3D互操作性中的修复：在CAD系统间保持设计意图

在现代工程工作流程中，仅转换3D模型是不够的。建模内核、公差和几何规则的差异可能会将有效数据变成无法使用的模型。修复确保转换后的几何体保持一致、可靠并忠实于原始设计意图，从而使真正的 3D 互操作性在 CAD、仿真、制造和可视化工作流程中成为可能。 

随着工程流程日益分散，3D模型不再是在单一系统中创建、使用和最终完成。它们在CAD平台、仿真工具、制造环境和可视化流程中共享，通常由不同的供应商开发，基于不同的建模内核构建，并遵循不同的几何规则。

在这种情况下，互操作性不再是正确读取数据的问题。而是要确保3D模型在进入新环境后仍然可用、可靠，并忠实于最初的设计意图。

这就是修复的关键所在。

在Spatial，我们认为修复不应是事后补救，而应是专业3D互操作性的基础功能。仅仅能正确显示的转换模型是不够的。如果未经修改就无法进行编辑、仿真、网格划分或制造，并且会引入错误，那么即使视觉上看起来再准确，转换也是失败的。

为什么3D模型转换本质上是脆弱的？

大多数现代3D建模都依赖于边界表示（B-Rep）。从理论上讲，这一共同基础应能使数据交换变得简单明了，但实际上并非如此。

虽然 B-Rep 使用面、边和顶点定义模型，但每个建模内核在以下方面都有自己的规则：

• 曲面必须如何相交
• 几何偏差的容忍度
• 有效性所需的连续性级别
• 以及拓扑和几何必须如何保持一致。

在一个系统中被认为是完全有效的模型，当导入到另一个系统时，可能会变得无效或无法使用。在源头处可接受的微小公差差异或连续性问题，在下游可能会表现为间隙、重叠或拓扑不一致。

这就是为什么3D数据转换从根本上比格式转换更复杂。

就像语言翻译一样，仅仅在语法层面上正确是不够的。目标系统的语义、几何规则和建模假设也必须得到尊重。没有这种理解，即使是基于标准的格式也无法保证有意义的互操作性。 

从Spatial的角度来看，这是一个关键点：转换器不仅要理解它读取的数据，还要理解它写入的模型内核。 

公差和连续性：模型失效之处

转换模型中最常见的失败原因之一在于公差和几何连续性。

不同的建模系统采用不同的标准来确定是否存在公差：

• 两点是否重合
• 两条边是否连续
• 或曲面相交是否有效。

有些内核要求曲面精确地在边处相交。另一些则允许间隙——在定义的限制范围内。即使在容许间隙的系统中，可接受的尺寸也可能差异很大。

因此，在一个环境中形成干净、连续表面的几何体，在另一个环境中可能会产生碎片化的面或开放的壳。这些问题通常很微妙，但其后果却并非如此：下游操作，如布尔建模、网格划分 或制造准备，可能会完全失败。

这种脆弱性是结构性的，并非由不良建模习惯导致，而是由于内核定义几何有效性的方式存在合理差异。 

因此，有效的修复必须调和这些差异，通过使数据适应目标系统的规则来实现，同时不损害原始形状和意图。 

单位和公差：隐藏的破坏源

单位通常被认为是模型转换中微不足道的一个方面。实际上，它们是最容易被低估的几何误差来源之一。

虽然大多数几何建模器都使用无单位的数值进行操作，但CAD文档通过定义模型长度单位来赋予这些数值意义。这种解释直接影响公差在整个模型中的应用方式。

如果在转换过程中单位被误解，公差可能会被错误地缩放。在一个尺度下看起来可以忽略的间隙，在另一个尺度下可能变得无法接受，导致原本有效的几何体无法通过内核验证。

因此，修复过程必须在尝试任何几何校正之前正确解释单位。没有这一步，即使是复杂的修复算法也可能引入新的不一致性，而不是解决现有的不一致性。

在Spatial，单位感知被视为可靠治疗的先决条件。正确理解公差对于确保几何调整能够改善模型质量，而不是扭曲模型至关重要。

“修复 "在专业 3D 工作流程中的真正含义

在专业的 3D 工作流程中，“修复”常常被误解为仅适用于缺陷模型的纠正步骤。在实践中，治疗的作用远不止于此。

一些修复操作针对明显无效的数据，例如拓扑不一致性，这些不一致性会阻止建模内核正确解释模型。其他人则专注于提高几何体的整体质量，使其在下游工作流程中表现得更可预测。

在  3D InterOp 进行 3D 转换 时，修复被有意地实现为一个黑盒操作。它在 API 中以 TRUE 或 FALSE 选项的形式公开，默认启用，其内部逻辑旨在生成符合目标系统规则的几何体。虽然可以通过高级配置机制实现额外的控制，但这种程度的细节通常超出典型互操作性工作流程的范围。

