三维造型基础

三维造型CAD技术的发展和介绍车辆1101 高建歌 201115910133三维实体造型是研究物体的立体部分的统一表示，也就是说，立体物体的适合计算机处理的模型。也被称为体造型。目前被广泛认知的三维软件有AutoCAD0AutoCAD三维建模，解决了从空间到平面、平面到空间的画图和读图的问题，有助于提高空间思维能力和构形能力，降低了学习过程中读图的难度，促进了人们对三维图形的理解。CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。CAD/CAM技术起源于航空工业，由于飞机外形复杂含有大量的自由面，所以CAD/CAM技术从一开始就与三维实体造型紧密联系在一起。CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。CAD/CAM技术的迅猛发展，软件、硬件水平的进一步完善,为模具工业提供了强有力的技术支持，为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃,已经成为现代企业信息化、集成化、网络化的最优选择。AutoCAD是一个具有交互式和强大二维功能的绘图软件，如二维绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD软件是目前应用最广的CAD软件。三维实体造型的基本参数：扫掠：把一个元素沿着一条路径”扫出”的一个立体特征叫做面特征。这些体积要么加到物体上拉伸要么切除材料。也叫做“基于草图的造型。和各种制造技术类似，例如挤压铣,车削等等。边界表示：一个立体可以用其边界表面表达，然后填充成为实体。和各种制造技术类似；注模铸造，锻造，热塑加工等等。参数化体素（也称基元）实例化从一个参数化的体素库中挑出并指定参数得到一个物体。例如，螺栓在库中有一个模型，通过修改它的参数集合这个模型可以用于所有螺栓的尺寸。空间占领：整个空间子分成规则块，物体通过指定它占据了那些块来表示。这样表示的物体可用于有限差分析。这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。分解：和”空间占据”类似，但是块可以不规则，也不用”预编织”。这样表示的模型可以用于有限元分析，这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。构造实体几何：用象并，差，交这样的布尔操作把简单的物体组合起来，通常有树形的等级结构。基于特征的造型：物体和操作的复杂组合可以作为一个单元一起修改和复制，操作的顺序存储在一个树状结构中，参数的改变可以在树中传播。参数化造型：特征的属性被参数化，并给予标签（变量名）而不仅是固定的数字尺寸，整个模型的参数间的关系也记录下来，使得参数值的改变变得更简单。几乎总是和特征联合使用，称为基于特征的参数化造型系统。三维实体造型的表示方法三维物体的表示模型：实体在计算机中常用线框、表面和实体三种表示模型。三维物体的表示方式：针对不同的表示方式，几何造型系统采用的数据结构也有所不同。体素构造表示。它以一组简单的物体通过正则集合运算来构造新的物体，这些简单的物体称为基本体素，可以是立方体、长方体、圆柱体、圆锥体等。边界表示。边界表示法通过描述构成实体边界的点、边、面而达到表示实体的目的，实体与其边界一一对应。空间分割表示。将基本体素通过“粘合”构造新的物体。单元分解表示、八叉树表示等属于这种表示方法，特征表示法也可看作这种表示方法的特例。物体可以通过描述它的边界来表示，如此表示三维物体的方法称为边界表示法。所谓边界就是物体内部点与外部点的分界面。显然，定义了物体的边界，该物体也就被唯一的定义了。边界表示法与传统的工程绘图有密切的联系。输入两个点，即可以通过两个给定点连接一条线。若干条首尾相接的线段（即棱边，在计算机图形学中它们被定义成物体的相邻表面的交线）可形成一个闭合环，一个或多个环给出一个面的边界。最后，若干个表面闭合后围成一个“体”边界表示法的一个很重要的特点是在该表示法中，描述物体的信息包括几何信息与拓扑信息两个方面。拓扑信息物体的拓扑信息是指物体上所有的顶点、棱边、表面间是怎样连接的。几何信息物体的几何信息指的是顶点、边、面的位置、大小、形状等几何数据。一个在空间移动的几何集合，可扫描出一个实体。它是以沿着某种轨迹移动点、曲线或曲面为基础的，这一过程所产生的轨迹定义为一维、二维或三维物体。Sweep运算要求定义要移动的物体和移动的轨迹，物体可以是曲线、曲面或实体，轨迹则是可分析的、可定义的轨迹Sweep运算大致分为三种：平移式、旋转式和广义Sweepo⑴平移Sweep若一个二维区域（图形）沿着轨迹作直线移动而形成空间区域（三维图形）这种方法称平移Sweep。常用的立方体和圆柱体等基本体素即可用此法生成。图像建模与绘制近年来，基于图像的建模和绘制技术得到了广泛的关注。基于图像的三维重建是虚拟现实技术的核心问题，主要研究如何合理、有效地获取和处理场景信息，实现对场景的三维重建等。计算机视觉是研究如何利用一幅或多幅二维数字图像，恢复所拍摄的目标物体的三维几何信息，其中包括目标物体的三维几何坐标，目标物体之间的遮挡与相交关系、目标物体的三维运动信息等。利用数字图像恢复目标物体的三维几何信息的算法包括双目视觉，立体光度学等算法，下面介绍双目视觉的基本原理。双目视觉是最早、最基本的一种计算机视觉算法。其原理是仿照人类双目视觉系统，利用放置于不同位置的两台摄像机，对同一目标物体同时拍摄两幅数字图像，用两幅图像建立图像中各点的三维坐标。讨论双目视觉原理涉及到三个坐标系：世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系。世界坐标系中的点坐标记为P（xw,yw,zw）,在摄像机坐标系用（xc,yc,zc）表示。图像坐标为摄像机所拍摄到的图像二维坐标，分为两种：（u,v）是以像素为单位的图像坐标，（x,y）是以毫米为单位的图像坐标。建立以毫米为单位的图像坐标是因为（u,v）坐标只表示了像素在数字图像中的行数和列数，并没有表示出该像素在图像中的物理位置。实现三维重构要解决的问题：为了获取空间射线的方程，首先需确定左、右摄像机各自的成像变换矩阵，求出成像变换矩阵中的各元素，这一过程称为摄像机定标。实体造型技术研究真实物体的适合计算机处理的三维模型表示，是三维CAD系统的核心技术之一。数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前参数化技术大致可分为如下三种方法：（1）基于几何约束的数学方法；（2）基于几何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法。其中数学方法又分为初等方法和代数方法。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际应用