（机械设计及理论专业论文）三维动画及运动仿真技术的研究.pdf

三维动画及运动仿真技术的研究摘要c a d ( 计算机辅助设计) 技术从2 0 世纪5 0 年代出现以来，得到了迅速的发展和广泛的应用，并从绘图发展到三维造型，目前已经成为各个设计行业中不可或缺的辅助工具。传统的产品设计通常采用平面图形表示机械零件及其装配关系，设计的结果是机器在某一位置的静态平面图形。这种方法难以反映机器在运行过程中各零件的运动状态及其相对位置关系，无法直观地判断运动是否合理，各零件之间是否存在干涉等。随着c a d 技术的发展，三维造型及计算机动画技术己逐步得到应用，这些技术生成机器的三维实体动画和运动仿真动画，可有效地解决上述问题。本课题对三维实体动画技术进行了深入的研究，在基于j h s o l i d 三维软件系统框架基础上，利用面向对象技术及编程方法，0 p e n g l 的双缓冲动画方法、矩阵变换和显示列表功能，实现了三维实体的旋转动画；基于产品装配模型和p a r a s o l i d 几何边界模型的矩阵变换，实现了三维装配体的爆炸动画、解除爆炸动画和机构运动的仿真动画；利用v i s u a lc + + 的a v i c a p 窗口类实现屏幕上的三维实体动画过程的实时捕获。经过程序编制，调试和反复测试，证实该程序成功地实现了上述功能，验证了其方法的正确性与实用性。关键词：动画；三维实体；运动仿真；屏幕捕获：o p e n g k三维动画及运动仿真技术豹研究a b s t r a c tc a d ( c o m p m e ra i d e dd e s i g n ) t e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e e nw i d e l ya p p l i e ds i n c ei t sa p p e a r a n c ei n1 9 5 0 s he x p e n d st o3 ds c u l p t i n gf r o mp l o t t i n ga n da l r e a d yb e c o m e si n d i s p e n s a b l ea u x i l i a r yt o o lo f v a r i o u si n d u s t r i e ss i n c et r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g nc o m m o n l ys i g n i f i e sm e c h a n i c a lp a r t sa n dt h e i ra s s e m b l yr e l a t i o n sb yi c h n o g r a p h ya n ds h o w sm a c h i n ea tas e t t l e dp o s i t i o n i t sn o to n l yd i f f i c u l tt od e s c r i b et h em o v e m e ms t a t eo fp a r t sa n dt l l e i ru b i e t i e sw h e nt h e ya l ew o r k i n gb u ta l s oi n c a p a b l et od i r e c t l yd e t e r m i n ew b e t h e ft h em o v e m e mi sr e a s o n a b l ea n dt h ei n t e r p o s i t i o no c c u r so rn o tt h i sp r o b l e mw i l lb er e s o l v e de f f e c t i v e l yw h e n3 ds c u l p t i n ga n dc o m p m e ra n i m a t i o nt e c h n o l o g yb e g i nt ob ea p p l i e dt o3 de n t i t ym o v e m e n ts i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , 3 de n t r ya n i m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e d i ti sd e s i g n e dw i t ho b j e c t - o r i e n t e dm e t h o db a s e do n3 dm o d e l i n gs o r w a l e - - - j h s o l i d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt oi m p l e m e n t3 dr o t a t i n ga n i m a t i o n , e x p l o d e da n i m a t i o n , r e t r a c t i n ge x p l o d e da n i m a t i o na n df r a m e w o r kw o r k i n gs i m u l a t i o na n i m a t i o no f3 da s s