注:本文针对软件研发,全文约2500字 模型视图里的拾取(选择)操作,是工业软件(设计仿真)里上层应用的一个基本功能,属于下图中“交互系统”的一部分。 比如在三维模型视图里,我们可以选中一个对象赋材料;选中面或边,赋荷载和边界条件;选中两个对象执行布尔运算;编辑一条NURBS曲线时,选择一个控制点进行拖动等等。 拿到一款软件,首先体验拾取交互功能,每种软件的交互操作不太一样,好的拾取交互能简化操作,提高工作效率。 开源CAD软件FreeCAD里提供了对多种软件交互模式的切换。如下图: 1.基础功能 从研发角度看,功能完全的拾取通常包括如下内容: 1. 拾取一个三维对象(二维对象可以视为三维的一种特殊情况) 2. 拾取三维几何对象上的面,线和点 3. 点选(单选),即鼠标点一下选中对象 4. 点选(多选),一般按住Ctrl+单选,可以选中多个对象 5. 框选,按住鼠标拖动画出一个方框,方框内的选中。框选又可以分为部分框选选中,和全部框选才算选中两种 6. 反选,即物体选中后,再次执行选中操作即设置为不选中 7. 拾取通常不会单独发生,会有其它事件触发,比如模型创建,对象高亮显示 8. 当模型有前后遮挡,需要选中被挡模型 9. 有过滤器,可以使用过滤器选中特定属性的对象 10. 对外提供统一的拾取接口 11. 处理大模型时,要解决性能瓶颈问题,参考工业软件研发中处理超大模型(4)(点击链接查看) 2.拾取原理: 根据软件技术选型,拾取原理有以下几种:
其它: 1. 可以设置计算容差,即射线和物体即使没有真实相交,但距离在一定容差范围内,也可以认为相交。 2. 以上拾取原理不仅适用于三维CAD建模,对于纯曲面建模,前处理,后处理,网格编辑等操作也都适用。 3. 鼠标响应 鼠标事件由操作系统发出,在一般的UI开发工具中都有鼠标响应事件,以QT为例,QT的QWidget提供了事件入口函数: virtual void event(QEvent *event); event事件中又提供了各种鼠标事件处理函数,包括鼠标按下,释放,移动,双击,滚动中轮: QT部分源码: 我们可以将选择逻辑放到对应函数中处理,针对不同的视图可以重写不同的选择逻辑。为了提供统一接口,可以将模块设计成QWidget和待选对象作为传入参数。 4.业务区分 虽然不同技术选型的拾取原理大同小异,但是针对不同业务,拾取的设计上还是有很大区别的: 1. 针对CAD软件,尤其是三维CAD软件,三维几何模型和模型渲染单元之间需要一直存在映射关系,也就是通过几何对象可以找到渲染对象,通过渲染对象可以找到几何对象。所以在设计拾取的时候,选中拾取一个即可:但是如果拾取渲染对象,需要映射两次,即渲染对象映射到几何,在几何修改后,再次更新渲染对象;拾取几何的话,更新渲染对象即可;CAD设计软件涉及到大量几何对象创建,编辑,参数化,约束求解,模型更新驱动,设计上偏向于拾取几何对象; 2. 仿真软件一般建模功能较弱,主要在前处理上用以生成求解模型。所以拾取设计上没有太多讲究,设计实现上怎么方便怎么来; 3. 前处理软件大部分交互操作在面和线上,尤其是曲线曲面有精度要求,几何精度使用double型,而渲染数据一般使用float型,所以使用几何拾取更准确; 4. 网格编辑一般是编辑面片,面片只有几何信息,没有BREP拓扑数据,针对渲染数据拾取更容易操作。 5.过滤器设计 过滤器是选择操作中一个基本功能,过滤器有几何上的,功能上的,也有业务上的: 比如模型中有多个对象,其中有三维,二维和一维对象,我们希望仅选择三维实体,不参与仿真和不可见的对象不参与拾取; 同一个对象,如果是一个三维实体,仅希望选择面用以赋边界条件;多个物体被选择而且相互遮挡,希望选择最后面的一个; 实体显示模式为线框模式,但是希望单选到面上的时候也被选中。 过滤器可以单独设计成一个类,执行相关过滤操作,枚举出所有可能的选项和模式,也可以作为参数传入到拾取模块中。 6.性能问题 拾取操作能有效检验一个软件性能。 拾取操作需要确定射线和对象几何的关系,一般是线线求交,线面求交,对于非解析参数几何需要进行大量迭代计算,这种计算本身是比较耗时的,如果模型对象较多,则会存在性能瓶颈。 1. 当模型或者场景视图比较固定,我们可以将三维模型投影到二维,二维模型的位置计算量要远小于三维; 2. 当对象较多,而且比较分散,则可以使用树结构,常用的八叉树,BSP树,R树,参见深入剖析三维几何内核(7)--一般技术(点击链接查看),通过树结构,可以把拾取的候选对象保持在一个较低的数目; 3. 包围盒计算效率很高,在实际计算中,可以通过包围盒对对象进行过滤;除了常用的AABB包围盒,有条件可以使用紧包围盒; 4. 对于复杂大对象的拾取,比如汽车CFD分析中表面NURBS曲面的拾取,可以通过降维取得面上所有参数点,构造树结构。实体也可以通过分割等操作变成小模型,这也是为什么在模型操作中,要尽量避免不必要的合并。 5.拾取是一个实时性很强的操作,响应时间一般小于200毫秒,用户才不会觉得卡顿,要达到这个目的一方面计算内容不能太多,另一方面通信开销要尽可能小,所以计算中不太推荐多线程;多线程可以用来监听,更新处理各种状态。 7.关键字 可以看出,拾取功能的设计还是比较依赖技术选型。 最后总结一下拾取涉及到的一些关键字 向量 射线 几何投影 图元对象 几何对象 求交运算 线面求交 线线求交 拾取模块 点选 框选 反选 深度计算 模型分割 几何映射图元 过滤 鼠标事件 包围盒 容差 局部坐标 世界坐标 坐标转换 八叉树 BSP树 R树 |
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