（计算机科学与技术专业论文）面向概念表达的计算机辅助草绘设计关键技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 概念设计是产品开发的早期阶段，具有信息不完全和不精确等特点。而当前 的c a d 系统需要输入精确的尺寸和位置信息，造型过程较为繁琐、耗时，无法 胜任概念设计阶段的工作。在概念设计阶段，设计师们往往先采用纸笔草绘来快 速表达产品的形状构思，只有当产品信息完全确定以后，才开始借助计算机进行 辅助设计以及后续的分析加工仿真等。这就造成纸笔草绘与计算机辅助设计两者 之间的脱节，更为重要的是设计与造型往往是分开进行的，甚至是由不同的人来 完成的，这样信息在表达传递过程中容易丢失。计算机辅助草绘技术由于结合了 计算机与纸笔草绘的众多优点，能够帮助设计师在产品的概念设计阶段利用计算 机来快速记录头脑中产生的瞬时灵感。近年来一直是许多专家学者争相研究的热 点课题之一。不过现有的计算机辅助草绘设计系统存在用户适应性差、草图识别 精度不高等缺点，使其应用受到一定的限制。 本文主要面向工程概念草图识别与草绘建模的需要，针对现有计算机辅助草 绘设计系统存在的一些问题，从二维草图识别与规整、基于手势的草图编辑、基 于意图捕捉的三维草绘建模技术等三个方面着手解决计算机辅助草绘设计一些关 键技术的实现难点，并提出了一套行之有效的算法，然后与现有的算法进行了分 析比较。所研究的主要内容和取得的创新性研究成果主要包括以下几个方愿： 1 将用户草绘笔划识别分解为笔划预处理、特征点的检测、笔划分段、图元 识别、图元重构、图元规整、端点校正等几个步骤分层进行处理，并开发出相应 的实现算法，从而可以将用户随意绘制的草绘笔划转化为规整的几何图形，以正 确理解用户的概念表达意图，并解决了整体草图识别所带来的算法复杂度过高， 识别出错难以修改等缺点。 2 面向工程概念草图编辑的需要，设计出一套简单高效的带草图编辑参数的 笔式手势集。然后在分析现有手势识别方法的基础上，开发出一个可训练的手势 识别器，尝试采用多种机器学习方法对笔式手势进行识别，以解决现有手势识别 算法识别精度不高和用户适应性不强等缺点。深入研究和实现了笔式用户界面环 境下针对草图修改的多种基于手势的编辑算法，如对象选择、复制、移动、旋转 等，解决了现有c a d 系统图形编辑过程繁琐、费时等缺点。 3 提出了一种基于草绘笔划的概念模型创建方法，模仿传统的纸笔草绘交互 浙江大学博士学位论文 摘要 设计方式，利用意图捕捉机制揣测用户的设计意图，将基于p a r a s o l i d 创建s w e e p 特征的核心算法应用到产品概念设计过程中，并通过引入特征切削及添加操作自 动判别机制由简单的产品模型构造出复杂模型，最后给出了一些关键算法的实现 过程。相对于现有的草绘建模方法，该方法具有建模过程简单，建模效率高，建 模范围广等优点，能够允许用户直接在概念模型表面上草绘截面笔划和轨迹笔划 构造概念模型。尝试实现了两种基于手势的模型编辑操作。 4 采用面向对象的设计方法，结合本文所提出的算法，开发实现了面向二维 工程草图设计与编辑的草绘设计系统s k e t c h 2 d 和面向产品概念模型快速表达的 草绘建模系统s k e t c h 3 d 。它们是本文相关草绘设计思想和方法的应用和验证。针 对二维草绘设计系统s k e t c h 2 d ，本文给出了其基本体系结构和基本数据模型，实 现了在线识别技术与手势编辑方法，允许用户通过简单的笔式草绘技术勾画概念 草图，并进行快速编辑，避免繁琐的菜单操作等，然后与现有的c a d 系统及原 有的计算机辅助草绘系统进行了综合比较，体现出系统的优越之处。针对三维草 绘建模系统s k e t c h 3 d ，同样给出了其基本体系结构及其主要功能，并和目前流行 的三维c a d 系统及现有的一些三维草绘设计系统进行了比较，总结出其主要优 缺点。 关键词：概念设计，计算机辅助草绘设计，手势，草图编辑，笔式用户界面， 特征建模，智能识别，意图捕捉 l l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t c o n c e p t u a ld e s i g ni st h e i n i t i a l s t a g e so fp r o d u c td e v e l o p m e n tw h i c hi s c h a r a c t e r i z e db yi n a d e q u a t ea n dv a g u ed e s i g ni n f o r m a t i o n h o w e v e r , c u r r e n tc a d s y s t e m sn e e dt oi n p u tp r e c i s ed i m e n s i o n a la n dg e o m e t r i cc o n s t r a i n t si n f o r m a t i o ni nt h e p r o c e s