虛擬設計的基本概念

1、第5章 虛擬設計5.1虛擬設計的基本概念科學技術的發(fā)展不斷推動著設計的進步，日新月異的信息技術也深刻影響著設計的變革。信息技術發(fā)展的深度決定著設計師可在多大程度上利用信息技術為設計服務。早期引入計算機技術進行文檔管理、二維圖形處理，把設計師從枯燥無味的事務性工作中解放出來；計算機軟、硬件的升級換代使得設計師能夠使用計算機進行三維建模、渲染表現(xiàn)，人們可以從多個角度對產品進行審視?，F(xiàn)在，信息技術的集成化、智能化發(fā)展使設計發(fā)生了全面、深刻的變化，設計進入了一個新的時代虛擬設計時代。虛擬設計（Virtual Design，簡稱VD）代表了一種全新的制造體系和模式。虛擬設計是以虛擬現(xiàn)實（Virtual

2、Reality，簡稱VR）技術為基礎，以機械產品為對象的設計手段，虛擬地制造產品，在計算機上對虛擬模型進行產品的設計、制造、測試。它是計算機圖形學、人工智能、計算機網絡、信息處理、機械設計與制造等技術綜合發(fā)展的產物。5.1.1虛擬現(xiàn)實虛擬設計的技術基礎為“虛擬現(xiàn)實”?！疤摂M現(xiàn)實”一詞由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代初提出，是指綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示、控制等接口設備，生成可提供沉浸感覺和交互操作的三維環(huán)境技術。虛擬現(xiàn)實是種計算機界面技術，從本質上講，虛擬現(xiàn)實就是種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶及時提供視覺、聽覺、觸覺等各種客觀而又自然的實時

3、感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負擔，提高整個系統(tǒng)的工作效率，體驗比現(xiàn)實世界更加豐富的感受。簡言之，虛擬現(xiàn)實就是人與虛擬世界的交流。人的動作和情緒可以控制虛擬世界中的物體。反之，虛擬世界中的物體也能使人產生真實的感覺，包括視覺、聽覺、觸覺等。虛擬現(xiàn)實經歷了以下發(fā)展歷程：(1) 1965年，在IFIP會議上，有VR“先鋒”之稱的計算機圖形學的創(chuàng)始人Ivan Sutherland作了題為“The Ultimate Display(終極的顯示)”的報告，提出了一項富有挑戰(zhàn)性的計算機圖形學研究課題。他首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，指

4、出人們可以把顯示屏當作一個窗口觀察一個虛擬世界，使觀察者有身臨其境的感覺。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實概念的雛形。至此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。(2) 1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個頭盔式顯示器(HMD)的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管(CRT)，研制出了第一臺頭盔式立體顯示器(HMD)，并發(fā)表了題為“A Head-Mounted 3D Display”的論文，對頭盔式三維顯示裝置的設計要求、構造原理進行了深入

5、的討論，并繪出了這種裝置的設計原型，成為三維立體顯示技術的奠基性成果。(4) 1975年，Myron Krueger提出了“人工現(xiàn)實(Artificial Reality)”的思想，展示了稱之為Video place的“并非存在的概念化環(huán)境”。(5) 20世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術的廣泛關注。(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名的稱之為VIEW的一種“數(shù)據手套(Data Glove)”，這種柔性、輕質的手套裝置可以測量手指關節(jié)的動作、手掌的彎曲以及手指間的分合，

6、從而可編程實現(xiàn)各種“手語”。(7) 1986年，第一套基于HMD數(shù)據手套的VR系統(tǒng)VIEW研制成功。這是世界上第一個較為完整的多用途、多感知的VR系統(tǒng)，它使用了頭盔顯示器、數(shù)據手套、語音識別與跟蹤等技術，并應用于空間技術、科學數(shù)據可視化、遠程操作等領域，被公認為當初VR技術的發(fā)源地。(8) 1990年，在美國達拉斯召開的SIGGRAPH 會議上，對VR技術進行了討論，明確提出了VR技術的主要內容是實時三維圖形生成技術，多傳感交互技術，以及高分辨顯示技術。這為VR技術的發(fā)展確定了研究方向。(9) 20世紀90年代以來，在“需求牽引”和“技術推動”下，VR取得了突飛猛進的發(fā)展，并將技術成果成功地集

7、成于些很有實用前景的應用系統(tǒng)中，如Apple公司的人機接口實驗組(ATG)建立個基于實景的成像環(huán)境，用戶能在其中用Quick Time數(shù)字視頻數(shù)據交互，用虛擬現(xiàn)實技術設計波音777獲得成功，這是引起科技界矚目的一項工作。幾十年來，計算機輔助設計和制造技術取得了重大成功，虛擬現(xiàn)實則提供了一個通向虛擬工程空間的途徑。在虛擬工程空間中，我們可以設計、生產、檢測、組裝和測試各種模擬物體。虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于航天發(fā)動機設計、潛艇設計、建筑設計、工業(yè)概念設計等領域。1997年5月福特公司宣布，其已成為第一個著眼于“地球村”概念，采用計算機虛擬設計裝配工藝的汽車廠商。使用“虛擬工廠”的戰(zhàn)略目標是減少其生產

8、中采用的90的實體模型，這一目標的實現(xiàn)為福特公司每年節(jié)省2億美元。據估計，使用“虛擬工廠”將在推出一輛新車的過程中，至少減少20的因生產原因修改最初設計的事件。美國通用汽車公司利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment)來體驗置于汽車之中的感受，其目標是減少或消除人體模型，縮短開發(fā)周期。而以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的虛擬設計是20世紀90年代發(fā)展起來的一個新的研究領域。所謂虛擬設計就是利用“仿真”與“虛擬現(xiàn)實”技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，在計算機

