用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法
【专利摘要】本发明首先提取经拟合得到的手势笔画的角度信息，并绘制出相应的角度直方图从而得到手势笔画的角度分布，再依据角度直方图对手势进行平行校正得到校正笔画；然后，利用变系数容差带判定聚类点，将待融合点进行分组聚类；最后，利用本发明的“坐标系?权重准则”对校正笔画进行端点融合规整。本发明方法可以对在线会绘制的平面立体投影图进行端点融合规整，有效地解决现有的强制捏合端点的融合问题，并对手绘投影图进行高效的规整处理。
【专利说明】
用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种在线手绘平面立体投影图的端点融合方法，用于智能手绘输入设 备，如手写板、智能手机等等。
【背景技术】
[0002] 手绘草图是一种自然而直接的思想外化和通信交流方式，它简便、自然而且形象， 有利于设计师展现设计思维W及进行创造性活动。一名优秀的产品设计师，不仅要有好的 构思、创意，还需要通过一定的表现形式将其表达出来。构思要想被感知必须通过某种特定 的载体转化，草图运一图解方式是表达设计创意与构思捕捉记忆最直接、最有效的手段。手 绘草图绘制速度快、线条优美自然，给人一种强烈的艺术感染力。但是由于手绘草图具有风 格变化、抽象、不精确、不稳定等特征，对运些于计算机通过手绘草图理解用户的设计意图 是非常困难的。其原因主要有=个方面:第一，人们针对同一物体所绘制的草图往往具有多 种表现形式，实际上同一个人在不同的时间绘制的同一个物体都有可能存在较大不同。第 二，在采用二维草图表达=维模型时，数据维数减少而造成的模糊性;第=，有时候用户对 要绘制物体几何形式的不明确而造成的随机性。在线手绘图识别的目标就是在保证用户输 入意图W及用户适应性的前提下，对草图进行最佳的识别和规整。
[0003] 目前，在由2D草图重建3D模型的领域中，草图解释方面一般均采用基于基本线元 的手绘图识别方法。该方法解决了图形描述的唯一性问题，包含笔划分割、识别、拟合、端点 融合等步骤，其中端点融合是影响识别效果的一关键步骤。
[0004] 对于手绘平面立体的投影图，由一系列单笔画直线段构成，且笔画平行度不一致、 节点处也并非完美无瑕。端点融合技术经过了长期的研究已有很多的研究成果，但主要为 基于容差带的端点融合方法:现有基于统计分析结果得到容差阔值的方法;将线元长度的 一个百分比作为容差阔值的方法。显然，W上容差阔值结果并不能获得可信赖的融合结果。 容差阔的值应该根据具体线元端点的"敏感度"确定，若采用相对较固定的容差阔值对两线 元端点的融合性进行判断，阔值较大会导致过融合，容差阔值过小会导致本该相连的端点 未能相连。Lipson则提出了基于平均距离的方法，首先计算出每一个原始端点到各实体的 平均距离，它包括端点到该实体本身的平均距离，即实体线元的一半长度，并将其最小值作 为端点的容差半径。之后Wang对该方法进行了改善，提出基于变系数容差阔的端点融合方 法。得到原始端点的容差带后，若两两原始端点相互落入对方的容差带内则将其进行聚合， 若构成两个节点彼此之间还能构成新的融合则将运两个节点进行再融合，并将各聚类点中 的原始端点的中屯、记作为节点。W上两种方法，前者容差阔值相对比较固定;而后者根据整 个实体的尺寸来确定容差阔值，使其更具有适应性。但是两者在融合过程中都没有考虑各 条草图笔画的相对位置关系，孤立地看待每个实体，将聚类点强制捏合到一起，在一定程度 上破坏了各个实体之间的相互联系，也说明了单纯考虑融合规整算法的简便易行所得效果 并不鲁棒。
【发明内容】
[0005] 要解决的技术问题
[0006] 为解决现有端点融合技术存在的问题，本发明提出了一种用于智能手绘输入的平 面立体投影图的端点融合方法，按照绘制草图的"上下文关系"，并结合基于适应性容差带 的融合方法，对草图笔画进行端点融合规整。
[0007] 技术方案
[0008] -种用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法，输入为经识别拟合所 得手势笔画，其由N条直线段组成;其特征在于步骤如下：
[0009] 步骤1:提取各条手势笔画化i; 的角度信息值：{0i;〇《0i《18〇°};
[0010] 步骤2:采用基于角度直方图的方法对手势进行平行校正：
[OOW 步骤2.1: W手势线号i为横坐标，角度信息01为纵坐标，作直方图，从而得到手势 笔画的角度分布；
