简单CAD图纸检索的研究与实现

简单CAD图纸检索的研究与实现 吉林大学硕士研究生论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1图纸检索的背景 近年来CAD不仅在大中型企业在小型企业中已经得到普遍应用。在我国的中小型企业中应用最广泛的应是Autodesk的AutoCAD或类似系统如白玉兰CAD等普通的二维CAD图纸设计软件。它不仅用于生产制造业在建筑业、信息行业的GIS中都有普遍应用。 毫无疑问CAD的应用在很大程度上提高了企业的工作效率并给企业带来可观的经济效益。但目前引入CAD系统的企业基本上仅仅把它作为绘图工具所作的图纸也仅仅作为当前生产的应用图纸之间是孤立的。随着CAD软件的长期应用各单位必将积累大量的有用信息。这些信息如何管理以及如何从这些信息中提取特定的有用的信息则成为新的研究热点。早期的调研表明对一个中小型企业来说从制造模型角度看有超过68的机械部件具有相似性1。设计人员每接到一项新任务都是从头开始设计那么如何使用以前的图纸使图纸设计人员不必从头开始、可以在原有图纸基础之上进行适当的改进就可以满足用户的设计需求问题就是图纸重利用。图纸重用的研究在国外是比较热点的一项课题。图纸重用的工作主要包括图纸的检索和图纸修改其中重点是图纸的检索图纸检索从检索方法上分为两种1根据图纸中明细栏和标题栏中文本信息的检索2根据图纸中图形的几何形状信息及空间信息进行检索即基于内容的图纸的检索。本文的研究重点是基于内容的图纸的检索。在介绍基于内容的图纸检索前首先回顾一下基于内容的检索的概念。 1. 2基于内容的检索 1.2.1基于内容的图像检索 基于内容的检索方法最先是应用于图像检索领域即基于内容的图像检索CBIR。图像的检索就目前来说也还是以文本关键字的检索方式如目前的最流行的基于网络的检索工具Google、Yahoo、Infoseek、Lycos等都是采用文本方式。但采用对图像建立关键词的文本描述信息的方式检索图像或图形内容已越来越不适应网络信息检索或大型数据库系统的要求究其原因主要是存在如下局限性 吉林大学硕士研究生论文 - 2 - ?图像加注文本信息仍由手工完成随着图像数据来源日益广泛这种方法显得费时费力。 ?文本描述信息是非常主观的不同的人对同一幅图像数据可能有不同的理解因此当用户在查询时输入的关键词和数据库中的关键词不一致或这些关键词根本就不存在时将导致查询的失败。 ?“一幅画胜过千言万语”区区几个关键词很难将所反映的内容描述清楚。 ?由于媒体信息是发布在Internet网络环境中不同国家不同民族很难用同一种语言对图像进行加注标识而且对图像语义理解的差别很大。 总之人工文本标注的关键词检索除了存在主观性、不准确和开销太大的弊端外还难以实现图像外观的相似性检索。为了突破关键词检索方式的诸多弊端人们又转向研究图像中所包含的内容信息作为图像的索引其主要的方法是根据图像的色彩、纹理、图像对象的形状以及它们的空间关系等内容特征作为图像的索引计算查询图像和目标图像的相似距离按形似度匹配进行检索其目的是试图解决图像数据库系统中的手工建立文本标注信息的缺点。 1.2.2基于内容的图像检索的特点 基于内容的图像的检索有以下特点 ?直接从图像中提取语义线索和特征并根据这些线索从大量存储在数据库的图像中查找并检索出具有相似特征的图像数据来。它突破了传统的基于字符表达式检索的局限。传统的图像检索主要是通过给图像赋予一组特征描述数据用来表达图像数据的内容将对图像本身的检索转化为对特征数据的检索根据字符的匹配查找到相应的图像。显然这个转换过程妨碍了有效交互被称为“转换障碍”难以满足用户各种各样的需求。对于建库者来说要准确地对图像进行特征描述比较困难往往会因个人的知识、经验、理解不同而有所差异而且并不是索引的图像对象的特 征都能用字符描述出来。基于内容的图像检索直接对图像内容进行分析抽取特征和语义把检索过程与语义提取直接地联系在一起使得检索过程更加有效适应性更强。 ?