e m b l ye n t i t i e sb a s e do np r o d u c ta s s e m b l ym o d e l sw i t hd o u b l eb u f f e r st e c h n o l o g y , m a t r i xt r a n s f o r ma n dd i s p l a yl i s to fo p e n g la n da l s or e a l i z ev i d e oc a p t u r i n go fa n i m a t i o np r o c e s sa n dr e c o r d i n gt h ev i d e oc a p t u r er e s u l ta sa na v if i l ei th a sv e r i f i e dt h a tt h i sp r o g r a mh a ss u c c e e d e di nr e a l i z i n ga b o v e m e n t i o n e df u n c t i o n s ，w h i c hp r o v et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d k e y w o r d s ：a n i m a t i o n ；3 ds o l i d ；m o v e m e n ts i m u l a t i o n ；s c r e e nc a p t u r e ；o p e n g l兰维动面及运动仿真技术的研究1 绪论1 1c a d 技术概述mc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 作为制造业最核心和关键的技术，在制造业信息化的潮流下，它的发展直接影响到与之紧密相关的各个环节如c a m 、c a p p 、p d m 、e r p等的实施与发展。可以这么说，没有一个自主和成熟的c a d 系统，我们就不可能有一个自主和成熟的制造业信息化系统。从2 0 世纪5 0 年代出现阻来，c a d 技术得到了迅速的发展和广泛的应用，并从而使绘图发展到三维造型，目前已经成为各个设计行业中不可或缺的辅助工具。所以，大力发展c a d 技术是我国制造业信息化发展道路中的重中之重。1 1 1c a d 技术的发展阮3 ”j 盯c a d 技术开始于2 0 世纪5 0 年代。第l 代c a d 系统出现于6 0 年代，1 9 6 2 年美国学者i v a ns u t h e r l a n d 研究出了名为s k e t c h p a n d 的系统，1 9 6 4 年美国通用公司研制出d a c 1 系统，1 9 6 5 年贝尔公司推出了g r a p h i c 1 系统，洛克希德公司研制了c a d a m系统。这些系统利用解析几何的方法定义点、线、圆等图素，能在屏幕上进行图形设计与修改，主要绘制二维图形。第2 代c a d 系统始于7 0 年代，它是二维绘图及三维线框系统，用于二维交互绘图和三维几何造型。采用三维线框模型、曲面模型和实体模型进行几何造型，采用实体几何构造法和边界表示法进行实体造型。虽然这些系统只能解决简单的产品设计问题，但是7 0 年代是计算机图形学及计算机绘图广泛应用的时代。第3 代c a d 系统始于8 0 年代中期，由于工业界认识到了c a d c a m 新技术对生产的巨大作用，涌现出大量的新理论、新方法。在软件设计方面将设计与制造的各种单个软件集成起来，既可绘制工程图形，又可进行三维造型、有限元分析、机构及机器人分析与仿真等。广泛采用了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法进行建模，因此出现了各种特征建模系统、参数化设计系统。这种系统可满足二、三维模型修改时的相互关联性，及c a d c a m 的信息集成。随着科学技术的进步，c a d正经历着由传统技术向现代技术的转变，因此，第4 代c a d 系统己初显端倪，人们称为现代c a d 技术系统。现代c a d 技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计工具、设计环境等技术的总称。它能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，从而缩短设计周期，提高产品设计质量，降低产品成本。1三维动画及运动仿真技术的研究1 1 2c a d 技术现状与产品订8 9经过四十多年的发展，c a d 技术有了长足的进步。现在c a d 主要运行在工作站或微机平台上。随着p e n t i u m 芯片和w i n d a w 心r r ，2 0 0 0 ，) 固操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的c a d 软件现在也可以运行在微机上。欧美等西方国家的c a d 发展起步较早，技术积累时间长，资金、技术力量雄厚。