（计算机科学与技术专业论文）网络化几何造型关键技术研究.pdf

浙扛大学博士学位论文 摘要 c a d c a m 技术及计算机网络技术的发展，改变了现有工业的运作模式，促进 了全球化设计与生产浪潮，使得产品开发涉及的领域和人员发生了变化，从而形成 了网络化几何造型技术。在网络化几何造型技术中，多分辨率造型、模型共享及协 同安全是三个最为关键的技术，本文将针对这三方面相关技术进行深入的理论与应 用研究。 本文首先回顾了几何造型技术的发展历史，重点介绍了特征造型技术的相关理 论及特点；然后针对多分辨率造型技术、模型数据传输和协同安全技术的研究现状 和存在问题进行综述和分析。 现有普通的多分辨率造型方法般都是基于网格模型，根据最终模型的几何形 状信息对模型简化，得到的简化模型往往与设计分析需求不致，导致它无法满足 c a d c a m 相关领域的特殊要求。在分析了现代产品设计模式及基于历史的参数化 特征造型方法的基础上，本文提出了种新型的三维c a d 特征模型的多分辨率表 示方法。该方法的核心思想是利用模型的复杂度与操作特征集的相关性，通过选择 不同的特征集作集合运算，得到不同细节层次的特征模型。考虑到设计特征间存在 着相互依赖关系，不能任意独立抑制某个特征，本文提出了种去依赖特征抑制操 作。它从分析特征依赖关系的产生原因入手，i 葱过拓扑对象替换实现1 壬意恃征的单 独抑制，从而可以创建任意细节层次的特征模型。注意到某些应用对某些特征有特 殊的要求，如模型分析阶段中非常忌讳模型含有诸如倒角、圆角等细小特征，本文 还提出了一种混合型l o d 标准，以能优先处理这些特殊类型特征。 为验证所提出的多分辨率表示方法的可行性及其应用价值，作者自主开发了一 个多分辨率造型集成原型系统。本文详细阐述了特征模型的多分辨率造型的具体实 现过程，主要介绍了零件体和装配体模型的多层次几何建模的具体算法和注意事项， 其中关键算法有：模型的特征序列计算、特征的去依赖抑制、系列l o d 层次模型 创建、和零件体及装配体细化等。注意到模型的某些细节是由草图轮廓细节所产生， 它无法通过特征抑制法消除，本文还提出了个基于草图简化的模型简化方法。该 简化方法通过分析草图轮廓信息实现草图的最优简化，通过草图简化实现模型简化。 相对于以往的多分辨率造型方法，本文所提出的特征模型的多分辨率造型方法 得到的简化结果模型更加符合设计意图。由于多层次简化模型创建过程中的操作对 象为高层语义特征，它与模型的具体底层表示无关，因此该多分辨率造型方法具有 更好的通用性和语义性，可以在当前任意特征造型系统中实现。 在模型共享方面，本文提出了种特征模型的混合型共享数据结构，可规范不 同应用中模型共享的数据定义；提出了个三维c a d 特征模型的共享框架，采用 了良好传输方式和优化的传输j i $ d 芋；提出了种新型的基于t - c u r v e 边扫描的离散 化网格模型的多层次简化方法；由此实现了特征产品模型的多用户、多视图、多层 次的广泛共享。 该共享框架充分考虑了基于特征的产品设计特点和不同设计者具体需求，可根 据设计者活动范围提供不同视图的显示数据，能依照设计目的优先传输最为关键的 模型数据，有效减小协同设计操作的延时。此外，本共享框架还具有良好的伸缩性， 如在模型数据分隔、数据排序中可以由用户根据具体应用需要选择适合的模型分隔 及排列标准；由于采用了增量传输方式，只传输增量视图模型数据，大大减少了传 输数据量。 在协同安全技术方面，本文提出一个专门针对c a d 协同设计环境的多层次动 态安全访问控制模型( m l d a c ) 。该模型根据c a d 产品模型的多层次结构特点， 提出了种多层次的权限模型，以简化权限定义及其分配过程，同时丰富了权限表 达能力，实现了产品模型的多粒度访问控制。通过参照工作流的基本理念，引入权 限的依赖关系及权限状态迁移概念，实现了权限的动态激活及动态调整。由于 m l d a c 模型以层次r b a c 模型为基础，与传统的访问控制模型相比，它除具有层 次r b a c 模型的切优点( 如支持职责分离原则和最小特权原则) 外，还具有支持 多粒度的权限访问控锘帆制、支持权限动态更新、支持群组权限管理等优点。总之， m l d a c 模型不但符合了设计任务间的依赖性、交互性和分布性特点，而且顺应了 访问控制模型的发展趋势。 关键词c a d ；网络化几何造型；协同设计；特征造型；多分辨率造型；l o d ； 模型共享；流式传输；增量传输；信息安全；访问控制；r b a c ：多层次动态安全 访问控制( m l d a c ) 。 浙江大学博士论文 a 衄f 1 1 忙d e v e l o p m e n t o f c a d c a ma n d i n t e r a c t t e c h n i q u e s h a s c h a n g e d t h e w a y t h e p r o d u c t d e s i g na n dm 锄u 囱c h n gi sw o r k i n g g l o b a l i z a t i o no fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n ga c t i v i t i e s b e c o m 岱p r e v a l e n t , 讪曲l 。