（机械设计及理论专业论文）web环境下基于特征编码的三维圈阅.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 随着i n t e m e t 技术的发展，在i n t e m e t 平台上利用i n t e m e t 标准实现分布式协同成为 可能。使用i n t e r n e t 的协同设计首先要解决c a d 模型和工程信息的传输和浏览问题， 其次就是协同设计小组组员之间的如何实现通信交流方本文提出的三维圈阅即为解决 以上问题的方案之一。 1 首先，论文分析总结了国内外在协同设计方面的研究成果，着重分析了国内外在三 维c a d 网络协同应用方面的研究成果和相关原型系统。( 在此基础上，提出了三维圈阅 的基本概念和方法，其中的圈阅对象实体集及圈阅对象卖体集编码是本文实现三维圈 阅中模型实体与模型外部信息关联的方法。) 其次，论文中设计了一种新的网络三维模型可视化方案，在a c t i v e x 技术基础之上 开发出显示i n t e s o l i d 模型的三维圈阅控件。 再次，本文在i n t e s o l i d 特征拓扑面编码的基础上实现了零件模型的圈阅对象实体 集编码。结合i n t e s o l i d 装配模型结构树的特点提出了动态零件体编码并在此基础上实 现了装配模型的圈阅对象实体集编码。 最后，论文介绍了根据以上原理和方法实现的基于w 曲的三维可视化圈阅系统 i n t e v i e w 3 d 。并通过实例进行了验证。f 对全文进行了总结，并指出今后研究工作的方 向。 、 本研究使来自多个部门、使用多种平台的用户都可以在i n t e m e t 上以交互的方式查 看三维模型，对设计模型发表意见，可以检查其他组员对模型局部的圈阅批注。增强 信息交流从而促进产品开发。、j uq 关键词：协同设计；c a d ，三维圈阅f 特征编码，i n t e m e t 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e m e tt e c h n o l o g y , i tb e c o m e sp o s s i b l e t ou s ei n t e m e t s t a n d a r d st oa l l o wf o rc o l l a b o r a t i o no v e rt h ei n t e r n e t c e n t r a lt ot h eu s eo fi n t e m e ts t a n d a r d s f o rc o o p e r a t i v ed e s i g ni sh o wt ot r a n s m i ta n dv i e wc a da n de n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n ，a n d h o wt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt e a mm e m b e r s 3 dm a r k u p ，p r o p o s e d i 1 3 t h i st h e s i s i so n eo f m e t h o d st os o l v ea b o v ep r o b l e m s f i r s t l y , t h i st h e s i sr e v i e w st h e l i t e r a t u r e sa b o u tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，p a r t i c u l a r l yt h a t s u p p o r t 3 dc a dc o l l a b o r a t i o n v i aw e b t h e c o n c e p t s a n dr e l a t e dm e t h o d so f t h r e e d i m e n s i o nm a r k u pa r ep r o p o s e d ，a m o n gw h i c he n t i t ys e ta n de n t i t ys e ti do fm a r k u p o b j e c ta r ek e y s t ob i n dm o d e le n t i t ya n dm a r k u pi n f o r m a t i o n s e c o n d l y , an o v e lv i s u a l i z a t i o no f3 dm o d e li nw e be n v i r o n m e n ti sp r o m o t e d a3 d m a r k u pa c t i v e xc o n t r 0 1 i si n t r o d u c e d w h i c hi sf o ri n t e s o l i dm o d e l so n l y t h i r d l y , e n t i t ys e tc