基于中性文件的三維ＣＡＤ零件模型異地傳輸特性研究

摘 要：為實現三維CAD零件模型的異地快速傳輸，提出了一種以記事本為數據文件載體，在獲得模型中所包含的特征信息后構建中性文件，通過網絡傳輸該中性文件并在異地通過對模型的自動重構實現大型三維CAD模型的異地快速精確傳輸的方法。對該方法的傳輸性能進行了測試，結果表明該方法可使傳輸的數據文件縮小50倍以上，傳輸速率達50 kbps以上。

關鍵詞：三維計算機輔助設計； 網絡傳輸； 數據交換； 中性文件； 重構

中圖分類號：TH122；TP391.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)07-2110-02

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Study on rapid transition of 3D CAD model based on neutral file

LIU Xue-shu， GAO Hang， GUO Dong-ming

(Key Laboratory for Precision Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116023， China)

Abstract:This paper presented a rapid transmission method for big 3D CAD model on Internet，which chosed the notepad as the carrier of the data， created neutral file after getting the data of the parts’ model and realized the accurate transmission by automatic rebuilding the model with the neutral file. The application shows that the method can realize the rapid transmission with 50 kbps and the size of the model is 50 times that of the neutral file.

Key words：three dimension CAD; network transmission; data exchange; neutral file; rebuild

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隨著計算機技術的不斷發展，三維CAD技術為機械產品的高效、智能化設計提供了新的技術手段。三維CAD具有在設計過程中更加直觀、更便于實時編輯處理、設計的圖樣更容易修改等優點，但由于其文件本身包含的大量信息，致使模型文件所占空間成倍增加，尤其對于大型的復雜裝備產品，其產品三維CAD模型所占空間甚至達到幾百兆。在基于網絡的異地協同設計。過程中，對幾十兆至幾百兆的三維CAD模型文件的網絡直接傳輸，往往需要數分鐘至幾十分鐘的時間，甚至導致網絡無法傳輸，由此成為制約網絡異地協同設計交流的瓶頸問題之一。另外，由于CAD模型的復雜性，在同步協同CAD系統中，三維CAD模型能否通過網絡進行快速傳輸對協同設計的同步效果起著十分重要的作用。其中三維CAD網格模型快速傳輸技術相對容易。然而作為CAD模型的逼近表示，網格模型雖然能支持產品的瀏覽和標注，但它無法用于產品的精確設計和修改^[1~3]。因此找到一個能實現三維CAD模型異地精確快速傳輸的方法是實現同步網絡異地協同設計的基礎。

對三維CAD模型的異地傳輸方法的研究是隨著協同設計的發展而逐漸深入的。為了實現真正意義上的異地實時協同設計，必須實現模型文件的異地實時快速傳輸。對于傳輸方法的研究概括起來可以分為兩大類：a)非精確三維CAD模型的傳輸方法，如李公立等人提出的三維模型的漸進式編碼與流式傳輸技術^[4]，蔡鴻明等人提出的擴展CSG方法等^[5]。它們都是通過對三維幾何模型進行適當的壓縮、簡化，進而減小所要傳輸的文件中所包含的信息量，并采用多媒體的流式傳輸方法實現異地的快速傳輸；不足之處是所傳輸的模型是非精確的幾何模型，該模型不能用于再編輯。b)精確的CAD模型傳輸方法，如王琪等人提出的基于變動基元集的精確CAD模型的增量傳輸思想^[6]，劉偉偉等人提出的基于C/P(命令/參數)消息的數據傳輸方式等^[7]。其共性為通過提取建模過程中操作命令的相關信息并將該信息傳給目的地，通過對命令的再現實現你見即我見的實時協同。設計不足之處是前者僅僅為提出的一種設想，沒有給出具體的方法和方法的有效性；后者并未考慮零件的傳輸方法及操作命令的再現過程，也未對該方法的優越性加以驗證。 

本文采用中性文件的方式，以記事本作為中性文件的載體，通過異地重構實現三維CAD零件模型的異地快速傳輸，并對此方法的傳輸特性進行了測試。結果表明，該方法可實現零件三維CAD模型的異地精確傳輸。

1 基于特征的模型信息表達及分析

一般來說，特征是對特定的活動或應用有意義的對象。特征對于不同的人員具有不同的含義，對于設計人員來說特征信息應包括兩方面信息：a）特征的類型，即形狀、確定形狀的尺寸和特征所包含的面的信息；b）特征的定位關系，即定位的方式、方位及尺寸約束^[8]。

三維CAD軟件的建模過程就是通過對各種特征的個性定制來實現對真實零件的精確描述。對于特征信息的描述，筆者借鑒參考文獻[9]提出的用特征編碼的方法實現對特征進行描述的思想，并考慮到建模過程中的實際情況，以拉伸特征為例，用表1所示的方式對旋轉特征進行編碼。由該編碼方式生成的部分中性文件如圖1所示；單一特征模型文件與中性文件的比較如圖2所示。

