简介

发展历程

表示方法

基本概念

分类

造型方法(扫描表示法 构造实体几何法 边界表示法(B-rep法) 空间枚举法 参数形体调用法)

发展趋势

实体造型 CAD

实体造型软件需要满足的条件

医用实体造型

简介

实体造型技术(Solid Modeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。

任何产品的形态，都可以看作是由三维几何形构成的组合体。用来描述产品的形状、尺寸大小、位置与结构关系等几何信息的模型称为几何模型。所以，实体造型技术也称为3D几何造型技术。

计算机中对产品机械零件的完整几何描述，在早期的二维交互式CAD系统中是没有的。到了20世纪70年代，人们在三维线框模型和曲面造型研究的基础上，提出了实体造型的理论，即在计算机中用一些基本的体素(Primitives)来构造机械零件的几何模型。一些高校、研究机构对实体造型原型系统进行了深入的开发研究，如：英国剑桥大学的BUILD系统，德国柏林工业大学的COMPAC系统等。其中剑桥大学的BUILD系统经过多次商业运作，最终被美国的麦道公司集成到UGCAD系统中。20世纪90年代初，又被Three Space公司改进设计成ACIS实体造型系统，成为许多CAD系统的核心软件。

早期的实体造型系统一般是用多面体结构，也就是实体的表面用小平面近似地表示。实体构造采用半空间、欧拉操作、边界表示、扫描等方法生成。随着实体造型理论和研究的发展，先后提出了实体造型正则集理论和非正则集理论，用以描述非流形实体。一些流形、复形等拓扑学概念被引入几何造型。从几何的角度看，不单用平面，而且用了二次曲面、自由曲面和裁剪曲面来表示实体的边界面。当今，实体建模技术朝着提高基本算法的性能和可靠性，拓展拓扑和几何领域的范围、增强设计构思的创新性等方面发展。

设计的图纸是设计师表达设计创意的语言工具，一个复杂的零件，往往需要许多不同投影方向的图才能表达。而要读懂这些图并准确想象出其空间效果，将花费很多时间和精力。一旦读图有误，将会给生产、制造带来巨大损失。然而，如果采用实体造型的软件进行零件设计，设计师就能在屏幕上见到实时的三维模型，大大减少了失误，而且还能方便地进行后续环节的设计，如模拟装配、总体布局、干涉检查、仿真动画及模拟加工等。实体造型理论为实现产品由设计到生产的环节采用同一数据信息提供了技术上的可行性，大大地促进了CAD产业的发展。

三维几何模型描述产品的数据信息，一般是从尺寸描述和结构(拓扑结构)描述两方面进行的。尺寸描述是指描述具有几何意义的点、线、面等的位置坐标、长度、面积等的数据值或度量值。拓扑结构反映的是形体的空间结构，包括点、边、环、面，实体形成的构造层次。

从形体的构成中，我们知道，实体是由空间封闭面组成的，面是由封闭的环组成的，环是由一组相邻的边组成的，边又是由两点确定的。所以，点是最基本的信息(拓扑信息)。几何模型的所有拓扑信息构成了拓扑结构，它反映了模型几何信息之间的连接关系。

在几何造型中，几何元素包括：

点——分为端点、交点、切点和孤立点等。它是几何造型中最基本的元素。任何形体都可用有序的点集表示。计算机对形体的处理实质上是对点集和其连接关系的处理。

边——指两邻面或多个邻面(非正则体)的交线。直线边由两个端点确定，曲线边由一系列型质点或控制点描述。

面——是指形体上一个有限的、非零的区域，是二维几何元素。它往往由一个外环和若干个内环确定其范围(也可无内环)。面有方向性，一般规定其外法矢方向作为该面的正向。面分为平面、二次面、双三次参数曲面等形式。

环——是指有序、有向的边组成的面的封闭边界。环有内外之分，面的最大的外边界的环称外环，一般按逆时针方向排序。面中内孔边界的环称为内环，与外环排序相反，为顺时针。这样，在面上沿一个环前进，其左侧总是面内，右侧为面外。

体——是三维的几何元素，指用封闭表面围成的空间。也是三维空间里非空的、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集。为使几何造型具有可靠性和可加工性，要求形体上是一个正则形体。

