淺析基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的虛擬實體建模

康倩

【摘 要】隨著現(xiàn)代化產(chǎn)品更新?lián)Q代速度之快，為減少設(shè)計/制造的時間與成本，提高其效率與質(zhì)量，人們采用了虛擬設(shè)計技術(shù)。其中虛擬實體建模，是虛擬產(chǎn)品設(shè)計與裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，本文通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，介紹一個虛擬裝配系統(tǒng)的幾何內(nèi)核庫的開發(fā)過程。

【關(guān)鍵詞】虛擬設(shè)計；實體建模

一、虛擬設(shè)計技術(shù)與虛擬裝配

虛擬設(shè)計技術(shù)是將虛擬現(xiàn)實（VR）與產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系在一起，將CAD延伸與發(fā)展為基于虛擬現(xiàn)實的CAD。其順應(yīng)了設(shè)計技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在要求，進一步推動了產(chǎn)品設(shè)計向虛擬化方向發(fā)展。在虛擬環(huán)境中，產(chǎn)品模型從交互與行為表現(xiàn)上均高度接近與現(xiàn)實產(chǎn)品。設(shè)計者無需通過實物樣機就能對產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果進行多角度、全方位的分析與驗證，確保產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、可維護性與可重用性。

虛擬裝配是（VA）是VR技術(shù)在CAD/CAM應(yīng)用中一個重要領(lǐng)域。它是利用計算機工具，建立一個產(chǎn)品的虛擬模型，通過分析、可視化數(shù)據(jù)表示等技術(shù)幫助設(shè)計者進行裝配關(guān)系的工程決策。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，一些基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡單虛擬裝配設(shè)計環(huán)境受到人們的關(guān)注。

二、虛擬實體建模

（一）概述

虛擬現(xiàn)實是在虛擬的數(shù)字空間中模擬真實世界中的事物，這就需要真實世界的事物在數(shù)字空間中的表示，于是催生了虛擬現(xiàn)實中的建模技術(shù)。虛擬現(xiàn)實對現(xiàn)實“虛擬”得到底像不像，是與建模技術(shù)緊密相關(guān)的。因此，建模技術(shù)的研究具有非常重要的意義，得到了國內(nèi)外研究人員的重視。

虛擬實體建模，是虛擬產(chǎn)品設(shè)計與裝配技術(shù)的基礎(chǔ)。它克服了傳統(tǒng)二維設(shè)計中僅能以視圖描述零件特征，而不能建立實體模型的缺點，使設(shè)計者能夠以不同的角度，不同的方式對設(shè)計進行分析、評價與修改，并在零部件進行虛擬裝配的過程中，得到進一步的設(shè)計分析與優(yōu)化。因此，虛擬實體建模的好壞直接影響著對其的管理和操作，設(shè)計一個好的實體模型在虛擬裝配過程中猶為重要。

下面通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，介紹一個虛擬裝配系統(tǒng)的幾何內(nèi)核庫的開發(fā)過程。

（二）面向?qū)ο蠹夹g(shù)基本原理

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計方法是一種將系統(tǒng)看作由對象構(gòu)成的有機體，一切工作都圍繞對象展開的方法。面向?qū)ο蟮淖罨驹瓌t是使描述問題空間和解決問題的方法空間在結(jié)構(gòu)上盡可能一致。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，世界被看成是獨立對象的集合，對象之間通過消息相互通訊，對象將數(shù)據(jù)和消息封裝在一起，對一個對象的存取或修改僅通過其外部接口實現(xiàn)，其內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及對它的操作是不可見的。下面主要介紹面向?qū)ο蠹夹g(shù)的幾個關(guān)鍵部分。

對象（Object）是組成一個系統(tǒng)的基本邏輯單元，是一個有組織形式的含有信息的實體。它由屬性和行為兩部分組成。對象只有在具有屬性和行為的情況下才有意義，屬性是用來描述對象靜態(tài)特征的一個數(shù)據(jù)項，行為是用來描述對象動態(tài)特征的一個操作。在程序設(shè)計領(lǐng)域，可以用“對象=數(shù)據(jù)十作用于這些數(shù)據(jù)上的操作”這一公式來表達。

