CN102831636A - 在三维场景中设计对象的三维建模组件 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于一种用于在三维场景中设计对象的三维建模组件的计算机实现的方法，其中，该方法包括下列步骤：-在三维场景中对预先定义的一组三面体进行定位和定向（S100），每个三面体定义位置和方向；-提供（S120）一组对象；-将该组对象中的每个对象附接（S130）到该预先定义的一组三面体中的一个相应的三面体；-根据该预先定义的一组三面体中的所述相应的三面体的位置和方向来对每个对象进行定位和定向（S140）。

Description

在三维场景中设计对象的三维建模组件

技术领域

本发明涉及计算机程序和系统的领域，且更具体地涉及用于在三维场景中设计对象的三维建模组件的方法、系统和程序。

背景技术

在对象的设计、工程和制造的市场上提供了很多系统和程序。CAD是计算机辅助设计的缩写，例如，它涉及用于设计对象的软件解决方案。CAE是计算机辅助工程的缩写，例如，它涉及用于模拟未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM是计算机辅助制造的缩写，例如，它涉及用于定义制造过程和操作的软件解决方案。在这样的计算机辅助设计系统中，图形用户界面关于技术的效率起重要的作用。这些技术可嵌入产品生命周期管理（PLM）系统内。PLM是指一种商业策略，其帮助公司在扩展的企业的概念中从产品构思到其生命结束共享产品数据，应用公共过程，并利用公司知识来开发产品。

由Dassault Systems提供的PLM解决方案（商标为CATIA、ENOVIA和DELMIA）提供了组织产品工程知识的工程中心、管理制造工程知识的制造中心、以及使企业能够集成和连接到工程和制造中心中的企业中心。系统一起提供了链接产品、过程、资源的开放对象模型，以实现驱动优化的产品定义、制造准备、生产和服务的动态的基于知识的产品创建和决策支持。

CAD系统提供用于设计从组装背景中的草图到反复的详细设计的精确3D部件的直观和灵活的用户界面。这样的解决方案由CATIA Part Design（商标）应用提供，该应用将基于特征的设计的能力与布尔方法的灵活性组合起来，使用多种设计方法（例如后设计和局部3D参数化）来提供高度有成效和直观的设计环境。

在零件设计的过程中，设计者可能需要从现有的特征创建几个相同的特征，并同时将它们定位在零件上。为此目的，设计者通常使用二维模式，其允许由设计者在零件中的选定位置处复制原始特征。一般模式是矩形模式和圆形模式。设计者也可能需要由设计者用手创建的特定模式（也称为用户模式）。例如，设计者选择在平面中的一组点，原始特征将在该平面上被复制。

在组件设计的过程期间，设计者可能需要创建现有参考的几个实例，并同时根据模式规范将它们定位在三维场景中。在这个过程中，用户可能想再使用现有模式规范，例如零件模式。

目前使用两种方法来创建对象的模式。第一种方法是再使用模式程序化方法：给出对象A1和对象{B1,B2…Bn}的现有模式P，用户必须相对于{B1，…Bn}的一个元素来定位对象A1。接着程序根据模式P的规范（且只根据这些规范）来产生并定位对象A1的实例{A1…An}。

第二种方法是组件模式程序化方法：给出对象A1和一些模式规范（例如，模式规范可以是在轴线周围的5个实例，第三个实例缺失），程序根据给定的模式规范（且只根据这些规范）来产生并定位实例{A2…An}。

这两种所述的方法都具有几个缺点。首先，三维模式的创建是不可能的，这是因为现有技术只处理二维模式：实际上，模式组件的对象的实例位于平面上。其次，没有再使用在参考目录中定义的模式的方式；当前的再使用模式技术要求已再使用的模式和正在再使用的模式在同一三维场景中。因此，不可能向设计者提供模式库。第三，用于创建对象的模式的已知方法基于不允许遵守对象和其它元素之间的所有约束的程序（因为该程序在约束数学解算器的外部），例如被约束在同一平面上的模式的两个对象。第四，不可能对模式的规范应用外部约束。例如，不允许在另一对象上约束圆形模式的旋转轴的行动。

