图学学报

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2016 年第5期目录

2016, 37(5): 0.

摘要 ( 56 )

PDF(195KB) ( 249 )

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基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

王芳1，秦磊华2

2016, 37(5): 583-591. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050583

摘要 ( 118 )

PDF(2139KB) ( 371 )

基于光线追踪，将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和
纹理贴图的合成，每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合，并通
过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速，最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。
提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法，利用GPU 并行加速，在提
高绘制效率的前提下，实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的
多次反射用BRDF 基的线性组合来表示，将非线性问题转换为线性问题，从而提高绘制效率；
利用GPU 并行加速，分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合，进一步提高计算
效率满足实时绘制需求。

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面向GIS 表达与分析的气象符号绘制库设计与实现

路明月 1,3，刘彬 1,3，陈旻 2,4，王轩 1,3，郑建琴 1,3，毛远翔 1,3

2016, 37(5): 592-597. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050592

摘要 ( 75 )

PDF(601KB) ( 280 )

针对目前地理信息系统(GIS)软件中对气象符号支持的不足，通过对气象领域中所涉
及的符号进行特征分析及其逻辑分类，构建了对应的几何空间数据模型，并采用不同的“样式”表
征具体的气象符号，以“几何对象+样式”的形式完成气象符号对象的构建。在此基础上，基于GDI+
实现各种气象符号的矢量绘制，并封装形成可供直接调用气象矢量符号绘制库，为基于GIS 的气
象数据信息的表达和分析提供支撑。最后实例验证了本气象符号绘制库的正确性与实用性。

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二维点轮廓与矢量轮廓配准研究

黄方，宁涛，陈志同，沈云超

2016, 37(5): 598-606. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050598

摘要 ( 82 )

PDF(547KB) ( 273 )

在平面类零件的光学测量中，二维点轮廓与矢量轮廓的配准是关键算法，配准精度
直接影响测量精度。针对平面类零件的配准问题，提出了基于形状特征函数的粗配准算法和二维
矢量最近点迭代(ICP)精配准算法。利用角度距离图法将矢量图形的几何信息转化为独立于坐标系
的连续函数，进而实现粗配准算法。基于平面上点与曲线的最近距离算法计算配准目标函数，给
出了不同于传统的ICP 算法的直接求解目标函数的解析方法，有效提高了算法效率。利用实例验
证分析了该算法的高效性和可靠性。

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一种拉格朗日粒子流体的高效表面重建方法

邵绪强 1，刘艳 2，王新颖 1

2016, 37(5): 607-613. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050607

摘要 ( 91 )

PDF(2082KB) ( 382 )

为了在几何表示层面捕获拉格朗日粒子流体的表面细节特征以进行真实感绘制，提
出一种高效的基于八叉树的自适应流体表面重建方法。首先进行流体表面粒子的精确检测；然后
根据结点中是否包含流体表面粒子，对流体粒子的包围盒进行基于八叉树的自适应剖分；最后只
在包含流体表面粒子的叶子结点里建立隐式距离场。该方法在流体表面重建过程中的内存消耗和
计算复杂度只取决于流体表面而不是流体体积，适合大规模粒子流体场景的表面提取和绘制。

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五轴后置处理转角选解优化及奇异区域处理方法的研究

余丹，闫光荣，范庆香，丁涛，徐翔宇

2016, 37(5): 614-619. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050614

摘要 ( 101 )

PDF(431KB) ( 229 )

五轴后置处理是将CAM 软件系统产生的刀位文件转换成数控机床加工程序的关键
环节。基于五轴后置处理过程中转角选解、优化以及奇异区域加工数据处理的问题，提出了一种
集合转角选解、优化及奇异区域处理的方法，解决了因后置处理中选解不当引起的碰撞、旋转轴
在相邻刀位之间摆幅过大以及在奇异区域旋转轴产生急速转动、非线性误差过大等问题。该方法
应用C++语言开发了相应的后置处理系统，通过读取CATIA 刀位文件，生成可执行数控加工程
序，经Vericut 仿真验证该算法可行。

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基于曲面精确表示的距离极值点的计算及在刀具干涉检测中的应用

田素凯，宁涛，陈志同

2016, 37(5): 620-625. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050620

摘要 ( 54 )

PDF(769KB) ( 228 )

针对基于曲面精确表示的刚体碰撞检测中裁剪曲面距离极值点的求解问题，提出了
利用平面向量场估计初始曲面距离极值点的方法，避免了曲面过度细分，讨论了距离极值点满足
的微分几何条件，给出了解析曲面/参数曲面、参数曲面/参数曲面、点/参数曲面和曲线/参数曲面
的距离极值点迭代算法。实例验证分析了该算法的高效性和可靠性。

