基于特征的建模技术在《Rhino》软件中的应用

摘要：Rhino软件是设计类专业学生必学的一门重要课程，本文将机械设计中的基于特征的建模技术引入到Rhino 软件的教学中，给出了应用的四个步骤：产品特征分析、主形状特征建模方法、辅形状特征建模方法、修整模型。在《Rhino 》软件教学中进行实施，有效提高了学生独立思考和自主创新的能力。

关键词：特征建模 Rhino 软件 教学研究

中图分类号：U462；TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0000-00

1 引言

计算机三维建模是高校设计类专业学生必须掌握的技能之一，目前各高校在计算机三维软件教学中，普遍讲授《Rhino》软件。Rhino，又叫犀牛，是由美国Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline，非均匀有理B样条曲线）为主的三维建模软件[1]。它是一个“平民化”的高端软件，对电脑硬件要求不高，其体积小，全部安装完毕才一百多兆，功能却很强大，其渲染的图像真实品质已非常接近高端的渲染器。Rhino不但用于工业设计，更可为各种卡通设计、场景制作及广告片头打造出优良的模型，因此Rhino 在设计实践中倍受设计人员的青睐，尤其是在曲线曲面众多的工业产品建模中。目前最新的版本为Rhino V5.10[2]。在Rhino软件的实际教学中，笔者发现，学生普遍感觉Rhino软件入门简单，做实例难，经理论总结和实践检验，在教学中引入了基于特征的建模方法。

2 基于特征的建模技术概述

特征是一系列具有特定关系的几何或拓扑元素。它表达一定的功能语义，是产品非几何信息的载体，隐含一定的工程知识，供设计者使用以表达设计意图和思想。

特征的分类方法很多， 从特征建模角度出发可以将零件特征分为形状特征、精度特征、材料特征和装配特征等。其中，形状特征是主体和非几何特征信息的载体，非几何特征信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素上。形状特征可以分为主形状特征和辅形状特征。其中主形状特征用于构造零件的主体形状（ 如圆柱体、圆锥体等） ， 辅形状特征用于对主特征的局部修饰（ 如倒角、中心孔等）。

基于特征的设计（ Design by Features） 利用特征进行零件设计， 预先将大量的标准特征或用户自定义的特征存储进特征库， 在设计阶段调入特征库中的特征， 将之作为基本建模单位进行建模， 再逐步输入几何信息、工艺信息建立零件的特征数据模型， 并将之存入数据库[3]。

3 基于特征的建模技术在《Rhino》教学中的应用

Rhino软件既具有AutoCAD软件的精确绘图特性，又具有3ds max软件方便的三维建模能力，尤其对于复杂曲线曲面的强大处理能力使其在工业产品设计中广受欢迎。但在Rhino软件的教学和应用中，笔者发现，学生普遍感觉Rhino软件上手容易，独立操作难，究其原因，主要是因为：NURBS曲线是Rhino的根本和核心，由于NURBS曲线的复杂性，使得Rhino的操作尽管简易但是用Rhino建模并不简易，利用Rhino建模之前必须要对所设计产品的造型有个系统的把握，即遵循TOP-DOWN的设计思想。具体设计过程则遵循：“打点-拉线-铺面-结合成体”这样一个原则[4]。

在具体的教学实践中，笔者借鉴了机械设计中的特征建模技术，将其引入到Rhino软件的教学中，具体流程如下：

3.1 产品特征分析

对常见的工业产品进行形状特征分析，就会发现，一般的产品大都具有以下的主形状特征：长方体、圆柱体、球体及简单几何形体等。辅形状特征主要有：倒角、圆角、按钮、旋钮、窗口、装饰孔等。如图1所示。

3.2 主形状特征建模方法

分析完产品特征后，对于主形状特征的建模一般有以下方法：（1）用Rhino提供的solid模块中的12种实体（如：长方体、球体、圆柱体等）直接建模。（2）对于不能用solid实体直接建模的主形状，可用curve曲线命令绘制模型的二维基础曲线，编辑好曲线形状后，灵活运用Rhino中的loft（放样）、sweep（扫掠）、revolve（旋转）、extrude（延伸）等曲面造型工具来生成产品模型的曲面，这样就可得到一个大致的模型轮廓。（3）对于更加复杂的曲线曲面造型，则可利用照片或从网上搜集产品图片，以得到产品的不同视图，利用place background bitmap命令将准备好的产品视图导入作为背景图案，然后用align（排列）、move（移动）、scale（比例）等图片编辑命令将背景图片调整到合适位置；如果是进行新产品的设计，则必须在心里或图纸上勾勒出产品造型轮廓的结构草图，再进行放置。然后如上所述对调整好的三维曲线运用loft（放样）、sweep（扫掠）、revolve（旋转）、extrude（延伸）等曲面造型工具来生成产品模型的曲面。

