基于人工智能的電腦刺繡智能集成環(huán)境的研究

基于人工智能的電腦刺繡智能集成環(huán)境的研究

計算機(jī)刺繡的過程是首先，首先，制作樣本手稿，通過建模示例創(chuàng)建樣本文件，形成設(shè)計樣本文件的針位數(shù)據(jù)，然后使用這些針位數(shù)據(jù)控制計算機(jī)刺繡機(jī)并批量生產(chǎn)刺繡產(chǎn)品。因此，計算機(jī)刺繡的主要技術(shù)是編程系統(tǒng)?，F(xiàn)在，日本的百靈達(dá)和田島和德國的zsk系統(tǒng)非常流行。然而，由于涂層系統(tǒng)的數(shù)量少、自動化程度低、功能獨(dú)特，如圖紙輸入方法獨(dú)特、指針方便，且精度和生產(chǎn)效率低。為了提高設(shè)計水平,我們將人工智能技術(shù)和圖像處理技術(shù)引入了電腦刺繡編程系統(tǒng),研制了智能化電腦刺繡編程環(huán)境(國家863高科技發(fā)展計劃資助項(xiàng)目).首先,原始圖稿可以通過攝相機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀或者鼠標(biāo),以任何一種方式進(jìn)行輸入;其次,圖稿中的輪廓通過圖像處理形成刺繡輪廓;最后,通過推理機(jī)制和不確定推理自動生成針位數(shù)據(jù).因此,實(shí)現(xiàn)了從獲取初始樣稿到針位數(shù)據(jù)的智能化和自動化,可形成高質(zhì)量的刺繡樣版.一年多的實(shí)際使用情況表明,該系統(tǒng)可以明顯地提高刺繡樣版的生產(chǎn)效率和繡品質(zhì)量.1針位優(yōu)化模塊設(shè)計系統(tǒng)主要由圖像處理、編針處理、針位優(yōu)化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換這4個處理模塊以及4個知識庫組成.這些模塊之間相對獨(dú)立,由總控模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào),通過使用公用數(shù)據(jù)區(qū)交換數(shù)據(jù).每個模塊的功能描述如下:圖像處理模塊在圖像處理模塊中,從原始設(shè)計圖樣中獲取的圖像通過圖像處理功能自動處理,如色彩聚類、圖像增強(qiáng)、恢復(fù)以及邊緣檢測等等,以獲得圖像畫稿的輪廓.然后,圖像的形狀、位置、內(nèi)外部標(biāo)記以及其他特征信息可以根據(jù)輪廓,通過基于概率的不確定性推理來獲得,輪廓特征信息可以提供推理機(jī)通過知識庫選取最佳的繡法和針法.編針模塊在編針模塊中,推理機(jī)制由淺、深和元推理機(jī)組成.其中,淺推理即基于實(shí)例的推理(case-basedreasoning,簡稱CBR),深推理即基于規(guī)則的不確定性推理.這兩個推理機(jī)能夠通過在實(shí)例庫、規(guī)則庫和針法庫中的知識以及畫稿輪廓特征進(jìn)行推理,從而確定最佳的針法和繡法以及走針序列.元推理則是在更高層次上的監(jiān)控機(jī)制,在淺推理和深推理中挑選出最合適的推理,控制及監(jiān)控二者的執(zhí)行過程,并且在必要時對參數(shù)進(jìn)行修改.針位優(yōu)化模塊該模塊可以對走針序列進(jìn)行編輯、轉(zhuǎn)換、修改和優(yōu)化,提高走針的質(zhì)量和效果,以便提高繡品的質(zhì)量.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可以將樣版數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合于國內(nèi)外各種型號的電腦刺繡機(jī)的針位數(shù)據(jù).知識庫系統(tǒng)包括:實(shí)例庫、繡法庫、針法庫和元規(guī)則庫這4個知識庫.其中,實(shí)例庫包含500多個刺繡實(shí)例,支持基于實(shí)例的淺推理;繡法和針法庫包含支持基于規(guī)則的深層不確定推理的刺繡規(guī)則.這3個庫又稱為域知識庫.元規(guī)則是關(guān)于域知識的規(guī)則,比如,如何選擇恰當(dāng)?shù)挠蛞?guī)則、如何選擇最好的推理策略等.另外,系統(tǒng)還具有解釋接口、動態(tài)數(shù)據(jù)庫以及其他支持模塊和接口.所有支持的構(gòu)件均可集成為一體,并協(xié)同工作,有效地完成系統(tǒng)功能.2動態(tài)編碼的互鏈?zhǔn)嚼C段設(shè)計圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個二維數(shù)組,數(shù)組的下標(biāo)與圖像的坐標(biāo)(X,Y)相對應(yīng),數(shù)組值與圖像色彩值相對應(yīng).輪廓的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個動態(tài)鏈表結(jié)構(gòu),由指針頭和若干動態(tài)生成的、互鏈的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成.指針頭紀(jì)錄一些綜合信息,而每一個數(shù)據(jù)項(xiàng)存放折線邊緣數(shù)據(jù)以及每個區(qū)域標(biāo)記的信息.