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基于点到曲面投影的飞机蒙皮波纹度计算方法

张俐，吴中林

2016, 37(5): 626-631. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050626

摘要 ( 71 )

PDF(1041KB) ( 221 )

为了精确检测飞机蒙皮表面的波纹度，提高检测效率，研究了一种改进的点到参
数曲面投影算法，即使用椭圆环面片逼近蒙皮设计曲面的方法求解点到曲面的投影，采用该方
法从曲面的测量点云中提取待测波纹度位置的测量点，并计算测量点与理论位置的偏差值。根
据偏差值的大小变化趋势提取局部极值即波峰波谷值，并计算相应的波长，结合波纹度的定义
完成波纹度计算。实验结果表明，该方法分析结果准确、效率高。

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塑料异型材挤出模工程图自动标注系统研究

李力，郭顺生，黄浪，丁康，张恒波

2016, 37(5): 632-638. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050632

摘要 ( 99 )

PDF(1268KB) ( 204 )

塑料异型材挤出模结构相对固定，但其板块工程图冗余废线较多，尺寸标注处理繁
琐。以塑料异型材挤出模为研究对象，在UG 平台上构建了塑料异型材挤出模工程图自动标注系
统，并就以下方面进行了研究：提出板块冗余废线识别方法，并采用删除与转换两种方式实现各
视图废线的自动消除；提出孔定位标注元素识别方法，并采用四象限递增排布法实现孔定位尺寸
及其公差的自动标注；提出孔特征的识别与匹配方法，实现各板块孔特征规格、公差与文字的自
动标注。通过实例分析表明该系统极大减少了图纸设计工作量，有效提高了异型材挤出模工程图
的设计效率。

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基于UG 的定型模工程图自动标注研究

黄浪，郭顺生，唐红涛，李力，吴嵘

2016, 37(5): 639-647. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050639

摘要 ( 61 )

PDF(2033KB) ( 410 )

针对定型模板块形状复杂不规则，内部孔特征多，尺寸标注工作量大且布局混乱等
问题，分析了定型模的结构特征，基于UG NX(Unigraphics NX)平台，开发了定型模工程图自动
标注系统。总结了定型模工程图标注需求，创建了工程图模板；基于特征提取，对定型模三维模
型自动转二维工程图时产生的冗余边线进行自动删除；基于提取的标注基准，对工程图中气孔、
水孔、定位键等特征的定位尺寸、定形尺寸进行了自动标注，并根据其位置，对工程图标注进行
合理布局。通过实例分析验证了该工程图自动标注系统的实用性。该研究简化了定型模工程图设
计流程，提高了其设计效率。

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飞机结构件CAD 模型窄面缺陷自动识别方法

周敏1，郑国磊1，陈树林2

2016, 37(5): 648-654. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050648

摘要 ( 43 )

PDF(1812KB) ( 216 )

飞机结构件数模中常存在狭窄拓扑面，易导致零件在加工成型过程中的各工程操作
难以进行。针对该问题，提出基于参数域边界分析的CAD 模型窄面缺陷自动识别方法。首先对
飞机结构件数模中常见的窄面缺陷进行描述与分类，并结合其几何特点与工程意义对窄面缺陷进
行了合理的定义；其次，对模型表面的任意拓扑面计算其有效参数域；然后，根据凹顶点构造狭
窄区域，并计算狭窄区域的长度和宽度，判断其是否为窄面缺陷；最后，给出方法的实现流程并
开发了相应的算法，结合实例证明了所述方法的正确性和有效性。

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无人机结构参数化关联设计及快速调整

李如，胡毕富，席平，金诗涵

2016, 37(5): 655-660. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050655

摘要 ( 57 )

PDF(1176KB) ( 297 )

针对全复材无人机结构设计特点，详细阐述了整机设计流程。研究了CATIA 参数
化关联方法和以“布局草图”为核心的自顶向下的设计，提出了无人机结构的参数化装配体关联设
计方法，实现了关联引起的模型变更，从而实现了模型快速修改和调整。以某无人机结构为例，
验证了关联设计建模方法的有效性。

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基于梯形和平行四边形的圆片剪冲下料算法设计与实现

陈燕 1,2，刘咏 1，谢琪琦 1，崔耀东 1

2016, 37(5): 661-667. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050661

摘要 ( 36 )

PDF(439KB) ( 206 )

提出一种在矩形板材上引入梯形条带来进行排样的方法，首先用两条平行的分界
线将板材分为两个大小一致的直角梯形段和一个平行四边形段，分别采用递归算法和动态规划
算法确定梯形段和平行四边形段中条带的最优组合，从而确定最优排样方式；再结合线性规划
算法解决圆片下料问题，使得整个下料方案的材料利用率最大化。最后采用大量随机生成的例
题进行实验，实验结果表明该算法能有效提高材料利用率。