耳静市场上最有影确的软件有：u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g ，a u t o d e s k 公司的基于p c 平台的m d t 及其主导产品a u t o c a d ，生信国际有限公司的基于w i n d o w s 的s o l i d w o r k s ，以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n c a d ，美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的p r o e n g i n e e r 及美国s d r c 公司的b d e a s 等。国内三维c a d 软件开发起步晚、发展快，经过近2 0 年来的探索和发展，一些单位和高校相继推出具有我国自主版权的三维c a d 软件，但与国外产品相比还存在一定的差距。目前国内3 d 软件有：北京高华计算机有限公司的高华c a d ，北京北航海尔软件有限公司的c a x a 电子图板和c a x a - m e 制造工程师，浙江大天电子信息工程有限公司的g s c a d ，广州红地技术有限公司的金银花( l o n i c e r a ) 系统及华中科技大学机械学院的开目c a d 等。由于国内具有自主版权的c a d 系统，软件价格便宜，符合本国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。但是，我国c a d c a m 软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。同时，我们也具有一定的优势，比如了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。在这些前提下，我们不仅要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，遵守各种国际规范，在国际国内形成自己独特的优势，更要立足国内，结合国情，面向国内经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国入习惯的c a d c a m 软件【1 0 1 。在微机平台上开发c a d c a m 软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多，都是使用v i s u a lc + + ，o p e n g l 等工具进行软件开发，在这基础上开发出先进的，符合本国用户习惯的c a d c a m 软件是很有前途的。总之，开发c a d c a m 软件的最终目的是应用c a d c a m 技术，提高企业的设计和制造水平，所以，c a d c a m 软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，从市场中收回投入，从而能够根据用户的需求不断地更新发展软件。1 1 3c a d 技术的应用h 川目前，我国工程机械行业应用机械c a d 技术主要可分为两个层次：第一个应用层次是主要利用机械c a d 来进行二维工程图的绘制，结束手工绘图2三维动删及匿动仿真技术的研冗的历史，我国8 0 左右的工程机械制造企业( 主要是中、小企业) 处于这个层次。利用机械c a d 绘图可以明显地缩短产品开发周期，提高设计效率和质量，减轻人工劳动强度，提高经济效益。针对我国工程技术人员计算机知识缺乏、素质偏低的实际情况，首先普及计算机绘图是实现全过程机械c a d 的基础。实践证明，普及计算机绘图技术起到了很明显的效果。第二个应用层次是三维造型- - 维设计及其相关技术的应用，主要包括以下内容：1 三维造型三：维设计；2 计算机辅助工程分析( 包括有限元分析及其它工程分析) ；3机构运动分析运动机构设计；4 装配干涉检查、数字化预装配；5 三维转二维，生成二维工程图，并进一步解决图纸档案管理等问题。近年来，传统的机械设计和制造正逐步实现直接在三维全真的环境下进行产品的构思、设计和制图，利用与三维设计软件相配套的有限元分析系统、机构运动仿真、数控加工程序，可实现设计数据直接传输到加工过程，而无需再经过从二维到三维的转换。三维工程设计符合人的思维习惯，对复杂形体的表达能力尤为突出，具有形象、直观、准确、快速、全面的特点【l ”。三维c a d 设计能够方便地解决工程设计中的关键问题。在产品设计研制过程中，往往问题集中出现在部件及整机的装配阶段，若设计工作直接采用三维c a d 技术，就能在计算机上通过任意旋转、剖切直接观察产品的实体模型，设计上有无缺陷、各零部件的装配关系有无干涉现象等问题，均能预先通过计算机屏幕进行模拟装配、机构运动仿真、检查及修改。三维装配设计修改的结果自动影响三维模型的改变，三维实体的修改直接影响二维工程图。这种将“试制过程”置于设计阶段的设计理念，省去了从三维转化为二维、再从三维恢复到二维的繁琐过程，从而完全避免了传统工程设计模式下做成实物后再重新返工的弊端。由于三维c a d 设计能够全面地反映设计对象，因而使得产品设计的成功率大大提高。基于三维几何造型技术的c a d c a m 系统的已被广泛的应用在工业领域。在机械行业的设计方面，应用它可以逼真地反映物体的外观，检查零件之间的装配关系，高效、准确地生成图纸：在分析计算方面，它可以精确地计算出零件的质量、质心、转动惯量、表面积等物性参数；在进行计算机辅助制造时，可以引用几何造型的结果，直接规划数控加工的刀具轨迹：在运动学分析方面，几何造型系统可以完成机械手的动作规划、运动模拟以及零件的干涉检查。三维动画及运动仿真技术的研究1 2 三维动画和运动仿真技术1 2 1 三维动画概述国内外对三维动画的研究得益于计算机图形学的发展。