CN103488809A - 动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的方法和系统 - Google Patents

动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的计算机实现的方法，该方法包括以下步骤：向对象的集合提供(S1)关于连接该集合的对象的运动关节的信息；提供(S2)嵌入到场景中的动态操纵工具(DM)，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴允许平移自由度和旋转自由度；将所述动态操纵工具(DM)附到(S3)集合的一个对象上；选择(S4)附到集合的对象上的动态操作工具(DM)的自由度；根据所选择的自由度施加(S5)负荷；以及实时计算并显示(S6)负荷施加的动态模拟的结果。

Description

动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的方法和系统
技术领域
本发明涉及计算机程序和系统领域，更特别地，涉及对计算机辅助设计应用中的对象的集合进行设计的领域。
背景技术
已知的计算机辅助技术包括计算机辅助设计(CAD)，其涉及用于创造产品设计的软件解决方案。同样地，CAE是计算机辅助工程的首字母缩写，例如，其涉及用于模拟未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM代表计算机辅助制造，并典型地包括用于定义制造过程和操作的软件解决方案。
在市场上提供多种系统和程序用于设计对象(或部件)或对象的集合，形成产品，例如由达索系统公司提供的商标为CATIA的产品。这些CAD系统允许用户构造并操纵对象的复杂三维或3D模型或对象的集合。因此，在一些具有表面的情况下，CAD系统使用边或线提供了已建模对象的表示。可以使用多种方式表示线和边，例如，非均匀有理B样条(NURBS）。这些CAD系统管理部件或部件的集合作为建模对象，其通常是几何形状的规范。特别地，CAD文件包括从中生成几何形状的规范，其反过来考虑要生成的表示。几何形状和表示可以存储于单个CAD文仆或多个CAD文件中。CAD系统包括用于向设计者表示建模对象的图形工具；这些工具专用于显示复杂对象；在CAD系统中表示对象的文件的典型尺寸是每个部件一兆字节的大小，并且集合可以包括上千个部件。CAD系统管理对象的模型，该模型存储于电子文件中。
在计算机辅助技术中，图形用户界面GUI扮演了考虑该技术的效率的重要角色。操纵和/或导航建模对象所需的大部分操作可以由用户(例如，设计者)在GUI上执行。特别地，用户可以创建、修改和删除形成产品的建模对象，还可以探究产品以便充分了解建模对象是如何相互联系的，例如通过产品结构。传统上，这些操作通过位于GUI的侧边上的专用菜单和图标执行。近来，CAD系统(例如CATIA)允许调用产品表示附近的这些操作。设计者不再需要朝向菜单和图标移动鼠标。因此，操作在鼠标的范围内是可用的。此外，操作是语义运转的：对于由设计者选择的给定操作，CAD系统可以根据设计者可能选择的之前所选择的操作而向设计者建议依然在鼠标附近的一组新操作。
近年来，例如在汽车和航天工业中所使用的一些计算机软件是基于几何形状的，对于机械工程师而言，能够在空间中或在三维显示中看到他们的工作。
在这个领域中，计算机软件(例如CATIA)允许在三维空间中设计几何形状。这种菜单和工具条包括一组用户可选的图标，每个图标与一个或多个操作或功能相关联。这些图标中的一些与软件工具相关联，适于在3D几何建模产品或产品的部件(例如在图形用户界面GUI上显示的)上编辑和/或工作。在下面的描述中，为了简明起见，术语“产品”、“部件”、“集合”等可以指“部件”。“部件”的概念也能够被归纳为“对象”的概念。对象包括最终数字模型的任意构成，例如，考虑集合，这种集合的对象可以是子集合、部件、运动关节、材料、在电子控制单元(ECU)上执行的嵌入式软件，或描述集合的整个环境所需的任意对象，例如在你想要研究飞机飞行能力的情况下对大气层的建模。
已知配置运动连接进行模拟，而不管动力的物理法则，但这不是实时的方式，或者，换句话说，不是动态的方式。
集合的运动关节的定义是该集合的部件之间的所有运动关节的集合。
如果满足所有关节之间的某些兼容性规则，则运动求解程序能够计算出部件的可能位置并将其显示为动画。但是，这种动画没有考虑能量守恒的物理法则，并且，在钟摆的实例中，其不会显示出由于重力引起的平衡效应。
同样已知的是，在视频游戏中，使用动态交互已经很多年了，但是在游戏中，动画必须看起来逼真以确保与玩家进行高水平的交互。然而，速度和加速度的物理值虽然逼真但是不精确。在游戏中，玩家无需监控施加于控制件上的努力就可以与模型交互。即使在使用力反馈操纵杆时，所述反馈仅仅给予一种在真实生活中需要做什么来移动模型的印象，但是在此不能使用数字值，因为没有进行实际的计算。在游戏中，程序是多个不能改变的情景的编译，仅仅是看起来真实，但却不真实。
