虚拟现实与 CAD 模型的数据对接

1. 虚拟现实与CAD模型的数据对接

2. 虚拟现实与CAD模型的数据对接 • 概述 • CAD模型数据的表达 • 虚拟环境模型的建立 • CAD模型数据的导入 • 实体模型的生成

3. 概述 在虚拟现实系统中采用三角面片模型进行产品 信息的表达,该数据结构格式在模型显示和碰撞检查 方面具有处理简单、计算量小的优点，并且现有的 图形硬件大部分都支持三角形绘制的加速，可很好 地满足VR实时性的要求。而虚拟现实开发工具包 World Tool Kit (WTK)只提供一些简单的建模功 能，不能满足建立复杂模型的需要。

4. 因此，在进行虚拟产品开发时必须借助CAD系统建因此，在进行虚拟产品开发时必须借助CAD系统建 立产品的精确模型。但WTK不能直接读取CAD创建 的模型，必须借助第三方软件来进行转换。 目前，CAD系统和虚拟现实系统之间的模型转 换尚没有较好的解决办法。通常利用虚拟现实系统 对3DS文件格式的支持，在CAD系统中建立产品精 确的几何模型后，将导出为3DS可以导入的文件格

5. 式，用3DS MAX将模型的文件格式转化为WTK支 持的3DS文件格式。这种方法在产品不太复杂的情 况下操作比较简便，但对于含有大量零件的模型， 此方法就显得较为繁琐，甚至不能实现模型的转 换。

6. CAD模型数据的表达 目前，在几何造型系统中常用的方法有6种：基 本体素表示法、空间位置枚举法、单元分解法、扫 描变换法、构造实体几何法（CSG）、边界表示法， 其中后两种方法用的比较普遍。CAD系统的数据转换 标准有DXF、IGES、STEP、STL、VRML等，其中STL文 件格式比较简单。

7. 虚拟环境模型的建立 WTK是一个应用于虚拟环境构建的工具包。建 立虚拟对象的三维几何模型时，可以用WTK的三维 造型功能，它可以建立一些简单模型，如圆柱体、 立方体、球体、圆锥体等，但这些功能远不能满足 实际使用的需要，通常通过导入外部模型来构造虚 拟环境。

8. WTK支持的文件格式有DXF、OBJ、3DS、SLP、 VRML等，且支持静态的VRML文件和低版本的 DXF文件，不支持STL格式模型，与CAD兼容性 差，需第三方软件对模型进行格式转换，但WTK为 用户提供了自定义模型的功能，可以读取CAD导出 的三角面片模型文件。

9. CAD模型数据的导入 在CAD系统中建立产品模型后，为便于WTK导 入，可将其以三角面片格式导出。在三角面片格式 文件中，STL文件具有结构简单的特点，目前各种 通用造型系统，如UG、Pro/E、Solid Works等都 能输出这种格式模型。

10. STL文件是通过对CAD实体模型或曲面模型进 行表面三角化离散得到的,相当于用一种全由小三角 形面片构成的多面体近似原CAD模型。每一个三角 面片包含顶点坐标和法矢信息。STL文件规定了三 角面的方向、顶点法则和量纲，其描述如下：

11. 面的方向 三角面片定义的是三维实体的表面，每个三角面 片可以看作是物体的内部和表面的分界面，它的法矢 始终朝外，与顶点连成的矢量方向构成右手法则。 • 顶点法则 每一个三角面片中必须有两个顶点与其相邻的三角 面片共用,即一个三角面片的顶点不能落在另一个三角 面片的边上。

12. 量纲 三角面片数据是无量纲的，各顶点坐标值均必 须是正数。 STL文件有两种类型：ASCⅡ格式和二进制格 式。 ASCⅡ格式，即文本格式，使用字符串来描 述。它使用以下关键字：solid、facet、normal、 outerloop 、vertex、 endloop、endfacet、

13. endsolid。整个文件结构描述如下：

14. 大括号表示其中的文件格式是可以重复的。 二进制格式，该格式下的每个三角面片的数据 长度固定为50字节，其数据格式描述如下：

15. 括号（1）循环3次表示三角面片的3个顶点；括号括号（1）循环3次表示三角面片的3个顶点；括号 （2）表示其中的文件格式可以重复。

16. 实体模型的生成 WTK中自定义模型的原理是：先定义空间点Pi， 再用这些点构造多边形面片，最后将这些多边形面 片放到自定义的几何体中，形成自定义的几何模 型。

17. 如图所示是基于三角面片模型的WTK自定义模 型原理图

18. 利用Visual C++6.0作为开发环境，用其文件操作类 的Read函数逐个读取三角面片的数据，包括各三角 形的顶点和法矢，并以自定义的三角面片数据结构 Facet进行保存，通过链表进行存储。完成数据读 取后利用WTK的自定义模型操作功能生成实体模 型，为模型创建相应的节点将其连接到虚拟场景 中。通过对场景设置光照参数和模型操作功能最终 实现模型的显示和动态操作。