旱在计算机发展的初期，人们就渴望以图形的方式，表达周围的事物。早期的图形学主要研究二维图形，动画也是基于二维的。随着计算机硬件的发展，人们希望用更直观的方式表达周围的事物，三维图形学的发展方兴未艾，由此也推动了三维动画的发展，形成了一系列新兴学科，如虚拟现实、多媒体、计算机仿真、科学计算的可视化技术1 1 3 】等等。由于科学技术的不断进步，计算机三维动画已经综合集成了现代数学、控制论、图形图像学、人工智能、计算机软件和艺术的最新成果。三维动画主要依赖电脑图像生成技术( 简称c g ) ，以c g 技术为依托的三维动画已经成为未来动画发展的趋势。按不同的动画生成技术可以将计算机动画分为：关键帧动画、变形动画、关节动画、人体动画和基于物理的动画。其中，基于物理的动画有时也被称为造型动画或运动动画，其运动对象的运动要符合物理规律。一般造型动画( 即通常所说的刚体运动动画) 要符合运动学和动力学规律。造型动画的另一个重要部分就是所谓的碰撞检测，即检查物体间是否发生了相互碰撞，根据场景中三维物体的形状判断物体间是否发生相互贯穿的现象。目前已有很多碰撞检测方法，这些方法包括半径法、包围盒法和标准平面方程法等。由于使用造型动画能比较贴切地反映现实世界，所以造型动画在科学研究和工程模拟、教育等领域是一个很有价值的工具。科学研究领域的动画不能仅停留在通常意义的动画上，必须能够按照一定的约束关系和运动轨迹模拟真实的运动规律。通过动画模拟真实系统的运动学、动力学、控制学等行为，不仅能够直观全面地表达物体间的运动关系，清楚地展示研制对象的内部结构，而且能够检测系统的可靠性，通过调节相应参数使系统始终处于最佳状态。造型动画可将环境及特征因素考虑在内，利用运动学、动力学等规律，建立模型的运动方程，作为动画模型的运动路径，对象在设计要求下实时变换，形成连续的动画过程 1 4 1 。基于物理模型的方法实现的动画不像传统的关键帧动画那样，直接设计指定动画场景中的各元素在每个时间点的状态，而是给出初始状态，其余各帧的状态通过求解自动产生。传统的机械产品设计通常是采用平面图形表示机械零件及其装配关系，设计结果是机器在某一位置的静态图形。这种方法难以反映机器在运行过程中各零件的运动状态及其相对位置关系，无法直观地判断其运动是否合理，各零件之间是否存在干涉等问题。随着c a d 技术的发展，三维造型及计算机动画技术己逐步得到应用。用这些4三维动1 圈】及运动仿真技术自_ 瞬究技术生成机构的运动仿真图像，可有效地解决上述问题。将计算机动画和运动仿真功能融入三维机械c a d 软件中是三维机械c a d 软件发展的必然要求。同时，三维造型技术是c a d c a m 综合系统的核心技术，利用动画技术，可以模拟机构运动的轨迹并可对其进行动态检验，进行新产品设计方案的即时修改和旋转显示，模拟机器的装配过程，对机械设计来说十分重要。1 2 2 运动仿真技术概述仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识f 蚓。仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它的应用辐射各个学科、各个部门和各个领域，是当今世界的前沿科学之一。它的应用已不仅仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，仿真技术已扩大为可应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、设计分析、生产制造、试验维护、训练等各个阶段【l ”。仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也应用于由多个系统综合构成的复杂系统。我国仿真技术的研究与应用开展较早，发展迅速。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域从传统的制造领域( 生产计划制定、加工、装配、测试) 向产品设计开发和销售领域扩展。总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求，目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势1 18 】：1 仿真技术的应用范围进一步扩大。在仿真的对象及目的方面，己由研究制造对象( 产品) 的动力学和运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面：2 、与网络技术结合所带来的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分布性决定的。敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地扔作的含义：3 与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。由此形成的虚拟制造( v m ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟产品开发( v p d ：v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 、虚拟测试( v t ：v i r t u a lt e s t ) 等新概念和新技术；4 仿真技术应用的集成化。