本設計的初衷是通過構建較小的中性文件來減小網絡間所傳遞的信息量，進而保證三維模型的異地快速傳輸；同時通過對中性文件的重構操作以保證傳輸的精確性，即傳輸到異地的模型文件保留原模型的所有信息，并具有再編輯性。雖然目前三維CAD軟件種類繁多，但就建模過程所使用的操作而言，主要包括拉伸（extrude）、旋轉（revolve）、掃描（sweep）等基本操作及如倒角(round)、陣列（pattern）等輔助操作。而這些操作中包含著模型的幾何信息和拓撲信息，這些信息以何種方式存儲是決定異地傳輸時傳輸文件大小的關鍵。筆者以Pro/E軟件為例，對幾種主要操作所生成特征的存儲方式進行了比較，如圖3所示。從圖中可見，對于如拉伸、旋轉等基本操作生成的單一特征轉換為中性文件后，可縮小100倍以上；而對于如倒圓角、陣列等輔助操作生成的單一特征，在轉換為中性文件后也可縮小40多倍。

對于同一操作，通過參數的設置可以生成不同的特征，如拉伸操作可生成拉伸特征和剪切特征等。對于一個零件模型，可能會包含同一特征的不同實例，圖4和5給出了特征數量對模型文件和中性文件大小的影響。從圖中可見，對于基本操作所生成的特征，其模型文件和中性文件大小與特征數量基本成正比；而對于輔助操作所生成的特征，其模型文件大小與數量成正比，而中性文件則基本不變。由此不難看出，對于使用輔助操作較多的模型文件，轉換成中性文件后，更有利于提高其異地傳輸速度。

采用本文所述的方法傳輸模型文件可以減少網絡傳輸中所耗費的時間，但是否能提高傳輸效率還需綜合考慮。對于本文所述的傳輸方法，模型異地傳輸所用時間應包括三部分：提取特征信息所用時間、傳輸中性文件所用時間和異地重構特征所用時間。對于不同的特征，其數量對特征信息提取和重構時間的影響如圖5、6所示。從圖中可見，對于基本操作所生成的特征，其重構時間與特征數量呈正比；而輔助操作所生成的特征，其變換較緩甚至不變，這不僅與輔助操作類型有關，而且與建模手段有關。

2 實例驗證

為驗證本文方法的可行性和有效性，筆者以Pro/E軟件為平臺，通過該軟件二次開發工具Pro/Tookit開發了具有特征提取與再現功能的程序，并開發了數據文件傳輸工具。以某機床的回轉工作臺底座零件為例對該方法加以驗證。該工作臺底座的結構如圖7所示。 

本文方法的最終目的是在保證精確傳輸的前提下提高模型的異地傳輸速度，因此必須對模型直接傳輸方式和本文所用方式的傳輸效率進行比較。筆者對回轉工作臺底座模型基于中性文件傳輸方法的測試結果如圖8所示。從圖中可見，本文所述的傳輸方法在整個傳輸過程中，模型異地重構時間在傳輸總時間的比例較大，且隨傳輸特征數量的增加，模型重構時間占異地傳輸總時間百分比逐漸增加，如圖9所示。傳輸總時間中信息提取耗時和模型重構耗時的多少取決于用戶所用計算機的性能，筆者所用的計算機CPU為P4 2.4 GHz，內存1 GB；而數據傳輸耗時取決于傳輸的數據量大小和網絡狀態。從圖8中可見，在基于中性文件的模型異地傳輸中數據傳輸耗時基本可忽略不計。

對于異地用戶而言，一般都是利用公網進行文件傳輸，公網上的文件傳輸速度一般在十幾kbps到幾十kbps左右。而對于本文所述的傳輸方法，按模型大小和傳輸總時間換算的傳輸速率如圖10所示。從圖中可見，其傳輸速率達50 kbps以上，高于一般公網的傳輸速率。另外文本所用實例，其建模過程中所用輔助操作較少，僅17、18兩特征為輔助操作生成的特征。從圖中可見，傳輸17或18個特征得到的傳輸速率略高于傳輸16個特征得到的傳輸速率。因此，對于模型中輔助操作較多的文件，其傳輸速率會更高。

3 結束語

本文在分析和總結前人對三維CAD模型異地傳輸和轉換研究的基礎上，提出利用構建中性文件實現三維CAD模型的異地快速精確傳輸，并對此方法的可行性和有效性進行了驗證。采用中性文件記錄模型信息可使存儲數據縮小50倍左右，其傳輸速率可達到50 kbps以上。另外，以記事本為模型信息載體的中性文件可作為三維CAD模型的一種新的存儲方式，也有利于對于重要產品數據的加密處理；同時，針對不同的三維CAD軟件，利用相應的開發工具開發不同的特征信息提取與再現工具，還可輕松實現異構數據的轉換操作。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”