图学学报

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2021年第5期目次

2021, 42(5): 0.

摘要 ( 200 )

PDF(224KB) ( 124 )

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智能体对手建模研究进展

刘婵娟, 赵天昊, 刘睿康, 张强

2021, 42(5): 703-711. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050703

摘要 ( 307 )

PDF(484KB) ( 262 )

智能体是人工智能领域的一个核心术语。近年来，智能体技术在自动无人驾驶、机器人系统、电子商务、传感网络、智能游戏等方面得到了广泛研究与应用。随着系统复杂性的增加，关于智能体的研究重心由对单个智能体的研究转变为智能体间交互的研究。多个智能体交互场景中，智能体对其他智能体决策行为的推理能力是非常重要的一个方面，通常可以通过构建参与交互的其他智能体的模型，即对手建模来实现。对手建模有助于对其他智能体的动作、目标、信念等进行推理、分析和预测，进而实现决策优化。为此，重点关注智能体对手建模研究，展开介绍关于智能体动作预测、偏好预测、信念预测、类型预测等方面的对手建模技术，对其中的优缺点进行讨论和分析，并对手建模技术当前面临的一些开放问题进行总结，探讨未来可能的研究和发展方向。

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下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展

王秋惠, 姚景一

2021, 42(5): 712-718. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050712

摘要 ( 218 )

PDF(580KB) ( 165 )

下肢外骨骼康复机器人是专门针对下肢运动障碍及行动不便者，提供康复锻炼的智能化装备，其发展对于中国康复事业具有重大的理论意义与实际应用价值。人因工程研究可有效提高下肢康复机器人 HRI 人机交互安全性与交互效率。因此，深入探讨国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展，对其研究现状、发展趋势进行总结归纳。通过文献检索方法对相关文献进行分析，发现人机交互、步态行为、结构设计、安全问题等是下肢外骨骼康复机器人人因工程领域的研究热点，并从人因出发，系统梳理国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展和发展动态，提出我国在下肢外骨骼康复机器人人因工程领域所面临的挑战，研究重点和未来发展趋势。

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多级卷积神经网络的沥青路面裂缝图像层次化筛选

封筠 , 赵颖 , 毕健康 , 赖柏江 , 胡晶晶

2021, 42(5): 719-728. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050719

摘要 ( 143 )

PDF(5438KB) ( 157 )

如何快速准确地识别与评估沥青路面裂缝病害，已成为路面养护和保障道路安全的重要任务之一。实际采集路面图像中往往存在大量的非裂缝图像，在保证裂缝图像无漏筛的前提下，尽可能提高裂缝图像的精确率与非裂缝图像的真负例率，则对于降低人工筛选的工作强度，以及后续裂缝自动分割与病害损坏程度评估具有重要实际意义。故此，提出了一种多级卷积神经网络的沥青路面裂缝图像筛选方法，由训练、微调与验证三阶段构成，利用微调集获得 softmax 层输入微调增量。为避免裂缝图像召回率增加与精确率下降的问题，在对比不同卷积神经网络筛除的非裂缝图像异同基础上，采用改进 AlexNet 作为一级筛选网络，VGG16 或 ResNet50 作为二、三级筛选网络的层次化处理模型。对于含噪声及复杂路面图像测试集的实验结果表明，三级层次化筛选模型能在 100%召回裂缝图像时，达到高的真负例率及准确率。与其他方法的对比实验表明，所提方法可有效解决沥青路面裂缝图像漏筛问题，且具有更好的检测效果。

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基于残差 3DCNN 和三维 Gabor 滤波器的高光谱图像分类

张明华 , 牛玉莹 , 杜艳玲 , 黄冬梅 , 刘刻福

2021, 42(5): 729-737. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050729

摘要 ( 349 )

PDF(2272KB) ( 162 )