so fp r o d u c tm o d e l i n g a tt h es a m et i m e t h eu s eo fw i m p - b a s e du s e fi n t e r f a c e m a k e st h ep r o c e s so fm o d e l i n gv e r yc u m b e r s o m e ，t e d i o u sa n d t i m e - c o n s u m i n g t h e s e r e a $ o n sm a k ec u r r e n tc a d s y s t e m sm a i n l yb es u i t e df o rt h ed e t a i l e dd e s i g na n dn o tt h e c o n c e p t u a ld e s i g n i nt h ec o n c e p t u a ld e s i g ns t a g e ，d e s i g n e r su s u a l l yn s ep e n c i la n d p a p e rt or a p i d l yr e c o r dt h e i rc r e a t i v ei d e a s o n l yw h e nt h ec o n f i g u r a t i o no f t h ep r o d u c t i sd e t e r m i n e df u l l y , t h ed i g i t a lm o d e lw i l lb ec o n s t r u c t e db yu s i n gt h ec o m p u t e ra i d e d d e s i g nt e c h n o l o g i e s b e c a u s et h ed e s i g na n dt h em o d e l i n gp r o c e s sa l es e p a r a t e ，s o m e i m p o r t a n ti n f o r m m i o nw i l lb el o s td u r i n gi n f o r m a t i o nc o n v e y a n c e c o m b i n i n gt h e f l e x i b i l i t ya n de a s eo fu s eo fp a p e ra n dp e n c i lw i t ht h ep r o c e s s i n gp o w e ro ft h e c o m p u t e r , c o m p u t e ra i d e ds k e t c h i n gd e s i g n ( c a s d ) t e c h n o l o g ys p e c i a l l ys u i t sf o r c o n c e p t u a ld e s i g na n dc a nh e l pd e s i g n e rw r i t ed o w nd e s i g ni d e a sr a p i d l y f o rm a n y y e a r si th a sb e e no n eo fk e yi s s u e sw h i c hm a n ys p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r sr e s e a r c h t h e p r e s e n ts i t u a t i o no fc a s di si n t r o d u c e df i r s t l y a n dt h e ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so f c a s d ，t h a ti sp e n - b a s e du s e ri n t e r f a c ed e s i g n , s k e t c hr e c o g n i t i o na n db e a u t i f i c a t i o n , g e s t u r e - b a s e ds k e t c he d i t i n g , 3 ds k e t c h i n gm o d e l i n g , a r ea n a l y z e d t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa l ea r t i c n l a t e da sf u l l o w s ： ( 1 ) s o m eb a s i ct h e o r i e sa n da l g o r i t h m so ns k e t c h i n gd e s i g na n ds k e t c h r e c o g