图学学报

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2013年第3期目录

2013, 34(3): 0-0.

摘要 ( 35 )

PDF(142KB) ( 29 )

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基于最近离散点的光线跟踪

蔡鹏，尹宝才，孔德慧

2013, 34(3): 1-6.

摘要 ( 66 )

PDF(567KB) ( 179 )

：论文提出基于最近离散点的光线跟踪算法。对于原始的点云模型，算法通
过平衡二叉树在设定范围内搜索离光线迭代点最近的N 个离散点，并用栅格的加速结构避
免不必要的迭代搜索计算。光线与实际最近的N′个离散点的局部平面进行求交计算，局部
平面的法向量是由离散点对应的三角形法向量通过三角形面积加权平均计算得到，并保证法
向量计算的一致性。通过改变光线跟踪的参数（最近离散点的数目），即可达到渐进地多分
辨率显示原始的点云模型的目的。对于噪声多的原始的点云模型，设置较大的最近离散点的
数目，以有效地减少其绘制的噪声；对于噪声少的原始的点云模型，设置较小的最近离散点
的数目，以更多地显示其局部几何特征。

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增强图像细节和去噪能力的改进形态学分水岭算法

郭洪，张清志

2013, 34(3): 7-11.

摘要 ( 59 )

PDF(520KB) ( 242 )

为了抑制分水岭算法过分割和滤波后保持图像细节，论文提出一种改进的
形态学分水岭分割算法。首先，对图像进行多尺度小波分解得到低频系数和高频系数；对低
频系数进行基于Perona-Malik 扩散模型各向异性扩散滤波；对高频系数，引入神经网络中的
sigmoid 函数改进自适应遗传算法的变异和交叉概率生成，并用父代的最优个体替换子代中
最差的个体来保护最优个体不被破坏，克服遗传算法的局部最优现象，利用改进的自适应遗
传算法增强和去噪。然后，对梯度图像做锐化处理以突出边缘, 再做形态学运算并进行
H-minima 标记。最后，执行分水岭分割，实现改进的算法。实验结果表明，改进算法能够
有效地抑制噪声的干扰，减轻过分割，分割精度也有所提高。

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大规模点云选择及精简

范然，金小刚

2013, 34(3): 12-19.

摘要 ( 47 )

PDF(535KB) ( 328 )

点云选择与精简是三维扫描系统中应对背景数据、冗余采样、分布不均匀
等问题的必要后处理步骤。针对定制低成本三维扫描系统的需求，传统方法仍有很多局限性。
这是由于研究领域未提供支持套索UI 接口的点云选择算法；传统点云精简方法侧重曲率自
适应分布，无法保证平坦区域的均衡分布。论文提出一种支持套索UI 接口的点云选择算法，
通过构建套索形状矩形覆盖与点云八叉树剔除大部分点在多边形内的判断；提出一种基于
Poisson-disk 采样的均衡分布的点云精简算法，并以采样点邻域球布尔交运算来定义曲面上
的圆盘半径度量，具有保持尖锐边特征及边界的性质。实验结果表明，论文方法能够较好满
足低成本三维扫描系统中点云删减处理的需求。

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一种基于子采样的混合域稳健零水印算法

韩绍程，张兆宁

2013, 34(3): 20-24.

摘要 ( 94 )

PDF(710KB) ( 206 )

为了实现对图像数据版权的有效保护，论文提出了一种新的基于子采样的
混合变换域零水印算法。先将载体图像进行非下采样剪切波变换，变换后的低频分量经过子
采样后得到4 幅子图，然后对每一幅子图进行分块处理，最后通过比较两幅随机子图中规定
映射位置上子块DCT 变换后的直流分量的大小关系构造零水印。实验结果表明，该算法能
够较稳健地抵抗添加噪声、JPEG 压缩和剪切等多种常见的攻击操作，同时具有较高的安全
性。

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交互式等值线图纸矢量化方法

贾雨，王莹，姚兴苗

2013, 34(3): 25-28.

