趙慶

摘要：本文提出一種能快速顯示、瀏覽產(chǎn)品三維模型輕量化文件格式，文件中包含零件顯示信息和幾何信息。主要是將三維軟件設(shè)計(jì)的數(shù)模通過(guò)非幾何信息過(guò)濾，曲面曲線簡(jiǎn)化，數(shù)據(jù)重構(gòu)，編碼壓縮等一系列步驟將其輕量化，之后對(duì)輕量化的3DXML文件進(jìn)行編碼，使之進(jìn)行自動(dòng)重構(gòu)，最后通過(guò)Dassault Systemes中的3DXML Player瀏覽器顯示出來(lái)。因此，文件大小通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮大幅度地減小，便于在網(wǎng)上發(fā)布。

關(guān)鍵詞：三維，工藝模型，輕量化，顯示

0 前言

隨著科技發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程CAE技術(shù)的應(yīng)用，三維CAD正逐漸取代二維CAD而成為主流設(shè)計(jì)工具。三維建模、分析、仿真、優(yōu)化等過(guò)程產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)間較長(zhǎng)、可靠性較差、保密性較差。各個(gè)企業(yè)所用的三維 CAD系統(tǒng)有所不同，從而交流不便，效率低下。因此，產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型輕量化技術(shù)已經(jīng)引起許多專家及相關(guān)的軟件供應(yīng)商的重視。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文分析介紹當(dāng)前三維數(shù)據(jù)模型信息交換中存在的問(wèn)題，簡(jiǎn)述三維模型輕量化技術(shù)，并對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論，最后實(shí)例演示。

1 當(dāng)前三維數(shù)據(jù)模型信息交換中存在的問(wèn)題

目前三維數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)交換主要有直接三維模型數(shù)據(jù)交換、中性幾何文件格式數(shù)據(jù)交換和中性顯示模型數(shù)據(jù)交換這三種。

直接三維模型數(shù)據(jù)交換的交換原則：它要求數(shù)據(jù)接收方使用相同的3維CAD系統(tǒng)或使用第三方瀏覽器（如AutoVue、3Dview、Spinfire等），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型瀏覽。優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有數(shù)據(jù)損失。缺點(diǎn)：安全保密性差、顯示速度慢，網(wǎng)絡(luò)上傳輸困難。

中性幾何文件格式數(shù)據(jù)交換的交換原則：利用IGES、STEP、ACIS和Parasolid等中性文件格式作為數(shù)據(jù)交換的媒介。優(yōu)點(diǎn)：保留了精確描述零件形狀的三維幾何和拓?fù)湫畔ⅲ蓪?shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。缺點(diǎn)：打開(kāi)文件需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間;數(shù)據(jù)交換方式不夠穩(wěn)定;存在數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題。

中性顯示模型數(shù)據(jù)交換的原則：采用三角面片來(lái)近似表示零件的幾何形狀是一種非精確的產(chǎn)品模型表示方式。優(yōu)點(diǎn)：可快速瀏覽三維模型。缺點(diǎn)：沒(méi)有幾何信息;文件中沒(méi)有零件幾何表面的概念;沒(méi)有裝配零件結(jié)構(gòu)關(guān)系;文件沒(méi)有壓縮，數(shù)據(jù)量大。

因此，我們提出一種新的三維模型輕量化解決方法，用于實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)模型的快速瀏覽，從而解決的如下一些問(wèn)題：

1）能夠?qū)⑷S模型的裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系和零件的幾何拓?fù)湫畔⒈憩F(xiàn)出來(lái)，并能支持對(duì)零件表面屬性修改;

2）包含模型顯示數(shù)據(jù)與幾何數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)快速瀏覽零件;

3）消除裝配體中的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，并對(duì)模型件進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，以盡可能小的文件表示零件模型，方便在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交流;

4）支持在輕量化模型上實(shí)現(xiàn)三維裝配，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可視化配置功能。

2 三維模型輕量化技術(shù)

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)，表達(dá)產(chǎn)品信息的核心媒介——三維模型，要在網(wǎng)絡(luò)上快速發(fā)布和傳遞，就需要對(duì)產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使數(shù)據(jù)交換文件變得更小，同時(shí)保留幾何模型信息，因而采用輕量化的文件來(lái)表達(dá)和顯示結(jié)果。

3 輕量化模型顯示

輕量化模型的可視化顯示是從總產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開(kāi)始，以得到該模型中所有的零件的輕量化模型和子裝配，輕量化模型的顯示與產(chǎn)品的裝配過(guò)程比較類似。根據(jù)配合關(guān)系兩兩裝配，并顯示相關(guān)的對(duì)象（可以是兩個(gè)零件、一個(gè)零件與一個(gè)子裝配、兩個(gè)子裝配），從而形成新的子裝配，再將新生成的子裝配與其他零件或子裝配再進(jìn)行裝配顯示，依次進(jìn)行。最后的總裝配顯示將是由一系列的子裝配和零件節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二叉樹(shù)，其中，葉子節(jié)點(diǎn)是零件，非葉子節(jié)點(diǎn)是子裝配。

4 輕量化模型的瀏覽

在生成輕量化模型文件時(shí)，首先從三維系統(tǒng)中讀取幾何和拓?fù)湫畔?，并進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分;然后將模型中的顯示、幾何數(shù)據(jù)利用輕量化文件存儲(chǔ)接口保存為輕量化文件。輕量化數(shù)據(jù)模型文件生成后，要瀏覽輕量化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，需要為不同的三維CAD軟件提供輕量化文件的生成接口，產(chǎn)品數(shù)據(jù)瀏覽方式，首先從三維CAD系統(tǒng)生成輕量化文件，然后用輕量化文件專用瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽。

5 應(yīng)用實(shí)例

三維數(shù)據(jù)模型建立后，利用三維CAD軟件的輕量化文件生成接口，包括SolidWorks、SolidEdge、Pro/E、CATIA、UG和Inventor這6大CAD系統(tǒng)，得到輕量化3DXML文件后，達(dá)索軟件基本都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，所以利用達(dá)索的3DXML player三維瀏覽器進(jìn)行瀏覽（如圖1）。CATIA輕量化文件生成接口及三維瀏覽器已在國(guó)內(nèi)大型航空制造企業(yè)投入使用，并實(shí)現(xiàn)了與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM的完全集成。

圖1所示為某民機(jī)貨艙門的裝配模型，是從CATIA V5R18中生成的輕量化模型，對(duì)數(shù)模三角化，其中邊離散和面離散精度與模型大小有關(guān)，精度越高，模型的文件越大。該零件共有48個(gè)零件，在3DXML Player瀏覽器中打開(kāi)需要5s，在CATIA中打開(kāi)需要40s。CATIA模型文件74MB，SAT文件160MB，VRML文件16MB，而3DXML文件僅4MB，對(duì)比該產(chǎn)品生成的輕量化文件與其他文件格式的大小，可以得出，輕量化文件大小平均約為源文件的1/20。

由于設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)的數(shù)模，在裝配過(guò)程中的順序與制造部門所采用的裝配順序產(chǎn)生分歧，為了提高制造企業(yè)的生產(chǎn)效率，對(duì)設(shè)計(jì)好的三維輕量化模型文件進(jìn)行編碼，使其進(jìn)行自動(dòng)重構(gòu)，從而改變產(chǎn)品的裝配順序，提高了效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王啟富等，協(xié)同產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的產(chǎn)品模型輕量化技術(shù)[J]， 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006.1

[2]劉云華等，產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型輕量化表示實(shí)現(xiàn)[J]，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006.4

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