（计算机科学与技术专业论文）面向设计重用的三维cad模型检索.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 c a d 技术的蓬勃发展和广泛应用为新产品的设计提供了丰富的数字资源，合理地 重用这些资源能有效地缩短产品开发周期、降低产品成本并提高产品质量。但是由于 三维c a d 模型具有十分复杂的几何形状和拓扑结构，而设计重用的初始阶段用户对 目标模型掌握的信息又非常有限，因此，如何使设计人员能够从海量的c a d 模型中 快速、准确地找到合适的可重用模型或局部区域，从而辅助他们利用这些资源高效地 设计出满足要求的新产品已成为当前迫切需要解决的挑战性问题。本文正是针对这一 问题，以支持设计重用为目标，对三维c a d 模型的全局检索及局部检索展开研究。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 提出一种面向设计重用的三维c a d 模型层次表征及匹配方法，支持设计阶 段的多种全局检索及重用首先提出了层次图及层次图匹配的概念，介绍了三维c a d 模型多分辨率蔓延骨架的提取方法；然后提出了有效表征三维c a d 模型整体形状、 局部细节及它们之间关联关系的层次图表征方法，并基于三维c a d 模型的多分辨率 蔓延骨架给出了层次图的自动构建方法；最后研究并提出了一种“上层指导下层、下 层约束上层”的、由粗到细逐层匹配的层次图匹配方法，并给出了基于层次图匹配的 三维c a d 模型相似评价方法分层表征及逐层匹配的思想使该方法具有很大的灵活 性：既可以支持由简单查询实例到包含更多细节信息的完整三维c a d 模型的全局检 索，又可以支持精确的全局检索。 ( 2 ) 提出一种面向设计重用的三维c a d 模型可重用区域提取及表征方法，支持 设计阶段的高质量局部检索及重用首先从产品设计的角度出发分析了三维c a d 模 型中具有设计重用价值的局部区域的特点， 值局部区域的提取原则；然后依据该原则， 给出了三维c a d 模型中具有设计重用价 以三维c a d 模型的边界表示模型为输入， 构建其设计特征模型，并以此为基础给出了可重用区域的自动提取方法；最后通过分 析设计重用阶段三维c a d 模型局部检索的特点，引入了局部匹配区域的概念，提出 了基于局部匹配区域的可重用区域层次式表征方法。利用该方法提取的可重用区域及 其层次式表征为面向设计重用的局部检索提供了合理的检索对象及其灵活的形状描述 符。 浙江大学博士学位论文摘要 ( 3 ) 提出一种面向设计重用的三维c a d 模型多模式局部检索方法，支持设计阶 段方便灵活的局部检索首先分析了产品设计阶段的局部检索需求，依据用户可以提 供的查询实例和其希望检索的目标模型之间的差异程度，设计了三种不同的检索模式； 然后以可重用区域及其层次式表征为局部检索对象及其形状描述符，提出了多模式索 引、多模式匹配和相似评价策略，实现了多模式的局部检索，满足设计阶段多种多样 的局部检索需求。 基于以上研究成果，实现了一个面向设计重用的三维c a d 模型检索原型系统 z d d r c m r s ，并给出了相应的实验结果，包括全局检索测试结果、局部检索测试结 果及面向设计重用的三维c a d 模型检索结果在产品设计中的应用实例，验证本文的 主要思想。 关键词：计算机辅助设计，基于内容的检索，三维c a d 模型检索，相似评价，层次 图，层次图匹配，设计重用，可重用区域，多模式检索，局部检索 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g yp r o v i d ea n e n o r m o u sw e a l t ho fd i g i t a lr e s o u r c e sf o rn e wp r o d u c td e s i g n r e a s o n a b l er e u s eo ft h e s e r e s o u r c e sc a ne f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c et h ep r o d u c tc o s t a n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y h o w e v e r , 3 dc a dm o d e l sa r eo f t e nc h a r a c t e r i z e dw i t h c o m p l i c a t e dg e o m e t r ya n dt o p o l o g y , w h i l et h ed e s i g