一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法及系统。为了解决产品形态仿生设计中目标域与源域匹配与融合的问题，将能表现生物特点的正面、侧面、背面和其它图片进行轮廓化处理,构建生物轮廓数据集；对给定的目标域产品轮廓，使用形状上下文匹配法计算其与生物轮廓数据集中所有生物轮廓之间的形状距离，找到和目标域产品相匹配的源域生物；对匹配好的目标域产品和源域生物进行特征点一一对应标注，使用图像变形技术产生仿生程度不同的仿生产品，实现目标域与源域的仿生融合；使用美观度、相似度、实用度三个指标对仿生方案进行评价。该方法实现了“仿生匹配‑融合‑评价”的一体化系统，打造了一种快速生成工具，为设计师提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法及系统
本专利技术涉及仿生涉及领域，具体涉及一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法。
技术介绍
类比或者类推(analogy)是指利用一个领域的知识或信息去解决另一个领域的问题，信息来源的领域被称为源域(sourcedomain)，待解决问题的领域被称为目标域(targetdomain)。仿生设计是一种特殊的类比设计，其源域为生物。产品形态仿生是最为常见的仿生形式，形态仿生挖掘生物的外形特征，将其用于产品设计，提升产品的创意度、趣味性并赋予其与生物一致的联想唤醒。产品形态仿生设计的一般过程包括两种：一是问题驱动的仿生设计，即先给定要设计的产品，通过产品的目标用户、感性意象、文化定位和形态联想等去调研和搜索相对应的源域生物；二是解决方案驱动的仿生设计，即先给定需要仿生的生物形态，设计师进行发散设计，此种方法较为少见，一般应用于创意设计研究和设计教学中。在问题驱动的仿生设计中，存在两个难点：一是通过给定的目标域产品找到匹配的源域生物，二是在确定仿生生物与产品后科学有效地进行仿生融合。在产品设计领域，目标域与源域的匹配主要用到感性意象匹配方法。感性意象是最常见的匹配方法，用户对生物进行口头描述后，专家对词汇进行整理归并，得出生物感性意象的描述尺度，并用这些尺度对生物进行描述，构建生物意象库。在确定目标域产品后，在同一个意象尺度上对产品进行描述。最后将得到的目标域意象词汇在基因库中进行搜索，即可得到意象词汇相匹配的源域生物。目前仿生融合的方法主要是设计师根据设计原则和审美取向的融合和借助计算机算法的融合。设计原则包括简化原则和生物的拓扑结构不变。计算机融合算法为使用遗传算法进行仿生融合，通过参数编码、生成初始种群、适应度函数评价、选择算子、交叉操作和变异操作实现产品与生物外形的融合。综上所述，目前的产品形态仿生匹配与融合取得了一定进展，不过仍存在以下问题：(1)目标域与源域的匹配主要集中在感性意象匹配，对于形态匹配的研究较少。设计师寻找源域时的形态考虑多是从主观认知出发，如果能借助计算机辅助方法，就能更精准和迅速的筛选出形态匹配的生物原型，进行仿生设计。(2)目前在仿生融合主要是设计师遵从其经验、审美取向和一些设计方法的主观融合，基于计算机图形图像的融合算法研究处于起步阶段。本方法将从生物与产品的形态入手，使用计算机图形学中的图形匹配与图像融合方法，展开仿生设计的相关研究，并提出基于形态匹配的产品仿生设计融合方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法及系统。本专利技术的技术方案如下：本专利技术一方面提供了一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法，其包括如下步骤：1)建立生物轮廓数据集按照生物纲，选取所需生物的生物图片，所述的生物图片包括生物的正面图片、侧面图片、背面图片、局部特征特写图片；对生物图片用贝塞尔曲线描绘出生物的勾线图，再将勾线图进行轮廓化处理得到生物轮廓图片，由生物轮廓图片构建生物轮廓数据集；2)仿生匹配使用形状上下文匹配法计算目标产品图片与生物轮廓数据集中每一个生物轮廓图片的形状距离；找到和目标产品图片最匹配的一个或多个生物轮廓图片；3)仿生融合根据步骤2)得到的生物轮廓图片，使用基于特征点的图像变形方法进行仿生融合，得到仿生融合的后的图片。进一步的，所述的步骤2)具体为；2.1)用形状上下文表示目标产品图片和生物轮廓图片，其中生物轮廓图片轮廓点集合D的形状上下文直方图为gi(k)；目标产品图片轮廓点集合E的形状上下文为hi(k)；2.2)给定分别位于生物轮廓点集D、目标产品轮廓点集E中的p,q两点以及它们的归一化的形状上下文直方图g_norm(k)和h_norm(k)；使用χ2检验来计算两直方图之间的代价Ci,j，最终得到代价矩阵C；2.3)根据代价矩阵C，找到最小化总代价的匹配π，即π为的双射，使得上式总代价最低；2.4)找到最小化代价的对应关系后，需求得一个变换T:来衡量形状之间的距离；使用薄板样条函数TPS对变换建模，用弯曲能量BE表达对齐对应点所需变换的程度；2.5)最终形状距离Dtotal计算如下，:Dtotal＝DSC*WSC+DBE*WBE+DIA*WIA其中，W*表示各个距离的权重，DSC表示匹配点变换后的距离和，DIA表示外观距离，DBE表示变换距离；形状距离DSC表示匹配点变换后的距离和，其中T(x)为x点经过T变换后的位置；N，M分别为P，Q点集的总个数；其中，G为高斯窗口函数，IP和IQ分别为O的图像和变换后Q的图像；DBE(P,Q)＝BE变换距离DBE表示TPS变换的弯曲能量，其衡量了两个对应点集对齐需要的变换量；计算最终形状距离Dtotal后，根据Dtotal的值由小到大进行匹配度排序，最终Dtotal越小，目标产品图片与生物轮廓图片的匹配度越高。作为优选的，所述的步骤2.1)中，生物轮廓图片轮廓点集合D的形状上下文gi(k)与目标产品图片轮廓点集合C的形状上下文hi(k)的提取方法相同，其中目标产品图片的提取方法为：I)输入目标产品图片I；II)对目标产品图片I提取轮廓点C；C＝{ci},i∈[0,…,N-1]，其中N为采样数，ci＝(x,y)，为图像坐标系下的坐标；III)提取轮廓点的形状上下文；对每个ci∈C,计算形状上下文hi(k)hi(k)＝#{j≠i:(cj-ci)∈bin(k)}，其中bin(k)是以ci为原点的对数极坐标系下的第k个均匀分布区间,k＝1,2,…,nlogr_bins×nθ_bins；其中nlogr_bins为对数极坐标半径维度上的分区数，nθ_bins为对数极坐标的角度维度上的分区数。作为优选的，所述的步骤2.3)使用匈牙利算法获取最优匹配π。作为优选的，步骤3)所述图像变形方法的步骤如下：3.1)标注目标产品图片I和生物轮廓图片J对应的特征点P、Q，保证P、Q中的点一一对应；3.2)以特征点和图片各边中心点以及图片角点，进行德鲁尼三角化，得到两个三角网格TP,TQ3.3)根据仿生融合的变换程度定义参数α对TP,TQ中的每个点对Pi、Qi，求新的点位置Wi＝αPi+(1-α)Qi，得到新的三角网格TW；3.4)对于TW中和TP,TQ中的每个三角形对，求仿射变换；对目标产品图片I中的每个三角形分别根据仿射变换进行双线性插值得到新的图片WI，即为仿生融合后的图片。进一步的，所述的变换程度定义参数α的取值范围在0-1之间。本专利技术另一方面公开了一种基于形态匹配的产品仿生设计融合系统，其包括：生物轮廓数据集构建模块；其对输入的生物图片用贝塞尔曲线描绘出生物的勾线图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法，其特征在于包括如下步骤：/n1)建立生物轮廓数据集/n按照生物纲，选取所需生物的生物图片，所述的生物图片包括生物的正面图片、侧面图片、背面图片、局部特征特写图片；对生物图片用贝塞尔曲线描绘出生物的勾线图，再将勾线图进行轮廓化处理得到生物轮廓图片，由生物轮廓图片构建生物轮廓数据集；/n2)仿生匹配/n使用形状上下文匹配法计算目标产品图片与生物轮廓数据集中每一个生物轮廓图片的形状距离；找到和目标产品图片最匹配的一个或多个生物轮廓图片；/n3)仿生融合/n根据步骤2)得到的生物轮廓图片，使用基于特征点的图像变形方法进行仿生融合，得到仿生融合的后的图片。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于形态匹配的产品仿生设计融合方法，其特征在于包括如下步骤：
1)建立生物轮廓数据集
按照生物纲，选取所需生物的生物图片，所述的生物图片包括生物的正面图片、侧面图片、背面图片、局部特征特写图片；对生物图片用贝塞尔曲线描绘出生物的勾线图，再将勾线图进行轮廓化处理得到生物轮廓图片，由生物轮廓图片构建生物轮廓数据集；
2)仿生匹配
使用形状上下文匹配法计算目标产品图片与生物轮廓数据集中每一个生物轮廓图片的形状距离；找到和目标产品图片最匹配的一个或多个生物轮廓图片；
3)仿生融合
根据步骤2)得到的生物轮廓图片，使用基于特征点的图像变形方法进行仿生融合，得到仿生融合的后的图片。