摘要 ( 67 )

PDF(446KB) ( 214 )

等值线图纸矢量化在地质、地球物理、地理信息系统等方面有广泛的应用，
计算机自动识别在实际应用中尚存在一些不足，论文通过改进基于圆跟踪的等值线矢量化算
法，提出了一种交互式的等值线的矢量化方法——等值线间隔追踪算法，通过人工干预弥补
计算机自动识别存在的缺陷，保证追踪的正确性，适用于灰度等值线图像的矢量化，具有实
用性和高效性。

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多形状参数的指数均匀B样条曲线曲面

张莉，刘静静，檀结庆

2013, 34(3): 29-35.

摘要 ( 50 )

PDF(567KB) ( 223 )

论文构造了一类带多个形状参数的指数均匀B 样条曲线曲面，它保持了
指数均匀B 样条曲线曲面的主要性质（如连续性、凸包性等）。此类曲线在不改变控制顶点
的情况下，通过改变其形状参数的取值，可以生成多条逼近于控制多边形的曲线，进而实现
对曲线的整体或局部调控。此外，它还可以精确表示双曲线、悬链线等超越曲线。此类曲面
是通过张量积的方法生成的，所以具有与曲线类似的性质。论文结尾给出了大量数值实例。

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带约束的B 样条曲线曲面延伸技术

徐进

2013, 34(3): 36-42.

摘要 ( 58 )

PDF(371KB) ( 212 )

论文提出了一种带光滑有序点列约束的B 样条曲线延伸方法。该算法能
够根据约束点列的情况对曲线延伸部分所对应的节点值进行优化，通过插值尽量少的约束
点，使得延伸曲线与约束点列之间的最大距离小于预先给定的误差值，并且延伸曲线与原始
曲线之间自然达到最大阶连续。该方法也同样适用于带曲线约束的B 样条曲面延伸。实例
表明，所提出的算法是可行且有效的。

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面向等几何分析的B 样条参数体生成方法

许华强，徐岗，胡维华，汪国昭

2013, 34(3): 43-48.

摘要 ( 87 )

PDF(430KB) ( 430 )

三变量体参数化是进行三维等几何分析求解的首要步骤，论文提出了基于
模板的由边界曲面生成B 样条参数体的新方法。首先给出了插值边界曲面的Coons 体的参
数表达式，再由该表达式的离散表示，内部控制顶点可表示为边界控制顶点的线性组合。然
后由其离散表示可得到Coons 模板，并将Coons 模板推广到统一形式，为内部控制顶点的
生成提供了更多选择。论文通过热传导问题的实例对由不同的模板所得到的不同体参数化结
果及其对等几何分析结果的影响进行了比较分析。

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基于点云的球面三维逆向建模

李胜男，林晓，陈言，马利庄

2013, 34(3): 49-52.

摘要 ( 52 )

PDF(335KB) ( 179 )

球面拟合是三维逆向建模中面临的亟待解决的复杂难题之一。它广泛应用
于零件检测、建筑物结构恢复建模、医学血管和细胞模拟领域。论文改进了对三维球面点云
进行直接拟合的方法，得到球面的相关几何参量，并在速度和精确度上都获得了提高。论文
对拟合相关参数和噪声影响进行分析，并否定了对选定的数据集分组整合的算法。LM
(Levenberg-Marquardt)算法是最广泛应用的最小二乘法二次曲面拟合的方法之一，本算法在
与LM 算法的对比中凸显了算法在时间和某些情况下精度的优越性，为进一步研究三维图形
拟合重建恢复等工作打下了基础。

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中国古建筑蕴含的现代设计特征及三维CAD 方法研究

张士杰，相炳哲，张源清，杨谆

2013, 34(3): 53-57.

