（计算机软件与理论专业论文）基于细胞元的协同特征造型系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 基于细胞元的协同特征造型系统的研究 摘要 分布式同步协同设计特别是集中式同步协同建模中，响应时间与协同设 计的同步效果息息相关。而并发性和同步都不可避免的要求分布式协同系统 体系结构构建在c l i e n t s e r v e r 模式下，但基于w e b 的瘦客户端方法正越来 越多的受到关注，其中的一个主要原因是它们通常使用一个单一的基于服务 器的中心模型，对数据同步问题提供了一个更加高效的解决方案。但是，瘦 客户端没有造型能力，它需要向服务器端提出造型操作申请，在服务器端执 行后返回的是整个庞大的数据模型，因此瘦客户端方法需要在服务器和客户 端来回持续地传输大量数据流，需要很长的响应时间，协同效果不好。 针对以上问题，本文提出了基于细胞元的协同特征造型方法。该方法利 用细胞元建模，实现了语义特征造型，而针对瘦客户端方法需要传输庞大的 数据模型，本文提出的细胞元动态分割和增量编辑方法能将对特征模型的操 作局部化，并提取出一个分割后很小的变化的细胞元模型( c c m ) ，由于客户 端向服务器发送的是造型指令和参数，而服务器反馈回客户端的是这个很小 的c c m 而非整个数据模型，从而使得网络传输量大幅下降，为了使瘦客户 端与服务器能够更好的协同，本文还提出了便于交互的数据模型和数据同步 模型，从整体上缩短了响应时间，提升了协同的效果。在此基础上，本文设 计了基于细胞元的协同特征造型系统b s h u s t c a i d ，该系统采用b s 结 构，通过因特网直接加载客户端应用避免了复杂的安装和维护过程，因而变 得更加轻便。而为了实现细胞元动态分割和增量编辑方法，本文研究并提出 了模型分割算法，识别提取算法和动态嵌入算法。另外，在b s h u s t c a i d 中我们采用x m l 文件作为存储细胞元模型的载体，并对x m l 文件进行数 据绑定来增加传输安全性，同时，采用r m i 技术并以对象化的方式来操作 模型数据，增加了远程数据访问的效率，降低了复杂度。 关键词协同特征造型；瘦客户端；动态分割；增量编辑 哈尔滨理_ t 大学t 学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o l l a b o r a t i v ef e a t u r em o d e l i n g s y s t e mb a s e do nc e l l u l a r a b s t r a c t s y n c h r o n i z a t i o no fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sd e e p l yd e p e n d e n to nr e s p o n d i n g t i m ei nd i s t r i b u t e ds y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i n gs y s t e m ，w h i c hi sm o r e o b v i o u si nc e n t r a l i z e d s y s t e m a n dt h er e q u i r e m e n t s f o rc o n c u r r e n c ya n d s y n c h r o n i z a t i o ni nac o l l a b o r a t i v em o d e l i n gc o n t e 、x tl e a da l m o s ti n e v i t a b l yt ot h e a d o p t i o no fac l i e n t - s e r v e ra r c h i t e c t u r e ，a n dt h i nc l i e n tw e b b a s e da p p r o a c h e s a r eg a i n i n gp a r t i c u l a ra t t r a c t i v e n e s s ，o n eo ft h em a i nr e a s o n sb e i n gt h a tt h e y u s u a l l yp r o v i d eam o r ee f f i c i e n ts o l u t i o nt o d a t as y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sb y u s i n gas i n g l e ，s e r v e r b a s e dc e n t r a lm o d e l b u tt h i nc l i e n t sc a n tl o c a l l ye x e c u t e a c t u a lm o d e l i n go p e r a t i o n ，s oi ti sr e q u i r e dt oe x p o r tt ot h es e r v e ra no p e r a t i o n a p p l