对于需要更精细几何质量控制的应用，可以通过 ACIS Healing API 获得额外的修复功能。这些通常应用于现有几何体，或通过建模操作（如布尔运算）生成的几何体。

在这种情况下，输入的几何体可能在技术上有效，但对于某些用途来说并非最佳。布尔运算，例如，根据输入形状的性质，可能会合法地产生细小几何体。虽然这种几何结构并非不正确，但许多下游用户，特别是仿真工作流程，会因其移除而受益。

修复不仅限于使模型有效。在保留其原始设计意图的同时，使其更适合其预期用途。

修复过程剖析：如何恢复模型质量

修复并非单一操作，而是一系列互补过程的集合，每个过程都针对特定类型的几何或拓扑条件。

其中一些流程在通过 InterOp 进行转换时会自动应用。另一些流程在需要额外优化时，可通过 ACIS Healing API 使用。

缝合

缝合通过识别和统一重合的边和顶点来恢复拓扑完整性。应该形成连续片体或实体的面缝合在一起，以便建模内核能够正确解释生成的实体。

此操作作为 InterOp 修复的一部分执行，并构成所有后续几何操作的基础。

几何简化和设计意图恢复

导入的模型通常包含显示时看似解析的几何体，但在内部表示为基于样条曲面的几何体。这种情况在 IGES 等格式中经常发生，即使是简单的形状也会被转换为样条近似。

简化会在可能的情况下，用对应的解析形式替换这些样条表示。一个经典的例子是简单的圆柱体。在其预定形式中，它由两个平面和一个圆柱面组成。经过特定格式的转换后，所有三个曲面都可能被表示为样条曲线，这在技术上改变了模型的设计意图。

运行简化将这些曲面恢复为平面和圆柱体，在提高稳健性、减少数据量和简化下游操作的同时，保留了原始意图。

虽然简化功能是 InterOp 修复的一部分，但默认情况下并不总是启用。它的价值不在于修复无效几何体，而在于恢复模型的语义清晰度。

间隙收紧和精度控制

间隙收紧通过解决相邻面、边和顶点之间的小误差来提高几何精度。这是通过重新计算交点或调整几何形状来实现的，从而使实体在所需的公差范围内相交。

其目标不是重塑模型，而是确保相邻几何体在目标内核的规则下表现一致。

图1：曲面被延伸，并基于延伸后的曲面重新计算交点。

图2：如箭头所示，平面和圆柱面在粗体边处互相贴合。

图3：修改两个样条曲面的控制点，使曲面相交。 

为下游工作流程清理几何图形

除了核心修复步骤外，一些清理操作对于仿真和分析工作流程尤其有价值。

移除小边可以减少不必要的几何复杂性，从而减小数据大小并简化相交和网格划分操作。

移除细长面可以消除技术上有效但通常会导致网格划分和模拟不稳定的细长或退化面。

合并操作将共享相同底层几何体的相邻面或边组合成单个实体。例如，多个共面可以合并成一个平面。这降低了拓扑复杂度，提高了鲁棒性，并显著提升了下游网格划分的性能。这些操作适用于所有表面和曲线类型，不仅限于解析几何。

这些修复操作共同提高了几何体的质量、清晰度和可用性，同时不改变其形状或意图。

实际互操作场景中的修复

在真实的生产环境中，修复很少单独应用。它的作用和要求因模型转换后的用途而异。

在CAD到CAD的工作流程中，修复决定了模型是否可以被可靠地编辑。圆角、抽壳或布尔运算等操作对拓扑一致性和几何连续性提出了很高的要求。看起来正确但包含隐藏的间隙或不一致性的模型，在这些操作下会很快失效。

在CAD到仿真工作流程中，对几何缺陷的容差甚至更低。有限元分析或计算流体动力学中使用的网格划分算法对间隙、重叠和定义不明确的交点极其敏感。没有有效的修复，网格生成可能会完全失败，或者产生不可靠的结果，从而损害仿真精度。

