三维模型轻量化技术

三维模型轻量化技术

1 模型轻量化的必要性

设计模型是一种精确的边界描述(B-rep)模型，含有大量的几何信息，在现有的计算机软硬件条件下，使用设计模型直接建立大型复杂系统装配、维修仿真模型是不可能的，因此需要使用轻量化的模型建立仿真模型，以达到对仿真模型的快速交互、渲染。

2 细节层次轻量化技术

90年代中期以来，模型轻量化技术得到了快速的发展，出现了抽壳(hollow shell)技术和细节层次(Level of Details, LOD)技术。抽壳技术只关心产品模型的几何表示而不考虑产品建模的过程信息，LOD 技术将产品几何模型设定不同的显示精度和显示细节，根据观察者眼点与产品几何模型之间的距离来使用不同的显示精度，以此达到快速交互模型的目的。

LOD技术是当前可视化仿真领域中处理图形显示实时性方面十分流行的技术之一。LOD模型就是在不影响画面视觉效果的条件下，对同一物体建立几个不同逼近精度的几何模型。根据物体与视点的距离来选择显示不同细节层次的模型，从而加快系统图形处理和渲染的速度。保证在视点靠近物体时对物体进行精细绘制，在远离物体时对物体进行粗略绘制，在总量上控制多边形的数量，不会出现由于显示的物体增多而使处理多边形的数量过度增加的情况，把多边形个数控制在系统的处理能力之内，这样就可以保证在不降低用户观察效果的情况下，大大减少渲染负载。

通常LOD算法包括生成、选择以及切换三个主要部分。

目前轻量化的技术有多种，具有代表性的有JT和3DXML两种。3DXML是Dassault、微软等提出的轻量化技术，JT是JT开放组织提出的轻量化技术。SIEMENS公司的可视化产品都采用JT技术，如我们使用的VisMockup软件。

JT技术用小平面表示几何模型，采用层次细节技术，具有较高的压缩比，模型显示速度很快。

jt、ajt模型及其结构

jt模型文件是三维实体模型经过三角化处理之后得到的数据文件，它将实体表面离散化为大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。

模型精度不同，三角形网格的划分也各不相同。精度越高，三角形网格的划分越细密，三角形面片形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。模型曲面精度由Chordal、Angular两个参数控制。图1(a)，Chordal表示多边形的弦高的最大值，图1(b)，Angular表示多边形相邻弦的夹角的最大值。?????????????????????????????? 图1 Chordal和Angular示意图

jt模型有三种结构形式，都保持了原来的产品结构。分别是：

(1)Standard(标准结构形式)。包含一个装配文件和多个零件文件，其中零件文件都放在一个和装配文件同名的目录下。我们建立的虚拟样机模型都采用这种结构形式。

(2)Shattered(分散结构形式)。包含多个子装配文件和多个零件文件，其中子装配文件和零件文件都放在一个目录下。这种结构的优点是有子装配文件，并可以直接使用子装配，缺点是文件管理比较乱、不清晰。

(3)Monolithic(单一结构形式)。所有的装配体和零部件都在一个文件中。另外，在Word、PowerPoint 文件中嵌入的jt模型也采用这种结构形式。

TessUG.config文件中的structureOption控制着jt的输出结构。

ajt是jt装配文件的文本文件，并可编辑，由装配节点和零件节点的层次构成，每个节点有位置变换信息和属性信息。手工修改ajt文件可以改变jt装配文件各节点的位置、层次、属性、位置变换矩阵、隶属关系等。见附录D。

jt工具集提供了如下几个命令：

(1)asciitojt.exe。将文本结构的jt装配文件转换为二进制结构的jt文件。

(2)jttoascii.exe。将二进制结构的jt装配文件转换为文本结构的jt装配文件。jt模型文件不能被转换为文件结构的jt文件。

(3)jtcreateassembly.exe。将多个jt装配文件合成为一个jt装配文件。使用该命令可以复制的设备及组件

基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成技术研究

0.引言

随着计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)在企业中应用的不断深入，作为连接设计与制造桥梁的计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)已经成为CIMS的关键。在过去的几十年中，虽然计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、CAPP

和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)在各自领域内都得到了巨大的发展，但却是在相互独立的情况下发展起来的，忽略了各个系统之间的相互集成，出现了很多“信息化孤岛”。制造企业越来越多地采用三维CAD进行产品设计，但基于三维模型的CAPP研究才刚刚起步，CAPP仍然沿用传统的基于二维工程图的设计方式，效率低且不直观，因此基于三维模型的CAPP已经成为企业的迫切需求。三维模型数据繁大，处理效率低，且由于不同CAD软件产生的数据在异构平台下不兼容，导致CAD/CAPP 系统间三维模型信息的交换和共享比较困难。

目前，国内外对CAD/CAPP集成的方法和关键技术进行了大量的探索和研究，如基于中间格式文件(I GES，PDES，STEP，STEP-NC)的系统集成、基于产品数据管理(Product Data Management，PDM)的集成、直接集成等，上述研究虽然取得了一定成果，但始终没有解决三维模型信息的集成和共享问题。为方便三维模型的重用和可视化，各个主要的CAD厂商都推出了自己的轻量化格式，如达索的3DXML格式、UGS 的JT格式，但不同格式在异构平台下不能够兼容。为解决该问题，由英特尔、Adobe和微软等25家公司组成的3D工业论坛(3D Industry Forum，3DIF)同欧洲计算机制造商协会(ECMA international)联合推出了轻量化3D标准通用3D(Universal 3D，U3D)文件格式。它通过去除与显示无关的非几何信息来简化三维模型，提高了三维模型的显示与处理效率，使得三维模型的应用延伸到了产品全生命周期内的各个阶段。本文在研究U3D标准的基础上构建了一个基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成模型，并对系统集成的关键技术进行了研究。

l.基于轻量化模型的CAD/CAPP集成模型

基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成的功能模型如图1所示，主要包括轻量化模型的生成、制造特征提取、CAPP工艺设计、CAM刀位轨迹计算和集成仿真五部分。U3D轻最化模型中仅包含了与显示有关的几何信息，这些几何信息层次较低，不能满足CAPP系统的需求。为使CAD/CAPP系统能够在一个较高层次上实现集成，需要从轻量化模型巾提取零件的制造特征，该制造特征不但能够表示零件的几何信息，而日.对于工艺设计所需要的形位公差、表面粗糙度、材料等非儿何信息也能够很好地进行表达。通过制造特征提取工具，应用特征识别算法提取零件的制造特征，并为每一个制造特征加入工艺信息，建屯零件的制造特征模型，可以满足CAPP系统对信息的需求。

图1.基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成功能模型