同样已知的是，配置运动连接进行模拟，考虑了动力的物理法则，但是在计算之后，因此不是实时的，从而无法与用户进行动态交互。
发明内容
本发明的目标是提供动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的计算机实现的方法和系统，其动态地考虑，换句话说，实时地考虑动力的物理法则，如重力和负荷(力、力矩)。
根据本发明的一个方案，提出了一种动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的计算机实现的方法，该方法包括以下步骤：
-向对象的集合提供关于连接集合的对象的运动关节的信息；
-提供嵌入到场景中的动态操纵工具，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴允许平移自由度和旋转自由度；
-将所述动态操纵工具附到集合的一个对象上；
-选择附到集合的对象上的动态操纵工具的自由度；
-根据所选择的自由度施加负荷；
-实时计算并实时显示负荷施加的动态模拟结果。
这种动态操纵工具在文献US78２3085B２中进行了描述。
这种方法允许动态地考虑，或者换句活说，实时地考虑动力的物理法则，如重力和负荷(力、力矩)。
因此，该方法增强了模拟和观察自然效应的真实性，避免了不可能的配置：运动学能够找到在数学上是可能的但在物理上无法达到的集合的位置。
根据实施例，根据所选择的自由度施加负荷的步骤包括：
-第一子步骤，用于选择负荷值的范围；以及
-第二子步骤，用于在所述范围中确定负荷值。
因此，对于用户而言，很容易动态地确定负荷以施加到对象的集合中。
根据实施例，根据所选择的自由度施加负荷的步骤包括第三子步骤，用于确定其中施加有负荷的参考系。
确定施加负荷的参考系允许定义相对于哪个部件施加负荷。如果部件没有明确说明，则设置称为“全局(world)”参考系。
根据实施例，根据所选择的自由度施加负荷的步骤包括第四子步骤，用于确定动态操纵工具的三个轴是否与附有该动态操纵工具的对象一起旋转。
仅在负荷的参考系是全局参考系时，确定动态操纵工具的三个轴是否与附有该动态操纵工具的对象一起旋转。如果用户想在恒定方向上施加负荷(例如，远离吸引力)，则操纵器不会与对象一起旋转。如果应该在局部轴中施加负荷(例如，为了旋转电动机轴)，则用户设置操纵器与对象一起旋转。
如果负荷的参考系不是全局参考系，而是集合的另一部件，那么，出于简明的原因，操纵器总是与部件一起旋转。
为了覆盖施加于固体的负荷的科学描述，这两种选择(参考系和操纵器的旋转)是必要的。负荷必须在参考系(作用力/反作用力定理)中描述，并使用轴系统来进行表达。该轴系统是操纵器。
根据实施例，施加负荷的步骤是通过执行动态操纵工具的移动来执行的，工具的移动被转化为负荷值。
因此，用户能够使用鼠标操纵所选择的部件，例如如同他在视频游戏中使用操纵杆一样。
根据实施例，所述转化考虑根据轴的平移移动的速度或根据轴的旋转移动的加速度或加速度和速度的结合来驱动旋转和平移。
这种转化允许对象的动态操纵尽可能接近现实生活的感觉：
-对于旋转：现实生活的感觉是“在旋转部件上的短暂但是加速的推力通过施加力矩而增加了它的旋转速度”。这种陈述对应于物理上正确的陈述，这是因为在现实生活的集合中通常依靠特殊装置(例如滚珠轴承)将旋转中的摩擦力最小化。
-对于平移：现实生活的感觉是“以高速推动物体在其上施加了强负荷”。虽然在理论上不正确，但是这种陈述对应于在几乎所有平移运动中观察到的摩擦力的人类感觉。
可以使用加速度和速度的更复杂结合来驱动平移和旋转运动。
根据实施例，利用鼠标按下按钮或手指接触显示屏来执行动态操纵工具的移动。
因此，对于用户而言，施加负荷非常简单。
例如，利用鼠标或手指的所述移动是在距动态操纵工具上一段距离处施加的。
因此，可以在屏幕上保持好的能见度的同时在正确位置处施加负荷，这是因为在操纵发生在交互器上，而不是直接在操纵器上，如本文进一步解释的那样。
可选地，施加负荷的步骤是通过直接提供负荷值来执行的。
根据示例，对于用户而言这是施加负荷的最简单的方法。
负荷可以是力或力矩。
根据本发明的另一个方案，提出了一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，该指令使得计算机系统执行如上所述的用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的方法。
