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浙江工业大学硕士学位论文 c s c w 环境中的产品概念设计文法表示研究 摘要 概念设计是个创新的过程，在产品设计的过程中具有重要的作用。 c s c w 技术和产品概念设计技术的融合，为设计师远程合作设计提供了 很好的解决方案。但是目前的c s c w 环境下的协同设计系统大多关注于 与原有c a d c a x 系统的集成，丽很少考虑到概念设计阶段创新性的特 点。 笔输入草图界面友好，适合设计思维的表达。但采用笔输入草图 作为人机界面的系统，草图信息的网络共享是一个难点。本文分析了 草图技术的整个流程，将图元作为c s e w 环境下信息共享的基本单位。 本文通过对图元的分类、数学描述、自由度、约束等方面进行了 研究，设计了一个c s c w 环境下基于图元粒度的草图信息交互模型，并 对图元信息的描述作了规范化的定义，给出了图元和草图信息的e b n f 描述。最后，将形式化描述的图形转化为易于网络传输和理解的舰 形式，并用d t d 定义了图元的x m l 表示规范。 在对图元信息描述的基础上，给出了多部件关系描述方法，该方 法采用高度平衡二叉树的方式来描述产品组态。 关键词：草图，概念设计，c s c w ，文法表示，约束 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ng ra n 咖a rr e p r e s e 佘n ! 汀i o nf o r p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g ni nc s c w a b s t r a c t t h ec o n c e p t u a ld e s i g ni sa l li n n o v a t i v ep r o c e s s ，w h i c ht a k e sav i t a l r o l ei nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s t h ei n t e g r a t i o no f t e c h n o l o g yo f c s c w a n dp r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g nh a sp r o v i d e dav e r yg o o ds o l u t i o nf o rt h e l o n g - d i s t a n c ec o o p e r a t i o nd e s i g n i n g h o w e v e r , u n d e rt h ep r e s e n tc s c w e n v i r o n m e n t ，t h em o s to fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m sp a ya t t e n t i o nt ot h e i n t e g r a t i o nw i t ho r i g i n a lc a d c a xs y s t e m ，a n dt h ei n n o v a t i v e c h a r a c t e r i s d co fc o n c e p t u a ld e s i g ns t a g ea r es e l d o mc o n s i d e r e d t h ef r i e n du s e ri n t e r f a c eo fp e ni m p o r ts k e t c hi ss u i t a b l ef o rt h e r e p r e s e n t a t i o no fd e s i g nt h o u g h t b u ti fp e ni n p u ts k e t c ha d o p t e d 勰t h e u s e ri n t e r f a c es y s t e m ，t h en e t w o r ks h a r i n go fs k e t c hi n f o r m a t i o ni sa p r o b l e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew h o l ep r o c e s so fs k e t c ht e c h n o l o g y , t a k e st h ee l e m e n ta st h eb a s i cu n i to fi n f o r m a t i o ns h a r i n gi nc s c w t h r o u g h t h er e s e a r c ho ne l e m e n t c l a s s i f i c a t i o n ，m a t h e m a t i c s d e s c r i b i n ga n dc o n s t r a i n t , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e