淺析三維建模的數(shù)據(jù)優(yōu)化

張 鵬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300000）

引言

三維數(shù)字模型能夠生動、直觀、準確的在計算機中描繪客觀實體。基于這些優(yōu)勢，在近些年提出的裝備全生命周期管理中，三維數(shù)字模型技術(shù)被廣泛應(yīng)用。從2006年開始，我們應(yīng)用達索公司的CATIA三維設(shè)計系統(tǒng)對公司旗下運營的部分FPSO等大型裝備完成了三維建模，以期待在未來的工程改造以及設(shè)備管理中發(fā)揮作用。直到幾年前在對公司所屬的某條FPSO的改造過程中，這些三維數(shù)據(jù)才真正發(fā)揮了作用。我們在已有三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成了新增透平發(fā)電機的管路和電纜托架的三維基本設(shè)計。但是在當時的建模過程中對模型的操作上卻給我們帶來了一些困擾。

1 三維模型加載的問題

每次將FPSO全船模型數(shù)據(jù)一次性載入時計算機都會發(fā)生異常終斷，之后導(dǎo)致CATIA環(huán)境被迫退出。即使分塊載入，也會隨著數(shù)據(jù)的逐漸增多對模型的拖放、旋轉(zhuǎn)等操作發(fā)生卡頓滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進一步操作。最初我們認為可能是由于CATIA與計算機操作系統(tǒng)本身在匹配上存在問題。于是在WINXP中文、WINXP英文、WIN2000 P、WIN2000 S等多個版本的操作系統(tǒng)下對比測試CATIA的運行狀況，發(fā)現(xiàn)異常終斷和卡頓滯后現(xiàn)象依然存在，并沒有顯著的差別。說明CATIA對于以上幾個版本的操作系統(tǒng)的適應(yīng)性基本相同，改變操作系統(tǒng)對于改善性能幾乎沒有提高。我們將突破方向轉(zhuǎn)移到了硬件系統(tǒng)上，專門配置了多處理器、雙顯卡級聯(lián)的高性能圖形工作站。此后操作CATIA模型較之前有了顯著提高，90%以上的數(shù)據(jù)可以被調(diào)用并顯示，而不至于像從前那樣導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，可以說有了一個質(zhì)的突破。但是隨著數(shù)據(jù)的增加任何高性能的硬件設(shè)備最終都會存在一個極限，性能的提高是以付出高昂的硬件成本為代價的。即使不考慮成本因素由于硬件設(shè)備從研發(fā)到產(chǎn)品化再到產(chǎn)品銷售存在一個較長周期相對于數(shù)據(jù)的增長總是存在滯后，對于解決問題始終是一種被動手段。

2 三維模型構(gòu)建原理

那么到底在哪些方面還需改進呢？在翻閱一些資料以及和相關(guān)技術(shù)從業(yè)人員交流后得到了一點啟發(fā)。既然問題出自數(shù)據(jù)，還是要回到數(shù)據(jù)的本源上。說到這里要先介紹一下三維模型的成像原理。計算機在處理三維模型中是以三角形作為基本元素，由三角形構(gòu)成不同的多邊形，再由多邊形構(gòu)成三維實體，同時還要處理空間縱深關(guān)系、紋理貼圖、光影變化等一系列復(fù)雜過程。如果構(gòu)成一個三維模型的三角形數(shù)目越多，那么模型的外觀就越細膩、真實。計算機的顯卡有一個關(guān)鍵的性能指標“生成三角形數(shù)/秒”，它是計算機顯卡創(chuàng)建三角形面片能力的反應(yīng)。一個基本的立方體僅由12個三角形構(gòu)成，一個光滑的球體理論上由無窮個三角形來構(gòu)成。計算機在處理復(fù)雜的由幾千萬甚至更多的三角形構(gòu)成的結(jié)構(gòu)時負荷會大大加重。理論上只要給計算機足夠的計算時間最終都會生成模型，但實際中由于顯存帶寬、空間的限制，計算機還沒等到生成全部數(shù)據(jù)就已經(jīng)發(fā)生內(nèi)存溢出，最終導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