i c a t i o n ，a n dt h es e r v e rt r a n s m i t saw h o l eb i gd a t am o d e li nr e t u r n t h e r e f o r e t h ea p p r o a c hn e e d sc o n t i n u o u s l yt r a n s m i t i n gal o to fd a t ab e t w e e ns e r v e ra n d c l i e n t s ，w h i c hn e e d sl o n gr e s p o n d i n gt i m ea n db r e a k ss y n c h r o n i z a t i o n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s a c o l l a b o r a t i v ef e a t u r em o d e l i n ga p p r o a c hb a s e do nc e l l u l a r i tc o n s t r u c t si t sm o d e l w i t hc e l l u l a r , w h i c ha c h i e v e ss e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n g a n daa p p r o a c hc a l l e d c e l l u l a rd y n a m i cs e g m e n t a t i o na n di n c r e m e n t a le d i t i n gi si n t r o d u c e di no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h i nc l i e n t sn e e dt r a n s m i t t i n gh u g ed a t am o d e l s i tc a n l o c a t et h ec h a n g eo ff e a t u r em o d e lo p e r a t i o n ，a n de x t r a c tas m a l lc h a n g e dc e l l u l a r m o d e l ( c c m ) b e c a u s em o d e l i n go p e r a t i o n sa n dp a r a m e t e r sa r et r a n s m i t t e df r o m t h ec l i e n t st ot h es e r v e ra n dt h ev e r ys m a l lc c mr a t h e rt h a nt h ew h o l ed a t a m o d e li ss e n tb a c k ，t h en e t w o r kl o a di sd e c r e a s e d ，a n dd a t am o d e l st ob ee a s i l y c o m m u n i c a t e da n das y n c h r o n i z a t i o nm o d e la r ep r e s e n t e di no r d e rt om a k et h i n c l i e n t sa n dt h es e r v e rc o o p e r a t eb e t t e r , w h i c hc u tt h er e s p o n d i n gt i m ea n d u p g r a d es y n c h r o n i z a t i o n t h e nb s h u s t c a i t , ac o l l a b o r a t i v ef e a t u r em o d e l i n g s y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nc e l l u l a r ，i sd e s i g n e d i tu s e sb s ，d i r e c t l yl o a d i n gt h e - i i 哈尔滨理工大学工学硕t ：学位论文 目e = = 目i i im _ 自| j c l i e n ta p p l i c a t i o nv i ai n t e r a c ta v o i d sc o m p l e xi n s t a l l a t i o n a n dm a i n t e n a n c e p r o c e d u r e s ，w h i c hb e c o m e s m o r ec o n v e n i e n t i no r d e rt oa c h i e v ec e l l u l a r d y n a m i cs e g m e n t a t i o n a n di n c r e m e n t a l e d i t