高光谱图像含有数百个波段，包含丰富的光谱信息，因此被广泛应用于地物分类中，但仍存在着维数灾难的问题。高光谱图像中同时也含有丰富的纹理信息，有效利用纹理信息能够显著提高分类精度。三维 Gabor 滤波器不仅能够保留图像丰富的光谱信息，还能提取到图像的纹理特征。为了充分利用高光谱图像的特征，提出一种基于三维 Gabor 和残差三维卷积神经网络(Res-3DCNN)的分类方法。三维卷积神经网络(3DCNN) 能够直接对三维立方体数据进行处理，提取到深层纹理-光谱信息，然而随着网络层的加深会产生网络退化问题，因此利用残差思想对 3DCNN 模型进行改进。在 PaviaU，Indian Pines 和 Salinas 3 个公共高光谱图像数据集上进行实验，分别取得 99.17%，97.40%，98.56%的平均分类精度，结果表明该方法能有效提高高光谱图像的地物分类精度。

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结合显著性和边缘信息的水平集图像分割方法

秦宇幸, 羿旭明

2021, 42(5): 738-743. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050738

摘要 ( 117 )

PDF(2676KB) ( 127 )

针对 LBF 模型对初始轮廓的依赖性和对边缘的弱控制能力，研究了一种结合显著性和边缘信息的水平集图像分割方法。首先，结合小波分析理论，基于视觉注意机制构造图像显著图；然后，利用小波分解所描述的图像边缘信息，构造边缘检测函数，同自适应初始轮廓一起引入到 LBF 水平集模型中，并用有限差分法进行数值求解。实验结果表明，提出的图像分割方法能有效降低初始轮廓位置对活动轮廓模型的影响，对合成图像、自然图像均有较好的分割结果，相较于其他传统方法具有更高的演化效率和分割质量。

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适应性增强胶囊网络的古壁画朝代识别算法

曹建芳 , 闫敏敏 , 田晓东 , 贾一鸣 , 靳梦燕

2021, 42(5): 744-754. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050744

摘要 ( 113 )

PDF(5522KB) ( 91 )

针对壁画图像自身存在多义性、不同朝代的壁画绘画风格存在差异性和传统的人工直接参考壁画文本或历史文献识别壁画朝代存在费时、费力等问题，提出了适应性增强胶囊网络(AEC)的古壁画朝代识别算法，对莫高窟壁画自动进行朝代识别。在原生胶囊网络基础上，首先引入预先卷积结构对壁画图像进行高层特征提取；其次增加均层激活增强模型的拟合性能；最后对胶囊网络进行适应性增强，在提高梯度平滑度的基础上利用自适应学习率进行优化提高模型的分类精度。实验结果表明在所构造的 DH1926 壁画数据集上，AEC 模型准确率为 84.44%、平均精确度(MAP)为 82.36%、平均召回率(MAR)为 83.75%、综合评价指标为 83.96%。与改进的卷积神经网络(CNN)和原生胶囊网络等其他网络结构相比，各项评价指标均有 3%以上的提升，有较强的拟合性能，能够多层次提取壁画的丰富特征，表达图像更细节的语义信息，在莫高窟壁画朝代识别中具有更高的准确度和更好的鲁棒性，有一定的应用价值与研究意义。

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具有空间调整和稀疏约束的相关滤波跟踪算法

田丹, 臧守雨, 涂斌斌

2021, 42(5): 755-761. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050755

摘要 ( 58 )

PDF(3234KB) ( 66 )

因频繁遮挡、尺度变化、边界效应等因素的影响，进行目标跟踪时，时常难以达到较好的预期效果。再有，采用传统特征提取策略也会影响目标跟踪的鲁棒性。针对上述问题，提出一种具有空间调整和稀疏约束的相关跟踪算法。利用传统特征与深度特征的有效融合，适应目标表观变化；基于峰值旁瓣比判别目标在跟踪过程中是否被遮挡，若发生遮挡，则对滤波器进行稀疏正则化约束，提高模型对遮挡问题的鲁棒性；若未发生遮挡，则通过高斯空间调整惩罚滤波器系数，抑制边界效应的影响。实验利用 OTB 数据集中 5 组涵盖了严重遮挡和尺度变化等挑战因素的标准视频序列进行测试，定性和定量对比了算法与 4 种热点算法的跟踪效果。定性分析中基于视频序列的主要挑战因素进行比较，定量分析通过中心点位置误差和重叠率比较跟踪算法的性能。实验结果表明，算法对上述挑战因素更具鲁棒性。