在这个背景内，仍然需要用于在三维场景中设计对象的三维建模组件的改进的方法。

发明概述

因此根据一个方面，本发明提供了用于在三维场景中设计对象的三维建模组件的计算机实现的方法，其中该方法包括下列步骤：

-在三维场景中对预先定义的一组预先定义三面体进行定位和定向，每个三面体定义位置和方向；

-提供一组对象；

-将该组对象中的每个对象附接到该预先定义的一组三面体中的一个相应的三面体；

-根据该预先定义的一组三面体中的所述相应的三面体的位置和方向来对每个对象进行定位和定向。

该方法可包括下列操作中的一个或多个：

-对每个对象进行定位和定向的步骤是根据所述一组对象中的第n个对象的调节矩阵MA_n来执行的，其中所述第n个对象附接到其相应的三面体；

-调节矩阵MA_n由关系MA_n=(MST_n)^-1*O_n定义，

其中，MST_n是所述一组三面体中的第n个三面体在3D场景中的定位矩阵，O_n是所述一组对象中的所述第n个对象在3D场景中的定位矩阵，其中所述第n个对象附接到所述预先定义的一组三面体中的所述第n个三面体；

-对于所述一组对象中的每一个对象，调节矩阵MA_n是相同的；

-所述预先定义的一组三面体是从现有对象的模式推断出的；

-所述预先定义的一组三面体是从存储在模式库中的模式获取的；

-提供一组对象的步骤包括；

-选择至少一个对象；

-计算所选择的至少一个对象的多个实例；

-附接所述一组对象中的每个对象的步骤是根据与所述一组对象中的每个对象相关联的链接来执行的；

-对所述预先定义的一组三面体进行定位和定向的步骤还包括在所述预先定义的一组三面体上应用约束；

-对所述预先定义的一组三面体进行定位和定向的步骤预先定义还包括应用修改所述预先定义的一组三面体中的三面体的相对位置的参数；

-在图形用户界面中显示所述预先定义的一组三面体；

-所述预先定义的一组三面体的位置和方向在三维场景中是可自由设定的；

-对每个对象进行定位和定向的步骤是在约束的条件下同时求解的。

本发明还提出了包括供计算机执行的指令的计算机程序，所述指令包括用于执行上述方法的模块。

本发明还提出了计算机可读存储介质，其上记录有上述计算机程序。

附图说明

现在通过非限制性的例子并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

-图1示出了方法的例子的流程图；

-图2示出了图形用户界面的例子；

-图3示出了客户端计算机系统的例子；

-图4示出了在3D场景中定位并定向的预先定义的一组三面体的例子；

-图5示出了被定向对象的例子；

-图6示出了图4中的预先定义的一组三面体具有新的位置和方向；以及

-图7示出了根据本发明的方法设计的对象的3D建模组件的例子。

具体实施方式

提出了用于在三维场景中设计对象的三维（3D）建模组件的计算机实现的方法。该方法包括在三维场景中对预先定义的三面体进行定位和定向的步骤，每个三面体定义位置和方向。三面体或三面形由在不同平面中的在一个唯一点处交叉的三条线表示，并定义用于表示在空间中（例如在三维场景中）的对象的参照系。每个三面体具有其自己的可相对于3D场景的三面体定义的位置和方向：该组三面体中的每个三面体在3D场景中具有其自己的坐标。该方法还包括提供一组对象的步骤。该组对象可包括对象的实例。该方法此外包括将该组对象中的每个对象附接到该组三面体中的一个相应的三面体的步骤。这个附接步骤可以被自动实施或在用户行动时被执行。附接意味着由对象和三面体组成的对被创建。该对的创建可依赖于对象或三面体或系统中描述的关系。该方法还包括根据该组三面体中的相应三面体的位置和方向来对每个对象进行定位和定向的步骤。对象因此在3D场景中被定位和定向，使得它们形成3D建模组件。

这样的方法改进了对象的3D建模组件的设计，这是因为模式的规范在3D场景中被实例化，这意味着定义模式的实例化规范的该组三面体在3D场景中。换句话说，该组三面体形成在3D场景中形成了模式的实例化规范。有利地，模式不限于二维平面，且因此建模对象的组件可在3D空间的所有方向上扩展。而且，可根据所提供的对象之间的约束来执行对象相对于模式的定位和定向。这些约束也称为内在约束。此外，可根据该组对象中的对象和不属于对象的3D建模组件的元件之间的约束来执行对象相对于模式的定位和定向。此外，模式的实例化规范可以使用对该组三面体施加的约束（也称为外在约束）来进行约束。因此，3D建模组件的设计被高度促进，这是因为模式是可自由设定的。此外，模式可被再使用，这是因为以前的模式可应用于新的对象。实际上，定义模式的初始规范的该组三面体独立于3D场景中的其它对象。这有利地允许可再使用的模式库的创建。此外，根据本发明的方法不依赖于程序化方法：包括模式和对象的建模组件可与约束一起被数字解算器连续地求解。