9、上實現(xiàn)產品制造的本質的設計過程。與傳統(tǒng)的CAD軟件相比，虛擬設計有很大的優(yōu)勢。CAD軟件基本上只起到“電子圖板”的作用，在設計方面功能甚弱。而虛擬設計技術可考慮到受力、變形分析或與其它應用軟件的集成，其輔助設計功能大大增強，更有利于計算機輔助設計制造裝配的集成。5.1.2虛擬設計的特點 虛擬設計具有以下特點。(1) 與真實相對的虛擬化 虛擬設計最主要的特征就是虛擬化。虛擬設計集三維動態(tài)顯示、仿真、實際工況模擬等多媒體技術于一體，設計者感受視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種信息，發(fā)揮其多種潛能，增加設計的成功性。在科技用語中，把一個可能存在的特性理解為虛擬的，即它在一定的條件下可能真實的出現(xiàn)。虛擬設計

10、的各個環(huán)節(jié)都具有虛擬性的特點，它們也具有真實世界中一切有價值的特性。雖然它們的存在某種程度上是虛假的，但人們卻可以真實地感受到它們，以一種雙方都能夠理解的交流方式進行溝通。當設計階段的任務完成以后，這些虛擬的模型可以通過一些設備（如快速成型）轉化為真實的存在。虛擬是相對于真實而存在的，虛擬與真實存在著相互轉化的雙向可能性。(2) 由信息技術所達成的集成化 集成化是虛擬設計的根基所在，沒有技術設備的集成，就不會有虛擬設計的形成基礎，也就確立不了虛擬設計的基本原則。信息技術的發(fā)展把各個斷續(xù)的、形不成聯(lián)系的計算機輔助過程集成為一體化的系統(tǒng)，把以前的單獨的過程作為整體中的子系統(tǒng)，在各個子系統(tǒng)形成可以共

11、享的信息流。這些信息適應不同子系統(tǒng)的數(shù)據標準（或可以方便的轉換），流通中的信息內容也是一致的。這樣一來，各個子系統(tǒng)之間互為支撐，它們獲得其它子系統(tǒng)的信息時，不會由于標準的差異遭到拒絕，也不用費時費力地對獲得的信息進行復查。子系統(tǒng)間經常不斷的進行信息交流，也不斷更新、豐富著整個系統(tǒng)的信息庫。這不僅對于虛擬設計有重要意義，也是虛擬設計與虛擬產品開發(fā)其它階段進行交流的依據。集成化從技術上保證了虛擬設計的內外信息交流，有利于設計師不斷地調整自己的航向。(3) 人機交互的動態(tài)化 虛擬設計是一個動態(tài)思維、操作的過程。運用多種交互手段(數(shù)據手套、聲音、命令等)支持更多的設計行為(建模、仿真、預測、評估等)，

12、設計師可以對虛擬模型進行修改，虛擬模型也會馬上做出相應的反應，設計師能夠時刻看到自己修改的結果。這種人機互動的過程有利于設計師充分表達自己的想法成熟的或者不成熟的，虛擬模型也因此而更加細致。使用計算機建?？梢苑奖愕匕烟摂M攝像機擺在任何位置，既可以在人們慣常的視平線上，也可以是真實世界中達不到的位置。從這些視點上，人們可以看到習以為常的場景效果，也會看到難以想象的畫面。多媒體技術的發(fā)展使人們觀察模型從靜態(tài)轉向動態(tài)，可以觀看流暢的模型動畫，而且多媒體技術還可以刺激人的其它感官系統(tǒng)。人們不僅僅是對模型本身的賞析，深入了解設計的創(chuàng)意，甚至還是對設計過程、生產過程的享受。(4) 信息互動的數(shù)字化 虛擬設

13、計的信息都是以數(shù)字信息方式存儲的，數(shù)字化是虛擬設計形成信息流的關鍵。以數(shù)字化為基礎的虛擬設計數(shù)據具有相關性，每個子系統(tǒng)對數(shù)據的修改，馬上就會影響到整個虛擬設計過程，過程中每個與此有關的數(shù)據都會做出相應的反應。這種數(shù)據間的關聯(lián)性，可以使設計師很快知道自己的修改會對全局造成什么樣的影響。這與以前完全不同，那時還要把圖形重新描過，而且還不能保證相關的數(shù)據都因此發(fā)生了正確的變化。數(shù)字化的另一個好處是可以方便地存儲、調用，用不大的空間就可以記錄下設計過程的整個歷史。有了歷史記錄，就有了積累，這使得設計可以在以往經驗的基礎上，根據設計過程的歷史，做出符合要求的調整，如Pro/E中Model Tree 。良

14、好的可修改性，保證了設計和開發(fā)產品的效率。虛擬技術提供的可視化，不只是一般幾何型體的空間顯示，而且也可對噪聲、溫變、力變、磨損、振動等予以可視化，還可以把人的創(chuàng)新思維表達為可視化的虛擬實體，促進人的創(chuàng)造靈感進一步升華。因此，在虛擬狀態(tài)下，可以對產品生命周期的全過程(設計、加工制造、裝配、性能分析、使用及回收等各個環(huán)節(jié))進行可視化跟蹤描述，更加強調在物料未形成物理模型，即產品加工之前，產品設計的高度可行性和可靠性，使在投入資金比例大的制造等后續(xù)階段的產品開發(fā)風險降到最低限度?？巳R斯勒汽車公司為迅速推出新產品，應用了虛擬原型技術。該公司的工程師應用虛擬環(huán)境實施一個名為克萊斯勒數(shù)據可視化(CDV)的

15、項目。通過這個項目的實施，工程師可以檢查Catia軟件所建模型的干涉情況，當找到零件發(fā)生互相干涉的地方，工程師可圈出該部位，并加上批注，便于修改設計。其在98型汽車設計過程中，借助虛擬原型發(fā)現(xiàn)了1500多處零部件干涉，并在制作第一個物理原型之前就進行了改正，避免了幾百萬美元的損失。目前，虛擬設計對傳統(tǒng)設計方法的革命性影響已經逐漸顯現(xiàn)出來。由于虛擬設計系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量，也不生產實際產品，而是產品的設計、開發(fā)與加工過程在計算機上的實現(xiàn)，即完成產品的數(shù)字化過程。與傳統(tǒng)的設計和制造相比較，虛擬設計具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，具體的優(yōu)點如下：1)虛擬設計繼承了虛擬現(xiàn)實技術的所有特點