体素一一造型系统定义的简单形体称为体素。即可用一些确定的尺寸参数控制其最终位置和形状的一组单元实体，如长方体、柱体、球体等；或由参数定义一条(或一组)截面，沿一条(或一组)空间参数曲线作扫描运动而产生的形体。

半空间——空间中的一个面，加上该面的某一侧的所有点组成的空间，称为该面的半空间。这样，一个长方体可以看作是六个平面的半空间的交集。

在几何造型的运算中，常常采用的是集合运算和欧拉运算。集合运算是指几何建模中进行的交、并、差等运算，是把简单形体(体素)通过重组，形成复杂形体的一种方式。集合运算是几何建模的基本运算方法，是许多几何建模系统采用的基本方法。欧拉运算也是常用的一种造型运算方法，是通过调整形体的点、边、面而产生新的形体的处理方式。要进行这种运算的形体必须是欧拉形体，即必须满足：面中无孔洞，边界是面的单环；每条边有两邻面，且有两个端点；顶点至少是三条边的交点。对于有限个孔的形体，欧拉运算也能进行，但运算更复杂一些。在3DSMAx中，几乎所有的几何形体都能进行欧拉运算，如球体可调整边数，生成八面体、十二面体等。

发展历程

早在60年代初，就提出了实体造型的概念，但由于当时理论研究和实践都不够成熟，实体造型技术发展缓慢。70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造型的CAD/CAM系统，实体造型在理论研究方面也相应取得了发展。如1973年，英国剑桥大学的布雷德(I.C. Braid)曾提出采用六种体素作为构造机械零件的积木块的方法，但仍然不能满足实体造型技术发展的需要。在实践中人们认识到，实体造型只用几何信息表示是不充分的，还需要表示形体之间相互关系、拓扑信息。到70年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。进入80年代后，国内外不断推出实用的实体造型系统，在实体建模、实体机械零件设计、物性计算、三维形体的有限元分析、运动学分析、建筑物设计、空间布置、计算机辅助制造中的NC程序的生成和检验、部件装配、机器人、电影制片技术中的动画、电影特技镜头、景物模拟、医疗工程中的立体断面检查等方面得到广泛的应用。

实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素，通过集合运算(拼合或布尔运算)，生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算(并、交、差)。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。

表示方法

目前常用的实体表示方法主要有：边界表示法(BRep)、构造实体几何法(CSG)和扫描法。

(1) 三维形体在计算机内的常用表示法

对于三维几何元素或简称三维形体，最常用的表示法有两种：CSG和BRep。

① CSG表示法：先定义一些形状比较简单的常用体素，如方块、圆柱、圆锥、球、棱柱等。然后用集合运算并、交、差把体素修改成复杂形状的形体。早期的CSG模型仅使用代数方程及半空间的概念，体素只支持多面体与二次曲面体，而不支持表面含有自由曲面的实体。整个模型是棵树结构，最终形体的表面交线与有效区域没有显式给出，不能直接用于NC加工与有限元分析等后继处理。

② BRep表示法：用点、边、面、环以及它们之间相互的邻接关系定义三维实体，形体表面、边界线、交线等都显式给出。但是生成个别形体的过程相当复杂、不直观，不可能由用户直接操作。它的优点是能支持所有类型的曲面作为形体表面。能直接支持NC加工与有限元分析等，故其优缺点恰与CSG模型相反。后来，人们转向使用CSG与BRep的混合模型。

③ CSG与BRep的混合模型表示法：用CSG作为高层次抽象的数据模型，用BRep作为低层次的具体表示形式。CSG树的叶子结点除了存放传统的体素的参数定义，还存放该体素的BRep表示。CSG树的中间结点表示它的各子树的运算结果。用这样的混合模型对用户来说十分直观明了，可以直接支持基于特征的参数化造型功能，而对于形体加工，分析所需要的边界、交线、表面不仅可显式表示，且能够由低层的BRep直接提供。

(2) 三维形体的集合运算

通常一个形体是由两个或两个以上较简单的形体(称之为体素)经过集合运算得到的集合运算子包括并、交、差。设A和B是两个用BRep表示描述的维数一致的多面体，集合运算结果形体C=AB的步骤可简介如下：

① 确定集合运算两形体之间的关系：形体边界表示BRep结构中的面、边、点之间的基本分类关系分别是"点在面上"、"点在边上"、"两点重合"、"边在面上"、"两边共线"、"两个多边形共面"等六种关系。先用数值计算确定"点在面上"的关系，其余五种关系可以根据"点在面上"关系推导出来。当这些关系发生冲突时，就用推理的方法解决冲突。