i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t s s o m e a l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gc e l l u l a rs e g m e n t a t i o n ，i d e n t i f y i n ge x t r a c t i o no fc c m a n d c c md y n a m i ce m b e d i n g w h a t sm o r e ，x m li su s e da sc a r r i e rt os t o r ec e l l u l a r m o d e la n db o u n d e dt od a t as ot h a tt r a n s m i t t i n gs p e e da n dd a t as e c u r i t y a r e i n c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，m o d e ld a t ai so p e r a t e da sa no b j e c tw i t hr m i ，w h i c h e n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fr o m o t ed a t aa c c e s s i n ga n dp u td o w nt h ec o m p l e x i t y k e y w o r d sc o l l a b o r a t i v ef e a t u r em o d e l i n g ，t h i nc l i e n t ，d y n a m i cs e g m e n t a t i o n ， i n c r e m e n t a le d i t i n g - i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于细胞元的协同特征造型 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：刍1 芸邙泛日期：如。7 年中月p 日 lf 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于细胞元的协同特征造型系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：互1 印昂五日期：加，7 年午月扩日 导师签名西艺镌日期伽。7 年彭月莎日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 几何造型技术的发展 在c a d 技术n 2 1 及其衍生的协同设计技术中一项关键的技术是造型系统的 几何构件方式。三维几何造型f 3 j 发展过程包括两个分支，第一个分支研究在计 算机内如何描述一张自由曲面h5 1 ，如何对它的形状进行交互式的显示与控制 ( 即曲面造型) ，用曲面模型来表示；另一个分支着重研究如何在计算机内定义 表示一个三维物体( 即实体造型) ，用线框模型和实体模型来表示。由于曲面模 型和实体模型是相互独立的、平行发展的，彼此之间几乎没有影响。但为了克 服某种模型的局限性，许多研究都试图把线框、曲面和实体模型三者统一起来 表示，但由于自由曲面的复杂性，在一定程度上仍无法解决基于自由曲面表示 的实体之间的集合运算的稳定性。但在实用化的几何造型系统中统一使用线 框、曲面和实体模型是其发展的方向。 另外从现在发展的趋势来看，点、线、面形式的几何表达已远远难以满足 设计和修改的方便性以及c a d c a p p c a m 的集成所需。近年来发展起来的特 征模型、产品模型等建模新技术，皆是出于这方面的努力。 1 线框造型线框造型是删q 蝴发展中应用最早的造型设计方法。线 框造型是二维图的直接延伸，即把原来的平面直线或圆弧扩展到空间，所以 点、直线、圆弧和某些二次曲线是线框建模的基本元素。 线框造型在计算机内部是以边表、点表来描述和表达物体的。线框造型方 法简单、易于理解、数据存储量少、操作灵活、响应速度快，是进一步构造曲 面模型和实体模型的基础。线框建模建立起来的不是实体，不能对图形进行消 隐、明暗处理和上色等操作。但在有些情况下，例如评价物体外部形状、布 局、或绘制图纸等方面，线框造型提供了足够的信息。同时由于它具有较好的 时间响应特性，所以在实时仿真技术和中间结果显示等方面有着很广泛的应 用。 2 曲面造型曲面建模又叫表面建模，是通过描述物体表面来进行三维实 体设计的一种建模方法，它主要适用于表面不能用简单数学模型进行描述的复 杂型面，例如在汽车、飞机、船舶、水利机械和家用电器等产品外观设计以及 地形、地貌、石油分布等资源的描述中，没有标准的数据模型可以使用，因而 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 必须采用曲面建模方法。这种建模方法主要利用所给的离散点来构建光滑过渡 曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。目前应用最广泛的是双参数曲面、 b 样条曲面和b e z i e r 曲面。