交互设计在舰船零部件智能制造中应用

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摘要:随着船舶工业技术水平的提升，面向开发人员的智能化船舶零部件设计与制造成为一种发展趋势。交互性设计是指在船舶关键部件设计过程中，利用计算机辅助设计平台可以实现双向的设计输入与输出，本文研究一种基于船体图像造型元素的船舶零件型线优化设计和3D建模技术，利用角点检测、几何空间变换和NURBS样条曲线实现了船舶舱室部件的设计优化。

关键词：交互设计；智能制造；3D造型；角点检测

0引言

近年来，3D造型设计在计算机技术进步的基础上也得以迅速发展，3D造型技术作为工业领域的关键环节，在整个工业产品的生命周期中占有重要地位。目前，计算机辅助设计成为主流趋势，辅助设计软件不断在图形绘制、3D建模、仿真等方面有所突破，并在多学科融合背景下逐渐发展成熟。3D造型技术发展也体现了工业产品设计的历程，尤其是船舶工业领域，零部件的设计在初期只能利用计算机进行简单的线条绘图，随着3D软件的优化升级，船舶零部件设计从点到线，从面到体，经历了跨越式的发展，计算机辅助设计技术也提高了船舶工业领域产品的设计效率，提高了设计水平。在此背景下，本文基于交互设计技术的舰船零部件智能制造，从交互设计中造型元素出发，结合角点检测技术、图形几何变换和NURBS曲线造型技术，对船舶智能制造过程的零部件3D造型过程进行优化，具有重要的现实意义。

1舰船零部件交互设计中3D造型元素研究

船舶零部件设计过程的3D造型元素，主要包括线框模型、曲面模型、实体模型以及特征模型等。1）线框模型线框模型是船体3D造型的基础，从二维程图衍生而来，也是最简单和基本的元素，可以表征产品的外部轮廓。2）曲面模型曲面模型是通过拼接、拟合等多种形式生成曲面片，包括自由曲面、Bezier曲面、几何曲面等，曲面模型元素在3D造型中占有重要地位，图1为某自由曲面模型的示意图。3）实体模型船舶产品的实体建模是通过几何逻辑模拟产品实际结构的建模过程，实体模型能够清晰地显示复杂零部件的外在和内在特性，目前，大量实体建模软件平台采用体素法进行实体建模，利用最基本的体素如长方体、球体、椎体等元素构建复杂的三维模型。4）特征模型特征建模是在实体建模的基础上进一步提炼而来的，特征建模将整个产品生产过程中的多种特征描述添加进实体模型中，比如产品的型号、规格、几何信息等，特征模型是零部件由设计转向实际生产的重要步骤。

2舰船零部件交互设计的关键环节

2.1基于角点检测法的曲线特征优化

在船舶零部件建模过程中，曲线特征建模主要通过软件搭建草图轮廓，这是零部件设计的基础环节，也直接决定了后续产品设计的效果。本文为了提高船舶零部件曲线设计效果，结合角点检测法对曲线进行优化[1]。角点检测可以提取曲线特征点的坐标和斜率信息，当曲线特征点的坐标和斜率出现较大变化时，将该位置特征点定义为角点，角点附近区域特征点的自相关函数如下：Z(u,v)=∑x,yw(x,y)[I(x+u,y+v)−I(x,y)]2。u,vx,yI(x+u,y+v)I(x,y)w(x,y)式中：为曲线上特征点在两个方向上的偏移量，为偏移后的特征点向量，为偏移前的特征点向量，为滤波器。自相关函数的泰勒展开式为：uv]·∑xyw(x,y)[I2xIyIxI2y]。IxIyx,y[I2xIyIxI2y]ω1式中：和分别为特征点在两个方向的梯度，定义矩阵的特征值为和w2，则特征值反映了曲线特征点的图像特征。船舶零部件曲线设计过程的角点检测概况步骤为：步骤1输入零部件产品的特征曲线，获取每个关键特征点的坐标。步骤2使用角点检测算法进行特征曲线的边缘检测，获取非边缘特征点和边缘特征点的强度值。步骤3提取边缘特征点坐标。步骤4计算边缘特征点的曲率，评定特征曲线的优劣，并根据曲率进行特征曲线的优化。图2为基于角点检测的特征曲线优化示意图。

2.2零部件产品2D特征的几何空间变换

根据交互设计理论，用户可以向计算机平台输入零部件产品的2D特征图，计算机平台对零部件2D特征进行优化，然后初步建立3D轮廓。为了提高2D特征图像的配准精度，必须要进行图像的几何空间变换，主要包括：1）刚体变换主要是指2D特征图像的平移、旋转等变换，刚体变换能够提高角点检测的效率，变换如下式：x′y′)(∆x∆y)θ式中：为刚体变换后的特征点坐标，为特征点的平移量，为2D特征图像的旋转角度。2）投影变换特征图像的投影变换如下：式中：a1,a2,a3分别为投影夹角，M为特征图像的坐标转换矩阵。

2.3基于NURBS样条曲线的船舶零部件交互设计

结合2D图像特征和角点检测算法[2]，研究了基于NURBS样条曲线的船舶零部件交互设计，整体流程图如图3所示。非均匀有理B样条(NURBS样条)具有良好的局部寻优特性，能较准确的表达空间自由曲面，非均匀有理B样条是在B样条曲线的基础上发展而来，因此，首先定义B样条曲线。定义特征点矢量为：式中：Ni,p(t)为分段函数，共有P个特征点。非均匀有理B样条(NURBS样条)曲线方程为：式中：p为非均匀有理B样条的幂次[Ri,p(u)3]，为基函数。图4为非均匀有理B样条空间曲线示意图。在研究舰船零部件的交互设计时，使用NURBS样条进行船体曲面的光顺设计优化，整个过程如下：1）将船体外表面的曲面划分为首部、中体、尾部和底部等部分，获取初始的设计型线，定义初始设计型线的特征点为：3）建立货舱轮廓曲线主尺寸型线方程如下：式中：L和B分别为轮廓的长度、宽度，其剖面轮廓型线方程为：式中：α为剖面的形变系数，对剖面轮廓方程进行积分得：4）建立光顺曲面[4]如下：式中：Nj,p(K)和Ni,p(F)分别为B样条基函数。定义优化参数方程为：以船首处吃水线轮廓的型线为例，使用NURBS样条进行交互设计，图5为船舶吃水线轮廓处特征曲线的交互设计示意图。

3结语

船舶零部件的交互设计有助于提高船舶工业的智能化、自动化设计水平，本文对船舶零部件设计的关键要素进行梳理，结合角点检测技术、几何空间变换技术和非均匀B样条曲线造型技术进行船舶部件特征曲线、曲面优化，对于船体零部件3D造型智能化有重要的参考价值。

作者:杨丽 陈永文 曹爱霞 单位:青岛黄海学院 青岛黄海学院智能制造学院