即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。仿真在c a d c a m 系统中的应用主要表现为：产品形态仿真，装配关系仿真，运动学仿真，动力学仿真，零件工艺过程几何仿真，生产过程仿真等。此外，仿真还可用于产品市场预测及分析，生产计划模拟，物料管理，生产系统的规划设计、协调及三维动画及运动仿真技术的研究可靠性分析等。机构运动仿真属于运动学仿真范畴，机构运动仿真分析己成为运动学与动力学研究的一种重要手段和方法 1 ”。利用计算机对系统进行数值仿真和图形仿真属于数字仿真范畴。对于复杂的机构，计算机在每次仿真过程中会产生大量的模型行为数据，可将这些大量的仿真结果数据转换为直观的、随时间和空间变化的图形或表格来表示，以减少工作量，提高仿真效率【2 。在进行机械新产品开发时，往往要用到大量的机构组合起来，实现预定的工艺动作。这些机构是否能够较好地实现所要求的动作，各机构之间的动作能否协调配合，是否会发生干涉，在什么位置发生干涉，不同的机构组合方案哪一个更好、更能满足设计要求。对设计好的装配体进行机构运动模拟，具有效果直观、使用方便的特点，它可以根据装配体的装配关系来自动计算机构中的运动副，并可以添加铰链、弹簧和运动发生器。通过指定主运动件可以进行运动学的仿真，并可以以任意角度进行观察，同时还可以进行机构的运动干涉检查，以便于设计者进行检验【2 l j 。三维动画图形演示，可以在仿真实时运行过程中和事后分析中展示模型中的实体运行及其相应属性的动态变化规律，使设计人员对系统模型得到概念化和形象化的理解。因此，国外三维机械c a d 软件纷纷增加了动画和运动仿真功能。目前，市场上具有三维动画和仿真功能的三维机械c a d 软件有很多，具有代表性的有：s o l i d w o r k s( a n i m a t i o n 插件) 、p r o e n g i n e e r ( d a d s p r o 模块) 、b d e a s ( m a s t e ra s s e m b l y ) 子模块，s o l i d e d g e ( s i m p l em o t i o n ) 等。国内自主版权的三维c a d 软件，在三维动画和运动仿真功能方面市场上未见有成熟的产品。1 3 课题的基本任务本课题应用面向对象的方法，在自主版权的三维c a d 软件j h s o l i d 平台上，利用用v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 进行开发。主要任务：1 利用o p e n g l 双缓存技术、矩阵变换和显示列表功能实现三维实体的全方位回转动画，使动画既能在计算机屏幕上实时显示，又能实现动态回放。2 从产品装配模型中提取零部件之间的装配关系，根据装配约束关系，求解出三维实体的运动约束。在已经构建好的系统框架基础上，利用o p e n g l 的双缓冲区、矩阵变换和显示列表功能实现三维装配体的爆炸动画、解除爆炸动画：利用计算机图形学的图形变换方法和o p e n g l 显示列表功能，对p a r a s o l i d 几何边界模型表示的三维实体进行矩阵变换，实现机构的运动模拟仿真动画。3 利用v i s u a lc + + 6 0 中提供的专门用于视频捕获的? ws d k 。对显示于屏幕上6三维动面及运动仿真技术的研究的实体动域过程进行捕获，并以a v l 0 2 2 3 1 格式文件形式存储在硬盘上。a v i c a p 窗口类支持实时的视频流捕获和单帧捕获。它能直接访问视频缓冲区，不需要生成中间文件，实时性强，效率高【2 4 】。7三维动面及运动仿真技术的研究2 开发环境及三维动画基础2 1j h s o i d 系统j h s o l i d 系统即捷惠三维设计软件系统是在w i n d o w s 9 栅2 0 0 0 p 环境下完全采用面向对象技术、o p e n g l 技术、中间内核技术研制开发完成的，具有产品级的三维实体特征造型软件系统。v j - i s o l i d 采用基于特征的和精确边界表示的p a r a s o l i d 作为实体造型、曲面造型、线框造型基础有机地融合到基于特征、约束和参数化的环境中，采用用o p e n g l 进行三维图形的渲染。2 1 1j h s o ii d 系统功能介绍j h s o l i d 系统具有三维实体造型、三维曲面造型、三维曲线造型和标准零件的三维造型。包括零件设计、装配设计、工程图设计、钣金设计和一些辅助三维造型功能。零件设计完全基于特征设计，提供各种设计特征、修改特征、辅助特征等：装配设计可以采用自底而上的设计和自顶而下的装配设计，提供符合国家标准的各种三维标准件库，并可以自动或交互生成装配爆炸图和装配内部的剖切图，及自动产生装配明细清单；工程图设计环境主要是将零件或装配模型按照工程图纸表达的要求自动产生各种视图，自动生成各方向的向视图，自动生成模型主剖视、半剖、阶梯剖、旋转剖视图、剖面图，系统自动填充剖面线等：钣金设计包括钣金基材设计、凸缘设计、冲压设计、折弯设计、展开设计、开孔设计等，在钣金展开和折弯操作时，系统自动计算折弯补偿、动态进行干涉检查。2 1 2j h s o li d 系统的产品装配模型基于物理模型的动画设计中给出初始状态，其余各帧通过求解产生。c a d 系统中的爆炸动画、解除爆炸动画和机构运动仿真动画都是针对装配体产生的，以装配体各零部件之间的装配约束为基础，根据装配体的约束关系，求解各帧的状态，所以重点介绍一下j h s o l i d 三维c a d 系统中的产品装配模型。