dt oa 1 1 c f i e l dc a l l e dn e t w o r k * c e n u * i eg e o m e t r i cm o d e l i n g , a n d m u l t i - r e s o l u t i o nm o d e l i n 参m o d e ls h a r i n ga n ds e c u r i t y mac o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n ta l et h e t h r e em o s t i m p o r t a n t t e c h n i q u e s 缸n e t w o r k - c e n n i eg e o m e t r i cm o d e l i n g t h et h e s i si n t e n d st od o r e s e a r c h 佣t h e t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f t h e s e t h r e e t e c h n i q u e s l h e t h e s i s i n t r o d u c e s t h e h i s t o r y o f l h e d e v e l o p m e n t o f g e o m e t r i c m o d e l i n g w i t h a f o c u s o n f e a t m e - b a s e d m o d e l i n g t e c h n o l o g i e s t h e nr e l a t e dt e a r c h0 1 1m u l t i - r e s o l u t i o nm o d e l i n g , m o d e lt m t s m i s s i o n , s i 】痂ga n ds e c u r i t y 证 a c o l l a b o r a t i v e a a v i r o n m e n t m es u r v e y e d e x i s t i n gm u l t i - r e s o l u t i o ns i m p l i f i c a t i o nm e t h o d s 勰m a i l f l 坤d e v e l o p e df o rp o l y g o n a l m e s 圮s w h i c hd o n tf i tw e l li nc a d c a ma p p l i c a t i o n s i nt h i st h e s i s , an e wm e h t l o df o r m u l t i - r e s o l u t i o nm o d e l i n go f f e a t u m l x t s e dc a dm o d e l sh a sb e e np r o p o s e d t h en e wm e t h o di s b a s e d0 1 1t h eo b s 口v 幽ll h a ti naf e a t u r e - b a s e dc a dm o d e l e rw i t hi l i s 呻d e p e n d e n c e s , d i f f e r e n ts e t so f d e s i g nf e a t u r e se m ar e s u l ti nd i f f e r e n tl e v e l - o f - d e t a i l s ( l o d ) o f t h ec a dm o d e l s i n c ec h i l d r e nf e a t u r e s 玳d c p e i l do nt h e i r 删f e a t u r e s , 枷c h i l d r e nf e a t u r e sw i l lb e s u p p r e s s e d a u t o m a t i c a l l y w h e ns u p p r e s s i n g a p e n t f e a t m e t h i s m e s t h r a w e c 目m n o ts u p p r e s s a f e a t u r e a l o n e w i t h o u t a f f e c t i n g o t h e r f e a t u r e s t 0s o l v e t h i s p r o b l e m , w ep l q ) o i n t h i s t h e s i s a d e _ d e p e f - d 朗c ef e a m es u p p r e s s i n go p e l a t i o ni no r d e rt os u p p r e s saf e a t u r ea l o n ef o rv a r i o u s l o d s o f f e a t u r e m o d