科技信息 。本刊重稿０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第１１期 基于ＣＡＴＩＡ的实时渲染及工程图研究 尹莹刘希玉 （山东师范大学管理与经济学院 山东 济南【摘２５００１４） 要】目前ＣＡＴＩＡ主要用于工程设计，它拥有远远强于其竞争对手的曲面设计模块。同时自身所带的渲染模块功能也不可小觑，本文 主要就ＣＡＴＩＡ的实时渲染功能。工程图制作进行研究并将其在三维ＣＡＤ系统中的应用做出研究说明。 【关键词］ＣＡＴＩＡ；实时渲染；工程图 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｒａｗｉｎｇｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＴＩＡ ＹＩＮ Ｙｉｎｇ ＬＩＵＸｉ－ｙｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ３ ，Ｊｉｎａｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２５００１４，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ＣＡＴＩＡ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ ｉｓ ｆａｒ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｉｔｓ ｒｉｖａｌｓ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｎ ｍｏｄｏｌｇｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｔｓ ｏｗｎ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｕｎｄｉｓｒｅｇａｒｄａｂｌｅ． Ｉ ｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｅ ｒｔｅａｌ—ｔｉｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＴＩＡ．ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ３ｄ—ＣＡＤｓｙｓｔｅｍ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＣＡＴＩＡ；Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ；Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇｓ Ｏ引言 ＣＡＴＩＡ［１１是英文Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｉｄｅｄ Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ 用于渲染，这样就大大增强了对各种实体多方面渲染要求的可满足 性。 ２．２对新材料属性的编辑 Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ（计算机图形辅助三维交互式应用）的缩写，是法 国的Ｄａｓｓａｕｈ Ｓｙｓｔｅｍ（达索）公司的ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化软件，处于 世界相关领域的顶级地位。ＣＡＴＩＡ最初起源于航空航天业，但其全面 创建用户、创建时间和修改时间的记录；“分析”选项卡中可对 且强大的功能使它得到各行各业的认可．比如汽车制造、机械制造、电 “Ｍａｔｅｒｉｌ”和“Ｓｔａｒｕｃｔｕｒｌ Ｐｒａｏｐｅｒｔｉｅｓ”等进行编辑；“绘图”选项卡中有对 子电器、船舶制造、建筑工程、通信以及消费品行业。特别在欧洲汽车 名称、类型、阴影等的编辑；“复合”选项卡中可进行对“Ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｙｐｅ”、 制造行业，ＣＡＴＩＡ已经成为事实上的标准。它的集成解决方案覆盖所 ‘‘Ｕｎｃｕｒｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ”、‘‘Ｃｕｒｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ”、“Ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ”、 ’ ＣＡ ⅡＡ中“渲染”选项卡中可对新材料大小、形状、采光方向和纹 理结构进行编辑：“特征属性”选项卡中有对新材的材料名称的编辑和 有的产品设计与制造领域。其特有的ＤＭＵ电子样机模块功能及混合 “Ｌｉｍｉｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ”、“Ｆａｂｒｉｃ Ｗｉｄｔｈ”等的编辑。 建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。