在系統(tǒng)中,我們將繡品數(shù)據(jù)樣版組織成繡段的鏈表.一幅刺繡圖案可能由一個或多個繡段組成.每個繡段分別包含各自的編針信息,如參數(shù)、輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的動態(tài)數(shù)組、針位點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)組.在實(shí)現(xiàn)中,我們將繡段設(shè)計成對象的形式,每一個繡段自身根據(jù)輪廓和參數(shù)信息產(chǎn)生它的針位數(shù)據(jù).3智能化電腦刺繡編程實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)在Windows98環(huán)境下采用VisualC++2.0編程實(shí)現(xiàn)智能化電腦刺繡編程環(huán)境.其中主要有圖像處理算法、知識表示和推理策略、針位優(yōu)化算法以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法等實(shí)現(xiàn)方法和技巧.下面我們主要介紹圖像處理、知識表示和推理策略.因篇幅有限,其他部分的實(shí)現(xiàn)技術(shù)不再贅述.3.1邊緣提取及邊緣識別在圖像處理模塊中,我們設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種高效的映射算法,能夠快速而方便地完成圖像的聚類轉(zhuǎn)換;設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了對圖像中點(diǎn)、線、塊的若干個局部修改操作和噪聲消除與區(qū)域平滑兩個自動匹配操作,能夠很好地增強(qiáng)和復(fù)原圖像;采用了改進(jìn)的Laplacian算子進(jìn)行邊緣檢測;設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了邊緣匹配和區(qū)域填充這兩個快速有效的算法進(jìn)行邊緣提取;對提取出來的點(diǎn)陣形式的區(qū)域邊緣,利用離散點(diǎn)跟蹤的方法,同時引入當(dāng)前方向優(yōu)先法則和慣性法則這兩條啟發(fā)性規(guī)則進(jìn)行向量化處理,生成折線圖形形式的區(qū)域邊緣;設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了最小區(qū)域邊緣識別算法,使得在由若干區(qū)域的多條邊緣相交以及存在邊界公用的情況下,能夠正確地識別出每一個最小區(qū)域的完整的區(qū)域邊緣;設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于邊緣的區(qū)域標(biāo)記算法,描述各個區(qū)域之間的幾何關(guān)系以及區(qū)域的整體性質(zhì).通過上述處理,系統(tǒng)可以生成令人滿意的適合編針推理的輪廓圖形.為了支持編針推理,我們使用一種基于概率的不確定性推理機(jī)來獲得每一個目標(biāo)的關(guān)鍵特征,如形狀、位置、內(nèi)/外標(biāo)記以及關(guān)于整體設(shè)計的全部信息.對每一個被識別出的特征給出一個可信度因子(CF)進(jìn)行量度.這些特征和它們的可信度因子(CF)在編針中將被用來進(jìn)行規(guī)則推理.3.2知識表達(dá)系統(tǒng)中的知識包括針法知識、繡法知識、實(shí)例以及元知識等.為了適應(yīng)各種推理機(jī)制,我們采用了下面的知識表示方法.3.2.1embroinsonevoi系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ū硎緦?shí)例.每個實(shí)例,或稱為對象,由接口、數(shù)據(jù)和功能這3部分組成.接口是不同對象之間的交流機(jī)制;數(shù)據(jù)是關(guān)于對象的描述;功能則是對數(shù)據(jù)所做的操作.對象具有4種特性:封裝性、抽象性、繼承性和多樣性.在系統(tǒng)中,每個實(shí)例由一個對象表示.例如:ClassTflower∷publicTscene{PublicTflower();～Tflower();protectedEmbroInformationembro-info;TOutline*outline-array[MAX-OUTLINES];PublicUNIToutline-number;UNITline-number;UNITtape-number;UNITarea-number;ToperationPlan*pOperation;//CASESolution...voidshow-outline(void);voidshow-embro-plan(void);intedit-case(void);virtualvoidEmbroider(void);...}classTpeony∷publicTflower{publicTpeony();～Tpeony();privateOutcomeTypeoutcome;CaseStyleTypestyle;PublicTpeonyClass*next-peony;...voidEmbroider(void);...