[0012] 步骤2.2:根据该角度分布W及角度阔值A S对手势进行聚类分组，即若I 01-0^1《 A 5,则将手势笔画划分为一组，最终得到若干组手势；
[0013] 步骤2.3:假设第S组笔画由ns条手势组成，计算每组手势笔画的角度平均值，则有
[0014]
[001引其中t，t + l，…，ns表示第S组手势的组内笔画线号，且当|g -0°|《l0D或者 6 -30。| 5^1_0。或者障-90。| ^ 1()。或者|6 -15()。| ：;S 10。时，g =獅。，30,90,150};
[0016] 然后，将每条手势按各自的组内角度均值g进行角度校正，使得组内角度一致，即 巧=屯I二…=线运，如此便达到平行校正的目的，并将得到的笔画称为校正笔画；
[0017] 步骤3:采用基于"坐标系-权重准则"的方法对校正笔画进行融合处理，校正笔画 序列Ui(0i);l《i《N};
[001引步骤3.1:首先提取校正笔画的所有端点化e;l《i《N，e = 0，リ，即待融合点，其中 dio表示笔画起点，dii表示笔画终点；
[0019] 步骤3.2:采用基于变系数容差带的端点聚类方法进行待融合点的聚类:若几个待 融合点相互落入对方的容差圆内，那么将运几个待融合点作为一个聚类，每组聚类点个数 为K;最终在端点融合过程中同一组聚类点将被一个节点代替，且所得节点数R为
[0020]
[0021] 且节点序列表示为
[0022] 步骤3.3:将R个节点数投影，投影节点为{Pm; 投影节点由S条笔划组 成，组成了R个坐标系;遍历坐标系序列ICi; 将方向一致的坐标系分为一组，则得 到若干组坐标系，每组坐标系个数为w^l《j《R)，且同一组坐标系看作为一个坐标系，按 照坐标系组所占权重W北勺大小，得到新的坐标系序列IVx; 其分别表示1级坐标系、 2级坐标系，q代表坐标系的总的级别个数；
[0023] 步骤3.4:依次按照权重W非華低的顺序对各节点进行聚类点的融合处理：
[0024] 步骤3.4.1:按权重降低的顺序遍历新的坐标系序列IVx;
[0025] 步骤3.4.2:判断并确定Vx中已参与过融合规整的校正笔画数M为0或1或2或3，并 对笔画按照"参与过融合规整的优先存储原则"进行排序，即h、b总是优先存储已参与融合 规整的校正笔画；
[0026] 步骤3.4.3:若1 = 3，且1( = 3，则11、12求交于？点，当6 = 0，笔画13上已经融合规整的 端点do不变，山与P点相重合；当6=1，笔画13上已融合规整的端点dl不变，do与P点相重合，运 种情况下，由于=条笔画均参与过处理了，要将笔画端点连接，则难免就会产生融合误差；
[0027] 步骤 3.4.4:若1 = 0，1，2，且1( = 2，贝1111、12求交于口点；
[002引步骤3.4.5:若1=0,1，2,且K = 3,则h、l2求交于P点；且当G = O，将13平移至do与点 P重合;当6 = 1，将13平移至di与点P重合，并保持角度不变。
[0029] 步骤2.2中的 A 5 = 20°。
[0030] 步骤3.2中基于变系数容差带的端点聚类方法采用文献"Shuxia W，Suihuai Y.Endpoint fusing of freehand 3D object sketch with Hidden-part-draw[C] .Computer-Aided Industrial Design&Conceptual Design,2009.CAID&CD 2009.I邸E 10th International Conference on,2009:586-590"中公开的方法。
[0031] 在端点融合前，根据笔画的"上下文信息"对手势进行平行处理，及时保留用户输 入的最初绘制意图；同时笔画平行关系的保留使得规整结果更加符合其与=维实体的投影 关系W及便于与现有的=维重建方法进行联接。
[0032] 该方法分为两个阶段:无误差融合阶段，在刚开始进行端点融合时，前几级坐标系 中的笔画几乎均处于未处理状态，运个阶段内M = O, 1，2,那么该阶段的融合规整只有求交、 平移两种形式。因此，该阶段为零误差规整;带误差融合阶段，运时M = 3,即所有校正笔画都 参与了融合处理，因此在处理待融合点时，难免相应笔画会进行非平移操作，笔画的角度也 因此发生变化，误差也因此积累到最后级坐标系。
[0033] 将校正笔画的角度称为理想规整角度值0d，经端点融合后所得的笔画角度称为实 际规整角度值9a，如果规整后笔画角度仍为0d，即0a=0d，那么就是最好的规整结果。但是由 于融合误差的存在，即融合前后角度差A 0=1 0a-0d I。因此，提出将手绘投影图在规整完成 后所产生的角度差A 0作为评判端点融合优良的一个标准。
