三維CAD模型檢索研究現(xiàn)狀綜述

【摘 要】隨著三維技術(shù)的發(fā)展，三維模型檢索技術(shù)已成為各領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)問(wèn)題。在機(jī)械領(lǐng)域，應(yīng)用三維CAD模型的特征屬性進(jìn)行檢索，具有檢索精度高，檢索目的強(qiáng)等特點(diǎn)。本文對(duì)三維CAD模型檢索研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，CAD模型檢索可劃分為兩個(gè)層次，基于視覺(jué)相似性的和面向語(yǔ)義和功能描述的三維CAD模型檢索。對(duì)這兩種檢索層次下CAD模型的檢索方法進(jìn)行詳細(xì)的分析和總結(jié)。最后展望了進(jìn)一步的研究方向。

【關(guān)鍵詞】CAD模型；模型檢索；現(xiàn)狀研究

引言

近幾年來(lái)隨著三維獲取設(shè)備及相關(guān)軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)描述的需求開始增加。機(jī)械工程，建筑設(shè)計(jì)和裝潢，服裝設(shè)計(jì)，虛擬建模等領(lǐng)域都漸漸建立了相關(guān)模型庫(kù)，三維模型數(shù)量仍在增加。所以三維模型檢索技術(shù)也已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，各類學(xué)者提出了一些不同類型的檢索方法。

根據(jù)不同場(chǎng)合、檢索要求的不同，三維模型檢索基本可以分為通用檢索和CAD模型檢索。通用型檢索和CAD模型檢索有較大的區(qū)別。前者以注重全局和相似度，容易忽略細(xì)節(jié)。三維CAD模型檢索有較大優(yōu)勢(shì)。它表示方法多樣，而且考慮模型全局和相關(guān)的細(xì)節(jié)差異。在領(lǐng)域知識(shí)和檢索需求方面，三維CAD模型檢索主要用于整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期的全過(guò)程。

現(xiàn)如今，越來(lái)越多的領(lǐng)域都在進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)和制造。因此較多的三維模型堆積擠壓。在我們新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以參考已有的模型來(lái)進(jìn)行相似和快速設(shè)計(jì)，同時(shí)能讓我們避免一些原有設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，所以對(duì)于模型二次利用和檢索變的越來(lái)越重要。因此深入研究適合于三維CAD模型檢索的研究具有重要的使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文主要介紹目前三維CAD模型檢索的研究現(xiàn)狀，并對(duì)模型檢索方法進(jìn)行分析和總結(jié)，最后展望三維CAD模型檢索進(jìn)一步的研究方向。

1、三維CAD模型檢索概述

三維模型檢索就是通過(guò)現(xiàn)有的三維模型特征信息建立索引，對(duì)特征信息的相似度查找所需的模型，實(shí)現(xiàn)檢索。目前主要在生物、機(jī)械、地形外貌等方面進(jìn)行檢索。三維CAD設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步用到各種工程領(lǐng)域。CAD模型在數(shù)量和復(fù)雜程度上征加，但自動(dòng)檢索尋找，比較分類的技術(shù)發(fā)展較慢。CAD模型檢索本質(zhì)是是從大規(guī)模相似模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索到我們所需要的一些相似度較高的模型，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行部分和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。對(duì)于三維CAD模型檢索主要可以劃分為基于視覺(jué)相似和面向語(yǔ)義與功能描述兩個(gè)方面。

2、基于視覺(jué)相似性的三維CAD模型檢索

對(duì)于視覺(jué)相似性CAD檢索通常獨(dú)立特定的領(lǐng)域，以各種方式提取模型幾何描述，比較相似特征描述子進(jìn)行檢索。這種檢索方法提取全局形狀描述和幾何特征，使用范圍較大，對(duì)數(shù)量大的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索更有優(yōu)勢(shì)。依據(jù)檢索方式的不同，主要可以分為以下四種。

