古建筑的三维数字化建模与虚拟仿真技术研究.pdf

学校编码10384 分类号 学校编码10384 分类号 密级 密级 学号200340011 UDC 学号200340011 UDC 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 古建筑的三维数字化建模 古建筑的三维数字化建模 与虚拟仿真技术研究 与虚拟仿真技术研究 Research on Parametric 3D-Modeling and Virtual Reality Of Chinese Traditional Building 饶金通 指导教师姓名董槐林 教 授 指导教师姓名董槐林 教 授 专 业 名 称计算机应用技术 专 业 名 称计算机应用技术 论文提交日期 论文提交日期 论文答辩时间 论文答辩时间 学位授予日期 学位授予日期 答辩委员会主席答辩委员会主席 评 阅 人评 阅 人 2006 年 5 月 2006 年 5 月 厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学学位论文原创性声明 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标 明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人（签名） 年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学学位论文著作权使用声明 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的 标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1、保密（ ） ，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密（ ） （请在以上相应括号内打“√” ） 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学博硕士论文摘要库 摘 要 摘摘 要要 随着计算机技术的广泛应用， 如何对古建筑进行数字化建模和虚拟仿真保护 已经成为一个新的研究领域。目前的研究主要是针对实例的建模和动画演示，如 何对古建筑进行通用的参数化建模是当前重要的研究课题。 营造法式实现了中国古建筑设计标准的模数化，提供了三维建模的参数 化基础。通过对古建筑三维模型的特征进行研究，以斗栱为代表，结合基于构造 过程的参数化设计方法，系统地提出了对古建筑的参数化建模方法 1通过研究封闭多义线的构成原理，提出封闭多义线的参数化定义和凸度 值的自动计算，从而实现了封闭多义线的自动生成。 2通过分析齐次坐标系，给出初等变换的参数化定义，实现了变换矩阵的 参数化定义； 3通过分析扫描法实体的生成方法，结合三维建模的过程，实现了基本子 实体生成的参数化定义； 4结合几何构造法（CSG）建模理论和三维建模经验，构造了古建筑三维模 型的 CSG 树，通过左序遍历算法，给出三维模型生成过程的四元组参数化定义， 从而提出了适用于古建筑的参数化建模方法。 5通过对实体扩展数据的研究和对 ESTL 文件的定义，利用面向对象技术、 ObjectARX 和 OpenGL 等开发技术，研发了三维建模组件和虚拟仿真平台。 本文提出的参数化建模方法，不仅适用于古建筑的三维建模，也同样适用于 现代建筑及其它专业领域的参数化三维建模。利用本文的方法，可以进一步开展 古建筑的 CAI、CAD 系统等应用性研究。 关键词关键词中国古建筑；参数化建模；虚拟仿真 厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学博硕士论文摘要库 Abstract Abstract Through wide application of computer technology, how to digitalize the Chinese traditional building and protect them by Virtual Reality VR has become a new research field. Recently our research concentrates on the modeling and animation for the instance of the Chinese traditional building. How to explore universal modeling system has been an important project. Yingzao Fashi, a book published in the North Song Dynasty, has modularized the design standard of Chinese traditional building, and makes the research project possible. We investigated the feature of Chinese traditional building model for example, Dougong model, and presented the approach of Parametric-Modeling for the Chinese traditional building with the Parametric-Design based on construction. 1Through researching the architectural principle of polyline, we proposed the Parametric-Definition of closed polyline and the uation of bugles, and therefore realized the automatic generation of the closed polyline. 2We proposed the Parametric-Definition of primary trans by analyzing homogeneous coordinate system, and thus obtained the Parametric-Definition of trans matrix. 3Through analyzing the generating s of extrude-solid and considering the process of setting up the 3D-model, we gave the Parametric-Design of primary solid. 4After investigating the principle of Constructive Solid Geometry CSG and experience of the 3D-model construction, using the algorithm of Travel-Left-First, we presented the four-element Parametric-Definition of the generation, and finally obtained the Parametric-Modeling algorithm applicable to the Chinese traditional building. 5After defining ESTL file and studying of Entity Extended Data EED, we developed the modeling system and the VR plat of the Chinese traditional 厦门大学博硕士论文摘要库 古建筑的三维数字化建模与虚拟仿真技术研究 building with the OOP, ObjectARX and OpenGL. The algorithm presented in this paper is applied not only in traditional building model but also in the 3D model of Modern Building and other fields. We may develop the CAD system and the CAI system for the Chinese traditional building based on it. Keywords Chinese Traditional Building; Parametric-Modeling; Virtual Reality. 厦门大学博硕士论文摘要库 Contents 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 ........................................................................................1 1.1 选题背景选题背景 ..........................................................................................................1 1.2 目前国内外研究现状目前国内外研究现状 ......................................................................................2 1.3 课题研究的意义课题研究的意义 ..............................................................................................3 1.4 课题研究的内容和目标课题研究的内容和目标 ..................................................................................4 1.5 论文结构安排论文结构安排 .................................................................................................5 第二章第二章 中国古建筑与营造法式中国古建筑与营造法式....................................................7 2.1 中国古建筑与木结构中国古建筑与木结构 .....................................................................................7 2.2营造法式营造法式 ...................................................................................................8 2.3 材份制材份制 .............................................................................................................9 2.4 斗栱斗栱................................................................................................................10 2.5 小结小结.................................................................................................................11 第三章第三章 计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术..............................................................12 3.1 计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术 ....................................................................................12 3.2 实体造型技术实体造型技术 ................................................................................................13 3.2.1 正则几何体及其性质...........................................................................13 3.2.2 扫 描 法...............................................................................................14 3.2.3 几何构造法...........................................................................................14 3.2.4 边界表示法...........................................................................................15 3.3 基于特征的实体造型基于特征的实体造型 ...................................................................................16 3.4 基于扫描特征的实体造型基于扫描特征的实体造型 ...........................................................................17 3.5 参数化设计参数化设计 ...................................................................................................17 3.6 变量化方法设计变量化方法设计 ...........................................................................................18 3.7 小结小结................................................................................................................19 第四章第四章 古建筑的参数化建模方法古建筑的参数化建模方法......................................................20 4.1 三维建模过程三维建模过程 ................................................................................................20 4.1.1 CSG构造理论.......................................................................................20 4.1.2 栌斗建模过程.......................................................................................21 4.2 封闭多义线的参数化方法封闭多义线的参数化方法 ...........................................................................23 4.2.1 多义线的定义.......................................................................................23 4.2.2 多义线的凸度值计算...........................................................................25 4.2.3 多义线的参数化表示...........................................................................27 