das k e t c hi n f o r m a t i o n i n t e r a c t i v em o d e lb a s e d0 1 1t h ee l e m e n ti nc s c w m o r e o v e r , i ta l s o p r e s e n t st h es t a n d a r d i z e dd e f i n i t i o no fe l e m e n ti n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o n ， i i 浙江工业大学硕士学位论文 a n dg i v e st h ee b n f d e s c r i p t i o no f e l e m e n ta n ds k e t c hi n f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ef o r m a ld e s c r i p t i o no f f i g u r ei st u r n e di n t ox m lf o r m , w h i c hi se a s yf o r n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n du n d e r s t a n d i n g ，a sw e l la st h ex m l e x p r e s s i o n s t a n d a r do fe l e m e n td e f i n e d w i t hd t d o nt h eb a s i so f i n f o r m a t i o nd e s c r i b e st oe l e m e n t , t h ep a p e rh a sg i v e n m u l t i 。c o m p o n e n t sr e l a t i o n s h i pd e s c r i b i n gm e t h o d ，w h i c hu s i n ga v lt r e e m e t h o d k e yw o r d s ：s k e t c h ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，c s c w , g r a m m a r , c o n s t r a i n t 浙江工业大学硕士学位论文 图索引 圈1 1 飞机概念设计图( 来源于艺术中国论坛)2 图1 2cscw系统协同工作模型4 图2 1 达芬奇的飞行器草图一 图2 - 2 草图技术基本原理流程 图2 - 3 草图规整过程 图3 - 1c s c w 环境下草图信息模型 图3 - 2 信息交互模型 图3 - 3 部分图元间的约束 图4 - 1 模拟环境 图4-2草图中的图元33 图5 - 1 用部件表示的草图 图5 - 2 用a v l 树表示部件关系流程 图5 - 3 二叉树转换图l 图5 - 4 二叉树转换图2 图5 - 5 二叉树转换图3 3 9 4 0 4 1 4 2 4 2 3 m ! 搭 博 船 s ： 浙江工业大学硕士学位论文 表3 一l 各阶段草图信息的表现形式 表3 - 2 图元与自由度个数对照表 表3 - 3 部分约束的提取规则描述 表3 - 4 部分约束的约束度 表索引 1 8 2 2 2 4 2 5 4 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名：汐关f 勺舡 日期：礴fz 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：丫象l 匀汤以日期：峨t 月y 罗日 翩铭惦记磊醐一月日 1 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 产品概念设计是产品设计的早期阶段，也是产品创新的重要阶段。随着全球 化趋势，设计师需要执行远距离合作设计的必要性会增加，计算机支持的协同设 计( c s c w ) 技术为分布式设计提供了很好的支持平台。但是目前的系统虽然能 产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身并不是为概念设计而开发的， 不允许快速输入和再现不完备的概念造型，同时缺乏设计方法学的支持，没有体 现概念设计的创造性过程。 1 1 本文主题所涉及相关概念解释 1 1 1 产品概念设计 当前，市场竞争日趋激烈，消费观念变化飞快，产品的刨叛性、外观造型、 宜人性等因素愈来愈受到重视，不断进行产品创新设计成为提高工业产品市场竞 争力的关键【。产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。 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 以下，并且很 难或不能在详细设计阶段纠正产品设计的缺陷1 2 j 。 