CN103106309A - 计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统，其中识别方法包括以下步骤：（1）依据草图行为表达的特点划分草图行为类别，并提取草图行为类别的特征；（2）依据步骤（1）中提取得到的草图行为类别的特征建立草图行为分类器；（3）记录草图绘制数据，并将绘制数据划分成若干待识别的草图行为笔画集；（4）依据草图行为分类器判定每一个待识别的草图行为笔画集的草图行为类别；（5）合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。本发明方法占用较少的计算机资源，从设计师的草图绘制数据中识别出草图行为，为草图设计过程中设计思维和设计知识的研究提供了支持。

Description

计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机辅助草图设计领域，具体涉及一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统。

背景技术

计算机辅助设计中的草图设计将计算机辅助设计（Computer AidedDesign，CAD）与纸上草图设计各自的优势相结合，利用计算机为草图设计提供更好的支持，从而提高草图设计的效率，甚至激发设计师的创新能力。

草图设计过程中设计师的草图绘制和设计思维密切相关。草图绘制是设计思维的外化或具体化，是草图方案可视化的手段，是设计师感知能力的必要延伸。设计思维的变化，直接影响草图表达层面上设计师的草图绘制；而草图表达层面完成的形象直观的草图又直接影响设计思维。

草图绘制过程作为草图设计的重要特征，在计算机辅助草图设计技术、设计思维、设计知识研究等领域都具有很大发展空间和应用价值，需要研究和探索。

传统的计算机辅助草图设计以历史记录的方式记录草图绘制，如画点、画线、更改粗细、更改颜色等，这种记录方式的优点是可以详细记录设计师的每一步草图绘制，设计师可以方便地还原某一步历史操作；但其也有缺点，例如需要记录大量草图绘制数据，耗费了大量的计算机资源，同时没有对草图绘制划分优先级或关键步骤，不利于设计师快速定位到历史记录中的关键性绘制。

草图行为是从设计表达方式层面对草图设计过程中设计师行为的一

种描述，可以作为草图设计过程的记录。设计表达方式总体上可分为两种，图形表达和文字描述，相应地，典型的草图行为包括停顿、移动、绘图、描线加深、注释等，识别出这些草图行为，存储草图行为之间的草图状态，可以极大地压缩草图操作的历史记录，最大程度地概括草图设计过程，记录设计师的设计思路。

目前已有一些草图行为识别的研究，如申请公开号为CN102184395A的发明公开了一种基于支持向量机的核矩阵近似方法来实现手绘草图识别，该方法包括以下步骤：首先基于区域填充的思想将手绘草图映射为特征字符串，其次通过支持向量机基于字符串核对训练样本进行训练，获得分类器，然后通过训练得到的分类器对待识别的草图进行分类和识别，将模糊、不规则的手绘草图映射为精确的几何形状。

再如申请公开号为CN101964053B的发明公开了一种复合图形在线识别方法，首先定义了基于基元构成与空间关系构成的复合图形特征，该特征为一维组合特征向量，向量的长度为基元种类与空间关系种类之和，向量的每一位表示该位代表的基元类型或空间关系类型在该复合图形构成中的数目；基于组合特征向量定义了组合特征增量提取方法，并在特征匹配过程中设计了空间关系误判处理方法。

上述研究主要集中在对草图图形构成的理解，即将设计师绘制的自由不规则草图图形映射成规则的几何形状，而缺少对草图行为的研究，如何从草图设计过程中设计师的所有草图绘制数据中抽象和提取出草图行为，是目前计算机辅助草图设计领域一个亟待解决且具有重要意义的问题。

发明内容

本发明提供了一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法和系统，能够通过占用较少的计算机资源，从设计师的草图绘制数据中识别出草图行为，以较高抽象层次概括草图设计过程和记录设计师的设计思路，为草图设计过程中设计思维和设计知识的研究提供支持。