这种模型的建立满足了自由曲面设计与制造的要 求，同时也为曲面相交、消隐、明暗处理、上色等应用问题的解决提供了依 据。 但这种模型对形体究竟存在于表面的哪一侧没有给出明确的定义，在物性 计算和工程有限元分析方面缺少完备性。 3 实体造型实体模型自7 0 年代以来得到了迅速的发展，主要的造型方法 包括实体几何法( c o n s t r u c t i v e s o l i dg e o m e t r y ，c s g ) 、小平面边界表示法 ( f a c e t e db o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，f b r e p ) 、拓扑边界表示法( t o p o l o # c m b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，t b r e p ) 。c s g 法通过体素拼合及布尔运算描述产品的 几何形状，它的数据结构简单，可以表达更高层次的特征信息与拓扑信息，适 合构造复杂形状的零件，已被广泛用于运动过程仿真和图形显示。但是，c s g 法不能表达诸如面、边、点的信息。f b r e p 法用一系列小平面近似表达产品的 表面，它可用于显示产品的几何形状，能够包含产品的面、边、点等低级信 息，但是不包括产品的高级信息，很难用这种方法构造复杂零件的几何形状。 t b r e p 法用一系列的边构成的框架表达产品的几何形状，可以表达产品的边界 拓扑信息以及面、边、点等低级信息，可以把产品的精度等信息附加到几何要 素上，能够满足c a m 对产品部分信息的要求，但t b r e p 法不能表达产品的特 征信息，很难用于构造复杂零件的几何形状。很明显，实体模型与产品模型还 有很大差距，它不能提供一个灵活而富有创造性的设计环境。 4 特征造型为了克服实体造型的不足，出现了以实体造型为基础的特征 造型和基于特征的设计思想。特征造型1 把参数化的基本体素定义为特征，用 特征通过体素拼合的方法构造零件的几何形状。基于特征造型的产品模型能够 表达工艺设计和产品制造所需要的高级信息，因为特征包含着产品的设计、分 析和加工等工程信息。基于特征的产品定义是以特征技术为基础，通过选取的 特征，使它们具有某种工程意义和加工意义，设计人员可以用这些特征迅速地 设计出c a m 所能理解的产品。基于特征的设计，为整个设计制造中的各个环 节提供了统一的产品信息模型，采用基于特征的产品定义是实现 q 气d c a p p c - a m 集成的有效途径。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 1 2 特征造型的发展 随着工业生产技术的提高，要求从设计到制造加工实现集成化、自动化， 在设计阶段实施并行设计，以便缩短生产周期，提供产品质量和市场竞争力。 目前实体造型n 耵已比较成熟，商品化程度也很高，但是由于实体造型所表达 产品信息的不完备性，使其不能满足c a d c a m 集成化的需要，必须建立新的 产品定义模型实现从设计到制造信息的完整描述。特征造型已成为新时期几何 造型的前沿技术的研究热点。尽管近几十年来特征造型的功能有了很大的提 高，但是还存在几个方面的问题怕，： ( 1 ) 特征的语义在造型期间不能充分地维护。 ( 2 ) 多特征视图的产品造型还不能支持产品发展的所有阶段。当前的多视 图特征造型仅支持形式特征视图。 ( 3 ) 几个用户协同用特征造型开发一个产品还得不到完全支持。基于网络 的协同系统提供了交互式的模型功能。 ( 4 ) 特征造型系统仅仅讨论规则形状的特征，而在实际产品中经常包含有 曲面。但是由于特征造型还存在许多优点，值得发展自由特征造型技术。 针对特征造型存在的四个主要缺点，人们对其进行了不懈的研究，从而促 使特征造型从四个主要方向继续向前发展，分别成为语义特征造型、多视图特 征造型、协同特征造型和自由特征造型。 1 语义特征造型语义特征造型u 0 1 是一种描述性的特征建模方法，特征的 几何参数、有效性条件等各种属性都通过约束进行表达，特征之间的位置关系 也可以通过约束进行描述。相对于过程性的基于历史流的建模方法而言，语义 模型特征信息的表达和特征信息的维持是相互分离的。语义特征造型系统能够 更充分地制定和保持特征语义。 2 多视图特征造型多视图特征造型1 是由b r o n s v o o r t 根据近期的工 程学和特征造型提出的一个概念，它支持产品开发各个阶段的应用，对这些应 用提供一套自己的解释或视图，每个视图都有各自的产品特征模型，每个特征 造型包含几何和功能两方面的信息。所有视图的特征模型都表示同一个产品， 不同视图之间可直接进行通信。但是，在产品设计过程中，可能会出现多个视 图的特征模型不一致或某个视图不存在有效特征模型的情况，那么就需要对所 有视图进行维护，使它们保持一致。 3 协同特征造型协同特征造型n 2 j 3 1 支持工程队共同完成造型活动。目前 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 已经有了以互联网为基础的协同模型可视化工具。然而，那样的工具重点用于 检查，例如仅用于简单的多边形网络模型，而不支持真正的造型活动，即不是 真正的c a d 系统。