16、；2)虛擬設計繼承了傳統(tǒng)CAD設計的優(yōu)點，便于利用原有成果；3)具有仿真技術的可視化特點，便于改進和修正原有設計；4)支持協(xié)同工作和異地設計，利于實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，從而縮短產品開發(fā)周期；5)便于利用和補充各種先進技術，保持技術上的領先優(yōu)勢。5.1.3虛擬設計的發(fā)展趨勢 (1) 全新的VRCAD系統(tǒng) 高交互、沉浸式、三維設計環(huán)境，可以進行諸如虛擬曲面造型，在三維空間中拖動曲面的控制頂點；虛擬雕塑造型，“虛擬手”修改、操縱三維物體的表面幾何形狀；虛擬實體造型(概念設計)，三維感知、三維操作和快速草繪三維形狀。 (2) 協(xié)同式虛擬設計 沉浸式(有利于真實現(xiàn)場感)與半沉浸式(有利于用戶間交流)協(xié)

17、同虛擬設計，有利于優(yōu)化設計。 知識經濟時代為我們革新設計思想和設計手段提供了契機，我們必須充分利用現(xiàn)代的、高科技的創(chuàng)新設計手段和技術來改造傳統(tǒng)的產品設計方法，提高設計效率和設計質量，開發(fā)出更多具有市場競爭能力的、擁有自主知識產權的產品。虛擬設計技術不僅在科技界，而且在企業(yè)界引起了廣泛關注，成為研究的熱點。5.2 虛擬設計的關鍵技術 虛擬設計的關鍵技術包括以下內容： (1) 全息產品的建模理論與方法。(2) 基于知識的設計 包括設計知識的獲取、表達與應用：設計信息和知識的合理流向、轉換與控制；設計知識的融合、管理與共享；從設計過程數(shù)據中挖掘設計知識。 (3) 設計過程的規(guī)劃、集成與優(yōu)化 包括設計

18、活動的預規(guī)劃和實時動態(tài)規(guī)劃、設計活動的并行運作以及設計過程的沖突管理與協(xié)商處理。(4) 虛擬環(huán)境中的人機互動工程學。(5) 虛擬環(huán)境與設計過程的相互聯(lián)系。 (6) 產生虛擬環(huán)境的工具集 包括一般所需要的軟件支撐系統(tǒng)以及能夠接受各種高性能傳感器信息，能生成立體的顯示圖形，能調用和互連各種數(shù)據庫和CAD軟件的各種系統(tǒng)。 5.2.1建模技術(1) 幾何建模幾何建模在廣義上包括在計算機上處理幾何對象的所有方法。幾何建模的基礎匯集了多門學科，如拓撲學、解析幾何學、微分幾何學、投影幾何學、數(shù)字數(shù)學法、集合論和矩陣代數(shù)學等，從而形成理論和應用信息科學專業(yè)領域，如軟件工程、數(shù)據結構和圖論等。各種領域的這種組合

19、構成幾何建模的基礎。 (a)線框建模 (b)表面建模 (c)實體建模圖5-1 三維建模三維幾何體的基本元素是點、線、面和體。如圖5-1所示，根據基本構型的復雜程度不同，可將幾何模型分為線框模型、表面模型和實體模型三種形式。1)線框模型 線框模型是表面模型與實體模型的基礎，通過點元素和棱邊元素定義并按層次排列成體邊點關系，用物體的棱邊或輪廓線(曲線、直線、圓弧)描述零件或產品的形狀特征。識別一個物體，是以其棱邊的組合結構表示的。頂點與棱邊一經確定，物體就被唯一地確定。線框模型僅能描述物體的框架結構，而沒有面的信息，故不能進行隱藏線面的消除，不能顯示物體的真實圖像。2)表面模型 用一組表面表示物體

20、的外形，將棱邊有序連接而構成實體的表面結構。表面模型由于增加了面與棱邊的關系，所以在數(shù)據結構上比線框模型復雜，表面模型所定義的表面實際上完全定義了物體的邊界，但是物體的實心部分在邊界表面的哪一側是不明顯的。表面模型比線框模型增加了更多的幾何信息，可以實現(xiàn)圖形的消隱，產生色調圖，計算表面積以及數(shù)控加工軌跡。但表面模型沒有體的信息，因此，表面模型難以保證被描述實體的拓撲致性，不能完整描述產品的幾何特征和物理特征。表面模型可以主要由表面特征確定，是曲面也可以是平面。對于曲面是自由曲面的情況，表面模型就理解為曲面模型。曲面模型在數(shù)學表示上有一套完整的理論和方法。曲面模型強調表面的性質，如光滑性、連續(xù)性

21、、凸凹性。這里，表面模型主要是指曲面模型。圖5-2說明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基礎上可以構造復雜的、具有美觀性的表面。除了用交互的方式生成自由表面以外，大多數(shù)三維表面建模系統(tǒng)都提供了生成標準表面的可能性，如平面、柱面、錐面、球面和環(huán)面。視系統(tǒng)的不同，這些表面可以利用解析法，或者插補法，亦或是逼近法來計算。表面模型的最大缺點在于表面無法自動形成一個實體，無法區(qū)別面的哪一側是體內還是體外。在設計時，設計者必須自己注意生成一個無縫隙的封閉的模型，其截面也不能被系統(tǒng)識別，原因是表面模型只給出了外形特征而缺乏實體信息。3)實體模型 用基本體素構造物體，是表達和處理三維物體的一種完整表達模型。

22、雖然控制點曲 線兩條曲線曲線和點 輸入的數(shù)據曲 面導曲線構成曲面規(guī)則曲面帶點的規(guī)則曲面結 果圖5-2 自由曲面建模方法實體模型表示仍以表面模型的表面作為邊界，但從物體本身的意義講，物體是實心的。它的內部在表面的哪一側是確定的，由表面圍成的區(qū)域內部為物體的空間區(qū)域。在數(shù)據結構上實體模型要比表面模型復雜，它將表面模型的表面定義成有向面，從而定義體在面的哪一側。實體模型完整描述了物體的幾何信息和拓撲信息。一個有效實體具有如下的性質：剛件，即形狀與位置及方向無；有限性，即占有限空間；封閉性，即集合運算與剛體運動不改變其有效實體的性質；邊界確定性；維數(shù)致性，即沒有懸面和懸邊?？梢娺@些模型的區(qū)別在于建?；?/p>