e l s , t o g e t h e r w i t h as c h e m e 妇幻p c 幻科e n t i t yr e p l a c e m e n t a m i x e d t y p e o f l c i dc l - 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r e s o l u t i o nm 甜1 0 d s t h en g wm e 如x lf o rf e a u a c - h s e dc a d m o d e l sc a np r o d u c em o r ei n t u i t i v er e s u l t st h a ta r em u c hc l o s e rt od e s i g n e r si l l t 瑚l t s s i n c eo n l y 浙江大学博士学位论文 a b s t r a e t h i g hl e v e li n f o r m a t i o no f f e a a m ：si su s e di n 啊a l i i l gv 面。懈慨l l l es i m p l i f i c a t i o np r o c e s s b c o o m e s ；i e l a t i v et ot h el o wl e v e l 托托渤切t i o no f l h ef e a t u r em o d e l sa n d 啪b eh n p l e m e n t e d e a s i l yi nd i f f e r e n tf e a t u r e - b a s e dm o d e l i n gs y s t e m s o u rn e wm c f l l o d i sm o l ea p p l i c a b l et o c a d c a m a p p l i c a t i o n s t h a n e x i s t i n g m o d e ls i m p l i f i c a t i o n m e t h o d s i n t h e m - c a o f m o d e ls h a r i n g , t h e t i a e s i s i x e s e n t s a b g w f r a m e w o r k o f m o d e l s t t m i n g i n t h e f r a m e w o d qm e a s u r e m e n t s 勰d e v e l o p e dt or e a l i z em u l t i 1 e v e ls h a r i n go ff e a t u r em o d e l sf o r m u l t i u s e r si nm u l t i - v i e w s a m o n gt h ee l e m e l r sd e v e l o p e di nt h ef r a m e w o r ka r can e w r e p r e s e n t a t i o no fm o d e ls h a r i n g , m i x e di r a n s m i s s i o n 曲删画e s ，o p t i l l l i z a l i o no f 位m 鲫1 i s s i 吼 o r d e r s , a n dt h e 劬啦c l l r v eb a s e dm u l t i - l e v e ls i m p l i f i c a t i o no fg e o m e t r i cm o d e l 1 1 l e p e r f o r m a n c eo f 岫d a t au a n s m i s s i o ni nac o l l a b o r a t i v ed e s i g n 饥v h a l l l 埘nc 锄h a v el o t so f i m p r o v e m e n t sb ya p p l y i l l gas u i t a b l eo r d e d n gc r i t e r i o no f 血e 出舾，a n dt h es i z eo fd a t af o r t r m l s m i s s i o n nb ec u td o w ng r e a t l yb yu s i n ga p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n 如姆a l lo f t h e s e c a n b e i m p l e m e n t e d e a s i l y i n o w m o d e ls h a r i n g f r a m e w o r k i nt h ea l x ao f s e e u r i t yf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n , am u l t i - l e v e la n dd y n a m i cs e c u