面向虚拟现实的CAD模型转换研究.pdf

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1、面向虚拟现实的 C AD模 型转换研 究 赵瑞星，刘祥 书，文积斌，李 朕，王 强，李亚鹏(航天科技九院 1 6所 军事代表 室，陕西 西安 7 1 0 1 0 0)摘 要：应 用 P r o E 良好 的兼 容性，通过 其接 口输 出虚拟 环 境 所 需 的 三 角 面片 模 型 和运 用近 似 凸 集 分解 算法将 该 三 角面 片模 型 转换 成 凸 包模 型，生成 的 凸 包模 型 较 之 三 角 面 片模 型 外 形 更粗 糙，数据 量程 更短，经仿真计算凸包模型较之三角面片模 型运算 时间更短，所以应选择不 同的触觉模型来满足针对虚 拟 环境 中模 型 对 实时性 和精 确性 的

2、不 同要 求。关 键词：模 型转换；面 片模 型；凸 包模 型 中图分 类号：T P 3 3 3 9 6 文 献标 志码：A Re s e a r c h o n Vi r t u a l Re a l i t y Or i e n t e d CAD M o d e l Tr a n s f o r mi ng ZHAO Ru i x i n g，LI U Xi a n g s h u，W E N J i b i n，LI Z h e n，W ANG Qi a n g，LI Ya p e n g (P LA M i l i t a r y Re p r e s e n t a t i v e

3、 R o o m o f 1 6，I n s t i t u t e o f t h e Ni n t h Re s e a r c h Ac a d e my o f CAS C，Xi a n 7 1 0 1 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：Be i n g f a v o r e d b y t h e g o o d a d a p t a b i l i t y o f Pr o E a n d a p p l i c a t i o n o f i t s i n t e r f a c e s，t h e v i r t u a l e n v i r o

4、 n me n t t h a t r e qu i r e d t r i a ngl e mo de l s we r e obt a i ne d a nd t h e n，t r a ns f or me d i nt o c o nv e x mo de l s wi t h t he a pp r o xi ma t e c on ve x d e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h ms Th e c o n v e x mo d e l s，c o mp a r e d wi t h t r i a n g l e mo d e l s，

5、ma i n t a i n l e s s d a t a a m o u n t wh i l e r o u g h e r s u r f a c e Th e t i me c o ns u mpt i on i n c o nv e x mod el s c a l c u l a t i on wa s mor e t hr i f t，wh i c h me a n t t h a t di f f e r e nt t ou c hi ng mo de l s wo ul d b e a c qu i r e d t o a c hi e v e c or r e s po

6、ndi n g r e q ui r e me n t s of r e a l t i me pe r f o r ma nc e a nd a c cu r ac y i n v i r t ua l e nvi r on m e nt Ke y wo r d s：M o d e l t r a n s f o r ma t i o n，An g l e mo d e l，Co n v e x mo d e l s 传统 C AD建模所生成 的实体模 型大部分是基 于边界表达或是基于构造实体几何(C S G)D-z ，虚拟 环境中都是采用很多依次相连的小多边形面片来近 似 表达 模 型 的

7、几 何形 状 _ 3 。采 用 面片形 式 的优 点 是 模 型显示 和碰 撞 检测 处理 简单，计 算量 小；缺点 是 丢失了 C AD模型 中的拓扑信 息和几何信 息，如 平 面的法线、原点、柱面的半径、轴线等几何参数，因此 需 要 间接从 C AD模 型 中获取 或 重新 定义。为了加快渲染 图形，现代计算机 图形硬件都 是 基 于 多边形 渲 染 生 成 图形，不 能 直 接 将 C A D 几 何 数 据用 于 VR建模，必须 把 C AD数据从 自由曲面 与 实体模型表示转换成多边形表示，数据必须经过“网 格化”的处理转换成多边形数据 。1 C AD模型转换成 o b j 三角面