该方法是计算机实现的。这意味着该方法的步骤（或基本上所有步骤）由至少一个计算机执行。在实例中，可通过用户-计算机交互来执行该方法的至少一些步骤的触发。所需的用户-计算机交互的水平可取决于所预知的自动化的水平，并与实现用户的希望的需要平衡。在实例中，该水平可以是用户定义的和/或预先定义的。

例如，在用户选择对象时，可执行提供一组3D建模对象的步骤。

该方法的计算机实现的一般例子是使用包括适合于这个目的的图形用户界面（GUI）的系统来执行该方法。GUI与存储器和处理器耦合。存储数据库的存储器仅仅是适合于这样的存储的任何硬件。

所谓“数据库”指的是为了搜索和检索而组织的数据（即，信息）的任何集合。当被存储在存储器上时，数据库允许通过计算机快速搜索和检索。数据库实际上被构造成结合各种数据处理操作来便于数据的存储、检索、修改和删除。数据库可由可被分解成记录的文件或一组文件组成，每个记录由一个或多个字段组成。字段是数据存储的基本单元。用户可主要通过查询来检索数据。使用关键字和排序命令，用户可快速搜索、重新布置、分组和选择在很多记录中的字段，以根据正被使用的数据库管理系统的规则来检索或创建关于数据的特定集合的报告。

在该方法的情况下，数据库可存储一组模式，因而形成可被查询的模式库。数据库也可存储所提供的一组对象。

该方法通常操纵建模对象。建模对象是由存储在数据库中的数据定义的任何对象。扩而广之，措辞“建模对象”表示数据本身。根据系统的类型，建模对象可由不同类型的数据定义。系统实际上可以是CAD系统、CAE系统、CAM系统和/或PLM系统的任何组合。

在那些不同的系统中，建模对象由相应的数据定义。可相应地提到CAD对象、PLM对象、CAE对象、CAM对象、CAD数据、PLM数据、CAM数据和CAE数据。然而，这些系统不是彼此排斥的，因为建模对象可由相应于这些系统的任何组合的数据定义。因此系统可正好是CAD和PLM系统，如根据下面提供的这样的系统的定义中将是很明显的。

所谓CAD系统指的是至少适合于根据建模对象的图形表示来设计建模对象的任何系统，例如CATIA。在这种情况下，定义建模对象的数据包括允许建模对象的表示的数据。CAD系统可例如使用边缘或线（在某些情况下使用面或表面）来提供CAD建模对象的表示。线、边缘或表面可用各种方式（例如非均匀有理B样条（NURBS））表示。具体地，CAD文件包含规范，几何图形可从该规范产生，几何图形又允许表示被产生。建模对象的规范可存储在单个CAD文件或多个CAD文件中。CAD系统中代表建模对象的文件的一般大小针对每个部件在一兆字节的范围内。而且，建模对象一般可以是具有数千部件的组件。

在CAD的背景中，建模对象一般可以是3D建模对象，其例如代表产品，例如一个部件或部件的组件、或可能是产品的组件。所谓3D建模对象指的是由允许3D表示的数据建模的任何对象。3D表示允许从所有角度观察部件。例如，3D建模对象在被3D地表示时可被处理并绕着其轴的任一个或绕着显示有该表示的屏幕中的任何轴旋转。这特别不包括2D图标，2D图标不是3D建模的。3D表示的显示便于设计（即，增加设计者在统计上完成其任务的速度）。这加快了工业中的制造过程，这是因为产品的设计是制造过程的一部分。

CAD系统可以是基于历史的。在这种情况下，建模对象进一步由包括几何特征的历史的数据定义。建模对象实际上可由实体人员（即，设计者/用户）使用标准建模特征（例如，挤压、旋转、切割和/或弄圆等）和/或标准表面加工特征（例如，扫描、混合、增进、填充、变形、平滑化等）来设计。支持这样的建模功能的很多CAD系统是基于历史的系统。这意味着设计特征的创建历史一般通过非循环数据流保存，非循环数据流通过输入和输出链接将所述几何特征链接在一起。基于历史的建模范例自从八十年代初以来是公知的。建模对象由两种持续的数据表示描述：历史和B-rep（即，边界表示）。B-rep是在历史中定义的计算的结果。当表示建模对象时在计算机的屏幕上显示的部件的形状为B-rep（的棋盘形布置）。部件的历史是设计目的。基本上，历史收集关于建模对象经历的操作的信息。B-rep可与历史保存在一起，以使显示复杂的部件变得更容易。历史可与B-rep保存在一起，以便根据设计目的允许部件的设计变化。

