一种装配体模型信息的离散量化与相似性分析方法

1.本发明属于计算机辅助设计领域，具体设计了一种面向索引构造的装配体模型信息离散量化与相似性分析方法。


背景技术：

2.随着近年来cad技术的不断发展，现有基于模型定义的产品数字化研制体系中，三维装配体模型广泛关联了产品全生命周期上、下游的相关信息，包括工艺设计、加工制造和维修/维护等各个方面，形成了极具实践意义的知识脉络。为了支持设计人员对这些模型所关联的各类设计知识进行重用，进而减少设计工作、提高产品研发效率，以三维装配体模型为对象的相似性分析技术已成为普遍关注的热点之一。目前已经出现了一些用于不同描述符的模型相似性分析方法：
3.文献“lupinetti k,giannini f,monti m,et al.multi
‑
criteria retrieval of cad assembly models[j].journal of computational design and engineering,2018,5(1):41
‑
53.”将结构、形状、接触面和统计数据进行编码构建了装配体多层次描述模型，该模型能够描述部件和组件级别的结构，并最终将装配模型之间通用结构挖掘转化为多个图之间的子图同构问题。该方法能够较识别两模型中结构相同的部分区域，但计算过程十分复杂，不利于在规模较大的模型库进行高效分析。
[0004]
在专利“面向模型检索的装配体模型定量描述方法(cn105574265a，公开日期：20160511)”中提出了一种基于零件形状匹配的装配体描述方法，该方法采用形状分布方法将零件模型量化描述为特征空间中的点，进而通过离散点集的匹配实现装配体模型检索。但是由于离散点集无法表达零件间的连接关系，将在一定程度上影响检索结果的准确性，从而难以进行高效相似性分析。
[0005]
在专利“基于空间连接骨架描述符的装配体检索方法(cn108628965a，公开日期：20181009)”中提出了一种用于考虑零件空间分布特性的装配体检索方法，该根据装配体中零件中心的位置、配合面中心位置与零件与配合面之间的连接关系建立空间连接骨架，统计骨架上两个零件表面上随机采样点的分布作为装配体检索的描述符。这种方法在描述过程中综合考虑了形状和连接信息，但是对装配体局部结构的变动差异较为敏感，难以区分具有结构差异性的装配体。