根据本发明的另一个方案，提出了一种计算机程序产品，其存储于计算机可读介质中，用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合，包括使得系统执行如上所述的步骤的代码模块。
根据本发明的另一个方案，提出了一种用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的装置，包括用于实现上述方法的步骤的部件。
附图说明
通过研究一些以非限制性实例的方式描述且由附图示出的实施例，可以更好的理解本发明，其中：
图1到7示出了根据本发明的一方案，在基本使用的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例；
图8到10示出了根据本发明的一方案，在恒定方向施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例；
图11到14示出了根据本发明的一方案，在与集合的部件平行的方向上施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例；
图15到20示出了根据本发明的一方案，在通过数字输入向集合的部件施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例；
图21到23示出了根据本发明的一方案，在相对于另一部件施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例；
图24和25示出了根据本发明的一方案的方法。
具体实施方式
本方法的步骤可以由一个或多个可编程处理器执行，该处理器执行计算机程序以通过操作输入数据并生成输出数据来实现本发明的功能。
可以以任何形式的编程语言来编写计算机程序，包括编译语言或解释语言：计算机程序可以以任何形式进行配置，包括作为独立的程序或作为子程序，元件或适于在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以被配置为在一个地点或分布于多个地点并由通信网络互连的一个或多个计算机上执行。
下面的附图更加详细的解释了本发明的功能。
图1到7示出了本发明的基本使用的情况。
在图1中，本方法从停止的或不运动的3D模型或对象的集合开始。在这个例子中，对象的集合或3D模型是离心的“飞球”调节器CG，其桅杆(mast)的旋转会分离开集合的两个球体直到达到它们之间的最大距离为止。
在步骤1，如图1所示，通过按下显示按钮BSTART开始动态模拟。
显示结果表示在图2中，其中由于重力的影响，集合的臂下落。出现了动态操纵器DM、暂停按钮BPAUSE、停止按钮BSTOP，和倒回按钮BREW。暂停按钮BPAUSE、停止按钮BSTOP和倒回按钮分别适用于挂起、停止和倒回动态模拟。
如同在已知系统中仅仅考虑运动连接一样，交互的通常方式是3D操纵器，在本发明中是动态3D操纵器DM。
操纵器是由鼠标(参见US7823085)或触摸屏上的手指控制的图形工件。其被置于部件上并提出了不同的操纵方法。动态操纵器DM由具有三个正交轴和三个圆弧的轴系统组成，其提供不同的操纵方向：沿着三个轴方向中的每一个的三种平移，以及沿着三个弧的三种旋转，或者，换句话说，围绕三个轴的旋转。简而言之，动态操纵器DM包括并提供了六种自由度。
轴上的交互会平移其上置有操纵器的部件，弧上的交互会转动其上置有操纵器的部件。当正在进行动态操纵时，这种操纵能够考虑运动的物理法则转动并平移其所在的集合的部件：它是动态操纵器。操纵器的动态特征由双重圆弧表示。
因此，在步骤2，用户能够对用户想要施加负荷的集合的部件上的动态操纵器DM进行拖放。
在图3中表示显示的结果，其中用户能够沿着六种自由度(三种平移和三种旋转)中的一种选择六种可能操纵中的一种。因此，显示操纵器面板MP。操纵器面板MP包括监控施加的负荷的计量器GAU，以及强度水平的选择器SEL，例如选择器SEL具有三个图标，每个图标都表示了强度范围。在当前例子中，显示了三个图标，第一个图际是一只手，表示0.1到1N.m的力矩，和0.1到1N的力；第二个图标是一匹马，表示1到103N.m的力矩，和1到10３N的力；第三个图标是推土机，表示1到106N.m的力矩，和1到106N的力。
此外，操纵器面板MP包括字段REL，用于解释相对于什么或对哪个参考坐标系或参考系施加负荷(全局或集合的部件)；还包括选项OPT，用于旋转或不旋转动态操纵器DM，或者换句活说，与集合的部件一起旋转三个轴或保持它们在空间中的恒定方向。
因此，在步骤3中，用户沿着六种自由度中的一种选择六种可能操纵中的一种。在当前实例中，用户选择沿着Z轴的旋转。
在图4中表示显示的结果，其中出现旋转交互器INT，例如其由两个弯曲的箭头表示，并且在计量器GAU中根据“强度”选择器SEL的指示设置最小值和最大值，在这个例子中，最小值和最大值是0.1N.m和1N.m的力矩。