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整车路面不平度激励的仿真方法研究

徐东镇 1，张祖芳 1,2，夏公川 1

2016, 37(5): 668-674. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050668

摘要 ( 61 )

PDF(709KB) ( 409 )

分析了路面不平度对三轴式整车的随机激励输入，利用白噪声法和传递函数法推导
得出整车六轮路面不平度输入的状态方程。在Matlab/Simulink 中搭建二维路面不平度数学模型，
并与标准路面不平度进行了比较和验证，说明了搭建模型的准确性。通过整车状态方程搭建六轮
路面不平度数学模型，仿真结果说明了同车桥的左右两车轮的功率密度谱差异较大，同侧前后车
轮的功率密度谱差异较小，比较符合多车桥式重卡的实际情况，且均在标准路面不平度功率密度
谱的标准范围内。为了进一步验证仿真结果，对整车六轮的路面不平度互相关系数进行了分析，
分析结果与上述结论吻合。

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虚拟仿真技术在叉车视野优化中的应用研究

赵川，余隋怀，李炳超，张帅

2016, 37(5): 675-680. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050675

摘要 ( 103 )

PDF(1124KB) ( 225 )

良好的视野是驾驶员操作叉车时重要安全因素。针对叉车驾驶员的视野仿真及优化
问题，基于视线盒形图方法，利用人机工程仿真软件Jack，以第5 百分位中国成年人人体尺寸构
建了叉车虚拟驾驶员操作模型及连贯的动态行为视野仿真分析。辨识出叉车设计中侧面视野的可
见范围比较好，前方视野、后方视野及装卸高处货物时存在明显的视野缺陷，提出增加车载可视
系统和护顶架优化等改善建议，并进行了优化设计。最后，对优化结果进行验证，减少了视野死
角的问题，为叉车设计提供了一定的参考。

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基于色彩意象的工程装备产品外观配色设计研究

张宗登1,2，张红颖2

2016, 37(5): 681-687. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050681

摘要 ( 98 )

PDF(777KB) ( 254 )

产能过剩，同质化竞争是当前工程装备行业面临的重要问题，在技术、质量、功
能趋同的背景下，破解工程装备产品同质化竞争的主要途径，是借用设计手段，实现产品色彩、
形态等视觉要素的差异化；针对工程装备产品配色方式与配色比例问题，运用了色彩基础理论、
色彩心理学、感性工学、市场调研和统计分析等方法，得出三组(编号为A4-4、B2-4、C2-4)工
程装备产品主辅色彩的配色方案，并以装载挖掘机为例，对配色方案进行了验证，达到预期结
果；然后结合设计实例，初步提出了一套工程装备产品外观配色设计的配色比例区间，为工程
装备产品的配色设计提供参考。

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基于纹理特征与 HSI 空间的苹果识别与标定

李大华，赵相飞，许亮，于波

2016, 37(5): 688-693. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050688

摘要 ( 95 )

PDF(6424KB) ( 400 )

在分析了不同图像分割方法的基础上提出了一种基于颜色特征和纹理特征的图像
分割算法，以解决复杂背景下苹果采摘机器人分割目标与背景的问题。通过分析灰度图像的纹
理特征，求取灰度共生矩阵提取特征，以支持向量机分割图像，并结合HSI 颜色空间的色差特
征达到目标和背景分离的效果。通过与单纯的颜色特征分析和纹理特征分析相比较，该方法在
识别率上高于其他分割算法，同时对于颜色与背景相近的果实也能有很好的分割效果。

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基于矩阵2-范数池化的卷积神经网络图像识别算法

余萍，赵继生

2016, 37(5): 694-701. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050694

摘要 ( 96 )

PDF(1103KB) ( 492 )

卷积神经网络中的池化操作可以实现图像变换的缩放不变性，并且对噪声和杂波有
很好的鲁棒性。针对图像识别中池化操作提取局部特征时忽略了隐藏在图像中的能量信息的问
题，根据图像的能量与矩阵的奇异值之间的关系，并且考虑到图像信息的主要能量集中于奇异值
中数值较大的几个，提出一种矩阵2-范数池化方法。首先将前一卷积层特征图划分为若干个互不
重叠的子块图像，然后分别计算子块图像矩阵的奇异值，将最大奇异值作为每个池化区域的统计
结果。利用5 种不同的池化方法在Cohn-Kanade、Caltech-101、MNIST 和CIFAR-10 数据集上进
行了大量实验，实验结果表明，相比较于其他方法，该方法具有更好地识别效果和稳健性。