8、片模 型 本 文 中 的模 型基 于 P r o E进 行 建 模，P r o E具 有 良好 的兼 容 性l 6 。在 其 中，设 计 好 的模 型 可 以通 过系统提供的界面输出接1：1 达到其他软件所兼容的 格 式，如 C ATI A、S T E P、G I F F、I G E S、3 D P AI NT、s T L、VRML(*wr 1)和 Wa v e f r o n t(*o b j)等。需要 将 P r o E组件(a s m 文件)中的每一个子件(p a r t 文件)模型转换成 占用 内存更小 的 o b j 三角面片模 型(参 见 图 1)。从图 1可以看出，基于 C AD

9、所建立 的模型经过 转换 可 以生成 虚拟 环境 中所 需要 的 VRML(*wr 1)vF 激 据准备工具 中间数据 目标数据 虚拟环境 图 输 入 格 式 格 式 输 出 厂 一 ：1 多 边形 化 广 I 和精 简 I 图 1 CAD 到 虚 拟 环 境 的 数 据 转 换 视 觉模 型及 Wa v e f r o n t(*o b j)触 觉 模 型。本 文 主 要对 C AD模 型 与虚 拟 现 实触 觉 模 型 问 的转 换 问题 进行研究，这是因为虚拟环境 中进行碰撞检测 以及 虚拟交互都离不开触觉模型的参与。首 先，在 P r o E 中 建 立 一 个 变 速 箱 的模 型，

10、参 见 图 2。对 于变 速 箱 中的 每个 子零 部 件，须 逐 一将 其 由 基 于边界 表 达 的 C AD 模 型 转 换 成 三 角 面 片模 型。以变速箱 中名 为 9 2 0 1 AA0 3 1的齿 轮(见 图 3)为例 进行模型转化。新建一个名为 g e a r b o x的文件夹，将 主减速器 模 型 中的子 零 件 圆形 垫 片 C HA 一 2 3 0 1 AA0 1 5 一 输 出 的 o b j 三角面片文件保存在其中。系统界面中选择 S I DE，并 对 Wa v e f r o n t 对 话 框 中舷 高、角 度 控 制 2 项偏差控制参数进行设定，图 4为 P

11、 r o E模型转换 成 o b j 面片模型的过程。新 技术 新工 艺 数 字技 术 与机械 加 工工 艺装 备 2 0 1 0年 第 8期 1 9 图 2 P r o E中建立 的变速箱模型 图 3 9 2 0 1 A A0 3 1齿轮 a)P r o E 模 型 c)参数设定 d)面片模型 图 4 P r o E模 型转换成 o b j 面片模型 2 o b j 三角面片模型 与凸包模型 的对 比 由于一般的三角面片模型都存在各种凹面和孔 洞，要让这些面片模型适应 凸体碰撞检测算法的要 求，就必须对其进行凸集分解。而 带孔洞 的三维 面片模型进行精确凸集分解，本身就是一个难题l 7 。为

12、此，采用一种近似 凸集剖分算法来处理零件正侧 l H I-O 我们对算法的基本概念进行定义如下：定 义 1(桥 接 面)：一 组 连 续 的 表 面 b，满 足 b f b c c o n v e x(p o l y)，b 1)o ，V 岫(E a(p o l y)，其 中 c o n T J e s c(p o l y)为 多 面 体 凸 壳，3(b o u n d(6)为桥接 面边界顶 点集合，a(p o l y)为 多面体顶点集合。定义 2(槽 面)：采 用 最 短 距 离 法 将 桥 界 面 b的 边界投影在多面体表面上形成的封闭面集，与桥接 面一 一对 应。定义 3(多面体顶点 的凹