n e ri nt h ee a r l yd e s i g ns t a g eo f t e nh a s j u s ta l li n c o m p l e t ea n df u z z yi d e ao ft h er e u s a b l eo b j e c tm o d e l ；t h e r e f o r e ，h o wt oh e l pt h e d e s i g n e r sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y f i n dt h er e u s a b l eo b j e c tm o d e l sf r o mt h ed a t a b a s e c o n t a i n i n gm a s s i v ea m o u n to f m o d e l su s i n gt h er e l a t i v e l yr o u g hq u e r yi n s t a n c ei ss t i l lab i g c h a l l e n g e t os o l v et h ep r o b l e m ，t h ed e s i g n r e u s eo r i e n t e d3 dc a dm o d e lr e t r i e v a li s s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o nw h i c hi n c l u d e sb o t hg l o b a lr e t r i e v a la n dp a r t i a lr e t r i e v a l t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ， ( 1 ) ad e s i g nr e u s eo r i e n t e dh i e r a r c h i c a lr e p r e s e n t a t i o na n dm a t c h i n gm e t h o do f3 d c a dm o d e l si sp r e s e n t e d ，w h i c hs u p p o r t st h eg l o b a lr e t r i e v a lf o rd e s i g nr e u s e f i r s t l y , t h e h i e r a r c h i c a lg r a p ha n dh i e r a r c h i c a lg r a p h - m a t c h i n ga r ed e f i n e da n dt h ea l g o r i t h mo f g e n e r a t i n gt h ep r o p e rd b m s ( d i l a t i o n b a s e dm u l t i r e s o l u t i o n a ls k e l e t o n ) o fac a dm o d e l t h r o u g hm u l t i r e s o l u t i o n a ld i l a t i o ni sd e s c r i b e d s e c o n d l y , a n o v e lr e p r e s e n t a t i o no f3 dc a d m o d e l su s i n gh i e r a r c h i c a lg r a p hi sp r o p o s e d ，w h i c hc a nr e p r e s e n t sn o to n l yi n f o r m a t i o ni n d i f f e r e n tl e v e l sb u ta l s ot h e i rr e l a t i o n s h i p ，a n dt h e nt h ea l g r i o t h mo fc o n s t r u c t i n gt h e h i e r a r c h i a lg r a p ho ft h ec a dm o d e lb a s e do ni t sd b m si sg i v e n l a s t l y , am a t c h i n g a l g o r i t h ma n das i m i l a r i t ya s s e s s m e n tm e t h o da r ep r o p o s e dt oo b t a i nt h