工程圖檢索原型系統的研究與實現

王 鵬，劉奇濤，王航宇

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；3.西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

近幾十年來，隨著計算機技術的迅速發展，現代CAD系統可提供強大的工具創建和編輯工程圖，如AutoCAD、UG、CATIA。雖然在工程圖應用領域重用過去的工程圖已經成為一種慣例，但在當前CAD系統中并沒有提供相應的自動檢索機制。因此，開發新的CAD系統來支持基于內容的工程圖檢索與分類變得越來越重要，而不是采用傳統的基于文本的檢索方法。

工程圖研究領域表明使用已有的工程圖有助于產品設計者提高產品開發效率，降低產品研發成本。據資料估計，在產品開發中約有80%的設計為變形設計和自適應設計，其中約有40%是重用過去的部件設計，40%對已有部件稍作修改，而全新的設計僅占20%。在我國，70%以上的設計是在原來設計的基礎上進行的，大部分設計圖紙都會在以后的設計中被用到。由此可知，已有的工程圖資料是企業進行新產品設計和開發的重要依據和基礎，準確地檢索出工程圖信息對于進行新產品的設計具有重要的意義[1-3]。

1 關鍵技術介紹

1.1 整體相似性檢索

經過對工程圖的預處理，可以將工程圖的整體相似性檢索問題轉化為二維圖形相似性匹配問題。圖形形狀的相似性比較是模式識別與圖形檢索領域的主要研究內容，目前有多種圖形形狀的相似性比較算法，其中較常用的方法是利用函數描述子計算圖形的形狀特征。函數描述子根據其計算的圖形特征可以分為輪廓描述子和圖像描述子。

文中在總結各種算法優缺點基礎上，提出兩種圖形相似性檢索方法：第一種是將二維圖形映射為球面圖形，提出采用球面調和描述子來進行工程圖形的整體相似性檢索；第二種是基于二維形狀分布算法的工程圖形整體相似性檢索算法，最后將兩種方法進行加權組合。

作為計算機視覺領域的一項基礎研究，2D圖形形狀識別得到了廣泛地研究。目前有很多2D圖形形狀的相似性比較算法被提出。其中大部分算法集中于圖形的輪廓匹配，主要有這樣一個普遍觀點：形狀概念源于圖形的輪廓。但是，由于工程圖通常具有復雜的內部結構，采用基于輪廓匹配的方法很難進行工程圖的整體相似性檢索。

工程圖整體相似性檢索與2D圖形形狀識別相對應，首先提取工程圖的形狀描述符，然后對形狀描述符進行相似性度量，從而實現工程圖的整體相似性比較。我們可以定義工程圖整體相似性檢索為：給定一個工程圖A和一個工程圖庫L={Bi|0≤i≤n}，如何計算工程圖A與Bi之間的相似性，即D（A，Bi），并且找到最相似的k個工程圖。在檢索過程中，尋找一個合適的圖形形狀描述符是工程圖整體相似性檢索效果的關鍵。文中提出兩種方法來計算工程圖形狀之間的整體相似性：第一種采用球面調和描述子的方法；第二種從統計學角度通過從工程圖圖形上采集采樣點的形狀分布算法，最后將兩種方法進行加權組合。

1.2 局部相似性檢索

工程圖檢索研究起源于20世紀末，隨著以矢量圖形為主的大量電子工程圖的生成，企業迫切需要從工程圖庫中檢索出相似的工程圖以便于重用已有的信息。目前，國內外專門針對工程圖模型檢索進行了大量的研究，現有算法大部分是將圖像檢索領域的檢索算法應用到工程圖檢索上，并且以整體相似性檢索算法為主，缺少真正實用的局部相似性檢索方法。在CAD領域工程圖形局部結構檢索是一個非常難的問題，目前還沒有一個完善的解決方法，主要是因為無法對工程圖的結構與內容進行完善的描述。

