工程图检索原型系统的研究与实现

王 鹏，刘奇涛，王航宇

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；3.西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

近几十年来，随着计算机技术的迅速发展，现代CAD系统可提供强大的工具创建和编辑工程图，如AutoCAD、UG、CATIA。虽然在工程图应用领域重用过去的工程图已经成为一种惯例，但在当前CAD系统中并没有提供相应的自动检索机制。因此，开发新的CAD系统来支持基于内容的工程图检索与分类变得越来越重要，而不是采用传统的基于文本的检索方法。

工程图研究领域表明使用已有的工程图有助于产品设计者提高产品开发效率，降低产品研发成本。据资料估计，在产品开发中约有80%的设计为变形设计和自适应设计，其中约有40%是重用过去的部件设计，40%对已有部件稍作修改，而全新的设计仅占20%。在我国，70%以上的设计是在原来设计的基础上进行的，大部分设计图纸都会在以后的设计中被用到。由此可知，已有的工程图资料是企业进行新产品设计和开发的重要依据和基础，准确地检索出工程图信息对于进行新产品的设计具有重要的意义[1-3]。

1 关键技术介绍

1.1 整体相似性检索

经过对工程图的预处理，可以将工程图的整体相似性检索问题转化为二维图形相似性匹配问题。图形形状的相似性比较是模式识别与图形检索领域的主要研究内容，目前有多种图形形状的相似性比较算法，其中较常用的方法是利用函数描述子计算图形的形状特征。函数描述子根据其计算的图形特征可以分为轮廓描述子和图像描述子。

文中在总结各种算法优缺点基础上，提出两种图形相似性检索方法：第一种是将二维图形映射为球面图形，提出采用球面调和描述子来进行工程图形的整体相似性检索；第二种是基于二维形状分布算法的工程图形整体相似性检索算法，最后将两种方法进行加权组合。

作为计算机视觉领域的一项基础研究，2D图形形状识别得到了广泛地研究。目前有很多2D图形形状的相似性比较算法被提出。其中大部分算法集中于图形的轮廓匹配，主要有这样一个普遍观点：形状概念源于图形的轮廓。但是，由于工程图通常具有复杂的内部结构，采用基于轮廓匹配的方法很难进行工程图的整体相似性检索。

工程图整体相似性检索与2D图形形状识别相对应，首先提取工程图的形状描述符，然后对形状描述符进行相似性度量，从而实现工程图的整体相似性比较。我们可以定义工程图整体相似性检索为：给定一个工程图A和一个工程图库L={Bi|0≤i≤n}，如何计算工程图A与Bi之间的相似性，即D（A，Bi），并且找到最相似的k个工程图。在检索过程中，寻找一个合适的图形形状描述符是工程图整体相似性检索效果的关键。文中提出两种方法来计算工程图形状之间的整体相似性：第一种采用球面调和描述子的方法；第二种从统计学角度通过从工程图图形上采集采样点的形状分布算法，最后将两种方法进行加权组合。

1.2 局部相似性检索

工程图检索研究起源于20世纪末，随着以矢量图形为主的大量电子工程图的生成，企业迫切需要从工程图库中检索出相似的工程图以便于重用已有的信息。目前，国内外专门针对工程图模型检索进行了大量的研究，现有算法大部分是将图像检索领域的检索算法应用到工程图检索上，并且以整体相似性检索算法为主，缺少真正实用的局部相似性检索方法。在CAD领域工程图形局部结构检索是一个非常难的问题，目前还没有一个完善的解决方法，主要是因为无法对工程图的结构与内容进行完善的描述。

因此，文中设计一种“似树”拓扑图结构，将工程图模型转换为基于图元组合单元的“似树”拓扑图，将工程图局部结构相似性匹配问题转换为两拓扑图的匹配问题来解决。两拓扑图之间的相似性可以通过两拓扑图顶点和边之间的相似性比较实现，文中提出一种近似的图匹配方法—基于嵌套分配任务的图相似性匹配算法。该方法分为两大步：首先采用EMD分配算法计算“似树”拓扑图顶点对之间的距离矩阵，然后依据该距离矩阵再次采用EMD分配算法近似求得顶点间的映射匹配矩阵及两个“似树”拓扑图之间的EMD距离[4]。

1.3 语义相似性检索

工程图模型是一个二维图形集合，借助于约定的符号来表示尺寸、公差、表面特性、材料等。工程图模型具有尺寸完备性，在检索过程中，给定的局部结构的尺寸标注的要求具有局部完备性，即当前局部结构的所有图元的尺寸是完备的。在此基础上，本小节提出基于本体的工程图形语义相似性匹配方法的总体思路如图1所示，主要包含如下模块：

图1 基于本体的工程图形语义相似性检索总体思路Fig.1 Engineering graphics based on ontology semantic similarity retrieval overall train of thought