② 进行边、体分类：对A形体上的每一条边，确定对B形体的分类关系(A在B形体内、外、上面、相交等)；同样对B形体上的每一条边，确定对A形体的分类关系。

③ 计算多边形的交线：对于A形体上的多边形PA和B形体上的每一个多边形PB，计算它们的交线。

④ 构造新形体C表面上的边：对于A形体上和B形体上的每一个多边形PA、PB，根据集合运算的算子收集多边形PA的边与另一个多面体表面多边形PB的交线以生成新形体C表面的边，如果多边形PA上有边被收集到新形体C的表面，则PA所有的平面将成为新形体C表面上的一个平面，多边形PA的一部分或全部则成为新形体C的一个或多个多边型。如果定义了两个形体A和B的完整边界，那么形体C的完整边界就是A和B边界各部分的总和。

⑤ 构造多边形的面：对新形体C上的每一个面，将其边排序构成多边形面环。

⑥ 合法性检查：检查形体C的BRep表示的合法性。

基本概念

1、扫掠(Sweeping)

把一个元素沿着一条路径"扫出"的一个立体特征叫做面特征。这些体积要么加到物体上("拉伸(extrusion)")要么切除材料("切割路径(cutter path)"). 也叫做'基于草图的造型(sketcher based modelling)'. 和各种制造技术类似，例如挤压(extrusion),铣(milling),车削(lathe)等等。

2、边界表示(Boundary representation)

一个立体可以用其边界表面表达，然后填充成为实体. 也成为'曲面造型surfacing'。 和各种制造技术类似；注模(Injection moulding),铸造(casting)，锻造(forging)，热塑加工(thermoforming)，等等。

3、参数化体素(也称基元)实例化Parameterized primitive instancing.

从一个参数化的体素库中挑出并指定参数得到一个物体 例如，螺栓在库中有一个模型，通过修改它的参数集合这个模型可以用于所有螺栓的尺寸

4、空间占领(Spatial occupancy,或空间枚举)

整个空间子分成规则块(cell，或细胞，胞腔)，物体通过指定它占据了那些块来表示。 这样表示的物体可用于有限差分析，这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。

5、分解Decomposition

和"空间占据"类似，但是块可以不规则，也不用"预编织".

这样表示的模型可以用于有限元分析

这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。

6、构造实体几何(Constructive solid geometry).

用象并，差，交这样的布尔操作把简单的物体组合起来，通常有树形的等级结构(组合体可以再组合)。

7、基于特征的造型(Feature based modelling)

物体和操作的复杂组合可以作为一个单元一起修改和复制，操作的顺序存储在一个树状结构(boolean tree or feature tree)中，参数的改变可以在树中传播(propagate)。

8、参数化造型(Parameteric modelling)

特征的属性被参数化，并给予标签(变量名)而不仅是固定的数字尺寸，整个模型的参数间的关系也记录下来，使得参数值的改变变得更简单。 几乎总是和特征联合使用，称为基于特征的参数化造型系统。

分类

计算机对几何模型的表示模式，按其复杂程度，一般分为线框模型、表面模型和实体模型三种。

线框模型(wireframe Modeling)是CAD技术中最早使用的三维模型，它表示的是物体的棱边。它由物体上的点、直线、曲线等几何要素组成，在计算机内部以点表和边表来表达。点表描述每个顶点的编号和坐标，边表说明每一棱边起点和终点的编号。如对立方体的描述：立方体由六个表面组成，每个面由四条棱边围成，每条棱边通过两个端点来定义，这种关系形成了一个树状结构。只要给定下层每个顶点的坐标值，形成顶表，棱线的编号形成棱线表，就能唯一地确定该立方体。应当说，物体是边表和点表相应的三维映射。

由于线框模型的构成元素是点、线、圆、圆弧、B样条曲线等，其数据结构简单，运算速度快，有很好的交互作图功能。但它也有局限性，如不能进行体积、面积、重量等几何特性的计算。由于不便消除隐藏线，有时图形表达的结构关系不清楚，这时就需要表面模型来完善。

表面模型(Surface Modeling)是以物体的各表面为单位来表示形体特征的。它在线框模型的基础上增加了有关的面和边的结构信息(拓扑信息)，给出了顶点、顶点与边、边与面之间的二层拓扑信息。因此，它可以描述物体的表面特征。