因此，文中設計一種“似樹”拓撲圖結構，將工程圖模型轉換為基于圖元組合單元的“似樹”拓撲圖，將工程圖局部結構相似性匹配問題轉換為兩拓撲圖的匹配問題來解決。兩拓撲圖之間的相似性可以通過兩拓撲圖頂點和邊之間的相似性比較實現，文中提出一種近似的圖匹配方法—基于嵌套分配任務的圖相似性匹配算法。該方法分為兩大步：首先采用EMD分配算法計算“似樹”拓撲圖頂點對之間的距離矩陣，然后依據該距離矩陣再次采用EMD分配算法近似求得頂點間的映射匹配矩陣及兩個“似樹”拓撲圖之間的EMD距離[4]。

1.3 語義相似性檢索

工程圖模型是一個二維圖形集合，借助于約定的符號來表示尺寸、公差、表面特性、材料等。工程圖模型具有尺寸完備性，在檢索過程中，給定的局部結構的尺寸標注的要求具有局部完備性，即當前局部結構的所有圖元的尺寸是完備的。在此基礎上，本小節提出基于本體的工程圖形語義相似性匹配方法的總體思路如圖1所示，主要包含如下模塊：

圖1 基于本體的工程圖形語義相似性檢索總體思路Fig.1 Engineering graphics based on ontology semantic similarity retrieval overall train of thought

1）局部相似性檢索 只有當兩個工程圖形具有相似的局部結構時，才進一步地去驗證其語義是否相似。

2）工程圖形檢索本體庫 負責構建CAD領域工程圖形檢索本體，主要對工程圖形依附屬性進行語義解釋，包括對本體的形式化定義與本體的構建方法。

3）語義相似性檢索方法 在工程圖形檢索本體庫的基礎上，對工程圖形的依附屬性進行量化，并且給出語義相似性的度量方法，實現基于本體的工程圖形語義相似性檢索[5]。

2 DRS系統設計

DRS系統實現了二維工程圖形的檢索，是一個集dxf格式圖形信息獲取及預處理、整體工程圖檢索、局部結構檢索、基于語義的工程圖檢索等多種功能于一體的二維工程圖形檢索系統。DRS系統有力地驗證了二維工程圖形檢索的思路是正確的，研究方法和關鍵技術是可行的，能夠為產品概念設計、詳細設計、工藝設計等廣義設計各階段提供高效的檢索支持。

2.1 功能結構及模塊劃分

DRS系統的功能結構樹如圖2所示，可實現的功能如下：

1）圖元信息獲取 從輸入的工程圖形文件中，獲取直線、圓和圓弧等基本圖元的幾何、顏色、線型、圖層等信息；獲取樣條曲線、文字和符號等非基本圖元、以及尺寸單元、剖面等圖塊信息。

2）圖形預處理 在圖元信息獲取的基礎上，執行多義線拆分、圖元組合單元處理（包括圖元組合單元檢測、圖元打斷和拼接、圖元組合單元鄰接性識別）、視圖關系處理（包括視圖分割、視圖識別）等功能。

3）文本關鍵字的圖形信息檢索 檢索系統提供一個文本關鍵字檢索接口，用戶可以通過直接輸入工程圖形信息關鍵字來進行檢索。

4）工程圖形整體相似性檢索 檢索系統提供一個工程圖形操作接口，用戶可以通過該接口打開、觀察要檢索的二維工程圖形，然后提交給系統進行整體相似性檢索。

5）工程圖形局部相似性檢索 檢索系統提供一個工程圖形局部結構操作接口，用戶可以通過該接口定義一個局部結構，然后提交給系統進行基于局部結構的相似性檢索。

6）工程圖形語義相似性檢索 檢索系統提供一個工程圖形語義操作接口，用戶可以通過該接口定義圖形的語義信息，然后提交給系統進行基于語義的相似性檢索[6]。

2.2 軟件系統的框架結構設計

根據檢索系統功能要求，DRS系統框架結構如圖3所示，分為離線處理和在線檢索兩部分，離線處理包括對工程圖形的預處理與各種算法模型索引庫的建立；在線檢索包括檢索圖形索引的提取和該索引和索引庫中圖形索引的比較，檢索結果的返回與可視化。