n i t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e d , s u c ha ss k e t c hp r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ep o i n t s d e t e c t i o n , s t r o k e sf r a g m e n t , p r i m i t i v e sr e c o g n i t i o n , s h a p er e c o n s t r u c t i o n ，a n d p r i m i t i v e sb e a u t i f i c a t i o n , e t c t h ea i mi si n t e g r a t i n gu s e r s s k e t c h i n gs t y l e sa n dt h e a b i l i t i e so fr e c o g n i z i n gs k e t c hw i t ht h et e c h n o l o g i e so fc a di no r d e rt od e v e l o pn e w i n t e l l i g e n tc a ds y a e m s ( 2 ) t h eg e s t u r ei sa ni m p o r t a n ti n t e r a c t i v ew a yt or e a l i z eac e r t a i no p e r a t i o nf o r s k e t c he d i f i n g i no r d e rt or e a l i z eo n l i n ec o n c e p t u a ls k e t c he d i t i n g ，s o m ek i n d so f g e s t u r e sh a v eb e e nd e s i g n e da n dd e f i n e d ，s u c ha sd e l e t eg e s t u r e s ，m o v eg e s t u r e s ，c o p y g e s t u r e s ，r o t a t eg e s t u r e s ，e t c t h e s eg e s t u r e sh a v eb e e nr e c o g n i z e db yu s i n gat r a i n a b l e n l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t g e s t u r er e c o g n i z e r i n o r d e rt oi m p r o v et h er e c o g n i t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eu s e r a d a p t a t i o no fg e s t u r e s ，s e v e r a lr e c o g n i t i o na l g o r i t h m sh a v eb e e nu s e d f i n a l l y , as e r i e s o fa l g o r i t h m sf o rs k e t c he d i t i n gb a s e do np e ng e s t u r e sa r ep r e s e n t e d ( 3 ) as i m p l e ，r a p i d ，e f f i c i e n ta p p r o a c ht oc o n s t r u c t3 dc o n c e p t u a ls o l i dm o d e l so n s k e t c h - b a s e du s e ri n t e r f a c ei sp r e s e n t e d i te m u l a t e st h et r a d i t i o n a ls k e t c h i n gd e s i g n a p p r o a c hw i t l lp a p e r a n dp e n c i lm e t a p h o rt os k e t c hs t r o k e so i lt h ec a l l i g r a p h i ci n t e r f a c e a n dt h e na p p l i e st h ef e a t u r e - b a s e dm o d e l i n gm e t h o dt oc o n s t r u e td i f f e r e n ts w e e p f e a a t m - h a s e dp r i m i t i v e sa c c o r d i