协同特征造型的目的是使用户能够在产品生产过程中使用全 部的特征造型功能来完成协作。 4 自由特征造型自由特征造型1 5 1 能使用自由形状进行特征造型。在几 乎所有的现存特征造型系统中，只有称作简单特征的规则形状和简单自由特征 可以使用。然而，实际上产品经常包含更多复杂的自由形状。自由特征造型要 想发展成一个成熟的概念还有许多难题有待解决。 1 3 协同设计技术的产生和发展 近些年来随着计算机网络技术的快速发展和日益成熟，以网络为技术基础 的科学活动环境成为了当前国际计算机技术研究的热点和前沿领域，已经引起 了学术界的高度重视。设计活动也突破了时间和空间上的制约，逐步达到以计 算机支持的协同工作为特征的高度并行、分布、开放和协同的工作模式。 协同设计技术n 6 17 1 的基础是计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 。它来源于1 9 8 4 年麻省理工学院( m i t ) 的i r e n g r e i f 和数字设备公司( d e c ) 的p u a lc a s h m a n 组织的一个讨论会。在这次 会议上，与会者首次提出了“计算机支持的协同工作 n 9 1 这个概念。c s c w 是利用计算机、网络与通信、多媒体以及人机接口技术，将时间上分离、空间 上分布而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有机的组织起来，以共同 完成某一项任务的分布式计算机环境。目前c s c w 的研究领域基本上可以归结 为两个层次：协同工作理论研究f 包括群体标准语言、协作机制、冲突协调幢训、 本体论等) 和协同工作系统实践( 包括设计系统、编著系统、会议系统、仿真系 统、诊断系统等1 。按时间和空间来分，c s c w 又可以分为四类。 1 同步模式同时同地的进行同一任务的合作方式，如共同决策、共同编 辑文件、c a d 、室内会议。 2 分布式同步模式在同一时间但不同地点进行同一任务的合作方式，如 协同设计、联合编辑、群体决策、视频会议等。 3 异步模式在同一地点但不同时间进行同一任务的合作方式，如轮流作 业等。 4 分布式异步模式在不同时间且不同地点进行同一任务的合作方式，如 电子邮件。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 异步协同设计乜是一种松散耦合的协同工作，其特点是：多个协作者在分 布集成的平台上围绕共同的任务进行协同设计工作，但各自有不同的工作空 间，可以在不同的时间内进行工作，并且通常不能指望迅速地从其他协作者处 得到反馈信息。 同步协同设计乜2 1 是一种紧密耦合的协同工作，多个协作者在相同的时间 内，通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其 他协作者处得到反馈信息。如同面对面地协商讨论在传统的产品开发过程中不 可缺少一样，同步协同在产品设计的某些阶段也是不可或缺的。 从技术上讲，同步协同设计比异步协同设计的实现困难得多，这主要体现 在它需要在网上阐述产品模型和实际意图、需要有效地解决并发冲突、需要在 c a x d f x 工具之间实现细粒度的在线集成等方面。虽然应用共享工具( 如 n e t m e e t i n g ) 可以通过截取单用户c a x d 工具的用户界面和传输界面图像来 实现简单的协同设计，但存在协同工作效率低，不支持多系统等问题，无法有 效地支持同步协同设计工作。近年来，人们对于同步协同设计的研究也在不断 的增多。 从总体上看，对于协同设计技术的研究已经从起步阶段转入攻坚阶段，急 需对分布式协同设计中的一些深层次问题开展研究，并期待取得突破。这些问 题包括。 1 二维协同绘图与三维协同标注m 等人开发了一个基于三维协同标注 的系统c y b e r v i e w ，该系统采用测览器朋臣务器结构，其中w e b 客户端由v r m l 浏览器、浏览器标注界面以及产品的v r m l 模型组成，服务器端主要包括浏览 与标注管理器、s t e p 文件到t m 蜞型的转换器和一个面向对象的数据库管理 系统。c y b e r v i e w 使多个用户能够通过w e b 对服务器端的三维模型进行浏览和 标注，从而间接地支持三维协同设计。 2 同步协同的三维建模同步协同的三维建模支持多个设计人员在共享工 作空间中对产品的三维模型进行设计、修改和观察，它是提高产品三维建模速 度和质量的新途径。现有的同步协同建模系统从总体上可以分为集中式乜2 钔和 复制式乜氐2 6 1 两类。集中式的同步协同建模系统采用客户机j j 及务器结构，其中服 务器用于放置共享的建模系统和中心模型，负责提供建模服务，生成中心模 型；客户端则主要负责建模操作的交互输入和模型显示。集中式同步协同建模 系统的优点是系统结构简单、并发控制容易，但也存在网络负载重、通信延迟 明显的问题。复制式同步建模系统采用在每个站点都放置建模系统和存储共享 模型的方法，通过使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 型，实现同步协同建模。复制式同步协同建模的优点是网络负载轻、站点的交 互功能强、响应速度快，其主要不足在于系统结构复杂、不同建模系统之间的 语义通信和数据通信困难、并发控制困难等。 