23、本元素和基本數(shù)據的維數(shù)以及在于隱式或顯式描述拓撲關系的程度。建模幾何基本元素的維數(shù)是應當區(qū)別于物體的維數(shù)和包圍空間的維數(shù)的，它是根據模型形式區(qū)別的。不同的幾何模型對應著不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法適合自由曲面類表面的處理，在曲面的數(shù)控加工中有著廣泛的應用。實體模型的造型方法則更適合于規(guī)則物體的處理。對于造型方法來說，主要是將各種模型的表示轉換成計算機能夠處理的形式，同時加入輸入及輸出功能，以配合造型所需的數(shù)據信息的處理。(2) 實體建模實體指的是在空間具有有限體積的物體，它既具有幾何特性，如面積、形狀和中心等，又有物理特性，如質量、重心等。實體模型一般可以表示實體的幾何和物理特性，采

24、用這種模型，可以得到如NC編程、有限元分析、虛擬裝配等工程應用所需要的各種信息。三維實體建模也稱體素建模，主要研究如何方便地定義簡單的幾何形體(即體素)，以及如何經過適當?shù)牟紶柤线\算構造出所需的復雜形體，并在圖形設備上輸出的方法。其核心問題是采用什么方法來表示實體，應用較為廣泛的方法有構造實體幾何法(CSG)、邊界表示法(B-rep)、掃描法。1)構造實體幾何法(CSG) 將簡單的實體(又稱為基本體素)進行一定的集合運算構成所需設計的復雜物體。這些體素可以是形狀簡單的規(guī)則物體(如長方體、圓柱體等)，也可以是由半空間構成的，如正方體是由半空間x0，x1；y0，y1；z0，z1經集合運算構成。利

25、用這種方法實現(xiàn)實體建模的過程就是集合運算過程，這一過程可以形象地用一棵二叉樹CSG樹表示，CSG樹定義了物體的構成體素和構造方式，如圖5-3所示。樹中的非終端結點表示操作，如移動，正則化交、并、差運算；樹的葉結點表示參與運算的基本體素；樹的根結點表示集合運算的最終結果。CSG樹表示法本身就是用來說明實體的構造過程，記錄實體中所含體素的全部定義參數(shù)，必要時還可以（a）構造方式 （b）實體 圖5-3 CSG操作生成實體附加實體和體素的各種屬性及特征的描述，但不反映物體的面、邊、頂點等有關信息。圖5-4 邊界顯示物體的層次結構BodyFaceShellLoopEdgeVertexSurfaceCur

26、vePoint2)邊界表示法(B-rep) 如圖5-4所示，邊界表示法通過描述物體的表面邊界來表示一個物體。一個物體的邊界把物體分成物體的內部和外部，同時邊界也構成了物體與周圍環(huán)境之間的界面。邊界表示包含了兩類主要信息，一是幾何信息物體幾何元素的尺寸數(shù)據，它描述物體的大小、位置、形狀等；二是拓撲信息幾何元素之間的連接關系，構成物體的“骨架”。物體的邊界一旦定義，就唯一地定義了該物體。邊界表示法的數(shù)據結構是一個層次結構，以體面邊點的拓撲連接確定物體的形狀。B-rep描述法強調實體的外表細節(jié)，詳細記錄構成實體的幾何信息與拓撲信息，可以直接取得實體的各個組成面、面的邊界以及各個頂點的定義數(shù)據，有利于

27、邊和面的運算與操作。但是，其數(shù)據量大，數(shù)據關系復雜，對幾何特性的整體描述能力弱，不能反映實體的構造過程和特點，也不能記錄實體組成元素的原始特性。3)掃描表示法 將一個點、一段直線或曲線、一個平面沿空間一定路徑運動而生成一個二維或三維形體。這種方法被認為是對某方向具有固定形狀剖面的產品進行建模的實用而有效的方法。掃描法有兩種基本的類型：旋轉掃描法和平移掃描法。如圖5-5 所示，將圖（a）沿z軸正方向掃描，生成圖（b），將（a）繞x-x軸旋轉360°，生成圖（c）。與線框建模、曲面建模等幾種建模技術相比，實體建模的突出優(yōu)點是計算機內真正存儲了物體的三維幾何與拓撲信息，這使物體體積、面積、

28、重心、慣性矩等的自動計算，隱藏線、隱藏面的消除，有限元x'x圖5-5 掃描生成實體（a）（b） （c）網格自動劃分，物體截切及碰撞干涉檢查，CADCAM初步集成，動畫模擬，真實感圖形顯示等成為可能，從而使這一技術在CADCAM模擬仿真、醫(yī)學、廣告、計算機藝術等領域獲得了廣泛的應用。(3) 參數(shù)建模 除去前面所描述的顯式幾何建模外，對于許多設計任務要有目的地采用參數(shù)化建模。虛擬設計中最主要的任務在于設計要適應新的要求。對現(xiàn)代設計系統(tǒng)的一個主要要求在于輔助變量設計和已有設計的可再使用性。用構造復雜的模型輔助設計部件，為此部件必須要具有合適的描述形式，允許以各種表達方式進行設計。 參數(shù)化建模

29、或參數(shù)化設計是虛擬設計的一個發(fā)展方向，它可以達到滿足上述要求的目的，消除傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的一系列缺陷。1)參數(shù)化設計(Parametric Design) 在生產設計中，設計人員經常遇到這樣的情況，許多零件（如標準零件)的形狀具有相似性，僅尺寸的大小不同，或者一個新產品的設計是在一個原有產品的基礎上做些小的改動，希望修改后馬上產生新的模型。這樣的要求在傳統(tǒng)的幾何模型基礎上難以實現(xiàn)，一般只能重新建模。也就是說，傳統(tǒng)的建模方法(線框建模、曲面建模、實體建模)只能建立固定的設計模型，不能夠滿足設計自動化的要求，模型一旦建立，修改時則需更新建模，設計效率低。 參數(shù)化設計是以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺寸間

