孔令濱，張火明，方貴盛，徐 敏

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018;2.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018)

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電氣原理草圖語(yǔ)義理解系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

孔令濱1，張火明1，方貴盛2，徐 敏1

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018;2.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018)

針對(duì)目前市面上現(xiàn)有的手繪草圖識(shí)別系統(tǒng)對(duì)用戶的手繪習(xí)慣仍有較大限制的現(xiàn)狀，提出了一種基于圖元以及圖元數(shù)量的單個(gè)電氣元件的識(shí)別方法；系統(tǒng)使用MATLAB做為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)；首先通過(guò)在線采集的方式來(lái)獲取手繪圖每個(gè)筆畫(huà)的始終點(diǎn)坐標(biāo)以及每個(gè)筆畫(huà)上所有的采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的平滑處理以及去重處理來(lái)降低因輸入時(shí)的抖動(dòng)噪音等因素對(duì)識(shí)別結(jié)果造成的影響；其次針對(duì)識(shí)別對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且考慮到圖庫(kù)中所有的電氣元件也都是由相同的幾個(gè)基本圖元組成的，實(shí)現(xiàn)了基于圖元以及圖元數(shù)量的單個(gè)電氣元件的識(shí)別方法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地減少用戶在手動(dòng)繪制時(shí)的限制，降低了因用戶手繪習(xí)慣而造成的識(shí)別出錯(cuò)率；并且能夠?qū)崿F(xiàn)較高準(zhǔn)確率的識(shí)別效果。

手繪電路圖識(shí)別；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；圖元；電氣元件符號(hào)

0 引言

在便攜式硬件設(shè)備日益普及的今日，人們不再局限于通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)輸入，基于筆觸(或觸屏)的人機(jī)交互被越來(lái)越多的用戶接受[1]。手繪草圖識(shí)別(sketch recognition)系統(tǒng)能夠完成從筆跡空間到認(rèn)知空間的映射，即在某個(gè)特定應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)賦予草圖具體的語(yǔ)意表達(dá)，實(shí)現(xiàn)從用戶手繪草圖到計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)制圖的轉(zhuǎn)換。該研究在幾何畫(huà)圖、物理教學(xué)、電路分析、力學(xué)教學(xué)等研究領(lǐng)域有極大的實(shí)際應(yīng)用意義。

手繪草圖存在信息模糊性和輸入隨意性兩個(gè)缺陷。所以為了提高識(shí)別的成功率，現(xiàn)有的草圖識(shí)別軟件往往會(huì)對(duì)用戶的手繪輸入進(jìn)行限制[2]：如要求用戶在輸入語(yǔ)義符號(hào)時(shí)單筆完成；或者要求用戶在輸入完一個(gè)語(yǔ)義符號(hào)后有一個(gè)明顯的時(shí)間停頓；再或者只允許用戶輸入特定線元元素，這些限制使得用戶在進(jìn)行手繪輸入時(shí)很不方便，極大的限制了用戶的輸入自由。此外，現(xiàn)有的草圖識(shí)別軟件的識(shí)別算法普遍的比較繁瑣，導(dǎo)致軟件的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。因此，本系統(tǒng)主要從系統(tǒng)的識(shí)別方式以及識(shí)別算法上進(jìn)行改進(jìn)[3-4]。

本系統(tǒng)主要以35個(gè)常用電氣元件的手繪識(shí)別為研究對(duì)象，深入研究目前草圖識(shí)別與語(yǔ)義理解存在的若干關(guān)鍵問(wèn)題：如手繪草圖的意圖捕捉問(wèn)題；草圖符號(hào)之間的分割與識(shí)別問(wèn)題；電氣元件符號(hào)與導(dǎo)線的區(qū)分問(wèn)題；整幅草圖的語(yǔ)意理解問(wèn)題；以及草圖或符號(hào)在識(shí)別出錯(cuò)時(shí)的修正問(wèn)題等[5]。

本文所研究的內(nèi)容可以為便攜式設(shè)備提供一個(gè)實(shí)用的軟件工具，在改進(jìn)目前的草圖識(shí)別系統(tǒng)的繪圖性能、方便工程師設(shè)計(jì)思想的表達(dá)與交流、以及輔助課程教學(xué)，提高相關(guān)軟件圖形輸入的自然性等方面具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，對(duì)手繪草圖識(shí)別的研究工作可以總結(jié)為以下三個(gè)層面的內(nèi)容：最基礎(chǔ)的基本圖元的識(shí)別、更進(jìn)一步的相關(guān)符號(hào)的識(shí)別，以及最高層面的手繪草圖的識(shí)別與電路草圖的語(yǔ)義理解。其中最為成熟的仍是基于基本圖元的草圖識(shí)別。

