一种改进的CAD模型检索技术研究

冯美英

（柳州职业技术学院，柳州 545006）

0 引言

科学技术正在不断地进步，CAD软件所制作的模型数量也在从不同层面增长，因此CAD模型无论从结构还是数量上都呈现出令人惊讶的数量，而在实际的设计过程中往往只要找到一款相类似的CAD模型就可以帮助设计人员节约很多的成本，故现在产生了关于CAD模型重用的问题，且时间的递增并没有减少对于CAD模型重用的研究，反而形成了一股热潮。实现CAD模型重用也就是实现CAD模型检索，这是很关键的一步，科学合理地实现模型的检索能在很大程度上决定模型重用的可能性。众所周知，已有的传统形式的CAD模型检索中一般都只涉及到CAD模型的检索词或者是关键字，但是这种方法容易产生偏差，使得最终的结果与要求相距甚远，且在过程中就浪费了许多的人力和财力，因此这种依靠人为标注的目录树检索方式已经不能够满足现在用户的需求和高节奏。针对现今智能和高可视化的CAD模型检索要求，一种新的CAD模型检索方式诞生了，这种方式的核心思想就是基于内容，依靠CAD模型的结构、外形、属性等，也就是CAD模型的核心来进行检索，通过这些方法实现的相似性检索可以降低工作时间，提高效率。

由于这种利用特征来进行的检索在很大程度上能够满足设计人员的要求，现今已经出现了许多的方法，将这些方法进行归类，可以分为三类，分别为基于统计量的CAD模型检索、基于图同构的CAD模型检索和基于边界匹配的CAD模型检索。第一类方法选取几何特征为特征，通过计算检索对象与检索条件的特征不变矢量之间的距离评价二者相似程度；第二类方法选取结构区域为特征，通过检索对象与检索条件之间的拓扑关系图匹配程度评价二者相似程度；第三类方法是选取边界面为特征，通过搜索检索对象和检索条件之间的最优边界匹配方案，实现CAD模型检索。从上面的阐述可以看到：第一种方法虽然可以得到很相似的检索，但是算法复杂度高，用时长；第二种算法虽然用时上与第一种算法相比比较有优势，但是所得到的相似性检索效果不明显，精度比较低；而第三种算法能够有效地度量不同类型边界面之间的相似性，因此本文也采用第三种方法的思路提出一种基于拓扑逼近的CAD模型结构的局部检索，经实践证明，该检索方法用时短、效率高、精度高。

1 拓扑逼近过程

何谓拓扑逼近的概念，针对这个问题，本文结合两幅图进行论述，形象地表达了拓扑逼近的基本思想。可以看到在图1中，检索条件和检索对象分别用M和M’代表，其中M中含有6个边界面，而M’的边界面待定。在图2中，显示的是具体的拓扑邻接图。在这边会涉及到两个专业术语，先来阐述一下其具体的意思，一个名词是匹配面偶，代表的是一对在检索对象与条件之间的边界面，且这一对边界面相互匹配。另外一个名词是匹配面，代表的也是一对边界面，且这一对边界面是匹配面偶中的。

图1 检索条件与检索对象

图2 边界边的拓扑连接关系图

拓扑逼近的核心思想就是根据最大求和原则，求出所有匹配面偶的最大几何相似度之和，从而得到M和M’象之间的初始边界匹配方案。在图1中，假设初始边界匹配方案用图1（a）来表示，满足下面三个条件：1）初始边界匹配方案能够保证在所有的匹配面偶相对应的几何相似度之内；2）这些几何相似度总和达到最大值；3）尽量选择一般的方案，这个是考虑到在匹配的过程中，匹配面偶的几何相似度不能单方面的代表检索对象与条件之间的相似度，还要考虑到拓扑的相似度，是两者综合的量值，故在边界匹配方案中，要随时调整好M和M’之间的关系。但要注意的是，在这个调整过程中由于涉及到了M’与M之间匹配面偶的拓扑关系，为了避免所有的匹配面偶在进行检索条件与检索对象之间的匹配时会发生匹配面偶之间的拓扑相似度相互耦合，同时保证这边界匹配的方案是所有的方案中最佳的，因此要进行不断地调整，考虑多方面的因素，使得最终的过程呈现最佳。这个不断调整的过程如图3所示，且我们从这个过程中可以明显地看到匹配面偶的拓扑相似性对边界匹配方案调整过程中影响力大，决定整个拓扑逼近过程的收敛性。综上所述，这种不断进行调整，为了使匹配的方案达到最佳的过程就是一种拓扑逼近过程，也就是如图3所示的过程。

