虚拟可维修性中约束管理的优化探讨

摘 要 约束管理器有一个分级的数据图表，维护所有来自对象和表面的相关信息。

关键词 约束管理；优化

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0178-01

1 数据图表

数据图表是一个分层次的数据结构用来维护约束管理器的相关信息。它代表了约束管理器有的关于虚拟环境内组件的所有知识。数据图是有组织的，像一个平坦的场景图，最高层的节点代表对象，分叉节点代表表面。有效的转变是转化和转动，而不是比例。对象可以通过直接操作或因其他对象的运动被转化。对象可被固定在三维空间中，以防止如果无法被移动。

2 约束求解器

约束求解器是一个管理应用几何约束的模块。求解器决定了转换适用于不固定的对象，所以应用约束是被强制执行的。这也是该求解器适用于新的约束，在三维环境下清除已有的并修复对象。潜在的这个模块是D-Cubed 3D DCM库，计算被约束对象的运动。约束求解器维护了一系列应用的约束。应用的约束是被强制执行的约束，并决定对象的转变。约束只适用于明显对象的表面，因为这个库只支持刚体。这意味着一个相同对象的不同表面对于彼此相对固定，没有约束可以被应用于它们之间。

所有的转变都经过约束求解器。一个新的转变对于一个对象意味着这个对象被从当前的位置移动到了一个新的位置。求解器决定是否这个运动可能或不可能，以及，如果不可能，它会计算另一种位置。一个对象的运动也会影响其他被约束对象的位置。求解器也计算被约束对象的新位置，并更新这些对象的位置。

3 约束识别器

约束识别器识别新的可能得约束并确认现有的约束。应用程序会指定一系列被用于搜索新约束的对象和被用于探测新约束的可能得表面。如果应用程序可以确定表面之间的碰撞，它能发送那些碰撞表面到约束识别器中。这会加速识别过程，因为它减少了一定数量的表面被探测。

用于识别新约束的方法也经常用于验证现有的约束。验证过程是建立在原理之上的。验证是发生在现有约束被执行之前的，否则现有的约束将永远被认可。不被认可的现有约束会被添加到破坏的约束的列表中。约束管理器有一组变量用来定义识别过程的界值。这些公差确定了临界值下面的约束是被认可还是可通过应用程序动态调整。三个识别临界值是线性的界值，角容限和破坏因素。线性宽容是两个平面之间的最大距离（或轴，如果两个圆柱体是相关的），角容限是两个平面之间的最大角度，破坏因素是当约束是经过验证的时候多种线性界值和角容限的换算系数。一个破坏因素大于1，这意味着它相比打破现有的约束更容易识别新的约束。增加了更多的困难因素使约束打破断了。越来越多破坏因素使约束更难被打破坏了。

4 过滤器

需要过滤器将一定数量经过验证的约束减少到最小限度。它将三个约束对一个对象到另一个完全修复。过滤器的功能是有选择性的从他们的名单中移动公认的约束。对过滤原理的需求提高了，当我们用工业案例研究测试约束管理器。

通过约束管理器提供的一些目前的过滤器包括：表面置换：过滤有指定类型的约束的接近表面；柱面半径：在不同的柱面半径之间检测移动的同轴约束；柱面定义：清除复制的柱面约束包括不同的具有完全相同几何学的圆柱体表面；约束类型：拆除所有指定类型的约束。

4.1 识别器最优化

约束识别器被整合在一个虚拟现实的框架中，它增加了一对对象来代替一对表面被识别进入列表。识别器然后从所有可能的表面的组合中创造一个表面配对列表。一个对象与X表面和另一个与Y表面导致X*Y表面的配对。通过原始模型在两个组件之间识别约束需要400个表面配对被检测，当工业案例研究这一数字时增加到40万表面配对。

为了减少一定数量的配对表面被检测，空间信息被添加到每一个表面里。这个空间信息目的在于减少一定数量的表面被考虑，在很低的运算量之下。由于这个原因，我们实施了轴心对齐单元平面数据结构。轴线对齐规定的网格是它们与定向的边界框相比的较低计算量。这种优势是在准确性的支出，但是一旦其意图是迅速抛弃表面，明显超越感兴趣的区域，它提供了一个良好的折衷办法。

这个空间滤波器被作为一种预处理步骤，当一个组件被添加到约束管理器中。一个范围框将为每个组件创造，通过增加所有它的边界框表面。组件的边界框然后被分为八个平等的空间单元，每个表面被指定到空间单元供它使用。识别器之前在两个组件表面之间的约束，识别器决定每个组件的哪些单元是交叉的。这个信息然后被用来过滤表面配对测试：只有在交叉单元的表面会被搜索可能的约束。空间信息的关联是表面迅速减少，一定数量的表面在新的约束识别中被认可。利用这一新的执行，识别器的工作少于30毫秒，先前花了近200毫秒去选定的工业案例研究。

4.2 求解器最优化

所有的组件都是利用约束管理器转化的。约束管理器从求解器收到了转化或放着不管的指令。求解器决定了执行应用约束最终的对象。性能评价表明，三维DCM库使用大多数时间，甚至是对无约束的对象。实验也显示，转换部件所需的时间，相较于组件的复杂性更取决于约束的应用。约束管理器可以被使用在工业模型交互式维护仿真。最初实施的约束管理器需要大约250毫秒每次相互作用对完全自动化的约束管理，所以不能相互使用。约束管理器最佳的版本需要大约50毫秒去做相同的工作。我们发现这是一个可以接受的模拟时间给复杂的使用元件。

尽管有好的结果，有大量的工作要做使其成为一个成熟的系统，可以被用作一种虚拟样机研究的工具。进一步改善现有约束管理器现在正被考虑。这些改善包括发展一种更有效的空间数据结构和运用过滤器，在识别新的约束之前。

参考文献

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