r i t ya c c e s s c o n t r o l 0 v i l d a c ) m o d e l h a s b e e n p r o p o s e d f o r c a d m o d e l s a m u l t i - l e v e l p r i v i l e g e m o d e l h a s b e e nd e v e l o p e dt 0s i m p l i f yt h ep r o c e s so f p r i v i l e g ed e f i n i t i o na n da s s i g n m e n t , w h i c he n r i c h e s t h ee x p r e s s i o na b i l 时a n dh e l p st or e a l i z em u l t i - g r a i n e da o c e 器c o n t r o lo nc a dm o d e l 1 h c d e p e l l d 即r e l a t i o no fp r i v i l e g ea n dt h ep r i v i l e g es t a t em i g r a t i o nb 2 w eb e e ni n t r o d u c e di n t o m l d a cf o rd y n a m i ca u t h o r i z a t i o nm a n a g e m e n tb a s e d 蛳t h eb a s i ct h e o r yo fw o f k t l o w m l d a c m o d e l i s d e s i g n e d b a s e d o n r b a c a n d 曲即口南陀h a s a l l t h e a d v a a t a g e s o f r o l e - b a s e a c c e s sc o m v l ( r b a c ) i na d d i t i o n , m l d a cs t l p l x l l 乜m u l t i - g r a i n e da c c e 豁c o n t r o l , d y n a m i c u p d a t i n g o f a c c e s s p r i v i l e g e , a n d t e a m p 一啊1 9 萨m a n a g e m e n t 证0 0 哪p a r i 蝴t o i r a d i t i o n a l c e 鹤 e o n l a l o l m o d e l m l d a c m o d e l i s m e f f i c i e n t i n c o n t r o l c o l l a b o r a t i v e o l m a t i o n g k e y w o r d sc a i ) ；, n e t w o r k - c e n l f i e g e o m e t r i c m o d e l i n g ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ； f e a t m b a s e dm 0 d e l i i l g ；m u l t i - r e s o l u t i o nm o d e l i n g ；l e v e l - o f - d e t a i l so d d ) ；m o d e ls h a r i n g ； m o d e ls t r e a m i n g ；p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ；i n f o r m a t i o ns e c t a i t y ；a c c e s sc o n t r o l ；r o l e - b a s e d a e c e s s c o n t r o l ( r b a c ) ；m u l t i - l e v e l a n d d y n a m i c s e c u r i t y a c c e s s c o n l r o l ( m l d a c ) 浙江大学博士学位论文田表目录 图表目录 图1 1 两种不同类型的多分辨率造型。7 图1 2 边界模型流式传输框架8 图1 3 安全系统开发方法1 0 图2 1 基于t - c u r v e 的网格简化1 6 图2 2 基于特征识别的设计模式2 0 图2 3 基于特征标识的设计模式2 0 图2 4 基于特征的设计模式 图2 5 特征依赖图2 3 图2 6 基于特征的设计过程2 4 图2 7c s g 树一2 4 图2 8 特征造型次序与结果模型2 8 图2 9 单独特征的去依赖抑制。 图2 1 0 特征集的去依赖抑制 图2 1 1 特征与造型对象依赖图 图3 1 多分辨集成系统结构图3 3 图3 2 多分辨率造型器系统结构 图3 3 特征序列计算3 5 图3 4 特征表面积排序 图3 5 对象定义中的拓扑对象引用 图3 6 尺寸定义与约束关系中的拓扑对象引用3 7 图3 7l o d 层次划分3 9 图3 8 拓扑对象的i d 匹配4 4 图3 9 产品模型的层次结构4 5 图3 1 0 装配体简化与配合关系维护4 6 图3 11 装配体的选择性细化4 8 图3 1 2 基于草图的特征操作4 9 图3 1 3 基于草图简化的模型简化示例。