3 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化分析

從這里我們可以看出只要減少構(gòu)成模型的三角形數(shù)就可以有效地降低計算機的處理負荷。以一臺透平的空氣啟動裝置（圖A）為例，原始數(shù)據(jù)模型由1962006個三角形構(gòu)成，這個數(shù)字對于單個設(shè)備來說已經(jīng)相當大了，然后使用CATIA系統(tǒng)中的DMU優(yōu)化器將精度減小到原來的百分之一，我們會發(fā)現(xiàn)構(gòu)成的三角形數(shù)減少到10975個。假設(shè)計算機每秒能夠創(chuàng)建1億個三角形，運用簡單的除法可以看出精簡后的模型在生成速度上大大提高。不過對比前后兩個模型的外觀會發(fā)現(xiàn)有明顯的差別，精簡后的模型變得更粗糙，甚至有些部位發(fā)生變形。看來模型優(yōu)化有一個度的限制，減少構(gòu)成三角形數(shù)量的同時還要保證建模效果在一個可接受的范圍內(nèi)。

圖1

4 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化技巧

從前我們在建模過程中都是追求近似逼真的程度，并沒有考慮過三維圖形的結(jié)構(gòu)特點和數(shù)據(jù)的實用性。我們的FPSO模型是由7800多萬個三角形構(gòu)成的，常規(guī)計算機根本無法完成一次性生成。根據(jù)測試經(jīng)驗構(gòu)成三角形數(shù)在500萬個以下的三維模行才能在常規(guī)計算機下流暢操作，可想我們的數(shù)據(jù)遠遠超過了這個限制。像絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圓弧結(jié)構(gòu)這樣不起眼的模型會占據(jù)大量的處理時間。對于像FPSO這樣一個龐大的三維模型的集合體我們應(yīng)針對每一個基本的幾何模型進行分析，做到有主有次。什么是工程中需要精確數(shù)據(jù)的，什么是只需展示視覺效果的。例如一個成撬設(shè)備，外形長寬高、管線接口都是工程改造中要求精確定位的數(shù)據(jù)，必須進行實體建模。那么撬內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以在簡單的立方體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用紋理貼圖的方式去表現(xiàn)。這樣可以大大降低構(gòu)成三角形的數(shù)量。管路改造也是工程中會常遇到的，那么對管線的建模就需要進行實體建模，至于管件我們可以應(yīng)用符合現(xiàn)場外形尺寸的通用簡易管件代替，像閥門手輪、閥體之類的會占據(jù)大量三角形的結(jié)構(gòu)無需細致刻畫。

結(jié)語

CATIA是法國達索公司開發(fā)的一款三維設(shè)計系統(tǒng)，在設(shè)計過程中可以直接以模型為核心，通過復(fù)雜的建模技術(shù)創(chuàng)建復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，用三維模型真實反映產(chǎn)品的外形，最終產(chǎn)生精確的零部件加工信息，擁有強大的機械設(shè)計能力，主要應(yīng)用于精細化的產(chǎn)品設(shè)計，側(cè)重于航空航天、汽車制造、加工裝配、消費產(chǎn)品等行業(yè)。然而我們在實際的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)將CATIA應(yīng)用于造船、石化、電力行業(yè)的案例甚少。事實上我們的FPSO三維模型更符合三維工廠系統(tǒng)的概念。我們對三維模型的需求是面向線性系統(tǒng)、流程系統(tǒng)、側(cè)重于整體的系統(tǒng)，比如工藝配管、電氣橋架路由、設(shè)備布置等，通過三維模型反應(yīng)的空間布局、路由走向、設(shè)備數(shù)量等信息產(chǎn)生一系列設(shè)計文檔。三維工廠系統(tǒng)并不關(guān)心模型的精細化和逼真程度，哪怕是簡單的線條和方塊也可以滿足所需的設(shè)計信息。可以看出，無論選取什么樣的三維建模系統(tǒng)都需要明確三維模型的應(yīng)用目標，做到有取有舍，突出表現(xiàn)有應(yīng)用價值的數(shù)據(jù)，忽略應(yīng)用程度不高的數(shù)據(jù)。從建模之初加以控制，根據(jù)模型的幾何特點有針對性的改善建模手法才是解決問題的最終手段。在此希望這點滴經(jīng)驗?zāi)軌蚪o相關(guān)技術(shù)人員帶來些啟發(fā)。