以相似比对取代吻合比对。在字符检索中因为一字一码故通常采用吻合match比对方式以精确匹配为主。在基于内容的图像检索中由于相同内容的图像有不同的表现方式如同一场景的照片就有远景和近景之分故通常采用相似匹配方式以获得类似结构不断缩小检索范围直至定位于吉林大学硕士研究生论文 - 3 - 所要求的目标这是一个迭代过程与常规数据库检索的精确匹配不一样。 ?采用直观的可视化提问方式。基于内容的图像检索通常采用示例查询法当用户不清楚检索提问要求或不熟悉图像信息结构类型时可通过浏览选择例子或自己绘制图形作为查询条件。 ?检索效率较高。能从数据库中以较快的速度查找到有关图像因为它可以不去理解和识别图像中的对象所关注的是基于内容快速地发现信息。 1.2.3 基于内容的图像检索的方法 图像检索主要依据图像的颜色、纹理、形状特征以及图像中子图像的特征进行检索。常见的检索内容主要包括?颜色图像颜色分布、相互关系、组成等。?纹理图像的纹理结构、方向、组合及对称关系等。?形状图像轮廓组成、形状、大小等。?对象图像中子对象的关系、数量、属性、旋转等。 基于内容的图像检索目前常用的方式有?选择颜色的比例、层次以及纹理图案的图样进行查询。?用生成表示物体和物体空间关系的符合图像进行查询。?用画图工具生成与希望查找的图像颜色分布相似的图像进行查询。 1.2.4 基于内容的图像检索的系统 目前国外已经开发出用于图像检索的系统如IBM的QBIC、哥伦比亚大学的VisualSEEK、Virage公司的Virage、柏克利加州大学的Cypress、Illustra的Datablade等。 QBIC的系统结构有图像入库、特征计算、查询阶段3部分组成。在检索技术方面QBIC提供了基于色彩、纹理、形状和手绘草图的图像检索方法。色彩特征的表达采用了平均色和色彩直方图两种方法纹理特征的表达采用了纹理的粗糙度、对比度和方向性3者的综合形状特征的表达采用了形状的面积、圆形度、离心率、主轴方向以及一组变换无关矩等描述方法。QBIC的基于图像内容检索的技术已制成独立产品。如IBM数字图书馆、超媒体管理器、DB2数据库的图像扩展等工具软件。 VisualSEEK系统由4部分组成。VisualSEEK提供了基于色彩和纹理的检索方法。在VisualSEEK中整幅图像色彩的分布使用了全局色彩直方图区域色彩的索引用二进制色彩集表达方法。 吉林大学硕士研究生论文 - 4 - 1.3CAD图纸检索 1.3.1基于文本信息的图纸检索 此种系统的设计一般都采用的办法是从标题栏和明细表中提取文本信息使从图纸中提取的文本信息和图纸或图纸ID相关联用此文本信息来查询图纸。这样图纸检索系统就可以通过对检索属性设计人、设计日期等进行检索也可以通过归档产品信息各种机规信息进行检索。此种系统是根据明细栏和标题栏的位置来确定文本信息的含义并把明细栏和标题栏中的文本信息作为数据库的关键词进行检索实质上是关系数据库的应用。但因为不同的单位设计的图纸的明细栏和标题栏的结构不同很难确定具体的字符串的含义。当针对某个单位开发的系统时因同一个单位的标题栏和明细栏结构固定而且大多数都是一个模板开发出的可以借助AutoDesk公司的二次开发系统比较容易地提取出文本信息但一个模板只能针对一个单位不具有通用性。此种系统比较出名的有博宏DrawingCenter系统等。 1.3.2基于成组技术的图纸检索 成组技术GTGroup Technology是一门基于解决多品种多批量生产所存在的种种问题而产生的生产技术应用性科学它利用统计分析和相似性的理论将分散的小生产量汇集成较大的成组生 产把多品种转化为少品种小批量转化为大批量显著地提高了多品种多批量生产的经济效益。成组技术的最初应用是在指导机械零件的制造工艺方面把许多结构不同的零件按工艺相似性分类整理成零件族设计出适合全组零件加工的成组工序从而取得最佳的生产经济效益。随着成组技术理论体系的完善成组技术的应用不仅在制造工艺方面而且在产品设计和生产管理方面也日益广泛特别是与计算机技术的结合使得成组技术的应用更加简单、实用。 