摘要 ( 63 )

PDF(830KB) ( 223 )

：论文涉及中国古建筑梁架结构中蕴含的类似现代工业产品设计的理念与方
法，包括零件——装配体设计、模数化设计和系列化设计的理念与方法，论文还涉及利用三
维CAD 手段表达中国古建筑设计的研究。

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后置处理中平面轮廓拐角加工程序自动生成技术

饶有福，郑国磊，陈俊，杜宝瑞，初宏震

2013, 34(3): 58-64.

摘要 ( 54 )

PDF(455KB) ( 166 )

为解决早期数控程序中没有考虑拐角加工问题，本文提出了围绕NC 代码
识别拐角并自动生成拐角加工数控程序算法，以满足产品升级与加工高要求之需，进一步确
保数控加工安全与零件表面质量。为实现拐角识别，首先总结归纳常见数控代码结构；其次
还原NC 代码的几何形态并采用线链表示，计算线链走向、线链边之切矢；将拐角分为点式
拐角与圆弧式拐角两大类型，综合拐角的离散结构与线链的封闭性，给出了拐角的识别原理
与相应准则。拐角加工按分层铣削加工，从刀具轴向上减少刀具在拐角位置处加工瞬时的切
削量；各层拐角加工刀轨由进刀、切入、拐角加工、切出与退刀五段组成；层间刀轨采用进
退刀连接线衔接。最后用实例验证了该算法的正确性。

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坐标测量机测量点通用可达性分析方法

曾德标，郑国磊，曾春玲

2013, 34(3): 65-71.

摘要 ( 38 )

PDF(424KB) ( 191 )

：坐标测量机接触式点位测量必须事先分析测量点的可达性以免测量时发生
碰撞，并给出测量点的可达方向，为测量方向选择提供基础。对于目前常见的各种类型探针，
论文提出了一种通用的测量点可达性分析方法。由用户交互建立任意类型的探针和测头等测
量机部件的简化模型，可达性分析首先根据探针类型快速排除不可达方向，然后通过计算测
量机部件与工件、夹具等障碍物的最小距离精确判断测量点在各个测量方向下的静态可达性
和动态可达性，由此可得到测量点的全部可达方向。在可达性分析中对障碍物进行了离散化
处理，因此，该方法适用于任意复杂程度的零件。

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基于综合集成法的复杂产品协同设计过程模型及框架研究

周剑，肖甫，汤浩锋，唐卫清

2013, 34(3): 72-78.

摘要 ( 46 )

PDF(526KB) ( 164 )

建立过程模型及框架，将设计过程有效地表达出来，是协同设计的基础。
论文针对复杂产品设计过程的特征，根据综合集成法，建立了一个以时间、粒度、并行度三
维分布的多层次复杂产品协同设计过程模型。该过程模型在时间维强调多阶段综合，在并行
度维强调多专业综合，在粒度维强调分解与综合的迭代。在该过程模型基础上，结合专家体
系、知识体系、机器体系，提出基于综合集成法的复杂产品协同设计过程框架。该框架中，
机器体系依靠知识体系中的知识，给专家群体提供帮助，专家群体在机器体系提供的项目管
理、群体研讨、协同决策、三维可视化等支持工具帮助下，实现人机结合、多专业结合、多
阶段结合的协同设计过程，以提高复杂产品的协同设计效率。最后介绍了相关原型系统。

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基于遗传蚁群算法的产品配色方法研究

张燕，余隋怀，陈登凯，刘社明

2013, 34(3): 79-84.

摘要 ( 74 )

PDF(368KB) ( 169 )

论文结合遗传算法和蚁群算法在优化组合方面的优势，将其融入到工业设
计的产品配色当中。首先，利用遗传算法对已有的整个色彩方案库进行搜索，产生有关问题
的初始解集，然后，利用蚁群算法的并行性、正反馈机制以及求解效率高等特征寻求最优解。
最后，以油罐车整车的配色设计为例进行了色彩优化设计，对优化后的方案应用模糊评价法
进行评价，验证了该产品配色方法的有效性。论文提出的方法克服了两种算法各自的缺陷，
优势互补，提高了产品配色的效率和智能化设计水平。

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基于“逐层深入”系统的e-Bed 功能定位与创意构思

姜茜，刘静华，陈殿生

2013, 34(3): 85-89.