n gt ot h es h a p ea n dl o c a t i o nr e l a t i o n s h i po ff e a t u r e s t r o k e s i no r d e rt oc o n s t r u c tc o m p l e xs o l i dm o d e l s ，t h ef e a t u r ej o i n i n ga n dc u t t i n g m e c h a n i s mb a s e d0 1 1i n t e n t i o nc a p t u r i n gi si n t r o d u c e d a d d i t i o n a l l y ，ag e s m m b a s e d m o d e le d i t i n gm e t h o di sp r e s e n t e db r i e f l y w ei l l u s t r a t et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e a l g o r i t h ma n de x p e r i m e n t ss h o wt h a to u ra l g o r i t h mi se f f i c i e n ta n d w e l ls u i t e df o rr e a l t i m eo n l i n e3 dc o n c e p t u a lm o d e lc r e a t i o n ( 4 ) t h es k e t c h 2 ds y s t e m ，as k e t c h i n gd e s i g ns y s t e mf o re n g i n e e r i n gs k e t c h d e s i g na n de d i t i n g ，a n dt h es k e t c h 3 ds y s t e m , as k e t c h - b a s e dm o d e l i n gs y s t e mf o r c o n c e p t u a le x p r e s s i o no fp r o d u c t s ，h a v eb e e nd e v e l o p e db yu s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e d d e s i g nm e t h o da n dt h et e c h n o l o g i e so fc u r r e n tc a d s o m eb a s i cf l a m es t r u c t u r e sa n d f u n c t i o n so f t h es y s t e m sh a v eb e e np r e s e n t e d s o m ee x p e r i m e n t a le x a m p l e sh a v eb e e n p r o v i d e dt ov e r i f yt h ee f f i c i e n c yo ft h er e c o g n i t i o na n dm o d e l i n ga l g o r i t h m s f i n a l l y , s o m ec a p a b i l i t i e so ft h es k e t c h x ds y s t e m ( t h ea b b r e v i a t i o no ft h es k e t c h 2 ds y s t e m a n dt h es k e t c h 3 ds y s t e m ) h a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tc a d s y s t e m ss u c ha s a u t o c a d ，p r o e n g i n e e r , e t c ，a n ds o m ec l a s s i c a ls k e t c h i n gd e s i g ns y s t e m ss u c ha s s i l k ，s k e t c h ，e t c k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ，c o m p u t e ra i d e ds k e t c h i n gd e s i g n ，g e s t u r e ，s k e t c h e d i t i n g , p e n - b a s e du s e ri n t e r f a c e ，f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g ，i n t e l l i g e n t r e