30、的約束關系，建立相應的推理和求解驅動機制，把實體模型和曲面模型歸于統(tǒng)一的系統(tǒng)，實施模型變換，并力圖形成統(tǒng)一的數(shù)據，以使幾何造型、工藝規(guī)劃生成參數(shù)化，使尺寸變化與工藝規(guī)程的改變、零件裝配信息的改變、加工編程的改變實現(xiàn)自動或部分自動化。 參數(shù)化設計可直接面向工程應用，當模型修改或變形時，設計者可以分析修改某些數(shù)值的參數(shù)(如長度、角度)的值，得到相應的幾何模型，并保持原有模型中相互的約束關系不變，從而實現(xiàn)動態(tài)修改產品幾何模型的需要。2)參數(shù)化設計的實現(xiàn) 要實現(xiàn)參數(shù)化設計，必須先建立零件的參數(shù)化模型。所謂參數(shù)化模型，就是標有參數(shù)名的零件草圖，由用戶輸人，并在屏幕上顯示出來。一般情況下，模型的結構（即拓

31、撲信息）是不變的，各個參數(shù)值是可變的，通過改變參數(shù)可再生成同一結構不同尺寸的新模型。在某些情況下，拓撲結構也可改變。 目前較為成熟的參數(shù)化設計方法是基于約束的尺寸驅動方法和基于特征的參數(shù)化建模方法?；诩s束的尺寸驅動方法的基本原理是：對初始圖形施加一定的約束(以尺寸進行約束或實體關系進行約束)，模型但建好后，尺寸的修改立即會自動轉變?yōu)槟Ｐ偷男薷?，即尺寸驅動模?Dimension Driven Geometry)。如一個長方體，對其長L、寬W、高H賦予一定的尺寸，它的大小就確定了。當改變L、W、H的值時，長方體的大小隨之改變。這里，不但包含了尺寸的約束，而且包含了隱含的幾何關系的約束，如相對的

32、兩個面互相平行，矩形的鄰邊互相垂直等。 基于約束的尺寸驅動是將幾何模型中的一些基本圖素進行約束，當尺寸變化時，必須仍滿足其約束條件，從而達到新的平衡。 約束一般分為兩類：一類為尺寸約束，包括線性尺寸、角度尺寸等一般尺寸標注中的尺寸約束，也稱顯式約束；另類稱為幾何約束，它包括水平約束、垂直約束、平行約束、相切約束等，這類約束稱為隱式約束。圖5-6表示了約束的幾種類型。約束時可能存在過約束與欠約束問題。過約束是指對一個圖形的幾何形狀及關系設定了過多的約束，而欠約束則是約束未給夠，這些都可能導致求解時出現(xiàn)錯誤。 LLD（a）（b）（d）（e）（f）（g）A垂直線水平線垂直平行相切角度同心圖5-6 約

33、束的幾種類型（c）常用的基于約束的尺寸驅動方法有三種：1)變動幾何法(Variation Geometry) 是基于幾何約束的數(shù)學方法，是較早使用的參數(shù)化建模方法。它將給定的幾何約束轉化為一系列以特征點為變元的非線性方程組，通過數(shù)值方法求解非線性方程組確定幾何細節(jié)。2)幾何推理法(Geometric Reasoning) 是根據幾何模型的幾何特征，和各約束之間的相互關系，對給定的一組約束采用匹配方法，將約束條件與規(guī)則庫中的推理規(guī)則進行匹配，逐步得到幾何模型的一種方法。3)參數(shù)驅動法 是一種基于對圖形數(shù)據庫的操作和對幾何約束處理。使用驅動樹來分析幾何約束，對圖形進行編程處理的方法。 首先將復雜的

34、物體逐步分解為相對簡單的幾何體素，然后對圖形數(shù)據庫進行操作，再通過圖形之間的約束對生成的簡單幾何體素進行處理，得到所需的幾何模型。這種方法不涉及復雜的方程組的求解問題，簡單易用，能夠很好地處理相對復雜物體的三維建模問題。在參數(shù)概念設計基礎上，大部分創(chuàng)造性的面向概念設計的設計工作都可以采用計算機輔助的方法來完成。由此，概念設計的多樣性和靈活性也會有極大的提高。(4) 特征建模為了提高建模的效率，一種新的建模方法被研制出來。這種方法既可以減少輸入的費用，又可以增加幾何設計的多樣性。與此同時，在制訂設計方案時設計者的創(chuàng)造性思維有了更廣闊的空間。這種新的建模方法就是特征建模法。 特征建模(Featur

35、ebased Modeling)是將一門新技術特征(Feature)技術引入到產品設計中，用更高層次的具有工程意義的特征體素來描述零件的種建模方法。特征建模從工程的角度講是對形體的組成及整體信息完整表達，使所描述的信息更具工程含義，而且面向加工。建模時以特征為操作對象，工藝設計時以特征為基本單位，加工時以特征為基礎。1)特征的含義 特征是具有工程含義的幾何實體，為了表達產品的完整信息而提出的一個概念。特征是對諸如零件形狀、工藝和功能等與零件描述相關的信息集的綜合描述，是反映零件特點的可按一定的規(guī)則分類的產品描述信息。特征是產品信息的集合，不僅具有按一定拓撲關系組成的特定形狀，而且反映特定的工程

36、語義，所以兼有形狀和功能兩種屬性。從其名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、創(chuàng)造技術、公差要求，適宜在設計、分析和制造中使用。特征的分類方法有很多，主要有按產品定義數(shù)據的性質分類，按幾何形狀分類，按功能分類，按制造方法分類等。各方面的信息有機地結合在一起，構成了基于特征的零件信息模型，如圖5-7所示。零件形狀特征精度特征管理特征性能分析特征材料特征裝配特征屬性1屬性n屬性1屬性n幾何元素幾何級圖5-7 基于特征的零件信息模型級零件級屬性級特征級2)基于特征的模型生成方法 基于特征的建模方法中對于特征的描述是關鍵，特征描述應該包含幾何形狀的表示和相關的處理機制以及特