o d i n go fm a r k u po b j e c to np a r tm o d e li sc o n s t r u c t e df r o mi n t e s o l i d f e a t u r et o p o l o g yf a c ec o d i n g t h es t r u c t u r et r e e so fi n t e s o l i da s s e m b l ym o d e l sa r ea n a l y z e d ， a n dad y n a m i cp a r t - b o d yc o d i n gm e c h a n i s mi sp r o m o t e d ，b a s e do nw h i c ht h ee n t i t ys e t c o d i n go f m a r k u po b j e c to na s s e m b l y m o d e li si m p l e m e n t e d l a s t l y , t h i s t h e s i si n t r o d u c e sa p r o t o t y p es y s t e m n a m e di n t e v i e w 3 d ，w h i c hi s w e b - b a s e da n dt oi m p l e m e n t3 d m a r k u p e x a m p l e sa r ci l l u s t r a t e dt ov a l i d a t et h ep r i n c i p l e s a n dm e t h o d sp r o p o s e d c o n c l u s i o n sa r ed r a w na n dt h ed i r e c t i o n sf o rt h ef u t u r er e s e a r c ha r e p u tf o r w a r d t h er e s u l to ft h i si st h a tu s e r sf r o md i s p a r a t ef u n c t i o n s 、o naw i d ev a r i e t yo fp l a t f o r m s ， c a nv i e wp r o d u c t si ni n t e r a c t i v e3 - dt h r o u g ht h ei n t e m e t c a nc o r r m l e n to na s p e c t so f 也e d e s i g n ，a n dc a ne x a m i n et h em a r k u pc o m m e n t s o fo t h e rt e a mm e m b e r so n p a r t i c u l a ra s p e c t s o ft h ed e s i g n s u c ha na p p r o a c ho f f e r st h ep r o m i s eo f i m p r o v e dc o m m u n i c a t i o na n d h e n c e f o re n h a n c i n gt h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s s - k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed e s i g n ，c a d ，3 - dm a r k u p ，f e a t u r ec o d i n g ，i n t e r n e t u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及意义 1 绪论 计算机辅助设计，韦0 造工程技术( c a d c a m c a e ) 自问世以来已经对企业的产品 开发并进而对社会产生了不可估量的影响。1 9 8 9 美国将c a d c a m 技术评为过去2 5 年间的一项杰出的工程技术成就。a s m e 又把它作为2 0 世纪最伟大的技术之- - 1 。 随着c a d 技术的不断发展及其在工业领域的推广应用，生产方式己逐渐从传统的 依靠手工绘图进行设计，大批量生产降低成本转向用计算机进行设计，为用户提供方 便、快捷、小批量产品的模式。同时，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换 代周期不断缩短，使得产品设计在产品整个生命周期中占据了越来越重要的地位。在 产品整个生命周期中，产品成本的8 3 以上在产品的设计阶段被决定，而设计本身所 占有的费用仅为产品全部成本的7 以下。由此可看出产品设计在产品开发过程中处于 相当重要的地位p j 。 今天不断加剧的竞争压力和用户对产品越来越高的要求正在促使企业在其产品生 命周期的各个阶段提高自己的效益。竞争要求企业改善甚至变革它们的生产模式，以 保证自己的产品更富有竞争性，能够尽快地进入市场，并力争获得最大的利润。