5 1 图4 1 圆角特征操作5 6 图4 2 显示模型数据结构。， 图4 3 立方体零件的显示模型5 8 图4 4 花瓶状零件的显示模型5 8 图4 5 混合型共享数据结构5 9 i v 浙江大学博士学位论文图表目录 图4 6 流式与非流式传输 图4 7 遮挡去除 6 ( 6 l 图4 8 产品模型的整体共享流程图6 2 图4 9 产品模型的增量共享流程图 图4 1 0 产品模型的三种显示模式6 4 图4 1 1 模型数据的层次遍列6 5 图4 1 2 离散化网格模型 图4 1 3 边折叠( e c 0 1 ) 和顶点分裂( v s p l i t ) 图4 1 4t - c u r v e 简化和网格边界简化 图4 1 5 基于区域腐蚀的扩散简化 图4 1 6 基于t - c u r v e 边扫描的扩散简化 图5 1 基于引用监视器的安全模型 图5 2 访问控制模型的基本组成 图5 3 基于权限的多视图模型 图5 4 传统访问控制与r b a c 。 图5 5 m l d a c 模型 图5 6 权限状态迁移图 图5 7 角色权限的动态激活 图5 8 基于权限的装配体简化。 6 7 6 8 6 8 6 9 7 5 7 9 8 0 8 l 8 l 8 3 图5 9 角色权限动态激活与权限状态迁移 图5 1 0c m f p s 系统结构图 图5 1 l 杯子零件的设计视图 图5 1 2 电脑风扇装配体的设计视图 表3 1 零件体1 的多层次简化 8 5 8 7 8 9 9 l 表3 2 零件体1 离散化网格的多层次简化 表3 3 零件体2 的多层次简化 表3 4 零件体3 的多层次简化 表3 5 零件体4 的多层次简化 9 1 4 1 4 1 4 1 z 1 2 表3 6 零件体的初始顺序特征树4 2 表3 7 装配体1 的多层次简化( 3 2 0 5 8 ) 4 7 表3 8 装配体2 的多层次简化( 1 5 1 1 ) 4 7 表3 9 装配体3 的多层次简化( 5 2 ) 4 8 表3 1 0 装配体4 的多层次简化( 4 4 ) 。4 8 v 浙江大学博士学位论文 田衰目录 表3 1 1 装配体5 的多层次简化( 5 3 ) 表4 1 零件体l 的多层次简化( n = 2 ) 表4 2 零件体2 的多层次简化( n = 2 ) 表4 3 零件体3 的多层次简化( n = 2 ) 表4 4 零件体4 的多层次简化( n = 2 ) 表4 5 零件体5 的多层次简化( n = 2 ) 4 8 7 0 7 l 7 l 7 l 7 2 第1 章绪论 c a d c a m 经过n l 十年的飞速发展，已从原来的二维制图转变成三维造型，特别是 特征技术、参数化设计、变量化设计和超变量化设计技术的应用，更加推动了c a d c a m 技术的进步【1 1 。随着工业的全球化、市场国际化、贸易和投资自由化的发展，使得产品 模型更自1 1 趋于复杂化发展，产品设计与开发涉及的领域和人员都发生了重大的变化；跨 国、跨公司、跨领域的产品开发变得越来越频繁，设计师、工程师、 | 目j 造- g r 、供应商、 及消费者间的协作也变得越来越重要，这些在传统的c a d k ：a i v i 是无法实现的。而计算 机软硬件及网络技术的发展，促进了网络击功己与c a d 技术的结合，改变了工程i 殳计模 式，形成了网络化c a d 技术，为产品的全球化设计与生产提供了可能。 几侗造型是c a d c a m 的基础，产品的设计、开发与银睦都是基于产品模型之上， 而产品模型必须通过几何造型获得。在网络化c a d 中，其几何造型技术也必须围绕网 络为中心，是网络化的n 舸造型技术。它与传统的几何造型技术的侧重点不同，它刁；但 要解决三维c a d 模型的创建、计算、检查与分昕等问题，更着重于 解决i 舌台于网络环 境的模型数据表示、数据交涣与共享、模型数据安全等新的问题。本文将针对网络化几 何造型中的这些新问题展开研究，其中主要侧重于特征模型的多分辨率造型、模型数据 的快速共享、和模型协同安全三个方面的技术研究，并提出相应的理论模型和解决方案。 多分辨率造型技术是种根据用户需求提供不同细节层次模型的造型方法，它可以 提高设计开发效率、增强协同安全和减少网络数据传输量等，特别是在当前大工业生产 环境下更加具有重要的实际意义。 在协同设计环境中，需要在不同地理位置的客户端之间传输模型数据，由于产品模 型的复杂化和网络带宽及速度的限制，要实现复杂模型的实时交互和实时渲染，往往还 是比较困难。这就需要稠多分辨率造型技术，通过对模型数据进行不同程度的简化和 压缩，减少传输数据量，加快传输速度。虽然计算机软硬件及网络技术的快速发展，在 一定程度e 解决了协同设计中由于网络传输速度慢所带来的问题，但工业的需求也是无 限锖归目长的，模型的复杂化程度也是今非昔比，这不但需要有良好模型共享机制，同时 也需要有多分辨率造型技术支持。 在协同设计过程中，为了更好的进行产品协作设计，每个设计者往往被安排在个 有限独立的设计空间中进行活动，其设计过程只涉及到产品的有限部分。