所谓PLM系统指的是适合于管理代表物理制造的产品的建模对象的任何系统。在PLM系统中，建模对象因此由适合于制造物理对象的数据定义。这些一般可以是尺寸值和/或公差值。为了对象的正确制造，实际上最好有这样的值。

所谓CAE系统指的是适合于建模对象的物理行为的分析的任何系统。在CAE系统中，建模对象因此由适合于这样的行为的分析的数据定义。这一般可以是一组行为特征。例如，相应于门的建模对象可由指示门绕着轴旋转的数据定义。

图2示出了系统的GUI的例子，其中系统是CAD系统。

GUI 2100可以是具有标准菜单栏2110、2120以及底部和侧工具栏2140、2150的一般CAD类界面。这样的菜单栏和工具栏包含一组用户可选择的图标，每个图标与一个或多个操作或功能相关联，如本领域中已知的。这些图标中的一些与适合于编辑和/或操作显示在GUI 2100中的3D建模对象2000的软件工具相关联。软件工具可被分组成工作台。每个工作台包括软件工具的子集。特别是，工作台中的一个是适合于编辑建模产品2000的几何特征的编辑工作台。在操作中，设计者可例如预先选择对象2000的一部分，并接着通过选择适当的图标发起操作（例如，改变尺寸、颜色等）或编辑几何约束。例如，一般CAD操作是显示在屏幕上的3D建模对象的冲压或折叠的建模。

GUI可例如显示与所显示的产品2000有关的数据2500。在图2的例子中，被显示为“特征树”的数据2500及其3D表示2000与包括刹车夹制器和圆盘的刹车组件有关。GUI可进一步显示例如用于便于对象的3D定向、用于触发所编辑的产品的操作的模拟的各种类型的图形工具2130、2070、2080，或呈现所显示的产品2000的各种属性。光标2060可由触觉设备控制以允许用户与图形工具交互。

图3示出了客户端计算机系统，例如用户的工作站。

客户端计算机包括连接到内部通信总线1000的中央处理单元（CPU）1010、也连接到总线的随机存取存储器（RAM）1070。进一步给客户端计算机提供图形处理单元（GPU）1110，其与连接到总线的视频随机存取存储器1100相关联。视频RAM 1100在本领域中作为帧缓冲器也是已知的。大容量存储设备控制器1020管理对大容量存储设备（例如硬盘驱动器1030）的访问。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的大容量存储设备包括所有形式的非易失性存储器，作为例子包括半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM盘1040。上述各项的任一个可由特别设计的ASIC（专用集成电路）补充或合并在ASIC中。网络适配器1050管理对网络1060的访问。客户端计算机也可包括触觉设备1090，例如光标控制设备、键盘等。光标控制设备在客户端计算机中被使用以允许用户选择性地将光标定位在显示器1080上的任何期望位置处，如参考图2所述的。此外，光标控制设备允许用户选择各种命令并输入控制信号。光标控制设备包括用于将控制信号输入到系统的很多信号生成设备。一般，光标控制设备可以是鼠标，鼠标的按钮用于产生信号。

计算机程序可包括计算机的指令，指令包括用于使上述系统执行上述过程的模块。本发明可例如在数字电子电路中或在计算机硬件、固件、软件中或在其组合中实现。本发明的装置可以在有形地体现在机器可读存储设备中的供可编程处理器执行的计算机程序产品中实现；以及本发明的方法步骤可由可编程处理器执行，可编程处理器执行指令的程序以通过操作输入数据并产生输出来执行本发明的功能。

本发明可有利地在一个或多个计算机程序中实现，这些计算机程序在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上是可执行的，所述可编程处理器被耦合以从数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令并将数据和指令发送到数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备。应用程序可以用高级过程语言或面向对象的编程语言或如果需要则用汇编或机器语言实现；且在任何情况下，语言可以是编译或解释语言。