es i m i l a i r t y b e t w e e n t w o3 dc a dm o d e l sb a s e do nt h eh i e r a r c h i c a lg r a p hr e p r e s e n t a t i o n ，w h i c ha r ei na c o a r s e - t o f i n ea n dl a y e r - b y - l a y e ri t e r a t i v em a n n e r t h ea d v a n t a g eo ft h em e t h o di st h a ti ti s v e r yf l e x i b l et os u p p o r t b o t ht h er e t r i e v a lo fd e s i r e d3 dc a dm o d e l st h r o u g ha ni n c o m p l e t e a n df u z z yq u e r ya n dt h ea c c u r a t eg l o b a lr e t r i e v a l ( 2 ) ad e s i g nr e u s eo r i e n t e de x t r a c t i o na n dr e p r e s e n t a t i o nm e t h o d o fr e u s a b l er e g i o n si n 3 dc a dm o d e l si sp r e s e n t e d ，w h i c hs u p p o r t st h ep a r t i a lr e t r i e v a lf o rd e s i g nr e u s e g i v e na b r e pr e p r e s e n t a t i o no fa3 dc a dm o d e l ，i t sd e s i g n f e a t r u r eb a s e dc a dm o d e li s c o n s t r u c t e df i r s t ，a n dt h e ni t sr e u s a b l er e g i o n sf o rd e s i g na r ee x t r a c t e da u t o m a t i c a l l yb a s e d o nd e s i g ns e m a n t i c sa n dh e u r i s t i c s ，a n da l lt h ee x t r a c t e dr e u s a b l er e g i o n sa r er e p r e s e n t e db y u s i n gh i e r a r c h i c a ld e s c r i p t o r sb a s e d o nt h e i rl o c a lm a t c h i n gr e g i o n s t h ee x t r a c t e dr e u s a b l e 他g i o n s 柚dt h e i rh i e r a r c h i c a ld e s c r i p t o r sp r o v i d et h et e a s 。n a b l e r e t r i e v a l 。b j e c t sa n dt h e i r f l e x i b l er e p r e s e n t a t i o n sf o rd e s i g nr e u s e o r i e n t e dp a t t i a lr e t r i e v a l ( 3 ) ad e s i g nr e u s eo r i e n t e dm u l t i - m o d ep a r t i a lr e t r i e v a lm e t h o do f3 dc a d m o d e l si s p 陀s e n t e d ，w h i c hs a t i s f i e st h ev a r i o u s p a r t i a lr e t r i e v a lr e q u i r e m e n i s0 n d e s i g l lr e u s e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td e s i g ns i t u a t i o n sa n dd i f f e r e n tp a r t i a lr e t r i e v a lr e q u i r e m e n t so n d e s l g nr e u s e , t h r e ed i f f e r e n tp a r t i a lr e t r i e v a lm o d e sa r ed e v i s e d ，a n dam u l t i m o d ep a r t i a l r e 啪e v a li sr e a l i z e db a s e do nm u l t i 。