1）局部相似性检索 只有当两个工程图形具有相似的局部结构时，才进一步地去验证其语义是否相似。

2）工程图形检索本体库 负责构建CAD领域工程图形检索本体，主要对工程图形依附属性进行语义解释，包括对本体的形式化定义与本体的构建方法。

3）语义相似性检索方法 在工程图形检索本体库的基础上，对工程图形的依附属性进行量化，并且给出语义相似性的度量方法，实现基于本体的工程图形语义相似性检索[5]。

2 DRS系统设计

DRS系统实现了二维工程图形的检索，是一个集dxf格式图形信息获取及预处理、整体工程图检索、局部结构检索、基于语义的工程图检索等多种功能于一体的二维工程图形检索系统。DRS系统有力地验证了二维工程图形检索的思路是正确的，研究方法和关键技术是可行的，能够为产品概念设计、详细设计、工艺设计等广义设计各阶段提供高效的检索支持。

2.1 功能结构及模块划分

DRS系统的功能结构树如图2所示，可实现的功能如下：

1）图元信息获取 从输入的工程图形文件中，获取直线、圆和圆弧等基本图元的几何、颜色、线型、图层等信息；获取样条曲线、文字和符号等非基本图元、以及尺寸单元、剖面等图块信息。

2）图形预处理 在图元信息获取的基础上，执行多义线拆分、图元组合单元处理（包括图元组合单元检测、图元打断和拼接、图元组合单元邻接性识别）、视图关系处理（包括视图分割、视图识别）等功能。

3）文本关键字的图形信息检索 检索系统提供一个文本关键字检索接口，用户可以通过直接输入工程图形信息关键字来进行检索。

4）工程图形整体相似性检索 检索系统提供一个工程图形操作接口，用户可以通过该接口打开、观察要检索的二维工程图形，然后提交给系统进行整体相似性检索。

5）工程图形局部相似性检索 检索系统提供一个工程图形局部结构操作接口，用户可以通过该接口定义一个局部结构，然后提交给系统进行基于局部结构的相似性检索。

6）工程图形语义相似性检索 检索系统提供一个工程图形语义操作接口，用户可以通过该接口定义图形的语义信息，然后提交给系统进行基于语义的相似性检索[6]。

2.2 软件系统的框架结构设计

根据检索系统功能要求，DRS系统框架结构如图3所示，分为离线处理和在线检索两部分，离线处理包括对工程图形的预处理与各种算法模型索引库的建立；在线检索包括检索图形索引的提取和该索引和索引库中图形索引的比较，检索结果的返回与可视化。

3 DRS系统实现

在设计DRS系统体系结构时，采用了分层架构技术，将整个工程图检索系统由上至下依次划分为表示层、业务逻辑层、算法层。对于体系结构中的表示层和业务逻辑层采用基于.Net的组件技术，而算法层则采用动态链接库技术。

图2 工程图形检索系统的功能结构树Fig.2 Engineering graphics retrieval system function structure tree

图3 工程图形检索系统框架Fig.3 Engineering graphics retrieval system framework

1）表示层 由主框架和各子窗口构成，主要负责以图形化的用户界面与用户交互，接受用户各种形式的输入，并以可视化的形式将系统的处理结果返回给用户。

2）业务逻辑层 对系统的各项检索业务进行封装，并提供统一的接口供表示层调用。封装的业务包括：①对检索工程的操作：创建检索工程、打开检索工程、存储检索工程、向工程中添加模型及从工程中删除模型；②各种图形检索操作：文本关键字检索、工程图形整体相似性检索、局部结构检索和基于语义的工程图形检索。

3）算法层 封装系统所设计的各个检索算法，提供统一的接口业务逻辑层调用。封装的算法包括：文本关键字检索算法；工程图形整体相似性检索算法；局部结构检索算法和语义相似性检索算法。

3.1 整体相似性检索实例

图4所示为输入的待检索的工程图模型，图5所示为利用球面调和算法得到的检索结果，从检索结果可以看出，该算法可以实现工程图模型整体相似性比较。

图4 待检索的工程图形Fig.4 The retrieval of Engineering Graphics

图5 整体相似性检索结果显示Fig.5 Overall similarity retrieval result display

3.2 局部相似性检索实例

图6和图7所示为工程图局部结构检索实例。局部相似性检索对于制造型企业来说检索需求和意义更为重要，通过工程图局部相似性检索可以更好的实现工程图模型功能结构设计信息以及工艺工装设计信息的参考与重用。

图6 待检索的局部结构Fig.6 The retrieval of the local structure

3.3 语义相似性检索实例

如图8所示为语义相似性检索窗体，图9为语义相似性检索实例。语义相似性检索更符合用户的检索需求，可以解

图7 局部结构的检索结果Fig.7 The local structure of the retrieval results

决用户难以表达检索意图及可重用的语义信息较少等问题。

图8 语义相似性检索对话框Fig.8 Semantic similarity search dialog box

图9 语义相似性检索实例Fig.9 Semantic similarity retrieval example

4 结束语

文中设计开发了一个工程图形检索系统DRS，从系统设计、系统实现及系统工作流程等方面分别对DRS系统进行了简要介绍，并结合具体的检索实例展示了该系统的功能界面和检索效果，从而对前文提出的理论与技术进行了全面、系统地研究和应用验证。

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[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]单忠臣.机械CAD技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002.

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