談輕量化模型對工業設計的影響

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一、三維模型輕量化流程

1.三維模型在Inventor里面的輕量化方法

（1）抑制特征處理。抑制特征功能既可以對零件模型特征進行抑制，還可以對裝配部件進行抑制。對裝配體內部不可見的部分進行抑制特征處理，使零件模型從裝配體中移除，這樣能有效減小零部件文件大小，節省內存使用空間。

（2）造型終止處理。有些零部件的倒角、倒圓、退刀槽以及螺紋等模型特征是可以不帶入到裝配中的。在瀏覽器中，將造型終止拖到這些模型特征的前面，這些特征就會被過濾出來。

（3）零件的不可見處理。經過不可見處理的模型仍然存在于裝配之中，內存仍然加載該模型，只是把不可見的模型隱藏掉了，這樣可以節約顯存空間，提高文件打開和文件更新速度。

2.三維模型在Pro/ENGINEER中的輕量化方法

（1）零件的隱含。隱含就是把某個零件或者特征暫時放到回收站，不在內存中，但是可以從回收站中恢復，受父子關系的約束。

（2）零件的隱藏。經過隱藏的零部件，依然存在于裝配之中，內存仍然加載該模型，不受父子關系的約束。在SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER三款參數化軟件中各自相應的輕量化操作命令如表1所示。工程軟件減少模型個數，內存加載減少模型個數，內存不加載簡化零部件SolidWorks隱藏壓縮簡化配置Inventor不可見抑制特征造型終止Pro/ENGINEER隱藏隱含由表1可知，在SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER三款參數化軟件中，從減少模型個數和簡化零部件兩個角度，對三維模型運用各自相對應的命令，使其在參數化軟件中進行第一次輕量化，然后再通過各自相應的方法導入3dsMax中進行第二次輕量化。

二、第一次輕量化后的模型導入3dsMax的方法

參數化軟件中的模型是不能直接導入3dsMax中的，需要通過轉化為中性文件格式再導入3dsMax中進行編輯處理。

1.將SolidWorks模型導入3dsMax的方法

（1）stl格式文件。將SolidWorks文件轉化為stl格式文件，此方法適用于導入單個零件。如需導入裝配體，則需將裝配體保存為stl格式文件后，再將每個零件一一導入，比較繁瑣。

（2）igs格式文件。將SolidWorks文件轉化為igs格式文件。igs格式文件較小，但有時會出現個別面無法轉換，或者是導入3dsMax中出現多面和少面的現象，轉換誤差較大。

（3）wrl格式文件。將SolidWorks文件轉化為wrl格式文件，可以將裝配體中的多個零部件同時導入3dsMax中，方便快捷。（4）stp格式文件。將SolidWorks文件先轉化為stp格式文件，再導入Rhino中另存為3ds格式，最后導入3dsMax中。使用這種方法得到的模型，面比較完好，少有破面出現。

2.將Inventor模型導入3dsMax的方法將模型文件保存為ipt格式文件，然后用Inventor和3dsMax的接口，直接輸入3dsMax，這樣導入的模型比較完美，不會有破面。

3.將Pro/ENGINEER模型導入3dsMax的方法

（1）stl格式文件。將Pro/ENGINEER中的模型文件另存為stl格式文件，再導入3dsMax中。在導入3dsMax時，可能遇到曲面的法向相反的情況，需要在3dsMax中調節曲面的法向量。

（2）obj格式文件。將Pro/ENGINEER中的模型文件另存為obj格式文件，再導入3dsMax中。導入3dsMax后，模型表面通常會有折痕，渲染后折痕依然存在。

（3）stp格式文件。將Pro/ENGINEER中的模型文件另存為stp格式文件，再導入Rhino中轉存為3ds格式。這種方法需要調節面片數量，最后導入3dsMax中，得到的模型幾乎沒有破面，比較光滑。將SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER三款參數化軟件中的三維模型導入3dsMax的方法以及各個方法的特點如表2所示。四、三維模型在3dsMax中的輕量化中性文件導入3dsMax后，在將模型轉化為線框顯示模式時，會明顯看到三維模型的三角面數很多，這樣會占用大量的內存，增加數據的計算量。對模型進行編輯和修改時，場景變化會隨著鼠標的移動滯后，大大降低了設計的效率，因此需要對三維模型在3dsMax里面進行進一步的輕量化。在3dsMax里面主要可以從精簡模型個數，精簡模型面數，使用紋理貼圖來替代三維建模三個角度來對三維模型進行輕量化。

1.精簡模型個數

相同材質的模型進行合并。把場景中具有相同材質的模型分別賦予材質后，獨立調整它們的UVW貼圖，再對其進行合并或者塌陷。但如果模型相隔很遠就不要將其進行合并，否則會影響運行速度。

2.精簡模型面數

（1）批處理ProOptimizer。ProOptimizer技術可用于同時優化多個場景文件，它可以減少對象中的頂點數（且因此減少面數）并保持對象的外觀，其選項可用于維護優化模型中的材質、貼圖和頂點顏色信息。模型經過ProOptimizer處理后，減少了場景的內存要求，因模型的面數變少而簡化了模型，提高了3dsMax視圖操作顯示的速度，并縮短了渲染時間。

（2）使用減面插件Polygoncruncher。Polygoncruncher減面插件的主要功能是對模型進行面數精簡，在保證結構正常的情況下，盡量減少模型的多邊形數量。在高優化比的情況下不損失細節，還可以保留原模型的紋理信息、節點色和多邊形對稱等。