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消失点计算方法研究

张政武

2016, 37(5): 702-706. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050702

摘要 ( 97 )

PDF(358KB) ( 302 )

利用消失点(线)进行场景理解与三维重建是计算机视觉研究中的一个重要问题。以往
主要是利用图像点的齐次坐标来计算，由于同一图像点的齐次坐标之间相差一个比例因子，当图像
坐标过大(或过小)时，会引起计算精度的下降。为此，从实际计算角度出发，利用图像点的坐标矢
量和调和共轭特性，研究了消失点的计算方法。经过举例分析和算法验证，证明该方法实用、可靠。

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基于创新实践能力培养的《电气工程制图》课程改革的研究

王熙雏 1，张淑红 1，范宏 2

2016, 37(5): 707-710. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050707

摘要 ( 105 )

PDF(312KB) ( 234 )

创新人才培养模式是教学改革的关键所在，而《电气工程制图》是电气工程类专
业重要的专业基础课程，对创新人才的培养具有不可推卸的责任。为此，从《电气工程制图》
的课程改革入手，通过对课程的教学内容、教学模式、考核方式进行深入地研究与改革，提高
学生的创新实践能力，效果良好。

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工程教育专业认证背景下工程制图课程大纲的改革与实践

穆浩志 1,2，薛立军 1,2，牛兴华 1,2

2016, 37(5): 711-717. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050711

摘要 ( 108 )

PDF(269KB) ( 290 )

根据机械类工程教育专业认证标准，结合天津区域经济发展需求和天津理工大学
机械工程学院专业特色，对照工程教育专业认证的毕业要求，以“工程制图”课程为例，阐述构
建毕业要求指标点与课程对应矩阵，开展指标点与教学内容相融合的教学大纲改革。改革体现
了以“学生为中心”的教育导向，对推动普通高校工程教育认证，培养适应区域发展和国际化需
求的工程技术人才从教学课程大纲的制定方法上提供必要的参考。

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“线上+线下融合式”工程图学课程建设与教学实践

张宗波，王珉，吴宝贵，刘广斗

2016, 37(5): 718-725. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050718

摘要 ( 106 )

PDF(803KB) ( 357 )

近年来以慕课为代表的线上教育展现出了巨大的优越性和社会价值，其是今后教
育发展的必然趋势。基于对工程图学课程的建设与教学模式改革的研究，从线上资源的建设和
应用、教学活动的组织、线上教学与课堂教学的协调等方面入手，将线上教学在时间和资源方
面表现出的优势和传统面授方式在严谨性和可控性方面的优点相结合，形成了“线上+线下融合
式”工程图学课程教学模式。通过教学实验和教育实践对该教学模式的主要特点、关键环节、可
行性和有效性进行了研究，为工程图学教育与现代信息技术的融合进行了有益的探索和尝试。

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全三维气辅成型数值模拟结果的任意剖切显示

任清海1，耿铁2

2016, 37(5): 726-730. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050726

摘要 ( 46 )

PDF(620KB) ( 162 )

任意剖切显示是全三维气辅成型过程数值模拟后处理的重要技术。通过研究四
面体单元与剖切平面的空间位置关系，提出了一种基于纯空间几何解析的任意剖切面求取以
及在剖切面上高质量绘制场数据分布彩色云图的方法，即通过遍历确定“有效单元”、类过滤
交点求解，以及物理量插值与颜色映射求得剖切面上的物理场量，然后采用OpenGL 技术实
现任意剖切面上场数据分布彩色云图的绘制与显示。实例验证表明，该方法能准确、清晰地
绘制出气辅成型过程中任意剖切平面上物理量的分布，有助于工程技术人员更加有效地理解
和分析模拟结果。

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基于DXF 轴类零件特征的NC 车削自动编程图形输入系统的研究

刘昕

2016, 37(5): 731-739. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2016050731

摘要 ( 73 )

PDF(836KB) ( 170 )

在计算机辅助NC 车削自动编程系统中，既快速又准确输入零件图形信息，是实
现数控编程自动化的首要环节。基于DXF 轴类零件图形的特征信息，通过深入分析DXF 文件
结构，构造基于轴类零件的数据结构(包含几何信息和工艺信息)，采用图素求交算法提取与输
入各图素的特征信息，客户可在屏幕上点选特征图素并输入对应的工艺信息，然后利用动态绑
定技术将处理后的数据储存到数据库中。不同的特征图素将产生不同类型的表，可通过打开数
据库的方式输入零件图形，最终输出系统所需的数据结构。结果表明：开发的程序系统可以快
速准确地输入DXF 轴类零件图形，生成的数据结构满足刀位点计算要求，能够为虚拟NC 加工
仿真提供技术支持。

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