在基層圖元識(shí)別的研究中，孫建勇等人提出了一種使用引力模型來(lái)識(shí)別已輸入的筆畫(huà)的辦法[6]，直接將輸入進(jìn)去的筆劃劃分成簡(jiǎn)單基本的多邊形、基本的折線以及基本弧線這三種不同類型。燕山大學(xué)的姚海浩在其碩士生論文中提出了一種通過(guò)判別、擬合、規(guī)整來(lái)完成基本的圖元識(shí)別的分層識(shí)別方法[7]，但識(shí)別流程較為繁瑣。而西北工業(yè)大學(xué)的宋保華等人則實(shí)現(xiàn)了利用不同的識(shí)別器以識(shí)別單個(gè)筆劃以及在上下文的基礎(chǔ)之下來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于手繪草圖的規(guī)整[8]，但其最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚不明確，有待考究。

2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)鼠標(biāo)拖拽來(lái)進(jìn)行草圖的繪制，以電阻元件為例，如圖1所示。然后將所有的筆劃以及每個(gè)筆劃的所有點(diǎn)坐標(biāo)以矩陣的形式保存于IXT.txt，IYT.txt中。

然后通過(guò)遍歷這些X,Y坐標(biāo)來(lái)獲取那些每行只有一個(gè)數(shù)據(jù)的特征值，將所有的特征值對(duì)應(yīng)的行號(hào)以單行矩陣式保存在數(shù)組stroke中。

圖1 數(shù)據(jù)采集示例

以圖2為例，第2行～第35行之間的所有值為第一個(gè)筆劃的全部取樣點(diǎn)坐標(biāo)，然后是第36～第62行，以此類推。

圖2 各筆劃初始點(diǎn)行編號(hào)組

3 手繪草圖識(shí)別中的語(yǔ)義理解

語(yǔ)義理解包括兩個(gè)層面上的內(nèi)容：對(duì)圖形形狀的分析以及針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域的形象思維。第一個(gè)層面主要集中在用戶在輸入時(shí)對(duì)圖形的預(yù)處理，同時(shí)為圖形做標(biāo)記分類；第二個(gè)層面則要運(yùn)用領(lǐng)域語(yǔ)言對(duì)圖形做出整體的推理和協(xié)調(diào)，而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是很有難度的，需要前期進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作以提高識(shí)別準(zhǔn)確率。本文所研究的語(yǔ)義理解主要是指第一個(gè)層面的內(nèi)容，即對(duì)圖形形狀的分析，具體包括對(duì)圖形的預(yù)處理以及圖形的標(biāo)記分類兩部分的內(nèi)容。

3.1 圖形的預(yù)處理

本文在對(duì)用戶手繪輸入的草圖的預(yù)處理操作主要包括平滑處理和去重處理兩部分，具體的處理方法如下。

3.1.1 平滑處理

眾所周知，用戶手繪的草圖不可避免的存在“抖動(dòng)”現(xiàn)象，這會(huì)給后續(xù)的識(shí)別操作帶來(lái)很大的影響。因此，為了降低因“抖動(dòng)”而造成識(shí)別出錯(cuò)的概率，必須在識(shí)別操作前進(jìn)行平滑處理，以盡可能地消除“抖動(dòng)”帶來(lái)的影響。接下來(lái)將給出一種簡(jiǎn)單有效地平滑處理方法：

(1)

然后根據(jù)通過(guò)公式(1)計(jì)算所得到的新的坐標(biāo)點(diǎn)用來(lái)代替原先的相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3 手繪圖形的抖動(dòng)現(xiàn)象 圖4 平滑處理的示意圖

3.1.2 去重處理

由于在繪制過(guò)程中，用筆的粗細(xì)以及繪制時(shí)候的停頓會(huì)導(dǎo)致采樣點(diǎn)中出現(xiàn)橫縱坐標(biāo)一致的兩個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)[10]。這些點(diǎn)就是所謂的重點(diǎn)，它們對(duì)于識(shí)別并沒(méi)有什么真正意義上的影響，所以我們將它們?nèi)コ?，由于算法過(guò)于簡(jiǎn)單，在此就不花篇幅去描述。