对于产品概念设计的具体定义，从p a l h 和b e i t z 0 1 于1 9 8 4 年在( e n g i n e e r i n g d e s i g n ) 中第一次提出概念设计的这一名词以来，人们已经对此进行了二十多年 的研究，得出了众多不同的定义。p a l h 和b e i t z 3 j 将概念设计定义为“在确定任务 之后，通过抽象化拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本求 解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。”f r e n c e l 4 1 认为，“概 念设计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解。在此 l 浙江工业大学硕士学位论文 阶段中对设计师的要求较高，但却可以广泛地提高产品性能。它需要工程科学、 专业知识、产品加工方法和商业运作等各方面知识相互融合在一起，以作出一个 产品全生命周期内最为重要的决策。”f r e n e e 的定义侧重于对需求约束下产生的 方案的选择。r a om i 5 1 则定义为：“概念设计是在全面考虑各种设计约束的条件下， 图卜l 飞机概念设计图( 来源于艺术中国论坛) 以设计目标为输入，以产品概念设计方案为输出的系统所包含的工作流程，它是 决定产品最终质量、市场竞争力及企业获利的关键因素。”该定义将概念设计看作 “黑盒”，考虑该阶段的出入输出问题。马翠霞嘲在其博士论文中这样阐述：“概 念设计是一个求解实现功能、满足各种技术和经济指标、对可能存在方案的综合 分析并确定最优方案的过程，是一个发散思维和创新设计的过程。” 综上所述，本文将产品概念设计的特征总结如下： ( 1 ) 产品概念设计上承用户需求分析，下接详细设计，作为设计过程的早期 阶段，其核心在于产品创新。 ( 2 ) 相对于详细设计阶段，概念设计阶段对设计师的客观约束少，设计的自 由度大，创新的空间广。 ( 3 ) 概念设计是详细设计的基础，在概念设计阶段，初期的创意需要转变为 较具体的设计方案，从而为详细设计提供指导，是创意不断由模糊想法向具体表 述逼近的过程。 ( 4 ) 概念设计注重的是设计对象的宏观特征，丽不是细节描述。比如我们想 对某款式汽车进行概念设计，我们只需要得到汽车的外形，不必在意部件的具体 尺寸要求。 ( 5 ) 概念设计是自由度较大的阶段，同时也是灵感易逝的阶段，这就要求设 计者用最自然快速的交互方式来进行构思设计，记录下瞬间的刨意和灵感。 2 浙江工业大学顼士学位论文 1 1 2 计算机支持的协同工作 计算机支持的协同合作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 并不是 一个很新的东西。2 0 世纪6 0 年代，德国斯图加特大学理论物理学教授哈肯已经 提出了协同学的基本理论和观点，1 9 7 7 年发表了 s y n e r g e t i c s - - - - - a ni n t r o d u c t i o n c 协同学导论) 一书，正式建立了协同学的理论框架m 。这可以看作是c s c w 的基 础。至于c s c w 本身，其概念的出现至少可以追溯到1 9 8 4 年，当时m i t 的i r e n e g r i e f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 共同讨论如何发挥计算机在协同工作中的作用 时，组织了一个来自各个领域的科研人员组成的工作组，并首次提出了c s c w 的 概念嘲。 从出现之初，c s c w 就被认为是一个全新的研究领域。刚开始人们对于c s c w 的含义、研究的范围和焦点并不是很清楚，这使得关于c s c w 先后有过不同的理 解。b a n n o n 和s c b m i d t l 9 1 在1 9 8 9 年提出“c s c w 应致力于研究协同工作的本质和 特征，并以此为基础来设计出具有足够的计算机技术支持的协同工作的信息系 统。”d r o s e n b e r g 和c h u t c h i s o n l l 四认为“就其字面含义所示，c s c w 关注的是 人们一起共同工作的方式以及如何将计算机系统设计成能够在该方式下支持工作 的协作。”孙守迁【习教授认为“c s c w 可以定义为这样的计算机系统：它支持一组 用户参与一个任务，并提供给他们访问共享环境的接口：即一个任务、多个用户， 多用户为完成一项共同的任务而形成用户群( g r o u p ) ，c s c w 为这个用户群提供 协同支持”。 以上定义关注c s c w 的重点不同，有人直接从。c s c w ”这个英文缩写出发， 对其研究内容进行概括，并归纳为两个相互作用的层次f l l l ： ( 1 ) c w ：协同工作的研究处于上层，着重于探索协同工作韵本质特征、萋础 理论和方法，为下层系统提供具有指导意义的理论方法； ( 2 ) c s ：而有关计算机支持技术的研究处于下层，研究力量主要集中在为共 享环境下的人人交互、人机交互提供底层支撑技术。 c s c w 的目标是利用计算机技术和网络技术的最新研究成果来满足人类工作 中对群体性、协作性的要求，其主要的研究内容有： 1 协同工作模型研究 c s c w 本质上是一个分布式系统，各用户在地理上分布，各自使用自己的计 算机参与协同工作，但又不同于传统的分布式系统，如何建立一个通用高效的 3 塑坚三兰兰查兰堡主兰垡堡壅 c s c w 模型是一个难点。