淺析三維建模的數(shù)據(jù)優(yōu)化

張 鵬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津 300000）

引言

三維數(shù)字模型能夠生動、直觀、準確的在計算機中描繪客觀實體?；谶@些優(yōu)勢，在近些年提出的裝備全生命周期管理中，三維數(shù)字模型技術被廣泛應用。從2006年開始，我們應用達索公司的CATIA三維設計系統(tǒng)對公司旗下運營的部分FPSO等大型裝備完成了三維建模，以期待在未來的工程改造以及設備管理中發(fā)揮作用。直到幾年前在對公司所屬的某條FPSO的改造過程中，這些三維數(shù)據(jù)才真正發(fā)揮了作用。我們在已有三維數(shù)據(jù)的基礎上完成了新增透平發(fā)電機的管路和電纜托架的三維基本設計。但是在當時的建模過程中對模型的操作上卻給我們帶來了一些困擾。

1 三維模型加載的問題

每次將FPSO全船模型數(shù)據(jù)一次性載入時計算機都會發(fā)生異常終斷，之后導致CATIA環(huán)境被迫退出。即使分塊載入，也會隨著數(shù)據(jù)的逐漸增多對模型的拖放、旋轉等操作發(fā)生卡頓滯后現(xiàn)象，導致無法進一步操作。最初我們認為可能是由于CATIA與計算機操作系統(tǒng)本身在匹配上存在問題。于是在WINXP中文、WINXP英文、WIN2000 P、WIN2000 S等多個版本的操作系統(tǒng)下對比測試CATIA的運行狀況，發(fā)現(xiàn)異常終斷和卡頓滯后現(xiàn)象依然存在，并沒有顯著的差別。說明CATIA對于以上幾個版本的操作系統(tǒng)的適應性基本相同，改變操作系統(tǒng)對于改善性能幾乎沒有提高。我們將突破方向轉移到了硬件系統(tǒng)上，專門配置了多處理器、雙顯卡級聯(lián)的高性能圖形工作站。此后操作CATIA模型較之前有了顯著提高，90%以上的數(shù)據(jù)可以被調用并顯示，而不至于像從前那樣導致系統(tǒng)崩潰，可以說有了一個質的突破。但是隨著數(shù)據(jù)的增加任何高性能的硬件設備最終都會存在一個極限，性能的提高是以付出高昂的硬件成本為代價的。即使不考慮成本因素由于硬件設備從研發(fā)到產(chǎn)品化再到產(chǎn)品銷售存在一個較長周期相對于數(shù)據(jù)的增長總是存在滯后，對于解決問題始終是一種被動手段。

2 三維模型構建原理

那么到底在哪些方面還需改進呢？在翻閱一些資料以及和相關技術從業(yè)人員交流后得到了一點啟發(fā)。既然問題出自數(shù)據(jù)，還是要回到數(shù)據(jù)的本源上。說到這里要先介紹一下三維模型的成像原理。計算機在處理三維模型中是以三角形作為基本元素，由三角形構成不同的多邊形，再由多邊形構成三維實體，同時還要處理空間縱深關系、紋理貼圖、光影變化等一系列復雜過程。如果構成一個三維模型的三角形數(shù)目越多，那么模型的外觀就越細膩、真實。計算機的顯卡有一個關鍵的性能指標“生成三角形數(shù)/秒”，它是計算機顯卡創(chuàng)建三角形面片能力的反應。一個基本的立方體僅由12個三角形構成，一個光滑的球體理論上由無窮個三角形來構成。計算機在處理復雜的由幾千萬甚至更多的三角形構成的結構時負荷會大大加重。理論上只要給計算機足夠的計算時間最終都會生成模型，但實際中由于顯存帶寬、空間的限制，計算機還沒等到生成全部數(shù)據(jù)就已經(jīng)發(fā)生內存溢出，最終導致系統(tǒng)癱瘓。

