王曉斌， 寧 濤， 王 可

（1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191； 2. 北京新洲協(xié)同軟件技術(shù)有限公司，北京 100062）

三維模型不僅是設(shè)計(jì)和制造過程中表達(dá)產(chǎn)品信息的重要媒介，在產(chǎn)品發(fā)布，產(chǎn)品銷售，維護(hù)等過程中，同樣扮演著重要的角色。通過在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽產(chǎn)品的三維模型，將三維模型整合到技術(shù)文檔、維護(hù)手冊、宣傳冊、郵件中，用戶可以更直接的了解產(chǎn)品的相關(guān)信息，更加迅速地掌握產(chǎn)品的使用，降低產(chǎn)品的維護(hù)成本。

但是傳統(tǒng)的CAD 文件中包含重要的設(shè)計(jì)信息，而且文件較大，不便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交流。針對(duì)這些問題，需要一種輕量化的三維模型數(shù)據(jù)格式，保留產(chǎn)品的三維模型顯示信息，過濾掉重要的設(shè)計(jì)信息，同時(shí)文件的尺寸更小。

通過CAD 軟件內(nèi)置的工具，可以將三維模型轉(zhuǎn)換成VRML，STL，PLY 等文件，這些文件采用三角片來表示模型，過濾了模型的設(shè)計(jì)信息，但是沒有裝配信息，不能表達(dá)零件之間的關(guān)系，同時(shí)文件較大，不便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲(chǔ)。

為此，Dassault Systemes 公司推出了3DXML文件格式[1]。3DXML 是一種基于XML 的輕量化的3D 數(shù)據(jù)格式，它體積更小，壓縮比高，能使用戶快速、簡單地獲得和共享精確的3D 數(shù)據(jù)。

本文針對(duì)3DXML 文件格式進(jìn)行解析，給出解析的主要步驟和基于3DXML 文件的輕量化三維模型瀏覽方案及應(yīng)用實(shí)例。

1 3DXML 簡介

3DXML 是一種完全開放的數(shù)據(jù)格式，不同于一般的CAD 文件，3DXML 文件中不含有幾何信息，只包含模型實(shí)體信息，同時(shí)保有裝配信息。這使3DXML 的文件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般的CAD文件，同時(shí)3DXML 對(duì)文件近一步壓縮，使其能夠提供更快的文件傳輸速度和更短的儲(chǔ)存時(shí)間。

3DXML 完全遵循XML 語法，使用任何的標(biāo)準(zhǔn)XML 解析器都可以對(duì)其進(jìn)行解析，提取需要的信息。

Dassault System 在其所有的產(chǎn)品中如CATIA,Virtools 等，都加入了對(duì)3DXML 的支持，可以將CAD 文件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的3DXML 文件，同時(shí)Dassault Systemes 提供了3DXML 瀏覽器，但是只能進(jìn)行最基本的顯示操作，而用戶在使用模型的過程中，往往要進(jìn)行如拖拽，生成爆炸圖，設(shè)置屬性，添加注釋等操作，這就需要提取圖形信息，重新進(jìn)行組織，完成所需的功能。為此，本文對(duì)3DXML 文件格式進(jìn)行解析，提取必要的信息，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)文件數(shù)據(jù)重新進(jìn)行組織，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的瀏覽和編輯。

2 3DXML 解析器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文所采用的3DXML 文件格式為最新的4.0 版本，其解壓后的所有文件都可以使用文本編輯器進(jìn)行瀏覽和修改。

解析器使用MSXML4.0 進(jìn)行XML 文件的解析[2]，使用SAX(A Simple API for XML)方式進(jìn)行解析，該解析方式適合解析大型的XML 文件，可以快速提取大型裝配體的相關(guān)信息。SAX 是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)接口，采用順序的方式讀取XML 文件，在讀到XML 元素的開始標(biāo)記，結(jié)尾標(biāo)記和內(nèi)容標(biāo)記時(shí)將產(chǎn)生一系列的事件，返回元素名，屬性值，元素內(nèi)容字符串等信息供用戶使用。對(duì)MSXML 所提供的接口ISAXContentHandler，派生出新的類，并重載該接口的3 個(gè)虛函數(shù)，如表1 所示。

表1 SAX 解析主要重載函數(shù)

startElement 響應(yīng)XML 元素結(jié)點(diǎn)開始事件，endElement 響應(yīng)結(jié)點(diǎn)結(jié)束事件，character 處理所有的非結(jié)點(diǎn)字符，包括元素值，空格和換行符。