成组技术GT是这样一种通过收集和分析有关同类相似零部件在设计、工艺和生产方面的资料以便能提供的产品零件分类编码系统。因此成组技术实际上是利用事物之间的继承性和相似性通过相应的分类技术达到把表面上零乱的事物各自归并成组的目的。传统的做法习惯于对每个事物采取孤立的原则和方法去解决相似或相同的问题这必然导致不必要的多样化和重复性。在工艺设计中表现为出图的多样化和重复性造成工艺的多样化和重复性。多吉林大学硕士研究生论文 - 5 - 样化导致生产和管理的复杂化而重复性则是徒然的浪费资源。成组技术通过分类编码系统把设计标准化和工艺标准化联系起来很好的解决了这个问题。实施成组技术的首要步骤是制定适合本企业使用的产品零件分类编码系统。这样设计部门便可据此检索同类零件的图纸和其他设计信息或对该类零件进行标准化工作工艺部门则可据此并结合生产流程分析而建立工艺相似零件组制定标准工艺和相应的生产单元。劳资部门可以据此制定和检索同类相似零件的标准工时定额资料。财务部门可以据此核算和检索同类相似零件的标准成本资料。生产单元是实施成组技术的基本生产组织形式它要求现有企业重新按生产单元来改建车间重新调整和分配生产设备。企业必须在全面考虑实施成组技术的总体规划基础上有 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、有步骤地依次建立生产单元。把成组技术与现代计算机技术所具有的处理信息快 储存容量大 检索方便灵活的特点融为一体 可以彻底克服常规工艺设计的弊端 借助于计算机技术的成组技术首先实现工艺设计的标准化 消除同类零件工艺设计的重复性和多样性 进而实现工艺设计的自动化 使工艺人员从重复性劳动中解放出来 将主要精力用于具有开创性的工艺研究上来。 在图纸检索系统中利用GT技术对产品的部件进行分类、编码把图纸中的图形信息转化成文本信息存储、检索以便图纸以后的重用。但需要在存储图纸的过程中用户交互地输入图纸的信息由系统输入到数据库中。这样的系统不能解决现有图纸的入库工作。系统主要是根据图纸的分类类别进行图纸检索并重用。 基于成组技术原理的设计方法和检索系统国内外主要有如下几种 ?美国奥瓦都那Ovatonna工具公司2生产6500项系列产品批量32000件从70年代末即应用GT采用MDBI零件分类代码系统主码8位16进制、混合字符对31000种零件进行了编码利用75位“分类编码卡”和“代码数据检索卡”进行图纸检索。设计师设计新零件时先确定其代码并据此检索已有图库当既无“适用”零件又无“经修改后适用”的零件时才能进行新零件的创成设计。实施GT两年半就节约93.3万美元其中成组设计占56.2万美元。因缩短产品开发周期提高了市场占有率和公司竞争能力的综合整体效益更为巨大。 ?国内经纬纺织机械厂“八五”期间按照成组技术方法和并行工程思想开发、实施了纺机零件的GTCAD系统。利用三位线性分类代码与“事物特性表”相结合的零件标识方法在图形工作站上储存了三种机型的108类13000张已吉林大学硕士研究生论文 - 6 - 规范化的工程图。借助交互式GTCAD软件按照查寻、借用、修改、设计的顺序进行系列产品的开发设计。更新传统设计观念制定了借用已有图纸节约费用的算法平均每种2000元和对继承性设计的奖励办法拿出专项资金奖励借 用同系列或跨系列产品图库中规格化图纸的设计师。调动了设计师的积极性、创造性取得了事半功倍的显著效果使系列产品的开发周期缩短了3050因实施GTCAD限制人为多样化而使新设计零件减少每年仅工装费用就节省200万元。GTCAD在简化管理、增强竞争力诸方面带来的多种综合效益是不言而喻的。 GTCAD的基本原理是首先制定适宜的信息标识体系。即制定产品、部件、零件、特征多次的信息分类代码系统以弥补传统图样标识的不足利用计算机和应用程序对各种处理对象进行属性标识、分析、统计和合理化处理然后按照简化、优选、标准化和成组技术的理论及方法基于对象固有的特征、属性将其划分为不同层次的“对象族”并分别建立共享数据库当根据客观需求开发新产品时借助有关的GTCAD程序按照查寻?