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)環(huán)境具備多線程支持能力。其中，系統(tǒng)中共使用了2個(gè)線程，一個(gè)是主線程，該線程在整個(gè)交互過程中是始終存在的。另一個(gè)線程是輔助線程，輔助線程不是靜態(tài)的，而是由主線程在需要的時(shí)候動態(tài)創(chuàng)建。通過使用多線程，用戶的輸入過程不會被識別過程中斷，較好地解決了即時(shí)反饋的問題。其中多線程反饋交互流程如圖5 所示。

2.3 基于“筆”輸入模式的數(shù)據(jù)處理核心算法

“筆”輸入的圖形類型包括直線、曲線、復(fù)合體等，主要涉及“筆”輸入圓、圓弧、橢圓等特殊圖形的識別方法，為基于“筆”輸入模式的數(shù)據(jù)處理核心算法。從“筆”模式輸入數(shù)據(jù)后，經(jīng)過“筆劃“的整序、斷點(diǎn)重連和真實(shí)交點(diǎn)3種原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并且對其進(jìn)行必要的主動分段劃分，有利于后期識別算法的擬合計(jì)算。這里重點(diǎn)闡述輸入的二次曲線的識別算法。

圖5 基于“筆”輸入模式的多線程反饋交互流程

二次曲線包括圓、圓弧、橢圓、橢圓弧等曲線類型，并且可以用一個(gè)統(tǒng)一的方程式來描述，因此對它們的識別采用同一種方法。以下把它們統(tǒng)稱為橢圓類曲線。對于二次曲線，常用的擬合方法是最小二乘法。橢圓類曲線的最小二乘擬合方法以下面的標(biāo)準(zhǔn)方程表示。

設(shè)有n個(gè)輸入點(diǎn)P1，P2，…，Pn，任一點(diǎn)Pi 的坐標(biāo)為(xi，yi)，則f(xi，yi)表示點(diǎn)Pi 相對于該橢圓的偏差。

根據(jù)最小二乘法的原理，擬合的誤差表示為:

對式(2)求偏導(dǎo)數(shù)，確定方程(4)的Esum 極值，聯(lián)立方程組如下:

把式(3)展開為關(guān)于a，b，c，d 的線性方程組:

利用高斯消去法，求解上述方程組，并對求得的解進(jìn)行合法性檢測，以確定該解是否有意義。

2.4 基于“筆”輸入的圖形識別誤差分析

式(2)中的Esum 反應(yīng)了擬合的誤差大小，但是與數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)有關(guān)。為了消除數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)的影響，引入σ 來度量擬合的誤差:

如果σ 過大，則意味著盡管我們從這些數(shù)據(jù)點(diǎn)中擬合出一條橢圓曲線，但是這條曲線與實(shí)際的數(shù)據(jù)點(diǎn)相差很大。這種擬合是不準(zhǔn)確的，我們可能需要把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成另外一種曲線。其中可接受的最大的σ 值為σmax，如果σ ＞σmax，則擬合不成功。σmax不是一個(gè)固定值，它與擬合出的橢圓的大小有關(guān)系。

3 基于“筆”輸入的三維航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)草圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)算例

在結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)中，一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)為三維產(chǎn)品草圖設(shè)計(jì)。本文給出了基于特征的三維草圖快速設(shè)計(jì)算例，包括基本實(shí)體和合成支架2個(gè)設(shè)計(jì)算例。這種基于特征的設(shè)計(jì)方法，符合人們的思維習(xí)慣。當(dāng)設(shè)計(jì)完成之后，特征模型也就建立了，這個(gè)模型可為后續(xù)的制造過程所用。

通過“筆”模式設(shè)輸入，在基于高精度定位功能光筆、高精度分離液晶顯示屏、一體化輸入板的硬件開發(fā)平臺上，開展了產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

基于特征的三維草圖的設(shè)計(jì)流程如下:

1)首先，勾畫二維手繪圖形，進(jìn)行識別和約束調(diào)整后，得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正確的整潔的二維幾何圖形;

圖6 三維設(shè)計(jì)范例：基本的實(shí)體

圖7 三維設(shè)計(jì)范例：合成支座

2)其次，從平面的二維圖形中提取三維信息，建立三維草圖，使設(shè)計(jì)過程變得快速和有效。一旦一個(gè)特征被識別出來，用戶就不再需要輸入完整的模型數(shù)據(jù)。如一個(gè)橢圓加一條拉伸邊是圓柱體的特征，一旦該特征被識別出來，用戶就不用繼續(xù)輸入該圓柱體投影圖的其他邊。用戶可以任意的按照自己的習(xí)慣輸入各條邊，系統(tǒng)在后臺自動地檢查三維特征，一旦檢測到就建立該實(shí)體。

4 結(jié)束語

工程草圖設(shè)計(jì)是一項(xiàng)帶有創(chuàng)造性的工作，自由勾畫是原始靈感設(shè)計(jì)“胚胎”方式。本文設(shè)計(jì)的基于“筆”模式的快速航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，使得產(chǎn)品草圖設(shè)計(jì)在其理論、方法以及實(shí)現(xiàn)手段上都必須進(jìn)行重新認(rèn)識和創(chuàng)新。其中直接交互技術(shù)是未來的發(fā)展方向，充分利用直接交互技術(shù)的優(yōu)勢，能使得整個(gè)草圖設(shè)計(jì)過程更加自然、流暢。

［1］董士海.計(jì)算機(jī)用戶界面及其工具［M］.北京:科學(xué)出版社，1994.

［2］董士海，王堅(jiān)，戴國忠. 人機(jī)交互和多通道用戶界面［M］.北京:科學(xué)出版社，1999.

［3］M.B. Clowes. On Seeing Things［J］. Artificial Intelligence，1971，2(1):79-112.

［4］D. A. Huffman. Impossible Objects as Nonsense Sentences［M］. Machine Intelligence，Edinburgh:Edinburgh University Press，1971.