當(dāng)解析器讀取到文件相應(yīng)內(nèi)容時(shí)，將自動(dòng)回調(diào)上表中相應(yīng)函數(shù)，并將文件信息作為參數(shù)傳入函數(shù)供使用者調(diào)用。

3DXML 文件的基本構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 3DXML 多文件組織結(jié)構(gòu)

3DXML 文件是一種多文檔格式，并采用ZIP算法壓縮成一個(gè)文件。Manifest 文件中的＜Root＞元素結(jié)點(diǎn)值為裝配信息文件名，即擴(kuò)展名為3dxml 的文件。擴(kuò)展名為3drep 的文件保存圖形數(shù)據(jù)及屬性信息。在本文的解析器中，有兩個(gè)主要的類，都派生自接口ISAXContentHandler，分別用來解析裝配和圖形文件。

在解析的過程中，首先對(duì)文件進(jìn)行解壓縮，然后讀取Manifest 文件，獲取裝配信息文件名。讀取裝配信息，生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，同時(shí)獲取所有的圖形數(shù)據(jù)文件名，最后依次解析圖形文件。

2.1 裝配信息解析

在裝配文件中保存的信息較多，但產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)是人們最關(guān)心的，因此主要針對(duì)裝配信息進(jìn)行解析。

3DXML 文件中零件之間的裝配關(guān)系采用有向非循環(huán)圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織[3]。其文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3DXML 采用引用/實(shí)例(Reference/Instance)的方式描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，引用表示一個(gè)可以被重復(fù)使用的物體，實(shí)例則表示該引用的一個(gè)實(shí)例化物體，而一個(gè)引用常常又是由多個(gè)實(shí)例組成。

圖2 裝配文件結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息由XML元素＜ProductStructure ＞標(biāo)識(shí)其開始，該結(jié)點(diǎn)有 4 類子結(jié)點(diǎn)，＜Reference3D＞，＜Instance3D＞，＜ReferenceRep＞，＜InstanceRep＞。每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有唯一的ID 值。＜Instance3D＞結(jié)點(diǎn)有3個(gè)子結(jié)點(diǎn)，＜IsAggregatedBy＞，＜IsInstanceOf＞，＜RelativeMatrix＞，前兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)中分別保存了一個(gè)ID 值，表示該實(shí)例結(jié)點(diǎn)是哪個(gè)引用結(jié)點(diǎn)的組成部分，該實(shí)例結(jié)點(diǎn)是哪個(gè)引用結(jié)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)例，最后一個(gè)子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了該實(shí)例結(jié)點(diǎn)相對(duì)其上層引用結(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置矩陣。＜ReferenceRep＞結(jié)點(diǎn)保存了圖形數(shù)據(jù)的文件名，＜InstanceRep＞結(jié)點(diǎn)作為連接圖形結(jié)點(diǎn)和零件引用結(jié)點(diǎn)的中間結(jié)點(diǎn)。其兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)保存的信息與＜Instance3D＞的前兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息相同。在本文的解析器中，有向非循環(huán)圖中的結(jié)點(diǎn)為＜Reference3D＞和＜Instance3D＞兩個(gè)元素結(jié)點(diǎn)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

解析過程主要針對(duì)上圖中的4 類結(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析，重點(diǎn)解析Reference3D 和Instance3D 結(jié)點(diǎn)。為了便于結(jié)點(diǎn)的查詢，創(chuàng)建一張結(jié)點(diǎn)指針表，保存結(jié)點(diǎn)指針，即Reference3D*和Instance3D*。在讀取到引用結(jié)點(diǎn)開始元素時(shí)，檢測指針表中對(duì)應(yīng)ID 的結(jié)點(diǎn)是否創(chuàng)建，若指針為空，則創(chuàng)建，然后讀取相應(yīng)的屬性信息。在讀取到實(shí)例結(jié)點(diǎn)時(shí)，同樣檢測對(duì)應(yīng)指針是否為空并讀取屬性信息，對(duì)于實(shí)例結(jié)點(diǎn)的前兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，只判斷對(duì)應(yīng)ID 的結(jié)點(diǎn)是否為空，為空則只分配內(nèi)存，不為其填入屬性信息。

有向非循環(huán)圖結(jié)構(gòu)可以大大減少文件的尺寸，但不便于圖形的繪制和屬性的傳遞。為此，需要將圖形結(jié)構(gòu)裝換成常用的樹形結(jié)構(gòu)。采用深度優(yōu)先原則遍歷圖，遍歷過程中，將每條路徑中出現(xiàn)的Instance3D結(jié)點(diǎn)做為樹結(jié)點(diǎn)添加到樹結(jié)構(gòu)中。