现在参考图1，描述了该方法的例子的流程图。在步骤S100，在三维场景对预先定义的一组三面体进行定位和定向，如图6上所表示的。3D场景是对象之间的空间关系被描述的空间。根据也称为3D场景的参照系的适合于3D场景的三面体来确定这些空间关系。适合于3D场景的这种三面体提供用于在3D场景中指定对象（例如，点）的必要元素。因此3D场景被定向。

每个三面体可由作为定位矩阵的一部分的六个实数表征，三个实数表征平移值，而三个其它数表征旋转值。因此可容易地存储模式的规范。例如，可在4*6个实数的形式下存储包括四个三面体的一组三面体。每个三面体可由n*n定位矩阵表示，如本领域中公知的。例如，4*4定位矩阵可被记为：

[a b c x

d e f y

g h i z

0 0 0 1]

其中（x,y，z）表示在3D场景中三面体的平移矢量，项（a,b,c）、（d,e,f）和（g,h,i）表示在3D场景中三面体的旋转矩阵，其提供三面体相对于3D场景的参照系的角度位置。矩阵的最后一行总是由项（0,0,0,1）表示，并用于获得4*4矩阵（方阵），使得允许矩阵的逆计算。

每个三面体定义由记为MST_n的定位矩阵表征的在3D场景中的位置和方向，n表示该组三面体中的第n个三面体。每个三面体在3D场景中的位置是指该三面体的原点在3D场景中相对于3D场景的适当三面体（即，3D场景的参照系）而确定的位置。每个三面体的方向描述三面体如何被放置在3D场景中。该方向描述将三面体从参考位置移动到其当前位置所需的旋转。因此，每个三面体具有一起充分描述三面体如何放置在3D场景中的位置和方向。应理解，对象在3D场景中的位置和方向被类似地定义。

这组三面体形成了3D场景中的模式的实例化规范，这相当于说这组三面体构成3D场景中的模式的实例。有利地，由这组三面体表示的模式的实例化规范位于3D场景中，这意味着模式揭开使用三维（也称为长度、宽度和深度）的可能性。

这组三面体也可由n*n定位矩阵（例如4*4方阵）表征。这组三面体的定位矩阵可被记为G。可通过计算下面的矩阵乘法来计算这组三面体中的每个三面体在3D场景中的位置：MST_n=G*MGT_n，其中MGT_n是三面体在模式的3D结构中（或在规范的3D结构中）的定位矩阵，且n表示该组三面体中的第n个三面体。这意味着可相对于模式的参照系来确定三面体的位置和方向。

这组三面体被预先定义，这意味着三面体的位置和方向已经被决定。换句话说，当将预先定义的这组三面体装入系统中时，三面体的位置和方向是已知的。然而，预先定义的这组三面体在三维场景中是可自由设定的。自由设定意味着可能在例如用户行动时修改至少一个三面体的位置和方向。此外，可施加该组三面体中的三面体之间的约束。例如，可以强制该组三面体中的三面体之间的最小距离。由于可被参数化的模式的规范，这可以被执行：这意味着在该组三面体中的三面体的相对位置可取决于至少一个参数。因此，可以应用参数来修改预先定义的这组三面体中的三面体的相对位置。

可在选择存储在模式库中的模式时获得预先定义的这组三面体（S102）。模式的选择可如本领域中已知的被执行。例如，这可通过使用显示模式的列表的树（例如图2的树2500）来完成。用户也可能通过另一类型的用户界面，例如通过输入模式的识别信息、通过选择列表中的模式等来选择模式。由于任何类型的用户界面，例如复合框、图标、特殊命令等，可以选择模式。模式库可存储在数据库上。模式的选择涉及选择模式的规范；特别是，形成组件的对象如何放置在3D场景中。模式的选择因此伴随有模式的实例化规范，也就是说，根据选定模式的实例化规范计算预先定义的这组三面体。模式的实例化规范相当于说这组三面体进入3D空间（3D场景）中，也就是说，对这组三面体中的每个三面体赋予位置和方向。应理解，该组三面体中的每个三面体具有相对于模式的参照系（或规范系）的位置和方向。

预先定义的这组三面体可从现有对象（例如对象的组件）的模式推断出。在实践中，现有对象由用户选择。可关于模式执行模式的选择。一旦选择了对象，就在计算时提取对象的特征。为此目的，可利用存储在对象中的信息，例如存储在对象内的模式设计。例如，从矩形模式获得的对象的组件可包括例如行列数、行列方向、在模式上对象之间的间隔等之类的信息。作为提取的结果，获得模式的规范。当这组三面体是从现有模式推断出或从模式得到时，可以根据模式的参照系确定这组三面体中的三面体的各自位置和方向模式。