技术实现要素：

[0006]
为了解决装配体模型间结构性知识难以进行高效相似性分析的问题，本发明提出一种面向装配体模型局部结构检索的模型信息离散量化与相似性分析方法，基于离散化思想将装配体分解为若干个由相互连接的零件对构成的结构单元，利用矢量化描述方法对各个结构单元的信息进行量化表征，通过求解最优化匹配模型实现装配体间的相似性分析，实现具有相似局部结构的装配体模型的检索。
[0007]
本发明的技术方案为：
[0008]
所述一种装配体模型信息的离散量化与相似性分析方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤1：提取零件表面点集和连接面信息，将装配体模型分解为若干个由相互连接的零件所构成的结构单元；
[0010]
步骤2：以零件形心点、连接面形心点和随机采样点间距离的概率分布函数对各个结构单元进行量化表征，利用得到的特征向量集作为装配体的模型描述符；将模型库中所有装配体三维模型转化为由特征向量构成的模型描述符，形成可用于模型相似性分析的特征数据库；
[0011]
步骤3：构建过滤机制，通过求解待分析装配体模型与特征数据库中模型描述符的相似度实现待分析装配体模型的相似性度量。
[0012]
进一步的，步骤1中，具体步骤为：
[0013]
步骤1.1：将装配体am分解为n1个零件的集合利用表面点集对装配体形状和连接信息进行描述；
[0014]
步骤1.2：对于存在连接关系的两个零件模型，将其作为装配体中的一个结构单元c
i
，进而将装配体am分解为若干个结构单元的集合n2为装配体am中结构单元的数量。
[0015]
进一步的，步骤1.1中，具体步骤为：
[0016]
步骤1.1.1：对于每个零件模型p
i
，在其表面上进行随机采样，将其表示为点集并计算每个零件的形心点gc在装配体全局坐标系下的坐标(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0017]
步骤1.1.2：提取装配体中具有连接关系的零件之间的连接面，计算连接面的形心fc，并得到形心在装配体坐标系下的坐标为(x
j
,y
j
,z
j
)。
[0018]
进一步的，步骤2中，对于装配体am中结构单元c
i
，采用如下步骤进行量化表征：
[0019]
步骤2.1：分别在两个零件的表面点集中进行采样，得到两个采样点p1，p2，计算p1通过gc1、fc、gc2到达p2所经过路径的距离之和，并作为采样距离：
[0020]
ssd＝sd+pd1+pd2[0021]
其中：sd是两零件形心gc1、gc2到配合面形心fc的距离之和；gc1、gc2和fc由结构单元c
i
的顶点和边属性计算得到；pd1，pd2分别为采样点p1，p2到对应零件形心的距离；
[0022]
步骤2.2：重复步骤2.1至少k次，统计每次采样所获得的采样距离；
[0023]
步骤2.3：以一个组数为k的直方图表示采样距离值的分布情况，直方图中每列的高度表示了每次的采样距离落在该列中的概率，并利用k维特征向量s＝[h1,h2,h3,
…
,h
k
]对其进行表征。
[0024]
进一步的，步骤2中，以装配体am中所有结构单元的特征向量组成的特征向量集作为装配体模型描述符am＝{s1,s2,
…
,s
n
}。
[0025]
进一步的，步骤3中，求解待分析装配体模型与特征数据库中模型描述符的相似度的具体过程为：
[0026]
步骤3.1：对于选定的待分析装配体模型，得到其模型描述符
[0027]
步骤3.2：对于特征数据库中的任意一个模型描述符q与a间的
相似性度量可视为多任务分配问题，可在预先设置的相似度阈值δ下，建立如下的最优化匹配问题：
[0028][0029][0030]
其中，dis()定义特征向量间的相似性度量方法；分别为特征向量的第l维数值；p()用于判断是否匹配，当低于阈值δ时认为能够成功匹配；
[0031]
步骤3.3：对步骤3.2的最优化匹配问题进行求解，计算其最小值作为待分析模型q与特征数据库中某一模型a之间的相似度sim(q,a)。
[0032]
进一步的，步骤3.3中，采用earth mover算法对最优化匹配问题进行求解。
[0033]
进一步的，步骤3中，遍历计算待分析装配体模型与特征数据库中所有模型描述符的相似度，按照相似度的大小进行排序，从而输出此次装配体模型的检索结果。
[0034]
有益效果
[0035]
本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：
[0036]
1、本发明所提出的装配体结构离散化描述方法，将复杂的装配体模型转化为若干个简单的结构单元，进而以自下而上的方式解决模型局部相似性分析问题。
[0037]
2、本发明所提出的装配体模型相似性分析方法，能够利用高维特征向量的距离计算代替传统的图同构运算，对计算资源要求较低。此外，实验表明，该方法在降低运算成本的同时能够在一定程度上保证检索准确性。
[0038]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0039]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0040]
图1为本发明的装配体模型检索方法总体流程图。