摘要 ( 30 )

PDF(357KB) ( 198 )

为准确定位用户需求，提出了多种用户研究方法串联进行的“逐层深入”
用户研究系统，并在床、椅一体化护理平台（简称e-Bed）的项目中应用该系统研究用户，
得到需求域。进而将用户需求域提升为产品功能域，形成产品的初步功能定位及创意构思。
在该系统中，又提出并实践了基于实际场景的角色代入的用户研究方法，以求更为准确、深
入地挖掘用户需求。

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基于基元模型的产品创意设计方法与表征研究

刘玲玲，薛澄岐，李晶，林丽

2013, 34(3): 90-94.

摘要 ( 28 )

PDF(261KB) ( 197 )

为打破传统 “设计直觉、灵感”生成过程“黑箱”，运用可拓学基元理论，
构建创意设计阶段基元模型，结合工业设计学科属性，提出“异特征”、“异量值”、“异规则”、
“关系同构”四个构思层面，明确分物元获取参照方法，以保证物元变换品质，得到基于基元
模型的产品创意设计方法及表征，有效提升产品创新品质。最后，以家用加湿器设计实例验
证了本方法的有效性、实用性和创新性。

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基于自动确定特征点数的镜头分割方法

李国和，刘佃兴，臧金晓，吴卫江

2013, 34(3): 95-99.

摘要 ( 51 )

PDF(354KB) ( 168 )

：镜头分割对实现基于图像内容的视频检索具有重要作用。为了提高视频镜
头分割的效果，采用Harris 算子进行像素点的能量评估，并抑制伪特征点。通过图像帧分块
和边缘检测，获取最小化特征点集，并使特征点分布相对均匀合理，然后根据特征点计算图
像帧统计量，进一步形成图像帧的特征向量。在此基础上，结合图像帧渐变检测和闪光检测
实现镜头分割方法，取得很好镜头分割效果。

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2D 图形引擎中的平面多边形内外点判别

杨玉婷，康厚良

2013, 34(3): 100-105.

摘要 ( 51 )

PDF(367KB) ( 196 )

在2D 图形引擎中，可见性判定是一个非常重要的问题。通过屏幕裁剪，
可以进一步减少多边形数目，减轻引擎的负担。因此，在屏幕裁减阶段完成的屏幕顶点与多
边形的内外关系判断就显得很重要了。文章结合2D 图形引擎的特点和流行的内外点判别算
法给出了在DirectX 平台上使用VC++实现的平面多边形内外点判断算法，并将其应用于实
际的2D 图形引擎中。程序验证表明，该算法能有效判定屏幕顶点与多边形的内外关系，且
算法效率较高、简单易行。

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转载点物料颗粒运动的数值模拟

朴香兰，郭越

2013, 34(3): 106-110.

摘要 ( 56 )

PDF(234KB) ( 208 )

为了分析转载点物料颗粒运动过程、颗粒之间、颗粒与边界之间的相互作
用及运动过程中的能量变化，采用基于离散元方法的颗粒流代码(PFC3D)程序，建立了输送
机头部的离散元模型，针对颗粒流的不同速度、滚筒前有无挡板，进行了物料颗粒运动的数
值模拟。通过模拟发现：（1）能够很好地跟踪固体颗粒的运动过程（任意颗粒的位置、速度、
平均接触力以及平均不均衡力），平均接触力的最大值随着颗粒速度的增加而增加，而平均
不平衡力变化不大；（2）跟踪能量历程可以观察颗粒运动过程中各种能量的变化，其中动能
的变化最为明显，且挡板设置只对动能、摩擦能与应变能有影响。

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薄肋高速空切的颤振实验研究

许冬梅，许进忠

2013, 34(3): 111-114.

