一种面向船舶制造的标注智能避让布局方法及系统与流程

本发明涉及船舶制造数字化设计与计算机辅助设计，具体涉及一种面向船舶工程图纸中多类型工程标注的智能避让布局技术。

背景技术：

1、在船舶制造的数字化设计全流程中，三维建模软件生成的二维工程图纸是车间制造与现场安装的核心依据，其包含的工程标注信息至关重要。

2、然而，典型的船舶工程图纸往往信息密度极高，单张图纸可能包含数百个件号气泡标注及数百条线性尺寸标注，标注总量常达上千个，如何在有限的图纸空间内实现这些标注的合理布局，避免标注之间以及标注与船体结构图形发生重叠，是保证图纸可读性、提升制造环节识图效率及施工准确性的关键。

3、因此，实现工程图纸标注的高效自动化避让布局，已成为船舶制造数字化设计领域亟待攻克的重要课题。

4、现有技术中，船舶设计软件中的标注布局主要依赖设计人员手动调整，设计人员需逐一拖拽标注至合适位置并反复试探，但由于标注间的空间重叠关系呈现高度耦合特征，移动一个标注消除一处重叠往往会引发与相邻对象的新冲突，这种作业方式不仅效率低下，且最终布局质量严重依赖设计人员的个人经验，缺乏客观的最优性保证。

5、尽管部分传统cad软件内置了避让算法，但在处理此类大规模标注时仍存在显著的技术瓶颈，具体表现在以下几个方面：

6、1.传统算法通常采用逐对遍历检测策略来判断标注间的重叠关系，在处理数百个标注时系统已显吃力，当标注数量达到上千个量级时，巨大的计算耗时使得实时交互设计变得不可行。

7、2.部分软件采用的简单单向偏移策略在密集标注区域效果较差，常陷入前移解决一处重叠、后移又造成新重叠的死循环；此外，该策略未充分考量尺寸标注与气泡标注在空间约束上的本质差异，也忽略了引线角度的合理性，导致最终布局质量低下。

8、3.现有公开方法多采用贪心策略，即按照特定顺序依次放置标注，这种先占先得的机制导致后放置的标注只能在剩余空间中寻找位置，往往被迫选择引线过长或角度偏差较大的次优解，整体布局质量远非全局最优。

9、4.现有方法普遍采用固定的避让参数，无法根据不同工艺阶段的需求进行动态调整，缺乏灵活的场景自适应配置能力。

10、综上所述，现有船舶工程图纸标注布局技术在计算效率、布局质量及场景适应性等方面均存在明显不足，尤其是面对高密度、多类型标注共存的大规模场景时，现有技术缺乏一套能够实时响应、全局优化且具备场景自适应能力的自动化避让解决方案。

11、因此，本领域亟需进一步研究改进，以提供一种高效、智能的标注布局方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的标注布局效率低下、布局质量不佳以及缺乏场景自适应能力等问题，本发明提供一种面向船舶制造的标注智能避让布局方法及系统，通过融合空间索引加速、多类型标注差异化处理与场景自适应参数配置等技术手段，实现船舶工程图纸中高密度、多类型工程标注的高效自动化避让布局。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种面向船舶制造的标注智能避让布局方法，包括以下步骤：获取三维场景中的待标注对象及投影参数，将待标注对象投影至二维图纸空间，生成若干标注对象及对应的模型实体对象；加载与当前工艺阶段匹配的场景配置参数；构建标注对象及模型实体对象在二维图纸空间中的空间索引；根据场景配置参数，分别对各类型的标注对象进行避让位置搜索，将各标注对象从初始位置移动至目标放置位置，使各标注对象在二维图纸空间中的重叠率满足预设条件；输出避让处理后的二维工程图纸。

3、在以上方法中，空间索引为基于包围盒的层次化空间索引结构，在避让位置搜索过程中，通过查询该空间索引获取与候选放置位置存在空间交集的已放置对象，从而避免对全部已放置对象的逐一遍历检测。

4、具体实现时，空间索引的每个节点维护一个包围所有子节点的有向包围盒，插入操作采用最小扩展成本策略选择最优叶子节点，对于候选插入的子节点child，将其与当前待插入包围盒bounds合并后的扩展成本按照下式计算：