3.2 圖形的標(biāo)記與分類

本文對(duì)圖形進(jìn)行分類的主要依據(jù)是基于圖元以及圖元的數(shù)量。由于組成一個(gè)基本電器元件或者一張完整電路原理圖的所有線元都可以分解成三種最基本的線元：直線、半圓以及圓。通過(guò)一定的擬合操作即可在識(shí)別系統(tǒng)中將所有的線元進(jìn)行分類，從而達(dá)到對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)記與分類的目的。具體的方法將在后續(xù)的線元識(shí)別部分中進(jìn)行闡述。

4 手繪元件的線元識(shí)別

在數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理之后，我們將得到很多的簡(jiǎn)單線元，我們需要對(duì)這些線元分別進(jìn)行相應(yīng)的擬合。組成一個(gè)電氣元件符號(hào)乃至整張電原理圖的所有線元大致只有三種最為基本的線元：直線、半圓以及圓。半圓和圓都是圓弧，故二者可以通過(guò)一種擬合方式處理?；揪€元的擬合是草圖識(shí)別的重要過(guò)程，下面對(duì)三種基本線元的擬合方法進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 直線擬合

(1)一般斜率下的直線的最小二乘法擬合算法：

直線在進(jìn)行最小二乘法擬合的時(shí)候，數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度會(huì)極大程度上的受到擬合曲線的表達(dá)式的影響。在使用真實(shí)幾何距離來(lái)進(jìn)行最小二乘法擬合時(shí)，其數(shù)學(xué)模型以及曲線之間的各種約束和表達(dá)都是很復(fù)雜的[11-12]。但是直線擬合可以用代數(shù)的距離總和最小為目標(biāo)函數(shù)的方式，相對(duì)應(yīng)的直線表達(dá)式可寫(xiě)成如下形式：

ax-y+b=0

(2)

在這種表達(dá)式的情況下，若已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，則直線擬合的目標(biāo)函數(shù)可表示成：

(3)

(4)

由此可計(jì)算得出參數(shù)a和參數(shù)b的值為：

(5)

此時(shí)參數(shù)a的表達(dá)式也可以改寫(xiě)成公式(6)中所示的等價(jià)的計(jì)算公式：

(6)

(7)

把式(7)中代入式(6)中即可得到參數(shù)a的最終表達(dá)式：

(8)

而當(dāng)?shù)玫絽?shù)a的表達(dá)式后，參數(shù)b則可以根據(jù)公式(2)即直線的一般表達(dá)式來(lái)計(jì)算。

(2)當(dāng)斜率為0，-1，1或者是不存在這四種特殊的斜率的最小二乘法擬合算法：

當(dāng)擬合直線的斜率為0，-1,1或者不存在四種特殊情況時(shí)，擬合直線的表達(dá)式比較容易寫(xiě)出。此時(shí)，直線的目標(biāo)擬合函數(shù)可根據(jù)最小二乘法原理得到，記為E。當(dāng)導(dǎo)數(shù)dE/db取0時(shí)，此時(shí)參數(shù)b的取值視為最佳值。如表1所示。

表1 特殊斜率時(shí)的最小二乘法擬合算法

經(jīng)過(guò)上面的步驟，即可得到直線的擬合算法，并能求出理想條件時(shí)的參數(shù)a和b。接下來(lái)，將每個(gè)筆劃的所有坐標(biāo)點(diǎn)分別以如圖所示的行矩陣的形式保存在strokex，strokey中。再利用p=polyfit(strokex(1,:),strokey(1,:),1)來(lái)對(duì)該筆畫(huà)進(jìn)行直線擬合。

4.2 圓擬合

我們可以從圓的通用表達(dá)式入手：

x2+y2+a1x+a2y+a3=0

A=[sum(x) sum(y) n ; sum(xy) sum(yy) sum(y) ; sum(xx) sum(xy) sum(x)];

B=[-sum(xx+yy) ; -sum(xx.*y+yy.*y) ; -sum(xx.*x+xy.*y)]; R=sqrt((a1^2+a2^2)/4-a3);

(9)