摘要 ( 53 )

PDF(381KB) ( 178 )

：薄肋在高速空切时产生的颤振将影响零件加工质量、表面粗糙度和刀具寿
命，为了克服此影响，对薄肋空切时，在不受外力直接激振的情况下的薄肋振幅变化进行分
析；运用有限元方法和田口实验法对薄肋进行仿真实验和动态位移激振研究，得出结论：薄
肋的宽、高、厚度尺寸会直接影响薄肋位移量，当高度一定时，宽度增加位移量会减少；当
宽度与高度一定时，随着厚度的减少，其位移量会变大；当宽度与厚度一定时，随着高度的
增加，其位移量亦会变大。探讨了薄肋动态位移内部能量的变化状态，并获得其能量完全衰
减的时间，进而设计其加工路径以避开颤振。

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基于CT 图像股骨个体化固定钢板数字设计及仿真分析

刘炀，唐超，林华，刘扬，汤传玲

2013, 34(3): 115-119.

摘要 ( 95 )

PDF(430KB) ( 195 )

针对股骨骨折内固定，依据CT 断层扫描数据，论文完成股骨骨折部位的
三维模型重构，提出个体化固定钢板及设计方法和固定方案；在Solidworks 中完成固定钢板
的虚拟装配，通过Ansys12.0 对其进行静力学有限元仿真分析。数据表明：其静力学性能较
标准固定钢板有较大提高，与股骨表面的匹配性好，贴合程度高，提高了患者的舒适度。该
方法对骨外科手术具有一定的实际参考价值。

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云南绝版套刻版画的数字模拟合成技术研究

李倩，解婉誉，李玉润，普园媛，徐丹

2013, 34(3): 120-125.

摘要 ( 57 )

PDF(914KB) ( 178 )

非真实感绘制（Non-Photorealistic Rendering，简称NPR）技术已成为计
算机图形学领域最热门的研究方向之一。NPR 建立在人类认知的基础上，利用计算机生成
不同艺术风格的图形。云南绝版套刻版画是极具云南本土少数民族特色的绘画代表，考察、
分析其实际创作过程，揭示其在线条、纹理、色彩运用和创作技法上的特点和规律，对于探
索、研究基于图像的云南绝版套刻版画的数字模拟合成关键技术是至关重要的。论文正是基
于以上研究，对云南绝版套刻版画中基于线积分卷积LIC 的刻痕模拟合成方法、基于多频
率噪声场的LIC 纹理的混色方法以及刻痕的纹理合成方法进行了初步的探索和实现。

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云南重彩画人脸肖像生成算法

卢丽稳，普园媛，刘玉清，钱文华，徐丹

2013, 34(3): 126-133.

摘要 ( 63 )

PDF(835KB) ( 289 )

：通过对云南重彩画作画风格的研究，论文提出了云南重彩画人脸肖像生成
算法。首先从云南重彩画绘画作品中学习云南重彩画人脸绘制特点，引入特征比例对云南重
彩画人脸特征进行描述，发现云南重彩画人脸绘制特点，并归纳总结云南重彩画人脸绘制规
律。然后对输入的人脸照片进行轮廓线提取、特征点标定、特征值及特征比例的计算，将特
征比例与云南重彩画人脸特征比例进行比对，发现变形程度并进行变形。最后，根据主观辨
识后的经验值对五官特征的位置进行调整，再进行风格转换处理。运用该算法生成的云南重
彩画风格的人脸肖像，既与原图相似，又符合云南重彩画人脸绘制特点。

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基于成图与建模创新大赛的思考

李怀健，王剑平，张琪，黄川，王灏

2013, 34(3): 134-137.

摘要 ( 46 )

PDF(349KB) ( 224 )

：为进一步推动高等院校工程图学教学方法改革，论文在介绍成图与建模创
新大赛的基础上，探讨了全国大学生成图与建模创新大赛的意义，分析了竞赛中发现的问题，
阐述了工程图学课程教学中理论知识与实践能力同步发展的重要性，提出了全国大学生成图
竞赛引导建立新的教学理念、教学内容和教学考核方式的设想，以适应卓越工程师培养和工
程教育改革的趋势，促使学校在学生整体工程实践能力培养方面更上一层楼。

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美国高等教育的专业认证和图学教育

徐滕岗

2013, 34(3): 138-141.