一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法，包括以下步骤：

（1）依据草图行为表达的特点划分草图行为类别，并提取草图行为类别的特征。

综合考虑设计师使用计算机进行辅助设计过程中草图行为表达的特点以及计算机对草图行为的识别能力，将草图行为划分为移动、停顿、绘图、描线加深和注释五个类别，其中，移动和停顿属于非绘制行为，绘图、描线加深和注释属于绘制行为。

在绘制草图过程中，移动描述了设计师画笔悬浮移动，下笔前摸索和犹豫的行为；停顿描述了设计师画笔停顿不动，观察思考的行为；绘图描述了设计师绘制形态，表达方案概念，绘制方案应用场景的行为；描线加深描述了设计师对形态进行描线加粗或加阴影的行为；注释描述了设计师写文字来说明方案的行为。

非绘制行为中的移动和停顿依据画笔状态、画笔移动时间和画笔停顿时间进行划分，移动即画笔在相邻两笔画间悬浮移动，前一笔画结束的位置与后一笔画开始的位置相距较远，且前一笔画结束到后一笔画开始的时间间隔较长；停顿即画笔在相邻两笔画间悬浮，前一笔画结束的位置与后一笔画开始的位置相距较近，且前一笔画结束到后一笔画开始的时间间隔较短。

绘制行为中的绘图、描线加深和注释的草图行为特征提取依据草图行为所呈现的图元的几何（空间结构）特征和动态（时间）特征进行，需要选择足够数量的特征以确保区别出所有的草图行为，但不能刻画草图的具体内容信息，同时保证草图识别过程中的计算复杂度较低。

进行绘画、描线加深和注释的草图行为特征提取时，依据笔画自身的特征以及草图行为笔画集特征（笔画之间的相互关系特征）进行提取，笔画自身的特征对应笔画的曲线特征，草图行为笔画集特征对应草图行为中所有笔画构成的图形特征。

（2）依据步骤（1）中提取得到的草图行为类别的特征建立草图行为分类器；

这里所建立的草图行为分类器中仅包含绘制行为的草图行为类别特征，即用于区分绘图、描线加深和注释时所用的草图行为特征。

（3）记录草图绘制数据，并将绘制数据划分成若干待识别的草图行为笔画集；

草图的绘制数据包括笔画轨迹数据、笔画绘制时间数据、相邻笔画的时间间隔数据及输入设备的使用状态数据。

草图行为笔画集是指在草图设计过程中，连续若干笔画组成的表示某种草图行为的笔画集合，同一草图行为笔画集中的笔画不仅在绘制时间上相近(通过阈值判定)，而且在空间距离上也相近(通过阈值判定)。

（4）依据草图行为分类器判定每一个待识别的草图行为笔画集的草图行为类别；

（5）合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。

（6）依据相邻的草图行为笔画集的草图行为类别，修正草图行为序列中草图行为笔画集的草图行为类别。

本发明还提供了一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统，包括以下处理单元：

草图行为特征提取单元，用于从草图绘制数据中提取草图行为特征；

草图行为分类器构建单元，用于依据提取得到的草图行为类别特征建立草图行为分类器；

草图绘制数据记录单元，用于记录草图设计过程中产生的草图绘制数据；

草图行为识别单元，用于根据草图行为分类器判定每一个待识别草图行为笔画集的草图行为类别；

草图行为处理单元，合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。

其中，草图绘制数据记录单元包括：

草图绘制数据记录模块，用于记录草图绘制数据；

草图绘制数据预处理模块，用于对草图绘制数据做预处理，包括去除缺少绘制时间信息的笔画、去除笔画中的重复采样点以及对原始数据进行封装；

草图行为笔画集划分模块，根据时间和空间关系将草图绘制数据所包含的笔画划分成若干草图行为笔画集；

其中，草图行为识别单元包括：

草图行为分类器模块，存储草图行为分类器构建单元所创建的分类器；

草图行为识别模块，通过调用草图行为分类器模块对待识别草图行为笔画集的草图行为类别进行判定。

本发明计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统解决了计算机辅助设计中设计师草图行为识别的问题，能够通过占用较少的计算机资源，从设计师的草图绘制数据中识别出草图行为，以较高抽象层次概括草图设计过程和记录设计师的设计思路，为草图设计过程中设计思维和设计知识的研究提供了支持。