2.根据权利要求1所述的基于形态匹配的产品仿生设计融合方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为；
2.1)用形状上下文表示目标产品图片和生物轮廓图片，其中生物轮廓图片轮廓点集合D的形状上下文直方图为gi(k)；目标产品图片轮廓点集合E的形状上下文为hi(k)；
2.2)给定分别位于生物轮廓点集D、目标产品轮廓点集E中的p，q两点以及它们的归一化的形状上下文直方图g_norm(k)和h_norm(k)；使用χ2检验来计算两直方图之间的代价Ci，j，



最终得到代价矩阵C；
2.3)根据代价矩阵C，找到最小化总代价的匹配π，即



π为的双射，使得上式总代价最低；
2.4)找到最小化代价的对应关系后，需求得一个变换来衡量形状之间的距离；使用薄板样条函数TPS对变换建模，用弯曲能量BE表达对齐对应点所需变换的程度；
2.5)最终形状距离Dtotal计算如下，：
Dtotal＝DSC*WSC+DBE*WBE+DIA*WIA
其中，W*表示各个距离的权重，DSC表示匹配点变换后的距离和，DIA表示外观距离，DBE表示变换距离；
形状距离DSC表示匹配点变换后的距离和，



其中T(x)为x点经过T变换后的位置；N，M分别为P，Q点集的总个数；



其中，G为高斯窗口函数，IP和IQ分别为P的图像和变换后Q的图像；
DBE(P，Q)＝BE
变换距离DBE表示TPS变换的弯曲能量，其衡量了两个对应点集对齐需要的变换量；
计算最终形状距离Dtotal后，根据Dtotal的值由小到大进行匹配度排序，最终Dtotal越小，目标产品图片与生物轮廓图片的匹配度越高。


3.根据权利要求2所述的基于形态匹配的产品仿生设计融合方法，其特征在于，所述的步骤2.1)中，生物轮廓图...

【专利技术属性】
技术研发人员：边泽，罗仕鉴，陆佳炜，张宇飞，林欢，单萍，沈诚仪，崔志彤，龚何波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33