c o g n i t i o n ，i n t e n t i o nc a p t u r i n g 浙江大学博士学位论文 图目录 图目录 图1 1 在s i l k 上草绘的控件笔划及其识别结果6 图1 - 2t a h u t i 草绘设计与识别系统7 图1 3d e n i m 系统界面8 图l - 4s k e t c h 草绘实例1 1 图1 5t e d d y 草绘界面及设计实例1 2 图1 - 6l i p s o n 系统操作界面与有限元分析结果1 3 图1 7c h a t e a u 设计界面与设计实例1 4 图1 8s m a r t p a p e r 操作界面与建模实例1 5 图2 1 手绘草图实时处理过程2 2 图2 - 2 原始笔划分析2 3 图2 3 本文采用的草图实时处理过程3 1 图2 - 4 笔划预处理方法3 l 图2 5 关键点检测中各符号示意图3 3 图2 6 图元识别中h m 。的计算方法3 4 图2 7 图形设计类结构图3 5 图2 8 图形操作类结构图3 6 图2 9 基本图元重构3 7 图2 1 0 图元规整类型3 8 图2 1 1 端点校正实例3 8 图2 1 2k i m 采用的方法草图笔划分段结果。3 9 图2 1 3 本文采用的方法草图笔划分段结果4 0 图2 1 4 单笔划图形草绘设计与识别结果4 l 图2 1 5 多笔划草图识别与规整实例4 1 图3 1 两种编辑方式比较4 3 图3 - 2 一些常用的手势集4 6 图3 3 手势特征提取方法4 9 图3 - 4 三层b p 神经网络结构图5 6 图3 5 最优分类超平面5 8 图3 - 6 支持向量机示意图6 l 图3 7 在多种样品数量的情况下各种识别算法的识别率6 2 图3 8 草图选择实例6 4 图3 - 9 草图移动实例6 5 图3 1 0 草图复制实例。6 5 图3 1 l 草图镜像实例。6 6 图3 1 2 草图旋转实例6 6 图3 1 3 草图裁剪实例。6 7 图4 1 基于手势的建模方法6 9 图4 2 基于模板匹配的三维建模方法7 1 i x 浙江大学博士学位论文 图目录 图4 3 基于意图捕捉的笔式草绘特征建模机制7 3 图4 4 截面型心的近似求解算法7 4 图4 5 四种不同的扫描特征7 5 图4 - 6 基于p a r a s o l i d 的不同扫描特征仓4 建实例7 5 图4 7 截面扫描方向确定7 6 图4 8 特征添加或切割判别机制7 7 图4 9 系统建模实例与建模时间比较8 0 图5 1s k e t c h 2 d 系统框架结构8 2 图5 2s k e t c k 2 d 系统界面8 3 图5 3 手势训练对话框8 4 图5 - 4 系统运用实例8 7 图5 5p a r a s o l i d 的模型结构8 9 图5 - 6p a r a s o l i d 与应用程序的交互机制9 0 图5 7s k e t c h 3 d 主要类结构及其相互关系9 l 图5 8s k e t c h 3 d 用户界面9 2 图5 - 9 草绘特征建模过程9 4 x 浙江大学博士学位论文 表目录 表目录 表3 1 草图编辑手势符号及其功能4 8 表3 - 2 各种识别方法比较6 2 表4 - 1 编辑手势定义及其处理结果7 7 表4 2 建模时间比较7 9 x i 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 概念设计在产品开发过程中的重要性 自从p a l h 和b e i t z 【1 】于1 9 8 4 年首次提出概念设计这一名词以来，人们已经 对概念设计进行了二十几年的研究，但至今何为概念设计，不同的人仍有不同的 理解。一般来说，概念设计包含广义与狭义之分，广义的概念设计指的是从产品 的需求分析到进行详细设计之前的整个设计过程，包括功能设计、原理设计、形 态设计、布局设计和初步的结构设计等；而狭义的概念设计具体指在产品功能和 原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程。本文所提到的概念设计则具 体指的是后者。 产品概念设计作为产品开发的早期阶段，其核心就在于产品创新，它决定着 产品的质量、成本、性能、可靠性、安全性等众多内容。一旦概念设计被确定， 产品设计的6 0 7 0 也就确定了，而概念设计阶段所花费的成本和时间在总的开 发成本和设计周期中占的比例通常都在6 0 以上，并且很难或不能在详细设计阶 段纠正产品设计的缺陷。因此产品概念设计质量与效率不仅对产品的创新性、功 能的合理性、使用的宜人性和外观造型的美观性等起着决定性的作用，同时也直 接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素【2 】。 概念设计的主要目的之一在于获得产品基本形式或形状。形状是产品的主要 表现形式，是用户的第一刺激物，设计中的大部分活动都是围绕着形状进行的， 结构优化、动力学分析和仿真等设计活动都是在产品有了明确形状之后再进行， 因此对形状的设计是概念设计的一个重要方面【3 】。 