可选地，如在步骤S104示出的，可以对预先定义的这组三面体的位置和方向进行约束。

这意味着将约束应用在整组三面体上。换句话说，将约束（也称为外在约束）应用在模式的实例化规范上。在实践中，将对称的约束应用在这组三面体上，这意味着将约束应用在这组三面体的对称点或对称轴上。换句话说，在3D场景中可以将虚拟几何结构添加到设定的三面体，且对这个虚拟几何结构（例如，对称点、对称轴）进行约束。例如，圆形模式允许用户指定总的角度、角间距和特征相对于圆形旋转轴的距离。由于根据本发明的方法，可能在圆形旋转轴上应用约束，使得整个这组三面体被约束。

约束（例如几何约束）限制了不同的对象可相对于其它对象移动的方式以及它们可如何影响它们。约束广泛用在机械零件的建模中。约束可涉及3D建模对象之间的关系，并且还可涉及三面体和3D建模对象之间的关系。可替换地，约束可与这组三面体中的至少一个三面体相关联。必须理解，约束可与3D建模对象存储在一起，该约束是3D建模对象的文件的以部分，或它可与三面体存储在一起，该约束是三面体的规范的一部分。

可选地，可根据3D场景的至少一个元素来约束预先定义的这组三面体的位置和方向。元素可以是3D场景中的任何对象，其不是对象的组件的一部分或不包括对象的组件。

接着，在步骤S110，例如在计算机屏幕上向用户显示这组三面体。应理解，显示步骤可能更早；例如，如果用户将三面体放置在3D空间中用于形成这组预先定义的三面体，或如果用户想通过与三面体上的光标交互来直接修改三面体的位置和/或方向。

现在参考图4，向用户显示一组三面体。每个三面体在3D场景中具有位置和方向（没有示出3D场景的参考模式），并定义3D场景中的位置和方向。每个三面体是表示一组轴（X,Y，Z）的参照系，在该参照系中可表征对象的位置、方向和其它属性。因此每个三面体提供坐标系。

回来参考图1所示的流程图，接着将一组对象提供给执行该方法的系统，例如CAD系统（S120）。对象可以是例如使用CAD系统设计的3D建模对象。提供对象意味着对象对CAD系统是可用的，其中CAD系统可对该对象（例如存储在存储器中的对象）执行操作。优选地，所提供的对象的数量等于在3D场景中的三面体的数量。

在实践中，提供一组对象的步骤包括选择至少一个对象的第一子步骤（S122）和实例化选定的至少一个对象的第二子步骤（S124）。可以用与模式的选择相同的方式来执行对象的选择，例如当用户在对象的列表中行动时模式。对象的选择也可由系统自动执行。选定的对象接着被实例化若干次，以便创建一组对象。对象的实例化在计算机化过程的领域中是公知的。该实例化通过定义选定对象的一个特定的变化形式来创建实例。一般，选定的对象是包括表示建模对象的数据的文件，且实例化的对象是可由CAD系统处理的可执行文件。因此实例化的对象存储在存储器中，并可由CAD系统访问和使用。

现在参考图5，在3D场景中表示由用户选择的3D建模对象。3D建模对象包括对3D建模对象的每个点定义位置和方向的三面体。3D建模对象可显示在图形用户界面（未示出）上。

这组对象中的每个对象具有在3D场景中的位置，其可由定位矩阵（—一般是如前所述的4*4定位矩阵）表征。对象的定位矩阵可被记为O_n，n表示该组对象中的第n个对象。

接着，在步骤S130，将这组对象中的每个对象附接到这组三面体中的一个相应的三面体。这意味着由这组对象中的一个对象和一个三面体组成的一对对象被创建。换句话说，一组配对物（对象，三面体）被创建。

可通过识别与该组对象中的每个对象相关联的链接来执行附接步骤（S132）：这组对象中的每个对象因此可访问使该对象能够识别相应的三面体的相应链接。在实践中，每个对象通过被称为“链接对象”的专用对象来访问链接。这个“链接对象”包括表格，在该表格中维持对象和三面体之间的对应关系。换句话说，“链接对象”识别这组配对物（对象，三面体）。应理解，链接可存储在为了搜索和检索而组织的任何数据集合中。