[0034] 有益效果
[0035] 本发明首先提取经拟合得到的手势笔画的角度信息，并绘制出相应的角度直方图 从而得到手势笔画的角度分布，再依据角度直方图对手势进行平行校正得到校正笔画；然 后，利用变系数容差带判定聚类点，将待融合点进行分组聚类;最后，利用本发明的"坐标 系-权重准则"对校正笔画进行端点融合规整。本发明方法可W对在线会绘制的平面立体投 影图进行端点融合规整，有效地解决现有的强制捏合端点的融合问题，并对手绘投影图进 行高效的规整处理。
【附图说明】
[0036] 图1:在线手绘草图的端点融合规整流程图
[0037] 图2:聚类点容差圆示意图：（a)两点聚类;（b)S点聚类；
[0038] 图3:实施例手绘平面立体投影图的端点融合规整过程：（a)草图笔画；（b)手势笔 画；（C)校正笔画；（d)融合结果
[0039] 图4:实施例手势角度直方图
[0040] 图5:实施例端点融合前后A 0变化折线图
[0041] 图6:在线手绘平面立体投影图的端点融合方法的多例实验结果图
【具体实施方式】
[0042] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0043] 本实施例中采用的基于角度分布的端点融合方法，采用W下步骤：
[0044] 如图3-a所示为实施例草图，一种用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融 合方法包括W下步骤：
[0045] 步骤1:已知该实施例手绘平面立体投影图由18条手势组成。首先，遍历该手势序 列提取每条手势的角度信息值{01;〇《01《18〇°};
[0046] 步骤2:采用基于角度分布的方法对手势进行平行校正；
[0047] 步骤2.1: W手势线号为横坐标，角度信息01为纵坐标，作直方图，从 而得到手势笔画的角度分布，如图4所示；
[004引步骤2.2:根据步骤2.1所得角度分布，进行手势的分组。当I目1-目JI《A S(运里A 5 = 20°)，将手势笔画レ、レ划分为一组，最终得到四组手势Qxa《x《4):{化:Ll，L4山o山4， 1^17} ; {Q2:L2,L3, Lg, 1^13,1^18} ; {化：Ls, Ls}; {化：Ls, b, 1^11,1^12,1^15,1^16}。
[0049]步骤2.3:根据W上分组计算得到每组手势笔画的角度平均值^禾（l<.r<4)，那么 有:是={15取撕。，〇。，與)。}。
[0化0]然后，将每条手势按各自的组内角度均值马进行角度校正，使得每组笔画的角度 一致，从而达到平行校正的目的，并得到校正笔画山(目1); ;
[0051] 步骤3:端点融合过程中的直接规整对象为校正笔画序列{11(01);1《1《18}，但是 实际上，其并没有严格交于节点处，因此需要对它们进行连接处理。对W上所得校正笔画， 采用基于"坐标系-权重准则"的方法进行融合处理；
[0052] 步骤3.1:首先提取校正笔画的所有端点{di,e;l《i《18，e = 0，l}，即待融合点，其 中dio表示笔画起点，dii表示笔画终点；
[0053] 步骤3.2:利用变系数容差带，对待融合点进行聚类。若几个待融合点相互落入对 方的容差圆内，那么将运几个待融合点作为一个聚类，如图3-C所示，最终得到12组点聚类 Dg(l《g《12) :Di = {di,o,d2,o,di6,o}，〇2= {di,i,d3,o,di2,o}，〇3= {d2,i,d4,o,dii,o}，〇4二{d3,i, d已,o'ds'o}，D已=(cU'i'd已，i,d7,o} ,De = {ds'i'ds'o'dg'o}，〇7二{d7,i,d8,i,dio,o}，〇8二（dg'i'dio'i, cU已，0}，Dg二{dll,0, di4,0, di8,1}，Dio = {di2,1, di3,0, di7,1}，Dii = {di3,1, di4,1, cU已，I}，Di2二{di6,1, 山7,0，山8,〇}。并最终在端点融合过程中同一组聚类点将被一个节点代替，即得到3=12个节 点。
