基于轻量化模型的三维装配动画研究
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基于轻量化模型的三维装配动画研究
华中科技大学 硕士学位论文 基于轻量化型的三维装配动画研究 姓名：赵伟 申请学位级别：硕士 专业：数字化设计及制造 指导教师：朱林;刘云华 20061027
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
CAD 技术从上世纪 50 年代出现以来， 得到了迅速的发展和广泛的应用， 并从绘 图发展到三维造型，目前已经成为各个设计行业中不可或缺的辅助工具。传统的产 品设计通常采用平面图形表示机械零件及其装配关系，设计结果是机械模型在某一 位置的静态平面图形。这种方法难以反映机械模型在运行过程中各零件的运动状态 及其相对位置关系，无法直观地判断运动是否合理，各零件之间是否存在干涉等。 随着 CAD 技术的发展，三维造型及计算机动画技术逐步得到应用，这些技术生成产 品的三维实体动画和运动仿真动画，可有效地解决上述问题 本文首先对计算机动画发展进行了概述，针对目前主流的三维造型软件在产品 模型数据浏览中存在的问题，特别是若模型仅用于显示，当前的三维模型中存在大 量的冗余信息，采用了一种集三维显示模型和几何模型为一体的轻量化文件解决方 案，既可实现对模型的快速浏览，又可实现对几何模型信息进行精确查询。轻量化 模型通过数据压缩和删减大幅度减少文件大小，可方便三维产品数据在网上进行数 据发布和交流，并且给出了实现产品三维数据浏览整体解决方案，并以此理论为基 础实现了三维产品数据浏览系统和从当前流行的三维设计平台中生成轻量化文件的 接口。 本文的另一重点在于利用产品轻量化模型实现三维模型装配动画，动画实现主 要采用关键帧动画思想，本文还对产品自动装配动画相关的关键技术进行了讨论， 在分析现有的序列规划方案后采用交互式规划方法进行序列规划，在装配路径规划 方面提出了基于A*搜索算法的动态步长扩展算法，减少了扩展次数，提高了算法效 率。并对整个装配过程用关键帧动画进行动态显示，在系统实现里面给出了一个车 架模型的装配动画工程实例，并对几种路径规划的算法进行了比较。 最后部分对全文工作进行了总结，根据自己在研究中碰到的问题，对未来的工 作进行了展望。 关键词：轻量化模型，自动装配，路径规划，关键帧，A*算法
[1-2]
。
三维计算机动画(3D computer animation) 利用计算机生成模拟三维空间中场 景及各种形体随时间而演变的一系列可供实时演播画面的技术。 它是计算机动画的 一个主要分支。在这里，三维形体的模型由计算机构造，并通过对模型、虚拟摄像 机、虚拟光源运动的控制描述，由计算机自动产生一系列具有真实感的连续动态图 象，故亦称为模型动画。 在三维计算机动画中，三维场景由三种类型的实体组成: 形体、摄像机、光源。每种实体都有一些特征，这些特征可按照一定的规律随时间 而演变。 使用这些特征可模拟形体的运动、变化等。例如，对形体而言，其特征有 位置(位置随时间的改变可模拟形体的运动)，方位(用方位的变化模拟机器人手臂的 运动等)，大小(大小的变化可模拟植物生长的演变等)，形状(用形状的变化模拟云 彩的变化，心脏的运动，柔体的运动和变形等)，颜色(模拟火焰、日出等)，透明度 (模拟雾的效果等)等等;对于摄像机，其特征有观察位置，观察距离和观察角等;对 光源，其特征有光颜色，光源位置等。 三维计算机动画技术包含三项主要工作:① 形体造型;②运动的控制描述以及运动的同步处理;③动画的图像绘制。此外，一个 三维计算机动画系统还应包括动画的输出，图像的编辑和处理工具，系统的界面设
保密□，在 本论文属于 不保密□。
年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1
1.1 计算机动画概述
绪
论
计算机动画最初的产生及发展与传统动画制作有着密切的联系，在1963年由 Bell实验室的E.Zajac制作的“Two一Gyro Gravity Grandient Attitude Control yaten”被认为是第一部采用计算机制作的动画片，但实际上六十年代至七十年代间 的研究工作主要是集中于用计算机产生的动态图形来阐明科学理论。真正将计算机 应用于传统计算机动画制作的研究在七十年代初期才开始。Burtnyk等在其论文 “Computer Generated Keyframe Animation”中首次讨论了用计算机生成动画片中 内插图形的方法，并研制出辅助动画制作系统MSGEN。著名艺术家Peter Folded运用 该系统成功地制作出一系列的动画影片， 如Metadata Hunger Visages等， 其中Hunger 在1974年屡次获得国际性电影节大奖。随之引起对计算机动画系统(Computer Assisted Animation)的研究高潮。进入八十年代，随着计算机图形学的发展，尤其 是三维物体的造型方法，计算机图形学的理论发展，人们开始致力于三维计算机造 型动画系统(3D Computer Modeled Animation)的研究
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
The technology of CAD develops rapidly and been used universally from last century 50 generation. From drawing to 3d construction, now it has been very important aided tools to all kinds of design. Traditional product design tools always adopt plane figure to express mechanical parts and their assembly relationship. The result of the design is the static plane figure of the mechanical models. With this method the condition of movement and relative ubiety is difficult to express when the mechanical models moves. The rationality of the movement and the interference between the parts cannot been judged directly by the user correctly. With the development of the technology of CAD, the technology of 3d construction and computer animation has been used step by step, which produced 3d entity animation ,and the movement simulation can solved the questions. The development of computer animation are summarized in this paper. which according to the question