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快速仿射非局部均值图像去噪

陈玲玲, 周旭东, 谢傢成, 刘乾

2021, 42(5): 762-766. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050762

摘要 ( 98 )

PDF(629KB) ( 94 )

针对仿射非局部均值(ANLM)算法对图像去噪过程中出现用时过长的问题，提出了一种快速仿射非局部均值去噪(F-ANLM)算法。通过对算法的研究和用时分析得知，仿射变换和关于仿射不变相似性度量的计算这 2 个模块占时最多，因此从这 2 个部分入手提出优化策略。算法首先使用仿射协变结构张量其特征向量的夹角代替尺寸不变特征变换(SIFT)算子的主方向，简化了仿射变换过程；然后将 ANLM 方法中的仿射不变相似性度量改写为离散卷积的形式，使用快速傅里叶变换减少卷积的运算量，加速仿射协变特征区域之间相似性度量的计算。实验证明，F-ANLM 方法简化了仿射变换和仿射不变相似性度量的计算，与原来 ANLM 算法相比，速度得到很大的提升。

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基于 RGB-D 的反向融合实例分割算法

汪丹丹, 张旭东, 范之国, 孙锐

2021, 42(5): 767-774. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050767

摘要 ( 200 )

PDF(3673KB) ( 132 )

RGB-D 图像在提供场景 RGB 信息的基础上添加了 Depth 信息，可以有效地描述场景的色彩及三维几何信息。结合 RGB 图像及 Depth 图像的特点，提出一种将高层次的语义特征反向融合到低层次的边缘细节特征的反向融合实例分割算法。该方法通过采用不同深度的特征金字塔网络(FPN)分别提取 RGB 与 Depth 图像特征，将高层特征经上采样后达到与最底层特征同等尺寸，再采用反向融合将高层特征融合到低层，同时在掩码分支引入掩码优化结构，从而实现 RGB-D 的反向融合实例分割。实验结果表明，反向融合特征模型能够在 RGB-D 实例分割的研究中获得更加优异的成绩，有效地融合了 Depth 图像与彩色图像 2 种不同特征图像特征，在使用 ResNet-101 作为骨干网络的基础上，与不加入深度信息的 Mask R-CNN 相比平均精度提高 10.6%，比直接正向融合 2 种特征平均精度提高 4.5%。

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基于 Z-buffer 算法优化的大型变电站场景模型快速线消隐方法

罗国亮, 王睿, 吴昊, 赵昕, 黄晓生, 曹义亲, 廖成慧

2021, 42(5): 775-783. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050775

摘要 ( 127 )

PDF(995KB) ( 104 )

针对现有三维模型消隐方法面向大规模三维场景模型应用中存在的计算复杂、耗时长等缺陷，本文提出了基于改进 Z-buffer 算法对大型变电站场景消隐的快速可视化方法。首先，为了简化计算，将场景模型数据整合并重构；其次，通过透视投影变换将变电场景模型像素化；进一步，基于 Z-buffer 算法高效的像素化计算特性提出了快速模型筛选方法，从而得到变电场景的子模型遮挡关系。最后，实验中将所得遮挡关系列表融合现有消隐算法，结果表明本文提出的方法能够大幅度提升消隐的运算性能。

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基于四边形网格均值坐标的 K-2 环网格曲面构造

滕一剑, 李亚娟, 邓重阳

2021, 42(5): 784-789. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050784

摘要 ( 118 )

PDF(2942KB) ( 66 )

为在曲面造型中避免产生扭曲、褶皱等现象，将四边形网格中内点的 K-2 环网格作为控制网格，提出一种简单、灵活的曲面构造方法。给定一个 K-2 环控制网格，构造一个与其具有同样拓扑结构的平面网格。再将平面网格拓展成空间四边形网格，同时在平面网格内进行采样。然后计算采样点关于空间四边形网格顶点的四边形网格均值坐标，最后利用四边形网格均值坐标生成曲面，保证曲面上的每一点都满足 C∞ 。在这个过程中设置了一个全局形状因子 h，用于控制曲面与初始控制网格的逼近程度，通过实例证明，h 越小，曲面越逼近初始控制网格。