浙江大学孙守迁1 2 1 提出了包括基本分布功能层、c s c w 支撑平台及协同应用层的模型，如图1 - 2 所示。 i 基本分布功能a p l t l 各种协同应用 t i c s c w 姗 t i基于分布功能 面向用户协作的a p i 基本分布功能a p i 图i - 2c s c w 系统协同工作模型 2 同步机制的研究 多媒体通信同步是实现c s c w 系统中协作成员间面对面间交互的基础和关 键。多媒体通信同步包括时间同步、空间同步和时空综合同步，时间同步是指经 传输后的多媒体对象仍保持原来在时基上的约束关系。空间同步指各种媒体在显 示空问和视听空间上的配合与制约关系。时空综合同步是指在时间同步和空间同 步的基础上，实现多媒体信息在时空上的综合同步1 1 2 1 。 3 人机交互接口研究 在为用户提供共享工作环境中，要求每个用户对共享信息的访问和操作能够 被其他的协作用户所感知。支持在不同的c s c w 结点上形象地显示合作的共享信 息，并支持对不同视窗上的共享信息作各种有效的合作操作；支持不同的观点和 信息表示，一方面允许协作成员对协作信息和结论发表自己的见解。另一方面能 根据协作成员的不同权限、级别和层次表示共享信息。 3 共享对象的并发控制机制 在实时协作系统中，正在协作的多个站点可能产生相互独立的操作，作用于 共享文档中不同部分。当存在独立操作的并发执行时，确保一个操作在远端站点 与在本地站点的执行效果一致是非常重要的。国内外研究者提出了很多并发控制 策略，如采用f l o o r 控制机制，在一个时刻只允许一个用户处于活动状态【1 3 】；在对 象级别上采取较精细的并发控制策略等【1 4 1 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 3c s 伽下的产品概念设计 从产品概念设计的发展来看，现在面临着两个问题：概念设计是一个极其 复杂的创新思维过程，涉及多方面的知识，需要多人通力合作完成。随着全球 化趋势，设计活动需要远距离合作的可能性越来越大，这要求产品设计人员在不 同的地理环境下，及时交换意见，减少设计的反复，使设计更加合理。 计算机支持的协同工作( c s c w ) 的理论和方法，提出了支持产品概念设计 完整的规范性模式和协议，并在整个模式中执行适当的环境机制，把冲突经由规 范、沟通、分享与一致性后转为协调和协同，对于产品概念设计的发展是具有相 当重要意义的。比如t h a t c h e ra n dg r e y l i n t l 5 提出m e n t a lm o d e l so f t h ei n t e m e t ，大 意是说整个c s c w 上可以进行智能活动。t h o m a s 0 6 提出合作设计( c o l l a b o r a t i v e d e s i g n ) 理念，讨论了合作设计的意义以及设计活动框架。 对于协同设计，国内外的研究人员做了大量的工作。德国f r a u n h o f e rt 1 h 图形 研究所曾在xw m d o w s 工作站上研发了一个协同草图系统，并且成功地运用于欧 洲的汽车设计。该系统支持处于异地的多个用户对设计方案进行在线同步讨论。 k i m 1 8 】等开发了一个基于w e b 的三维协同标注系统c y b e r v i e w 。该系统采用 s t e p 文件到v r m l 模型转化的方式来处理数据，能使多个用户通过w e b 对服务 器的三维模型进行浏览和标注，从而间接地支持三维协同设计。此外，同步协同 建模系统有韩国l e e 等f 1 9 l 开发地基于w 曲的协同特征造型系统n e t f e a t u r e 和荷兰 d e l f t 大学b i d a r r a 等1 2 0 】研制的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f 。周勋等【2 1 l 也开 发了一个基于c o r b a 和w e b 协同实体造型系统w e b c o s m o s 。 从各方面的研究来看，国内的很多研究还是关注于与c 觥a x 系统的整合， 而不是概念设计的过程。过多重视实体信息，而不是产品设计的思维过程。c s c w 环境下的产品概念设计，c s c w 是支撑平台，产品概念设计在该平台上从事的活 动。要使产品概念设计在c s c w 环境下有效地开展活动，需要满足以下几个条件： 概念设计中的灵感是稍纵即逝，需要用最自然快速的交互方式来进行构思设计。 需要一个有效的机制来共享不同设计者的灵感。当不同的设计者的观念发生 冲突时，需要有效的协调和仲裁。 1 1 4 产品概念设计的文法表示 “c s c w 环境中的产品概念设计文法表示研究”是浙江省自然科学基金项目 5 浙江工业大学硕士学位论文 “c s c w 环境中的产品概念设计模式和机制的研究”的子课题，主要研究c s c w 环境下的产品概念设计的设计文法。 设计文法是从设计方法学的角度，对物体的造型、色彩、形状等构成要素及 其生成原理进行提炼、抽象而形成的形式化描述方法。