m o d ei n d e x i n g ，m u l t i m o d e m a t c h i n ga n ds i m i l a r i t ! i ， a s s e s s m e n tb e t w e e nt h e q u e r ya n dr e u s a b l er e g i o n si nd a t a b a s e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h e s ，ap r o t o t y p e s y s t e mz d d r c m r si sd e v e l o p e d m e a n w h i l e ，s o m et e s t si n c l u d i n gg l o b a lr e t r i e v a l ，p a r t i a lr e t r i e v a la n d t h ea p p l i c a t i o no ft h e r e t 。1 e v a ir e s u l t sf o rd e s i g nr e u s ea r ec o n d u c t e dt ov a l i d a t et h em a i ni d e a so f t h ep r o p o s e d a p p r o a c h e sa n dt h ep r o t o t y p es y s t e m k 叼咖r d s ：c a d ，c o n t e n t - b a s e dr e t r i e v a l ，c a dm o d e lr e t f i e v a l ，s i m i l a r i t ya l s s e s s m e n t h i e r a r c h i c a i 聊h ，h i e r a r c h i c a l g r a p h m a t c h i n g ，d e s i g nr e u s e ，r e u s a b l e r e g i 。n ， m u l t i - m o d er e t r i e v a l ，p a r t i a lr e t r i e v a l 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图1 1 产品信息模型的发展3 图1 2 基于内容三维模型检索系统的整体框架。6 图1 3 三维模型两种不同的形状描述符表征：拓扑结构和语义信息【2 7 】7 图1 4 基于二维草图接口的三维模型检索1 3 图1 5 基于三维草图接口的三维模型检索一一花瓶的检索1 3 图1 6 基于内容三维模型全局检索方法的分类1 6 图1 7 五种形状函数【5 l 】1 7 图1 8 两个模型及其对应的i ) 2 形状分布【5 3 】17 图1 9 方向直方图和厚度直方图的比较【5 6 1 18 图1 1 0 形状直方图的空间分割方法【5 7 1 1 9 图1 1 l 三维模型的球面调和表征【2 4 l 2 0 图1 1 21 3 个不同视角下牛模型的二维投影轮廓图【2 4 】2 2 图1 1 3 三维模型对应二维轮廓图的傅里叶描述子提取过程【2 4 】2 2 图1 1 4 图样和轮廓之间的区别【7 5 】2 4 图1 1 5 二维球面调和方法的局限性嗍2 4 图1 1 6 一个三维模型对应的a s p e c t 视图的提取及匹配【7 7 1 2 5 图1 1 7 青蛙两种姿势下的积分测地距离示意图：取值较小为红色，较大为蓝色【8 2 1 2 7 图1 1 82 d 模型上基于高度函数的多分辨率r e e b 图【8 2 】2 8 图1 1 9r e e b 图对区域边界的敏感性说明【8 2 】2 8 图1 2 0 中轴的敏感性说明2 9 图1 2 1 两种不同瘦化方法的比较【8 9 1 3 0 图1 2 2 基于距离变换的骨架提取【9 1 1 3 0 图1 2 3 概念设计中的几何特征和工艺属性【l0 3 1 3 3 图1 2 4 现有的两类局部检索方法的检索过程示意图3 4 图2 1 基于多分辨率形状描述符的模型间匹配示意图4 0 图2 2 多分辨率蔓延相关概念的二维图示4 2 图2 3 蔓延骨架层次图的二维图示。