摘要 ( 35 )

PDF(194KB) ( 218 )

在美国评估与认证，主要由非政府的、自愿参加的院校、协会或专门职业
协会下的独立评估与认证机构负责进行。它确保被评估学校和专业的教学水平，能够满足由
相关专家和协会制定的准则。美国工程及技术教育认证委员会（ABET）负责工程教育专业
认证，主要覆盖应用科学、计算机、工程和技术领域。美国圣克劳德州立大学就是一个典型
的例子，反映出高校专业教学与专业认证之间的关系。

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深化机械制图教学改革培养高技能创新型人才

宋洪侠

2013, 34(3): 142-147.

摘要 ( 60 )

PDF(552KB) ( 333 )

简要介绍了世界技能组织及中国首次参加世界技能大赛的基本情况。通过
详细介绍机械设计CAD 项目的具体赛题，让更多的人从中获得启迪，为了与世界技能竞赛
接轨和培养高技能创新型人才，需重新审视机械制图课程定位和教学重点。文章以实现深入
教学改革、培养高技能创新型人才为目的，根据机械制图课程兼有技术基础课和专业课的特
点，剖析了目前国内机械制图教学存在的普遍问题。基于此提出了深化机械制图教学改革的
具体措施。

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重构CDIO 特色的工程图学课程体系

郭长虹，赵炳利，郭锐，王巍

2013, 34(3): 148-151.

摘要 ( 49 )

PDF(214KB) ( 246 )

论文阐述了工程图学教学现状和不足，结合多年的CDIO 工程图学的教学
改革经验，概括介绍了如何重构CDIO 特色的工程图学课程体系和工程图学教学改革措施。
实验证明，该教学模式对于培养大学生动手能力和创造性十分有效，为后续课程的学习、毕
业设计与科研工作奠定良好基础。

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基于数字图学技术的建筑专业教学思考

李鹍

2013, 34(3): 152-156.

摘要 ( 54 )

PDF(204KB) ( 158 )

：建筑学与工程图学有着紧密的联系，对制图有着艺术性和精确性的双重要
求，建筑学的教学过程中使用数字图学技术来改善教学质量成为非常必要的手段。论文在分
析数字图学与建筑学课程相互关系的基础上，深入研究了数字图学技术在建筑学课程教学中
的重要原则与授课方式，并对数字图学技术在未来建筑学课程上的结合方式做了展望。图学
教育需要在新的数字技术支撑下进行适应性的改革，并与建筑学等其他专业的教学进行整
合，才能更好地发挥其图像表现的优势，并具有更好的教学和实践意义。

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基于结构及行为的柴油机智能故障诊断

张彤，韩静，刘平

2013, 34(3): 157-161.

摘要 ( 46 )

PDF(518KB) ( 184 )

智能故障诊断技术是一种新的故障分析方法，它更为注重从系统整体结构
来考虑故障发生的原因以及故障之间的传导关系。基于结构及行为的诊断是智能诊断发展的
一个新突破，是一种基于模型的诊断（MBD, Model-Based Diagnosis）。深入研究了模型建立、
诊断产生和诊断测试的方法，实现了一个可以应用到生产实际的诊断系统，并应用于柴油发
动机进气系统的故障诊断中。

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计算机辅助读图系统

吴战国，李宏旭

2013, 34(3): 162-164.

摘要 ( 67 )

PDF(225KB) ( 178 )

论文提出了一个基于AutoCAD 平台的计算机辅助造型系统，该系统可用
于三视图的读图训练，帮助学习者培养空间想象和空间分析能力。该系统在读取三视图数据
后，能将三视图自动分割并提取各视图上的封闭线框，然后以特定的数据结构存储。在知识
库的引导下，该系统可通过人机交互快速生成对应的三维模型。

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