它是实现计算机辅助智能 设计系统的基础之一。圈 当前，工业设计界学者提出的设计文法主要包括造型文法、色彩文法、形状 文法、造型转换文法等。潘云鹤f 2 3 1 认为，概念设计是设计过程的早期阶段，其目 标是获得产品的基本形式或形状。因而，本文重点讨论形状文法表示。本文中， 形状文法表示是指构成产品结构的产品部件的几何形状及尺寸的表示。 1 2 产品概念设计文法表示研究中的进展和不足 1 2 i 主要进展 产品概念设计文法表示，国内国外都做了大量的研究工作。舒慧林刚等，提 出了一种在概念设计阶段产品信息残缺的情况下的面向概念形状设计的定性立体 的表达方法，针对定性立体建模中出现的不确定特性，采用证据理论进行领域关 系的不确定关系建模。宋慧军 2 5 1 等将多色集合理论应用于概念设计产品模型形式 化描述中，以获得便于计算机仿真的概念设计产品模型数学描述。d a ms k i 等嘲 提出了一种基于逻辑的形状表达方法，其特别之处是对于表达的形状，其边界无 论是直线段还是曲线段，都具有较好的一致性，而且诸如拓扑、相切和封闭等形 状特征容易从表达方式中推导出来。t a u r a 等鲫提出了一个形状特征产生过程模 型，该模型由大量的有关细胞分解和聚类的规则集组成，细胞按照一定的规则进 行分解和聚类，从而产生概念形状。g o r t i 等i 冽提出了一种从符号描述到形状表达 的映射方法，其中包括从功能关系导出设计目标间的空间关系、求出这些空间关 系的解和展示几何形状表达的演化。由于符号描述比较接近人们对形状空间的认 识本质，有利于概念形状的创新。浙江大学的简i e - - 1 2 卿等人图案设计设计中的形 象思维进行了研究，借用加拿大学者g l a s g o w 提出的计算心像理论，用矩阵和图 6 浙江工业大学硕士学位论文 像元素的办法来描述图案。 在工业领域，国际标准化组织制定了产品数据表达与交换标准( s t a n d a r df o r e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a , s t e p ) ，标准号i s 0 1 0 3 0 3 。s t e p 标准的制定主要 针对不同的c a x 系统进行一致性的数据交换与资源的共享，特别是在c a x 系统 信息集成基础上进行的产品全生命周期数据共享。s t e p 标准已融合成一种在公司 间交换数据的中性格式，作为一种国际产品数据交换技术，s t e p 对产品生命周期 中的物理和功能特性提供无二义的、计算机可识剐的描述。此外，针对不同领域 信息，存在着各种信息表达和交换标准，如基于x m l 的v r 信息表达标准x 3 d 、 g i s 数据表达和交换标准的g m l 、二维矢量数据的表达标准s v g 等。 1 2 2 主要不足 目前研究中的不足主要有以下几点： 一、国内的很多研究还是关注于概念设计系统与原先c 燃a x 系统的整合， 而不是概念设计的过程。传统c a d 技术在产品几何建模方面比较成熟，然而传统 几何建模方法都是基于完全的、精确的、唯一的、定量的信息的数学描述，主要 是面向产品详细设计和造型绘图阶段。由于在概念设计阶段，其信息是不完全的、 不精确的、不确定的和定性的，这样要将原有的c a d 技术原本地应用到概念形 状设计中来，无疑会有较大的困难和一定的差距 3 0 1 。 二、s t e p 是国际标准化组织倡导的关于产品数据表达与交换的标准，但是缺 乏对概念设计阶段的支持。s t e p 的体系结构分为三层，分别是应用层、逻辑层和 物理层，其中逻辑层包括集成资源，是一个完整的产品模型。集成资源提供产品 信息的表达。每一集成资源是一个由e x p r e s s 描述的产品数据的集合。但是目 前的产品资源定义中，没有很好适应概念设计阶段思维特性的资源定义。 三、c s c w 环境下进行产品概念设计时，合作的设计师间沟通与分享创意的 方式是多样的，涉及到文字、声音、图像和影像数据。以前的研究大多集中于静 态视觉信息的共享，很少涉及声音和影像。 1 3 论文目标和论文组织 7 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 1 论文目标 本文是浙江省自然科学基金项目“c s c w 环境中的产品概念设计模式和机制 的研究”的子课题，目的是寻找一种c s c w 环境下的产品概念设计信息的形式化 描述方式，为设计信息的沟通提供支持。 根据前面凡节的讨论，本论文有以下几个目标； 寻找一种适合产品概念设计的人机交互方式，使设计师能快速自然地表达 创意： 对设计师表达的创意进行形式化的描述； 将形式化描述的转化为现有技术支持的易于网络传输和理解的表示办法， 使得不同地点的设计师能共享。 1 3 2 论文组织 本文的组织结构如下： 第一章，阐述项目的背景，国内外研究现状及本文拟解决的关键问题。 第二章，简要介绍基于草图技术的概念设计方法，并对草图技术的基本流程 进行了分析。 第三章，设计了一个c s c w 环境下基于图元粒度的草图信息交互模型，并对 图元的分类、数学描述、自由度、约束等方面进行了研究。 第四章，给出了图元和草图信息的e b n f 描述，并用d t d 规范了图元的x m l 表示。 第五章，采用二叉树，对部件进行结构化描述。 