4 5 浙江大学博士学位论文图目录 图2 4 蔓延骨架层次图匹配的二维图示4 6 图2 5 基于层次图的三维c a d 模型相似评价方法的整体框架4 8 图2 6 三维c a d 模型多分辨率蔓延骨架提取算法流程图4 9 图2 7 四个三维c a d 模型及其对应的多分辨率蔓延骨架5 0 图2 8 层次图匹配流程图5 4 图2 9 层次图匹配速度测试结果6 l 图2 10 六个三维c a d 模型6 2 图3 1 基于局部检索的设计重用实例6 5 图3 2 一个三维c a d 模型及其对应的设计特征6 7 图3 3 基本设计特征举例6 8 图3 4 三维c a d 模型设计特征模型的e x p r e s s g 图【12 3 1 6 9 图3 5 设计特征模型中三种不同特征关系的举例7 0 图3 6 扩展特征树的相关概念说明图7 1 图3 7 三维c a d 模型可重用区域提取及表征算法流程图7 4 图3 8 一个三维c a d 模型中的四个局部区域7 4 图3 9 支持设计特征交互定义的多种工具7 6 图3 1 0 设计特征的交互定义过程7 7 图3 1 1 共享面对正确判断设计特征间关系的影响。7 8 图3 1 2 扩展特征树构建之依赖关系识别流程图。7 9 图3 1 3 特征间依赖关系判断图解8 0 图3 1 4 三维c a d 模型中过渡特征处理一：过渡特征对应节点入度为1 ，出度为08 3 图3 1 5 三维c a d 模型中过渡特征处理二：过渡特征对应节点入度、出度均为1 8 3 图3 1 6 可重用区域的提取8 5 图3 1 7 可重用区域稳定性示意图8 9 图3 1 8 可重用区域及其局部匹配区域9 0 图3 1 9 可重用区域中局部匹配区域的提取9 2 图3 2 0 可重用区域的层次表征9 3 图3 2 l 实例一：门模型的可重用区域自动识别结果9 4 图3 2 2 实例二：仪表盖模型的可重用区域自动识别结果9 4 浙江大学博士学位论文图目录 图4 1 多模式局部检索算法流程图9 8 图4 2 查询实例及其形状描述符的获取方式一9 9 图4 3 查询实例及其形状描述符的获取方式二1 0 0 图4 4 索引向量结构图10 2 图4 5 索引向量举例10 2 图4 6 局部匹配区域各个层次特征及特征间兄弟关系数目统计图1 0 4 图4 7 基于位图索引的多模式过滤举例1 0 5 图5 1z d d r c m r s 的系统结构图l l4 图5 2z d d r c m r s 的初始化界面1 17 图5 3z d d r c m r s 全局检索子系统检索界面1l8 图5 4 z d d r c m r s 全局检索子系统主要子菜单1 1 9 图5 5z d d r c m r s 局部检索子系统检索界面1 1 9 图5 6z d d r c m r s 局部检索子系统主要子菜单1 2 0 图5 7z d d r c m r s 局部检索子系统检索过程界面展示1 2 0 图5 8z d d r c m r s 全局检索子系统检索结果举例12 2 图5 9z d d r c m r s 局部检索子系统检索结果：以简单、模糊的查询实例作为输入 1 2 5 图5 1 0z d d r c m r s 局部检索子系统检索结果：多模式局部检索1 2 6 图5 1 lz d d r c m r s 局部检索子系统检索结果：检索效率的测试1 2 8 图5 1 2 z d d r c m r s 局部检索子系统在复杂c a d 模型设计中的应用实例一。1 2 9 图5 1 3z d d r c m r s 局部检索子系统在复杂c a d 模型设计中的应用实例二1 3 1 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表2 1 蔓延骨架面的属性及功能说明4 3 表2 2 蔓延骨架层次图的构建5 2 表2 3 待匹配层次图勘和毋。5 9 表2 4 基于层次图的三维c a d 模型单层次相似评价结果6 2 表2 5 基于层次图的三维c a d 模型多层次相似评价结果( 参与匹配的层次数行为3 ) 6 ：； 表3 1 特征间依赖关系举例说明( f a ，f b 分别为被依赖特征和依赖特征) 8 1 表3 2 特征间贴合、相交关系举例说明8 2 表4 1 四种常用位图索引编码方式的性能比较1 0 3 表4 2 三种局部检索模式所采用的过滤、匹配、相似评价方案1 1 l 表5 1z d d r c m r s 数据库的统计信息1 2 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 首先衷心感谢我的导师高曙明研究员多年来对我的学习和生活给予的无微不至的 关怀! 