基于“笔”输入模式的产品结构草图快速设计系统研究

訾乃全

北京航天自动控制研究所，北京100854

产品结构草图设计作为产品结构设计的早期阶段，是设计人员灵感的“盛产期”。工程人员头脑中的想法是即时而过的，需要把它快速记录下来，本文针对产品的结构草图快速设计需求，巧妙利用多功能笔的交互能力，在航天工程草图设计过程中融合手势输入和笔划输入，提供了一个一体化的输入、编辑环境，提出“笔”输入模式的结构设计思想。文中从总体方案设计、软件架构、识别流程、核心软件识别匹配算法等方面对基于“笔”输入模式的产品结构草图快速设计系统进行深入详细的介绍。

1 基于“笔”输入模式的航天产品结构草图设计系统的总体方案

开发基于“笔”输入的产品结构设计系统分为底层硬件环境及其配套软件，设计系统整体总体方案:开发设计出融合位置、压力、方向等功能敏感器的多功能设计光笔，配套对应的硬件系统的设备驱动程序，硬件工作平台PC 机安装配套软件，通过光笔和输入板输入草图信息后经过分离器预处理，笔划、手势、扩展手势识别，再进行图形数据库匹配，完成输入信息的整套处理过程，最后利用系统反馈模块显示草图，并通过人回路进行判断和后续处理，完成产品结构设计输入和草图生成的工作流程。其中基于“笔”输入的设计总体方案如图1 所示。

图1 基于“笔”输入模式的航天产品结构草图设计系统的总体框架图

其中系统硬件主要包括:具有高精度定位功能，融合笔压、笔划顺序等传感器的光笔;高精度分离液晶显示屏;一体化输入板等硬件开发平台。开发此种硬件环境是开创性的工作。其中核心硬件多功能光笔产品模型如图2 所示。

2 基于“笔”输入模式的产品结构草图设计系统的软件设计

2.1 基于“笔”输入模式设计系统的软件总体框架

图2 “笔”输入模式的多功能光笔产品模型图

为实现产品结构草图快速设计的目的，设计“笔”输入软件结构时，为了整个软件系统结构清晰，功能明确，便于维护，该软件系统从层次结构来组建模块划分。层次结构的作用在于能把各层的软件功能单元分隔开，每一层向其上一层提供调用服务，并调用其下一层的服务，而与其他的层保持独立。本系统共分为5 层:硬件层、输入层、识别层、应用层和表示层。相应的，对数据的处理过程也是自下而上，数据是逐层向上路由的。各层的作用如下:

1)硬件层:由“笔”输入驱动模块组成。向上层提供与硬件无关的笔输入数据;

2)输入层:由“笔”输入平台模块组成。该层包装从硬件层获取的输入数据，并把它路由到上一层进行处理;

3)识别层:包含数据分离器模块、手势识别器、扩展手势识别器、“笔划”识别器4个模块。该层对路由来的数据分成手势和笔划，并分别进行相应的处理。识别层处理后的数据变成几何图元或手势ID;

4)应用层:该层对应于具体的应用，因此它是应用相关的。该层根据当前装载的模板库来进行语义解释，把手势ID 映射到具体的命令，把单独的几何元素组合成更有意义的图形;

5)表示层:表示层向用户输出有关的信息。把操作命令的结果及“笔划”识别的结果以一种直观自然的方式呈现给用户。

根据“笔”模式设计系统的物理层和功能层，软件系统整体框架见图3 中深色部分。

2.2 基于“笔”输入模式的软件工作流程

基于前述思想研制了“笔”输入模式原型系统，用于实现“笔”模式结构草图设计的相关技术，从预处理、分段、识别、约束调整、匹配，直到三维形体的构建，对原型系统的软件实现过程进行剖析。原始“笔”输入数据的处理流程如图4 所示。

图3 “笔”输入快速设计系统软件详细框架

图4 “笔”输入数据的处理流程图

“笔”模式进行结构草图设计时，核心点在于系统软硬件必须具备保持高度的“即时反馈交互”机制，为了达到高效反应特性，所设计的系统环境具备多线程支持能力。其中，系统中共使用了2个线程，一个是主线程，该线程在整个交互过程中是始终存在的。另一个线程是辅助线程，辅助线程不是静态的，而是由主线程在需要的时候动态创建。通过使用多线程，用户的输入过程不会被识别过程中断，较好地解决了即时反馈的问题。其中多线程反馈交互流程如图5 所示。