在这 种背景下，先进的制造概念、生产组织模式，如集成制造( c i m ) 、并行工程( c e ) 、虚拟 制造( v m ) 等纷纷出现。 并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 在c a d c a m 集成系统中的作用及意义 己被证明，许多部门都在协同设计方法上进行了应用研究，但在具体应用时，如何发 挥其最大作用，尤其对一个在地域分布、使用多种计算机系统的协同设计小组来说， 实现并行设计仍有许多问题要解决。 随着网络技术的发展和广泛应用，许多企业均建立了内联网( i n t r a n e t ) 并连接到 i n t e m e t 上，因此使用i n t e m e t 标准实现基于网络的协同应用已经是可能的。这其中的 关键问题可以归纳为：c a d 数据及工程信息的传输和显示、组员间的信息交流问题。 华中科技大学国家c a d 支撑软件工程技术研究中心和天喻信息软件公司正在开 发三维c a d 系统软件i n t e s o l i d l 5 】，此课题来源于国家9 5 重点攻关项目：三维参数化 c a d c a m 系统的研究与开发。本文的研究目的之一即为解决i n t e s o l i d 三维模型在网 络上的显示问题，之二是在网络上围绕三维模型如何交流设计信息。 本文提供的是一个完整的具有拓扑信息、几何信息、物性参数信息以及设计参数 华中科技大学硕士学位论文 信息的三维模型可视化方案，并且可与用户交互，而不是仅提供一个只能看外形的面 片模型，这使得以三维模型为中心的进一步应用开发可能实现。 本文实现了一种设计组员之间的非同步信息交流手段，实现对设计模型整体或局 部的圈阅功能：来自不同部门，使用不同平台的用户，可在i n t e m e t i n t r a n e t 上以交互 的方式浏览三维设计模型，对设计发表看法，查看其他组员对设计的圈阅批注内容。 提供了一种有效的交流手段从而提高设计效率。原型系统i n t e v i e w 3 d 实现了以上功 能。 1 2 文献综述 1 2 1w e b 环境下的协同设计 协同设计1 6 1 是通过产品生命周期各阶段相关人员之间的协作来共同进行产品的开 发。协同设计过程中，由产品生命周期各阶段相关人员组成协同设计组，其目的就是 要优化机械产品的功能，减少生产和装配成本，并确保能经济简易地提供产品服务和 维护。协同设计应综合考虑包括供应商和消费者在内的产品生命周期中设计、制造、 装配、测试及维护等各个不同环节的影响和相互制约 j 。 tl 蠢 i t i 蠢 产品砬计垃计括琶工艺船訇j生产支棒 ( a ) 传统的顺序开发模式 ( b ) 现有的并行开发梗式 ( c ) 正在出现的、未来的并行开发橇式 图1 1 几种开发模式 最初的并行开发模式中，工作组的成员均来自同一地点，图1 1 中( b ) 。组内以草 华中科技大学硕士学位论文 图和设计图纸等形式捕捉并记录设计信息，并在组内进行交流。随着计算机技术和通 信技术的飞速发展，近年来，出现了一种新的趋势，产品开发活动更经常地是在异地 的、甚至跨企业的设计团队中进行。企业外的力量不仅向其提供它所需要的生产能力， 也向其提供某些产品开发成果。为此，产品开发各个阶段、各种开发活动间的信息交 流和协同要进一步加强。在这种情况下，不仅是产品本身的设计信息，与产品制造过 程有关的过程性信息也成为产品信息的重要部分并将在新的产品开发模式中发挥非常 重要的作用。 1 计算机支持的协同工作技术 信息化社会中人们工作的特点是群体性、交互性、分布性和协作性。计算机支持的 协n n - 作瞵l ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ：c s c w ) 技术和系统的发展正是适应了 信息社会中人们工作方式的上述特点，因此被认为是未来社会中广泛采用的技术【8 】。 c s c w 是在不同计算机上的多个用户分工协作，共同高效地完成一个复杂的问题这一 新工作模式的要求下而被提出来，并越来越受到人们的重视。因此，面向并行工程的 计算机支持的协同设计是实施并行工程的重要方法之一，也是今后发展的必然趋势。 文献【9 刊哿计算机支持的协同设计研究的关键技术归纳为以下三方面：1 基于共享 对象的协作：设计文档是系统中的共享对象，通过支持对共享对象高效的在线访问 ( o n l i n ea c c e s s ) ，可以极大地降低多重存档的要求，并提供了用户间异步协作的方式。 由于设计文档是具有复杂结构的多媒体对象，同时要在多个用户对它同时进行操作时 保持一致性，为此其中的研究内容为：共享对象的信息模型；共享对象一致性机制； 修改提示机制。2 多用户的实时交互：在设计过程中经常需要位于不同地点的设计人 员迅速地进行协商并做出决策。因此，事实上需要多媒体桌面会议功能的支持。3多 用户的工作协调和任务调度：为了有序地完成协作设计，用户间还要根据社会角色( 总 工程师、部门主任、设计员等) 赋以不同的权限，进行工作协调，并按照进度要求进行任 务调度。 对支持并行工程的c s c w 系统，其功能需求如下：( 1 ) 支持多小组之间和组内成 员之间的协同感知。