制造工作流程引入了一系列不同的约束。CAM 系统依赖于精确的几何数据来生成刀具路径和加工策略。即使是微小的不一致也可能导致错误的加工指令或需要昂贵的人工干预。

可视化工作流程通常更宽容，但即使在这里，修复也起着重要的作用。一旦模型被重复用于剖分、测量或轻量几何体生成，潜在的不一致性就可能会显现出来。

随着工作流程变得更加丰富，修复需求也会增加，这是关键。下游应用预期从模型中提取的价值越高，对几何质量的要求就越高。

混合表现工作流程中混合模型的修复

许多实际的互操作性工作流程涉及的不仅仅是精确的 CAD 几何体。来自扫描、激光雷达或制造过程的镶嵌数据越来越多地与同一数据集中的分析模型相结合。

基于网格的几何体带来了独特的挑战。视觉上的正确性并不能保证拓扑上的有效性。孔洞、自相交、重叠面以及方向不一致等问题很常见，并且会妨碍数据的可靠重用。

在这些混合场景中，修复必须超越基于内核的修正。

全局修复方法不是尝试单独修复网格缺陷，而是从体积表示重建几何体。这使得在结构层面上解决拓扑错误并生成适合下游使用的水密、一致的模型成为可能。

基于体素的技术提供了一种可控的方式来平衡细节保留和几何鲁棒性。它们尤其适用于局部修复策略失效的复杂或嘈杂的数据集。

从互操作性的角度来看，有效的修复必须适应数据本身的性质。在统一的工作流程中同时支持精确几何体和镶嵌几何体，对于使混合模型在整个工程系统中保持可靠性至关重要。

程序化访问修复及其重要性

转换过程中的自动修复提供了必要的基础，但对于高级工作流程而言，仅靠自动修复是远远不够的。专业应用程序通常需要更多的控制。

这就是为什么对修复功能的编程访问至关重要。

通过作为3D ACIS Modeler 一部分提供的应用程序接口，开发人员可以调用超出默认转换过程的其他修复程序。这些例程支持自定义工作流程，例如分割边、管理周期性几何体或构建非流形拓扑，以满足应用程序逻辑的需求。

这种程度的控制使原始设备制造商和软件开发者能够根据其特定用例定制修复策略，而不是依赖于一刀切的方法。

在Spatial Corp，修复被视为建模工作流程不可或缺的一部分，而不是一个不透明的黑盒子。通过明确定义的API公开修复功能，开发者可以将修复功能精确地集成到最具价值的地方，无论是在导入期间、编辑之前还是下游处理之前。

先诊断，后修复：模型质量诊断

诊断指导修复，方能事半功倍。

在修正模型之前，通常至关重要的是了解潜在问题所在以及问题的严重程度。检查器功能通过评估模型的几何和拓扑完整性，并在修复过程之前或同时报告问题，从而发挥这一作用。

诊断可以识别诸如无效拓扑、连续性中断或容差相关的不一致等可能无法立即显现的问题。这些信息帮助开发者决定哪些修复步骤是必要的，哪些是可以避免的。

通过结合检查和修复，工作流程变得更可预测和更稳健。应用程序可以针对特定问题区域进行修复，从而降低意外副作用的风险，而不是盲目地应用更正。

从工程角度来看，这种方法也能最大限度地减少下游错误。早期发现并解决的问题，远比在仿真、制造或后期集成阶段发现的问题成本低得多。

性能考量和大规模修复

修复不可避免地会增加转换过程的计算开销。这种影响的程度很大程度上取决于输入模型的质量和所涉及几何体的复杂性。

在大型装配体中，性能考量变得尤为重要。 顺序地转换和修复每个组件会很快成为瓶颈。

一个有效的策略是并行处理各个部分。通过装配体级别的工作流程，可以独立转换和修复各个组件，从而显著缩短整体处理时间。

由于某些支持的格式依赖于非线程安全的第三方组件，因此多进程方法通常优于多线程。虽然多进程执行会引入一些通信开销，但修复工作流程通常只需要很少的进程间通信。因此，可扩展性仍然很高，并且性能提升显著。

这种架构方法使得修复能够扩展到复杂的真实世界数据集，而不会成为生产工作流程中的限制因素。

将修复作为可信赖的3D互操作性的基石

随着3D模型越来越多地作为工程工作流程中唯一的真实来源，它们的可靠性不再能被视为理所当然。一个在不同系统间移动的模型，不能仅仅满足于成功转换。它必须保持几何一致性、拓扑有效性，并忠实于其原始设计的意图。

修复是实现这一点的关键。

通过协调公差、连续性规则和几何解释方面的差异，修复可确保转换后的模型符合目标环境的要求，而不会改变其形状或用途。它将脆弱的数据交换转变为可靠的工程资产。

在现代互操作性场景中，此功能已不再是可选项。无论模型是用于编辑、仿真、制造还是高级可视化，底层几何体的质量直接决定了下游操作的成功。

在Spatial Corp，修复被视为专业3D互操作性的核心能力。通过强大的转换技术、先进的修复工作流程以及通过 API 进行的程序化访问，Spatial 使软件开发者能够构建用户可以信任其最关键数据的应用程序。

当几何图形成为规范时，保持其完整性至关重要。修复是使这种信任成为可能的机制。