輕量化顯示三維工藝模型技術

趙慶

摘要：本文提出一種能快速顯示、瀏覽產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計的數模通過非幾何信息過濾，曲面曲線簡化，數據重構，編碼壓縮等一系列步驟將其輕量化，之后對輕量化的3DXML文件進行編碼，使之進行自動重構，最后通過Dassault Systemes中的3DXML Player瀏覽器顯示出來。因此，文件大小通過數據壓縮大幅度地減小，便于在網上發布。

關鍵詞：三維，工藝模型，輕量化，顯示

0 前言

隨著科技發展，通過計算機輔助工程CAE技術的應用，三維CAD正逐漸取代二維CAD而成為主流設計工具。三維建模、分析、仿真、優化等過程產生大量的數據，而這些數據在網絡上傳輸時間較長、可靠性較差、保密性較差。各個企業所用的三維 CAD系統有所不同，從而交流不便，效率低下。因此，產品數據模型輕量化技術已經引起許多專家及相關的軟件供應商的重視。

針對這些問題，本文分析介紹當前三維數據模型信息交換中存在的問題，簡述三維模型輕量化技術，并對部分關鍵技術進行討論，最后實例演示。

1 當前三維數據模型信息交換中存在的問題

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

直接三維模型數據交換的交換原則：它要求數據接收方使用相同的3維CAD系統或使用第三方瀏覽器（如AutoVue、3Dview、Spinfire等），實現產品模型瀏覽。優點：沒有數據損失。缺點：安全保密性差、顯示速度慢，網絡上傳輸困難。

中性幾何文件格式數據交換的交換原則：利用IGES、STEP、ACIS和Parasolid等中性文件格式作為數據交換的媒介。優點：保留了精確描述零件形狀的三維幾何和拓撲信息，可實現異構CAD系統間的數據交換。缺點：打開文件需要相當長的時間;數據交換方式不夠穩定;存在數據冗余問題。

中性顯示模型數據交換的原則：采用三角面片來近似表示零件的幾何形狀是一種非精確的產品模型表示方式。優點：可快速瀏覽三維模型。缺點：沒有幾何信息;文件中沒有零件幾何表面的概念;沒有裝配零件結構關系;文件沒有壓縮，數據量大。

因此，我們提出一種新的三維模型輕量化解決方法，用于實現三維數據模型的快速瀏覽，從而解決的如下一些問題：

1）能夠將三維模型的裝配結構關系和零件的幾何拓撲信息表現出來，并能支持對零件表面屬性修改;

2）包含模型顯示數據與幾何數據，可實現快速瀏覽零件;

3）消除裝配體中的數據冗余問題，并對模型件進行數據壓縮，以盡可能小的文件表示零件模型，方便在網絡上進行數據交流;

4）支持在輕量化模型上實現三維裝配，并在此基礎上實現產品的可視化配置功能。

2 三維模型輕量化技術

根據當前的技術，表達產品信息的核心媒介——三維模型，要在網絡上快速發布和傳遞，就需要對產品三維數據模型進行簡化，使數據交換文件變得更小，同時保留幾何模型信息，因而采用輕量化的文件來表達和顯示結果。

3 輕量化模型顯示

輕量化模型的可視化顯示是從總產品結構開始，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品的裝配過程比較類似。根據配合關系兩兩裝配，并顯示相關的對象（可以是兩個零件、一個零件與一個子裝配、兩個子裝配），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行裝配顯示，依次進行。最后的總裝配顯示將是由一系列的子裝配和零件節點構成的二叉樹，其中，葉子節點是零件，非葉子節點是子裝配。

4 輕量化模型的瀏覽

在生成輕量化模型文件時，首先從三維系統中讀取幾何和拓撲信息，并進行三角網格劃分;然后將模型中的顯示、幾何數據利用輕量化文件存儲接口保存為輕量化文件。輕量化數據模型文件生成后，要瀏覽輕量化產品數據，需要為不同的三維CAD軟件提供輕量化文件的生成接口，產品數據瀏覽方式，首先從三維CAD系統生成輕量化文件，然后用輕量化文件專用瀏覽器進行數據瀏覽。

5 應用實例

三維數據模型建立后，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，得到輕量化3DXML文件后，達索軟件基本都可以實現無縫集成，所以利用達索的3DXML player三維瀏覽器進行瀏覽（如圖1）。CATIA輕量化文件生成接口及三維瀏覽器已在國內大型航空制造企業投入使用，并實現了與產品數據管理系統PDM的完全集成。

圖1所示為某民機貨艙門的裝配模型，是從CATIA V5R18中生成的輕量化模型，對數模三角化，其中邊離散和面離散精度與模型大小有關，精度越高，模型的文件越大。該零件共有48個零件，在3DXML Player瀏覽器中打開需要5s，在CATIA中打開需要40s。CATIA模型文件74MB，SAT文件160MB，VRML文件16MB，而3DXML文件僅4MB，對比該產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。

由于設計部門設計的數模，在裝配過程中的順序與制造部門所采用的裝配順序產生分歧，為了提高制造企業的生產效率，對設計好的三維輕量化模型文件進行編碼，使其進行自動重構，從而改變產品的裝配順序，提高了效率。

參考文獻：

[1]王啟富等，協同產品開發中的產品模型輕量化技術[J]， 計算機輔助設計與圖形學學報，2006.1

[2]劉云華等，產品三維數據模型輕量化表示實現[J]，計算機輔助設計與圖形學學報，2006.4

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