高老师严谨的治学态度、敏锐的科学眼光、活跃的学术思维、求实的工作作风 以及孜孜不倦的探索创新精神深深地影响着我；高老师渊博的见识、开阔的视野、豁 达的风度以及把握全局的气概更是令我叹服。当我在学习、科研甚至是生活中遇到难 题时，他的谆谆教诲和耐心的分析指点，令我端正态度，勇于直面困难。他不但是我 学习与科研上的导师，也是我平时生活和做人的榜样，并将一直影响我今后的人生道 路。在此对高老师致以我最衷心的感谢! 非常感谢我的另一位导师刘玉生研究员，他乐观开朗的性格、勤恳务实的作风、 热情坦诚的为人以及认真严谨的科研精神都是我学习的榜样。在课题研究、论文写作 和生活等各个方面，刘老师都给予了我细致的指导和无私的帮助，屡屡令我在困境中 振作。在此对刘老师致以衷心的感谢! 感谢课题组的蔺宏伟副研究员、李明副研究员、郭晓宁博士后和李志华博士后的 帮助，感谢杨友东、杨文珍、李建华、赵伟、张书亭、周广平、孙锐、唐建国、李岷、 朱振华、张从辉、薛辉、周智华、陈翔、黄国祥、季益平、冼楚华、李淑新、杨钒沁、 李忠霖、魏王珏、王晨、鲍承会、曹伟娟、吴海胖、朱桦、张宗常、胡静、李路野、 曹悦、陈波、蒋浴芹、肖东等，在实验室里，大家相互帮助，团结协作，结下了深厚 的友谊，我们在一起学习的时光将构成我永久的美好回忆；感谢三维模型检索课题组 的高炜、胡保坤、俞洁、唐韦华和郭颂的帮助、讨论、合作与启发；特别感谢师姐陶 晓玲，是你身上的那份恬淡影响着我，让我在科研、生活中少了几分焦躁，多了几分 耐心! 感谢我的好友刘梅招和刘史敏，多年来，正是有你们风雨同舟，携手相伴，才使 得我的学习和生活充满欢乐，祝你们一帆风顺、前程似锦，人生一路有欢笑相伴! 深深地感谢我的父母，求学数载，背后始终有你们的支持，使我心中安定、脚下 踏实，唯愿你们永远平安康顺、幸福美满；感谢我的弟弟，父母有你相伴，使我少了 几分牵挂，多了几分安定，专心于科研，盼望你能在2 0 0 9 年的6 月份取得理想的高考 成绩，踏入你理想的大学校园! 浙江大学博士学位论文致谢 特别感谢我的男友刘跃东，是你的无私让我做出了直博的决定，开始了漫漫五年 的求学生涯；是你的鼓励让我走过研究中的一个个低谷，迎来了一次次的曙光；是你 一如既往的支持让我顺利完成学业。我很庆幸，生命中有你! 想要感谢的人太多，在此无法一一表述最后让我再一次向所有关心、爱护我的 人们表示我最衷心的感谢。谢谢你们! 白静 2 0 0 9 年11 月于紫金港启真湖畔 浙江大学博士学位论文绪论 第1 章绪论 【本章摘要】首先介绍c a d 技术的发展现状及发展趋势，然后综述基于内容三维模型检索技 术的研究现状，并分析现有三维模型检索在c a d 应用中存在的问题，最后提出本文的研究目标及 研究内容 1 1 引言 先进设计技术是先进制造技术的一个重要组成部分，对制造业的发展极其重要。 资料显示，产品设计的成本约占产品成本的1 5 2 0 ，但却决定了整个产品成本的 7 0 8 0 e 。计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) t 正- 是先进设计技术中极其重 要的一项，自提出至今，经过近半世纪的发展，其理论不断完善，技术不断发展，已 被广泛地应用于产品设计的各个领域，推动了几乎一切领域的设计革命。当今，c a d 技术的发展和应用已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一 f 2 】 随着c a d 技术的蓬勃发展和广泛应用，三维c a d 模型的数量和种类越来越多。 据保守估计全球约有近3 0 0 亿个三维c a d 产品模型，这些海量的三维c a d 模型及其 携带的设计知识为新产品的开发提供了丰富的资源美国科学中的一篇文章指出“在 产品设计中，只有2 0 左右的设计需要从头做起，有4 0 的设计可以通过直接重用已 有设计完成，另外4 0 0 勺设计则可以通过适当修改已有设计得到【3 p 重用已有设计模 型及其对应的工艺文件、工艺装备以及产品作业计划等知识，可以提高产品设计质量 及设计效率，同时减少生产组织中的工作多样性和重复性，从而降低生产成本、提高 生产质量和生产率，为企业带来巨大的经济效益。资料显示每重用一项已有设计往往 可以为企业节约2 0 0 0 0 3 3 0 0 0 美元【4 】 然而，研究表明，由于缺乏有效的辅助工具，工程设计人员只能依靠文本检索甚 至手工查找的方式来寻找合适重用的设计，这往往需要花掉产品设计时间的6 0 甚至 更多【5 1 ，极大地打击了他们重用已有设计的热情，最终导致他们放弃重用已有设计的 想法而选择重新开始全新设计。