1 2 现有c a d 系统在概念设计阶段的不足 在社会的各个领域充满竞争的今天，产品的创新与快速开发是提高企业竞争 力的关键。个性化的需求，快速多变的市场，以及日益加剧的国际化竞争，都要 求企业能够快速抓住市场需求的脉搏，并根据市场需求，快速地提供能够满足需 求的产品，从而在第一时间获得丰厚的利润因此，产品的快速开发与创新，对 于提高企业的市场竞争能力是非常重要的。计算机辅助设计( c a d ) 技术的发展 则正好顺应了市场与企业的这一需求，它为企业和设计机构开发新产品提供了前 所未有的可能性和多样性。 概念设计是一个创造性的过程。但目前以c a d 为核心的计算机辅助工具主 要应用在产品开发的详细设计阶段，如p r o e n g i n e e r 、e d su n i g r a p h i c s 等，这些 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 系统的着眼点主要是“设计表达”，虽能生成复杂、精确、完整的三维造型，但由 于其本身并不是为概念设计而开发的，存在许多约束限制，不允许快速输入和再 现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型后的概念化 绘图工具，而非辅助设计工具。 在概念设计阶段，当产品的功能确定后，一个重要的内容就是要将设计师对 该产品的初步结构设想表达出来。由于这时候所要表达的信息是模糊非精确的、 而且是不完全的，现有的c a d 软件无法胜任这一工作，主要体现在以下几个方 面： 现有的c a d 系统需要对所设计的结构进行准确定义和定位，往往要求设 计者明确输入物体的形状、属性、尺寸以及位置等之后，设计人员才可以利用这 些软件来进行精确机械设计。这种设计方式大大地约束了设计者创意的自由发挥， 更何况设计者在最初阶段往往对所要设计的物体结构还没有准确结构概念 4 】。 因此，现有的c a d 系统只适合于产品设计的后期阶段，即详细设计阶段，此时 设计师对所设计的产品已经有一个非常清楚的模型。 大多数c a d 系统采用基于w i m p ( w i n d o w s 、l e o n 、m e n u 、p o i n t i n g ) 格 式的用户界面。在这种设计环境下，用户需要在各种菜单、图标按钮中频繁地进 行选择与切换，阻碍了创新设计过程的连续性，不利于设计思想的自然表达。 现有的c a d 系统一般都比较复杂，用户经常需要花费较多的时间来熟悉、 掌握。设计人员必须具备一定的专业知识与技能等。 在设计过程中，设计师要耗费大量的精力在设计早期阶段并不重要的设计 细节，以致限制了设计师的功能能力和思维。可以说现有的c a d 中的d 代表的 师绘制和建模( d r a f t i n ga n dm o d e l i n g ) ，而不是设计( d e s i g n ) 【5 1 。 1 3 纸笔草绘设计的优缺点 在所有生产和设计工作中，草图设计是最常用的一种设计思维表达手段。在 产品的概念构思阶段，人们倾向于采用传统的纸和笔来完成形状表达任务，并一 直沿用至今。这主要是由于在纸上手绘草图不需要复杂的交互工具，绘制迅速， 对精确度要求低，易于理解等。另外纸和笔还具有价格便宜、易于获取、易于使 用、便于携带等许多优点，尤其适用于在创作早期快速记录尚不太成熟、不太明 确的设计思想。 但是随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的飞速发展，人们逐渐觉得利 用传统的纸笔草绘进行产品概念形状设计也存在不少缺点，比如说草图比较呆板， 绘制过程中缺少有效的交互；用户想从另一个视角观察设计结果必须重新勾画草 图：难以编辑修改；不具备计算机所具有的可复制、可恢复( u n d o 功能) 功能； 2 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 难以记录整个设计思想，设计方案难于存储、搜索和重用；设计结果难以与后续 设计过程进行集成；并且纸容易丢失和撕裂，且不易保存等。 因此，如果能够将传统的纸笔草绘设计与计算机辅助设计技术两种模式结合 起来，各取所长，提供一种计算机辅助草绘设计环境，让设计师们一开始就在这 种类似于纸笔草绘设计的环境下进行创意构思，并能将构思结果直接转化为数字 化模型，对于促进产品创新和提高工作效率将具有十分重要的意义。正是基于这 种考虑，国内外许多研究人员多年来一直致力于如何将计算机技术引入到产品的 早期设计过程中，并开发出新的设计媒介，以改变纸笔草绘这种相对较为落后的 设计环境。近年随着“数字墨水、“平板计算机”以及“笔式交互界面”等众多软 硬件技术的出现，为利用计算机直接进行产品概念形状草绘设计提供了强大的技 术支持。 1 4 笔式交互技术的发展 人机交互( h u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，h c i ) 是研究人、计算机以及它们相 互影响的技术。