( 2 ) 具有感知多媒体的同步控制功能，以支持感知的力度。( 3 ) 系统应支持多种应用的装入和卸出，不同用户可以定制和裁剪自己的界面和工作区环 境设置和视图显示。( 4 ) 一致性维护的控制机制和规则可以根据应用进行选择或编程。 尤其要提供产品设计下冲突不可调和的一致性控制。( 5 ) 分布数据的自动映射。并行 工程中各小组获取产品的不同特征信息，因此要在各小组间建立产品特征信息的自动 转换机制，以便各小组之间对设计方案的评价与决策，提高并行设计效率。( 6 ) 知识 库和推理机制共享。 华中科技大学硕士学位论文 ； 竺岂竺竺竺! ! ! ! ! ! ! 竺! 竺竺! ! ! ! ! ! ! 兰! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 2 网络协同技术研究 万维网是i n t e m e t 上的一个巨大的客户和服务器集，信息的传递采用一种开放的标 ； 准一h t t p 协议。w w w 客户利用w w w 浏览器，产生请求，发送给服务器，并将服务 ； 器产生的结果提交给客户。服务器接收并验证请求，检索数据，然后发送给客户。客 户服务器模型描述了服务消费者( 客户) 和服务提供者( 服务器) 之间的通信模式。这种模： 型允许在不同的站点交互交换信息。由于w w w 客户服务器模型采用了开放的标准，： 可支持不同的操作平台，因此利用这种模型来支持协同设计是非常适合的i l o “】。 l 在i n t e m e t 上构建支持协同产品概念开发的接e l y 2 】应当具备以下三个方面的功能，： 即支持产品概念设计、支持协同工作、满足设计环境的需求。要支持用户进行概念设 ： 计工作，则用户接口必须：( 1 ) 提供一个支持基本设计功能的三维空间；( 2 ) 能够组织对象i 创建复杂的实体；( 3 ) 能够指定某对象的特性，这可通过结合某些格式化文本( 如h t m l )f 来实现；( 4 ) 允许用户指定或选择某一对象或对象集并修改其特性。为了支持几个用户同l 时进行协同工作，则此用户接口必须：( 1 ) f i n 够在同一设计场境中显示不同参与者的存 f 在；( 2 一。够允许或禁止某一用户访问某一对象，使不同用户具有不同权限；( 3 ) 能够允许 i 用户提供不同的视模式；( 4 ) 应该允许用户借助于私有工作空间独立工作，并在适当的时 候将其加入到共享工作空间中；( 5 ) 能够使协作者“沉浸”于群体协同的虚拟环境中。在 设计环境的需求方面，此用户接口需采用低费用、低维护和易使用的运行环境，并且平台 应该是独立的。 1 2 2 网络三维可视化技术综述 随着计算机技术和i i e ( i n t e m e t i n t r a n e t e x t r a n e t ) 技术的快速发展，基于动态联盟的 敏捷制造( a m ) 等新的制造模式不断涌现。这一方面反映出制造网络化与全球化的新趋 势和新格局，同时也对产品信息共享技术提出了更高的要求，其中基于w e b 的产品信 息共享及可视化技术是一个重要的研究和发展方向【l ”。 1 虚拟现实建模语言( v ir t u a jr e a li t ym a k e u pl a n g u a g e ) 1 9 9 4 年，在瑞士日内瓦举行的第一届国际互联网大会上，一些与会者提出为创建 三维网络的界面，必须有一种通用的描述性语言，用于在w w w 上的超级链接，类似 于超文本描述语言( h t m l ) ，于是诞生了虚拟现实标识语言( v i r t u a lr e a l i t ym a k e u p l a n g u a g e ) 【1 4 】。很快，它又被改称为虚拟现实造型语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n g l a n g u a g e ) v r m l ，因为这个名称更能反映它的目的。由于v r m l 将要在网络上跨平 台传输，所以需要为它定义一种文件格式，在经过一番的选择后，s i l i c o no r a p h i c s 公 司( s g i 】所开发的o p e ni n v e n t o r 软件的开放式三维文件格式被选定作为v r m l 的文件 格式。1 9 9 5 年，v r m l l 0 版本正式推出。1 9 9 6 年，在对1 0 版本进行重大改进的基 4 华中科技大学硕士学位论文 础上推出了2 0 版本，其中添加了场景交互、多媒体支持，碰撞检测等功能。1 9 9 7 年， 经过标准组织的评估后，v r m l 2 0 成为国际标准，并改称v r m l 9 7 。当前，研究人员 已经开发出了许多基于v r m l 的实验或实用系统，如远程教育、建筑物的漫游、医学 实验演示和虚拟剧场等等。在些传统的协同设计领域，也有人将v r m l 引入到了其 中，借助于v r m l 提供的良好的交互性和真实性。使得在协同工作中非常重要的各开 发者之间的交流联系变得很直观自然。 v r m l 文件以w r l 为后缀，它是一种文本格式的文件【1 4 】。可以用文本编辑器( 如 w i n d o w s 下的n o t e p a d ) 打开编辑。解释v r m l 文件并构造三维模型的软件称为v r m l 。 