因此，在步骤4，在当前例子中，用户使用鼠标或触摸屏情况下的手指施加力矩。
在平移的情况下，速度驱动力；在旋转的情况下，加速度驱动力矩。加速度和速度的结合也可以用于驱动平移和旋转。
在图5中表示显示的结果，其中计量器GAU以N.m指示了施加于集合的部件的围绕所选轴的所述力矩的数字值。集合因此而移动。
因此，在步骤5，通过松开鼠标按钮或从触摸屏拿开手指，用户能够停止施加力矩。
在图6中表示显示的结果，其中集合继续旋转。
因此，在步骤6，用户将动态操纵器DM从其所依附的集合的部件处拿开。
在图7中表示显示的结果，其中集合继续旋转直到用户决定暂停或停止动态模拟。关闭操纵器面板MP，动态操纵器DM重新出现准备用于另一次操纵直到模拟停止。
图8到10示出了在恒定方向施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例。
如图8所示，该方法开始于停止的或不运动的3D模型或对象的集合。在这个例子中，对象的集合或3D模型是包括平衡部件或杠杆的集合。
动态模拟已经开始，并且动态操纵器DM固定于或附到杠杆上。在步骤1，用户确定操纵器面板MP的旋转选项OPT被设置为“否”。此外，选择器SEL选择“手”图标，表示包含在0.1到1N.m的负荷。
因此，集合仍然是平衡的，在步骤2，用户选择动态操纵器DM的轴。
在图9，出现平移交互器INT，例如由两个笔直的箭头表示，并且用户使用鼠标或触摸屏情况下的手指来施加力。平移交互器INT不移动，否则用户将需要“在部件之后运行”来施加力。动态操纵器DM跟随其连接的部件，并且轴保持它们在全局参考坐标系中的定向，换句话说，轴不随着所述部件旋转。继续平衡运动。
因此，如图10所示，动态操纵器DM跟随其连接的部件，并且轴保持全局参考坐标系中的恒定定向，其不跟随部件旋转，同时继续平衡运动。
用户能够在相对于全局参考坐标系的给定的恒定方向上施加力，就好像他使用无限长的绳子拉拽一样。
图11到14示出了根据本发明的一方案，在平行于集合的部件的方向上施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例。
如图11所示，该方法从停止或不运动的3D模型或对象的集合开始。在这个例子中，对象的集合或3D模型是连接的杆和活塞。
开始动态模拟，并将动态操纵器DM附到集合的部件上。在步骤1，用户将选项OPT“与部件一起旋转”设置为“是”，如图12所示，对于轴而言，与其所附着的部件一起旋转。
在步骤2，用户选择用于操纵的轴，且在步骤3，如图13所示，用户能够使用鼠标或触摸屏情况下的手指施加力。此外，出现平移交互器INT。
然后，动态操纵器DM跟随其所连接的集合的部件，如图14所示，轴保持与它们所连接的部件平行，换句话说，与杆平行。
因此，用户能够在跟随运动中的部件的集合的部件上施加力，就如同在现实生活中他使用他的手施加运动一样。
图15到20示出了，在通过进行数字输入而向集合的部件施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合体--离心的“飞球”调节器--的实例。
在图15中，该方法从离心的“飞球”调节器的3D模型或集合开始。动态操纵器DM被附到桅杆基座。用户在沿着三个轴的三种平移和三种旋转中的六种可能操纵中选择一种。
因此，出现旋转交互器INT，如图16所示，在步骤2，用户输入数字值或使用鼠标或触摸屏情况下的手指来旋转计量器GAU的主轴。
出现消息“设置值”以指示用户由这个值驱动负荷，如图17所示，并且用户能够点击旋转交互器INT(箭头)以施加指示的负荷。
在运动期间，计量器GAU的主轴移动到设置的值上以指示施加了这个值，如图18所示。由于施加了力矩，所以集合开始旋转。旋转加速直到不再施加负荷。因此，在步骤4，通过放开鼠标按钮或将手指从屏幕上拿开，用户能够释放负荷。
因此，如图19所示，当不再施加负荷时计量器主轴指向“0”，仍然显示消息“设置值”。
在步骤5，通过拖放计量器的标记，用户能够移除设置的值。如图20，继续旋转。下面与基本情况类似。
图21到22示出了在相对于另一部件施加负荷的情况下，动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的实例。
图21是附有动态操纵器DM的汽车方向盘SW的动态模拟。在步骤1，用户在字段REL“相对于”中点击，且在步骤2，如图22所示，选择集合的部件或元件，在该情况下是仪表板DB。
因此，如图23所示，用户能够相对于仪表板DB施加负荷，就好像他坐在车里一样。
为了总结上述内容，根据本发明的一方案的方法包括图24所示的步骤。
在第一步骤S1，该方法向对象的集合提供关于连接集合的对象的运动关节的信息。