这种检索技术的落后导致大量已有设计模型及设计知 识无法被有效利用，造成设计人员时间、精力的极大浪费和企业经济上的极大损失。 因此，在三维设计工作仍然是十分耗时且易出错的今天，如何研究出有效的检索方法 浙江大学博士学位论文绪论 来帮助工程设计人员快速查找适合重用的设计模型和设计知识成为三维c a d 设计技 术中急待解决的问题。 基于内容的三维模型检索技术应运而生。它试图直接从三维模型中提取表征模型 本质属性的特征信息，并由此建立索引，通过相似比较确定查询结果，从而帮助用户 快速地找到需要的模型。与文本检索相比，这种检索技术以其高效、可靠的表征方式， 以其客观、稳定的检索结果受到了越来越多的关注。只是，到目前为止，基于内容的 三维模型检索研究仍然处于初始阶段，其研究对象主要是三维网格模型。然而，在c a d 领域，其主流模型是具有精确边界表示的实体模型，其检索目标是能够支持设计重用 的三维c a d 模型，这就决定了现有面向三维网格模型的检索方法难以有效支持三维 c a d 模型检索，更难以取得理想的检索效果。因此，探索研究面向三维c a d 模型检 索及其重用的检索方法极其必要。 1 2c a d 技术 1 2 1c a d 技术发展现状 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代中后期从1 9 6 2 年美国m i t 林肯实验室的 s u t h e r l a n d 6 】首次提出c a d 这一概念，至今已近半个世纪，c a d 技术取得了飞速的发 展。其核心的产品建模技术从最早的二维绘图开始，经历了线框造型、曲面造型、实 体造型、特征造型【7 一，目前正朝着涵盖整个产品设计，即包括产品构思、功能设计、 结构分析、加工制造、数据管理等内容的集成产品建模方向发展【9 1 ，如图1 1 所示。目 前，c a d 技术的发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 研究方面 c a d 技术各个方面的研究齐头并进，取得了卓越的成绩。其中c a d 建模方面： 参数化技术的发展已较为成熟，其研究对象已由传统的二维图纸、三维实体模型发展 到了包括零部件的装配关系【1 0 1 ，产品特征【1 1 1 ，产品变形设计【1 2 】等不同层次的参数化表 示模型；同步建模技术初露锋芒【1 3 】，它提出了无历史、基于特征的建模方式，合并了 尺寸驱动和约束驱动技术的精华，实现建模过程的全面控制、可重复性以及直接建模 的灵活性。在异构c a d 系统协同方面：基于基本图形转换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c s e x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 和产品数据转换规范s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c t 新江掌博学位论文 绪论 m o d e ld a t a ) 的几何散据交换技术已得到了广泛应用；基干参鼓化特征信息的交换技术 也得到了迅速发展，人们先后提出了多种方法并开发了乡个工具；而基干操作命令交 换的异构c a d 暮统在线集成在最近几年也受到了人们的广泛关注【l q 另外，c a x ( c a d c a e c a p p c a m ) 集成方面已由基于产品数据管理( p d m ) 系统的信息集威向 是罪层次的知识集成方向扩展【旧面对于c a d c a m 领域中诸多长期毗来难以有效解 决的问逛，如概念设计、优化设计、功能建模面向加工的制造和c a p p 等，日前人 们正在探求着解决它们的新方法与新途径 t # 豢#-威l产w_- # j _ - 实饿造型一至互j 曲面t ! 一c 二二 # 艇t ! 一- = 堆培目- 几何模簪 1 9 5 1 11 9 6 0 1 9 7 0 1 9 钟 1 9 9 0 2 0 0 0 圈1 _ l 产品信息模型的发展 ( 2 ) 开发方面 随着计算机软硬件价格的下降以及性能的提高，c a d 系统得到了大力发晨，现有 的商品化c a d 系统越来越多，其中最宥影响力的c a d c a m 系统包括c a t i a u g 、 p r o e 1 - d c a s 、c i m a t t o n 、m d t ，s o l i d e d g e 、s o f i d w o r 菩在国内，经过“八五”、 “九五”的努力，c a d c a m 技术应用取得了十分可喜的成绩，c a d c a m 软件系统 的开发也得到长足的发展目前国内自主开发的c a d c a m 系统主要有：广州红地技 术有限公司开发的叠银花系统、北京北航海尔软件有限公司开发的c a x a 电子图板和 c a x a 翻造工程师、华中理工大学机械学院开发的开目c a d 和北京高华计算机有限 公司推出的高华c a d ( 3 ) 应用方面 浙江大学博士学位论文 绪论 随着c a d 技术的发展，其在企业中也得到了广泛应用目前c a d 技术的应用大 致可以分为二大块：一是起到了“甩图板”的作用。