of the present mainstream 3D construction software on the product model data browsing, especially when the model is just used for display,much data redundancy exists in it, presents a lightweight file solution including display information and geometry information. It provides quickly browsing 3D product model and precise definition of geometric elements for inquiry .the file size reduces roughly by data compression to facilitate release and communication over Internet . The implemented 3D browsing system offers lightweight file interfaces to work with data files of popular 3D CAD systems . The other emphases of the paper is research on the assembly animation based on the lightweight model. The realization of animation mainly adopts the thought of key-frame animation. this paper discussed the key technology of the automation of assembly animation , analyses the sequence planning ,and adopted the interactive programming method ,presented the dynamic step expand algorithm based on A* search algorithm which reduced the times of the expand ,and improved the efficiency of algorithm. The paper dynamic displayed the whole assembly animation by key-frame animation, provided engineering example of assembly animation of an automobile frame model, proved the superiority of the algorithm by comparing the other algorithm. At last part it summaries the whole paper , prospects the future work according to the question meeting on the research.
Keywords:
lightweight model, automation planning ,key-frame animation ,A * algorithm .
II
of
assembly
animation,
route
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
华中科技大学 硕士学位论文 基于轻量化型的三维装配动画研究 姓名：赵伟 申请学位级别：硕士 专业：数字化设计及制造 指导教师：朱林;刘云华 20061027
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
CAD 技术从上世纪 50 年代出现以来， 得到了迅速的发展和广泛的应用， 并从绘 图发展到三维造型，目前已经成为各个设计行业中不可或缺的辅助工具。传统的产 品设计通常采用平面图形表示机械零件及其装配关系，设计结果是机械模型在某一 位置的静态平面图形。这种方法难以反映机械模型在运行过程中各零件的运动状态 及其相对位置关系，无法直观地判断运动是否合理，各零件之间是否存在干涉等。 随着 CAD 技术的发展，三维造型及计算机动画技术逐步得到应用，这些技术生成产 品的三维实体动画和运动仿真动画，可有效地解决上述问题 本文首先对计算机动画发展进行了概述，针对目前主流的三维造型软件在产品 模型数据浏览中存在的问题，特别是若模型仅用于显示，当前的三维模型中存在大 量的冗余信息，采用了一种集三维显示模型和几何模型为一体的轻量化文件解决方 案，既可实现对模型的快速浏览，又可实现对几何模型信息进行精确查询。轻量化 模型通过数据压缩和删减大幅度减少文件大小，可方便三维产品数据在网上进行数 据发布和交流，并且给出了实现产品三维数据浏览整体解决方案，并以此理论为基 础实现了三维产品数据浏览系统和从当前流行的三维设计平台中生成轻量化文件的 接口。 本文的另一重点在于利用产品轻量化模型实现三维模型装配动画，动画实现主 要采用关键帧动画思想，本文还对产品自动装配动画相关的关键技术进行了讨论， 在分析现有的序列规划方案后采用交互式规划方法进行序列规划，在装配路径规划 方面提出了基于A*搜索算法的动态步长扩展算法，减少了扩展次数，提高了算法效 率。并对整个装配过程用关键帧动画进行动态显示，在系统实现里面给出了一个车 架模型的装配动画工程实例，并对几种路径规划的算法进行了比较。 最后部分对全文工作进行了总结，根据自己在研究中碰到的问题，对未来的工 作进行了展望。 关键词：轻量化模型，自动装配，路径规划，关键帧，A*算法
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三维计算机动画(3D computer animation) 利用计算机生成模拟三维空间中场 景及各种形体随时间而演变的一系列可供实时演播画面的技术。 它是计算机动画的 一个主要分支。在这里，三维形体的模型由计算机构造，并通过对模型、虚拟摄像 机、虚拟光源运动的控制描述，由计算机自动产生一系列具有真实感的连续动态图 象，故亦称为模型动画。 在三维计算机动画中，三维场景由三种类型的实体组成: 形体、摄像机、光源。每种实体都有一些特征，这些特征可按照一定的规律随时间 而演变。 使用这些特征可模拟形体的运动、变化等。例如，对形体而言，其特征有 位置(位置随时间的改变可模拟形体的运动)，方位(用方位的变化模拟机器人手臂的 运动等)，大小(大小的变化可模拟植物生长的演变等)，形状(用形状的变化模拟云 彩的变化，心脏的运动，柔体的运动和变形等)，颜色(模拟火焰、日出等)，透明度 (模拟雾的效果等)等等;对于摄像机，其特征有观察位置，观察距离和观察角等;对 光源，其特征有光颜色，光源位置等。 三维计算机动画技术包含三项主要工作:① 形体造型;②运动的控制描述以及运动的同步处理;③动画的图像绘制。此外，一个 三维计算机动画系统还应包括动画的输出，图像的编辑和处理工具，系统的界面设
保密□，在 本论文属于 不保密□。
年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1