類（Class）是創(chuàng)建對象的樣板，在整體上代表一組對象，它是具有相同屬性和行為的一組對象的集合，它為屬于該類的全部對象提供了統(tǒng)一的抽象描述，其內(nèi)部包括屬性和行為兩個主要部分，類是對象集合的再抽象。

繼承（Inheritance）是一種聯(lián)結(jié)類與類的層次模型。繼承性是指特殊類的對象擁有其一般類的屬性和行為。

多態(tài)性（Polymorphism）是指類中同一函數(shù)名對應(yīng)多個具有相似功能的不同函數(shù)，可以使用相同的調(diào)用方式來調(diào)用這些具有不同功能的同名函數(shù)。

繼承性和多態(tài)性的結(jié)合，可以生成一系列雖類似但獨一無二的對象。由于繼承性，這些對象共享許多相似的特征；由于多態(tài)性，針對相同的消息，不同對象可以有獨特的表現(xiàn)方式，實現(xiàn)特性化的設(shè)計。

面向?qū)ο蠓椒ㄗ畲蟮膬?yōu)點是軟件的可重用性，面向?qū)ο蠓椒ㄍㄟ^繼承與多態(tài)性相結(jié)合等方法使得軟件模塊得以充分重用，尤其在開發(fā)新系統(tǒng)時，可充分利用重用機制大大減小開發(fā)工作量和提高軟件的可靠性。

（三）虛擬實體幾何對象類的層次設(shè)計

1.Entity：幾何對象基本類，描述幾何對象的共有屬性。

CEntity是幾何對象基類，它定義了幾何對象的許多公有屬性，也包括了幾何對象的一些公共的操作函數(shù)。CEntity在MFC類CObject的基礎(chǔ)上派生，因而可以繼承CObject的屬性和操作。因此，和MFC的視圖類基類CView一樣，CEntity也是一個抽象類，其中定義了純虛函數(shù)，不能直接用于聲明具體的幾何對象。CEntity作為基類，派生出了其他的幾何對象類。這樣設(shè)計充分利用了C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)的繼承概念，不僅減少了代碼重復(fù)，使得程序的結(jié)構(gòu)清晰，而且方便管理和擴充。

2.CPart：高級幾何模型類，描述應(yīng)用程序中整個幾何模型。

CPart類是一個幾何模型的集合類，它可以包含一系列的子模型。其文檔中的具體應(yīng)用數(shù)據(jù)是一系列由CMyModel對象組成的模型，CPart就是來描述這樣一個模型的集合。

3.CMyModel：幾何模型類，描述由特征面組成的實體。

類CMyModel是一個具體的幾何對象類，用來描述一個由自定義特征面所組成的實體模型。它是CEntity的派生類，具有CEntity類的屬性和方法，并包含自己的屬性和方法，例如，實體類型、旋轉(zhuǎn)自由度及平移自由度等屬性。

4.CFeature：特征面類，描述由三角面片表示的特征面。

特征面是組成虛擬實體的基本構(gòu)成元素，它在基于語義的虛擬裝配過程中具有至關(guān)重要的作用，例如，在幾何定位求解過程中，通過裝配面的屬性才得以實現(xiàn)。CFeature的基本成員包括：特征面類型、法線向量、軸向量、特征點等。

5.CTriChip：三角面片對象類，描述三角面片。

類CTriChip用于描述組成特征面的基本三角面片對象，它是組成虛擬實體最基本的組成元素。它在虛擬實體的顯示、干涉檢查等方面具有相當重要的作用。這五個基本幾何對象類之間的層次關(guān)系如圖1所示。

在實際的虛擬裝配過程中，正是運用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將裝配實體模型進行層次化類的分析，使裝配體按照由面片層到部件層的順序構(gòu)建，虛擬實體才得以創(chuàng)建。因此，幾何實體層次化建模是虛擬裝配過程中的重要環(huán)節(jié)，是虛擬裝配得以成功的關(guān)鍵。