浏览器，v r m l 浏览器通常是以插件的形式附着在w e b 浏览器中，如i e ，n e t s c a p e 等w e b 浏览器都有自带的v r m l 浏览器。 v r m l 是一个基于对象的语言，它提供3 d 空间中描述对象的格式，称为节点【1 4 1 ( n o d e ) 。一个节点可以与c + + 或j a v a 中的对象相对应，你可以把节点视为派生类型b o x 、 s p h e r e 、s o u n d 、s p o t l i g h t 等定义的基类。每个对象节点都有共同的属性，如类型名称、 默认字段值和收发设置字段信息的能力( v r m l 2 0 中的事件) 。当你定义一个派生的 类时，你可以仅用默认值，就像在c + + 中使用一样。v 砌讧l 的一个好处就是当你定义 一个节点时，你总是包含一个可视的有形的结果。v r m l 提供了许多预定义的节点， 例如从你的场景元素继承特性生成的对象库，它还可以使你通过原型派生和使用自身 的节点。在v r m l 场景中通过把节点分组生成场景图来组织虚拟世界的布局和功能。 场景图可用树状分层结构来描述，最高结构层为根，组节点( g r o u p i n gn o d e ) 组成树枝， 叶子是独立的节点。在场景图分层结构中，子节点从它的每个父节点继承如位置方向 等特性。 v r m l 2 0 相对v r m l l 0 的重大改进在于它能够支持动态的、交互式的3 d 场景i j “。 利用v r m l 2 0 建立的场景，不仅可以展示其中运动的物体，而且还可以使用户跟这 些物体进行交互。例如在某个场景中，门可开着，电梯在运行，出租车行驶着，更奇 妙的是，用户可以将门打开或关上，选择电梯的上下按钮，或者招手叫出租车停下来。 v r m l 2 0 采用了事件机制来支持这种动态交互的场景。事件是包含一些数据的信息， 它被用来作为事件的触发器( s e n s o r ) 。事件机制在w i n d o w s 操作系统中也是普遍使用 的，如键盘或鼠标的每次击键操作都会产生一个输入事件并被送到当前的应用程序中 去。在v r m l 2 0 中，每个事件包括两个部分：来源( e v e n t l n ) 和目标( e v e n t o u t ) ，它们 都是由某个节点的字段表示的。v r m l 2 0 提供了一组描述事件触发器的节点。如 t o u c h s e n s o r 用于描述用户输入的消息；t i m e s e n s o r 用于产生定时器消息； p r o x i m i t y s e n s o r 用于相应用户进入某个区域的消息；v i s i b i l i t r s e n s o r 用于判断某个包 围盒( b o x ) 区域的可见性等等。 华中科技大学硕士学位论文 2 v r m l 在c a d 中的应用 目前制造业中的产品设计数据、制造信息及各类文档大多是由专用c a d 系统( 如 p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、c a t i a 、u g 、s o l i d w o r k s 以及i n t e s o l i d 等) 产生的，只能通 过专用系统浏览，如果没有特殊支持，则无法用通用浏览器浏览，另外由于包含了大 量的设计信息，其数据量也相对较大。 v r m l 作为目前唯一能被w e b 浏览器支持的一种通用三维场景描述语言，可以实 现i n t e m e t 环境下三维产品造型信息的描述与高效传输，同时v r m l 具有象h t m l 一 样的超链接特性，可方便地实现零部件间的链接，并可将与产品相关的各种信息有机 地联系在一起，生成可视化的产品三维结构树，达到在i i e 环境下产品信息共享及可 视化的目标。 现在各种专用c a d 系统均可以输出v r m l 文件格式的三维产品模型【l6 ”】。但存在 的问题是：输出的模型只是一个由三角片组成的面片模型，而三维模型的拓扑、实体、 尺寸等信息均被丢弃，三角片模型与原始模型在面一级的信息也是不一致的。例如一 个方块的一个面( 矩形) 将会转换成为两个三角形。 此种面片模型的信息是及其不完整的，并且会导致交互上的问题：如果原始c a d 数据中的一个面在v r m l 世界里没有一个节点与之对应，则用户在模型上拾取几何面 的操作被迫成为选取多个三角形的过程，上例中方块模型的6 个矩形面中的一个，能 通过同时选中两个三角形实现，而选取一个非平面实体，例如圆柱面则随着面片模型 的精度的提高，其可能性也趋近于o 。在实际应用中，在专用c a d 系统输出的v r m l 文件基础上的w e b 三维应用主要是查看三维模型，而在交互方式上只提供产品一级的 标记功能：即可以在大装配模型中拾取单个零件( 每个零件模型在v r m l 世界中必然 有一个对应的节点) ，而不提供零件一级的面拾取功能。 目前v r m l 在c a d 中的唯一应用是作为三维模型的显示工具，基本没有更深层次 的应用，这是由于c a d 应用对显示模型的高要求以及v r m l 本身的不足决定的。