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标题: 用AutoCAD获取仿真系统的三维模型 [打印本页]

作者: 她。 时间: 2012-3-27 08:50
标题: 用AutoCAD获取仿真系统的三维模型
实体模型的描述
　　仿真系统三维实体模型的建立，首先由现有的造型软件AutoCAD建立几何模型，然后通过它的数据交换文件DXF文件，仿真系统获得AutoCAD生成的实体模型的数据，建立系统自身的实体模型。
　　一个完整的DXF文件由四个段和文件结尾组成，它们的顺序是：
　　（1）标题段。该段记录了AutoCAD所有标题变量的当前值，这些标题变量记录了AutoCAD的当前工作环境。
　　（2）表段。该段包含了七种表，按顺序是：视窗表、线型表、图层表、字样表、用户坐标表、尺寸标注式样表和应用程序标识表，这些表记录了当前图形编辑的支撑环境。
　　（3）块段。该段记录了每一个块的定义，记录了这些块的名字、类型、基点及组成该块的所有成员。
　　（4）实体段。该段定义了每个实体的种类，所在图层名、颜色、线型、厚度、实体描述字及有关几何数据。
　　（5）文件结尾。只有“”和“EOF”两行。
　　具体内容由若干组构成，每个组占两行，第一行为组代码，第二行为跟随值，组代码相当于数据名称的代码，跟随值是数据的具体值。DXF实体分类和IGES类似，几何实体包括如点、直线、圆弧、多义线、三维平面、轨迹等；描述实体包括如尺寸标注、属性定义、正文、块属性等；结构实体包括如型、块、子实体等。
　　AutoCAD将形体表面作三角形剖分，即所有的表面（包括平面、曲面）都用三角形面片来近似表示。
　　三维形体的几何、拓扑信息都记录在实体（ENTITIES）段中，其由多个POLYLINE实体描述组成，每个POLYLINE实体对应AutoCAD中的体素和由扫描产生的基本形体。
　　POLYLINE实体描述中的信息包括：形体的所有顶点坐标；组成三角形面片的顶点号，顶点按符合右手法则的顺序排列。
　　AME是一个真三维的实体造型系统，系统的输入主要采用CSG及扫描两种方式。实体在计算机内同时采用CSG及B-rep两种表示模式，先将用户的输入用CSG树的结构加以记录，然后随着造型进程转换为B-rep表示。从13.0开始，AutoCAD首次使用了ACIS（AmericaCommitteeforInteroperableStandard）技术，将实体造型系统集成到AutoCAD的核心模块上，实体造型已成了其基本功能。ACIS技术允许对实体做更完整更精确的描述，在建立复杂实体时，仍需对基本体素做布尔操作，但计算机内不再使用CSG树，而是利用ACIS机制生成实体的B-rep表示。
　　3、系统所要求的模型数据结构
　　系统中部件之间干涉检验的求交算法是部件间的边面求交，随后还要进行交点和三角形的包含性检验，以及判断部件是否相交，其中包括使用包围体的加速措施。算法要求点的几何信息，面方程的获得要求面和点的拓扑关系F→{V}，边方程的获得需要边和邻面的拓扑关系E→{F}，还需要边和端点的拓扑关系E→{V}，部件及体素要求有包围体的数据。
　　真实感图形的生成算法要求正确地计算各顶点的法向量，以反应物体真实表面，所以要有法向量数据。真实感显示还要求部件的材质信息。动画的实现要求部件的装配方向信息。布局调整要求部件的变换矩阵数据。在参考翼边结构的基础上，针对本仿真系统对各种信息、数据的要求，结合DXF文件的特点，特作如下处理：
　　整个系统的图形由组成装配的各个部件（包括减速器、电机、万向节等）的图形组成，通常一个部件在同一次造型中完成，因此可将一个部件形体作为一个DXF文件输出，每个部件对应一个DXF文件，DXF文件中包括组成部件形体的所有体素，以及其边界数据。但是，DXF文件考虑的仅仅是几何、拓扑信息，而没有材质这样的物理信息，一个部件往往由不同材质的零部件组成，因此在真实感图形显示时必须有材质信息。为了增加材质信息，将同一材质的体素作为同一DXF文件输出，这样多个体素集组成一个部件形体。因此建立链表结构TXT记录装配部件的信息，链表结构DXF记录一部件中同材质的体素集的信息，链表结构POLYLINE记录体素的信息。
　　由于AutoCAD记录体素的几何、拓扑信息使用的是B-rep表示法，因此针对体素，我们的仿真系统采用类似翼边结构的数据结构，建立了顶点、边、面链表结构，其中由于边链表的生成算法是通过遍历面链表，对应三角形面中的任意两个顶点都生成一条边，因此会产生一条边记录两次，为了方便删除链表结点，边采用双链表结构。点的几何信息包括点的坐标，以及点的法向量；面的几何信息包括面的属性，面的法向量以及其方程系数。建立了点、边、面间的三种拓扑关系，即E→{V}，E→{F}，F→{V}。数据结构下图所示。

