基于绘画的计算机辅助设计系统研究

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　　摘  要： 针对传统计算机辅助设计系统的反应时间较慢的问题，研究一种基于绘画的计算机辅助设计系统。设计一种绘画数位板，使用一款CMOS感光芯片，利用SMBus接口连接ROM和PIC18单片机内核，用来传输绘画过程中的特征数据，辅助计算机处理，主板单片机选用可重复擦写的AT24C20芯片，连接3个16位定时器，完成计算机辅助设计系统的硬件设计。软件部分首先提取绘画时呈现出的元素特征，利用基于小波变换事物边缘点的提取方法提取元素中的梯度因子，利用梯度因子迭代分割与配准，得到各元素特征，利用Java编程将计算得到的元素特征输入到系统中，完成软件部分的设计。实验结果表明，与传统计算机辅助设计系统相比，基于绘画的计算机辅助设计系统的反应速度更快，更适合实际使用。
　　关键词： 计算机辅助设计系统; 绘画元素; 系统反应时间; 数位板; 元素特征; 笔迹
　　中图分类号： TN99?34; X924                     文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）17?0183?04
　　Abstract： In view of the long response time of the traditional CAD （computer aided design） system， a kind of CAD system based on drawing is studied. In terms of the system hardware， a digitizing tablet is designed. A CMOS （complementary metal?oxide semiconductor） photosensitive chip is used to connect ROM （read only memory） and SCM （single chip microcomputer） kernel PIC18 by interface SMBus （system management bus）， so as to transmit the feature data in the drawing process. The rewritable chip AT24C20 is used as the SCM of auxiliary computer processing motherboard， and the auxiliary computer processing motherboard is connected to three 16?bit timers. So far， the hardware design of CAD system is completed. In terms of the software， the element features presented in the drawing are extracted first， and then the gradient factors in the elements are extracted with the wavelet transform based method of extracting the edge points of things. In addition， the iterative segmentation and registration of the gradient factors are used to get the element features， which are input into the system by Java programming. So far， the software design is completed. The experimental results show that， in comparison with the traditional CAD system， the drawing?based CAD system is of shorter response time and is more suitable for practical use.
　　Keywords： CAD system; drawing element; system response time; digitizing tablet; element feature; handwriting
　　0  引  言
　　随着计算机视觉技术的不断发展，在绘画上运用计算机辅助设计已经成为一项成熟的技术[1]。利用计算机辅助绘画，可以解决传统绘画方法无法随意改动的问题，计算机具有强大的多媒体功能，可以将抽象的问题表现出来[2]。在实际设计机械加工图纸和建筑制图图纸时，对于复杂和不容易表示清楚的部分，使用计算机辅助系统修订图纸时不需要重新画图，节省了设计工时[3]。计算机辅助设计系统可以在修订绘画设计的缺陷时，将有问题的设计文件从计算机中调出，在计算机上稍微改动设计图纸就可以，大大节省了改动时间。计算机辅助设计系统不光可以储存多个设计文件，还可以将设计者以前的工作储存在计算机中，适合现代化的绘画设计工作[4]。
　　1  计算机辅助设计系统硬件设计
　　1.1  设计绘画数位板