3 三维c a d 模型的网上快速传输在同步协同设计，特别是集中式同步协 同建模中，三维c a d 模型能否通过网络快速传递给设计者对协同设计的同步效 果乜7 起着决定性作用。 分布式同步协同设计是一项正在蓬勃发展的新技术。国内外一些大型企业 已经开始进行分布式协同设计技术的实施应用，如波音7 7 7 的数字化设计以及 国家“八六三高技术研究发展计划航空c i m s 应用示范工程，都不同程度地 应用了分布式协同设计技术。 本论文所研究的内容主要是针对分布式同步协同设计的协同工作，在后面 的文章中如无说明，协同设计也特指分布式同步协同设计，这也是目前协同设 计所采用的主要模式和研究热点。 分布式同步协同设计具有如下特点。 1 强调团队精神和工作方式个人的能力总是有限的，不可能同时精通产 品从设计到售后服务各个方面的知识，也不可能掌握各个方面的最新情报。因 此，为了设计出便于加工、便于装配、便于维修、便于回收、便于使用的产 品，就必须将产品生命周期各个方面的专家，甚至包括潜在的用户集中起来， 形成专门的工作小组，大家共同工作，随时对设计出的产品和零件从各个方面 进行审查，力求使设计出的产品便于加工，便于装配，便于维修，便于运送， 外观美、成本低、便于使用。在集中了各方面专家的智慧后设计出来的产品 ( 在定型之前经过多次设计修改) 必然可以满足( 或基本满足) 上述要求。在设计 过程中，要定期组织讨论，大家都畅所欲言，对设计可以“横加挑剔，帮助 设计人员得出最佳化设计。团队工作方式可以采取定时碰头的方式，或由设计 人员单独向某方面的专家咨询。在计算机及网络通讯技术高度发达的今天，工 作小组完全可以通过计算机网络协同工作。设计人员通过网络向各方面专家咨 询。专家们亦可通过网络随时调出设计结果进行审查和讨论。 2 强调设计过程的并行性在设计过程中通过专家把关同时考虑产品生命 周期的各个方面，设计阶段就可同时进行工艺( 包括加工工艺、装配工艺和检 验工艺) 过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法 生产出产品的样件。 3 强调设计过程的系统性设计、制造、管理等过程不再是相互独立的单 元，而要将它们纳入一个整体的系统来考虑，设计过程不仅要出图纸和其它设 哈尔滨理工大学- t 学硕：i ? 学位论文 计资料，还要进行质量控制、成本核算，并要产生进度计划等。 4 强调设计过程的快速反馈并行工程强调对设计结果及时进行审查并及 时反馈给设计人员。这样可以大大缩短设计时间，还可以保证将错误消灭在 “萌芽状态 。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题全名为“基于细胞元的协同特征造型系统的研究 ，它来源于哈尔 滨理工大学计算机c a d 应用技术研究所所承担的国家自然科学基金项目“基于 细胞元表示的语义特征造型 ，是在该项目上的一个后续研究，是为实现“哈 尔滨理工大学计算机辅助工业造型系统( h u s t - c a i d ) 乜踟 能进行协同设计而提 出的新课题。所以本课题的研究具有重要的理论意义和实用价值，属于计算机 图形学和c a d 领域应用基础研究的前沿课题。 1 4 2 研究的基本内容 本课题将从理论和系统方案设计开发两个方面对协同设计中的产品模型进 行研究，本文设计的协同造型系统b s h u s t q u d 采用b s 结构的同时将细胞元 啪1 引入。利用细胞元建模，一方面可以很好的保持协同造型系统的语义，另一 方面利用细胞元动态分割和增量编辑技术定位并提取细胞元模型中变化的部分 传回客户端，从而使得网络传输量大幅下降，而操作的实时性则得到提升。在 此基础上建立基于细胞元的协同特征造型系统的设计体系，并给出系统运行方 案。因此本课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 协同设计中采用的系统结构和建模方法的研究。 ( 2 ) 协同系统中交互的数据模型和同步机制的研究。 ( 3 ) 协同特征造型系统中细胞元动态分割和增量编辑方法的研究。 哈尔滨理工大学工学硕1 二学位论文 第2 章基于细胞元的语义特征造型 2 1 传统的特征造型的缺点 传统的c a d 几何造型技术，如线框造型、曲面造型、实体造型等，这些造 型方法只能记录零件的点、线、面、体以及它们之间的拓扑关系，这些只是低 层次的几何信息，而对于非几何的信息，如精度，材料特性，工艺规则等工程 信息则无能为力了。特征造型技术的出现解决了这个问题，它是c a d 建模方法 上的一个里程碑。特征在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性， 它包括了产品的特点、几何形状、拓扑关系、典型功能、制造技术和公差要求 等各个方面，也就是说它既包含几何信息，又含有工程信息m 1 。 目前的各种特征造型系统都是参数化的，基于历史的。一般用边界表示法 b r e p 和c s g 作为主要的模型表示方法b “捌。在这样的系统中，系统需跟踪每 一步模型操作，如：新创建的特征类型，参数值等。每个新特征都需要依据现 存的边界模型进行定位，而最终的造型取决于边界模型中特征创建的顺序，这 种依存关系直接影响造型结果，甚至在某些情况下，改变特征操作顺序时结果 模型与设计者的意图相背。