37、征高層語義信息。目前主要探討機構形狀特征，其常用描述方法主要有基于B-rep的方法、基于CSG的方法、基于混合CSG/B-rep的方法等三種方法。其中混合CSG/B-rep的方法是設計系統(tǒng)中表示特征的較好方法，這是因為它同時兼有CSG模型及B-rep模型的優(yōu)點，CSG模型易于對高層元素操作，B-rep模型易于與低層元素(點、線、面)附加尺寸、公差和其它屬性。基于特征的模型生成方式主要有以下三種：特征定義特征模型幾何模型設計員工作計劃員圖5-8 交互式特征定義幾何建模器1)交互式特征定義(Interactive Feature Definition) 如圖5-8 所示，交互式特征定義總是在一個以

38、定義的幾何模型的基礎上實現(xiàn)的，以人機交互的方式輔助識別特征，這種方式首先建立產品的幾何模型，然后由用戶直接通過圖形來提取定義特征所需的幾何要素，輸入工藝信息，建立零件或產品描述的數(shù)據結構。交互式特征定義的原理利用B-rep數(shù)據結構可以很好地實現(xiàn)，但是效率低，且?guī)缀涡畔⑴c非幾何信息是分離的，產品的數(shù)據難以實現(xiàn)共享。利用這種方法其結果取決于用戶的正確選擇，如果選擇了錯誤的元素或選擇的元素數(shù)量不恰當，就不可能對元素進行定義，必須重新進行選擇。因此，使用人員必須掌握系統(tǒng)和現(xiàn)行的匹配模型方面的精確知識。特征識別實體模型實體建模器特征分選特征圖5-9 自動特征識別2)自動的特征識別(Feature Rec

39、ognition) 在建立幾何模型后，通過啟動專門的程序，利用實體建模信息，自動地處理幾何數(shù)據庫，識別特征，搜索并提取特征信息，產生特征模型，如圖5-9所示。特征識別方法主要有匹配、邊面延伸、體分解以及CSG識別等。這種方式應用面廣，但識別能力有限，且提取特征信息很困難，應用的零件范圍狹小。特征識別通常只對簡單形狀有效，難以處理復雜情況，處理結果也未必與原意圖相符，有很大的局限性。自動的特征識別是通過利用一個幾何建模器自動的生成加工計劃的第一步。與在銑削加工時直接從建模器數(shù)據結構求得工件的合適區(qū)域的加工區(qū)識別方法不同，特征識別的任務是尋找一個幾何模型的范圍，這個范圍應與先前定義的一般特征相符合

40、?？傊?，存在一個成熟的構件模型是先決條件，一個特征識別系統(tǒng)的任務主要有以下幾方面：按照與預定義模型的拓撲/幾何一致性原則搜尋數(shù)據結構；從數(shù)據結構中分離和抽取已被識別的特征；求得特征參數(shù)(例如孔徑和槽深)；完備幾何特征模型；把簡單的幾何特征組合成高價值的特征。特征識別還有一系列其它的問題，比如在難以區(qū)別特征的語義方面；還有，用于完整識別在其中所含有特征的幾何模型必須由預定義的特征組成。特征識別在應用復雜的、用戶定義的特征時會引起問題。特征識別的優(yōu)點在于在不同的應用領域之間轉換時其原理上具有多面性。只要建模器數(shù)據本身的交換能夠得到保證，特征識別可以使得隨后的應用與模型生成的類型無關，并因此也與所應

41、用的設計系統(tǒng)無關。特征造型器幾何造型器特征模型幾何模型應用系統(tǒng)圖5-10 基于特征的設計表示圖用戶3)基于特征的設計(Design by Feature) 如圖5-10所示，利用特征進行零件設計，預先將大量的標準特征或用戶自定義的特征存儲進特征庫，在設計階段就調出特征庫中的特征，將之作為基本建模單元進行建模，再逐步輸入幾何信息、工藝信息建立起零件的特征數(shù)據模型，并將其存入數(shù)據庫。由于這種方法適用范圍廣，易于實現(xiàn)數(shù)據共享，因此，得到了廣泛的應用。在基于特征的設計過程中，特征已經融通在設計過程中，因此，在特征中含有的幾何的、拓撲的和語義的信息保持在產品模型中。由此，盡管在后續(xù)安排的加工和過程計劃系

42、統(tǒng)中仍需進行特征識別，卻不需唯一地通過建模器內部的數(shù)據結構實現(xiàn)，而是可以在特征數(shù)據庫中實施。只要數(shù)據庫保證必要的一致性，通過特征的支持幫助，設計人員可以得到遠比在一種簡單的幾何和拓撲確定時更多的建模自由空間?；谔卣鞯脑O計更多的是通過設計模型的一致性來支持設計人員，通過與特征聯(lián)系的語義可以確定信息、文件功能的關系并存儲在計算機內部，并可以在進一步的處理系統(tǒng)中得到利用，使設計人員有更多的使用空間及給出嚴格的格式化工作方式。采用特征時的一個關系重大的問題是在每種情況下的特征干擾問題，它可能產生不合適數(shù)據結構的后果，導致模型的不致性。這個問題一般可以通過對相應規(guī)范和強制條件的動態(tài)審查來避免。如果違反

43、了建模時的規(guī)范，就會產生一個與相應的問題處理有關聯(lián)的通告，把強制性條件直接分配給特征，這樣就可以對每項措施進行檢驗。然而，執(zhí)行這樣的算法和設計所必需的規(guī)范是困難的，至今尚沒有完整實現(xiàn)上述功能的商用系統(tǒng)，這是在產品和過程建模模型系統(tǒng)方面需要加強研究的課題。 (5) 基于特征的參數(shù)化建模 基于特征的參數(shù)化建模是將特征造型技術與參數(shù)化技術有機地結合起來，實現(xiàn)對多種設計方式(自頂向下或自底而上等)和設計形式(初始設計、相似設計和變異設計等)的支持的一種建模方法?；谔卣鞯膮?shù)化建模主要過程如下： 1)基于約束的特征描述；2)特征結構圖元參數(shù)化建模；3)特征之間的約束建模?；谔卣鞯膮?shù)化設計過程中，最