产品装配模型是表达组成装配体的零件及零件问关系的数据结构，其实质在于如何在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系，模型的优劣直接影响产品信息模型及设计系统的效率。产品设计是一个复杂的过程，不仅要求支持已知零件模型，对零件组装的自底向上的设计( b o t t o m - u p ) ，而且更为重要的是，产品设计是一个渐进过程，要求能支持自顶向下( t o p 。d o w n ) 设计。此外，在装配模型中，不仅有零件、部件，还包括装配阵列、装配镜像、装配拷贝、装配除料和装配钴7 l 等装配特征。三维动画及运动仿真技术的研究面向对象装配模型不仅能表达构成装配体零件结构参数等属性，还能表达功能、行为等抽象属性，多个对象组合构成个装配产品，既能表达产品详细模型，也能表达产品的概念模型，对产品信息的组织管理、修改更为方便。j h s o l i d 系统采用的就是面向对象装配模型。在装配模型中，可以将所有参与装配的元素定义为装配单元体对象，约束关系对象，装配特征对象。装配单元体对象，约束关系对象，装配特征对象组成产品装配模型，表示为：a 2 a o ，c o ，f o )a 为装配体，a o ( a s s e m b l yo b j e c t ) 是装配单元体对象，是用来装配的零件、子装配组件和装配引用件。c o ( c o n s t r a i no b j e c t ) 是约束关系对象，用于表示和定位装配模型中零件与零件或零件与部件间的位置约束关系。f 0 ( f e a t u r eo b j e c t ) 是装配特征对象，主要表示装配除料和装配钻孔等装配特征。对装配对象的综合归纳和抽象，形成装配模型类，有如下定义：( 1 ) 装配体类( c l a s sc a s s e m b o b j e c t )表示最终装配体或中间的子装配体，由装配单元体对象，约束关系对象，装配特征对象组成。( 2 ) 零件类( c l a s sc p a r t o b j e c t )表示装配中最低端装配单元体对象，由构成零件的几何模型和特征模型组成。零件的几何模型表示零件体、面、边、点的实体几何边界，是装配模型的显示、编辑、约束求解的基础；特征模型反映构成零件特征信息，是基于特征的参数化设计和修改的基础。支持t o p - d o w n 设计的关键是在装配环境下，能方便地创建新的具有参数化特征的零件体和修改己装入的零件体对象。目前特征操作常用的方法是将零件形体按特征树回滚到指定特征处，对特征参数迸行修改，然后再按特征树对形体模型进行特征重构。在多个零件体模型共存的装配环境下，要求这种几何模型的回滚和前滚不能出现任何混乱，因此，对每一个零件体设置一个几何造型区域进程p a n i t i o n ，p a r t i t i o n 是几何造型内核创建的独立的造型区域，用于管理和存储形体的几何边界数据，实现造型过程形体模型的回滚与前进，为实现t o p d o w n 设计打下基础。( 3 ) 引用类( c l a s sc r e f o b j e c t )引用类是装配拷贝类、装配镜像类、装配阵列类的基类。引用类的几何模型是将引用零件的几何模型根据引用的规律，如镜像、阵列等，经几何变换得来，不存储到模型的外部文件中，引用零件体的几何模型变化，引用类几何模型也相应变化。( 4 ) 装配约束关系类( c l a s sc c o n s t r a i n o b j e c t )描述装配对象之间装配位置约束关系，妇共面关系( 同向共蕊、反向共面) 、同轴关系等。装配对象间的装配位置约束关系是通过两个配对体对象的几何配对面的几何约束求解保持，装配约束关系类包括两个装配体对象、配对面的几何面标识( 几何面编码) 、约束关系类型、对齐方式等属性信息和约束求解方法。9三维动画及运动仿真技术的研究( 5 ) 装配特征类( c l a s sc a s s e m b f e a m r e )表示对装配体进行的除料特征操作，主要有装配拉伸扫描除料特征，装配钻孔特征，与零件造型中拉伸扫描除料特征j 珏钻孔特征相比，有共同的部分，零件造型中拉伸扫描除料特征和钻孑l 特征是装配拉伸扫描除料特征，装配钻孔特征的基类，不同点在于装配拉伸除料特征，装配钻孔特征要对整个装配体进行几何操作。( 6 ) 装配单元体对象基类( c l a s sc b a s e o b j e c t )前面己定义，装配单元体对象包括零件、子装配组件和装配引用件，显示参与装配造型操作，是交互选择、编辑、查询的对象。因此，将零件、子装配组件和装配引用图2 - 1 装配模型类层次结构f i g u r e2 - 1 h i o r a j l c h i c a ls t n l c t u r e o f a s m b l v m o d e lc l a s s e s件的一些共性抽象归纳形成装配单元体对象基类。装配单元体对象基类定义了装配单元体对象的可见性、是否固定、是否可编辑。为了加快模型特别是复杂装配模型的显示速度，每一个装配单元体对象定义一个o p e n g l 显示表，每一个装配单元体的渲染绘制操作存储在各自的o p e n g l 显示表中，使装配对象的动态移动、旋转显示速度加快。上述装配模型类有一定的层次关系，这种层次关系是一种继承关系，可以用图2 1表示。