计算机三维建模技术

计算机三维建模技术及其应用

摘要：三维建模是利用三维数据将现实中的三维物体或场景在计算机中进行重建，最终实现在计算机上模拟出真实的三维物体或场景。而三维数据就是使用各种三维数据采集仪采集得到的数据，它记录了有限体表面在离散点上的各种物理参量。三维建模逐渐在各个领域中发挥着越来越重要的作用。

关键字：曲面建模、实体建模

1.三维建模的含义

三维建模在现实中非常常见，雕刻、制作陶瓷艺术品等，都是三维建模的过程。人脑中的物体形貌在真实空间再现出来的过程，就是三维建模的过程。广义地讲，所有产品制造的过程，无论手工制作还是机器加工，都是将人们头脑中设计的产品转化为真实产品的过程，都可称为产品的三维建模过程。狭义地说：三维建模是指在计算机上建立完整的产品三维数字几何模型的过程。一般来说，三维建模必须借助软件来完成，这些软件常被称为三维建模系统。

三维建模有以下特点：三维建模呈现立体感，具有动画演示产品的动作过程，直观、生动、形象；三维建模的图形、特征元素之间通过参数化技术保持数据一致，尺寸和几何关系可以随时调整，更改方便；三维建模的造型方法多样，较好的适应工程需要，支持工程应用，支持标准化、系列化和设计重用，提供对产品数据管理、并行工程等的支持。

三维建模方法从原理上可以分为几何建模和特征建模两大类，而几何建模又可以分为线框建模、曲面建模和实体建模等几种方法。

2.三维曲面建模

三维曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种

建模方法。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，这些组成面可以使构成一个个基本的曲面元素。然后通过这些曲面元素的拼接，就构成了所要的曲面。在计算机内部，曲面建模的数据结构只需要在线框建模的基础上建立一个面表，即曲面是由哪些基本曲线构成。一般常用的曲面生成方法：线性拉伸面、直纹面、旋转面、扫描面等。

曲面模型主要适用于表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面，如汽车、飞机、传播、水利机械等产品外观设计以及地形、地貌、石油分布等资源描述中。三维曲面模型是将物体曲表面划分为若干曲面片再进行光顺拼接。在曲面模型的构建中，通常是采用曲面图素来拼接，曲面图素可以分为基本曲面、规则曲面、自由曲面和派生曲面等。

（1）基本曲面是指构成物体的最基本曲面，如圆柱面、球向等，要求具有典型性且数量最少。基本曲面也可以通过拉伸、回转、扫描等造型方法生成。

（2）规则曲面是指能按照一定规律生成的曲面，如直纹面、回转面等。

（3）自由曲面。常见的有Bezier曲面、B样条曲面等

（4）派生曲面，是指在已存在的曲面或实体上生成的曲面，如圆角曲面、过渡曲面等。

3.三维实体建模

三维实体建模信息丰富，除了能实现表面模型的功能外，还能满足物理性

能计算，如质量和质心的计算。在产品的设计中，三维实体建模技术更符合人们对真实产品的理解和习惯。

三维实体模型的构型方法常用计算机内存储的体素（Primitive），经集合论中的并、交、差运算构成复杂形体。体素是一些简单的基本几何体，如长方体、圆柱、圆锥和球等。实体建模方法有三种方法：（1）构造实体几何法：如GSG 法，即用体素拼合构成物体的方法。

（2）边界表示法也称为B-Rep表示法

（3）扫描表示法：基于一个基体沿某一路径运动而产生形体。

三维实体建模的造型方法更适合于规则物体的处理。可运用于在计算机辅助制造( CAM) 中和在快速原型/ 零件制造技术( RPM) 中等等。

4.三维建模数据接口

产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织(ISO)所制订的国际统一CAD数据交换标准。所谓产品模型数据是指为在覆盖产品整个生命周期中的应用而全面定义的产品所有数据元素，它包括为进行设计、分析、制造、测试、检验和产品支持而全面定义的零部件或构件所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，另外，还可能包含一些和处理有关的数据。

IGES是80年代初美国国家标准局(ANSI)制定的初始图形交换规范，1981年(ANSI)将其接收为国家标准，是一种被广泛接受的中间格式，用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。

IGES标准文件数据是若干个实体的集合，用几何信息和非几何信息描述，几何信息包括点、线、圆弧、参数曲线、NURBS曲线、参数曲面、NURBS曲面等构成，非几何信息包括标注、定义和组织等。由此可见，IGES格式主要用来实现实体与片体的转化，实体文件转为IGES格式后，实体属性丢失，实体变为片体。

5.三维建模技术的发展趋势

三维建模是现代设计的主要技术工具。三维建模方便、直观，包含的信息更加完整、丰富，对于提升产品的创新、开发能力非常重要。

三维建模系统的主要发展方向如下。

（1）标准化：主要体现在不同软件系统间的接口和数据格式标准化，以及行业标准零件数据库、非标准零件数据库和模具参数数据库等方面。

（2）集成化：产品各种信息（如材质等）与三维建模系统的集成。

（3）智能化：三维建模更人性化、智能化，如建模过程中的导航、推断、容错能力等。

（4）网络化：包括硬件与软件的网络集成实现，各种通信协议及制造自动化协议，信息通信接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。目前许多大的CAD/CAM软件已具备基于Internet实现跨国界协同设计的能力。（5）专业化：从通用设计平台向专业设计转化，结合行业经验，实现知识融接。（6）真实感：在外观形状上更趋真实化，外观感受、物理特性上更加真实。

不论从技术发展方向还是政策导向上看，三维建模都将在现代设计制造业中占据举足轻重的地位，成为设计人员必备的技能之一。

6.参考文献

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