而且，当进行特征操作时需要重新执行造型的全过 程，模型中的特征数量越多，模型重构所耗费的时间就越大。 新型的语义特征造型技术能有效地克服基于历程树造型系统的缺陷，它能 使模型的修改不再依赖于模型的历程顺序，重构时间短，语义一致性能得到保 证。 2 2 基于细胞元的语义特征造型 2 2 。1 语义特征造型的特点 在语义特征造型中，特征的定义和模型的维护完全分离，所有的特征，包 括几何参数和有效性条件，都由约束声明。这种造型方法的主要优点是被指定 的这些约束是自由的，通过这种方法，可以编辑和维护模型。 在语义特征造型中，必须对每个特征进行定义，这在特征类中做了说明。 特征类结构化的描述了一个给定特征类的所有资源，并为其所有实例定义了一 哈尔滨理1 二大学工学硕寸j 学位论文 个模板。这种类型的所有实例的有效性条件应该满足。这些条件和特征形式及 其参数一样，是通过大量的约束类型来指定的。 大部分当今的造型系统有一种有效性条件的基本形式，考虑到技术和功能 元素的需要经常依赖于特定的应用领域，语义特征造型允许有更多种的说明。 例如：一个圆柱形通孔的顶面和底面应该始终保持开放，或者说这些面不应该 在结果物体的边上，这样的特征有效性条件实际上对保持在造型过程中特征的 语义是不可缺少的，否则特征也不会比高层的几何造型图元优越。 语义特征造型允许用户定义自己的特征类，例如：通过继承已经存在的特 征类并在其定义上增加一些约束条件。特征类存储在特征库中，在造型期间新 特征可以被示例出来。 语义特征造型的另外一个特点是整个造型过程根据特征和他们的实体( 例 如面和参数) 以及两者之间的约束统一实现。所以用户的所有造型行为实际上 都是基于特征的，这么做的优点是一个特征特别是它的面和面的命名是连续 的，这些保持有效，因此对他们的所有索引和模型中保持的特征实例一样，这 和基于历史的造型过程相反，精确模型的实体索引保存在造型过程中，前面的 部分指出了这些缺点。和这种系统的边界面不同，特征面从未分裂，合并或删 除，甚至他们的几何表示也是。 语义特征造型最重要的特点是所有特征的语义在整个造型过程中对所有的 特征操作来说都不改变。特征语义的一些重要方面，例如上面所讲的通孔，没 有一个构造的几何模型就不能被保持，也能够持续的表示成整个的页边界，可 能重叠的特征。即一个单一的几何模型，保持相关的特征信息，是执行有效性 维护所不可缺少的。 语义特征造型的这两个特点仅仅意味着在语义特征造型中的两层结构，明 显的把造型实体和在构造几何模型中的实体区分开来。前者执行了所有模型操 作的实体保存在第一层上，即所谓的特征依赖图，它包括了所有的特征和约束 实例，通过依赖关系相互关联。第二层包括了在细胞元模型中产品的构造几何 表示，它的实体内部保存仅需要反射在第一层上执行的模型操作的结果上。 2 2 2 基于细胞元的三层结构 基于细胞元的语义特征造型系统是从几何模型元素这一层次上研究特征模 型的，通过特征依赖图( f d g ) 使其特征修改不依赖于历程树。语义特征造型系 统不仅能提供定义良好的特征语义的详细描述，而且在造型过程中能有效地维 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 护特征的语义。由于基于细胞元的几何模型是在特征依赖图的基础上形成的， 因此它能够把产品模型的所有特征按照一定的顺序显示出来，每个特征由一 个或者多个细胞组合而成，在细胞元模型中细胞元没有重叠的情况发生，所以 只需使用并操作，使得重构的过程没有顺序的要求，与历程无关。 整个语义特征造型体系结构是三层结构，如图2 - 1 所示。底层是数据模 型，即设计者全面设计特征实体，并且把所有的特征信息及相互之间的联系保 存在数据模型中，这个数据模型用f d g 表示：中间层是细胞元几何模型，它能 够全面完整地把特征显示出来，但不是面向用户的，属于过渡性几何模型；最 上层是视图模型，视图是根据用户需要，如面向生产，面向加工等，从细胞元 几何模型映射出来的模型，面向终端用户，最接近真实效果。 图2 - 1 基于细胞元的语义特征造型的体系结构图 f i g 2 - 1f e a t u r em o d e l i n gs y s t e ms t r u c t u r eb a s e d o bc e l l u l a r 2 2 3 语义特征造型中的数据模型 产品模型是多个特征按照一定要求有机地组合在一起的，用语义约束表示 的特征不再单纯的依照特征创建的时间顺序来建模，而是按照特征之间的相互 关系来建模。 语义约束b 3 1 反映了特征间的关系。如果两个特征问没有任何约束时，则它 们互为独立特征：如果约束存在于两个特征中时，其中必有一个是作为约束的 参考基准存在的，这个特征就叫做主特征，另外个特征按照约束依赖主特征 而存在，相应的称之为客特征。主客依赖关系具有传递性，即如果甲依赖乙， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 乙依赖丙，则甲间接依赖丙，从而甲也是丙的客特征。主特征的变动会驱动客 特征的变动，反之不然。 如图2 2 所示，有两个定面约束。盲方孔依赖于基体而存在( 如盲方孔的上 表面和基体的上表面同面) ，盲圆孔依赖于盲方孔存在( 如盲圆孔的上表面和盲 方孔的底面同面) ，因此盲方孔是基体的客特征，盲圆孔是盲方孔的客特征； 根据传递关系，它也是基体的间接客特征；当盲方孔的深度加大时，盲圆孔的 位置受到驱动，也紧随着改变，从而语义的前后协同性得到了很好保证。 