}所有的實(shí)例均存放在實(shí)例庫中.另外,系統(tǒng)還建立了一個索引類和一個快速實(shí)例索引,以便提高檢索(推理)效率.3.2.2針刺產(chǎn)生式和推理機(jī)制電腦刺繡編程系統(tǒng)中的主要知識是繡法和針法,所有的刺繡都是生產(chǎn)者通過繡法和針法加以組織的.其中繡法是指那些為獲得最滿意的刺繡效果而選擇最佳路徑和最合適的針法的知識.針法則表示了在一個最小單元上的走針序列.每個產(chǎn)生式規(guī)則均帶有可信度.推理機(jī)制利用知識庫中的產(chǎn)生式規(guī)則,根據(jù)圖形輪廓的形狀及幾何關(guān)系選擇所需要的針法和繡法.3.2.3推理機(jī)的選取元知識由問題解決策略和推理策略組成,也就是說,如何根據(jù)現(xiàn)有的對象特征選擇合適的推理機(jī)、如何選擇已有的規(guī)則、如何搜索(向前/向后/雙方向)以及推理參數(shù)失敗時如何改變參數(shù)等.3.3相似度驗(yàn)算該系統(tǒng)環(huán)境采用了正、反向混合推理策略以及基于實(shí)例的推理方法(CBR),并采用啟發(fā)式信息加速推理的過程.根據(jù)給定輪廓的幾何形狀和相互關(guān)系以及工藝經(jīng)驗(yàn)知識,選擇最佳針法和最佳繡法.對相應(yīng)輪廓進(jìn)行編針,實(shí)現(xiàn)了編針的自動化和智能化,使刺繡的效率和質(zhì)量得以極大地提高.下面所描述的是基于實(shí)例的推理方法和基于規(guī)則的推理方法的混合應(yīng)用.CBR推理機(jī)的主要工作是給出從實(shí)例庫中搜索的實(shí)例和現(xiàn)有問題之間的相似度.根據(jù)新的設(shè)計要求,從實(shí)例庫中檢索最佳的實(shí)例.假設(shè)實(shí)例集R={R1,...,Rm},實(shí)例的特征A={A1,...,An},權(quán)重用矩陣表示:W=∣∣∣∣∣∣W11W21...Wn1W12W22...Wn2............W1mW2m...Wnm∣∣∣∣∣∣A1A2...An.W=|W11W12...W1mW21W22...W2m............Wn1Wn2...Wnm|A1A2...An.R1R2...Rm再假設(shè)實(shí)例P1,P2的屬性分別為{a1i|i=1,...,n}和{a2i|i=2,...,n},那么相似度為S(P1,P2)=∑i=1nWij×(a1i,a2i),1≤j≤m.S(Ρ1,Ρ2)=∑i=1nWij×(a1i,a2i),1≤j≤m.我們得到相似測量數(shù)據(jù)后,通過“轉(zhuǎn)換分析”的過程從若干相似實(shí)例中獲取最佳方案,其步驟描述如下:Step1.new-solution=new(Toperation*);//創(chuàng)建一個新的解決方案Step2.TransAnalogy(0,new-solution);//對新方案轉(zhuǎn)換分析,以獲得最佳解決方案Step3.new-case.pOperation=new-solution;//確定獲得的解決方案為新實(shí)例的解決方案TherecursivefunctionTransAnalogy(0,new-solution)canfindthebestsolution:TransAnalogy(intk,TOperation*ptr){Toperation*old-ptr,*p;old-ptr=case-selected[k].pOperation;do{p=old-ptr++;checknode(*p),determinewhetheritcansolvethenewproblem;if(*pcan)add(*p)intothe(*ptr)queueelse{modify(*p);if(newsolutioncansolvethenewproblem)add(*p)intothe(*ptr)queueelseif(k+1<n-1)TransAnalogy(k+1,ptr);}}while(*ptrisnotthetarget&&old-ptr!=NULL)}當(dāng)CBR沒有匹配出合適的實(shí)例,即沒有解決當(dāng)前的問題時,將通過基于規(guī)則的不確定性推理尋找一個合適的解決方案.通過上述推理策略,系統(tǒng)可自動地根據(jù)輪廓進(jìn)行編針,選擇合適的針法和繡法,使針點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)的分布能夠滿足一定的工藝要求,保證直線的均衡性、一致性和表面的整潔性等.系統(tǒng)采用了平衡、最短距離匹配、最佳方向匹配、縮短針位、插入針位等一些來自技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和知識的技巧,提高了刺繡產(chǎn)品的視覺效果和質(zhì)量.4技術(shù)集成系統(tǒng)的優(yōu)勢目前市場上流行的電腦刺繡編程系統(tǒng)有日本的田島(TianDao)、百靈達(dá)(BaiLingDa)以及德國的ZSK等.這些系統(tǒng)功能單一、編針質(zhì)量差、原始圖樣的輸