13、度)：对于不 在槽 面上 的点，其凹度 f 一0，而对 于槽 面上的点，c(v e r t e x)=d D，其中 d 为该顶点到其所 在槽面对 应 的桥接 面之 间的最小 距离，D为 凸壳 的直径。定 义4(多 面 体 的 凹 度)：c(p o l y)=Ma x (c()。是 P 的顶 点。这一 结 论 的重 要 (p o l y)性在 于可 以使 用点 集和最 大 凹角来识 别分 解处 的重 要特征。在定 义以上概念的基础上，图 5给出了近似凸 集剖分的算法流程。图 5 算法流程 1)测量凹度 C。凹角测量使用桥和孔的概念。桥是非临近 的顶 点 8 P 的凸起 的小平 面，例 如：桥(P

14、)一 8 C H a P，孔则 是 边 缘 3 P 的 一 部 分，它 不 2 0 新 技术 新工艺 数 字技 术与机 械加 工工艺 装备2 0 1 0年 第 8期 在 凸 起 的 外 壳 边 缘 a C H 上，例 如：孑 L(P)一 a P a CHP。因为 凹面特性，比如 切 口(槽 口)仅 能在 孔 中发 现，测量 切 口(凹 口)的凹度采 用 以下 方法：a 假设 每个 桥有 1 个 单 独 的孔 与之对 应；b 计算 到与它 相关 的桥 的距 离。凹度()=距 离(，C H)一距 离(，)。对 于多边 形，有 一 个 自然 的、易 于获 取 的一对 一 的桥 孑 L 匹配。同时，在

15、这 种情 况 下，L i e n和 Ama t o 提出了 2 个实际的方法来计算 凹度：S L凹度 和 S P 凹度。S L凹度是 到桥 的 直 线距 离；S P凹 度 是 与 多 边 形 没有交 叉 的到桥 的最短距 离。然 而这 项应 用 于多 边形 的技 术却 很难 扩展 到 三 维 状态 下。特 别是 每个 一 对 一 的桥 4 L 连 接 都是 很 重要的。此外，尽管 S L凹度计 算起来仍然十分有 效，但是最好 的计算多面体的最短距离的方法仍需 要 指数 时间。近似凸集分解 的目的在于生成每一部分都是近 似 凸起 的分解 体。可 通过 分解 体 的 凹度 来评 估其 凸 起性。对

16、 于 一 个 给 定 的模 型 P，如 果 凹角(P)r (阀值 0 P被认为是r的近似凸起，这里凹度(10)表示 P和 r的 凹角 测 量，它是 个 可 调 的参 量。一 个 P 的 r近 似 凸集分 解，A C D (P)被 定义 为 仅 包 含 r 近似 凸集 构成 部分 的 分解，例 如：A C D (P)一 l P D(P)a n d c o n c a v i t y(P r)一个近似凸集分解是通过递归移除(解决)凸面 特征，以便减少其重要性，例如 凹角，直到所有剩余 部分的凹度小于所要求的限制范围。2)顶点数 7 7。对于一般的面片模型，我们可将 顶点数 设 得少一 些，对 于较

17、 复 杂 的模 型 顶 点 数 设 得 多一些。3)多面体与 凸包体积 比。为增 强多面体与 凸包的拟合程度，我们将 P设定为定值 0 9 9。4)迭代次数 d。对于一般的简单模型，d可取 3或 4；对 于较复 杂 的模 型，d一般 取 5 7。在 P r o E 界 面 中 打 开 g e a r b o x文 件 夹 中 的 9 2 01 A A031一o b j。通 过系 统 界 面(见 图 6)可 以 发 现 生成 的 o b j 三角 面 片模 型 表 面是 由 2 2 2 0个 小 面 片 构成 的，模 型外 表精 度较 高，这种 凸集 面 片模 型对 于 不加载数据手时系统还是可

18、接受的，加载数据手后，由于 面片模 型较 大。所 进 行 的碰 撞 检 测 数 据 量会 很 大，因此 需要 对 模 型 进 行 进 一步 的 简化。使用 近 似 凸集 分 解 算 法(Ap p r o x i ma t e C o n v e x De c o mp o s i t i o n)对 模 型进 行简 化，如 图 7 所 示。可 以 发现，经 过 简 化 之 后 的模 型外 表 精确 度 较 低，这是 因为 简化 后模 型表 面 的 面 片数 由2 2 2 0 减少 1 图 6 o b j三 角 面 片 模 型 图 7 凸包 模 型 到 6 1 8，模 型大小 也 由 3 5 9