2.3 基于“笔”输入模式的数据处理核心算法

“笔”输入的图形类型包括直线、曲线、复合体等，主要涉及“笔”输入圆、圆弧、椭圆等特殊图形的识别方法，为基于“笔”输入模式的数据处理核心算法。从“笔”模式输入数据后，经过“笔划“的整序、断点重连和真实交点3种原始数据的预处理，并且对其进行必要的主动分段划分，有利于后期识别算法的拟合计算。这里重点阐述输入的二次曲线的识别算法。

图5 基于“笔”输入模式的多线程反馈交互流程

二次曲线包括圆、圆弧、椭圆、椭圆弧等曲线类型，并且可以用一个统一的方程式来描述，因此对它们的识别采用同一种方法。以下把它们统称为椭圆类曲线。对于二次曲线，常用的拟合方法是最小二乘法。椭圆类曲线的最小二乘拟合方法以下面的标准方程表示。

设有n个输入点P1，P2，…，Pn，任一点Pi 的坐标为(xi，yi)，则f(xi，yi)表示点Pi 相对于该椭圆的偏差。

根据最小二乘法的原理，拟合的误差表示为:

对式(2)求偏导数，确定方程(4)的Esum 极值，联立方程组如下:

把式(3)展开为关于a，b，c，d 的线性方程组:

利用高斯消去法，求解上述方程组，并对求得的解进行合法性检测，以确定该解是否有意义。

2.4 基于“笔”输入的图形识别误差分析

式(2)中的Esum 反应了拟合的误差大小，但是与数据点的个数有关。为了消除数据点个数的影响，引入σ 来度量拟合的误差:

如果σ 过大，则意味着尽管我们从这些数据点中拟合出一条椭圆曲线，但是这条曲线与实际的数据点相差很大。这种拟合是不准确的，我们可能需要把这些数据点拟合成另外一种曲线。其中可接受的最大的σ 值为σmax，如果σ ＞σmax，则拟合不成功。σmax不是一个固定值，它与拟合出的椭圆的大小有关系。

3 基于“笔”输入的三维航天产品结构草图系统设计算例

在结构草图设计中，一个技术难点为三维产品草图设计。本文给出了基于特征的三维草图快速设计算例，包括基本实体和合成支架2个设计算例。这种基于特征的设计方法，符合人们的思维习惯。当设计完成之后，特征模型也就建立了，这个模型可为后续的制造过程所用。

通过“笔”模式设输入，在基于高精度定位功能光笔、高精度分离液晶显示屏、一体化输入板的硬件开发平台上，开展了产品的三维结构设计工作，设计结果如图6 和图7 所示。

基于特征的三维草图的设计流程如下:

1)首先，勾画二维手绘图形，进行识别和约束调整后，得到拓扑结构正确的整洁的二维几何图形;

图6 三维设计范例：基本的实体

图7 三维设计范例：合成支座

2)其次，从平面的二维图形中提取三维信息，建立三维草图，使设计过程变得快速和有效。一旦一个特征被识别出来，用户就不再需要输入完整的模型数据。如一个椭圆加一条拉伸边是圆柱体的特征，一旦该特征被识别出来，用户就不用继续输入该圆柱体投影图的其他边。用户可以任意的按照自己的习惯输入各条边，系统在后台自动地检查三维特征，一旦检测到就建立该实体。

4 结束语

工程草图设计是一项带有创造性的工作，自由勾画是原始灵感设计“胚胎”方式。本文设计的基于“笔”模式的快速航天产品设计理念，使得产品草图设计在其理论、方法以及实现手段上都必须进行重新认识和创新。其中直接交互技术是未来的发展方向，充分利用直接交互技术的优势，能使得整个草图设计过程更加自然、流畅。

［1］董士海.计算机用户界面及其工具［M］.北京:科学出版社，1994.

［2］董士海，王坚，戴国忠. 人机交互和多通道用户界面［M］.北京:科学出版社，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.