5、expandcost(child,bounds)=area(union(child.bounds,bounds))-area(child.bounds)

6、其中，union操作为计算两个有向包围盒的合并包围盒，area操作为计算有向包围盒的面积，每次插入时，选择扩展成本最小的子节点路径进行递归下降，直至到达叶子节点插入数据项，当节点容量超过阈值时，按中心坐标排序后以中位数位置将节点二分拆分为两个子节点。

7、查询操作从根节点开始递归遍历，对于候选标注区域candidate，碰撞检测查询通过下式执行：

8、collisioncheck(candidate,rtree)={items|item.bounds∩candidate.bounds≠∅,item∈rtree.query(candidate.bounds)}

9、其中，query操作仅访问空间索引中包围盒与候选区域存在空间交集的节点，仅当节点包围盒与查询区域相交时才进入子节点搜索，以此大幅减少不必要的碰撞检测计算量。

10、在以上方法中，对于线性尺寸标注类型的标注对象，其避让位置搜索按照分组、分层和逐层协同偏移的流程进行；首先，将共享附着点且尺寸线方向满足平行条件的线性尺寸标注归入同一分组；然后，将同一分组内的线性尺寸标注按尺寸线至附着点的距离划分为若干层级；最后，从最内层级开始逐层确定偏移方向及偏移量，外层跟随内层的偏移方向，这种分层分组协同处理方式确保了同一分组内各尺寸标注的偏移一致性，避免了个别标注独立偏移导致的视觉混乱。

11、具体而言，线性尺寸标注的分层处理过程包括：计算同一分组内各线性尺寸标注的尺寸线至附着点的垂直距离，将垂直距离差值小于预设阈值的线性尺寸标注归入同一层级，对同一层级内存在文字重叠的线性尺寸标注按标注长度排序后将重叠项迁移至相邻层级。

12、逐层确定偏移方向及偏移量时，对当前层级分别沿尺寸线法线的正方向和负方向遍历各预设偏移量，计算各偏移方案下的碰撞扣分总和，选择扣分总和最低的偏移方向及偏移量作为当前层级的偏移方案，外层级采用与最内层级相同的偏移方向并独立确定偏移量。

13、在以上方法中，对于气泡标注类型的标注对象，其避让位置搜索按照聚类、辐射发散和位置搜索的流程进行；首先，对各气泡标注的引线附着点进行聚类，形成若干标注簇；然后，对各标注簇内的气泡标注沿从簇中心指向各引线附着点的辐射方向进行发散分布；最后，对各标注簇内的气泡标注进行位置搜索，确定各气泡标注的引线角度及标签偏移量，通过聚类将全局问题分解为局部子问题，再通过辐射发散为后续的位置搜索创建合理的初始分布状态。

14、具体而言，气泡标注的聚类过程采用概率分布选取初始聚类中心并执行聚类迭代，从初始聚类数开始判断各标注簇的最大半径是否超过预设距离阈值，将最大半径超过预设距离阈值的标注簇拆分为两个子簇并重新聚类，直至所有标注簇的最大半径均不超过预设距离阈值或达到最大聚类数。

15、对于各标注簇内气泡标注的位置搜索，当标注簇内的气泡标注数量处于预设规模区间时，对各气泡标注依次遍历备选位置进行路径扩展，每步保留评分最高的若干条路径，最终选择总评分最高的路径方案作为该标注簇的布局结果。

16、在以上方法中，在避让位置搜索过程中计算候选放置位置的评分时，查询空间索引获取与候选放置位置存在空间交集的碰撞对象，根据碰撞对象的类型确定对应的扣分权重并累计各碰撞对象的扣分值，根据候选放置位置对应的引线角度偏离量和引线回折状态确定角度扣分值，以初始分值减去累计的碰撞扣分值及角度扣分值作为候选放置位置的最终评分。

17、具体地，对于第i个备选放置位置，其评分按照下式计算：

18、score(position)=initscore-iteratorpenalty×iteration-σdeductpointbycollisiontype(annotype,collisiontype)-anglepenaltyratio×|angle-optimalangle|-unsuitableangle×isacutefold(leader,rect)

