三维造型技术发展史综述

三维造型技术

三维建模技术是研究在计算机上机型空间形体的表示、存贮和处理的技术，是利用计算机系统描述物体形状的技术。如何利用一组数据表示形体，如何控制与处理这些数据，是几何造型中的关键技术。

首先我们了解一下三维建模技术的发展史。

三维建模技术的产生首先就是CAD技术。三维建模技术是伴随着CAD技术的发展而发展的。CAD在早期是英文computer aided drafting的缩写，CAD技术是一项综合性的、机计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分，也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。随着计算机硬、软件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助技术。真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、机构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中的一个小的部分。在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征模型则代表了当今CAD技术的发展方向。

进入20世纪70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中出现了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方法来近似表达所要设计的曲面。由于三视图表

达的不完整性，因此很难达到设计者的要求。此时法国人贝塞尔提出了Bezier算法，使得人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可以操作。法国达索飞机制造公司开发了三维曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命。

进入20世纪80年代，CAD价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC 公司在美国国家航空及宇航局支持下与1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——I-DEAS。由于实体模型能准确表达零件的全部属性，在理论上统一CAD/CAE/CAM——带来了CAD发展史上的第二次技术革命。

20世纪80年代中晚期，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度降低，CAD技术的硬件平台从二十几万美元降到只需几万美元。很多中小企业也开始有能力使用CAD技术。1988年，参数技术公司采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术开发了Pro/E软件，为三维实体造型提供了一个优良的平台。参数化造型的主体思想是几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的集合约束类型基本上组成产品形体的集合实体公称尺寸关系和尺寸间的工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。带来了CAD发展史上的第三次技术革命。

参数化技术要求全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸改变来驱动形状改变，一切以尺寸（即参数）为出发点，干扰和制约着设计者的创造力和想象力的发挥。为此，SDRC公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的变量化技术，1993年推出了全新体系结果的I-DEAS Msater Series软件——带来了CAD发展史上的第四次技术革命。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。除考虑几何约束之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。

基于特征的参数化造型在三维造型中占有很重要的位置，所以我们介绍一下参数化造型

首先特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属，通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和功能（function）的功能要素。

目前特征的分类还没有统一的体制。一般来说，特征可分为造型特征和面向过程的特征。造型特征（又称为形状特征）是指那些实际构造出零件的特征，而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。造型特征进一步分为基本特征和二次特征，基本特征是指构成

零件主要形状的特征，二次特征是指用来修改基本特征的特征，通常分为正、负特征。面向过程的特征可细分为：精度特征、技术要求特征、材料特征和装配特征。

由此我们可以利用较高层次的语义丰富的特征来代替简单的原

始的几何元素作为基本元素，通过一定的组合法则来建模，这就是特征造型。特征的表示和建立就成为其中的关键。随着面向对象的技术的建立和发展，尤其是封装和继承的概念，解决了可扩充性和数据结构的复杂性，使得特征可以只包含所需的信息，需要时可通过继承来添加所需信息，它对特征造型提供了强有力的支持。

关于特征描述。

在基于特征的造型中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表示和相关的处理机制以及特征高层语意信息的，目前主要是探讨形状特征。特征（严格地说是语义特征）可被视为由三类属性描述的面向几何的物体：数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的位置关系。形状特征实际上是几何实体无任何语义的结构化组合，形状特征与特征间是一对多的关系，这体现了特征的应用多视角性。通常，对形状特征的描述有几种：B-REP（bound representation）、

CSG(constructive solid geometry)、以及混合法。但在CAD应用中，参数化设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设计中去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。我们可以利用混合法来建立特征模型，并将参数化法引入到特征造型