式中，xx即為x的平方，yy即為y的平方，xy為x與y的乘積，R值即為半徑[13]。

此時(shí)圓弧擬合基本上已經(jīng)完成，只剩下區(qū)分圓曲線以及半圓曲線的問(wèn)題：如果繪者的意圖是畫(huà)一個(gè)圓，那么筆畫(huà)起始坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)很相近的范圍內(nèi)。同時(shí)通過(guò)循環(huán)遍歷這個(gè)筆劃中的所有的橫縱坐標(biāo)來(lái)找到它的最小和最大的橫縱坐標(biāo)的差值之和求平均再與所求得的擬合圓的半徑的兩倍作比較，其誤差如果在一定范圍內(nèi)就可認(rèn)定為其是一個(gè)圓。另外，為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，我們可以采集到該筆劃的所有點(diǎn)的坐標(biāo)，做遍歷，取出其中橫坐標(biāo)的最大最小值的差值的絕對(duì)值，暫且叫他chax，再取縱坐標(biāo)的最大最小的差值的絕對(duì)值，取名chay，那么如果是圓，那么chax，chay不會(huì)相差很大。但如果是半圓的話chax，chay之間就應(yīng)該存在著一個(gè)接近于兩倍的關(guān)系。

4.3 半圓擬合

具體方法按公式(9)來(lái)求。由于半圓弧兩端點(diǎn)連線的距離近似為擬合半徑的兩倍，而直線段也符合，故應(yīng)考慮消除直線段的影響：先進(jìn)行圓弧擬合，遍歷該筆劃上的所有點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)取得最大的縱坐標(biāo)以及最小的縱坐標(biāo)值然后取他們的差值的絕對(duì)值。將其與擬合半徑作比較，因?yàn)橹本€通過(guò)圓擬合得到的擬合半徑很大，故該方法能區(qū)分出半圓和直線。

5 圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)

5.1 GUI設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的GUI界面，用來(lái)實(shí)現(xiàn)手繪草圖的識(shí)別操作。該界面包含了3個(gè)button，6個(gè)axes，另外還有5個(gè)text。具體的GUI界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 GUI設(shè)計(jì)圖

圖6 手繪熔斷絲FU草圖

該界面具體的排版是：axes1用于顯示最終識(shí)別出來(lái)的元件，axes2～6用于顯示與所繪制的草圖相匹配的所有元件圖。如果相匹配的只有兩個(gè)，那么這五個(gè)axes只會(huì)按順序的顯示在前面兩個(gè)axes內(nèi)。而text1～text5則用于告訴用戶這幾個(gè)匹配出來(lái)的元件示意圖所對(duì)應(yīng)的相應(yīng)編號(hào)以及之后選擇時(shí)候選的相應(yīng)文件名。axes1～axes6，text1～text5的visible屬性全部設(shè)置為off。并在之后的識(shí)別函數(shù)fit.m里面選擇性的利用句柄將其改為on。

5.2 button設(shè)計(jì)

1)輸入button：點(diǎn)擊輸入button，調(diào)出手繪輸入框。通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)繪制草圖，保存。

2)識(shí)別button：保存好輸入的圖，點(diǎn)擊識(shí)別按鈕，調(diào)用后臺(tái)擬合識(shí)別函數(shù)fit.m。系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行擬合匹配，匹配合適的圖顯示在GUI右側(cè)，并標(biāo)以相應(yīng)的序號(hào)和名稱。

3)選擇button：完成上一步驟之后，記下相應(yīng)的序號(hào)，點(diǎn)擊選擇按鈕，并在test文件夾目錄下點(diǎn)開(kāi)相應(yīng)序號(hào)的文件。將所選圖形顯示在主窗口中，供之后使用。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)觀測(cè)手繪電氣元件的識(shí)別效果以及識(shí)別成功率，來(lái)驗(yàn)證本文所述算法、系統(tǒng)軟件是否能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

首先，以熔斷絲FU和行程開(kāi)關(guān)SQ為例，來(lái)驗(yàn)證本文所述系統(tǒng)的識(shí)別效果。在手繪草圖輸入界面繪制一個(gè)保險(xiǎn)絲電氣原理圖，符號(hào)為FU。再點(diǎn)擊識(shí)別button，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)主窗口中能夠正確的顯示出之前手繪的元器件。

圖7 熔斷絲FU識(shí)別效果

同理，在手繪草圖輸入界面上繪制一個(gè)SQ行程開(kāi)關(guān)，得到的識(shí)別效果如圖8、圖9所示。

圖8 手繪行程開(kāi)關(guān)SQ草圖

圖9 行程開(kāi)關(guān)SQ識(shí)別效果

通過(guò)幾組草圖識(shí)別的效果來(lái)看，盡管手繪的電器元件草圖并不是很規(guī)范，但是在本次設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)中還是能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出來(lái)，系統(tǒng)識(shí)別效果能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