附图说明

图1为本发明计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法的流程图；

图2为本发明计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法中草图识别过程的流程图；

图3为本发明计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法及系统做详细描述。

如图1所示，一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法，包括以下步骤：

（1）依据草图行为表达的特点划分草图行为类别，并提取草图行为特征；

依据草图行为的几何特征和动态特征，将草图行为划分为移动（记为M）、停顿（记为L）、绘图（记为D）、描线加深（记为E）和注释（记为T）五个草图行为类别，其中，移动和停顿属于非绘制行为，绘图、描线加深和注释属于绘制行为。

非绘制行为中的停顿和移动通过笔画时间间隔阈值t₀和笔画距离阈值d₀进行判定。笔画时间间隔指相邻两笔画从前一笔画结束到后一笔画开始所经历的时间，笔画距离指相邻两笔画从前一笔画结束位置到后一笔画开始位置的距离。

确定时间间隔的阈值t₀的一种方法为：设定两个参数，分别为时间间隔采样数x和停顿/移动数y(y<x，y为停顿和移动的总数量)，从草图绘制数据中选取最开始的x+1个笔画，得到x个笔画时间间隔t₁,t₂,…,t_x。从t_i’（1≤i’≤x)中找到一个值t′，使得t_i’中大于t′的个数恰好为y，则选定t′为时间间隔阈值，即t₀＝t′。

若相邻两笔画时间间隔超过t₀，则存在停顿和/或移动行为，停顿行为与移动行为通过笔画距离阈值d₀来区分，笔画距离阈值可以用当前画笔的尺寸来确定。

对于绘制行为，通过提取特征来识别，设提取的草图行为特征共有n个，记为{f₁,f₂,…,f_n}，对每个草图行为特征进行归一化处理（消除不同草图行为特征之间的量纲，以便不同草图行为特征之间的运算），得到变换后的草图行为特征{f₁′,f₂′,…,f_n′}，即特征向量f。

给定一个草图行为未知的笔画集，通过下式计算该笔画集属于草图行为类别c（草图行为类别c指描线加深（E）和注释（T））的可能程度v_c。

$v_c=w_{c0}+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{\mathrm{ci}}{f_i}^{\&prime;},c\&Element;\{E,T\}$

其中，c∈E时，即计算得到v_E，v_E表示草图行为属于描线加深行为的可能程度；

c∈T时，即计算得到v_T，v_T表示草图行为属于注释行为的可能程度；

w_ci(1≤i≤n)为草图行为类别c的权重系数，采用主成分分析法(Principal Components Analysis，PCA)来确定w_ci的值，具体操作为针对草图行为类别c，采集若干训练样本数据，并计算这些训练样本数据的特征值，然后对每个特征值做归一化处理，得到f′_ci(1≤i≤n)，再通过主成分分析法确定每个特征的权重系数。

权重wc₀的取值使用下式进行估计：

$w_{c0}=-\frac{1}{2}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{\mathrm{ci}}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_{\mathrm{ci}}^{\&prime;}$

