三维建模技术

浅析三维建模技术

摘 要：随着计算机技术的不断发展，以及三维建模在各个领域的研究与应用，三维建模技术在建模方法、建模对象等方面发生了很大的变化。从最初费时费力的基于几何的手动建模，发展到运用基于图像的建模与绘制等多种方法，对比较复杂的人脸、肢体等进行三维建模。利用三维建模技术精确地描绘现实事物以实现三维物体的真实再现，进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。本文主要介绍了三维建模技术的发展、两种建模技术（solid works与pro/engineer）实现方法的对比，以及三维建模技术存在的问题。 关键词：三维；三维建模技术；发展；solid works软件的优越性；问题

中图分类号：tp391.9 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2013） 04-0000-03 1 引言

三维，就是用人为规定的三个相互交错的方向，作为三维坐标，确定世界上任意一点的位置。而这三个相互交错的方向，是指坐标轴的三个轴——x轴、y轴、z轴，其中x轴代表左右空间，y轴代表上下空间，z轴代表前后空间，由此就形成了人们的视觉立体感。[7]

当代社会的人们身在一个三维的世界中，三维的世界是立体的、较真实的。与此同时，人们又处在一个信息化的时代，信息化的时

代是以计算机和数字化为表征的。随着计算机在各行各业的广泛应用，人们开始不满足于计算机仅能显示一维、二维的图像，更希望它能表达出具有强烈真实感的现实三维世界。而三维建模可以使计算机做到这一点。所谓的三维建模，就是利用采集的三维数据，将现实中的三维物体或场景在计算机中进行重建，最终实现在计算机上，从而模拟出较真实的三维物体或场景。它的技术核心就是根据研究对象的三维空间信息来构造其立体模型，尤其是几何模型，并利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形，然后对其进行各种的操作和处理[1]。目前物体的建模方法，大体上有三种：第一种方式就是利用三维软件建模。例如：solid works软件，它是世界上第一个基于windows开发的三维cad系统，由于它使用了windows ole技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术，solid works成为全球装机量最大、最好用的软件之一。pro/e软件是成立于美国波士顿的参数公司的重要产品。它是一款集cad/cam/cae功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械cad/cam/cae领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的cad/cam软件之一。随着这些建模软件的发展，相应的三维建模技术也逐步提升，比如现在越来越真实的3d动画，就是现在技术进步的体现，同时也使得人们的生活越来越丰富。第二种方式是通过仪器设备测量建模。例如：三维扫描仪（3 dimensional

scanner）又称为三维数字化仪（3 dimensional digitizer），它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一，能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段[5]。第三种方式利用图像或者视频来建模。例如：采用ibmr这种基于图像的建模和绘制技术建模，使得建模过程变得更快、更方便，并能获得很高的绘制速度和高度的真实感，而且它的成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。

2 三维建模技术的应用发展

三维模型最早应用于个人电脑上的三维图形。许多计算机游戏使用预先渲染好的三维模型图像，然后将此用于实时计算机渲染。现在，三维模型已经被广泛应用于各行各业。在医疗行业中，用于制作精确的器官模型；电影行业中，用于模拟活动的人、物；游戏产业中，建立模拟真实的环境；建筑业中，用于模拟并展示建筑物或者风景；科学领域中，用于制作精确的化合物模型；在最近二十几年中，三维建模可运用于地球科学领域的三维地质模型。例如：solid works软件可运用于：工业设计领域；机械设计领域，如：汽车、重工业、模具、离散制造、纺织机械等设计；教育领域，以其windows 界面、完全汉化、易学易用、开放性的功能特点成为教育领域中的首选cad教学软件。[5]