因此他只需其 私有设计空间的全分辨率模型和低分辨率的其他部分模型。为实现此目的，需要有良好 的权限访问控制机制支持，它能根据设计者的不同设计权限，利用多分辨率造型技术抽 取所需的模型数据，得到不同设计者所需的视图模型，从而既能西缸设计过程的正确实 施，又能减少网络传输数据量，达到实时操作的目的，同时还防止设计者的越权行为。 浙江大学博士学位论文：网络化几何造型关键技术研究 其中多分辨率造型技术、模型数据安全机制是硎少的关键拢术。 在数字化产品生命周期中，模型在各个不同阶段有不同的特性和不同要求。其中在 工程分析和c a m 等下游阶段，含有完全细节特征的详细设计模型是不需要的，需要系 统能根据具体的工程意图、分析方法、精度要求、系统陛能等因素提供不同层次的简化 模型。同时模型中过多的细节特征不但会增加计算复杂度和分析时间，同时会严重干扰 分析的结果。因此，需要有相应的多分辨率造型技术对谤细模型进行简化，提取所需要 的简化模型。 产品模型是厂家和设计者智慧和心血的结晶，它包含着巨大的知谚铲权。特别是窿 数字化时代中，产品模型的知识产权保护是个重要难题。方面厂家为了推广其产品， 需要尽可能多的将漠型嘲酿葫跆用户，让用户有勋直观的燃果以更好地了解模 型。另方面为了保护模型的知识产权，需要有多分辨率造型技术和良好的模型安全访 问控射肌制的支持，能将某些关键部分特征进行隐藏，实现知识p 钡的保护。 总之，多分辨率造型技术、模型数据共享技术和安全的模型访问控告帆制，不但适 应了工业设计、生产、制造的需求，也为产品展示、协同设计、模型分析提供了有力保 障。然而，当前大多数多分辨率造型技术研究都是基于多边形网格模型，通过对底层拓 扑、门舸对象的简化和合并等操作实现模型的多层次表示。这种表示可以应用于简单的 模型显示、模型传输等 贞域。但对于产品设计、分昕、锖嶝领睐说，模型是含有设计 意图等高层语义的信息模型，基于网格模型的多分辨率造型技术不能按用户意图对模型 进行简化，其简化结果模型往往也是令人匪夷所思，无法满足c a d c a m 相关$ 觅域的需 求。现育制燃享方剖职十简单，没有综争斯斟蜘澎船量、黼传输方式、数据传 输次序等问题，也没有充分考虑基于特征的产品设小螂点进行优化。在安全访问机 锖0 方面，已有了莲粼系统的访问控甫蟛匏擞相组提出和应用，但c a d 协同环境中的 安全访问控制问题的研究相对于其他领域的研究起步较晚，已不能满足应用需求；同时 传统的访问控制方法又不能完全适应于汝同c a d 环境的特殊需求。 因此，本文将针对当前的多分辨率造型，模型数据共享、模型数据安全性机制三个 方面的不足，着手于网络化c a d 环境下特征产品模型的相关技术技a 吲院，以提出一 种新型的基于特征的多层次语义建模方法、个开放的模型数据共享框架、个新颖的 c a d 模型的多层次动态访问控制模型，并给出了各自的理论模型和具体的实施方案，然 后结合实际展开深入地窿用研究。本章的剩余内容针对以上问题安排如下：1 2 节简要 地综述了与本文研究内容相关的些国内外研究现状。1 3 节列出了本文的主要贡献与 研究内容。1 4 节是本文大纲和各章节安排。 本节简要地综述了与本文研究内容相关的一j 些国内外研究 i 作和研究现状，其中包 括几何造型技术、多分辨率造型技术、模型传输技术和协同安全技术四个方面。 2 1 2 1 几何造型技术概述 月舸造型是通过对点、线、面、体等几何元素，经过平移、旋转、变化等n 胴变换 和并、交、差等集台运算，构造维数致的正则形体和维数不致的非正则形体，从而 产生实际的或想象的物体模型【2 】。n 舸造型在工程和产品的c a d c a m 、工艺美术及广 告影视的计算机辅助制作等方面都是杨瞄f 基础。 形内蝴冲存讲常用的表示模型：蜘貘型、表面模型和实体| 奠型【3 】。线框 模型( w n e f r a m e m o d e l ) ，作为上个世纪5 0 年代末6 0 年代常用的几何模型，是三维漠 型中最简单的种形式，它利用产品形体的棱边和顶点来表示产品的几何形状，并按层 次排列成体边一点的关系，它不存在面的概念，这就是典型的二维计算) 朗绘图技术。 由于本身的固有缺陷，绩淮粥疆归日基茸效地区分物体的内匍啪夕p 部，断面也无秸；表达， 在实际应用中般不单独采用。 表面模型( s u r f w = e m o d e l ) ，用有向棱边围成的部分来描述形体表面，用形体表面的 集合来定义形体，从而满足曲面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等应用，使之 在工程中得到广泛的应用，但由于表面模型只能表达形体的表面信息，无法自动形成一 个实体，无法区分表面曲面某侧是体内还是体外，模型的截面也无法识别，因此表面模 型仍满足不了工程优化设计的需求，它主要应用于产品的工业造型领域，如汽车车身、 飞机机房和船体造型等。 实体模型( s o l i d m o d e l ) ，是三维建模的最重要的方法，它增加了实体存在侧的明确 定义，给出了表面间的相互关系等拓扑信息，因而能够对物体进行唯一的、无冲突的和 完整的n l 伺描述，能精确表达零件的全部属性，有助于统一c a d 、c a m 、c a i e 的模型 表达，在设计和加工上可以减少数据的损失，保持数据的完整性，传统的c a d c a m 系 统般都用实体模型表示产品。 