表面模型的表面可以用许多小面片拼合而成。这些面片可以是平面、规则曲面(解析曲面)和参数曲面。采用表面模型可以对产品作消隐、着色、剖面、表面积计算、曲面求交等操作。但它对物体的内部和外部、空心还是实心等信息还不能指明，所以只适用于对物体外壳的描述。实体模型弥补了这些缺点。

实体模型采用有向棱边右手法则确定所在面外法线的方向，以描述表面的哪一侧是存在的实体。这样就能分清体内、体外，形成实体模型。它的计算比线框模型和表面模型复杂得多，但它记录的不单是全部的几何信息，而且还记录了全部点、线、面、体的拓朴结构信息，是一种可以全面反映物体的结构、尺寸和性质的几何模型。

造型方法

在实体造型的应用软件中，使用的几何实体造型的方法一般有扫描表示法、构造实体几何法(()SG法)和边界表示法(B-rep法)三种。此外还有单元分解法、参数形体调用法、空间枚举法等，但使用场合不多。

扫描表示法

是用曲线、曲面或形体沿某一指定路径运动后生成2D或3D物体的一种常用造型方法。它要具备两个要素：首先，要给出一个运动形体(基体)，基体可为曲线、曲面或实体。其次，要给出基体的运动轨迹，该轨迹是可以用解析式来定义的路径。扫描法非常容易理解，而且已被广泛应用于各种CAD造型系统中，是一种实用而有效的造型手段。它一般分两种类型：平移扫描和旋转扫描。

平移扫描是指将一个扁平的形体按指定的方向平移一段距离后得到的形体。在实践中，它往往只需有一个物体的横断面，再指定平移的方向和距离就能生成。但它只限于具有“平移对称性”的实体操作。

旋转扫描类似于车床车零件，是指某一形体沿着指定的轴作旋转运动，旋转后得到相应形体的造型方法。用此方法得到的面是旋转面。当被旋转的不是一条曲线，而是一个2D封闭曲线时，旋转扫描后得到的结果是一个3D实体。但它只限于具有“旋转对称性”的实体。

构造实体几何法

即CSG方法，也称几何体素构造法，是以简单几何体素构造复杂实体的造型方法。其基本思想是：一个复杂物体可以由比较简单的一些形体(体素)，经过布尔运算后得到。它是以集合论为基础的。首先是定义有界体素(集合本身)，如立方体、柱体、球体等，然后将这些体素进行交、并、差运算。

CSG可以看成是将物体概括分解成单元的结果。在物体被分解为单元后，又通过拼合运算(并集)使之结合为一体。CSG可进行既能增加体素，又能移去体素的布尔运算。一般造型系统都为用户提供了基本体素，它们的尺寸、形状、位置都可由用户输入少量的参数值来确定，因此非常便捷。

CSG表示法可比作机械装配。机械装配是先设计制造产品零件，然后将它们装配成产品。CSG表示法是先定义体素，然后通过布尔运算将它们拼合成所需要的几何体。在拼合过程中的几何体都可视为半成品，其自身信息简单，处理方便，并详细记录了构成几何体的原始特征和全部定义参数，甚至可以附加几何体的体素的各种属性。CSG表示的几何体具有唯一性和明确性。然而一个几何体的()SG表示方式却是多样的，可用几种

不同的CSG树表示。就像一个半球体，既可以看作是一个球减去一半，也可以看作是两个相同的1／4个球拼合而成。

关于构造实体几何法，我们在AutoCAD，3DSMAx，Rhino等应用软件中早有体会。其直观的造型手段，今天仍被广泛地应用。

边界表示法(B-rep法)

是一种以物体的边界表面为基础，定义和描述几何形体的方法。它能给出物体完整、显示的边界的描述。这种方法的理论是：物体的边界是有限个单元面的并集，而每一个单元面都必须是有界的。边界描述法必须具备如下条件：封闭、有向、不自交、有限、互相连接、能区分实体边界内外和边界上的点。边界表示法其实就是将物体拆成各种有边界的面来表示，并使它们按拓扑结构的信息来连接。B-rep的表示方法，类似于工程图的表示。在图形处理上有明显的优点。根据B-rep数据可方便地转换为线框模型，便于交互式的设计与修改调整。用B-rep法既可以用来描述平面，又可以实现对自由曲面的描述。

