基于中性文件的三维CAD零件模型异地传输特性研究

    为实现三维CAD零件模型的异地快速传输，提出了一种以记事本为数据文件载体，在获得模型中所包含的特征信息后构建中性文件，通过网络传输该中性文件并在异地通过对模型的自动重构实现大型三维cAD模型的异地快速精确传输的方法。对该方法的传输性能进行了测试，结果表明该方法可使传输的数据文件缩小50倍以上，传输速率达50kbps以上。

    随着计算机技术的不断发展，三维CAD技术为机械产品的高效、智能化设计提供了新的技术手段。三维CAD具有在设计过程中更加直观、更便于实时编辑处理、设计的图样更容易修改等优点，但由于其文件本身包含的大量信息，致使模型文件所占空间成倍增加，尤其对于大型的复杂装备产品，其产品三维CAD模型所占空问甚至达到几百兆。在基于网络的异地协同设计。过程中，对几十兆至几百兆的三维CAD模型文件的网络直接传输，往往需要数分钟至几十分钟的时间，甚至导致网络无法传输，由此成为制约网络异地协同设计交流的瓶颈问题之一。另外，由于CAD模型的复杂性，在同步协同CAD系统中，三维CAD模型能否通过网络进行快速传输对协同设计的同步效果起着十分重要的作用。其中三维CAD网格模型快速传输技术相对容易。然而作为CAD模型的逼近表示，网格模型虽然能支持产品的浏览和标注，但它无法用于产品的精确设计和修改。因此找到一个能实现三维CAD模型异地精确快速传输的方法是实现同步网络异地协同设计的基础。

    对三维CAD模型的异地传输方法的研究是随着协同设计的发展而逐渐深入的。为了实现真正意义上的异地实时协同设计，必须实现模型文件的异地实时快速传输。对于传输方法的研究概括起来可以分为两大类：a)非精确三维CAD模型的传输方法，如李公立等人提出的三维模型的渐进式编码与流式传输技术，蔡鸿明等人提出的扩展CSG方法等。它们都是通过对三维几何模型进行适当的压缩、简化，进而减小所要传输的文件中所包含的信息量，并采用多媒体的流式传输方法实现异地的快速传输；不足之处是所传输的模型是非精确的几何模型，该模型不能用于再编辑。b)精确的CAD模型传输方法，如王琪等人提出的基于变动基元集的精确CAD模型的增量传输思想，刘伟伟等人提出的基于C/P(命令/参数)消息的数据传输方式等。其共性为通过提取建模过程中操作命令的相关信息并将该信息传给目的地，通过对命令的再现实现你见即我见的实时协同。设计不足之处是前者仅仅为提出的一种设想，没有给出具体的方法和方法的有效性；后者并未考虑零件的传输方法及操作命令的再现过程，也未对该方法的优越性加以验证。

    本文采用中性文件的方式，以记事本作为中性文件的载体，通过异地重构实现三维CAD零件模型的异地快速传输，并对此方法的传输特性进行了测试。结果表明，该方法可实现零件三维CAD模型的异地精确传输。

    1基于特征的模型信息表达及分析

    一般来说，特征是对特定的活动或应用有意义的对象。特征对于不同的人员具有不同的含义，对于设计人员来说特征信息应包括两方面信息：a)特征的类型，即形状、确定形状的尺寸和特征所包含的面的信息；b)特征的定位关系，即定位的方式、方位及尺寸约束。

    三维CAD软件的建模过程就是通过对各种特征的个性定制来实现对真实零件的精确描述。对于特征信息的描述，笔者借鉴参考文献[9]提出的用特征编码的方法实现对特征进行描述的思想，并考虑到建模过程中的实际情况，以拉伸特征为例，用下表所示的方式对旋转特征进行编码。由该编码方式生成的部分中性文件如图l所示；单一特征模型文件与中性文件的比较如图2所示。