可以说，ＣＡＴＩＡ软 实际操作中，很细小的属性值变化都会对最终渲染结果有很大影 件的诞生和成长，与达索公司在飞机设计制造方面的应用需求是分不 响，不仅是美观程度，同时对３Ｄ效果的真实感也产生影响。 开的。本文就ＣＡＴＩＡ软件中的渲染及工程图功能做出相关研究与说 在支持国产自主版权的应用三维ＣＡＤ系统中，以园林为对象进 明 行渲染，第一步选择映射类型时要根据实际形状选择最适合几何图形 １ 实时渲染 首先说明何为实时渲染．实时渲染的本质就是图形数据的实时计 算和输出。最典型的图形数据源是顶点。顶点包括了位置、法向、颜色、 纹理坐标、顶点的权重等。简单来说，实时渲染，即在计算机上快速绘 造型的映射。可参考下图 制图形图像，通常意味着３Ｄ渲染，具有较高的帧频，以及高质量的渲 染效果。 实时渲染的主要技术有：简化场景复杂度：提高图像质量：硬件加 速：场景管理以及动态处理。 ◆●■◆◆ 一 Ｉ ｌ 材 ０ 嗤嘲ｉ ｛ 矗ｄ％ 翱崮舞 在其光照明模型中．分为局部光照和全局光照。局部光照仅仅考 虑光源直接照射在物体表面产生的影响，能够产生高质量效果，基本 可以满足需求但是不能处理透明、反射以及阴影等效果。全局光照是 图１渲染材料映射类型 Ｐｌａｎａｒ（平面）映射类似于幻灯投影机，可将它用于具有两个优先方 指除了光源，还要考虑间接光照如反射，追求照片级的真实感效果，但 向的纹理，例如园林区内地板，砖墙等。 是全局光照计算量大，实现比较困难。 Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ（球面）映射类似于着色的灯泡，可将它应用于没有优先 在实时渲染中，阴影绘制也是重点。主要分为两类：硬阴影和软阴 例如石质围栏等。 影。硬阴影是由点光源或者无穷光源产生，会被误认为是物体的一个 方向的纹理，Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ（圆柱面）映射类似于在一罐食物上放置标签，可将它用 部分，如曲面上的褶皱；软阴影由面光源产生，分为本影区（全部遮挡） 于具有一个优先方向的纹理，例如明亮的金属雕塑等。 Ｃｕｂｉｃａｌ（￣方体）映射类似于包装一个盒子，可适用于大部分实体。 之所以单独介绍这两点．是因为在本文所研究的基于ＣＡＴＩＡ的 Ａｄａｐｔｉｖｅ（适应性）映射提供两个可选的映射类型：自动或手动。 实时渲染中，光照和阴影部分的处理对最终实时渲染结果有重大的影 对新材料编辑完成后．保存在ＣＡＴＩＡ软件材料库的目录下，在进 响。 行实体渲染的过程中可以应用此新材料。 本文将以ＣＡＴＩＡ在实际项目——支持国产自主版权的应用三维 和半影区（部分遮挡），一般来说更为可取。 ’ ＣＡＤ系统中的应用为例，详细介绍研究相关技术。 为使渲染对象的立体感更强，光源和阴影的选择至关重要。例如 在园林设计中，为了引起观看者的注意，将视线更多的聚焦到需要注 意的区域或建筑物，即突出显示场景中的特定元素．就要根据需要照 明此区域。 ＣＡＴＩＡ中可供选择的光源类型有三种 ：聚光源、点光源和定向 光。（图２）。 ２ ＣＡＴＩＡ的渲染输出过程 ２．１使用ＣＡＴＩＡ中内置的材料库中材料进行渲染１３］ ＣＡＴＩＡ自带材料库中有“Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ”（建筑材料），“Ｆａｂｒｉｃｓ”（纺织 物），“Ｍｅｔａｌ”（金属材料），“Ｏｔｈｅｒ”（其他），“Ｐａｉｎｔｉｎｇ”（水彩色），“Ｓｈａｐｅ Ｒｅｖｉｅｗ”，“Ｓｔｏｎｅ”（石质），“Ｗｏｏｄ”（木质）等素材，选择合适的选项卡下 聚光源在指定位置向圆锥面影响范围内的各个方向发光，主要用 于模拟聚光，对于单独地调整每个对象的光源非常有用。 的素材进行渲染。 点光源创建在给定点各个方向发光的光源，主要用于模拟灯泡类 由于ＣＡＴＩＡ自带材料库中的材料有限．用户可以自己制作材料 的光，家居，室内对象较多使用这种光源。 ７ ２０１１年第１Ｉ期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０本刊重稿０ 科技信息 选取需要的视图后进行局部放大。进行标注尺寸，这这里需要用到到 的是Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ工具栏．可以在图面上表示与修改各种规格的尺 寸，包含常见的长度、直径、半径、倒角与螺纹的标注。 ４问题总结与展望 首先，ＣＡＴＩＡ自带渲染材料库中材料有限．不能满足用户需求，需 鬻恕 点避 迦釉托 要频繁自制材料；其次，ＣＡＴＩＡ造型功能很好，但是工程图有些功能不 图２光源类型 如达索的低端产品ｓｏｌｉｄｗｏｒｋ．工程图中的中文也是只支持ｔｕｒｅｔｙｐｅ字 体，不能像其他软件那样支持所有的中文字体；另外，动画输出时对 定向光创建从给定方向生成等强度平行光线的光源，主要用于模 ＣＰＵ要求很高，输出视频文件过大，速度慢。 拟全局光源，例如太阳，在此项目中的园林设计渲染中即采用此光源。 但是，任何一款软件都不是完美无瑕的，都需要不断完善更新，以 接下来就是创建阴影，需要说明的是，只有定向光源可以投射实 适应用户需求。目前 达索公司已经推出最新版本ＣＡＴＩＡ Ｖ６。此版本 时地面阴影。