　　仿真系统实体模型的数据结构图　根据仿真系统的要求，用C语言描述的图形链表数据结构如下：
　　typedefstructvertex{//顶点
　　doublecoordinate［3］；//顶点坐标（x，y，z）
　　doublevector［3］；//顶点法向量
　　structvertex*next；//顶点链表中下一个节点
　　}VERTEX；
　　typedefstructedge{//边
　　structedge*ahead；//边链表中上一个节点
　　structvertex*vertex［2］；//顶点链表中边的两个端点
　　structface*face［2］；//边的两个邻面
　　structedge*next；//边链表中下一个节点
　　}EDGE；
　　typedefstructface{//面
　　intattributte；//曲面标记
　　structvertex*vertex［3］；//顶点链表中面的三个顶点
　　doublevector［4］；//三角形面片的平面方程系数
　　structface*next；//面链表中下一个节点
　　}FACE；
　　typedefstructpolyline{//体素
　　structvertex*hvertex；//体素顶点链表的头节点
　　structedge*hedge；//体素边链表的头节点
　　structface*hface；//体素面链表的头节点
　　floatboxvertex［6］；//体素包围长方体的6个确定参数
　　//(体素中最大和最小的X,Y,Z坐标值)
　　structpolyline*box；//指向包围长方体的指针
　　structpolyline*next；//体素链表中的下一个节点
　　}POLYLINE；
　　typedefstructdxf{//同材质体素集
　　intmaterial；//材质
　　structpolyline*hpolyline；//体素集的体素链表的头节点
　　structdxf*next；//体素集链表的下一个节点
　　}DXF；
　　typedefstructheadedge{//边链表的头节点
　　structedge*hedge；//边链表的头节点
　　structheadedge*next；//边链表的头节点链表的下一个节点
　　}HEADEDGE；
　　typedefstructheadface{//面链表的头节点
　　structface*hface；//面链表的头节点
　　structheadface*next；//面链表的头节点链表的下一个节点
　　}HEADFACE；
　　typedefstructtxt{//形体
　　charname［20］；//形体名
　　intdir；//装配方向
　　doublematrix［3］；//形体变换阵
　　structdxf*hdxf；//体素集链表的头节点
　　structheadface*hhface；//面链表的头节点链表的头节点
　　structheadedge*hhedge；//边链表的头节点链表的头节点
　　floatboxvertex［6］；//形体包围长方体的6个确定参数
　　//(体素中最大和最小的X,Y,Z坐标值)
　　structpolyline*box；//指向包围长方体的指针
　　structtxt*next；//形体链表的下一个节点
　　}TXT；
　　系统具体实现中，通过链表数据结构读入数据文件，建立组成仿真的各形体的实体模型主要步骤包括：
　　(1)由读入装配文件建立各形体（TXT）的链表，以及形体的体素集（DXF）链表；
　　(2)由DXF文件提供的各体素边界顶点坐标和面的顶点号，建立各体素（POLYLINE）链表以及它的顶点（VERTEX）链表和面（FACE）链表；
　　(3)再由遍历面链表建立边（EDGE）链表；
　　(4)根据形体各体素的边、面链表，建立形体的边（HEADEDGE）链、面（HEADFACE）链。
　　4、结束语
　　总结以上论述，将本图形仿真系统三维几何模型的实现过程简单归纳就是：根据设计结果，利用AutoCAD建立各部件的三维模型，输出DXF文件。模型的建立可采用交互式，也可采用参数化的方法，标准件可建立图形库。由仿真系统直接调用DXF文件，计算各部件在仿真系统中的插入位置，并确定仿真装配顺序及路径，建立装配文件。在实体模型基础上，在OpenGL环境中建立几何模型，实现真实感图形、装配动画、位置调整以及其他一些观察功能（如旋转动画、各个视图、放缩等等)。我们所介绍的这种方法，相信会对其它类似系统的图形建模提供借鉴。

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