要 想在网络上实现三维c a d 应用，必须结合c a d 应用的特点，找到替代方法，本文在 a c t i v e x 控件技术基础上实现了三维模型的显示功能，是一个完整的具有拓扑信息、 几何信息、物性参数信息以及设计参数信息的三维模型可视化方案，并且可与用户交 互，而不是仅提供一个只能看外形的面片模型。 3 s t e p 格式到v r m l 格式转换算法研究 除了专用c a d 系统所输出的v r _ m l 文件外，从其他途径获得v r m l 文件的研究 也在进行，主要集中在s t e p 格式到v r m l 格式的转换d s , t 9 捌。 s t e p 标准( s t a n d a r d f o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 第一次将产品数据的完 整表达与交换的思想变为标准，并且为面向对象的软件开发过程提供了方法论。研究 6 华中科技大学硕士学位论文 面向产品全生命周期的信息建模，用一种中性的、平台无关的方式对产品信息进行描 述，以避免c a x 技术应用产生的孤岛效应，是s t e p 标准实施的最终目标。s t e p 中 性交换文件是s t e p 标准的一种实施方法，基于s t e p 中性交换文件的产品造型数据 属于传统三维产品数据格式。 相关研究可概括为： s “p 型堕盘哼三角剖分算法叫v r m l ， 国内的研究主要以三角剖分算法为核心，进行相关的数据处理，最后得到一个可以看 的v r m l 模型文件，其技术路线可用图1 2 表示。然而并不考虑模型的交互性问题， 存在与专用c a d 系统产生的v r m l 文件相同的问题。 s t e p 文件 v r m l 文件 图1 2s t e p 到v r m l 转换技术路线 为了维护几何模型的拓扑面信息，必须调整转换算法，不能是在三角化之后处理每 一个三角形，而应该是在三角化之前记录拓扑面的信息，生成一个面对应的节点，然 后在面节点下生成该面的三角面片节点。从而生成一个可以实现面一级交互的v r m l 模型。在c y b e r v i e w t 2 1 2 2 ，2 3 】中即采用了相应的处理，使得在c y b e r v i e w 中显示的三维 模型可以实现面一级的圈阅。 4 j a v a 技术在三维显示上的应用 j a v a 作为一门面向对象的程序设计语言自推出以来，以其自身的优势，在短短的3 年时间里，已由一种编程语言发展成为一门j a v a 技术。它被认为是第一个专门用于 i n t e m e t 和w e b 环境的，面向对象的编程语言。j a v a 技术的发展极大地促进了i n t e m e t 上应用的开发，电子购物、电子银行、远程教学、远程医疗等系统相继在i n t e m e t 上 华中科技大学硕士学位论文 出现。为了能使人们从一个真实的物质世界进入i n t e m e t 上的虚拟现实，实现i n t e m e t 上的电子购物，电子银行、远程教学和远程医疗等系统的可视化，就必须加快实现人 的视觉与计算机之间理想实时交互技术的研究。基于上述情况，由i m e l 、 s i l i c o n g r a p h i c s 、a p p l e 和s u n 等4 家公司共同研究、开发了j a v a 3 d 软件包。 j a v a 3 d 2 4 , 2 5 1 是用于实现三维图形显示和基于w e b 的3 d 小应用程序( a p p l e t s ) 的j a v a 编程接口，它具备了从网络设备编程到三维几何图形编程等各方面的功能，为用户在 i n t e m e t 上创建和操作三维几何图形、描述宽大的虚拟世界提供了新的技术。 j a v a 3 d 提供了下面创新的特点：( 1 ) 高层( h i g h 1 e v e l ) 、面向对象、基于场景图的编 程范例实现的复杂的应用程序和小应用程序能在适合于j a v a 运行的任何地方快速使 用。( 2 ) 3 d 图示数据高性能处理：a 处理能够实现最佳化，例如：挑选、删除和并行场 景图横越等。b 处理能够位于现存低层( l o w 1 e v e l ) 3 d a p i 的顶部。( 3 ) 用于创建和观察 有趣味的3 d 世界丰富的特点组合。包括：三角、直线、点、3 d 文本、压缩的几何形状、 3 d 立体性声音、3 d 转换、光照、雾，纹理图、音响特性、复杂的视图模型、高级的 输入传感器模型对6 自由度跟踪装置的支持等等。( 4 ) 支持运行时输入器容纳广泛的文 件格式的多样化，例如：特定销售商c a d 格式、互换格式、v i 蝴l 1 0 和v r m l 2 0 。 1 2 3 设计圈阅技术综述 1 工程图纸的圈阅批注功能 文献 2 6 1 中对说明了工程图纸圈阅批注功能的作用：通过圈阅批注，可以在设计者 与领导之间直接就图纸表达的内容交换意见，传递信息。在采用协同设计工作方式时， 尤其需要相互联系。 圈阅批注是工作组模式下组内成员进行协作时直观有效的传递信息的手段。如果 某成员对所使用的另一成员的设计图样有不同意见，要交流意见，在原图样上直接作 出圈阅批注再传递给原设计者是最为直观有效的方法，但要保持原图独立性。圈阅批 注常用的工具有直线、圆、弧、各种箭头、自由画笔及文字标注等。