[0054] 所述基于变系数容差带的端点聚类过程采用文献"Shuxia W ,Suihuai Y.Endpoint fusing of freehand 3D object sketch with Hidden-part-draw[C] .Computer-Aided Industrial Design&Conceptual Design,2009.CAID&CD 2009.I邸E IOth International Conference on,2009:586-590"中公开的方法，其基本原理为：计算 从每一个待融合点到所有直线段序列中每一个直线段首尾点的平均距离，该测量方法包括 端点到自身所在直线段首尾点的平均距离，即直线段长度的一半。将平均距离中最小的线 性函数作为该端点的容差半径，即
[0化5]
[0056] 其中A为容差半径系数，取1，2,…，m;i=0，l，…，n为线号；j = 0，l，…，k为点号， dij为第i条线元的第j个点到所有直线段序列中所有直线段首尾点距离之和中最小的一 个。该方法所得到的容差圆的大小会随着输入草图的整体信息的变化而变化，具有良好的 适应性；
[0057] 步骤3.3:现已知一个平面立体有R个顶点，理论上，其投影图一定也对应存在R个 节点{Pm; ，且每一个节点由=条笔划组成，运里认为每一个节点处存在一个坐标 系，则共有R个坐标系。且每个节点处各聚类点所在的直线段笔画的方向分别代表该坐标系 的=个方向。
[0化引遍历坐标系序列ICi; i《12}，将方向一致的坐标系分为一组，则得到3组坐标 系，且每组的坐标系个数Wj= {8,2,2}。按照W北勺大小（即坐标系组所占权重的大小），可将所 有坐标系分为2个级别:Vi={Ci;i = l，2,3,8,9，10，ll，12};V2={Ci;i = 4,6;5,7};
[0059] 步骤3.4:由于1级坐标系（即1级节点)所占权重最大，首先对该组坐标系中的聚类 端点进行融合处理最为合理，然后依次按照权重降低的顺序对各节点进行聚类点的融合处 理。并称该原则为"坐标系-权重准则"；
[0060] 步骤3.4.1:按权重顺序遍历新的坐标系序列IVx;X= 1，2，2};
[0061 ] 步骤3.4.2:判定Ci中已参与过融合规整的校正笔画数M= ? (M=0，1，2，3 )，并对笔 画按照"参与过融合规整的优先存储原则"进行排序，即h、b总是优先存储已参与融合规整 的校正笔画；
[00创步骤3.4.3:若M = 3化=3)，则h、12求交于P点。当e = 0，笔画13上已经融合规整的 端点do不变，山与P点相重合；当6 = 1，笔画13上已融合规整的端点di不变，do与{:点相重合。运 种情况下，由于=条笔画均参与过处理了，要将笔画端点连接，则难免就会产生融合误差；
[0063] 步骤 3.4.4:若1 = 0，1，2，且1( = 2，贝1山、12求交于口点。
[0064] 步骤3.4.5:若1=0，1，2，且1( = 3，则11、12求交于？点。且当6 = 0，将13平移至(1〇与点 P重合；当6=1，将13平移至di与点P重合，并保持角度不变，得到最终融合规整结果如图3-d 中深色笔画表示。
[0065] 为了进行对比，本实施例中给出通过不同端点融合方法的得到的笔画规整结果， 如图3-d中浅色笔画表示。在融合规整前，每组校正笔画角度0d是一致的，希望在融合规整 后笔画角度仍为目d，因此将其作为理想规整角度值目d。实际上，经端点融合后笔画的角度称 为实际规整角度值03,但是由于融合误差的存在，产生了融合前后角度误差A 0= I 0a-0d I， 且本方面将其作为评判端点融合算法优良的标准。
[0066] 如图5所示，分别给出基于两种不同算法的端点融合前后所产生的角度误差A 0的 变化折线图。由图中信息可知，该手绘平面立体投影图由18条笔画构成，本发明融合算法规 整后的角度误差A 0为中蓝色折线段表示;Wang的算法为图中灰色折线段表示。图中两种方 法所得最大角度误差一致，即max( A 0)=5°。仔细分析，最理想的规整结果应该是A 0 = 白a-目d I =0°，本发明算法所得结果大部分笔画角度误差为0°~1°，仅一例为5%而Wang的算 法所得A 0偏差起伏太大，仅有两条笔画h3、ll7角度误差为0°，严重影响整幅投影图的可读 性W及可靠性，且所得结果更加不符合与=维物体的投影关系，也不便于与现有的=维重 建方法进行联接。
[0067]该方法完善在线手绘投影图的现有端点融合方法。通过相应的算例对该方法进行 验证并与现有算法进行了比较，实验结果证明采用本方面方法得到的效果更好，且规整结 果也更进一步符合用户的输入意图。该方法的研究对于研制支持概念设计的新一代人机交 互系统具有一定的参考价值，提高了草图识别规整的精度，也为进一步实现手绘=维物体 投影图的重构奠定了一定基础。