以上我们介绍的两种造型方法都有各自的特点和不足，很难相互替代。CSG法以体素为基础，它不具备面、环、边、点的拓朴结构关系。尽管数据量很小，但局部修改困难，显示速度慢，曲面表示困难。从CAD／CAM的发展看，CSG表示法不能转换为线框模型，也不能直接显示工程图，因此有很大局限性。而B—rep表示法虽然能表示曲面，有完整的拓朴信息，但庞大的数据量和复杂的数据结构也成了它的弱点。

在许多CAD系统中，常常采用两者综合的方法进行实体造型。一般采用CSG模型系统为外部模型，而用B-rep模型为内部模型，取二者之所长，一起作为几何数据模型。这样，它们的信息相互补充，确保几何模型的完整与精确，并可大大提高工作效率。

空间枚举法

所谓空间枚举法也叫空间单元法，它是先将空间分割成固定的形状(如正方形、立方体等)，并有规则地分布在空间网格位置上，然后在网格上生成物体。根据物体在网格空间中所占据的网格位置来定义物体的大小和形状。用这种方法描述的物体可看作是空间一组连续的点的集合，有点类似于平面中的像素图形。得到的实体是近似的表示，其精确程度取决于空间分辨率。

参数形体调用法

参数形体调用法是指由基本形体或形体的线性变换而生成新的形体的方法，如由立方体经过变换而形成长方体。这种变换可看作是对原始立方体的某种调用，所以称参数形体调用法。基本形体称为基本体素(如立方体、柱体、球体等)。对它们进行简单的比例变换，就产生各种新的形体。变换后的形体与原形体之间的拓扑性质并未改变。通常采用这一方法来生成形状类似但大小不同的物体。

如今几何造型建模技术不仅应用于CAD／CAM领域，在虚拟现实、科学计算可视化及计算机动画制作等方面都得到广泛应用。现在它正朝着“产品数字模型”、“特征模型”及“采用基于NURBS裁剪曲面的几何造型结构”等方向发展。在计算机虚拟产品造型中，还涉及到物体的材质、颜色等表面属性的计算和表示，涉及到光照模型的研究，明暗处理方法的研究等真实感显示方面的内容。

发展趋势

1、特征造型技术

基于特征的设计技术是一种面向产品制造全过程，描述信息和信息关系的产品数字建模方法。实体造型技术属于无约束自由造型。随着CAD技术的长足发展，基于约束的实体造型技术已成熟起来，并以此为基础开发出了先进的新一代实体造型软件，如Pro-Engineer，I—DEAS，Solid works等，都是这种技术的典型代表。这种技术的理论就是参数化造型理论和变量化造型理论。

20世纪80年代提出参数技术的工程师们成立了参数技术公司，即著名的PTC公司。他们研制开发出Pr/E参数化CAD软件。由于满足了企业对CAD的需求，采用了新的技术和方法，Pro/E取得了巨大成功。90年代，参数化技术在通用件设计上的简单易行的优势突出，使它成为与CATIA和UGⅡ等齐名的CAD／CAM软件产品。

变量化设计是马萨诸塞理工大学Cossard教授提出的。他采用了一种全新的算法，除使用几何约束外，还可引入力学、运动学、动力学等关系。到了20世纪90年代，SDRC公司的技术人员提出了变量化造型技术，并投入巨资，于1993年推出了全新体系结构的I-DEAS MS软件。它的出现避免了参数化技术中“全尺寸约束”的死板方式。因为硬性的尺寸约束使设计者必须将造型和尺寸统一起来考虑，繁杂的尺寸使设计者的创造性受到了限制。变量化设计改变了这种状况，能够实现在欠约束的情况下进行参数化设计，也使变量化造型理论独树一帜。

在CAD／CAM的集成中，科研人员开始注意到了对特征和特征造型方法的研究。特征是从造型中抽象、概括出来的，有一定“成组技术”的特性。参数化设计自然地被引入到特征应用中。