为保证圈阅批注 不影响原图，圈阅批注内容要独立控制。圈阅批注内容用红色画笔绘在特定图层中， 可由用户控制其显示或关闭。在处理圈阅批注内容时，从不影响原图考虑，将圈阅批 注内容另存成一个缺省的文件1 2 6 1 。 查看、圈阅功能也是产品数据管理系统( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 的功 能之一【2 7 ，2 8 ，2 9 1 。p d m 是一门管理所有与产品相关的信息及与产品相关的过程的技术。 它集数据库的数据管理能力、网络的通讯能力及过程的控制能力于一体，不仅能实现 分布环境中产品数据的统一管理、还能够很好实现对并行工程的支持其中对查看、 圈阅功能的描述如下： 8 华中科技大学硕士学位论文 为计算机化审批过程提供支持。利用该功能用户可以查看电子仓库中存储的数据 内容( 特别是图像或图形数据) ，如果需要的话，用户还可利用图形覆盖技术对文件进 行圈点和注释。 2 基于w e b 的图档审批流程管理 在传统的图档管理模式【3 0 】下，当某一版本的图档需要进行审批时，首先由图档管 理员将图档送达第一个审批人，此审批人完成图纸审查、签字并写下审批意见后，再 由图档管理员将图档送达下一个审批人，如此反复，直到审批过程结束。在此过程中 需要做到：( 1 ) 保证将图档送到正确的审批人手中，没有审批权力者不能看到图档；( 2 ) 审 批人在图档上署上本人的有效签名，即名字为本人的真实姓名，笔迹为本人所特有。 图档审批发放流程管理，体现的是一种管理模式。传统的图档审批发放流程管理模式 在长期的实际应用中已经比较完善，具有较好的实用性和安全性。计算机化的管理要 求信息的电子化流通，并且这一过程应具有很好的自动特征，即除了审批操作必须通 过人机交互来实现外，其它过程( 如图档流通、审批通知等) 都应该自动进行。在传统 的图档管理模式中，由于信息的传递媒介人和纸张所具有的局限性，使它越来越不 能适应当今电子信息时代的要求。因此需要探索新的管理模式以适应新的需求。 传统的管理模式在i i e 环境下实施的难点【30 j 主要表现在以下几个方面：( 1 ) 审批流程 控制。传统的人工管理过程中，审批流程完全由图档管理员根据需要确定，由人的柔 性保证审批流程的柔性；在w e b 环境中，图档管理员的作用被削弱，整个审批流程需要 自动进行管理，难以适应企业多变的业务流程。( 2 ) 审批通知。传统的人工管理过程中， 由图档管理员负责通知各审批者：而在w e b 环境下，各个审批者在时间上和地域上都比 较分散，由人工进行审批通知将大大降低流通效率，拖延审批时间。( 3 ) 图档的安全。 传统的人工管理过程中，图档管理员将图档送达专人手中，审批完成后再从审批者手 中取回，安全性容易保证。而w e b 是一个开放环境，其上的信息可以为许多人共享， 因此同一份图档有可能为多个人看到，这些人中很可能有非授权的用户。( 4 ) 审批的有 效性。人工管理过程中，审批者在图档上的签字为手写体，具有本人的特有识别信息， 当出现争议时很容易确定责任的归属。而在计算机化的管理中，审批者的签名和意见 保存在计算机中后完全为标准字符编码，无法保留签字者的笔迹信息，难以保证审批 的有效性。 1 3 本文的主要工作 i n t e s o l i d 5 】是华中科技大学c a d 中心和天喻软件公司推出的的商品化三维造型软 件，本文实现的i n t e v i e w 3 d 针对i n t e s o l i d 零件及装配模型进行了三维c a d 网络应用 的基础性研究，探讨了三维c a d 在i n t e m e t l n l r a n e t 上的实现原理并进行了实践。结 9 华中科技大学硕士学位论文 合协同设计对设计信息交流的需求，选定三维可视化圈阅作为研究的切入点，综合使 用多种开发平台，实现了w e b 环境下的三维可视化圈阅的原型系统i n t e v i e w 3 d 。 本文主要完成以下工作： 1 ) 提出了三维圈阅的一系列相关概念，其中的圈阅对象实体集编码解决了几何模 型和圈阅信息之间的关联，保证每条圈阅信息可以和模型实体一一对应。 2 ) 结合i n t e s o l i d 开发的需要，开发了i n t e s o l i d 三维模型圈阅控件，与v r m l 显 示方式比较，首先不需要进行数据转换，其次显示模型的交互性更好。 3 ) 以i n t e s o l i d 零件特征拓扑编码机制为基础研究并实现了i n t e s o l i d 零件模型及 装配模型的圈阅对象实体集编码。 4 ) 应用以上研究和实践成果实现了一个基于w e b 的三维圈阅系统一一 i n t e v i e w 3 d 。 1 4 本文结构 本文内容按以下方式组织： 1 ) 分析了支持并行工程的三维网络应用的相关技术，阐述了本研究的提出和意 义。 2 1 给出三维圈阅的相关定义，并介绍本研究所采用的网络三维显示方案。 3 ) 分别在零件级以及装配级给出圈阅对象实体集编码的原理以及实施方案。 4 ) 给出n t e v i e w 3 d 中w e b 环境下圈阅信息的管理机制。 5 1 介绍i n t e v i e w 3 d 的总体框架并给出应用举例。 