但是，在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)有些元器件并不是每次都能準(zhǔn)確的識(shí)別出來(lái)，總結(jié)可能造成識(shí)別出錯(cuò)的原因如下：

1)在數(shù)據(jù)采集方面，由于系統(tǒng)并沒(méi)有外接手繪板等設(shè)備，而只是通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)來(lái)進(jìn)行繪制，這會(huì)使得系統(tǒng)并不能準(zhǔn)確、完整的采集到用戶繪制的每一個(gè)數(shù)據(jù)；

2)在算法設(shè)計(jì)方面，由于本文采用的是基于圖元特征的識(shí)別方式，而所使用的算法并不能采集到繪制時(shí)的筆傾斜角度等數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)在識(shí)別時(shí)可能會(huì)忽略這些圖元特征，導(dǎo)致識(shí)別出現(xiàn)錯(cuò)誤；

3)在人機(jī)交互方面，由于不同用戶的手繪習(xí)慣不同，并且有的用戶在某些筆畫(huà)的繪制時(shí)過(guò)于隨意，這也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致系統(tǒng)識(shí)別出現(xiàn)錯(cuò)誤。

7 總結(jié)

本文對(duì)基于圖像處理的手繪電路元件的識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，并研究了圖像識(shí)別過(guò)程中的常用算法。在充分了解了手繪圖的識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，以35個(gè)基本電氣元件作為研究對(duì)象。采用了基于特征比對(duì)識(shí)別的識(shí)別方法，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的手繪電路元件識(shí)別系統(tǒng)。相較于以前的草圖識(shí)別系統(tǒng)，本系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面有了較大的改進(jìn)：

1)在圖形的預(yù)處理方面，對(duì)用戶手繪的草圖進(jìn)行了平滑處理和去重處理，降低了諸如“抖動(dòng)”現(xiàn)象等可能對(duì)識(shí)別結(jié)果造成影響的概率；

2)在基本圖元的識(shí)別方面，采用了一種自己定義的根據(jù)繪圖的習(xí)慣來(lái)進(jìn)行圖元分類與識(shí)別的方法。在一定程度上提高了原來(lái)基礎(chǔ)的圖元擬合的識(shí)別準(zhǔn)確率；

3)在基本電氣元件識(shí)別方面，采用了系統(tǒng)識(shí)別加上人為主動(dòng)輔助識(shí)別的方式，使系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)率。

盡管本文已能實(shí)現(xiàn)在一定準(zhǔn)確率下的手繪草圖識(shí)別功能，但仍面臨在輸入相對(duì)誤差較大的情況下識(shí)別準(zhǔn)確率偏低以及用戶使用流程尚需簡(jiǎn)化兩方面的問(wèn)題，故還需作進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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Development of the Semantic Understanding System of the Electric Principle Sketch

Kong Lingbin1，Zhang Huoming1，F(xiàn)ang Guisheng2，Xu Min1

(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Flow Measurement Technology, China Jiliang University,Hangzhou 310018, China; 2.Mechanical and Automotive Engineering College, Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310018, China)

At present, there are still some limitations on the existing hand drawn sketch recognition systems. We presented a recognition method of a single electrical components based on primitives and the number of primitives. The system uses MATLAB as software platform. Firstly, we get the coordinates of each stroke of the hand drawn map and the coordinate of the sampling points on each stroke. Then, we reduce the influence of the noise by simple smoothing and repeat removing processes. In addition, our recognition object's structure features are relatively stable, and all electrical components are consisting of a single or some primitives. So we realized the recognition method based on primitives and the number of primitives. Experimental results show that the system can effectively reduce the limitations of users , and reduce the identification error rate. In addition, this system can achieve a higher accuracy of recognition results.

hand draw circuit diagram recognition; computer vision; primitives; electrical components symbols

2015-08-18；

2015-11-04。

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y14E090034, Y13F020140),浙江省青年科學(xué)家培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2013R60G7160040)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379198)。

孔令濱(1992-)，男，碩士，主要從事流體檢測(cè)與仿真技術(shù)方向的研究。

方貴盛(1973-)，男，博士，教授，主要從事草繪設(shè)計(jì)及CAD技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0206-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.057

TP391

A