随着计算机技术的不断发展，以及三维建模在各个领域的研究

与应用，三维建模技术在建模方法、建模对象等方面发生了很大的变化。从最初费时费力的基于几何的手动建模，发展到运用基于图像的建模与绘制等多种方法，对比较复杂的人脸、肢体等进行三维建模。利用三维建模技术精确地描绘现实事物以实现三维物体的真实再现，进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。 而它的模型也随之发生了很大变化。最初的线框模型，只是用线框和多边形构造三维实体，由于这种模型缺少曲线棱廓，若要表现圆柱、球体等曲面比较困难，而且还缺少边与面、面与面之间的关系的信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，不能区别体内与体外，不能进行剖切等等。接着便进入到第一次技术革命——曲面建模系统，它是在线框模型的数据结构基础上，增加可形成立体面的各相关数据后构成的。但也只能表示物体的表面及边界，不能进行剖切，不能对模型进行质量、质心、惯性矩等物性计算。第二次技术革命——实体模型系统，实可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。第三次技术革命——特征参数化技术，它的指导思想就是你只要按照系统规定的方式去操作，系统保证你生成的设计的正确性及效率性，否则拒绝操作。第四次技术革命——变量化技术，它是将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束。

3 建模技术实现方法对比

solid works是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，它具

有windows 的图形用户界面易于掌握的优点。3d studio max是基于pc系统的三维动画渲染和制作的软件，可以用于创建任何虚拟的物体，如建筑物、生活用品、地形等，可以在所构建的虚拟空间里面添加声音、动画等使其更能真实的模拟现实环境。pro/e是美国公司旗下的产品pro/engineer软件的简称，是一款集

cad/cam/cae功能一体化的综合性三维软件，它提供了比较全面、集成紧密的产品的开发环境，也是一套从设计到生产的机械自动化软件，同时具有单一数据库功能的综合性软件。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械cad/cam/cae领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的cad/cam软件之一。

（1）与3d studio max相比，基于solid works的三维建模技术有着一定的优越性[2]：

1）采用parasolid作为几何平面和dcm作为约束管理模块。solid works软件中有严密的几何和尺寸约束管理，能够清楚区分欠约束和全约束。零件、装配件和二维图全程共享关联性约束，任一环节中的修改会自动会反映到其他两个环节的图形上。 2）突出了机械设计和修改的方便性和灵活性。可在屏幕左侧显示特征树和装配树，用于直观管理产品的设计过程：可以直接替换某一中间特征；逐步回退到某一中间阶段；或从某一中间阶段起重演设计操作过程；可以进行特征的拖动和剪贴。此外，solid works

的整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的信息是全相关的。

3）数据存储交换格式方面。parasolid的存储格式有x—t（text文本）和x—b（binary二进制）两种，对外不公开；二维图的交换格式用dxf和dwg；三维设计的交换将使用step规范。 （2）与作为三维建模领域的领头羊之一的pro/e比较，solid works还是有明显的优势[4]：

1）总体上的比较solid works软件可以将产品设计——分析验证——数据库管理等各方面集成一块提高创新能力，然后提供一个一体化的方案，但这并不意味着是简单地将cad、cam、cae集成在一起，而是把所有产品开发应用程序在一个可管理的环境中相互衔接，采用单一的信息源，协调开发的各个阶段，改善协同工作。 pro/e软件虽然也涉及到cad、cam、cae领域，但是并没有无缝地集成起来，操作不是很方便，工作效率低。对于加工，solid works可以通过插件完成，proe则没有集成。

2）操作。solid works软件是世界上第一个基于windows开发三维的cad系统，因此只要熟悉windows系统，我们就可以用solid works来设计产品。同时，solid works还可以直接打开其他软件的模型，并继承以前的设计。与之相比，pro/e就显得相形见拙了。 3）渲染上的比较。solid works在创建完任何零件的时候，我们可以使用photoview来进行3d模型演示。这样会节省大量的时

间和成本，更可以跟专业的渲染软件相媲美。但pro/e的渲染就没有这么多的优点，操作起来也比较复杂。

4）装配上的比较。solid works提供了完全智能化得零件装配，你只要选中你需要配合的面或特征，solid works将智能化的分析你要添加的是什么关系并自动添加，你要做的就是确认一下就好了。pro/e同样需要添加繁琐的转配关系。