随着几何造型技术的发展，又产生了许多其他的造型方法，如分形( f r a a a l ) 造型 法、体绘制技术以及从二维图像信息构造形体的算法，这些方法已极大的扩大了传统几 伺造型方法的覆盖域和速度。但这坐剃方法主要针对于特殊的应用领域，不具有通用 性；同时实体模型仅包含产品的几何信息，它不能为下游领域( 如工艺规划、加工制造 等) 提供设计、分析、制造等信息，由此后来提出了特征造型法，并已成为当今c a d 系统的主要造型方法。 特征( f e r u l e ) 这术语最早出现在1 9 7 8 年麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇 学士论文“c a d 中基亍嘈寺征的零件表示”【4 】。此后几年，特缸嗷术的研究晒撇开， 到1 9 8 8 年末公布的s t e p 标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使它 从此获得了国际标准的法定地位。到了力十年代，大部分的商品化系统都具有了特征参 数化造型的功能。 为了解决月何造型中产品信息定义的不完备和低层次的抽象性问题，特征造型技术 应运而生。特征造型的主要优点是可以将产品的功能、工程信息与形状信息关联，统一 浙江大学博士学位论文：网络化几何造型关键技术研究 于产品模型中，可以将产品的功能需求、原理方案以及设水豌喊下游的毒蜷信息等集成 到设计阶段，实现并行设计，因此它具有如下特点f 3 】： 着眼于表达产品数据的完整性，为建立数字产品多态信息模型提供信息服务。 设计工作在更高层次e 进行，设计人员操作的对象不再是原始的线条和体素， 而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔和键懵等。 采用反映各个环节特征要求的特征集来进行设计，使数字产品在设计时就考虑 了各个环节的要求，为数字设计、数字分析、数字加工、数字装配、数字检测 和数字销售等后续工作提供了t f k - l g 。同时通过使用特征的方法，还可以进步 建立和不断完善特征库，以便在后续产品开发中尽量减少重复劳动，有利于产 品的创新设计。 特征是表达产品某领域信息的单元，它由组产品的特定属性集构成。特征定义 和产品描述与产品的具体视图相关，与产品生命周期的具体阶段相关。从层次上，特征 包括基本的n 。伺特征、语义特征、行为特征，和最终形成盼全月将征；从类型上，特征 分为形状特征、精度特征、工艺特征、材料特征和装配特征等。 随着特征造型技术的发展与应用，些新造型技术也彼相继提出了【l ，5 1 ，其中有参 数化技术、变量化技术。参数化技术( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y ) 的关键是几何约束关系的 提取和表达、约束求解以及参数化八婀模型的构造；它的主要特点是：基于特征、全尺 寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。约束( c o n s w a i n t ) 是指利用些规则或限制 条件来规定构成实体的元素之间的关系。变量化技术( v a r i a t i o n t e c h n o l o g y ) y t 询：x , - j - 欠 约束的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的月舸形状放 在第一层次而暂不用考虑尺寸细节，设训螂对宽松。变量化设计可以用于公差分析、 运动杌构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得d 应手。 但这两种技术都依赖于特征技术之e ，相当于是特征造型技术的辅助工具和具体实现途 径，共存于商业的三维c a d 系统中。 j 比外，也有2 些身寺殊的几何造型技术问，其中有l m p a c t x o t t 提出的功能造型方法明， 它利用最终产品的功能来驱动造型，用功能对象表示( f u n c t i o n a lo b j e c t r e p r e s e n t a t i o n ) 描述产品的造型过程，隐含表达了设计意图。 多分辨率造型技术是计算胡图形学领域中个研究热点。关于网格模型的多分辨率 造型技术的研究已经相当成熟，并已经提出了许多非常优秀的多层次表示方法。在 c a d c a m 等相关领域，早期的多分辨造型技术研究大都集中于将零部件模型转化成网 格模型，利用现有成熟的网格模型的多分辨率技术进行处理，得i j 产品模型的近 以多层 次表示。由于网格简化操作的是底层的点、线、面对象，简化结果往往与设计需求不一 致，且网格模型不含有设计意图等高层语义，不能蔺足应用需求，由此部分学者提出基 于c a d 设计模型的多分辨率造型技术。 4 绪论 1 2 互1 通用网格模型的多分辨率技术 网格模型的多分辨表示的生成算法可以分为两种：基于小波的多分辨率分析，和基 于网格简化或者网格细分操作的多分辨率造型【8 】。 ( 1 ) 基于小波的多分辨率分析 小波分解方法为层次细节模型提供了个完美的数学表达方式。小波技术为多分辨 璋功市i 提供了简单、致的力法来盟姻躲网格在有储、传输、编辑以及绘制中的问题