继承选用?修改设计?创新设计的顺序分层次完成产品、部件、零件、要素的变异设计或创成设计。并将新产品必须的变异或创成设计的新成果按同样的分类、标识、存储方法补充到相应的数据库。由此可见GTCAD的实质内涵是按照相似原理更新传统设计观念有效利用计算机的数据处理优势实现继承?创新?再继承?再创新产品开发过程的良性循环使企业跳出误圈迅速、优质、低成本地推出适应需求的新产品。 基于成组技术的CAD系统虽然能够解决CAD图纸的编码、检索、重用等问题。但以上基于成组技术的图纸检索系统都是在CAD系统的基础上进行二次开发或设计新的CAD系统。而不能解决已有图纸的重用问题。而且其检索原理是根据图纸中部件的类别及其参数进行检索用户提交的是部件文本信息关键字而有些图纸中的内容只用几个关键字很难全面准确地描述不能对图纸中的多个部件同时检索更没有多个部件之间的方向和托普空间关系的描述。概括起来有如下几个缺点 1需要开发新的CAD系统工作量大 2保存图纸时候需要人工交互参与非常麻烦 3不能重用已有图纸 4不能跨系统平台、专用性强 5只能根据部件的名称和参数检索而不能在不同部件之间查询 吉林大学硕士研究生论文 - 7 - 6不能对多个部件进行检索 1.3.3基于内容的图纸的检索 基于成组技术的图纸的检索是从部件层次上考虑的形状信息而许多应用场合需要能够从特征层次上或几何层次上进行检索以满足在不同部件之间的重用。随着基于内容的图像检索技术的研究的深入和发展以及因基于文本进行图纸检索及基于成组技术检索的弊端国内外越来越多的研究者把基于内容的检索方法引入到CAD领域利用图形特征描述实现CAD图形检索3。基于内容的图纸的检索是根据图纸信息中的图形的几何信息以及不同部件之间的空间关系对图纸进行检索。系统首先需要提取出图纸的几何特征信息及其空间关系信息并作为图纸的特征信息保存到图纸特征库中用户设计新的图纸时候只需要画出所要设计图纸内容的草图并提交给系统由系统在已有的图纸库中检索出和所提交的图纸的部件具有相似的几何特征以及部件之间具有相似的空间关系的图纸用户只需在检索出的图纸中取最为相似的图纸并作适当的修改即可满足新的设计要求而无需从头开始设计图纸。 目前国内仍未基于内容的图纸检索系统国外的基于内容的图纸检索系统有S3Similarity Search System系统4该系统是由Munich大学和欧洲的汽车制造工业的供应商联合开发的基于内容的图纸检索系统该系统是支持工业CAD部件相似性检索和管理的数据库管理系统原型S3支持下列三种类型的相似性查询示例查询、草图查询和语义相似查询。S3是一个面向对象的系统它提供了图形用户接口。除提供基于几何相似性检索的多种最新的算法和索引结构外它还是一个优秀的开发和测试新算法和索引结构的测试平台。该系统主要用于检索被汽车制造商称为“clips”的部件。“clips”是由塑料 造成的由模型做成其形状几乎没有任何限制、多种多样。因每个汽车模型需要许多不同的部件公司生产的部件的数量非常巨大。公司的目的在于通过最大化使用已有部件来减低生产新部件的成本或检索出相似部件的图纸通过修改已有图纸来缩短开发成本。部件重用的重要性在于新部件在某些细节上与公司部件数据库中原有设计的部件一致或相似。如果发现相似部件设计和生产新部件的成本就会大大减低这是因为缩短了设计该部件的时间且可以重用生产成本较高的部件。给定查询部件后查找所有相似的部件是减低成本的关键。 吉林大学硕士研究生论文 - 8 - 图1.1 S3系统的部件库浏览图 在S3系统中部件是由二维简单多边形和相关语义属性描述的。系统包括三个主要部分。每个部分有一个图形用户接口interact with the user and the other components 。这些部分是1部件库 2相似索引 3结果可视化 S3的检索算ㄖ饕捎昧肆街炙惴?1Mehrotra-Gary算法5Mehrotra and Gary提出的算法是检索相似的轮廓。