浅析三维建模的数据优化

张 鹏

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300000）

引言

三维数字模型能够生动、直观、准确的在计算机中描绘客观实体。基于这些优势，在近些年提出的装备全生命周期管理中，三维数字模型技术被广泛应用。从2006年开始，我们应用达索公司的CATIA三维设计系统对公司旗下运营的部分FPSO等大型装备完成了三维建模，以期待在未来的工程改造以及设备管理中发挥作用。直到几年前在对公司所属的某条FPSO的改造过程中，这些三维数据才真正发挥了作用。我们在已有三维数据的基础上完成了新增透平发电机的管路和电缆托架的三维基本设计。但是在当时的建模过程中对模型的操作上却给我们带来了一些困扰。

1 三维模型加载的问题

每次将FPSO全船模型数据一次性载入时计算机都会发生异常终断，之后导致CATIA环境被迫退出。即使分块载入，也会随着数据的逐渐增多对模型的拖放、旋转等操作发生卡顿滞后现象，导致无法进一步操作。最初我们认为可能是由于CATIA与计算机操作系统本身在匹配上存在问题。于是在WINXP中文、WINXP英文、WIN2000 P、WIN2000 S等多个版本的操作系统下对比测试CATIA的运行状况，发现异常终断和卡顿滞后现象依然存在，并没有显著的差别。说明CATIA对于以上几个版本的操作系统的适应性基本相同，改变操作系统对于改善性能几乎没有提高。我们将突破方向转移到了硬件系统上，专门配置了多处理器、双显卡级联的高性能图形工作站。此后操作CATIA模型较之前有了显著提高，90%以上的数据可以被调用并显示，而不至于像从前那样导致系统崩溃，可以说有了一个质的突破。但是随着数据的增加任何高性能的硬件设备最终都会存在一个极限，性能的提高是以付出高昂的硬件成本为代价的。即使不考虑成本因素由于硬件设备从研发到产品化再到产品销售存在一个较长周期相对于数据的增长总是存在滞后，对于解决问题始终是一种被动手段。

2 三维模型构建原理

那么到底在哪些方面还需改进呢？在翻阅一些资料以及和相关技术从业人员交流后得到了一点启发。既然问题出自数据，还是要回到数据的本源上。说到这里要先介绍一下三维模型的成像原理。计算机在处理三维模型中是以三角形作为基本元素，由三角形构成不同的多边形，再由多边形构成三维实体，同时还要处理空间纵深关系、纹理贴图、光影变化等一系列复杂过程。如果构成一个三维模型的三角形数目越多，那么模型的外观就越细腻、真实。计算机的显卡有一个关键的性能指标“生成三角形数/秒”，它是计算机显卡创建三角形面片能力的反应。一个基本的立方体仅由12个三角形构成，一个光滑的球体理论上由无穷个三角形来构成。计算机在处理复杂的由几千万甚至更多的三角形构成的结构时负荷会大大加重。理论上只要给计算机足够的计算时间最终都会生成模型，但实际中由于显存带宽、空间的限制，计算机还没等到生成全部数据就已经发生内存溢出，最终导致系统瘫痪。

3 三维模型的数据优化分析

从这里我们可以看出只要减少构成模型的三角形数就可以有效地降低计算机的处理负荷。以一台透平的空气启动装置（图A）为例，原始数据模型由1962006个三角形构成，这个数字对于单个设备来说已经相当大了，然后使用CATIA系统中的DMU优化器将精度减小到原来的百分之一，我们会发现构成的三角形数减少到10975个。假设计算机每秒能够创建1亿个三角形，运用简单的除法可以看出精简后的模型在生成速度上大大提高。不过对比前后两个模型的外观会发现有明显的差别，精简后的模型变得更粗糙，甚至有些部位发生变形。看来模型优化有一个度的限制，减少构成三角形数量的同时还要保证建模效果在一个可接受的范围内。

图1

4 三维模型的数据优化技巧

从前我们在建模过程中都是追求近似逼真的程度，并没有考虑过三维图形的结构特点和数据的实用性。我们的FPSO模型是由7800多万个三角形构成的，常规计算机根本无法完成一次性生成。根据测试经验构成三角形数在500万个以下的三维模行才能在常规计算机下流畅操作，可想我们的数据远远超过了这个限制。像丝网结构，圆弧结构这样不起眼的模型会占据大量的处理时间。对于像FPSO这样一个庞大的三维模型的集合体我们应针对每一个基本的几何模型进行分析，做到有主有次。什么是工程中需要精确数据的，什么是只需展示视觉效果的。例如一个成撬设备，外形长宽高、管线接口都是工程改造中要求精确定位的数据，必须进行实体建模。那么撬内结构复杂，可以在简单的立方体结构上应用纹理贴图的方式去表现。这样可以大大降低构成三角形的数量。管路改造也是工程中会常遇到的，那么对管线的建模就需要进行实体建模，至于管件我们可以应用符合现场外形尺寸的通用简易管件代替，像阀门手轮、阀体之类的会占据大量三角形的结构无需细致刻画。

结语

CATIA是法国达索公司开发的一款三维设计系统，在设计过程中可以直接以模型为核心，通过复杂的建模技术创建复杂的机械结构，用三维模型真实反映产品的外形，最终产生精确的零部件加工信息，拥有强大的机械设计能力，主要应用于精细化的产品设计，侧重于航空航天、汽车制造、加工装配、消费产品等行业。然而我们在实际的调研中发现将CATIA应用于造船、石化、电力行业的案例甚少。事实上我们的FPSO三维模型更符合三维工厂系统的概念。我们对三维模型的需求是面向线性系统、流程系统、侧重于整体的系统，比如工艺配管、电气桥架路由、设备布置等，通过三维模型反应的空间布局、路由走向、设备数量等信息产生一系列设计文档。三维工厂系统并不关心模型的精细化和逼真程度，哪怕是简单的线条和方块也可以满足所需的设计信息。可以看出，无论选取什么样的三维建模系统都需要明确三维模型的应用目标，做到有取有舍，突出表现有应用价值的数据，忽略应用程度不高的数据。从建模之初加以控制，根据模型的几何特点有针对性的改善建模手法才是解决问题的最终手段。在此希望这点滴经验能够给相关技术人员带来些启发。