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基于GIMT和弧长参数化的QG-Ball曲线近似合并

胡先智 , 梁艳 , 吕丹 , 胡钢

2021, 42(5): 790-800. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050790

摘要 ( 45 )

PDF(1858KB) ( 74 )

曲线近似合并作为 CAGD 中复杂曲线设计的一种有效技术，一直备受学者们的关注，并在 CAD/CAM 领域得到了广泛的应用。针对现有带形状参数的广义 Ball 曲线难以合并的问题，提出了一种基于广义逆矩阵理论(GIMT)和弧长参数化的 QG-Ball 曲线近似合并方法。首先，利用曲线近似弧长参数化算法计算出 QG-Ball 曲线弧长等分对应的配置点列(亦称等分点)和配置点参数值；其次，基于所得等弧长配置点列及其参数值，再结合广义逆矩阵理论和曲线拟合方法，便可以直接得到计算合并后 QG-Ball 曲线控制顶点的一个显式表达式；最后，利用连续函数的 L2 范数定义了一个度量曲线合并效果的误差计算公式，并给出了一些具有代表性的数值算例及其合并误差。实例结果表明，所提出的方法可以高效地实现 QG-Ball 曲线的近似合并，不仅易于操作、误差计算简单，而且能方便地推广到其他曲线的近似合并。

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炮弹制造质量综合评估方法研究

刘文军, 杨建新, 兰小平, 王波, 杨一铭, 李翠霞

2021, 42(5): 801-808. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050801

摘要 ( 91 )

PDF(641KB) ( 63 )

针对炮弹制造质量水平评判过程中存在的抽样试射成本高、难以评价批次炮弹质量、未有效利用制造过程质量数据等问题，开展炮弹制造质量综合评估方法研究。首先研究炮弹制造质量综合评估框架，规范炮弹制造质量综合评估过程；将失效模式分析方法确定的炮弹关键特性作为评估指标，构建覆盖炮弹采购、加工、装配和检验等制造全过程的制造质量评估指标体系，并应用层次分析法(AHP)确定各指标的权重；采用生产过程能力指数构建制造质量评估计算模型，基于加权和法与加权几何平均法构建制造质量评估聚合模型，形成炮弹制造质量两层评估模型，充分利用制造过程中的关键特性质量检测数据实现炮弹制造过程质量的定量评估。最后以某型炮射导弹为例，验证了炮弹制造质量综合评估方法的可操作性、可行性和有效性。

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基于拟合投影的车身老鼠洞检查方法研究

郭鹏, 董玉德, 吴文哲

2021, 42(5): 809-815. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050809

摘要 ( 188 )

PDF(1668KB) ( 103 )

汽车车身在设计制造过程中由钣金件装配焊接形成的老鼠洞，在某种程度上影响了整车的安全性能以及空间结构。为解决老鼠洞尺寸检查步骤繁琐、检查效率低等问题，提出了一种基于拟合投影的车身老鼠洞检查方法。首先，通过创建老鼠洞边缘轮廓截面对轮廓曲线进行直线拟合并投影至截面；其次，建立投影轮廓范围内的等距空间网格划分机制，借鉴最小二乘法的“残差平方和最小”原理筛选网格节点；最后，运用最佳逼近定义提取老鼠洞中心轨迹点及最大内切圆半径。利用 CATIA 软件为开发平台并结合 CAA 框架结构，实现老鼠洞检查功能，实例分析表明，检查结果具有良好的准确性，功能运行高效、自适应性强，有效缩短了产品研发周期。

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基于 BIM 的钢筋骨架语义设计点云自动生成算法

刘世龙, 马智亮

2021, 42(5): 816-822. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050816

摘要 ( 218 )

PDF(944KB) ( 185 )