图3 拓扑连接逼近过程

2 基于拓扑逼近的CAD局部结构检索

在本文中，对于CAD局部结构检索就是采用了上述的拓扑逼近概念，选定一个清楚结构的CAD模型，找出其中的特征局部结构，然后利用逼近算法进行不断地循环，从大量CAD模型中检索出含有相似结构的CAD模型，使得检索对象与检索条件之间满足最佳边界匹配方案，保证二者之间的相似度逼近和满足绝对误差限的准确值，这种就是本文提出的基于拓扑逼近的CAD局部结构检索。 在这里还需要给出一个相关的术语，就是拓扑邻接图，如图4（a）所示，它是以边界面为结点，以边界面之间的邻接关系为边，主要用来表现CAD模型上边界面的拓扑邻接关系。图4（b）中深色部分所示就是边界面构成局部结构像对应的拓扑邻接子图。图4（a）和图4（b）二者的相似性越大，就越能明显地折射出检索对象中含有相同或相似的检索条件局部。

假定存在CAD模型M，其边界面集合如下：

假设存在下面的检索条件：CAD模型中选取一个局部结构，这个局部结构的拓扑连接具有单向性。这里可以使用广度优先遍历算法校验其准确性。

图4 CAD模型的拓扑邻接图

根据上文中已定的检索对象和检索条件，现在开始探究CAD模型的局部特征结构，从这个局部特征结构中来进行整个CAD模型的检索，由这个中心思想，我们从三个角度去总结出整个CAD模型的局部特征，分别是从边界的特征找寻特征性、局部拓扑逼近中找寻特征性和匹配面中找寻特征性。根据这三个方法就可以从中得出特征量，然后根据下面的步骤来实现搜索的过程：1）搭建出拓扑邻接图，在这个图中要包含检索对象和条件；2）生成树，通过检索条件，可以选取其中的边界线形成邻接图树；3）形成匹配面偶，根据检索对象与树节点形成一个图节点，找到图节点相对应的边界面即可形成。在完成上述搜索过程之后，就根据这个匹配面偶再进行不断地拓扑逼近，就能最终得到最佳的匹配方案。

根据上述的实验步骤，我们选取了一个物件，然后搭建出其相对应的CAD模型，用A来表示，同时我们选取其他物件样本，与A有着不同程度上的相似，通过上述的拓扑逼近方法来计算用时与准确度，其具体的结果如表1所示。

表1 实验结果

从表1中可以看出，在不同的检索条件下面，检索的循环算法的相似度越高，检索用时就越少，同时针对同一个检索的循环算法，不同的物体相似度所用的检索时间也不相同，一般与实物越接近用时就越小，且从这个结果表中也可以看出，在整个检索用时上面，总的检索时间都不长，证明该实验算法用时短，效率高，准确度也高。

3 结束语

科学技术不断进步，CAD模型技术的使用越来越广泛，日新月异，针对现有的CAD模型的检索技术也在不断地改进，故我们应该应对科学技术的变化，在CAD技术上不断地推陈出新。因此本文针对这个情况，提出了一种改进的算法，基于拓扑逼近的理念，在不降低准确度的前提下，缩短了用时，提高了效率，是一种比较有优势的算法，对今后的实践使用也有着一定合理的参考性。

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