19、 KB减 小 到 2 4 K B，因 此 凸包模型在进行碰撞检测时的计算量相 比于三角面 片模 型小 了很 多。3 仿 真计算 在 仿 真 程 序 中加 入 系 统 运行 时 问 函 数，分别 计 算 和观 察基 于三 角 面片模 型 和基 于 凸包模 型 的仿真 程序运算情况。v oi d CM a i nFr a me：OnEd i t Ti me()i n t i，j；l o n g t l G e t Ti c k C o u n t()；程序段 开始记得 系统运 行时间(ms)l o n g t l c l o c k()；f o r(i 一 0；i 1 0 0 0 0；i+)f o

20、 r(j 一0；j 1 0 0 0 0；j+)i i；)M e s s a g e B o x(”OK!”)；l o n g t 2 一Ge t Ti c k C 0 u n t()；程 序段结束 记得 系统运 行 时 间(ms)l o n g t 2 一c l o c k()：CSt r i ng s t r；s t r Fo r ma t(”t i me：d m s”，t 2一 t 1)；M e s s a g e B o x(s t r)；Me s s a g e Bo x(”OK!t t)；)将一台高性能 图形工作站 HP X W8 4 0 0作 为仿 真运算模块，工作站需要 高性能

21、的 C P U 进行支持。在 不对 多线 程 动力 学 计 算 做 过 多 研 究 的前 提 下，出 于 性 价 比 的 考 虑，工 作 站 配 置 一 个 较 高 性 能 的 C P U：I n t e l Xe o n 6 1 5 0(3 0 GHz*2)，内 存 选 择 4 G。图形工 作站 的图 形 卡选 择 三 角 面 片 显示 功 能 强 大 的 Nv i d i a Qu a d r o系 列 专 业 图 卡 F X 4 6 0 0 5 6 0 0。模型通过硬盘加载到内存 当中，加载速度是 一个 瓶 颈。为提 高加 载速 度，采用 磁盘 阵 列(r a i d 0)的方 式 将

22、4块 目前 最 高 性 能 的 S AS硬 盘(转 速 1 5 0 0 0 r mi n)并 行 传 输 数 据 并 运 行 检 测。经 运 行 检测，使用 凸包 模 型后 的运 算 时问不 到 三角 面片模 新 技术 新 工艺 数 字技 术 与机械 加 工工 艺装 备 2 0 1 0年 第 8期 2 1 基于 F L UE NT 的功放散 热优化设计 金 文 丽(中国电子科技集 团公 司 第二十八研究所，江 苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘 要：利 用 F L UE NT 软件 可 以模 拟许 多工程 实际 问题，对 工作 环境进 行仿 真。因而可 以通过 对 设 备温度 场 的模 拟，

23、对其进 行散 热设 计。本 文 首 先 由理 论 分析得 出一 个初 步的散 热选 型 方 案，通过 模 拟 对 功率放大器的使 用环境进行再现，以此为参考，确定空调的型号和散 热导流风道 的布局是 否优化。下面 通 过模 拟分析 验证 空调及 风道设 计是 否合 理。关键 词：F L UE NT；功率放 大器；热设 计；导流风道 中图分类 号：TP 3 1 1 文 献标 志 码：A Th e Opt i mu m De s i g n o f Po we r Ampl i f i e r He a t Emi s s i o n b a s e d o n FLUENT J I N We n

24、 l i (2 8 t h I n s t i t u t e o f Ch i n a El e c t r o n i c s Te c h n o l o g y Co mp a n y，Na n j i n g 2 1 0 0 0 7，Ch i n a)Ab s t r a c t：FL UENT s o f t wa r e c a n b e u s e d t o s i mu l a t e ma n y e n g i n e e r i n g a n d wo r k i n g e n v i r o n me n t s p r o b l e ms Th e d e