3.3辅形状特征建模方法

主体模型建好后，对于放置其上的辅形状特征，无论其形状如何复杂，从特征角度出发，无非是凸起或凹进两种类型，即几何上的一增一减，如按钮或沉孔。不管是凸起还是凹进特征，其建模方法通常都是：利用Split（分割）、Trim（修剪）等命令来进行曲面的分解和修剪，然后利用PlanarSrf（平面）、patch（补面）以及旋转建面等方式进行封口，同时将模型中一些尖锐的边和角倒成圆角。

3.4 修整模型

在所有的主形状和辅形状特征都建模完成后，接着要做的工作则是通过join命令把之前生成的各个面分别结合成一个个整体，最后利用布尔运算命令将它们做Union（并集）、Difference（差集）或Intersection（交集）运算以得到我们需要的形状。

4 建模实例

以下以西门子S57手机为例介绍基于特征的建模方法在Rhino软件教学中的应用[5]。

4.1 产品特征分析

仔细观察西门子S57手机不同角度的图片，按照特征分析法可将其形状特征分为：

4.2 手机主形状特征建模

以上对手机产品进行特征分析后，产品的结构形状就了然于心，之后的建模工作就思路清晰。产品主形状不是标准的基本体，因此不能用Solid模块中的实体建模。由于已有了产品图片，因此可利用Rhino中的place background bitmap命令将准备好的产品视图导入作为背景图案。调整好位置后，参照背景图片在平面视图的位置分别绘制出手机的正面、侧面和上面的二维轮廓线以及手机侧面的分模线，并对曲线进行调整和打断操作，之后用拉伸建面和网络建面的方式建好手机的主体轮廓，具体步骤如图4所示。

4.3 手机辅形状特征建模

如图3所示，该手机辅形状特征较多，但建模方法大同小异，以下仅以比较典型的上部凸起特征为例介绍其方法步骤。先照主视图中的背景图片描画上部凸起的两个曲线轮廓，用Split命令将曲面分割，删除中间凹进部分，对中间椭圆部分取边后并在顶视图中画弧线，之后用Loft（放样）工具建面，然后对相邻面进行曲面融合，最后用做倒角的方法做出缝隙即可，具体步骤如图5所示。

4.4 完成模型

依照上述方法对各个细节部分一一完成建模后，对手机各部分进行分层管理，最终渲染之前的三维模型如图6所示。

5结语

基于特征的建模是机械设计中常用的一种建模技术，在此将其灵活应用于工业设计专业的产品建模中，是一种跨学科的学习方式。在以往的Rhino软件教学中，通常采用实例教学法，即教师讲授一些典型实例，学生进行操作练习，该方法在初学阶段较为实效，对于学生掌握软件中的常用命令很有帮助。但在个人独立建模和创新阶段，很多学生往往不知所措，难以灵活运用所学知识。“授之于鱼，不如授之于渔”，基于特征建模技术的运用给学生提供了一种基本的分析和解决问题的思路与方法，使得知识的学习和运用更加灵活和自如，学习效果自然大有提高。不过，由于该方法应用时间还不很长，许多问题还需在以后的教学实践中不断摸索和解决。

参考文献

[1]段伟.基于Rhino的汽车车身造型设计[J].科技信息，2012，（32）：515.

[2]陈锡红. Rhino 5的新特征[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013，（1）：34-38.

[3]张志刚，曹西京.基于特征的建模技术[J].机械研究与应用，2004，17（5）：21-22.

[4]蓝淑渊，罗丛敏，徐尼锋. Rhino的学习与使用[J].计算机时代，2008，（11）：67-69.

[5]叶德辉.Rhino4.0完全学习手册[M].北京：北京科海电子出版社，2008年3月第一版.