3 DRS系統實現

在設計DRS系統體系結構時，采用了分層架構技術，將整個工程圖檢索系統由上至下依次劃分為表示層、業務邏輯層、算法層。對于體系結構中的表示層和業務邏輯層采用基于.Net的組件技術，而算法層則采用動態鏈接庫技術。

圖2 工程圖形檢索系統的功能結構樹Fig.2 Engineering graphics retrieval system function structure tree

圖3 工程圖形檢索系統框架Fig.3 Engineering graphics retrieval system framework

1）表示層 由主框架和各子窗口構成，主要負責以圖形化的用戶界面與用戶交互，接受用戶各種形式的輸入，并以可視化的形式將系統的處理結果返回給用戶。

2）業務邏輯層 對系統的各項檢索業務進行封裝，并提供統一的接口供表示層調用。封裝的業務包括：①對檢索工程的操作：創建檢索工程、打開檢索工程、存儲檢索工程、向工程中添加模型及從工程中刪除模型；②各種圖形檢索操作：文本關鍵字檢索、工程圖形整體相似性檢索、局部結構檢索和基于語義的工程圖形檢索。

3）算法層 封裝系統所設計的各個檢索算法，提供統一的接口業務邏輯層調用。封裝的算法包括：文本關鍵字檢索算法；工程圖形整體相似性檢索算法；局部結構檢索算法和語義相似性檢索算法。

3.1 整體相似性檢索實例

圖4所示為輸入的待檢索的工程圖模型，圖5所示為利用球面調和算法得到的檢索結果，從檢索結果可以看出，該算法可以實現工程圖模型整體相似性比較。

圖4 待檢索的工程圖形Fig.4 The retrieval of Engineering Graphics

圖5 整體相似性檢索結果顯示Fig.5 Overall similarity retrieval result display

3.2 局部相似性檢索實例

圖6和圖7所示為工程圖局部結構檢索實例。局部相似性檢索對于制造型企業來說檢索需求和意義更為重要，通過工程圖局部相似性檢索可以更好的實現工程圖模型功能結構設計信息以及工藝工裝設計信息的參考與重用。

圖6 待檢索的局部結構Fig.6 The retrieval of the local structure

3.3 語義相似性檢索實例

如圖8所示為語義相似性檢索窗體，圖9為語義相似性檢索實例。語義相似性檢索更符合用戶的檢索需求，可以解

圖7 局部結構的檢索結果Fig.7 The local structure of the retrieval results

決用戶難以表達檢索意圖及可重用的語義信息較少等問題。

圖8 語義相似性檢索對話框Fig.8 Semantic similarity search dialog box

圖9 語義相似性檢索實例Fig.9 Semantic similarity retrieval example

4 結束語

文中設計開發了一個工程圖形檢索系統DRS，從系統設計、系統實現及系統工作流程等方面分別對DRS系統進行了簡要介紹，并結合具體的檢索實例展示了該系統的功能界面和檢索效果，從而對前文提出的理論與技術進行了全面、系統地研究和應用驗證。

[1]Gunn T G.The mechanization of design and manufacturing[J].Scientific American，1982，247（3）：114-130.

[2]Leizerowicz W，Bilgic T，LIN Jin-xin，et al.Collaborative design using WWW.Proceedings Of WET-ICE[M].Morgantown：University of West Virginia，1996..

[3]Min P，Kazhdan M，Funkhouser F A.A comparison of text and shape matching for retrieval of online 3D models[C]//European Conference on Digital Libraries，Utrecht University：Institute of Information and Computing Sciences，2004.

[4]Funkhouser T，Min P，Kazhdan M，et al.A search engine for 3D models[J].ACM Transactions On Graphics，2003，22（1）：83-105.

[5]單忠臣.機械CAD技術基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2002.

[6]孫家廣.計算機輔助設計技術基礎[M].2版.北京：高等教育出版社，2000.