基于視覺表達的工業設計合理性評估方法研究

佟喆

摘 要： 為了提高工業設計的合理性評估能力，提出一種基于視覺表達和圖像分析的工業設計合理性評估方法。以工業設計工件為例，首先采用數字掃描成像技術進行工業設計工件的視覺成像采集，對采集的工業設計工件視覺圖像進行中值濾波降噪預處理，然后提取工件的邊緣輪廓特征，采用Harris角點檢測方法對工件的關鍵加工點進行定位檢測和合理性評估。最后進行仿真測試分析，結果表明，采用該方法進行工業工件設計，對設計的合理性評估的準確性能更好，評價指標更明確。

關鍵詞： 視覺表達； 圖像預處理； 工業設計； 合理性評估

中圖分類號： TN911.73?34； TN249 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0154?04

Abstract： In order to improve the ability of reasonableness assessment for industrial design， an evaluation method of industrial design rationality based on visual expression and image analysis is put forward. Taking an industrial design workpiece as an example， the digital scanning imaging technology is used to perform visual image acquisition of industrial design workpiece. The median filtering noise reduction preprocessing of the acquired visual image of the industrial design workpiece is carried out. The edge contour features are extracted. Harris corner detection method is adopted to conduct location detection and the rationality evaluation for the key processing points of the workpiece. The simulation test and analysis results show that the method is more accurate for design rationality evaluation of the industrial workpiece and its evaluation index is more explicit.

Keywords： visual expression； image preprocessing； industrial design； rationality evaluation

0 引 言

工業設計對象是批量生產的產品。工業產品的合理性設計能有效提高工業加工的生產效率，特別是對機械工件進行優化設計，能提高工業機械工件加工的精度。工業設計是對產品的實用性、美和環境的合理性融合，工業設計的美學形態問題和視覺特征呈現問題研究是工業設計研究的主要內容[1]。傳統的工業設計主要是憑借訓練、技術知識進行色彩和產品形狀的表達，進行工件的結構、構造、形態、色彩和加工工藝進行評估[2?3]，但是還缺乏一套有效的工業設計的合理性評估機制。采用計算機視覺表達方法進行工業設計的合理性評估具有應用前景，采用計算機視覺表達方法，結合圖形與圖像處理學，實現對工件產品的結構、構造、形態、色彩的優化設計。

1 工業設計工件的視覺成像采集

用數字掃描技術進行工業設計工件的色彩、形態和構件的合理性評價，結合圖像處理技術實現工業設計工件視覺特征的合理性表達，對工業設計工件的結構、構造、形態、色彩合理性設計評估是建立在對工業設計產品工件進行三維數字掃描成像基礎上[4]，通過對工業設計工件進行三維數字掃描圖像的圖像分割和信息融合處理，結合角點檢測和關鍵點標定方法，對工業產品設計的關鍵信息點的特征點進行準確標定，實現結構、構造、形態、色彩合理性搭配，假設工業設計工件的三維數字掃描成像的像素點信息特征量為，從中選取，， ，…，作為工件工業設計的關鍵信息特征點，每隔個視覺采樣周期進行信息融合和視覺特征提取，得到工業設計工件的視覺成像采集的高維信息融合方程描述為：

式中：為工業設計工件三維數字掃描成像像素級視覺差；為視覺成像掃描的陰影區域融合分量。使用有限體積方法對工業設計工件的視覺成像像素值進行種子點離散處理[5]，用高亮線條和陰影區域方法，得到設計工件的三維視覺掃描的瞬態鏡像模型為：

式中：為工件視覺掃描的瞬態邊緣輪廓特征；為單一尺度下視覺變化的周期變量，初始化圖像分塊模型，令。其中：，表示工業產品設計工件三維視覺圖像分塊位置處的圖像邊緣信息素。采用齊次坐標變換得到工業設計工件的視覺成像采集的特征數據表達式為：

采用直方圖估計方法得到工業設計工件三維數字掃描成像像素級視覺差，在工業設計工件三維數字掃描成像曲面擬合過程中，先尋找工件設計的三維空間，通過關鍵信息點區域估計方式重構數字掃描圖像。

2 工件視覺圖像的中值濾波降噪預處理

在上述進行工業設計中工件圖像的三維視覺特征提取和圖像采集的基礎上，進行工件視覺圖像的中值濾波降噪，由于工業設計工件三維數字掃描成像模板像素失真導致視覺誤差較大，出現噪點，對工業設計工件三維數字掃描成像采用中值濾波進行形態學分割[6]，工件三維數字掃描圖像的二值化分離結果為：

通過上述對工件視覺圖像的中值濾波降噪預處理，提高了視覺表達的輸出信噪比。

3 工業設計合理性評估的視覺表達實現

3.1 工業設計視覺成像的邊緣輪廓特征提取

在上述進行了工業設計工件的視覺成像采集和降噪預處理的基礎上，提取工件的邊緣輪廓特征，采用邊緣輪廓特征提取方法對工件的關鍵加工點進行定位檢測和合理性評估，工業設計工件三維數字掃描成像點的數據樣本為：