随后，在第二步骤S2，该方法提供嵌入到场景中的动态操纵工具DM，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴考虑平移的自由度和旋转的自由度，在第三步骤S3，该方法将所述动态操纵工具DM附到集合的对象上。
因此，在第四步骤S4，该方法选择附到集合的对象上的动态操纵工具DM的自由度，在第五步骤S5，该方法根据所选择的自由度施加负荷，在第六步骤S6，实时计算并实时显示施加所述负荷的动态模拟的结果。
例如，如图25所示，第五步骤S5可以包括第一子步骤S5a，其选择负荷值的范围，以及第二子步骤S5b，其在所述范围内确定负荷值。
此外，第五步骤S5可以包括可选的第三子步骤S5c，其确定施加负荷的参考系，以及可选的第四子步骤S5d，其确定动态操纵工具的三个轴是否与附有动态操纵工具的对象一起旋转。
因此，本发明提供了一种动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的计算机实现的方法和系统，其动态地考虑，换句话说，实时地考虑动力的物理法则，例如重力和负荷(力、力矩)。

Claims (13)

1.一种用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的计算机实现的方法，所述方法包括以下步骤：
-向对象的集合提供(S1)关于连接所述集合的对象的运动关节的信息；
-提供(S2)嵌入到所述场景中的动态操纵工具(DM)，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴允许平移自由度和旋转自由度；
-将所述动态操纵工具(DM)附到(S3)集合的一个对象上；
-选择(S4)附到所述集合的对象上的所述动态操纵工具(DM)的自由度；
-根据所选择的自由度施加(S5)负荷；以及
-实时计算并显示(S6)负荷施加的动态模拟的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据所选择的自由度施加负荷的步骤(S5)包括：
-第一子步骤(S5a)，用于选择负荷值的范围：以及
-第二子步骤(S5b)，用于在所述范围中确定负荷值。
3.根据权利要求1或２所述的方法，其中根据所选择的自由度施加负荷的步骤(S5)包括第三子步骤(S5c)，用于确定其中施加负荷的参考系。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中根据所选择的自由度施加负荷的步骤(S5)包括第四子步骤(S5d)，用于确定所述动态操纵工具(DM)的三个轴是否与附有所述动态操纵工具(DM)的对象一起旋转。
5.根据权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中施加负荷的步骤(S5)是通过执行所述动态操纵工具(DM)的移动来执行的，所述工具的所述移动被转化为负荷值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述转化考虑根据轴的平移移动的速度或者根据轴的旋转移动的加速度或者加速度和速度的结合来驱动旋转和平移。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中利用鼠标按下按钮或手指接触显示屏来执行动态操纵工具(DM)的移动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中利用鼠标或手指的所述移动是在距所述动态操纵工具(DM)一段距离处施加的。
9.根据权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中施加负荷的步骤是通过直接提供负荷的值来执行的。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述负荷是力或力矩。
11.具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令使得计算机系统执行根据权利要求1到10中任意一项所述的用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的方法。
12.一种计算机程序产品，其存储于计算机可读介质中，用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合，包括使得所述系统执行权利要求1到10中任意一项的步骤的代码模块。
13.一种用于动态操纵计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的装置，包括用于实现权利要求1到10中任意一项的方法的步骤的部件。
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