[0041]
图2为本发明方法具体实施方式中夹钳装置装配体模型实例及其中包含的零件模
型。
[0042]
图3为本发明方法具体实施方式中结构单元的点集及其形心实例。
[0043]
图4为本发明方法具体实施方式中夹钳装置所包含的结构单元。
[0044]
图5为本发明方法具体实施方式中夹钳装置中结构单元对应的特征向量。
[0045]
图6为本发明方法具体实施方式中模型库中的所有装配体模型。
[0046]
图7为本发明方法具体实施方式中结构单元匹配过程中所得到的部分匹配对象。
[0047]
图8为本发明方法具体实施方式中选择不同装配体模型为查询模型时所得的结果。
具体实施方式
[0048]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0049]
参照图1
‑
图5，针对机械行业中常用的夹钳装配体模型am，本发明基于结构离散化装配体定量描述与相似性分析方法具体步骤如下：
[0050]
步骤1：提取零件表面点集和连接面信息，将装配体模型分解为若干个由相互连接的零件所构成的结构单元。
[0051]
步骤1.1：将装配体夹钳模型am分解为7个零件模型的集合p1～p7，利用表面点集对装配体形状和连接信息进行描述：
[0052]
步骤1.1.1：对于每个零件模型p
i
，利用蒙特卡罗算法在其表面上进行随机采样，将其表示为点集并计算每个零件的形心点gc在装配体全局坐标系下的坐标(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0053]
步骤1.1.2：提取装配体中具有连接关系的零件之间的连接面，计算连接面的形心fc，并得到形心在装配体坐标系下的坐标为(x
j
,y
j
,z
j
)。图3所示为以am中p1和p2为例的信息提取过程。
[0054]
步骤1.2：对于存在连接关系的两个零件模型，将其作为装配体中的一个结构单元c
i
。按照如图4所示，将装配体am分解为7个结构单元构成的集合{c1,c2,
…
,c7}。
[0055]
步骤2：以零件形心点、连接面形心点和随机采样点间距离的概率分布函数对各个结构单元进行量化表征，利用得到的特征向量集作为装配体的模型描述符；将模型库中所有装配体三维模型转化为由特征向量构成的模型描述符，形成可用于模型相似性分析的特征数据库；
[0056]
对于装配体am中任意一个结构单元c
i
(1≤i≤7)，采用如下步骤进行量化表征：
[0057]
步骤2.1：分别在两个零件的表面点集中进行采样，得到两个采样点p1，p2，计算p1通过gc1、fc、gc2到达p2所经过路径的距离之和，并作为采样距离：
[0058]
ssd＝sd+pd1+pd2[0059]
其中：sd是两零件形心gc1、gc2到配合面形心fc的距离之和；gc1、gc2和fc由结构单元c
i
的顶点和边属性计算得到；pd1，pd2分别为采样点p1，p2到对应零件形心的距离；
[0060]
步骤2.2：重复k次步骤2.1，本实施例中取k＝105，统计每次采样所获得的采样距离；
[0061]
步骤2.3：以一个组数为k的直方图表示采样距离值的分布情况，直方图中每列的高度表示了每次的采样距离落在该列中的概率，并利用k维特征向量s＝[h1,h2,h3,
…
,h
k
]对其进行表征；本实施例中取k＝1024。
[0062]
这样，重复步骤2.1～步骤2.3，直到统计完成装配体中所有存在连接关系的结构单元，得到以装配体am中所有结构单元的特征向量组成的特征向量集组成的装配体模型描述符am＝{s1,s2,
…
,s7}。图5中所示为结构单元c与其特征向量s之间的对应关系。
[0063]
之后参照以上过程，将模型库中所有三维模型转化为由特征向量构成的描述符，形成可用于模型相似性分析的特征数据库。图6所示为本实施例中所使用的装配体模型。
[0064]
步骤3：构建过滤机制，通过求解待分析装配体模型与特征数据库中模型描述符的相似度实现待分析装配体模型的相似性度量。具体过程为：
[0065]
步骤3.1：对于选定的待分析装配体模型，按照步骤1和步骤2得到其模型描述符
[0066]
步骤3.2：对于特征数据库中的任意一个模型描述符q与a间的相似性度量可视为多任务分配问题，可在预先设置的相似度阈值δ下，建立如下的最优化匹配问题：
[0067][0068][0069]
其中，dis()定义特征向量间的相似性度量方法；分别为特征向量的第l维数值；p()用于判断是否匹配，当低于阈值δ时认为能够成功匹配；在本实施例中δ＝0.15，图7所示为数据库中与给定结构单元相似性小于δ的部分对象。
[0070]
步骤3.3：采用earth mover算法对步骤3.2的最优化匹配问题进行求解，计算其最小值作为待分析模型q与特征数据库中某一模型a之间的相似度sim(q,a)。
[0071]
重复步骤3.1～步骤3.3，遍历计算待分析装配体模型与特征数据库中所有模型描述符的相似度，按照相似度的大小进行排序，并输出前六个装配体模型，如图8所示，从而输出此次装配体模型的检索结果。
[0072]
该实施实例表明，本发明提出的装配体描述方法可用于装配体模型的检索，并能够取得较好的效果。
[0073]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。