该算法从部件的多边形中提取定长的区域并计算该区域的长度和角度。初始化后特征向量就可以从角度信息中构造出来。 2Section Coding算法 Section Coding的基本思想是确定多边形的外接圆把该圆分为k部分然后计算多边形面积在每部分的比例。 由于S3系统检索的对象均为“clips”部件考虑的仅是一个对象故S3系统没有考虑对象之间的空间关系而且通过图1.1中S3部件图库中保马汽车公司BMW的clips浏览图我们不难看出该系统中部件库的浏览图全是吉林大学硕士研究生论文 - 9 - 简单图。任何一个图都只是一个封闭图形没有封闭体的交叉。 1.4本文的主要工作 本文的研究内容及其对应的章节 第一章综述了图纸检索的意义、基于内容的检索理论、基于文本的图纸检索、基于成组技术的CAD图纸检索及基于内容的图纸检索。 第二章二维形状的描述方法 第三章形状相似性度量 第四章图形的空间关系 第五章多维空间特征检索策略及算法 第六章基于内容的简单图纸检索系统的实现 吉林大学硕士研究生论文 - 10 - 第二章 二维形状的描述方法 形状是图像的重要可视化内容在CAD图纸中更是如此。在二维图像空间中形状是一条封闭的轮廓曲线所包围的区域因此对形状的描述涉及到对轮廓边界的描述以及对这个边界所包围区域的描述。目前基于形状检索方法大多采用从形状的轮廓特征和形状的区域特征建立图像索引的实现方法。 形状在实现目标对象检索中有非常重要的意义是CAD图纸中对象的最明显特征。由于形状的相似性度量是视觉处碇蟹浅,训奈侍庖虼嘶谕枷衲谖锾宓男巫醇焖魇峭枷衲谌菁焖骷际踔凶罹哂刑粽叫缘奈侍狻,贑AD图纸中不存在纹理、颜色等信息这就更显示出形状信息的重要性。形状信息用于检索需要涉及到机械设计中的形状和形状信息的理解、形状信息的抽象和描述、从几何到形状信息描述的映射的方法和算法以及其逆过程、形状信息存储工具。在形状检索中一般认为对物体的描述和匹配是二维物体的识别中的两个主要难题。本文分别讨论以上几个问题。 2.1形状的基本定义 理论上讲形状信息不仅能在部件或特征层次上解释而且可以从几何层次上解释。这种大量的被称为结构特征形状特征form feature信息通常和考虑部件区域的特定曲率和奇异点有关。而在制造和其他应用领域特征通常描述的是高层语义信息只有低层几何信息能从结构特征上得到。物理形状的特征化需要同时从考虑拓扑、形态和几何方面考虑。关于形状的一些定义如下6 定义1与一个对象Q相关的几何形状看做是集合点SG中所有的点pjpj?3n构成的形状的物理整体图即SGQpj?ΥPj 定义2与一个对象相关的形态形状Morphological shapeSM 是由点pj的子集zk组成的Zk簇所以SMNk1Υzk组成了覆盖描述物理形状的形态形状 其中 zkkjzp?Υpj 定义3与对象相关的拓扑形状ST是一个Hausdorff空间STST中的每个点吉林大学硕士研究生论文 - 11 - ti在空间上相邻且颜色相似故STΥ?1iti 。 根据这些定义最底层的特征信息和几何形状相关。为在特征层次上描述形状信息需要同时考虑形状的几何解释和形态解释但在部件层次上除了这两种形状也要考虑拓普形状以便提供连续性。但事实上形状信息的重利用研究通常要遵循以下两个策略要么考虑部件作为一个整体所蕴含的形状信息要么单个部件的结构form形状特征所蕴含的形状信息7 9。 因这两中策略的不同他们的实现也有如下所解释的不同方法 2.2部件作为整体的形状信息 把部件的形状信息作为一个整体的方法建立在机械部件的全局形态的特征基础之上。这些高度抽象的方法可以通过一个元组向量勾勒出一个部件的形状信息每个元组代表特定的形状特征。以部件作为整体的形状信息获取依赖于整体形状的综合分析。整体形状的处理面临着复杂管理问题。设计人员工程人员和应用系统面临着同样复杂的问题。然而主要问题是形状所含有的信息仅仅对人类有意义表达conveyed的含义依赖于提取信息的领域。同样形状的对象在不同.