在ｓｈａｄｏｗｓ（阴影）选项中有三个参数需要设置：Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ 围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计，可为数字化 （定义阴影衰减，该值越高，光与阴影之间的限制就越衰减）；Ｃｏｌｏｒ（定义 企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可 阴影的颜色以及颜色强度）；Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ（设置阴影的不透明度，该值 以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工 与阴影的不透明度成反比）。 程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、 ２＿３ ＣＡＴＩＡ渲染后的动画输出过程 工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维 在ＣＡＴＩＡ中可以使用仿真命令做动画．例如园林设计整体渲染 护。 成功后可以利用仿真命令做出动画，可以以第一视角和第三视角浏览 可以说，ＣＡＴＩＡ未来的发展对于３Ｄ设计软件的发展，对于设计 园林各个区域细节和整体效果。动画最终以ＡＶＩ格式输出，对ＣＰＵ资 理念的发展都有至关重要的影响．它的发展方向甚至就代表了计算机 源耗费较大。 辅助技术的发展方向。我们有理由相信，ＣＡＴＩＡ会在越来越多的领域 得到更广泛深入的应用，它的发展前景不可估量。 ３工程图 本文以应用三维ＣＡＤ系统中的家居实体为例，说明如何将设计 【参考文献】 好的零件或者组合件，输人工程图单元中，并且自动产生工程图，整体 ｌ１］ＣＡＴＩＡ制作范例ｆＭ】 北京：中国水利水电出版社，２００１ 【２ ＪＣＡＡ Ｖ５ ｇｏｒ ＣＡＴ／Ａ Ｆｏｕｄａｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｉｍｅｓ．Ｍａｒｃｈ．２００１． 家居平面或者单独家具都可以使用同样的方式制作工程图。 １３ ＪＣＡＴＩＡ ＡＰＩ Ｖ５ 技术文档［ＣＰ／ＣＤＩ．２００２． Ｓｅｌｅｃｔ ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｌａｙｏｕｔ选项中提供若干种视图种类，可以根 １４ ｊＪｉａｎｆｅｎｇ Ｌｉｕ，Ｙｏｎｇ Ｊｉａｎｇ，Ｇｅｎｇｙｕｅ Ｓｏｎ．Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ３一Ｄ 据需要，选择空白图纸、六个面的视图（包含等角视图）或者某三个面 Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐ—Ｌｉｂ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｅ ＣＡＤ『Ｃ１．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２ｏ０７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 的视图 Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．２ｏｏ２ ［５］尤春风，等．ＣＡＴＩＡ ｖ５机械设计ｆＭ１．北京：清华大学出版社，２００２． ［６］宁贵欣．ＣＡＴＩＡ Ｖ５工业造型设计实例教程ｆＭ】．北京：清华大学出版社，２００４． ［７］盛选禹，李明志．ＣＡＴＩＡ Ｖ５ Ｒ１７有限元分析实例教程ｆＭ】．北京：机械工业出版 社．２００９． Ｅ８］胡挺，吴立军．ＣＡＴＩＡ二次开发技术基础ｆＭ１．北京：电子工业出版社，２００９． ［９］盛选禹．ＣＡＴＩＡ三维模型入门与提高『Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００３． 【１０ｊＣＡＴＩＡ Ｖ５宝典［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００９． 作者简介：尹莹（１９８８．６一），女，硕士生，研究方向为群体智能厦聚类分 析。 图３工程图布局 通讯作者：刘希玉，男，教授，博士生导师。 例如选取家居设计中的沙发进行工程图制作，如图 ※山东省信息产业发展专项基金资助项目《２００８Ｒ０００３８）。 ＿ ［责任编辑：王明朝］ 图４沙发视图布局 （上接第９页）构造了一整套基于现场总线技术的风力发电机组集群 ［２］邵惠鹤．工业过程高级控制．上海：上海交通大学出版社，１９９５． 控制系统，将现场总线的成本低、精度高、可靠性高、功能强、易于扩 ［３］阳宪惠．现场总线技术及其应用北京：清华大学出版社，１９９８ 展、实时性好和开放性的特点与风力发电机集群控制有机地结合起 ［４］赵斌，等．大型风电场的监控系统册．新能源，１９９８． 来。地面检测系统采用了目前广泛使用的基于ＰＣ机的计算机监控系 ［５］侯朝桢．分布式计算机控制系统［ＭＩ．北京：北京理工大学出版社，１９９７ 统方案，既注重了新技术、新方法，同时继承了已有的成熟经验，在抗 干扰方面也采取了各种有效措施。此外，独到的基于ＶＰＮ的远程通讯 ※甘肃政法学院青年教师项目，项目编号：ＧＺＦ２Ｏ１Ｏ×ＱＮＬＷ５７。 系统也将为风电场的管理带来了革命性的飞跃。 ［责任编辑：常鹏飞】 【参考文献】 ［１］杨育红．ＬＯＮ网络控制技术及应用．西安：西安电子科技大学出版社．１９９９ ８