（3）刪除不可見的面

對模型進行輕量化時，對于看不見的面應予以刪除。如模型之間的重疊面、模型底部看不見的面及物體之間的相交面等，通過刪除這些面，可以降低整個場景的面數，提高交互場景的運行速度。

（4）重建簡模。對于三角面數量較多的簡單模型，重新建立簡模通常比在一個精模的基礎上修改的速度快，要盡量創建視覺真實且多邊形數量又不多的模型。

（5）減少模型分段數。在重建簡模時，網格的分布要合理，平直的結構要使用較少的網格分段數，在創建如長方體，圓柱體等模型的過程中，確定不需要對它們的表面進行異性編輯時，可以減少它們截面上的分段數。例如，在創建圓柱體時，默認創建的圓柱，其段數是5×1×18，即其高度分段為5，截面分段為1，邊數為18，則總面數為216。在不做其它編輯修改的情況下，有些段數的存在是沒有意義的，這時可以對物體的高度段數進行精簡，修改后的段數為1×1×18，則其總面數精簡為72個，而模型效果并不會因此而受到太大的影響，如圖2所示。在建立圓形時，如果不是在近處觀看，用六邊形代替就可以了，如果再遠甚至可以用一個方形來替代。

（6）二維圖形轉三維模型的面數精簡。◎二維圖形經過放樣產生的三維模型面數精簡。由二維圖形經過放樣產生三維模型的輕量化過程，需從放樣的路徑及截面著手進行，在保證視覺效果不受太大影響的情況下，適度減小放樣物體的形狀步幅和路徑步幅參數，以達到精簡放樣物體面數的目的。◎地面創建及精簡。制作室外地面時，建議不要用二維的Line畫一個封閉的區域，然后通過Extrude為0得到一個地面。可以對封閉的二維曲線直接添加UVWMapping編輯器，得到的模型面數比直接添加Extrude編輯器并設置Amount為0得到的模型面數少的多。所以在建模時，要注意選擇恰當的建模方式。

3.使用貼圖替代三維建模

（1）占畫面比例相對較小的物體用貼圖來表現。在3dsMax場景中建立模型時，類似于窗框、欄桿和柵欄等這些細長的物體，以及距離主體對象較遠的物體，占畫面的比例相對較小，將其建模只會增加當前場景文件的模型數量，因此對于類似這些細長條型的物體以及遠方的物體可以利用貼圖來表現。這樣不僅減少了數據計算量，同時其效果也較細膩，真實感也較強。例如，為了表現場景遠方的一座高樓大廈，用兩個互相垂直的矩形加上貼圖就可以達到比較理想的效果了。如果要求更高，可以用三個面按三棱柱的形狀來排列，再為每個面貼上紋理貼圖，這樣的視覺效果對于要求不高的仿真模型而言，是可以滿足逼真度的。

（2）復雜造型用貼圖來代替。在3dsMax場景建立模型的過程中，遇到類似于植物、裝飾物以及浮雕效果等造型復雜的物體時，有效使用貼圖來代替其三維建模可以節約場景模型面數，提高計算機運行速度。對于這些復雜造型的物體，可以用面片來代替其三維建模，然后用貼圖來表現其復雜造型結構。如表現大量的環境綠化問題，如果每棵樹、每朵花和每顆草都用模型來表現的話，場景里的模型面數將會是一個極其龐大的數字，可以利用貼圖貼在面片模型的方法來解決這個問題。以草坪貼圖代替草坪三維建模為例，在用Plane命令創建好平面對象后，打開材質編輯器，選擇一個材質球，將草坪貼圖賦予材質球后，調整好相關參數，再將材質球指定給建好的平面對象，最后渲染。

三、應用實例

1.輕量化前以SolidWorks軟件中某大型機械設備的轉臂系統為例，先將其在軟件中直接另存為stp格式文件，然后將其導入Rhino中，再轉存為3ds格式文件，最后導入3dsMax中，測得其三角面數為2831391，初始載入時間為55s，場景變化隨著鼠標移動滯后4s。

2.輕量化后先在SolidWorks軟件中，對其內部不可見的零部件、涉及到技術保密的零部件和表面極其微小的螺釘等零部件進行壓縮、簡化配置等相關操作，對模型進行第一次輕量化。將模型文件另存為stp格式文件，然后將其導入Rhino中，再轉存為3ds格式文件，最后導入3dsMax中。對于導入3dsMax后的模型文件，首先對具有相同材質的模型進行合并，比如處于轉臂支撐系統上的較大的螺母螺釘等。然后運用批處理ProOptimizer對臂架等相關零部件進行減面操作，再對較簡單的蒙皮主件等模型進行重建簡模等相關操作。得到輕量化后的模型，對其進行測試，測得其三角面數為614940，初始載入時間減少為10s且場景變化不會滯后鼠標移動，效果如圖6所示。輕量化前后數據對比如表3所示。

四、結語

以三款常用的參數化軟件SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER為例，主要從基于減少模型個數和簡化零部件兩個角度出發，提出了在三款軟件中進行第一次輕量化的方法。通過實驗分析出，三款軟件各自以不同的中性文件格式導入3dsMax方法的特點，對于SolidWorks和Pro/ENGINEER中的三維模型，使用第三方軟件Rhino存為3ds格式導入3dsMax，效率和質量更高。對于經過第一次輕量化后導入3dsMax中的模型，從精簡模型個數、精簡模型面數以及使用紋理貼圖代替三維建模三個角度出發，運用相關的方法對模型進行第二次輕量化，得到相對精簡的模型，從而減少了計算機的數據計算量，提高了在三維造型軟件中進行工業設計的效率。

作者：陳治宇干靜安鵬鋮鄭越梅單位：四川大學制造科學與工程學院四川大學藝術學院