其中，

为所有训练样本数据特征值f′_ci?的平均值。

得到草图行为笔画集为描线加深行为的可能程度v_E和注释行为的可能程度v_T后，依据下式判断草图行为笔画集的草图行为类别：

若v_E≤0,v_T≤0，则判定草图行为笔画集为绘图行为D；

若v_E＞0,v_E-v_T≥0，则判定草图行为笔画集为描线加深行为E；

若v_T＞0,v_E-v_T＜0，则判定草图行为笔画集为注释行为T。

本实施例中选择10种草图行为特征，即n为10，分为两大类笔画特征和草图行为笔画集特征，其中，4个笔画特征，分别为笔画长度f₁，笔画转角数目f₂，两笔画的夹角f₃，两笔画重心距离f₄；6个草图行为笔画集特征，分别为笔画集中与自身相交的笔画数目（比如一笔写成的数字8，就相当于该笔画与自己相交；一个笔画集中有n个笔画，其中m（m≤n）个笔画与自己相交，那么f₅=m）f₅，笔画集中笔画平均长度f₆，笔画集图形宽高比f₇，笔画集中连续平行笔画最大数目f₈，相邻两笔画集图形的重心距离f₉，相邻两笔画集图形的重叠面积f₁₀。

（2）依据提取得到的草图行为类别的特征建立草图行为分类器；

草图行为分类器中记录绘制行为3个草图行为类别相应的笔画特征权重、草图行为笔画集特征权重，以及草图行为类别判定方法。

（3）如图2所示，记录草图的绘制数据，并对绘制数据进行预处理，然后将绘制数据划分成若干待识别的草图行为笔画集；

记录设计师的草图行为绘制数据，并对输入的草图行为数据进行预处理，去除缺失绘制时间的笔画以及重复的笔画采样点，提高后续绘制数据处理的准确度，同时生成易被识别的数据结构。

将草图绘制数据中每一个笔画单独看作一个待识别的草图行为笔画集，并按照绘制时间顺序对草图行为笔画集进行编号，依次为SC₁,SC₂,…,SC_m。

首先，识别相邻草图行为笔画集之间是否存在两种非绘制行为（依据笔画时间间隔阈值和笔画距离阈值进行划分），将处于两个非绘制行为中间的草图行为笔画集看作位于同一绘图时间段内。

针对处于同一绘画时间段内的相邻的待识别的草图行为笔画集SC_j,SC_j+1,SC_j+2 （（0<j≤m-2））：

若SC_j与SC_j+1的空间距离小于SC_j+1与SC_j+2的空间距离（同时满足SC_j与SC_j+1的重心距离小于SC_j+1与SC_j+2的重心距离，SC_j与SC_j+1的重叠面积（SC_j与SC_j+1两个草图行为笔画集外切矩形的面积）小于SC_j+1与SC_j+2的重叠面积），则合并SC_j与SC_j+1为新的草图行为笔画集SC′_j，然后继续检查SC_j,SC_j+2,SC_j+3；

若SC_j与SC_j+1的空间距离大于等于SC_j+1与SC_j+2的空间距离，则继续检查SC_j+1,SC_j+2,SC_j+3，重复此步骤两次（次数可以依据需要进行选择，次数过多导致合并过渡会降低草图行为识别的精确度，次数过少会增加后续草图行为识别的计算量），最终得到新的若干个待识别草图行为笔画集。

（4）依据草图行为分类器判定每一个待识别的草图行为笔画集的草图行为类别，方法如下：

依次计算新的若干个草图行为笔画集属于描线加深行为的可能程度v_E，以及属于注释行为的可能程度值v_T；根据v_E和v_T的值，判断草图行为笔画集所属的草图行为类别，将识别出的草图行为类别依据草图行为笔画集顺序进行编号S₁,S₂,…,S_k，即每一个新的草图行为笔画集对应一个草图行为类别的编号。

（5）合并连续的同种草图行为类别的草图行为（或者修正后相同的草图行为类别），得到草图行为的识别结果。检查步骤（4）中得到的新的草图行为笔画集中相邻两个的草图行为类别S_t和S_t+1（0<t≤k）：

1）若S_t和S_t+1的草图行为类别相同，则合并两个草图行为类别为同一草图行为类别S′_t，同时合并它们所对应的草图行为笔画集，继续检查相邻的草图行为类别S′_t和S_t+2；若S_t和S_t+1的草图行为类别不同，则执行步骤2）；