對于，對應的工件邊緣輪廓的測量值，用表示4×4的邊緣輪廓的平滑參數，即，得到工業設計工件三維數字掃描圖像的空間分解迭代式為：

式中，表示工業產品設計的關鍵信息點模態特征輸入數據。采用有限元法對工件的視覺表達信息進行圖像像素增強，假設構建工業設計工件三維數字掃描圖像的視覺表達的信息動態傳遞方程滿足：

通過預先設定以閾值，實現對視覺成像的邊緣輪廓特征提取，工業設計工件視覺表達的邊緣輪廓特征提取示意圖如圖1所示。

3.2 工業設計的視覺表達合理性評估實現

在提取工件的邊緣輪廓特征的基礎上，采用Harris角點檢測方法對工件的關鍵加工點進行定位檢測和合理性評估，工業產品設計工件三維視覺圖像總共可劃分成K個分塊特征區域，工件三維視覺的子空間為：

根據窗口區域的閾值對圖像進行Harris角點訓練[7]，訓練函數為：

定義工業產品設計工件三維視覺圖像為，工業設計工件的色彩、形態和構件的合理性搭配先對工業設計工件進行圖像像素序列重組，如下：

當輸出的工業產品設計工件圖像像素特征集滿足約束條件：。定義Harris角點信息特征，提取圖像關鍵信息點的統計特征進行角點匹配，工業產品設計工件三維視覺的特征估計的判別函數為：

式中：為工業產品設計工件視覺參量在角點尺度上的估計結果；為種子點附近的工件結構、構造、形態估計結果。基于組合優化理論，對工業設計工件的Harris角點特征進行最小二乘組合擬合，得到工業設計的視覺表達合理性評估狀態方程如下：

式中：為關鍵信息點的信息素值；為不同尺度的區域信息融合控制系數；為三維數字掃描點的歐氏距離。通過上述方式，實現工業設計的視覺表達合理性評估，具體流程如下：

（1） 對工業產品設計工件三維視覺圖像進行信息采集和特征提取，對采集的工業設計工件視覺圖像進行中值濾波降噪預處理，構建工業產品設計工件三維視覺圖像的邊緣特征分布區間之間的特征分割系數，以為概率密度泛函進行邊緣輪廓特征分割。

（2） 使用三維數字掃描成像的亞像素級進行特征重組，求解不同尺度結構的視覺傳達系數。根據工業產品設計工件三維視覺圖像的Harris角點檢測結果，對工件三維數字掃描成像的頻譜分量和作變換，為工業產品設計工件三維視覺圖像的灰度級，為連續向量量化矢量特征點的信息組合融合度。

（3） 采用關鍵信息點區域組合構建候選區域像素特征集，對工件的關鍵加工點的信息度表示為，并通對兩種自適應加權進行特征點掃描。

（4） 對數字掃描圖像的第一輪預測結果進行有效性判別的關鍵信息點標定結果滿足判別閾值，結束算法，否則自適應更新迭代補償，重新進行工業設計的合理性評價迭代。

4 實驗測試分析

實驗的硬件環境：CPU為Intel Core i3?370，主頻為2.93 GHz，內存為2 GB，采用輸出信噪比SNR作為工業產品設計工件視覺圖像處理后合理性評價的效果測評指標，SNR的計算式為：

式中：是原始工業產品設計工件視覺圖像；是通過本文的視覺表達和圖像分析處理和工業設計工件的圖像。以渦旋葉輪作為工業設計工件，進行視覺表達分析，測試葉輪工件工業設計的合理性，用數字掃描技術進行工業設計工件的色彩、形態和構件視覺特征標定，得到工件的CAD輸出視覺圖像結果如圖2所示。

采用本文方法進行中值濾波降噪預處理，然后提取工件的邊緣輪廓特征和Harris角點檢測，得到特征提取結果如圖3所示。

從圖3可見，采用本文方法對工業設計工件進行邊緣輪廓特征檢測，能有效實現對工件的關鍵加工特征點的提取和評價，采用Harris角點檢測方法對工件的關鍵加工點進行定位檢測和合理性評估。圖4為采用不同方法進行工業設計合理性評價的輸出SNR對比結果，從圖4分析得知，采用本文方法進行工業設計合理性評價的輸出信噪比較高，說明準確性較好。

5 結 語

本文研究了工業設計的視覺表達合理性評價問題，提出一種基于視覺表達和圖像分析的工業設計合理性評估方法。以渦旋葉輪工件為例，采用數字掃描成像技術進行工業設計工件的視覺成像采集，對采集的工業設計工件視覺圖像進行中值濾波降噪預處理；然后提取工件的邊緣輪廓特征，采用Harris角點檢測方法對工件的關鍵加工點進行定位檢測和合理性評估。測試結果表明，采用該方法進行工業工件設計，對設計的合理性評估的準確性能更好，評價指標更明確，具有一定的應用價值。

參考文獻

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