4.3 三维图形变换三维图形变换 ...............................................................................................29 4.3.1 齐次坐标..............................................................................................29 4.3.2 变换矩阵..............................................................................................29 4.3.3 变换矩阵的参数化描述.......................................................................31 4.4 扫描法体素的参数化描述扫描法体素的参数化描述 ...........................................................................32 厦门大学博硕士论文摘要库 古建筑的三维数字化建模与虚拟仿真技术研究 4.4.1 AutoCAD三维建模命令 ......................................................................32 4.4.2 参数化描述..........................................................................................33 4.5 古建筑三维模型的参数化描述古建筑三维模型的参数化描述 ...................................................................34 4.5.1 基于构造过程的参数化......................................................................34 4.5.2 参数的求解..........................................................................................35 4.5.3 建模过程的参数化..............................................................................36 4.6 几何体参数化描述几何体参数化描述 ........................................................................................37 4.6.1 基于构造过程的几何体参数化描述...................................................37 4.6.2 几何体参数化描述的存储...................................................................38 4.7 小结小结.................................................................................................................39 第五章第五章 古建筑的建模系统古建筑的建模系统....................................................................40 5.1 AutoCAD二次开发技术二次开发技术................................................................................40 5.2 ObjectARX ....................................................................................................41 5.3 BIM与扩展属性与扩展属性 ............................................................................................43 5.3.1 建筑信息模型.......................................................................................43 5.3.2 实体扩展数据......................................................................................44 5.4 古建筑的建模系统古建筑的建模系统 ........................................................................................46 第六章第六章 古建筑的虚拟仿真系统古建筑的虚拟仿真系统............................................................48 6.1 虚拟现实技术虚拟现实技术 ...............................................................................................48 6.2 OpenGL三维图形开发技术三维图形开发技术 .........................................................................49 6.2.1 OpenGL简介.........................................................................................49 6.2.2 OpenGL工作原理.................................................................................50 6.3 ESTL文件文件 ......................................................................................................51 6.3.1 STL文件 ...............................................................................................51 6.3.2 STL文件的输入与输出 .......................................................................52 6.3.3 ESTL文件.............................................................................................53 6.4 虚拟仿真系统的研发虚拟仿真系统的研发 ...................................................................................55 第七章第七章 结论与展望结论与展望 ..............................................................................57 参考文献参考文献...................................................................................................59 致致 谢谢.........................................................................................................61 攻读硕士期间发表的论文目录攻读硕士期间发表的论文目录..............................................................62 厦门大学博硕士论文摘要库 Contents Contents Abstract....................................................................................................................... 2 Contents....................................................................................................................... 6 Chapter 1 Introduction.......................................................................................... 1 1.1 Backgound ....................................................................................................... 1 1.2 Research Status ............................................................................................. 2 1.3 Significance...................................................................................................... 3 1.4 Content and Objective.................................................................................... 4 1.5 Architecture of Thesis..................................................................................... 5 Chapter 2 Chinese Traditional Building and Yingzao Fashi................... 7 2.1 Chinese Ancient Building and Timber Structure ........................................ 7 2.2 Yingzao Fashi................................................................................................... 8 2.3 Modulus............................................................................................................ 9 2.4 Dougong ......................................................................................................... 10 2.5 Conclusion...................................................................................................... 11 Chapter 3 Computer Aided Design ............................................................... 12 3.1 History and Future of CAD.......................................................................... 12 3.2 Solid Model.................................................................................................... 13 3.3 Solid Model based on Feature...................................................................... 16 3.4 Solid Model based on Extrude..................................................................... 17 3.5 Parametric Design ....................................................................................... 17 3.6 Variational Geometry Extended ................................................................ 18 3.7 Conclusion...................................................................................................... 19 Chapter 4 Parametric Modeling of Chinese Traditional Building .... 20 4.1 Analysis of 3D Modeling Process................................................................. 20 4.2 Parametric Definition of Closed Polyline.................................................... 23 4.3 Homogeneous Coordinate System............................................................... 29 4.4 Parametric Definition of Extrude-Solid...................................................... 32 4.5 Parametric Definition of Chinese Traditional Building .......................... 34 4.6 Parametric Definition of Geometry............................................................. 37 厦门大学博硕士论文摘要库 古建筑的三维数字化建模与虚拟仿真技术研究 4.7 Conclusion...................................................................................................... 39 Chapter 5 Modeling system of Chinese Traditional Building ............. 40 5.1 AutoCAD and Development API................................................................. 40 5.2 ObjectARX .................................................................................................... 41 5.3 BIM and EED ...