2）检查相邻的绘制行为S_t、S_t+1和S_t+2，若S_t和S_t+2的草图行为类别相同且与S_t+1的草图行为类别不同，但S_t+1与S_t和S_t+2的空间距离均接近（设定草图行为笔画集的空间距离的阈值，小于该阈值即认为接近），则将S_t+1的草图行为类别修正为与S_t相同；（非绘制行为不需要修正，可以准确的识别出）

重复步骤1）和步骤2），遍历（可遍历多次，通常情况下两次即可）步骤（4）中得到的所有新的草图行为笔画集，得到草图行为识别的结果，并将该结果按照绘制时间顺序组成草图行为序列，进行输出。

本发明还提供了一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统，包括以下处理单元：

草图行为特征提取单元，用于从草图绘制数据中提取草图行为特征；

草图行为分类器构建单元，用于依据提取得到的草图行为类别特征建立草图行为分类器；

草图绘制数据记录单元，用于记录草图设计过程中产生的草图绘制数据；

草图行为识别单元，用于根据草图行为分类器判定每一个待识别草图行为笔画集的草图行为类别；

草图行为处理单元，合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。

其中，草图绘制数据记录单元包括：

草图绘制数据记录模块，用于记录草图绘制数据；

草图绘制数据预处理模块，用于对草图绘制数据做预处理，包括去除缺少绘制时间信息的笔画、去除笔画中的重复采样点以及对原始数据进行封装；

草图行为笔画集划分模块，根据时间和空间关系将草图绘制数据所包含的笔画划分成若干草图行为笔画集；

其中，草图行为识别单元包括：

草图行为分类器模块，存储草图行为分类器构建单元所创建的分类器；

草图行为识别模块，通过调用草图行为分类器模块对待识别草图行为笔画集的草图行为类别进行判定。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）依据草图行为表达的特点划分草图行为类别，并提取草图行为类别的特征；

（2）依据步骤（1）中提取得到的草图行为类别的特征建立草图行为分类器；

（3）记录草图绘制数据，并将绘制数据划分成若干待识别的草图行为笔画集；

（4）依据草图行为分类器判定每一个待识别的草图行为笔画集的草图行为类别；

（5）合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。

2.如权利要求1所述的计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法，其特征在于，所述步骤（1）中依据草图行为表达的特点将草图行为划分为移动、停顿、绘图、描线加深和注释五个草图行为类别。

3.如权利要求1所述的计算机辅助设计过程中的草图行为识别方法，其特征在于，还包括步骤（6），依据相邻的草图行为笔画集的草图行为类别，修正草图行为序列中草图行为笔画集的草图行为类别。

4.一种计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统，其特征在于，包括以下处理单元：

草图行为特征提取单元，用于从草图绘制数据中提取草图行为特征；

草图行为分类器构建单元，用于依据提取得到的草图行为类别特征建立草图行为分类器；

草图绘制数据记录单元，用于记录草图设计过程中产生的草图绘制数据；

草图行为识别单元，用于根据草图行为分类器判定每一个待识别草图行为笔画集的草图行为类别；

草图行为处理单元，合并连续的同种草图行为类别的草图行为，输出草图行为序列。

5.如权利要求4所述的计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统，其特征在于，所述草图绘制数据记录单元包括：

草图绘制数据记录模块，用于记录草图绘制数据；

草图绘制数据预处理模块，用于对草图绘制数据做预处理，包括去除缺少绘制时间信息的笔画、去除笔画中的重复采样点以及对原始数据进行封装；

草图行为笔画集划分模块，根据时间和空间关系将草图绘制数据所包含的笔画划分成若干草图行为笔画集。

6.如权利要求4所述的计算机辅助设计过程中的草图行为识别系统，其特征在于，草图行为识别单元包括：

草图行为分类器模块，存储草图行为分类器构建单元所创建的分类器；

草图行为识别模块，通过调用草图行为分类器模块对待识别草图行为笔画集的草图行为类别进行判定。

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