国内大约有8 0 的企业在用c a d 系统进行二维绘图、出图，也有部分企业利用三维c a d 技术实现三维c a d 模型的造 型及初期的分析。在国外，三维设计功能得到了更加广泛的应用。这些应用使企业完 成了“甩图板”，提高了其设计效率及设计质量。另一块则体现在数控加工方面，目前 国内外均得到了较为广泛的应用且取得了理想的效果与效益。 1 2 2c a d 技术发展趋势 如上所述，c a d 技术已取得了一些重大突破并得到了广泛的应用，然而，随着 c a d 系统使用范围的不断扩大和计算机技术及相关学科的飞速发展，人们对c a d 系 统提出了更高的要求，c a d 技术正在朝着更加集成化、网络化和智能化的方向发展。 ( 1 ) 集成化 c a d 技术的集成化主要表现在以下三个方面：产品数据模型的集成化、产品设计 过程的集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化要求系统支持产品 从功能设计到详细设计整个生命周期的产品信息。产品设计过程的集成化要求系统支 持产品整个设计生命周期，不同的设计阶段能在一个集成化的环境下进行。设计功能 的集成化要求系统将众多的单独设计功能组合成一个统一的设计环境，为设计人员提 供设计过程中各种设计活动的支持。 ( 2 ) 网络化 工业的发展使得生产制造超大规模技术密集型产品称为可能，出现了大量超大型 项目和跨国界项目这些项目的一个突出特点是参与工作的人员众多，且地理分布较 广泛，而项目本身却要求各类型的工作人员紧密合作。为提高设计效率，要求产品设 计能够通过网络在异地异构的设计环境下并行协同的进行。而计算机网络和多媒体技 术的发展也为基于网络化的c a d 系统提供了基础。现有的支持网络化c a d 的技术可 分为异步协同设计技术【1 6 ，1 7 】和同步协同设计技术【博凋。从技术角度来看，由于同步协 同设计需要满足迅速响应、细粒度互操作等要求，实现起来比异步协同设计困难得多。 但是，鉴于同步协同在产品设计某些骱段的不可或缺性，它正在成为未来网络化c a d 技术的研究热点1 2 3 】。 ( 3 ) 智能化 4 浙江大学博士学位论文 绪论 c a d 系统的目的就是使人们尽可能地从繁重的设计活动中解放出来，从而将更多 的精力用于创新型设计中然而由于设计是一个非常复杂的过程，设计中的许多工作 都包含着专业知识、设计经验等人类特有的智能性活动。传统的以分析计算和结构设 计绘图为核心的c a d 系统无法协助人类完成这部分工作。为了使计算机发挥更强大 的作用，在c a d 系统中引入人工智能的思想、方法和技术，使c a d 系统具有专家的 知识和经验，对提高设计自动化具有极大的意义。 基于重用的设计正是一种利用嵌入在已有设计中的专业知识和设计经验辅助设计 人员高效、准确完成最终设计的设计方法，是智能化c a d 的发展方向之一。这种设 计方法通过重用已有设计可以提高设计效率、缩短开发周期，同时利用已有设计中经 过验证的设计知识可以提高产品的设计质量，而且还能够降低产品的成本。当前，随 着三维c a d 模型数量的迅猛增加，如何从海量模型中快速找到适合重用的设计模型 已成为基于重用的设计需要首先解决的问题。基于内容的的三维c a d 模型检索正是 解决这一问题的关键技术。 1 3 基于内容的三维模型检索技术 随着三维模型扫描技术、三维模型建模方法以及计算机硬件的发展，三维模型在 工业制造、虚拟地理环境、分子生物学、医学等诸多领域都得到了广泛应用。日益增 多的三维模型数据使得三维模型的检索成为继文本、图像、视频检索之后的又一热门 研究方向。现有的三维模型检索网站主要依靠文本关键字和目录浏览这两种手段实现 三维模型的检索。但是，由于文本关键字以及目录存在很大的主观性和片面性，不能 够对三维模型进行充分的描述，同时其可靠性和效率都不高，面对越来越多的三维模 型它们已经是无能为力了。 基于内容的三维模型检索技术应运而生它突破了传统的基于文本检索方法的局 限，按照一定方式从模型中自动提取能反映三维模型本质内容的信息，即形状描述符， 如形状、空间关系、材质的颜色以及纹理等，以此为基础建立三维模型的多维信息索 引，并在多维空间中计算待查询模型与目标模型之间的相似程度，实现对三维模型数 据库的检索【2 4 1 这种根据三维模型自身内容提取其描述符并利用相似比较完成检