计算智能作为一种现代搜索算法近年来不论从理论还是应用方面都得到了研究者们的极大关注。其中以进化计算、神经网络、群体智能等启发式搜索算法为典型算法。他们的共同特点都是模拟自然界中生物行为的特征来构造算法过程。例如群体动物的运动规律,生物进化的一般准则。以进化算法为例,该类算法都包括以下几个元素:以种群中的个体作为搜索主体,解空间为搜索环境,以适应能力作为评判个体的标准,以个体之间的相互作用为搜索动力。区别于传统的线性优化方法,这类方法可以对较为复杂且不容易得到数学模型的问题能够有效解决。该类方法普遍具有非线性、并行性、通用性等特点。计算智能的主要应用集中在函数优化,机器学习等领域。随着人们逐渐对该类算法的深入研究和广阔应用,以及该类算法的构造简单性,计算智能算法被应用到更多领域。基于智能计算的计算机辅助设计就是其中一个近年来的研究热点。由于设计问题就是在有限的空间内寻找符合需求的方案,因此计算智能方法尤其是进化算法可以很自然的解决设计问题的工具。从功能上分,基本可分为两种应用:第一种是工程优化问题。该类问题是通过智能算法对一个不管是从需求还是约束方面具备完整描述的工程性问题进行最优解搜索。这种问题的特征是一般具备明确和唯一的最优解及最优值,且适应值函数容易确定。这类问题的难点在于如何设计高效的算法处理大量复杂的数据。第二种是创造性设计问题。这类问题的特征是问题的描述多样性和最优值的主观性。它是利用计算智能算法协助人脑进行解空间的搜索。由于最优值并不确定,因此如何设计收敛标准是该类问题的难点。由于这个原因,研究人员提出了一种基于由人脑参与的对解的评判机制的交互进化算法。在交互式遗传算法中,由于种群之间的每个个体都需要人工进行评判,因此使得算法时间消耗极大,从而不适合处理大规模问题。在设计过程中,如何对实体表达也是一个开放性的问题。实体的表示方式有很多种,随着人们对数字化功能的依赖和发展,更多的更高层次的抽象表示方法得以发展。如基于手绘线条的建模,基于骨骼的建模,基于交互的快速建模等方法。本论文主要针对基于智能机算方法的概念设计展开研究。该研究的主要对象是可由实体的骨骼信息完全描述概念特征的设计对象,如中国传统的花纹装饰,龙的形状变化等等。该研究的目的是通过对骨骼的编码及适应值函数的构造,能够主观的控制骨骼的外观特征,而利用进化算法协助设计者找到既符合外观特征又具变化的设计方案。研究主要分为以下几个步骤:第一步,针对骨骼的特征对设计对象的骨骼进行编码,通过这种方法可以对一个设计对象的全局外观信息进行唯一的表示。第二步,编码骨骼数据为基因表示之后设计合适的适应值函数,利用遗传算法搜索设计空间并生产相应的最优解。第三步,对最优搜索空间进行聚类操作,从而进一步提高算法的方案生产效率。本文主要研究内容包括:1、提出一种面向设计的利用骨骼的角度和半径的对象表示方法。骨骼数据作为一种表示实体整体外观的工具经常被应用到三维动画、模式识别和快速建模领域,尤其是隐曲面为主的建模方法中骨骼是主要的外观信息表示载体。作为实体的一种高度概括的表示方法,以骨骼本身作为对象的设计方法并不常见。本文根据骨骼数据的特点,固定线段长度而只利用关节角度对骨骼进行完整的表示。该方法符合骨骼数据的本质特征且实现简单,容易获得关节点的位置信息,方便对关节进行角度范围限制。由于线段即半径的长度可控,骨骼的整体信息完全由关节角度表示,因此适合下一步的编码和形状的控制。2、利用对骨骼的编码对其应用进化算法从而自动生成大量的设计方案。为了能够产生符合要求的设计方案,可通过对适应值函数的设定控制骨骼的外观特征。根据骨骼的编码表示可从多个角度构造适应值函数。第一种方法是利用关节角度的约束,即构造解空间本身约束区间,从而进行骨骼特定关节点的角度控制,利用这种方法可以使产生的骨骼设计方案满足特定的关节角度要求从而达到一定的外观特征。第二种方法是对关节点的位置信息进行控制,使控制点之间距离满足一定的要求或者特定分布。通过设定宽松的进化条件,利用遗传算法对骨骼对象进行设计,可以得到多个最优解也称之为也行解,从而实现辅助设计的目的。实验证明该方法产生最优解的效率很高。3、利用对搜索空间的聚类划分,可进一步提高该方法的效率。由于该问题是一种多最优值问题,在搜索空间中对于满足同一个适应值函数的最优个体可有多个甚至无限个。因此,多次进行算法可产生相似的设计方案,对多个最优解进行划分和归类则可以进一步提高对算法效率。本论文采用解空间的聚类方法。通过对最优解数据集的无监督聚类操作,使算法能够产生有限个或者特定数目的最优解,而与之类似的方案则与其归为一类而不予显示。本文采用k-means聚类的方法,实验证明,该方法可有效的将设计方案归类从而提供更加灵活和有效的辅助设计方法。本研究的主要创新点归纳如下:1、提出一种面向设计的基于角度和半径的骨骼表示方法。通过该方法不仅可以对骨骼进行有效的表达,同时利用这种方法进行骨骼的编码适合进化计算的辅助概念设计。2、提出一种利用遗传算法对骨骼进行进化设计的方法。该方法不仅采用了改进的交互进化计算,同时提出几种可控制骨骼外观的约束方式。通过这种方法,设计系统可以帮助设计人员产生大量的符合要求的设计方案。3、对可行解集合进行聚类从而进一步提高算法的效率。通过对相似解的分析,利用k-means聚类算法对集合元素的数量进行削减,降低设计人员的操作时间,提高整体算法效率。