1.1 计算机动画概述
绪
论
计算机动画最初的产生及发展与传统动画制作有着密切的联系，在1963年由 Bell实验室的E.Zajac制作的“Two一Gyro Gravity Grandient Attitude Control yaten”被认为是第一部采用计算机制作的动画片，但实际上六十年代至七十年代间 的研究工作主要是集中于用计算机产生的动态图形来阐明科学理论。真正将计算机 应用于传统计算机动画制作的研究在七十年代初期才开始。Burtnyk等在其论文 “Computer Generated Keyframe Animation”中首次讨论了用计算机生成动画片中 内插图形的方法，并研制出辅助动画制作系统MSGEN。著名艺术家Peter Folded运用 该系统成功地制作出一系列的动画影片， 如Metadata Hunger Visages等， 其中Hunger 在1974年屡次获得国际性电影节大奖。随之引起对计算机动画系统(Computer Assisted Animation)的研究高潮。进入八十年代，随着计算机图形学的发展，尤其 是三维物体的造型方法，计算机图形学的理论发展，人们开始致力于三维计算机造 型动画系统(3D Computer Modeled Animation)的研究
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
The technology of CAD develops rapidly and been used universally from last century 50 generation. From drawing to 3d construction, now it has been very important aided tools to all kinds of design. Traditional product design tools always adopt plane figure to express mechanical parts and their assembly relationship. The result of the design is the static plane figure of the mechanical models. With this method the condition of movement and relative ubiety is difficult to express when the mechanical models moves. The rationality of the movement and the interference between the parts cannot been judged directly by the user correctly. With the development of the technology of CAD, the technology of 3d construction and computer animation has been used step by step, which produced 3d entity animation ,and the movement simulation can solved the questions. The development of computer animation are summarized in this paper. which according to the question of the present mainstream 3D construction software on the product model data browsing, especially when the model is just used for display,much data redundancy exists in it, presents a lightweight file solution including display information and geometry information. It provides quickly browsing 3D product model and precise definition of geometric elements for inquiry .the file size reduces roughly by data compression to facilitate release and communication over Internet . The implemented 3D browsing system offers lightweight file interfaces to work with data files of popular 3D CAD systems . The other emphases of the paper is research on the assembly animation based on the lightweight model. The realization of animation mainly adopts the thought of key-frame animation. this paper discussed the key technology of the automation of assembly animation , analyses the sequence planning ,and adopted the interactive programming method ,presented the dynamic step expand algorithm based on A* search algorithm which reduced the times of the expand ,and improved the efficiency of algorithm. The paper dynamic displayed the whole assembly animation by key-frame animation, provided engineering example of assembly animation of an automobile frame model, proved the superiority of the algorithm by comparing the other algorithm. At last part it summaries the whole paper , prospects the future work according to the question meeting on the research.
Keywords:
lightweight model, automation planning ,key-frame animation ,A * algorithm .
II
of
assembly
animation,
route
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。