44、主要的是基于約束的特征描述，主要包括以下內容： 1)將產品描述為幾何形狀特征的集合；2)將形狀特征分解為具有一定幾何體素的特征結構圖元，結構圖元一般可以是由線段、圓、圓弧、樣條曲線等組成的特征框模型；3)根據幾何體素及位置關系進行分析結構圖元的幾何構成及其位置。在CAD參數(shù)化設計系統(tǒng)中，產品的主特征和輔助特征均要實現(xiàn)參數(shù)化，特征結構圖元參數(shù)化一般為個主特征和部分輔助特征參數(shù)化。參數(shù)化定義過程可以描述如下：1)首先選擇并創(chuàng)建結構特征的幾何體素，使用參數(shù)完整表達幾何形狀的結構模型；2)指定足夠的測量實體，如組成實體的點、線、圓弧、倒角等測量基準；3)建立定形尺寸，即各個標注的尺寸單元；4)建立定位

45、尺寸，以定位點為基準，確定各個特征點的對應位置；5)確定尺寸約束和位置約束，建立約束方程，并對約束方程進行求解。針對某一類產品的部分輔助特征還應單獨定義，如軸類零件，其中的鍵槽、中心孔就應作為輔助特征單獨定義，以滿足特殊主特征的需要。輔助特征實現(xiàn)參數(shù)化主要是將輔助特征用計算方程和邏輯方程表達，參數(shù)可以是邏輯謂詞或計算關系式的變量。在設計過程中，特征之間的約束建模主要包括下列三個方面：1)針對不同類型的產品，建立產品的形狀特征分解簡圖；2)分析構成此類產品的各個特征之間的拓撲結構關系，并用二叉樹表示特征模型之間的拓撲結構關系；3)分析構成此類產品的各個特征之間的約束關系，顯式地指定以完全滿足產品

46、建模所需確定的約束，這些約束主要是特征的空間位置關系、公差、裝配結構等幾何約束。(6) 環(huán)境建模虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)人機交互的交互環(huán)境。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建包括實景虛化與虛景實化兩個方面。實景虛化是將現(xiàn)實世界的多維感知信息映射到計算機的數(shù)字空間生成相應的虛擬世界，主要包括虛擬景物模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤等關鍵技術，這些技術使得真實感虛擬環(huán)境生成、虛擬環(huán)境對用戶實時交互信息的檢測與獲取成為可能；虛景實化是通過各種高性能計算和仿真技術使計算機生成的虛擬環(huán)境中的景物或客體能夠產生各種逼真的感官刺激，并以盡可能自然的方式反饋給用戶，主要包括具有真實感的視覺感知、聽覺感知

47、、力覺和觸覺感知等技術，例如HMD、立體眼鏡、大屏幕投影等立體顯示技術，三維立體聲音技術，力反饋手套、力反饋操縱桿等。當前的虛擬環(huán)境建模方法一般分為以下三類：1)基于幾何造型(Geometry-based VE) 基于幾何造型方法通常利用造型軟件(如3DSMAX、AutoCAD等)手工搭建模型；或者通過對三維物體表面直接測量，獲得離散的三維數(shù)據，然后將這些三維數(shù)據進行三角剖分，得到景物的多邊形描述。虛擬環(huán)境由各類三維幾何體合成，在虛擬環(huán)境中漫游是根據觀察點及其觀察方向通過實時計算、實時繪制三維幾何體來實現(xiàn)的。2)基于圖像繪制(Image-based VE) 基于圖像繪制方法利用全景圖集合來構建

48、虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中漫游相當于選擇不同的全景圖。全景圖可用計算機生成，也可用全景相機拍攝或用普通相機拍攝后再加以鑲嵌。這種方法制作簡單，場景逼真自然，能實時地顯示構建的環(huán)境。3)基于幾何造型和圖像繪制的混合方法(Hybrid VE) 這種方法通過組合上述兩種建模方法的優(yōu)點而開發(fā)出更為優(yōu)化的虛擬環(huán)境?；旌戏椒ɡ没趫D像繪制的虛擬環(huán)境建模的快速、低價、方便的優(yōu)點，營造主體場景，在此基礎上能融合計算機繪制的幾何三維模型，實現(xiàn)互動式交互。5.2.2基于知識的虛擬設計虛擬設計必須是根據產品與零件的功能、強度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞和動平衡等的設計，決定產品零部件的結構、造型和尺寸，即基于知識的虛擬設計。

49、反之，只有基于知識的虛擬設計才能符合真實制造的要求，能更深入地發(fā)展虛擬設計技術，使虛擬制造各階段的數(shù)據相互關聯(lián)、繼承、可重用和共享。為此，必須建立合適的設計系統(tǒng)模型?；谥R的虛擬設計過程中要用到各種標準和準則，設計時要用到各種材料參數(shù)、圖表集等制作成基礎數(shù)據庫，以便設計時進行調用。每個零件的模型實際上是一個小的專家系統(tǒng)，根據不同零件設計要求，其結果是形成反映零件的尺寸、特征、形狀、功能、行為、意圖等屬性的數(shù)據，其特征包括方位特征、形狀特征、精度特征和技術管理特征等。圖5-11為元模型的結構。(1) 元模型及基于知識的元模型建模1)元模型的結構 產品設計的元模型為系統(tǒng)的基礎層，對應機械零件的模

50、型。區(qū)別于一般CAD的直接幾何造型方法，元模型的建模是先采用人工設計零件時的標準化設計方法，應用理論計算、經驗公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實驗推理等知識，對零件進行強度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動平衡等設計，從而確定零件的材料、幾何形狀特征和尺寸數(shù)據，然后用計算出的數(shù)據選擇合適的計算機坐標，利用圖形學的不同算法，如多邊形的頂點法、各種曲面曲線的樣條法、OpenGL函數(shù)庫法等形成零件的幾何造型，并加適當?shù)墓庹?，使實際尺寸與計算機坐標尺寸有一個映射，再根據材料參數(shù)進行表面紋理映射和渲染，從而得到零件在計算機上的元模型。元模型零件N強度設計規(guī)則庫標準庫材料參數(shù)剛度設計疲勞設計剛度設計疲勞