第六章，对全文的总结，并提出研究的不足之处和深入研究方向。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于草图的概念设计方法 概念设计是产品创新的重要阶段，设计早期的概念想法有很高价值，一种好 的表达方式即能够给早期设计提供框架结构，又能够更好地去辅助理解要解决的 问题。本章基于概念设计分柝，以草图作为信息载体来进行概念设计。提出了基 于草图的概念设计思维模型，讨论了草图技术的基本特征，并对草图技术的基本 原理流程进行了分析，为草图信息的形式化表示提供支持。 2 1 多通道人机界面与笔式用户界面 人机交互( h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) 人机界面是计算机与入( 使用者) 之问通信和对话的接口，是计算机系统的重要组成部分。计算机的发展，推动着 人机接口技术和人机界面的发展，人机界面从命令行界面发展到w i m p 界面，并 最终发展为多通道界面。 鼠标是二十世纪最伟大的发明之一，基于鼠标和图形用户界面( g u i ) 的交 互方式对计算机科学的发展产生了深刻的影响。基于w i m p ( 窗口鼠标菜单指点 设备) 的交互方式使得人们脱离了命令行，可以快速操作来提供各项服务，在很 大程度上促进了计算机的发展，是目前最流行的人机交互方式，但现在这种交互 方式却越来越受到批评。基于w i m p 的交互方式，是以机器为中心的交互方式， 人们要使用计算机，就要适应机器的要求，操作上存在着诸多限制阱】。 随着计算机的发展，人们不断追求更加人性化的交互方式。用户界面的自然 性是很重要的一个问题，它旨在利用人们所熟悉的一些技能来进行交互，而不必 有过多的训练和学习，从而实现人机之间的自然沟通和交流。多通道人机界面 0 小d 是基于视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等新的交互技术。它允 许用户利用多个交互通道以并行、非精确方式与计算机系统进行交互。在咀 中，用户可以使用自然的交互方式，如语音、手势、眼神、表情等与计算机系统 9 浙江工业大学硕士学位论文 进行协同工作| 3 2 1 。交互通道之间有串行，并行、互补，独立等多种关系，因此入机交 互方式向人与人交互靠拢，交互的自然性和高效性得到极大的提高。 多通道入机界面的多种技术中，笔式用户界面秉承了纸笔交互的优点。从掌 上型设备、桌面手写板和手写屏，笔交互界面都表现出了极大的适用性和方便性， 与基于桌面隐喻的界面技术相比，在表达力、灵活性和易用性等方面具有更大的 优势。在业界，早在1 9 9 1 年2 月美国微软公司和g o 公司分别发布了笔输入操作 系统w m d o w sf o rp e n 和p e n p o i n t ，接着有a p p l e 公司的n e v a o n 秘g e n e r a lm a g i c 的m a g i cc a p 等，这些系统和产品的出现及发展为笔式用户界面的实际应用创造 了条件网。 2 2 基于草图的思维模型 提到思考和思维，人们总会跟逻辑性的语言文字结合起来。其实图形、图像 也是一种很好的思考形式，尤其是对创造性思维来说b 4 1 。钱学森教授在其关于思 维科学一文中指出，研究思维科学的突破口在于形象思维1 3 5 1 。用图形记录思考的 过程与用图形表达思考的结果，是设计人员常用的设计辅助手段。历史上伟大的 设计师达芬奇就留下了大量的设计草图。 图2 - 1 达芬奇的飞行器草图 用草图来帮助思考，通常使用于设计的构思阶段。在这个阶段，思考与设计草 图的交流可以促进设想和理顺思路。 草图构思过程是设计师自我交谈的过程，即作者与设计草图相互交流。交流过 程涉及纸面的速写形象、眼、脑和手。通过这些组合循环产生原来脑中不存在的 l o 浙江工业大学硕士学位论文 设想，丽多个设想可以说都是相互联系的、相互作用的。思考过程将思想重新筛 选，着重于局部，然后再重新加以组合。在图解思考过程的中，眼、脑、手和速 写四个环节都有可能对通过交流环的信息进行添加、削减或者变化。由感觉协助 的眼睛可以选择一个焦点和筛除其他信息阳。 图解思考的潜力在于从纸面经过眼睛到大脑，然后返回纸面的信息循环之中。 理论上信息通过循环的次数越多，变化的机遇也越多。 2 3 草图技术及其基本特性 草图设计是生产和设计工作中最常用的一种表达手段，是人类一种自然而直 接的思路外化和交流方式。剑桥大学f e r g u s o n 明曾指出，设计者可以利用草图探 索新的想法，比较不同的方法并且捕捉灵感。他区分了三种不同的草图概念： 一是思考性草图( n i i l l k i 】n gs k e t c h ) ，设计者用来创意和指导思维； 二是说明性草图( p r e s c r i p t i v es k e t c h ) ，设计者用来指导绘图人员完成绘图； 三是讨论草图( t a l k i n gs k e t c h ) ，技术人员之间的交流时的草图，以解决一些 复杂或模糊的问题。 另外，草图还可以进一步分为概念草图和设计表达草图，概念草图和设计表 达草图差别很小，设计表达草图只是在概念草图的基础上进一步的工作，如线条 的重复加深，更加具体的阴影效果表达，或者更加详细的图形或者文字注释。 