旋转特征部分编码表

    本设计的初衷是通过构建较小的中性文件来减小网络间所传递的信息量，进而保证三维模型的异地快速传输；同时通过对中性文件的重构操作以保证传输的精确性，即传输到异地的模型文件保留原模型的所有信息，并具有再编辑性。虽然目前三维CAD软件种类繁多，但就建模过程所使用的操作而言，主要包括拉伸(extmde)、旋转(”evolve)、扫描(sweep)等基本操作及如倒角(mund)、阵列(pattem)等辅助操作。而这些操作中包含着模型的几何信息和拓扑信息，这些信息以何种方式存储是决定异地传输时传输文件大小的关键。笔者以Pno/E软件为例，对几种主要操作所生成特征的存储方式进行了比较，如图3所示。从图中可见，对于如拉伸、旋转等基本操作生成的单一特征转换为中性文件后，可缩小100倍以上；而对于如倒圆角、阵列等辅助操作生成的单一特征，在转换为中性文件后也可缩小40多倍。

    对于同一操作，通过参数的设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。对于一个零件模型，可能会包含同一特征的不同实例，图4和5给出了特征数量对模型文件和中性文件大小的影响。从图中可见，对于基本操作所生成的特征，其模型文件和中性文件大小与特征数量基本成正比；而对于辅助操作所生成的特征，其模型文件大小与数量成正比，而中性文件则基本不变。由此不难看出，对于使用辅助操作较多的模型文件，转换成中性文件后，更有利于提高其异地传输速度。

    采用本文所述的方法传输模型文件可以减少网络传输中所耗费的时间，但是否能提高传输效率还需综合考虑。对于本文所述的传输方法，模型异地传输所用时间应包括三部分：提取特征信息所用时间、传输中性文件所用时间和异地重构特征所用时问。对于不同的特征，其数量对特征信息提取和重构时间的影响如图5、6所示。从图中可见，对于基本操作所生成的特征，其莺构时间与特征数量呈正比；而辅助操作所生成的特征，其变换较缓甚至不变，这不仅与辅助操作类型有关，而且与建模手段有关。

    2实例验证

    为验证本文方法的可行性和有效性，笔者以Pro/E软件为平台，通过该软件二次开发工具Pro/Tookit开发了具有特征提取与再现功能的程序，并开发了数据文件传输工具。以某机床的回转工作台底座零件为例对该方法加以验证。该工作台底座的结构如图7所示。本文方法的最终目的是在保证精确传输的前提下提高模型的异地传输速度，因此必须对模型直接传输方式和本文所用方式的传输效率进行比较。笔者对回转工作台底座模型基于中性文件传输方法的测试结果如图8所示。从图中可见，本文所述的传输方法在整个传输过程中，模型异地重构时间在传输总时间的比例较大，且随传输特征数量的增加，模型重构时间占异地传输总时间百分比逐渐增加，如图9所示。传输总时间中信息提取耗时和模型重构耗时的多少取决于用户所用计算机的性能，笔者所用的计算机CPU为P42．4cHz，内存1GB；而数据传输耗时取决于传输的数据量大小和网络状态。从图8中可见，在基于中性文件的模型异地传输中数据传输耗时基本可忽略不计。

    对于异地用户而言，一般都是利用公网进行文件传输，公网上的文件传输速度一般在十几kbps到几十kbps左右。而对于本文所述的传输方法，按模型大小和传输总时间换算的传输速率如图10所示。从图中可见，其传输速率达50kbps以上，高于一般公网的传输速率。另外文本所用实例，其建模过程中所用辅助操作较少，仅17、18两特征为辅助操作生成的特征。从图中可见，传输17或18个特征得到的传输速率略高于传输16个特征得到的传输速率。因此，对于模型中辅助操作较多的文件，其传输速率会更高。

    3结束语

    本文在分析和总结前人对三维CAD模型异地传输和转换研究的基础上，提出利用构建中性文件实现三维CAD模型的异地快速精确传输，并对此方法的可行性和有效性进行了验证。采用中性文件记录模型信息可使存储数据缩小50倍左右，其传输速率可达到50kbps以上。另外，以记事本为模型信息载体的中性文件可作为三维CAD模型的一种新的存储方式，也有利于对于重要产品数据的加密处理；同时，针对不同的三维CAD软件，利用相应的开发工具开发不同的特征信息提取与再现工具，还可轻松实现异构数据的转换操作。