2.2 圖形數(shù)據(jù)解析

在裝配文件中，每個(gè)＜ReferenceRep＞元素結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)3drep 文件，即圖形文件。

3DXML 的一個(gè)圖形文件中可能包含多個(gè)零件的圖形數(shù)據(jù)，這些零件在裝配體結(jié)構(gòu)中，可以看作是一個(gè)完整的零件，而不會(huì)影響裝配結(jié)構(gòu)的表達(dá)。其文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 圖形文件結(jié)構(gòu)

每個(gè)零件的圖形數(shù)據(jù)由 XML 元素＜Rep xsi：type="PolygonalRepType"＞標(biāo)識(shí)其開始，由面片集合＜Faces＞，邊集合＜Edges＞和頂點(diǎn)信息＜VertexBuffer＞組成。頂點(diǎn)緩存中保存該零件所有頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法線，在面片信息中只保存組成面的三角形(條帶，扇)的索引，可以大大減少了圖形文件的尺寸。在邊集合中的點(diǎn)則直接保存為點(diǎn)的坐標(biāo)值。為了加快圖形繪制的速度，面片信息中使用了LOD(多細(xì)節(jié)層次)模型，每個(gè)零件最多有8 個(gè)LOD 模型，由元素＜PolygonalLOD＞標(biāo)識(shí)。在圖形繪制過程中，計(jì)算該零件到視點(diǎn)的距離，然后根據(jù)文件中每個(gè)細(xì)節(jié)層次所提供的臨界選取值，即＜PolygonalLOD＞的屬性accuracy，選擇相應(yīng)的LOD 模型繪制，可以大大提高渲染的效率。

圖形文件中沒有存儲(chǔ)各基礎(chǔ)圖元的數(shù)量，為了加快解析速度，減少內(nèi)存使用，可預(yù)先分配一塊足夠大的緩存，每次將某種圖元數(shù)據(jù)全部讀取到緩存并計(jì)算出圖元數(shù)量[5]。在讀取到該圖元結(jié)點(diǎn)結(jié)束的位置時(shí)，為相應(yīng)的圖形結(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存，將緩存中的數(shù)據(jù)拷貝至其中，并將緩存清空，為下個(gè)圖元結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)加載做準(zhǔn)備。

2.3 解壓縮

3DXML 文件是采用ZIP 壓縮算法進(jìn)行壓縮的。通過文本編輯器打開3DXML 文件，可以看到文本的前兩個(gè)字符為PK，所有采用ZIP 算法壓縮后的文件，其前兩個(gè)字符都以PK 作為標(biāo)識(shí)。

在本文的解析器中，采用了Zlib 庫進(jìn)行解壓，Zlib 庫是一個(gè)開源的免費(fèi)的商用程序庫，主要用來解壓/壓縮字符串。本文解析器在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了封裝，使其可以解壓文件，這里不再贅述。

3 3DXML 數(shù)據(jù)格式的應(yīng)用

在VC6.0 平臺(tái)上，作者開發(fā)了基于3DXML文件的輕量化瀏覽器，采用 OpenGL 和Direct3D9.0 完成渲染操作。同時(shí)，開發(fā)了其控件版本，可以嵌入文檔或網(wǎng)頁中，便于產(chǎn)品信息的發(fā)布和共享。

瀏覽器界面如圖4 所示。在模型的左邊用樹形結(jié)構(gòu)表示產(chǎn)品的裝配層次關(guān)系。系統(tǒng)提供了基本的交互操作，可以設(shè)置零件的顏色，實(shí)現(xiàn)了零件的顯示和隱藏。

圖4 中的裝配體由超過200 個(gè)零件組成，文件大小僅為1.38M，為原始CAD 文件大小的5%，文件解析時(shí)間大約5 秒，其幀率可達(dá)到30 幀/秒以上，完全可以滿足交互操作的效率要求。

圖4 基于3DXML 的輕量化瀏覽器

4 結(jié) 束 語

3DXML 文件格式體積小，便于擴(kuò)展和傳輸，可以大大加快產(chǎn)品信息的發(fā)布和企業(yè)之間資源的共享。本文針對(duì)3DXML 文件格式進(jìn)行解析，提取重要的裝配信息和圖形數(shù)據(jù)。供用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

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