19、其中，initscore为初始满分值，iteratorpenalty为每轮迭代的扣分值，iteration为当前迭代轮次，鼓励在较小偏移量下找到可行位置；deductpointbycollisiontype为根据标注类型和碰撞类型查找预定义扣分权重的函数，碰撞类型涵盖标注文字与标注文字碰撞、标注文字与模型实体碰撞、引线与引线碰撞等多种情形；anglepenaltyratio为引线角度偏离惩罚系数，angle为当前备选位置对应的引线角度，optimalangle为预设最佳引线角度；unsuitableangle为引线回折惩罚系数，isacutefold为判断引线与标签框之间是否发生回折的布尔函数。

20、评分过程中，标注文字与标注文字的碰撞、标注文字与模型实体的碰撞、引线角度偏离最佳方向等情形均被赋予不同的扣分权重，从而实现对布局质量的多维度量化评估，当某备选位置的得分高于容许可放置阈值时，立即接受该位置而无需继续搜索更多备选方案；若所有备选方案均未达到阈值，则选择得分最高的方案作为次优解。

21、在以上方法中，场景配置参数至少包括以下之一：视觉参数、搜索步长参数、最大迭代次数参数、各类碰撞的扣分权重参数、评分阈值参数，不同工艺阶段对应的场景配置参数中，扣分权重参数和最大迭代次数参数存在差异，从而使得同一算法框架能够灵活适应不同船舶制造阶段的差异化工艺需求。

22、本发明还提供了一种面向船舶制造的标注智能避让布局系统，包括投影变换模块、场景配置模块、空间索引模块、避让处理模块和输出模块。

23、投影变换模块用于获取三维场景中的待标注对象及投影参数，将待标注对象投影至二维图纸空间，生成若干标注对象及对应的模型实体对象。

24、场景配置模块用于加载与当前工艺阶段匹配的场景配置参数。

25、空间索引模块用于构建标注对象及模型实体对象在二维图纸空间中的空间索引。

26、避让处理模块用于根据场景配置参数分别对各类型的标注对象进行避让位置搜索，将各标注对象从初始位置移动至目标放置位置，使各标注对象在二维图纸空间中的重叠率满足预设条件。

27、输出模块用于输出避让处理后的二维工程图纸。

28、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

29、1.传统逐对碰撞检测方法的计算复杂度为o(n²)，当标注数量达到数百甚至上千个时计算耗时急剧增加，而本发明通过构建基于包围盒的层次化空间索引结构，将单次碰撞检测的复杂度从o(n)降低至o(mlogn)，其中m为实际与查询区域相交的对象数量，通常远小于n，在典型船舶工程图纸场景中，碰撞检测次数可缩减90%以上，使得大规模标注的实时避让布局成为可能。

30、2.现有简单偏移策略和贪心策略在面对密集标注区域时往往陷入局部最优，导致引线过长、角度偏差过大甚至标注之间持续重叠，而本发明通过多类型分层惩罚评分体系对布局质量进行精细化量化评估，通过线性尺寸标注的分层分组协同偏移保证同组标注的视觉一致性，通过气泡标注的聚类、辐射发散与分支搜索相结合的策略在中小规模簇中实现近似全局最优布局。

31、3.现有技术采用固定避让参数，无法根据船舶制造不同工艺阶段的要求进行灵活调整，而本发明通过三级可配置参数体系，针对不同工艺阶段预置差异化的参数组合，在大规模场景中适当降低迭代次数以优先保证计算效率，在小规模场景中提高迭代次数和惩罚权重以追求更优布局质量，使得同一算法框架能够灵活适配管子安装、小票制作、管支架制作、铁舾件安装、电气舾装件安装等多种工艺场景，避免了为每个场景开发独立算法的高昂成本。

32、4.传统船舶设计流程中，设计师需要花费数小时手动调整标注位置以避免重叠，而本发明将这一过程完全自动化，用户仅需触发一次避让操作即可在数十秒内完成全部标注的智能布局优化，大幅减少了人工干预时间，降低了设计人员的工作负担，同时保证了布局结果的客观性和一致性。

33、综上所述，本发明有效克服了现有技术在计算效率、布局质量和场景适应性等方面的不足，为船舶制造领域工程图纸标注的智能避让布局提供了一种高效、可靠、可配置的完整解决方案。