（1）以提取全局幾何結(jié)構(gòu)的方式

這樣的一種模型檢索方式通過(guò)描述全部的幾何特征，根據(jù)已有的模型，檢索出相似的幾何參數(shù)和近似的結(jié)構(gòu)特征。此方法可以分為兩類：幾何參數(shù)提取和機(jī)構(gòu)特征簡(jiǎn)化，主要用于較為復(fù)雜的模型檢索，并且檢索效率高。

（2）以提取全局統(tǒng)計(jì)特征的方式

以提取全局統(tǒng)計(jì)特征的方式檢索三維模型常用的是特征直方圖。對(duì)于整個(gè)模型的特征，直方圖可以顯示各種模型的相似度。這種方法通過(guò)一些取樣點(diǎn)采用不同的函數(shù)計(jì)算幾何特征，最后比較模型相似程度進(jìn)行大規(guī)模的檢索。適用該類方法的CAD模型表示主要包括多邊網(wǎng)格、邊界表示等。它可以較好的提取特征分布情況，具有較強(qiáng)的魯棒性。主要缺點(diǎn)是相似模型的區(qū)分程度不足，對(duì)細(xì)節(jié)的把握不夠。

（3）以投影視圖的方式

以投影視圖的方式檢索的依據(jù)主要是一些模型的形態(tài)投影，這些形態(tài)投影都有其特定的函數(shù)表示。它主要用于工程領(lǐng)域。國(guó)外學(xué)者較多采用擴(kuò)展高斯秋的方法表征模型幾何特征。還有一些學(xué)者利用模型的二位投影圖比較實(shí)現(xiàn)檢索。該方法通過(guò)某函數(shù)模型的投影特征向量來(lái)區(qū)分三維模型。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，主要缺點(diǎn)是魯棒性較差，函數(shù)投影容易出現(xiàn)少量信息丟失，細(xì)節(jié)檢索能力差。

（4）以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的方式

以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的方式主要考慮模型的一些拓?fù)潢P(guān)系和應(yīng)用情況，最后進(jìn)行基本的相似搜索。一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在很大程度上可以描述內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能有效描述局部細(xì)節(jié)和整體結(jié)構(gòu)，并且有較好的穩(wěn)定性，也是面向語(yǔ)義和功能描述的三維CAD模型檢索的方法。

3、面向語(yǔ)義與功能描述的三維CAD模型檢索

三維CAD模型一般與各種制造加工、屬性功能等有關(guān)，這些可以作為模型檢索的重要依據(jù)。此種檢索方式在相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的前提下對(duì)相似模型的自動(dòng)搜索。該方法主要針對(duì)B-Reps及CSG描述的幾何造型表示，適用于語(yǔ)義上的匹配和精確檢索。對(duì)不同的特征識(shí)別和信息，該方法主要可以分為以下兩種。

（1）以制造或加工的特征識(shí)別檢索方法

對(duì)于制造或加工特征的CAD模型檢索應(yīng)用較早，多數(shù)與該類特征或特定應(yīng)用相關(guān)。主要是通過(guò)提取特定工程的幾何成分完成，基于圖的算法完成特征識(shí)別與模式比較，適用范圍較廣，主要缺點(diǎn)是模型轉(zhuǎn)換時(shí)容易丟失部分幾何信息，唯一性難以保證。

（2）以產(chǎn)品信息的檢索方法

對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品加工，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)和制造都有特定的信息。從模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)到最終成品，其加工的幾何信息和工藝信息可以作為重要的模型檢索途徑。這種方法同樣和特定的工程領(lǐng)域相關(guān)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著三維CAD模型數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)大，CAD設(shè)計(jì)越來(lái)越多，模型復(fù)用更加重要，為加快設(shè)計(jì)效率，這就需要CAD模型的比較和檢索得到越多的重視。如今對(duì)三維CAD模型的檢索在以下方面有待進(jìn)一步研究，比如特征識(shí)別的高度提取，產(chǎn)品信息完整提取，分類和描述方法的改進(jìn)，模型比較和檢索評(píng)價(jià)方法等。

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