当前预制构配件钢筋骨架质量检查主要依靠人工，存在效率低、容易出错的问题。建筑信息模型(BIM)、三维重建等技术为改进预制构配件钢筋骨架质量检查方法提供可能。运用这些技术时，有必要由钢筋骨架 BIM 模型生成可区分每根钢筋的点云。为此，提出了语义设计点云的概念，并构建了基于 BIM 的钢筋骨架语义设计点云自动生成算法。该算法首先从钢筋骨架 BIM 模型中提取每根钢筋并分别存储于不同的文件，然后对每根钢筋所在文件进行格式转换，接着生成每根钢筋的语义设计点云，最后基于每根钢筋的语义设计点云生成钢筋骨架语义设计点云。分别用简单钢筋骨架和复杂钢筋骨架对基于 BIM 的钢筋骨架语义设计点云自动生成算法进行实验验证，结果表明，该算法能够自动并快速地生成准确的钢筋骨架语义设计点云。

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面向 Web 的建筑三维模型可视化方法研究

边根庆, 陈蔚韬

2021, 42(5): 823-832. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050823

摘要 ( 286 )

PDF(1434KB) ( 250 )

针对当前工业基础类(IFC)标准文件与 WebGL 框架集成方案存在模型语义完整性差及数据互操性弱等问题，提出一套建筑信息模型(BIM)数据网络可视化实施方案。该方案以 IFC 标准文件作为输入数据源，首先对 BIM 模型进行重构，并提出基于 IFC 结构树的构件实例层次拆分策略将原始 IFC 文件实施数模分离；然后，将重构后的 IFC 模型文件向 glTF 格式文件进行转换，并在转换过程中完成几何空间和语义属性的双重关系映射；最后，提出基于层次包围体(BVH)结构的 BS-AB 场景构件可视性检测算法对建筑构件进行可见性剔除。实验结果表明：该方法能够显著减少 BIM 模型数据冗余，且高效完成了对复杂 BIM 场景不可见构件的剔除工作，降低了渲染管线的开销，为基于 IFC 标准与 WebGL 框架集成方案的 BIM 模型数据网络可视化提供了一种可行的参考方案。

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虚拟现实全景流体绘画系统的可用性研究

朱永宁 , 葛婷 , 杜盛瑀 , 楼泽如 , 王建民

2021, 42(5): 833-840. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050833

摘要 ( 140 )

PDF(2981KB) ( 225 )

虚拟现实环境给三维空间场景应用带来更强的真实感和身临其境的体验。在虚拟现实场景中经常需要使用 360全景图像生成沉浸式环境背景，其中全景流体动力学绘画系统提供了一个新的全景图绘制方法。在调研虚拟现实技术在流体绘画领域应用的适用性测试中，本文综合运用用户测试法、操作日志分析法、事后问卷调查法和访谈法，对基于虚拟现实的全景式流体绘画创作系统进行可用性评估，并创意性地使用可视化方法辅助日志分析。所有的受试者均认为系统的可用性不低于一般水平，利用该系统完成流体绘画的创作工作不需要受试者具有专业绘画经验。受试者对系统的功能效果持积极肯定的意见，并期待尝试用其他交互形式代替手柄类交互方式以促进艺术创作的表达。其研究方法和结果将为同类系统的开发和评估提供参考。

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面向关键用户需求的踝足矫形器定制化设计方法

张芳兰, 刘龙吉, 姚宛彤

2021, 42(5): 841-848. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050841

摘要 ( 104 )

PDF(5530KB) ( 107 )

针对现有踝足矫形器(AFO)适配性差、用户满意度较低的问题，提出了一种面向关键用户需求的 AFO 定制设计流程与方法。通过用户访谈、问卷调查获取原始用户需求，将因子分析与层次分析法结合，确立关键用户需求权重；再利用 TRIZ 理论解决关键需求冲突，得出产品创新方向；借助 3D 扫描技术与逆向工程软件，获取精确的小腿加足数字化模型，根据小腿加足骨骼与生理曲面的特点，利用三维建模构建 AFO 基础模型；在 Ansys Workbench 中对其进行拓扑优化生成 AFO 轻量化设计方案；最终通过模糊综合评价与偏差分析，确定设计方案适配性良好，验证了定制设计流程与方法的可行性。