25、 s i g n o f h e a t e mi s s i o n c a n b e c a r r i e d o u t t h r o u g h s i m u l a t i o n o f e q u i p me n t t e mp e r a t u r e f i e l d Th i s p a p e r f i r s t l y g a v e a c h o i c e p r o p o s e d f o r h e a t e mi s s i o n t h r o u g h t h e o r y a n a l y s i s，a n d t

26、h e n d e t e r mi n e d t h e a i r c o n d i t i0 n i n g mo d e l a n d d i v e r s i o n d u c t c o n f i g u r a t i on t hr o u gh e n vi r on me nt a l s i m u l a t i o n o f po we r a mpl i f i e r Ke y wo r d s：FLUENT，Powe r a mpl i f i e r，He a t de s i gn，Di v i s i on du c t 在 电磁兼容测试方舱

27、 中，功率放大器 的散热问 题尤其引人关注，其在舱体狭小的空间内如何正常 工作是设计时必须解决的问题。功放通常要求(特别是放大器舱)空调、通风设 施等能够满足功率放大器的散热和降温要求，确保 其正 常工 作。放大 器 舱 内 的工作 温度 要 求小 于 2 5 利用 F L UE NT软件可以辅助功放进行散热设 计，缩短研制周期，提高其有效性、准确性和可靠性。1 设计输入 1 1 设 备工 作状态 在长 1 9 5 0 mm宽 2 4 0 0 mm高 2 1 0 0 mm 的方舱隔舱内放置 2台低端放大器，低端放大器 1 ；e 写 穹 分 石 !；写 写 写 盘 写 e石、穹 蛤 型的 1 3

28、，在虚拟现实场景中使用三角面片模型的 图像 刷新 率 为 每 秒 2 3帧(程 序 运 行 时 间 为 4 6 0 ms)，图像存在明显 的迟滞停顿现象，使用凸包模型 后，图像刷新率达到每秒 5 6帧(程序运行时间为 1 5 0 ms)，图像流畅平稳。4 结 语 在满足精度 的前提下，凸包模型 比三角面片模 型在模型问的碰撞检测计算上更具优势，但对于精 确性要求高于实时性 的模型，采用三角面片模 型则 要优于凸包模型，选择 哪种模型格式取决于系统对 实时性和精确性的不同要求。参考文献 1 孙 家广 计算 机 图形 学 E M 北 京：清 华 大 学 出版 社，1 99 8 2 戴同 C AD

29、C AP P C A M 基本教程 M 北京：机械 工业 出版社，1 9 9 7 3 郑太雄 虚 拟装配理论与方法研究 D 重庆：重庆大学，2 00 3 4 万毕乐，刘检华，宁汝新，等 面向虚拟装配 的 C AD转 换 接口的研究与实现 J 系统仿真学报，2 0 0 6，2：3 9 1 3 9 4 E 5 郝建平 虚拟维修仿真理论 与技 术 M 北京：国 防工 业 出 版社，2 0 0 8 6 邵立新，夏素 民，孙 江宏 P r o E NG I NE E R Wi l d f i r e 3 0 中文版标准教程 M 北 京：清华大学出版社，2 0 0 7 E T J y h Mi n g L

30、 i e n，N a n c y M Ama t o Ap p r o x i ma t e c o n v e x d e c o mp o s i t i o n o f p o l y h e d r a：P r o c S P M 0 7，B e i j i n g c B e i j i n g：As s o c i a t i o n f o r Co mp u t i n g Ma c h i n e r y，2 0 0 7 作者简介：赵瑞 星(1 9 8 0 一)，男，硕士，助 理工程 师，主 要从事 精密机电方 面的技术研究。收稿 日期：2 0 0 9年 1 2月 1 0日 责任编辑吕菁 2 2 新技术新工艺 数字技术与机械加工工艺装备 2 0 1 0年 第 8期