人机界面是计算机与人之间通信和对话的接口，是计算机系统的 重要组成部分。随着计算机软硬件技术的迅速发展和制造工艺水平的提高，人机 交互界面从最初的批处理方式、命令行界面发展到基于w i m p ( w i n d o w s ，i c o n s ， m e n u s ，p o i n t i n g ) 的界面，并最终发展为多通道用户界面。多通道用户界面充分 利用人的多种感觉通道和运动通道，以并行、非精确的方式与计算机系统进行交 互，旨在提高人机交互的自然性和高效性。 由于在现实生活中，人们习惯于用笔书写一些通用符号或者勾画草图来完成 意图表达。笔的一个最鲜明的特点是易于控制，可以进行高效自然的勾画，而且 基于纸笔的工作方式是人们数千年来进行信息捕捉和表达的一个有效途径，无论 是文字还是图形都可以自然勾画在纸上。因此笔式交互界面作为多通道用户界面 一个重要的研究方向，多年来一直受到人们的普遍关注【6 】。早在1 9 6 3 年 s u t h e r l a n d 就提出了笔式交互的思想。他设计的s k e t c h p a d 是第一个笔式交互系统。 该系统采用光笔在阴极射线管显示器上指点和标记图形。随后r a n d 公司开展了 相应的工作，他们较多地关注手写体和草图的识别【7 】。但此后，随着7 0 年代中 期光栅显示器和鼠标被广泛接受，笔式交互逐渐被人们所遗忘。8 0 年代后期9 0 年代初，移动计算成为计算机发展的一个重要的发展方向。伴随着计算模式的变 化和移动计算设备的发展，笔式交互方式成为便携式计算环境的一个重要特征。 笔式交互的研究又重新获得了人们的重视。1 9 9 2 年，x e r o xp a r c 研制成功一个 白板大小的、使用特制笔进行直接交互的笔交互设备l i v e b o a r d 【8 】，并在此平台 上开发了笔交互系统原型t i v o l i 【9 】，它是笔式交互的里程碑。目前，在笔式交互 3 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 研究中比较有代表性的是有下面一些研究机构。麻省理工学院的人工智能实验室 对于笔式交互进行了大量的研究，在机械设计和u m l 设计等应用领域设计实现 了笔式交互系统，如a s s i s t 【1 0 】，t a h u t i 【1 1 等。卡耐基梅隆大学的人机交互实 验室将笔交互嵌入到工具箱系统g a r n e t 【1 2 中，同时实现了基于草图的图形用 户界面设计原型工具s i l k 1 3 】。 1 5 计算机辅助草绘概念设计的定义 计算机辅助草绘概念设计技术是为了弥补设计师传统的草图创意方式与 c a d 系统间的鸿沟而发展起来的，其实质是用“画”的形式建立设计思想的而三 维模型，以便符合设计师的工作习惯。由于计算机辅助草绘概念设计是一个新兴 的研究领域，它的许多关键技术还在进一步地探讨与研究当中，学术界目前对这 一问题还没有明确的定义。本文认为：计算机辅助草绘概念设计是一种以笔式交 互界面为信息获取媒介，以快速表达产品的概念构思形状为目的，融合草图的智 能推理、三维建模、模型表现等技术，最终将草图转化为三维模型，以实现计算 机对产品设计全生命周期的支持。同时，支持概念形状表达的计算机辅助草绘设 计环境应该具备以下几个方面的能力： 以用户为中心的设计界面。模仿纸笔草绘设计环境，能够允许设计师自由快 速地表达自己的设计思想，并可从多幅草图中进行选择评价。 强大的草图理解与数据处理能力。系统能够理解设计师草绘的初始化概念草 图，并将之转变为三维数据模型。当出现草图理解歧义时，系统能够自行解 决。 直观逼真的表现能力。能够将构造出的三维几何模型以多种形态表现出来。 具有良好的草图编辑与修改能力。初步草图设计出来后，允许设计师随时进 行编辑修改，包括二维草图修改与三维模型草绘编辑修改两部分。 1 6 计算机辅助草绘概念设计的关键技术 将计算机辅助草绘设计应用于产品早期的概念设计阶段，需要解决一些关键 技术，如需要开发出支持草绘的笔式用户界面，进行在线草图识别与规整处理， 面向特定领域的草图理解，草绘三维建模，基于手势的草图与模型编辑等。 1 6 1 支持草绘的笔式用户界面技术 笔式用户界面是一种模拟传统纸笔草绘设计风格的界面，它以数字化笔( 或 鼠标) 和平板计算机作为输入工具，采用笔划和手势代替原先的菜单点选操作， 给人以极大的自然性，符合人类的思维与表达习惯。而且笔式交互界面可以与计 算机强大的数据处理能力、智能推理能力、三维设计能力、信息存储能力等结合 4 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 起来，实现产品概念形状的自然表达以及三维模型的自动生成，便于设计师从各 个方位观察设计的结果。这一方面可以进一步促进设计灵感的激发，另一方面可 以方便设计师对不满意的地方进行实时修改。同时草绘设计的结果可以与后续的 详细设计、数控加工等过程进行集成，实现计算机对产品设计全生命周期的支持。 1 6 2 草图识别与处理技术 用户运用笔或鼠标在屏幕上草绘时，得到的是一系列草绘点。