51、設計零件2強度設計規(guī)則庫標準庫材料參數(shù)剛度設計疲勞設計剛度設計疲勞設計零件1圖5-11元模型的結構2)元模型的建模 一個基于知識的元模型的建?？捎蓙砻枋觯渲?，為零件類的名稱符號集合，例如可設齒輪類為集合，軸類為集合等，表示零件子類集合；是受力分析，其結果是得到所設計零件的載荷，；為輸入集，是設計過程中所需的常數(shù)，如標準參數(shù)、經驗參數(shù)、材料參數(shù)、工作環(huán)境等數(shù)據和圖表參數(shù)等；為設計種類的集合，這里是某種設計，可以為空，即有些零件的設計不是每種設計都要求的，但不全為空，例如假定為強度設計，為剛度設計，為疲勞設計等，可表示為，又是某種設計的不同公式或不同對應規(guī)律。通過個設計，可求出某零件的一組特征、

52、形狀、尺寸、功能、行為、意圖等參數(shù)；是元模型，即，為元模型的各種屬性，由一些幾何物理特征參數(shù)、材質、光照等來描述；為狀態(tài)轉移函數(shù)，也就是一個映射。(2) 機構模型及建模方法1)機構模型的結構 機構模型的結構見圖5-12。對于機構的虛擬設計，要將現(xiàn)有的實際機構分類分級，不同機構可能有不同的類、級、層，然后由零件構造機構，又由子機構構造父機構，在此基礎上構造機構模型的結構。機構模型呈樹形，元模型作為葉節(jié)點，機構模型要調用零件元模型的數(shù)據，父機構要用到子機構模型的數(shù)據，再上層的爺節(jié)點調用父節(jié)點的數(shù)據，依此類推，一直到一個獨立的部件或產品的獨立部分為止，而且各層機構模型中要有一個機構專家系統(tǒng)模塊，以便

53、對各層機構的組成、功能及機理進行映射。這樣分解機構模型，即可使機構機理清晰，又能降低建模難度。2)機構模型的建模方法 產品設計通常是多人在計算機網絡上同時進行的，為此，機構模型可采用元模型子機構模型1元模型元模型父機構模型1元模型子機構模型N元模型元模型機構組成專家系統(tǒng)N層父機構模型n機構部件模型圖5-12機構模型的樹形結構圖Agent系統(tǒng)的方法建模，每一個機構可以成為一個Agent，一個大的Agent包含多個小的Agent。多Agent系統(tǒng)正好滿足機構模型中的多個子機構組成一個父機構的模式，不同粒度的Agent恰好能表明機構的不同層次。在設計時，不同設計人員可分別基于Internet/Int

54、ranet作為同一或不同Agent同時進行機構設計，從而形成多Agent系統(tǒng)。機構虛擬設計的基本Agent結構由感知器、效應器、任務求解、角色分工列表和通信管理模塊組成，見圖5-13。角色列表任務求解感知器效應器通信管理圖5-13機構模型的基本Agent結構 感知器是Agent接受外部世界信息的感覺通道，可以感知其它Agent已成功設計的機構對本機構設計的影響。通信管理模塊實際上是一個通信控制器，負責與其它Agent進行交互的機制或協(xié)議，還可調用外部元模型庫中的元模型，它包括用來具體控制消息傳遞的消息門和對消息內容進行的解釋器。角色列表是本Agent在系統(tǒng)中所承擔的任務列表，并將任務定義成可求

55、解的具體問題。任務求解模塊是Agent的基于知識的設計核心部分，將從任務列表模塊中傳來的問題分別或同時指定給推理引擎和核心算法，推理引擎是利用元模型庫、機構組成專家知識庫和數(shù)據庫等進行設計求解；核心算法主要依賴載荷分析和數(shù)據庫進行強度、剛度等設計求解，任務求解主要包括求解管理、推理引擎/核心算法、數(shù)據庫、知識庫及其管理系統(tǒng)，此知識庫包括機構設計時所用到的多種專家系統(tǒng)，如某層機構的組成、功能及機理等。效應器是本Agent影響或改變其它Agent及環(huán)境的界面，完成的設計任務由它輸出給系統(tǒng)并被其它Agent所感知。(3) 產品模型及建模方法1)產品模型的結構 產品模型可能是多個模型的集合，應根據不同

56、類型產品建立不同類型的模型集合，即要進行集成化建模。產品模型應是產品最高一個層次的模型，其結構見圖5-14。一般情況下，將整個系統(tǒng)按不同功能的不同性質劃分為幾大模塊(不同于機構的劃分方產品集成模型目的1目的2目的n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n模擬裝配模型圖514產品模型結構法)，如機電產品模型的結構有動力模塊、電氣及控制模塊、傳動變速模塊、執(zhí)行模塊等，然后再根據產品不同功能目的，為其建立產品的各方面性能的虛擬仿真模型；在各部件模型基礎上，繼承、歸納、綜合、抽象、提煉各機構部件模型的信息而形成產品的裝配模型，從而形成集成化的產品模型?？紤]到

57、集成化的產品模型的多目的虛擬仿真、虛擬裝配要求，即每一模型可以完成某一或多個仿真的目的，其中有可能包含面向結構的、面向幾何的、面向特征的及面向知識的產品模型。對于具體仿真模型來說，它可能是連續(xù)的，也可能是離散的，可能是時變的，也可能是時不變的，基于不同目的仿真算法要根據具體情況來定，但總體上產品模型與元模型和機構模型不同，它側重的是基于產品各方面性能的仿真模型。2)產品模型的建模 集成化產品模型中各模型的數(shù)據傳輸、交換和共享是極為重要的，它本身也是建模的一部分。為實現(xiàn)集成化產品建模，一種重要方法是使用ISO的產品數(shù)據交換標準STEP，STEP標準定義了一種中性的格式，用于產品數(shù)據的表達與交換。使用STEP