草图之所以能在概念设计的早期阶段发挥重要作用，是其独特的性能决定的， 其主要特性可概括为一下几个方面： ( 1 ) 模糊性；草图语义并不像机器语言所表达的那样明确，它更接近于人的 表达系统本身。 ( 2 ) 随意性：用户的输入意图与领域背景、思维方式、手绘习惯和偏好等多 种特性相关，手绘过程也会受到图形结构和设备特性等多种环境因素的影响，用 户手绘图形的结构及其内部关联都带有很强的主观性。 ( 3 ) 不确定性；手绘草图图形构成的完整性随着手绘过程而进化，且与其所 表达用户意图问无固定的映射关系 ( 4 ) 非独立性；草图语义往往是上下关联的，因此它的表达是有上下文的， l l 浙江工业大学硕士学位论文 因而不是独立的。 2 4 草图技术基本原理流程 根据计算机本身的特点，计算机支持的草图技术关键就是实现笔输入的草图 l 原始笔划输入 i笔划轨迹采样 i i线条分割与线条识别 j i 基于知识的线元关系推理与约束施加 j l基于领域知识的草图几何对象识别 图2 2 草图技术基本原理流程 i草图绘制 l草图识别 j i 草图规整( 几何层) i i 草图理解( 语义层) 表达，以及对模糊草图的识另1 j 和理解，能够将模糊不确定的草图转化为精确的数 字化的几何图形。也就是说它即发挥徒手绘制草图本身的特点，又能发挥计算机 技术的优势，利用其强大的造型表现能力，准确将设计意图表达出来。 2 4 。1 草图识别 草图识别过程包括预处理与图形构成识别两部分。预处理的目的是消除因输 入条件的限制和输入习惯的差异而存在于笔划中的噪声，如重复取样点、无意识 勾角等。图形构成识别则是草图识别的核心，其本质是将预处理后的草图轨迹按 照特定的构成规则归并为相应的图形类别。按照图形构成最小单元的定义和选取 及其表示方式的不同，可以分成以下几种草图识别规则：基于笔划表示的方法、 基于基本图元表示的方法、基于几何特征的方法和基于组合图形的方法。 1 2 塑坚三些奎兰堡主兰垡堡奎 1 基于笔划表示的方法 基于笔划表示方法的特点是直接利用用户的输入轨迹来进行草图识别。通常， 草图识别系统通过笔式交互方式获取的草图表示为若干由用户在落笔与提笔问的 取样点序列构成的笔划。 由于笔划是用户手绘草图输入的基本信息单元，因此最近在对适应用户个性 化习惯的手绘草图识别用户适应性研究中大多采用基于笔划表示的方法。l e v c n t 等( 3 8 1 提出了一种基于笔划的可训练手绘图形识别方法，通过将草图笔划转化为二 值图像，并采用多模板匹配联合的方式进行笔划成组和图形识别，从而将训练和 使用舍二为一，可以有效地处理多笔划输入图形，且对旋转、位置、大小都不敏 感。孙正兴等【3 9 1 提出了一种分别采用支撵向量机主动式增量学习和动态用户建模 技术进行笔划和复杂图形的识别方法。支撑向量机主动式增量学习方法通过主动 “分析”用户增量数据，并根据用户反馈从中选择重要数据作为训练样本，可有 效地鉴别用户手绘笔划特征，快速地识别用户输入笔划。动态用户建模技术贝i j 采 用增量决策树记录草图的笔划构成及其手绘过程，有效捕捉用户的复杂图形手绘 习惯，进而利用模糊匹配在草图绘制过程中预测和识别复杂图形。 2 基于基本图元表示的方法 基于基本图元表示的方法将图形表示为直线、弧、圆、曲线等图元在一定空 间关系下的组合，可消除对用户笔划模式限制且有效地处理多笔划草图识别问题。 基于基本图元的方法通常包含笔划分割、图形分类或识别、图形拟合和规整等步 骤。 笔划分割是基于图元表示识别方法的基础和关键，分割效果将会直接影响到 后期的识别效果。早期的方法都只将笔划的曲率作为分割依据，但其易受到用户 输入噪声的影响。基于当人们勾画拐角时速度有意识地变慢的认识，s e 画n 【帅l 提 出了结合绘制速度和曲线转角两个因素进行拐角判断和分割的方法，取得了较好 的分割效果 图形的分类或识别主要有两种方式：第一种是基于规则的方式。它通过枚举 图形类别和预定义模板属性在识别过程中依次测试图形是否与模板的属性一致。 如王淑侠【4 l 】提出了一种快速手绘草图在线识别办法，首先通过自适应方法判别折 线，然后基于最大距离检测角点，消除伪角点，最后进行笔迹分割和自线拟合。 第二种是训练模板方式。它通过事先定义好若于种属性的图形表现，从用户提交 浙江工业大学硕士学位论文 的样本中自动生成模板的属性。c a l h o u n 等( 4 2 1 通过定义图元之问的位置关系及图 形元素的属性，并采用语义网络组织图形模板；通过计算输入与图形模板的相似 度来实现图形识别。 3 基于几何特征的方法 基于几何特征的方法直接将图形作为识别单元，通过提取草图的几何特征用 于分类。其核心问题表现在两个方面：图形分组的自动化程度，即应尽可能在 保证用户输入流畅性的前提下识别图形单元；几何特征描述对图形分类的有效 性，即所选取的几何特征能确保对输入图形的可区分性或可识别程度。 对于图形分组，目前主要有两种方法：第一种是设置提笔的时间阈值，当用 户提笔超过此阈值时，系统认为是一个新图形的开始。这种方法以牺牲用户输入 的灵活性为代价。第二种方法是对当前输入图形与模板库的所有图形计算相似度， 并记录最大相似值，当输入过程中出现最大相似值骤减时则对图形分组。这种方 法的不足在于用户输入的草图必须是模板库中已有的图形，而且系统的开销较大。 , e v e n t 等1 4 3 1 针对电路图设计输入的图形分组策略，采用在图形输入时只识别简单 的“显著图形”，在电路图输入完整后再对草图进行图形分组，并同时识别电路图 的组件。这种方法不需要在用户绘画各个组件过程中刻意停顿，但对“显著图形” 定义有很强的依赖性。在图形几何特征表示方面，刘伟等【埘l 引入草图重心、重径 距和正规化重径限c r ) 等图形特征概念，提出手绘草图的神经网识别方法。该方法 以图素具有统计意义的正规化重径作为特征、以图素交叉方式组织正规化重径的 值作为学习样本，应用弹力传播的r p r o p 算法训练b p 神经网，一次训练即可得 到能够识别任意倾角和位置手绘草图图素的识别器。尽管其取得了较好的实验结 果，但神经网络对训练数据量的要求及其冗长的训练时间使其很难适应手绘草图 识别所需要解决的用户适应性问题。 2 ：4 2 草图规整 草图表达内容主要包括两个层次的内容：几何层和语义层，即线条之问的空 间关系和不同线条组合成的构造体所代表的设计语义和概念，因此成功的草图识 别应该最终能识别出这两个层次的内容，这是对模糊草图的准确识别和高层理解 的关键。而经过原始线条的初步识别，得到的只是大量零散的线元集，它们也仅 1 4 塑望三些奎堂堡主堂垡堡奎 仅尽量忠实于原始的笔划轨迹。虽然在草图绘制过程中设计师头脑中对这些线条 之间的空间位置关系和各线条组成的构造体所代表的意义己经有清晰的了解，但 这些内容在初步识别出的草图中并没有得到充分体现。因此，如何能够发现这些 线条关系和理解草图表达的语义信息，对于推动草图的更高层次识别具有至关重 要的意义1 4 习。 为了便于对草图规整技术的深入探讨和理解，首先介绍草图规整及其相关的 几个重要概念。 草图文法( s k e t c hg r a m m a r ) ：草图表达中线条之间的相互空闻几何关系f 位 置、拓扑、尺寸关系1 及其构造规则。 草图上下文( s k e t c hg r a m m a r ) ：在草图表达中基于某个特定线条或者构造 体并且决定或者影响其几何文法或者含义的部分。 草图规整( s k c c t hb e a u t i f i c a t i o n ) ：通过空问几何关系的添加，从原来的零散 的线元集到规则几何图形的转换过程，它包括草图表达中设计意图的捕捉和基于 设计意图的线条规整。 i线元集 上 i 获取草图上下文内容 上 l i捕捉设计意图 上 i线元关系推理 上 l 线元关系和约束施加 上 l线元调整和重绘 上 l 规则几何图形 图2 - 3 草图规整过程 草图规整是一个基于知识的计算机智能处理过程，它大致需要以下几个步骤， 即获取草图上下文内容，推理设计意图，并按照一定规则( 模式) 推理线元之同 的关系，通过施加一定的关系和约束，调整或者重绘线元对象，最终得到规则的 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 几何图形。 2 4 3 草图理解 草图理解( s k e t c h i n gu n d o s t a n d i n g ) 是从语义层面实现对草图的更高层次的 识别。草图理解的目的就是在基于基本草图表达的基础上，从设计语义角度，以 更高智能水平获取草图本身表达的具体创意，概念和表达对象的属性特征。 领域知识是解决草图不确定性的重要条件。草图理解是面向具体领域的，领 域知识可以帮助草图识别。通过前面的草图规整，原始草图被规整为规则的几何 图形，但这和设计师理解的水平还是有很大差距，因为在他们脑子里不是几何图 形元素的集合，而是他们组合起来分别代表什么具体的设计形象，表达什么对象、 概念。和草图规整相比，后者属于几何层面，它和应用领域无关，即它是跨领域 的，而草图理解属于语义概念层面，不同领域同一结构体会有不同的解释，因此 它和具体领域有关，如同一个箭头，在u m l 图中表示流程，在机构运动学中襄 示力。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章草图信息的知识表达 本章讨论了c s c w 环境下草图的信息模型，提出了草图的层次性以及在不同 层级信息的表达形式。草图的参数化是草图进一步处理的基础。本章详细分析了 草图中的图元的特性，从分类、数学攒述、自由度、约束等方面进行了讨论，为 草图信息的形式化表示提供基础。 3 1 草图的信息模型 l a l 伍嘲j 4 6 1 以及b a y a r 4 懒讨在机械设计领域中设计人员所需的设计信息，认 为所谓的“设计信息”是指在整个设计程序过程中，由最初的概念设计阶段到最 终的细部设计阶段，设计工程师或设计组织所产生、引用，和用来咨询的所有资 料，这些信息以文字、图像或影视的资料形式呈现。由此可知，在产品设计的过 程中，设计思想的表达存在的多种形式。 概念设计的早期阶段，激发的灵感是较为“黑箱”的。设计师可能从大漠孤 烟、长虹落日中激发，也可能从一张图片、一行文字或一段影片中得到创意。其 中创意发展的过程，一直是仅存在于设计师脑袋中的最深处，一般人也很难一窥 究竟，对于设计师本人也是“纵有千言万语在心头，提笔却是无从说”的感慨。 在这阶段的创意是种模糊的感性的想法。到了概念设计的晚期，设计的信息需要 指导详细设计，因而该阶段的信息是较为规则的表述。可见，产品设计的过程是 个不断由模糊向精确逼近的过程。作为概念设计信息表达载体的草图，信息的