可替换地，链接可例如在标签的形式下与对象存储在一起。也可设想，链接可与每个三面体存储在一起。有利地，所识别的链接使得当需要附接几个不同的3D建模对象时在这组三面体当中选择特定的三面体变得可能。这允许使用几个不同的3D建模对象创建对象的3D建模组件。

接着，一旦对这组对象中的每个对象识别出链接（S134），就根据所识别的链接将这些对象附接到其相应的三面体。这组配对物（对象，三面体）现在被创建。

在附接的步骤（S130）之后，执行根据这组三面体中的相应三面体的位置和方向来对每个对象进行定位和定向的步骤（S140）。3D建模对象因此放置在3D场景中，使得其各自的位置和方向反映每个3D建模对象所附接的三面体的位置和方向。作为结果，根据形成模式的一组规范构造对象的组件，这组规范在3D场景中被实例化并由这组三面体表征。这有利地允许根据在三维场景中实例化的三维模式来创建对象的三维组件，而不需要程序化方法。实际上，根据本发明获得的模式是变化的模式（而不是程序化模式），因此允许数字解算器同时对几何约束的网络（例如，内在和外在约束）和组件模式进行求解。这将在下文中更明显。

一般，在对每个对象应用约束的情况下来执行根据每个对象的相应的三面体的位置和方向来对该对象进行的定位和定向：对于给定的配对物（对象，三面体），在对象和三面体之间的转换矩阵是相同的。转换矩阵将矢量从一个参照系转换到另一参照系。作为结果，存在称为调节矩阵并被记为MA_n的矩阵，其允许根据这组对象中的第n个对象的相应的三面体的位置来将该对象定位并定向到其相应的三面体。这组对象中的第n个对象是在这组对象中的对象当中的一个对象。换句话说，在形成配对物的对象和三面体的各自定位矩阵之间存在一种关系，且该关系用于约束每个对象的定位和定向。这相当于说在定位和定向步骤将约束应用到每个对象，该约束由调节矩阵MA_n规定。

在实践中，调节矩阵MA_n可由下列关系定义：

MA_n=(MST_n)^-1*O_n，

其中MST_n是这组三面体中的每个三面体在3D场景中的定位矩阵，O_n是这组对象中的每个对象在3D场景中的定位矩阵，且n表示这组三面体中的第n个三面体。

这导致另一关系式，其中调节矩阵MA_n可由MA_n=(G*MGT_n)^-1*O_n定义，

其中G是这组三面体的定位矩阵，MGT_n是三面体在模式的3D系中（或在3D规范系）中的定位矩阵，O_n是这组对象中的每个对象在3D场景中的定位矩阵，n表示这组三面体中的第n个三面体。

因此，使用关系Q_n=MST_n*MA_n=G*MGT_n*MA_n确定对象的定位矩阵是可能的。作为结果，通过使调节矩阵与对象的相应三面体在3D场景中的定位矩阵相乘来计算该对象在3D场景中的位置和方向是可能的。

在实践中，调节矩阵对这组对象中的每个对象都是相同的。换句话说，对于每个对象p和n，MA_p=MA_n。有利地，这允许依照模式的规范来同时对一组对象进行定位。

可替换地，调节矩阵可适合于至少一个对象。这相当于说将特定的约束应用于特定的对象，使得对对象进行定位和定向的步骤的结果不同。这允许调适这组对象中的至少一个对象的位置和方向，因此增加了可被设计的模式的不同组件的数量。

在实践中，这是通过将公共调节矩阵MA_n与经修改的单位矩阵（记为In）相乘，从而修改这至少一个对象的调节矩阵来执行的。大小为n的被记为I的单位矩阵是主对角线上为1而其它地方为0的n×n方阵，例如4*4的单位矩阵。经修改的单位矩阵In是所述至少一个对象的单位元被修改的单位矩阵（也就是说，单位元不等于1）。因此，经修改的单位矩阵在与调节矩阵相乘时改变了所述至少一个对象的调节矩阵。且相反，经修改的单位元保持这组已修改的对象中的其它对象的调节矩阵未改变（也就是说，单位元等于1）。

因此，使用下列关系确定对象的定位矩阵：

Q_n=MST_n*MA_n*In=G*MGT_n*MA_n*In，其中In是经修改的单位矩阵，使得对于要被不同地定位和定向的至少一个对象，In≠I。

因此，对象的3D建模组件的设计不取决于程序化方法：每个对象的位置和方向使用一次计算来获得。可以将所有数学约束直接发送（或引入）到数字解算器，如果对全局问题的解存在，则数字解算器能够找到对该问题的结果。在解算器不能计算解的情况下，那么解算器发送指示问题被过度约束的消息。