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基于 FDM 与 FAHP 的儿童滑板车设计评价与改进

王志愿 , 戴志鹏

2021, 42(5): 849-855. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050849

摘要 ( 181 )

PDF(1422KB) ( 109 )

儿童滑板车设计评价的影响因素复杂多样，难以通过量化的方法衡量这些因素对于产品设计的重要性。采用模糊德尔菲法(FDM)定量地筛选产品设计评价指标要素，建立儿童滑板车设计层级指标模型。然后，运用模糊层次分析法(FAHP)计算出各项指标要素权重，综合评价设计方案，得出儿童滑板车总体评价分值，最终提出优化与改良意见。FDM 与 FAHP 结合可以较为系统地对产品进行量化设计与评价，减少设计过程中的主观因素，使设计更加科学、理性与严谨，也为儿童产品设计方案的选择和优化提供了可量化的参考依据。

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基于层次分析法的牙齿隐形正畸方案评价与优选

李占利, 党琪, 李洪安, 刘童鑫, 张蕴

2021, 42(5): 856-865. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050856

摘要 ( 166 )

PDF(2034KB) ( 77 )

随着科学技术的发展，牙齿正畸软件系统可以自动生成若干正畸方案。针对医患如何从中选择最满意方案的问题，提出基于层次分析法的牙齿隐形正畸方案综合评价与优选方法。结合牙齿正畸医师常用的正畸标准与患者的基本需求，从咬合、美观和正畸代价 3 个维度考虑，建立了咬合接触情况、牙列拥挤度、牙弓对称度、牙齿移动难度、正畸周期及费用等 11 个指标的牙齿隐形正畸方案优选层次模型。利用层次分析法构建成对比较矩阵，通过一致性检验，确定各指标及各方案权重，计算综合权重并排序得出最优方案。结合实际案例，对不同案例进行实验，同时引入专家评分法进行实验对比，结果表明，基于层次分析法的综合评价可为医患选择牙齿隐形正畸方案提供有效参考。

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基于可拓创新法和 TRIZ 理论的营地手推车折叠机构设计

王军, 孙帅

2021, 42(5): 866-872. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050866

摘要 ( 167 )

PDF(887KB) ( 139 )

针对营地手推车现有折叠方式效率较低、产品笨重等问题，综合利用多种折叠方式以解决现有问题。首先对现有营地手推车的折叠结构进行分析，确定待解决问题，其次依据基元理论创建问题模型，利用 TRIZ 理论查询并确定解决相应问题的发明原理，再进行拓展分析和可拓变换，得到解决方案，最终借助优度评价选择最优方案。通过营地手推车的实例设计，实现对其折叠时间、折叠流程以及轻量化的目标问题优化，证明可拓分析与 TRIZ 中发明问题解决原理相结合能够提高解决效率，为以后产品创新和筛选方案提供参考。

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跨设备交互场景下参照域构建方法的设计策略研究

成婉莹, 袁翔

2021, 42(5): 873-881. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2021050873

摘要 ( 132 )

PDF(6237KB) ( 103 )

针对智能家居中跨设备交互的内容传输问题，从参照类型和工件数量 2 个方面定义交互的可见性，并在此基础上提出了 4 种参照域构建方法(物理的，物理耦合的，数字的，自然的)。通过“绿野仙踪”实验探究 4 种方法在单一任务和主次任务场景下对用户体验的影响，实验结果表明，不同方法在同一场景，以及同一方法在不同场景的用户体验有差异。得出 2 个方面结论：①方法的差异性，物理的方法是高效而有趣的，物理耦合的方法最有趣但实行性较低，数字的方法最实用但也是常规的，自然的方法在主次任务场景下最实用；②场景的差异性，主次任务场景中用户重点关注实用性，而用户在单一任务场景中既关注实用性也对享乐性提出了要求。

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2021年42卷第5期

2021, 42(5): 882-882.

摘要 ( 118 )

PDF(48643KB) ( 44 )

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