由于点数繁多， 同时存在干扰与抖动，影响草图处理的速度和质量，需要对草绘点进行一定的处 理，如消除冗余点与噪声点等。另外由于个人草绘习惯的不同，一条单一的笔划 可能包含几段基本图素( 如直线、圆弧等) ，这时就需要揣测用户的设计意图，对 比划进行分段处理，并将每段几何类型分别识别出来，然后用相应的几何数据来 表示。同时，需要考虑笔划与坐标轴及笔划间的相互关系( 如笔划问的相连、平 行、垂直等) ，并进行约束处理，使之变为规则的几何形体。 1 6 3 面向特定领域的草图理解技术 草图语义的理解是根据识别出的几何图形理解图形表示的具体含义。它需要 结合特定的领域知识来进行，比如一个箭头符号在物理学中它可以表示力，在 c a d 中它可以表示移动方向等。草图理解一般包含三个环节：语义获取、关系分 析和高层应用【1 4 】。语义获取指的是输入草图经过图形识别后，系统获取草图中 的图形在特定用户及应用背景下的含义。关系分析是指草图的空间布局在特定领 域背景下的语义解释。高层应用是在确定了基本对象及其关系的语义，捕捉到用 户意图，服务于特定领域的应用。 1 6 4 草绘建模技术 由多幅投影图形重构三维模型的方法已经由许多学者进行了广泛的研究，而 由单一手绘草图构造三维图形，从理论上来讲它是一个数学难解问题。因为同一 个二维投影草图可能对应于多个三维模型，具体该对应哪一个一般很难用算法来 实现。但人类似乎天生有解决这种歧义性的能力，能够依据人类在形状识别方面 的直觉以及草绘习惯容易地从单幅草图想象出物体的三维模型。草绘建模技术就 是通过笔式草绘的设计方式，勾画模型的大致外观轮廓，然后根据草绘习惯或采 用优化方法构造出物体的三维概念模型。 1 6 5 手势编辑技术 手势作为人日常生活中广泛使用的一种的交流方式，具有自然、高效、表意 能力强等优点，被逐渐引入到笔式用户界面中，成为笔式用户界面环境下人机交 互的主要方式，扮演着非常重要的角色。用户经常通过笔式手势对特定内容进行 处理，如文本编辑、草绘建模、用户界面设计等，以代替繁琐的菜单图标操作。 将手势应用于草图编辑过程中，可以显著降低草图编辑的复杂性。 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 7 计算机辅助草绘设计的研究进展 计算机辅助草绘设计作为未来产品概念设计的主要表现形式，多年来一直是 国内外许多著名大学和研究机构的主要研究方向之一。其中比较典型的有麻省理 工学院的人工智能实验室、c a r n e g i em e l l o n 大学的人机交互实验室、美国加州大 学、日本东京大学、美国布朗大学、国内中科院人机交互实验室、南京大学计算 机软件新技术国家重点实验室、浙江大学c a d & c g 国家重点实验室、西北工业 大学工业设计研究所等。 1 7 1 二维草绘设计系统研究进展 自从上世纪六十年代第一个c a d 系统s k e t c h p a d 出现以来，人们就开始对二 维图形草绘设计与识别技术进行了较为深入的研究，并在草图分类、草图规整、 草图理解等方面取得了一定的进展。目前二维草绘设计已初步应用于多个领域。 1 软件用户界面概念设计工具 s i l k 1 3 ，1 5 ，1 6 ，1 7 是一个较早的面向软件用户界面概念设计的草绘智能系 统。它允许设计师利用感应笔快速草绘创建界面控件，并使用手势命令对它们进 行编辑和重画。当设计师对所设计的界面较为满意时，触发系统对草绘控件进行 识别。然后系统创建一个新的窗口，并用具体的控件代替识别出的草绘控件笔划， 如图1 1 所示。为了避免每次都从零开始设计，s i l k 提供了一个设计历史激活模 块，允许用户在已有的设计基础上进行编辑修改。 图1 1在s i l k 上草绘的控件笔划及其识别结果 在s i l k 的基础上，p l i m m e rb 等人 1 8 2 2 】开发了一个类似的系统 f r e e f o r m 用于将草绘的界面元素转化为v i s u a lb a s i c 编程环境下的界面控件。 c a e t a n oa 等人 2 3 1 开发出系统j a v a s k e t c h i t ，它能够识别出十种控件类型以及三 种手势命令，并将草绘笔划转化为一个j a v a 编程环境下的用户界面。 6 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 2 u m l 类图草绘设计系统 h a m m o n dt 为u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl _ a n g u a g e ：统一建模语言) 中类图 设计创建了一个双视图草绘设计与识别环境t a h u t i 1 1 ，2 4 ，如图1 2 所示。用户 在草绘设计环境下( 图a ) 自由勾画类图笔划，系统根据笔划间的几何特性识别 出多笔划组合对象，如矩形、椭圆、箭头、文本等，然后在理解视图中( 图b ) 将其显示出来。 ( a ) t