5）最新技术上的比较。solid works每年都会有新版本的发布，每个版本都有250项以上的增强功能、卓越的速度和突破性的性能。与之相比，pro/e的更新速度就比较慢了。目前的版本是wildfire 4.0，可能有许多老客户还用的是wildfire 2.0或者更早的版本。 4 存在的问题

当代社会，随着三维模型技术的发展以及三维模型数量的快速增长，引发了一些使用上的困难。一个综合、完整的模型系统离不开高效的模型检索功能与机制。由于依靠模型所具有的形状、拓扑结构、图像颜色、表面特征等属性和特征来进行区别以及相似度的计算存在着描述上的困难，因此并不能完全满足实际的应用需求。[3]

三维建模技术是基于对现实事物三维信息采集的基础上，进而进行仿真模拟的。三维信息数据采集越精确，那么制作的模型就越逼真；反之，则不太真实。其实三维数据的采集过程，也是对现实物体外形的一个数字化过程。这个过程就要靠三维信息获取的方

法、手段以及在获取过程中所使用设备是否有效、建模过程设计是否合理。但以目前的数字化手段，不论是采用激光扫描、视频、图像等方法，都不能对对现实物体进行完全精确的记录。因此，在这个数字化过程中，人们就不可避免的损失掉一些数据，从而无法完全精确的还原现实物体。这就要求我们要进一步研究并提高这种数字化的思路。例如，最近二十几年三维建模技术涉及到的三维地质模型，就是需要精确的数据来构建，特别是复杂地质模型的构建就更需要依靠原始地质数据的准确性。地表空间数据（包括地形空间数据、地质点数据、遥感信息数据），地下空间数据（包括地质勘探、工程物探、地质原始数据特点分析）都是构建复杂地质模型必不可少的数据，如果这些数据达到很高的精确度，那么所构建出来的地质模型就越逼真，对于实际应用会有很大的帮助。

不仅数据的收集存在缺陷，进行三维建模的软件也是有缺点的。例如：由于solid works软件提供了很多的学习文件和强大的设计库，所以对计算机系统硬件的配置要求较高。而且它的安装包很大，需要用到移动硬盘；安装过程比较复杂，所需内存也较大。 5 结束语

随着计算机硬件设备以及建模软件的发展，使得人们对三维建模技术的真实感提出了更高的要求。另外，对建模软件的要求也趋向使用更简单的设备和学习、制作过程，以满足不同水平人们的需求。而对于三维建模技术的研究，人们更应该由现在不断追求具有

更高精度、看起来更加逼真的静态模型，向未来能够模拟现实事物各个对象间相互作用的动态模型发展，进而能够更加有效地辅助人们去探索事物发展规律。 参考文献：

[1]李震，杨建鸣.机械三维建模教程[m].机械工业出版社，2011，3.

[2]王贯超.solid works机械设计教程[m].中国纺织出版社，2011，9.

[3]栾悉.三维建模技术研究进展[eb/ol].http：

//wenku.baidu.com/view/d7135907e87101f69e319552.html.2013，3.

[4]张利文.计算机三维设计教学平台[eb/ol]，http：//www.doc88.com/p-681756998045.html.2013，3. [5]百度百科.三维模型[eb/ol]，http：//baike.baidu.com/view/3169335.htm.2013，3.

[6]林加添.ad系列软件三维元件库建模教程[eb/ol]，http：//www.docin.com/p-404000014.html.2009，1. [7]百度百科.三维[eb/ol].http：

//baike.baidu.com/view/530652.htm.2013，3.

[8]李文青.三维模型技术在虚拟现实中的应用[eb/ol].http：//www.doc88.com/p-285792246671.html.2013，3.

[9]胡坚.浅谈三维建模[eb/ol].http：

//wenku.baidu.com/view/ebddb9040740be1e650e9ae6.html.2013，3.

[10]洪江，郦祥林.solid works2009基础教程[m].机械工业出版社，2009，10.

[11]王贯超.solid works机械设计教程[m].中国纺织出版社，2011，9.

[12]matt lombard[美].solid works2007宝典[m].人民邮电出版社，2008，8.