【主权项】
1. 一种用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法，输入为经识别拟合所得 手势笔画，其由N条直线段组成;其特征在于步骤如下： 步骤1:提取各条手势笔画{L1;l彡i<N}的角度信息值{0^0^^180°}; 步骤2:采用基于角度直方图的方法对手势进行平行校正： 步骤2.1:以手势线号i为横坐标，角度信息0,为纵坐标，作直方图，从而得到手势笔画的 角度分布； 步骤2.2:根据该角度分布以及角度阈值Δ δ对手势进行聚类分组，即若| θ,-θ」| < Δ δ， 则将手势笔画U、I^划分为一组，最终得到若干组手势； 步骤2.3:假设第s组笔画由ns条手势组成，计算每组手势笔画的角度平均值，则有其中^+1，."，~表示第8组手势的组内笔画线号，且当|总-0。|玄1〇。或者咚-3:0。|玄10。 或者网-90。| <10。或者R -150。| <10。时，贫.=丨〇。，30, 90,150}; 然后，将每条手势按各自的组内角度均值泛进行角度校正，使得组内角度一致，即 0 0 i …=: G，如此便达到平行校正的目的，并将得到的笔画称为校正笔画，校正 笔画序列Ui(9i);i^a彡n}; 步骤3:采用基于"坐标系-权重准则"的方法对校正笔画进行融合处理： 步骤3.1:首先提取校正笔画的所有端点{die; 1 ，e = 0，1}，即待融合点，其中di0表 示笔画起点，dn表示笔画终点； 步骤3.2:采用基于变系数容差带的端点聚类方法进行待融合点的聚类:若几个待融合 点相互落入对方的容差圆内，那么将这几个待融合点作为一个聚类，每组聚类点个数为K; 最终在端点融合过程中同一组聚类点将被一个节点代替，且所得节点数R为 且节点序列表示为{Pu; 1彡u<R};步骤3.3:将R个节点数投影，投影节点为{Pm;l<m<R}，投影节点由三条笔划组成，组成 了 R个坐标系;遍历坐标系序列{C1;l<i<R}，将方向一致的坐标系分为一组，则得到若干 组坐标系，每组坐标系个数为wj(K j<R)，且同一组坐标系看作为一个坐标系，按照坐标 系组所占权重^的大小，得到新的坐标系序列{Vx;l彡X彡q}，其分别表示1级坐标系、2级坐 标系，q代表坐标系的总的级别个数； 步骤3.4:依次按照权重^降低的顺序对各节点进行聚类点的融合处理： 步骤3.4.1:按权重降低的顺序遍历新的坐标系序列{￥^1^^<(1}; 步骤3.4.2:判断并确定Vx中已参与过融合规整的校正笔画数Μ为0或1或2或3,并对笔画 按照"参与过融合规整的优先存储原则"进行排序，即h、h总是优先存储已参与融合规整的 校正笔画； 步骤3.4.3:若1=3，且1( = 3，则11、12求交于？点，当6 = 0，笔画13上已经融合规整的端点 do不变，cU与P点相重合；当e = l，笔画13上已融合规整的端点cU不变，do与P点相重合，这种情 况下，由于三条笔画均参与过处理了，要将笔画端点连接，则难免就会产生融合误差； 步骤3.4.4:若M=0，l，2,且K = 2,贝ijlhh求交于P点； 步骤3.4.5:若1 = 0，1，2，且1( = 3，则11、12求交于？点；且当6 = 0，将13平移至(1()与点？重 合;当e = l，将13平移至cb与点P重合，并保持角度不变。2. 根据权利要求1所述的一种用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法， 其特征在于步骤2.2中的角度阈值△ δ = 20°。3. 根据权利要求1所述的一种用于智能手绘输入的平面立体投影图的端点融合方法， 其特征在于步骤3.2中基于变系数容差带的端点聚类方法采用文献"3111^1 &1，31^1111&1 Y.Endpoint fusing of freehand 3D object sketch with Hidden-part_draw[C] .Computer-Aided Industrial Design&Conceptual Design,2009.CAID&CD 2009.IEEE 10th International Conference on,2009:586-590" 中公开的方法。
【文档编号】G06T5/50GK105957046SQ201610289106
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】王淑侠, 张茜, 王关峰, 王守霞, 荆晓珂, 惠晓明, 高满屯
【申请人】西北工业大学