基于VR—CAD系统集成实现虚拟环境中建模

摘 要：文章提出通过VR-CAD系统集成，更好解决虚拟环境下缺乏有效建模工具的问题，分别从纵向集成和横向集成两个方面着手，利用强大的建模工具，对传统计算机辅助设计系统和虚拟现实系统之间不同连接方式进行分析。

关键词：计算机辅助设计；虚拟现实；系统集成；几何建模；计算机应用

VR，即虚拟现实，其综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境。CAD，即计算机辅助设计，利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

与传统计算机辅助设计工具相比较，以虚拟现实辅助设计为基础的虚拟产品开发概念不断涌入，得到人们的广泛关注。虚拟环境的头盔跟踪能够将导航机制增强，其立体视觉可以提供出较好的如自由形和实体的形状感知，检查还可深入模型内部开展、进行。实物装置实现了物体的六个自由度的旋转和变换控制，从而使交互界面的可用性和精确性得到增强。数字图像可以构成混合现实。在维修培训、电子工厂模拟、装配工序设计、设计的发布、校验等方面都普遍应用了虚拟现实技术。但是，虚拟现实技术在诸多领域中的应用却存在这一个问题，那就是在虚拟环境中能够直接建立的产品模型十分有效，导致缺乏有效建模工具。对于虚拟现实技术的局限性，文章提出了虚拟环境和CAD系统集成建模思路。

1 纵向集成

现实中，纵向集成能够实现横向集成，在计算机图形参考模型的前提下，形成纵向集成的概念，为寻找适合的连接层面可通过图形传递通用模型实现，连接层面可从与数据相关的角度进行区分。经由面片、几何模型等，产品特征模型实现渲染可视化，图形数据的体积沿着该传递通道而不断增加。在一定层面，2个系统都拥有各自较为完整的传递通道，纵向集成方式取决于连接层面的选择，因此，在2个通道中，可将一个通道切断，数据被传输至另一个系统。CAD系统虽然具备场景渲染功能，但是却不能很好地支持互交方式，而且它还是非实时的，显然，连接在光栅图像数据层面上实施是不合理的。因此，这就需要集成VR与CAD。计算机开销可通过片面化物体显示出来，因此，连接若应用于三角面片，也就是面片层次上，则有利于设计演示。而且可作为时间函数，来控制细节层次，因此，要想实现自适应视觉化，可采用试点细化或者累进细化等算法来更好实现。

通常由多个基本图元构成CAD系统中设计物，而要对CAD模型执行同步设计性操作，是很难在VR系统中实现的。例如：不能将部件与图元之间的关系建立在VR系统，若将部件中图元位置改变，那么CAD系统中必然要重新输出已更新的图元。这样，在VR系统中，会表示出如面和曲线等图元的所有形式。图元间的匹配关系被装配集和部件抽象出来，参数和特性数据则由部件的概念用语义相关信息表示出来。与几何关系相比，语义描述更加精炼。通常情况下，仅需要将物体特征的形态和类别提供给设计物体即可，而无需复杂的几何模型数据。为了一致CAD模型与VR，其集成需要在这两个层面上进行，基于该特征，VR中模型可实现模型的更新与建立，但前提是需要利用扩展的功能和信息。

2 横向集成

由核心系统和用户共同构成了封闭环则为VR系统，该系统为一个特定的交互系统。通过输入及输出，将核心系统与用户相接连。虚拟现实系统的主要特征体现在实时响应、多通道的输入、输出上。将原先的环形结构改变是为了能够将CAD和VR进行集成。横向集成模型取决于改变方式的不同。下面，简单介绍这几种横向集成方式。

2.1整合集成

CAD系统中的集成部分就是VR系统，CAD模型计算机内部可由VR直接获取。为了保证可对CAD功能完全利用以及最短的反应时间，则采用该工作模式。但是该方式不是集成VR与CAD的通用途径，其实现必须具备专门的解决措施。

2.2在线集成

在线集成方案还应该支持读写物体特性以及支持物体的建立与删除。为了能够直接对内部模型进行访问，无论哪种方案都要求CAD系统具备完备的应用程序接口。通过应用程序接口将两个系统相连接，可按照如下方式进行区分。①间接在线集成，根据模型的变化，VR系统提供出不很精确但即时的表示，更新应根据CAD系统所提供的精确结果进行。为了对CAD系统的部分功能进行模仿，建模子系统在VR系统中得以定义。②直接在线集成，VR系统仅负责可视化最终模型和传递请求。用户的请求被直接传递于CAD系统，各个分过程时间之和取决于反应时间。

2.3离线集成

先输出几何模型数据，并转变为入VRML等适合VR的格式。在VR系统中输入了这些数据后，用户仅能对这种固化模型进行简单浏览。这时，VR中模型只不过代替了原先CAD模型，且不会与CAD系统产生关系。由相应的附加数据结构来表示如装配关系等的信息，因此，VR模型转变为CAD模型是不切实际的。

3 结束语

通过集成VR-CAD系统，最终能够实现在虚拟环境条件下建模，传统CAD系统可以提供功能强大的建模工具。应用多层次细节模型等一系列技术后，可更好利用自然人机界面，同时还可将处理模型复杂程度提高。为了提高VR-CAD2个系统之间紧密结合程度，可将CAD内核嵌入虚拟现实系统中或者将CAD造型工具加入虚拟现实界面中。

参考文献：

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