6 ) 总结全文，阐述本文的研究成果并展望进一步的工作。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 三维可视化圈阅 从传统的手工绘图到现有的二维绘图c a d 系统中，圈阅批注一直都是设计中的重 要一环 2 6 1 。相关批注意见直接和图纸上的设计图形重叠，设计人员可以准确领会圈阅 人的意图，直观准确，可以替代面对面的交流。图2 1 表明了圈阅信息、与c a d 系统及 c a d 数据的关系。 图2 1c a d 系统的圈阅功能 本节首先分析了三维造型软件的特点，结合设计圈阅的需要，提出了三维圈阅的 基本概念和方法，并定制了专为三维圈阅服务的三维控件。 2 2 三维圈阅 2 2 1 功能分析 随着三维造型系统的应用逐渐推广，三维模型已成为设计的主要载体。二维工程 图纸虽然继续发挥重要作用，仍然作为加工制造的实施依据，但是设计的修改调整不 应该在二维图纸上进行。因为在三维设计环境下，所有的设计更正都需最终反映在三 维模型上。如果只是有工程图提供的圈阅批注功能，则需要在设计过程中多次从三维 模型生成二维图( 每次修改三维模型后都需要生成工程图供检查) 。如果能直接在三维 模型上进行圈阅批注，则避免以上所述缺陷，节约时间，提高效率。在三维环境下， 如果分别以三维模型和三维模型生成的工程图为检查对象，二者的差别可用以下两式 表示： 华中科技大学硕士学位论文 三维模型： u o a e l “1 。o 屿( s 嗽即f j d ”( j ) ) 丝坐- 【胁出矿“1 寸一 u o 如l p “ 工程图纸： m o a e l l “o 型- d m r 咄r 。j ! 生( 侣g 吲f 鲫( j ) ) 丝生专 胁如旷“o 坐! o f d r c n l ，f n g p 2 o j 呻 m o a e l l ”“ 本文提出的三维可视化圈阅的基本思想是：圈阅批注直接在三维模型上进行，圈 阅信息直接和模型上的实体( 集) 关联起来。呈现在设计者面前的圈阅信息是几何信 息、文字内容二位一体的。 在三维产品设计环境中，作为设计载体，三维模型本身就是合适的设计信息交流 媒介。以三维模型作为媒介，实现一个在生成并交流设计圈阅信息的工具，需要解决 以下问题： j 三维模型显示功能 虽然用户可以使用专用c a d 造型软件查看模型并实现圈阅功能，但是由 于专用c a d 系统的使用范围是有限的，例如您不能期望您的产品用户的机器 上也有一样的c a d 软件，因此必须提供一个易被更大范围用户接受的三维显 示工具，在i n t e v i e w 3 d 中采用a c t i v e x 技术开发的专门显示i n t e s o l i d 三维模 型的显示控件实现客户端的三维模型显示。 2 三维模型的可操作性 基本的显示功能，如线框、实体模式，并且能够操纵模型从不同角度观察， 提供旋转、平移及缩放等功能。不需要也不能提供的功能是模型编辑功能，设 计者对自己的设计负责，会根据圈阅信息使用自己的专用c a d 软件修改设计。 即圈阅人不能修改模型本身的任何内容。 3 三维模型的信息开放程度 针对不同权限的用户，设置各自的信息接触范围。例如一般用户只能看到 模型的形状信息，而具有更高级别的用户可以使用尺寸测量工具看到关键结构 的尺寸信息。像模型文件本身的信息，如创建日期、设计者信息等则限制在更 小的范围。在i n t e v i e w 3 d 中通过用户权限与页面内容配置结合保证用户接触 到合适的页面从而限制其对模型的接触范围。 4 圈阅批注内容与三维模型的关联 如果仅仅是宏观上的关联，即对一个大模型提出批注意见全部细节都以 文字表述，例如：轴端面需要倒角，其中“轴端面”表明模型上对应的实钵， “需要倒角”则是修改意见。如此通过文字表述模型上的实体明显是不精确的， 2 华中科技大学硕士学位论文 可能引起歧义。 如果能在看到文字内容的同时，可以在模型上看到对应的实体，则更能准 确的表达圈阅人的意图。如何实现圈阅文字内容与模型设计局部的关联以及关 联程度都是要解决的问题。 j 圈阅信息的查询修改 设计者和协同设计组员可以查看某个组员提交的圈阅信息，同时圈阅人应 该可以删除或修改自己提交的圈阅信息。因此圈阅信息的管理模式即信息存储 方式要结合网络应用程序的特点选择合适的方法，在i n t e v i e w 3 d 中采用数据 库管理圈阅信息。其中涉及到网络数据库技术，网络数据查询技术等一系列相 关的应用问题。 圈阅信息管理中也涉及到权限问题，系统实现时需要考虑信息的安全性问 题。例如圈阅人只可以编修或删除自己提交的圈阅信息，而对其他人提交的圈 阅信息不能进行任何操作。 工程图纸圈阅和三维圈阅二者的目的一致，但是由于二维图纸和三维模型的差别 决定了二者所采用的方法也是有各自特色的。本节针对以上提出的问题，给出三维圈 阅的相关定义，在此基础上制定了三维模型的可视化方案。 2 2 2 三维圈阅定义 综合考虑协同设计中圈阅批注功能的需求特点以及三维c a d 应用的特点，对三维 圈阅给出如下定义： 定义2 1 ：三维圈阅 以三维模型为媒介的设计检查过程。 图2 2 三维圈阅 相关人员在检查三维模型给设计人员反馈意见时，在三维模型上选取实体( 集) ， 与文字内容一起提交，模型上的