3 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化分析

從這里我們可以看出只要減少構成模型的三角形數(shù)就可以有效地降低計算機的處理負荷。以一臺透平的空氣啟動裝置（圖A）為例，原始數(shù)據(jù)模型由1962006個三角形構成，這個數(shù)字對于單個設備來說已經(jīng)相當大了，然后使用CATIA系統(tǒng)中的DMU優(yōu)化器將精度減小到原來的百分之一，我們會發(fā)現(xiàn)構成的三角形數(shù)減少到10975個。假設計算機每秒能夠創(chuàng)建1億個三角形，運用簡單的除法可以看出精簡后的模型在生成速度上大大提高。不過對比前后兩個模型的外觀會發(fā)現(xiàn)有明顯的差別，精簡后的模型變得更粗糙，甚至有些部位發(fā)生變形?？磥砟Ｐ蛢?yōu)化有一個度的限制，減少構成三角形數(shù)量的同時還要保證建模效果在一個可接受的范圍內。

圖1

4 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化技巧

從前我們在建模過程中都是追求近似逼真的程度，并沒有考慮過三維圖形的結構特點和數(shù)據(jù)的實用性。我們的FPSO模型是由7800多萬個三角形構成的，常規(guī)計算機根本無法完成一次性生成。根據(jù)測試經(jīng)驗構成三角形數(shù)在500萬個以下的三維模行才能在常規(guī)計算機下流暢操作，可想我們的數(shù)據(jù)遠遠超過了這個限制。像絲網(wǎng)結構，圓弧結構這樣不起眼的模型會占據(jù)大量的處理時間。對于像FPSO這樣一個龐大的三維模型的集合體我們應針對每一個基本的幾何模型進行分析，做到有主有次。什么是工程中需要精確數(shù)據(jù)的，什么是只需展示視覺效果的。例如一個成撬設備，外形長寬高、管線接口都是工程改造中要求精確定位的數(shù)據(jù)，必須進行實體建模。那么撬內結構復雜，可以在簡單的立方體結構上應用紋理貼圖的方式去表現(xiàn)。這樣可以大大降低構成三角形的數(shù)量。管路改造也是工程中會常遇到的，那么對管線的建模就需要進行實體建模，至于管件我們可以應用符合現(xiàn)場外形尺寸的通用簡易管件代替，像閥門手輪、閥體之類的會占據(jù)大量三角形的結構無需細致刻畫。

結語

CATIA是法國達索公司開發(fā)的一款三維設計系統(tǒng)，在設計過程中可以直接以模型為核心，通過復雜的建模技術創(chuàng)建復雜的機械結構，用三維模型真實反映產(chǎn)品的外形，最終產(chǎn)生精確的零部件加工信息，擁有強大的機械設計能力，主要應用于精細化的產(chǎn)品設計，側重于航空航天、汽車制造、加工裝配、消費產(chǎn)品等行業(yè)。然而我們在實際的調研中發(fā)現(xiàn)將CATIA應用于造船、石化、電力行業(yè)的案例甚少。事實上我們的FPSO三維模型更符合三維工廠系統(tǒng)的概念。我們對三維模型的需求是面向線性系統(tǒng)、流程系統(tǒng)、側重于整體的系統(tǒng)，比如工藝配管、電氣橋架路由、設備布置等，通過三維模型反應的空間布局、路由走向、設備數(shù)量等信息產(chǎn)生一系列設計文檔。三維工廠系統(tǒng)并不關心模型的精細化和逼真程度，哪怕是簡單的線條和方塊也可以滿足所需的設計信息。可以看出，無論選取什么樣的三維建模系統(tǒng)都需要明確三維模型的應用目標，做到有取有舍，突出表現(xiàn)有應用價值的數(shù)據(jù)，忽略應用程度不高的數(shù)據(jù)。從建模之初加以控制，根據(jù)模型的幾何特點有針對性的改善建模手法才是解決問題的最終手段。在此希望這點滴經(jīng)驗能夠給相關技術人員帶來些啟發(fā)。