2 2p a r a s oiid 简介。5 2 ”_ 2 8 11 0三维动面及运动仿真技术的研究p a r a s o l i d 是美国e d s ( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m s ) 公司下属u n i g r a p h i c ss o l u t i o n si n c ( u g s ) 公司开发的一个业界领先的实体建模核心，已经成为当今许多最先进产品开发软件的基础。p a r a s o l i d 是目前国际主流的商品化通用实体造型平台，作为造型内核已经被世界许多著名的商品化c a d 系统采纳。超过2 0 0 家软件开发公司都在使用，其前身是早期的实体造型先驱r o m u l u s 系统( r o m u l u s 最早期工作要追溯到7 0 年代在剑桥大学的开发) 。从1 9 8 5 年诞生以来，经过几次重大的变革，日趋成熟和完善，具有其他同类产品所不能比拟的优势。p a r a s o l i d 的应用范围主要集中在机械c a d c a m c a e 领域，它的用户群包括系统开发商、企业、大学、研究机构等。采用p a r a s o l i d 内核的三维实体造型软件有u g ，s o l i d e d g e ，s o l i d w o r k s ，北航华正等。许多图2 - 2p a r a s o l i d 及其接口f i g u r e2 - 2 p a r a s o i i da n di n t e r f a c e知名公司如e d s u n i g r a p h i c s ，i c a d ，s i e m e n s - n i x d o r f , f u j i t s u ，g e n e r a le l e c t r i c 和g e n e r a lm o t o r s 等也都在使用p a r a s o l i d 。p a r a s o l i d 是u g s 公司的全数据管线策略中的重要部分，它允许在使用不同的产品开发应用软件的企业间无缝地交换数字化模型。p a r a s o l i d 作为系统内核，完全封装在应用程序内部，它被设计为独立于特定的系统环境，比如：对于不同的操作系统，有不同的文件管理方式、不同的文件名长度限制、文件后缀名限制、内存管理等，这些差别都是由应用程序与操作系统的接口解决的，对于不同的操作系统，应用程序提供不同的接口，与应用程序的接口结构见图2 2 。p a r a s o l i d 提供精确的几何边晁表达( b - r e p ) ，能够在以它为几何核心的c a d c a e系统间可靠地传递几何和拓扑信息。它的数据拓扑实体包括：点，边界，片，环，面，壳体，区域，体。利用p a r a s o l i d 管道( p a r a s o l i dp i p e l i n e ) 实现数据的无缝传送。与其他几何核心系统相比，p a r a s o l i d 具有非常明显的优势。三维动画及运动仿真技术的研究2 30 p e n g k “3 1 “t 3 。1起初，动画的开发需要专业的图形技术人员，他们还需要掌握几何学、物理光学等其他相关知识，进行比较底层的开发( 如图形变化、光照处理等) ，随着计算机的普及，众多的三维图形软件工具包被开发出来，如g l ，r e n d e r m a n 、o p e n g l 等，这其中功能最强大的要数s g i 公司的o p e n g l ，所以，诸如m i c r o s o f t 、i b m 、d e c 、s u n 、h p 等在计算机市场中占主导地位的大公司，都将它作为自己的图形标准，从而使它成为新一代三维图形工业标准。o p e n g l 常常被用于开发仿真软件、虚拟现实软件，也用于游戏开发，现在一些比较流行的三维动画软件和c a d 软件，实际上就是用o p e n g l开发出来的。o p e n g l 可以独立于硬件，流水线工作，其应用程序有较好的可移植性，是一个开放的，适用于多种硬件平台和操作系统的图形接口。v i s u a lc + + 2 0 及其后续舨本提供了全部o p e n g l 的应用程序接口a p i ，它可以编制w i n d o w s 下的高质量三维图形应用程序。o p e n g l 是一种硬件图形发生器的软件接口，同时它又是与设备无关的图形开发平台，它的图形a p i 以函数形式提供了1 1 5 个核心库函数，4 3 个实用库函数( g l u 、3 1个编程辅助库函数g l a u x 及若干个x w n d o w s 、m s - w i n d o w s 专用库函数g l x w g l ) ，开发者可以利用这些函数来构造景物模型，进行三维图形交互软件的开发。o p e n g l 提供了一系列用于图形设计与显示的图形函数，包括模型变换、色彩处理、光线处理、动画以及更先进的能力，如纹理映射、物体运动图形函数等。另外，o p e n g l还提供了双缓存和显示列表，这有助于动画演示的实现。