此外，可以在计算每个对象的位置和方向的同时，对与设计组件有关的所有约束进行求解，这是因为系统具有要计算的组件的全局视图；例如，内在和外在约束、组件的对象和3D场景的至少一个元素之间的约束、这组三面体中的三面体之间的约束可以与每个对象的位置和方向同时被求解。因此，同时处理对象的模式和几何约束。更一般地，解算器针对定位和定向组件的所有约束以及应用在模式的规范和对象上的补充约束计算解。因此，每个对象的位置和方向与约束一起同时被求解，约束与待设计的对象的3D建模组件有关。

接着，在步骤S150，在3D场景中计算并显示3D建模组件。可替换地，对象的3D建模组件可与这组三面体一起显示，如图7所示的。

已经描述了本发明的优选实施例。将理解，可进行各种修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，其它实现在下列权利要求的范围内。例如，例如在用户行动时，可以修改这组预先定义的三面体中的至少一个三面体的位置和方向。可通过输入新的规范值来执行修改。也可例如通过与三面体上的光标交互来在所显示的三面体上直接执行修改。因此，用户可调适每个三面体在3D场景中的位置和方向。

Claims (15)

1.一种用于在三维场景中设计对象的三维建模组件的计算机实现的方法，其中，所述方法包括下列步骤：

-在所述三维场景中对预先定义的一组三面体进行定位和定向（S100），每个三面体定义位置和方向；

-提供（S120）一组对象；

-将所述一组对象中的每个对象附接（S130）到所述预先定义的一组三面体中的一个相应的三面体；

-根据所述预先定义的一组三面体中的相应的三面体的位置和方向来对每个对象进行定位和定向（S140）。

2.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，对每个对象进行定位和定向的步骤是根据所述一组对象中的第n个对象的调节矩阵MA_n来执行的，其中，所述第n个对象附接到其相应的三面体。

3.如权利要求2所述的计算机实现的方法，其中，所述调节矩阵MA_n由关系MA_n=(MST_n)^-1*O_n定义的，

其中，MST_n是所述一组三面体中的第n个三面体在所述3D场景中的定位矩阵，O_n是所述一组对象中的第n个对象在所述3D场景中的定位矩阵，其中，所述第n个对象附接到所述预先定义的一组三面体中的所述第n个三面体。

4.如权利要求2或3中的一项所述的计算机实现的方法，其中，对于所述一组对象中的每个对象，所述调节矩阵MA_n是相同的。

5.如权利要求1到4中的一项所述的计算机实现的方法，其中，所述预先定义的一组三面体是从现有对象的模式推断出的；

6.如权利要求1到4中的一项所述的计算机实现的方法，其中，所述预先定义的一组三面体是从存储在模式库中的模式获取的。

7.如权利要求1到6中的一项所述的计算机实现的方法，其中，提供一组对象的步骤包括；

-选择至少一个对象；

-计算所选择的至少一个对象的多个实例。

8.如权利要求1到7中的一项所述的计算机实现的方法，其中，附接所述一组对象中的每个对象的步骤是根据与所述一组对象中的每个对象相关联的链接来执行的。

9.如权利要求1到8中的一项所述的计算机实现的方法，其中，对所述预先定义的一组三面体进行定位和定向的步骤还包括在所述预先定义的一组三面体上应用约束。

10.如权利要求1到9中的一项所述的计算机实现的方法，其中，对所述预先定义的一组三面体进行定位和定向的步骤还包括应用用于修改所述预先定义的一组三面体中的三面体的相对位置的参数。

11.如权利要求1到10中的一项所述的计算机实现的方法，还包括下列步骤：

-在图形用户界面中显示所述预先定义的一组三面体。

12.如权利要求1到11中的一项所述的方法，其中，所述预先定义的一组三面体的位置和方向在所述三维场景中是可自由设定的。

13.如权利要求1到12中的一项所述的计算机实现的方法，其中，对每个对象进行定位和定向的步骤是与约束一起同时被求解的。

14.一种包括供计算机执行的指令的计算机程序，所述指令包括用于执行权利要求1到13中的任一项所述的方法的模块。

15.一种计算机可读存储介质，其上记录有根据权利要求14所述的计算机程序。

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