　　绘画数位板采用最高压力参数的8192压感感应灵敏度，外观版面材质选用塑胶外壳，绘画版面选用1块四层复合玻璃屏，在玻璃屏的内表面和夹层各涂上一层ITO，数位板如图1所示。 　　绘画数位板内部使用一块电路板，电路板上分布着横竖均衡分布的线条，将数位板分割成一定量的正方形，使用16位集成A/D转换器，256 B的ROM连接起分割的正方形[5]。使用SMBus接口连接ROM和PIC18单片机内核，外部连接一个高性能CMOS感光芯片，支持分辨率752×480，像素尺寸是6.0 μm×6.0 μm，将镜头接口C?Moun连接到模拟输入的MUX上，数位板内部的连接如图2所示。
　　使用如图2所示的结构，连接数位板内的各部分零件，完成绘画数位板的设计[6]。
　　1.2  设计系统的辅助计算机处理主板
　　计算机主板选用性能参数为AM 1080，Intel i7的CPU，用于运算、传输绘画过程中的数据信息，硬盘选用SSD，显卡采用专业的GTX680型号。使用芯片AT89S52作为微控制器，使用芯片其自身的8 KB可编程FLASH储存器储存绘画过程中传输的数据[7]。使用32位I/O串口连接看门狗定时器，设置两个数据指针，连接3个16位定时器。在主板内使用六向量2级中断结构，使用全双工串行口连接芯片内的晶振以及时钟电路。单片机芯片采用AT24C20芯片，支持储存256 B，利用其重复擦写1 000 000次的特性，支持绘画过程中的大量改动操作，使用总线接口连接芯片AT89S52与单片机芯片AT24C20，实际的辅助计算机的主板连接图，如图3所示。
　　将设计的辅助设计计算机主板连接计算机电源电路，然后接入输入键盘以及显示屏，完成辅助计算机主板设计[8]。将数位板与辅助设计计算机使用自身的USB接口相连，完成基于绘画的计算机辅助设计系统的硬件设计。
　　2  计算机辅助设计系统软件设计
　　2.1  提取绘画元素特征
　　提取绘画元素时，主要针对绘画过程中呈现出的点、线、面、纹理形状和颜色特征进行提取[9]。提取绘画过程的点元素时，使用基于小波变换事物边缘点的提取方法，首先对点图像进行小波变换，计算得到小波变换的模值，计算公式如下：
　　將所得模的局部极大值作为点元素的图像边缘点，提取绘画元素线特征时，选取线图像两个临近边界里，趋于一个像素宽的狭窄的线状区域[F（i，j）]，首先使用差分算法计算线区域中元素的梯度算子：
　　此时，式（2）计算出来的梯度算子是线元素对应的一阶导数。在实际绘画过程中，存在着连续线元素应用的情况，连续应用会存在一个运用函数[f（x，y）]，线元素在移动过程中，就是点元素的位置[（x，y）]的梯度方向下边的一个矢量[10?11]。所以在提取线元素特征时，在式（1）的基础上，利用点元素特征延伸函数处理，得到：
　　提取面元素特征时，针对绘画图像中高对比度的闭合投影区域进行提取，分割含有面元素的图像，以分割的精度作为基准，迭代进行分割与配准过程，提取得到面元素特征[12]。提取颜色特征时，利用颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩表达绘画图像中的颜色分布信息，得到颜色特征[13]。
　　2.2  利用Java编程绘画元素
　　将提取出来的4种绘画特征，使用Item类的抽象代码：
　　double totalquato=0;
　　foreach （Item item in list）{
　　totalquato+=item.computerQuato（）;
　　}
　　totalquato+=computerSpecQuato（）;
　　书写四种特征集[14]。
　　规定提取特征计算代码语言的正则表达式，如表1所示。
　　将4种元素特征集利用表1中的正则表达式书写后，再利用Java中的PowerExpression类编程代码：
　　List<string>tokens=new List<string>U;
　　for {inti=O;i<text.Length; i++）}
　　bool matched=false;
　　for （intj=text.Length?i;j>0&&！matched; j?）{
　　foreach（List<Regex>reg in patternsList）}
　　将绘画元素编程到软件中，完成基于绘画的计算机辅助软件设计[15]。
　　3  仿真实验
　　3.1  实验环境
　　实验准备工业CCD相机HV030GC，1台DELL Power Edge 6950工控计算机，使用的工控计算机参数如表2所示。
　　工控计算机使用Windows XP操作系统，VC++ 6.0环境，Matlab开发软件。采集16组数位板内的绘画笔迹特征如图4所示。
　　将采集的一种绘画笔迹看作一个文件，使用两种传统计算机辅助设计系统与基于绘画的计算机辅助设计系统，统计并对比三种辅助设计系统对采集的绘画笔迹的反应时间。
　　3.2  实验结果
　　将系统的反应时间规定为数位板上绘画笔的一次描绘所需时间，最终记录三种系统对采集到的16种绘画笔迹的反应时间如图5所示。
　　由图5可知：计算机辅助系统传输16组的绘画笔迹时，传统计算机辅助设计系统1对于准备的16组数位板，呈现的绘画笔迹的反应时间在0.5 s左右，传统计算机辅助设计系统2的平均反应时间在0.35 s左右，而基于绘画的计算机辅助设计系统的平均反应时间在0.25 s左右。综上可知，基于绘画的计算机辅助设计系统的反应时间更快，不会受到笔迹长短或是粗细的影响，更适合在实际绘画工作中辅助使用。 　　4  结  语
　　随着计算机在绘画领域的应用，针对传统计算机辅助绘画系统中出现的问题，设计基于绘画的计算机辅助设计系统，缩短了辅助系统对数位板的反应时间，节省了设计者的设计时间，增强了系统的时效性。为实现绘画工作数据化，提供了强有力的技术支持。数字化的绘画方式，可以减少绘画者被染料危害的风险，是绘画工作迈向“现代化”的标志。
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