2 3 10 p e n g l 的基本操作过程o p e n g l 三维图形操作可以归纳为：描述场景、设置光照、观察场景、光栅化这个过程与人们观察世界的过程是一致的，其具体操作步骤为：图2 - 3o p e n g l 图形操作步骤f i g u r e2 - 3o p e n g lg r a p h i c so p e r a t i o np r o c e s s根据基本图形建立景物模型，并对所建立的模型进行数学描述；把景物模型放在三维空间中合适的位置，并设置视点( v i e w p o i n t ) ，以观察场景；计算模型中的所有物体的色彩，同时确定光照条件、纹理映射方式等；把景物模型的数学描述及其色彩信息转换至屏幕上的像素，即光栅化1 2三维动面及运动仿真技术的研究( r a s t e r i z a t i o n ) 。在这些步骤的执行过程中，o p e n g l 还可能执行其他一些操作，如自动消隐处理等。另外，景物光栅化之后被送入帧缓存前，还可以根据需要对像素进行操作。其图形操作过程如图2 3 所示。图2 - 4 为o p e n g l 工作的基本流程图。程序从图中的左侧进入，经过一系列的运算处理，将几何顶点数据和图像像素数据加工后生成待显示的帧。图2 - 4o p e n g l 基本工作流程图f i g u r e2 - 4o p e n g lw o r k i n gf l o wc h a r t用户指令进入o p e n g l 后，有些指令指定如何画物体，有些指令则操作怎样在不同阶段处理几何物体。大多数指令可以排列在显示列表中由o p e n g l 在后续时间处理。o p e n g l 处理的基本数据包括几何顶点数据( 图形) 和图像像素数据( 图像) ，它们分别流经流程的上部和下部，所经历的处理方式不同。显示列表在o p e n g l 中占有重要的地位，尤其对复杂图形的操作，可以大大优化程序的性能。o p e n g l 提供二维、三维图形的基本操作，包括模型绘制、几何及投影变换、颜色、光照、纹理、位图和图像、效果处理、显示列表、帧缓存和动画。但o p e n g l 并不提供描述复杂的几何物体及建立复杂物体模型的手段，它仅提供绘制复杂几何物体的机制而非描述复杂物体本身的机制。图2 5 给出了o p e n g l 三维图形的显示流程。国2 - 5 三维图形显示流程f i g u r e2 - 53 dg r a p h i c sd i s p l a yf l o wc h a r t三维动画及运动仿真技术的研究2 3 2w i n d o w s 环境下o p e n g l 处理流程嘲o p e n g l 指令解释模型是c l i e n t s e r v e r 模式，即一个应用程序( 客户) 发出指令，由o p e n g l 内核( 服务器) 解释执行。在w i n 9 x 2 0 0 0 n t 环境下，o p e n g l 库函数封装在动态链接库o p e n g l 3 2 d l l 中，客户程序对o p e n g l 库函数的调用首先被o p e n g l 3 2 d l l 处理，w i n 3 2 下o p e n g l 的运行机制接着被o p e n g l 安装型客户驱动程序解释，随后送入服务器的动态链接库w i n s r v d l l 进一步处理，紧接着传递给设备驱动接口w i n 3 2 d l l ( d e v i c ed r i v e ri n t e r f a c e ) ，最后由视频显示驱动程序处理，该驱动程序把复杂的o p e n g l 指令运算( 如纹理映射、透视校正、三线性过滤) 指派给显示卡的o p e n g l 图形加速处理器，从而制造出逼真的三维场景，图2 - 6 显示了这一过程。图2 - 6o p e n g l 在w i n d o w s 环境下的运行机制f i g u r e2 - 6 o p c n g lw o r k i n gp r o c e s so i lw i n d o w s2 3 3o p e n g l 动画工作原理矧o p e n g l 支持双缓存( d o u b l eb u f f e r s ) 技术，该技术提供了一种生成平滑动画的机制。这使利用o r i e n g l 生成动画非常简单。屏幕上所绘的图形都是由像素组成的，每个像素都有一个固定的颜色或带有相应点的其他信息，如深度信息。因此在绘制图形时，内存中必须为每个像素均匀地保存数据。这块为所有像素保存数据的内存就叫缓存( b u f f e r ) ，系统中所有这类缓存统称为帧缓存( f r a m eb u f f e r ) 。o p e n g l 帧缓存由以下四种缓存组成：颜色缓存( c o l o rb u 骶r ) 、深度缓存( d e p t h b u f f e r ) 、模板缓存( s t e n c i lb u f f e r ) 和累积缓存( a c c u m u l a t i o nb u f f e r ) 。o p e n g l 提供了双缓存，用来制作动画。也就是说它提供前后台两个缓存，当一个缓用于显示的时候，另一个用于绘制图形，在绘制完成后再交换，依次循环形成动画。o p e n g l 设计并显示动画中一幅图形，需要经过以下几个步骤1 3 6 】：( 1 ) 视点变换和模型变换为了实现从不同的方向、角度和距离来观察物体的动画过程，首先进行视点和模型变换，即对物体进行平移、旋转、放大和缩小等变换。( 2 ) 投影变换1 4三维动画及运动仿真技术的研究利用投影变换将三维图形交换为二维图形。投影变换实质是定义一个视景体，使视景体外多余的部分被裁剪掉，最终图像只是视景体内的有关部分。( 3 ) 视口变换利用视口变换将经过