图2 - 2 主特征的变动驱动客特征的交动 f 姆2 - 2g u e s t sc h a n g e sd r i v e db yh o s t 约束具备方向性。如果该约束里两个特征一主一客，则为单向的，如图2 2 中定面约束；如果互为主客关系，则称这个约束是双向的，它们互相依赖， 任何一方的变动都会驱动另一方的变动。如图2 3 所示。 图2 - 3 双向约束中特征互相驱动 f i g 2 - 3d r i v i n ge a c ho t h e ri nd o u b l ec o n s t r a i n t 文中把上述主客依赖关系叫特征依赖关系，它用各种约束来实现。语义特 征模型中的实体不再是按照以往的基于历程树组织，而是按照它们之间的特征 依赖关系组织。由特征实体及其特征依赖关系组成了一个有向图，这种图就称 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 为特征依赖 ( f e a t u r ed e p e n d e n tg r a p h ，简称f d g ) ，图2 4 为图2 3 的特征依赖 图。 根据特征依赖图很容易找到相关集。某一特征实体的相关集定义为： g 他口m 陀) = e k 是7 ；，口f l f ，e 的所有客特征，包括直接客特征和间接客特征) 。 有了相关集在模型重构时就不必对整个模型进行一次遍历重建，而只需对 相关集遍历重建就可以了，极大地提高了重构的效率。 所有的造型操作就是在特征依赖图上进行的。造型操作分为两种，一是特 征操作，包括特征的添加、修改、删除，这些操作只需用到特征实体内部已预 定义的约束，一般说来是单向的：另一类是约束操作，这些操作是在特定环境 下新增的，是特征实体之间的约束，一般说来是双向的。特征依赖关系也就是 根据相应的造型操作而形成的。模型的构建，就是不断地用各种造型操作设计 和编辑特征依赖图，然后对模型进行重构，使之更加符合设计者的意图。 图2 4 特征依赖图的示意图 f i g 2 - 4f e a t u r ed e p e n d e n tg r a p h 2 2 4 语义特征造型中的几何模型 在特征造型系统中，如果以特征为模型的基本单位，当特征和特征相交的 时候，相交部分特征的语义1 可能会发生冲突，原有的特征的语义也将遭到一 定程度的破坏。本文以细胞元的概念来处理这方面的难题。基于细胞元的几何 模型是在特征依赖图的基础上形成的，它能够把产品模型的所有特征按照一定 的顺序显示在设计者的面前，每一个特征由一个或者一个以上的细胞组合而 成。 在基于细胞元模型的语义特征造型系统中，每个部件都通过相关联的细胞 来表示，这样每个部件或者完全在形状空间之内或者完全在其之外。细胞元模 型中的细胞是模型中特征的边界区域的点的集合。而且细胞分解是相交驱动 氅互耋墨苫銮：三：璧圭兰些兰銮 的。如对于任何两个相交的几何体，有些细胞在这两个几何体的相交处，而有 些细胞只存在于其中一个几何体内，这样两个细胞永远不会发生体相交。有些 情况两个细胞可能是邻接的，这时用细胞模型中的拓扑面进行区分，这个面可 以认为是有两个“面”。一般来说，位于细胞模型边界上的拓扑面只有一个细 胞面，每个形状元素都是通过一系列相连的细胞面和细胞边来表示。因此每个 特征形状在细胞模型中都有一个直接的、明显的表示方法，在物主列表中，可 以存放每个细胞所属的形状。细胞的属性由最后加入到细胞物主列表中的细胞 的性质所决定，如图2 - 5 所示。 卜基体( b a s e b l o c k )2 - 基体，台阶l ( s t e p o 3 一基体，台阶24 - 基体，台阶3 5 一基体，通孔( t h m h o l e )6 - 基体通孔 7 一基体，通孔，通槽( t h r u s l 0 0 8 - 基体，盲m c o l i n d s l o r ) 圈2 - 5 带有物主列表的细胞模型 f i g 2 - 5t h ec e l l u l a rm o d e lw i t ho w d e rl i s t 表2 1 提供了一组访问细胞模型中数据的方法，主要有两种信息：种是 拓扑信息即与细胞模型实体相关的结构邻接信息：一种是基于属性的即与不同 实体相关的数据。 细胞元模型是特征造型的几何描述方法重要组成部分，尤其对特征范围、 特征边界和相交部分的描述非常有益。细胞元模型包含了高层次的语义特征模 型所需的信息。修改细胞元模型的基本操作有两个：形状特征的插入和删除。 这些操作对细胞元模型有双重作用：一是改变了模型的拓扑结构，二是相应地 更新了细胞元模型体素的所有者列表。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 形状特征的插入首先细胞元模型用完全定义形状参数集来说明新的形 状的单细胞元，并将其定位。该细胞元的所有者列表中只有一个元素：形状自 身。每个细胞元元素在它的列表中也只有一个元素：相应的形状元素，然后非 规则布尔并操作是在细胞元模型和这个细胞元之间完成的，在这个过程中，模 型的所有细胞元( c m ) 被集中起来，有的形状细胞元是相交的( c s ) ，相交细胞元 的分离在c s 和c m 间进行的。有两种实现方法： ( 1 ) 两个