市场需求是推动技术发展的动力，近十年来，CAD市场竞争激烈，带动了软件商和研究机构对参数化、变量化和特征建模技术的高度重视，新技术新方法也层出不穷。SDRC于1991年在I-DEAS中应用了一项新交互技术——动态导航技术，能预测或提示操作，大大方便了产品设计。2D、3D绘图的全相关设计，使绘图中的某一参数修改后，相关图形的形状、尺寸随之自动调整更新。约束管理设计也提出了对产品中几何形体之间的关系进行控制管理，确保设计的模型具有合理的定义关系。这些技术的应用，使CAD／CAM系统上了一个新台阶，它既方便了设计者，使设计效率大大提高，同时也方便了生产者，使生产效率有了质的飞跃。

2、参数化造型技术

参数化造型技术的核心内容是参数设计。所谓参数设计是指用一组参数来定义几何图形的尺寸数值，并构造尺寸关系，然后提供给设计师进行几何造型使用的一种方、法。参数与设计对象的控制尺寸有一种对应关系，设计结果的修改靠尺寸驱动来完成。这种方法常用来设计一些产品的系列化标准件。参数化造型的主要技术特点有：

①约束——即用一些法则或限制条件来规定构成物体的各元素之间的关系。一般可将约束分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束一般指对大小、角度、直(半)径、坐标位置等可测量的数值量进行限制。几何拓扑约束指平行、垂直、共线、相切等非数据几何关系的限制。

②尺寸驱动——指在约束的条件下修改某一尺寸参数时，系统自动检索出该尺寸参数对应的数据结构，并找出相应的方程组计算出参数，最终驱动几何图形形状的改变。这种方式特别适应于工程设计人员的思维和工作方式。

③数据相关——指对尺寸参数的修改将导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。其优点在于：用尺寸的形式控制了几何形状。它彻底克服了自由建模的无约束状态。

④基于特征的设计——指将某些具代表性的平面几何形状定义为特征，并将其尺寸存为可调参数，用来形成实体，并以此为基础进行复杂的几何形体构造。

⑤包容性——指参数设计要适用于2D和3D几何造型的需要。

目前参数化设计中，最常用的方法是，从已有的CAD图形文件中查找约束关系，将固定尺寸的图形自动转换成参数化图形。对于许多系列化、标准化的通用件或定型产品(如阀门、夹具、液压缸等)设计中采用的数学模型及产品的基本结构都是相对固定的。所不同的是尺寸大小有差异，而这种差异是产品设计中取值不同所造成的。参数化设计的主要思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而设计出一批在形状或功能上具有相似性的方案。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解及参数化模型的构造。

三维的参数化模型是由几何模型和约束信息两大部分组成。根据几何尺寸约束和拓扑信息构造的依存关系，参数化造型分为两类：一类是约束直接作用在几何体素上，几何约束值不改变拓扑结构，这类造型系统以B-rep为其内部表达的主模型；另一类是先说明参数化模型的几何构成要素及约束关系，而模型的拓扑结构由约束关系来决定，这类造型系统以CSG表达形式为内部的主模型，可以改变模型的拓扑结构。

实体造型 CAD

因为PC的高速发展和有竞争力的软件价格，实体造型系统在过去十年中成了工程专业的常识课。它们是机器设计者的重要工具。

实体造型软件为机器设计和分析创造了一个虚拟现实。和操作者的界面得到了高度优化，包括可编的宏命令，键盘快捷键和动态模型操作。动态转动模型，实时三维明暗图的功能得到了强调，以帮助设计者维持思考中的三维影像。

设计者通常可以在其他人也在同时工作的时候对模型进行处理。例如，几个人同时设计一台有很多零件的机器。新零件创建后加入到装配模型。每个设计者都可以处理装配模型，并一边工作和加工他们自己的零件。整个设计的演变对所有参与者都是可见的。

一个实体模型通常由一组特征组成，一个一个加上去，直到模型完成。工程实体模型通常主要由基于草图的特征组成；二维草图沿着路径扫掠形成三维特征。这些可以是切割，也可以是拉伸等等。

另一类建模技术是“曲面造型”。其中，先定义曲面，然后裁剪，合并，最后填充成为实体。曲面通常由空间中的数据曲线和很多不同的复杂指令定义。曲面造型更困难，但是对于注模之类的制造技术应用起来更好。注模零件的实体模型通常既有曲面造型也有基于草图的特征。

另一个曲面造型很有优势的例子是车身面板。如果两块面板有不同的曲率半径，并融合在一起，保持切向连续性(意思是融合的表面方向不会突然改变只会光滑的改变)是不够的。在两块区域之间必须有连续的曲率变化率，否则他们的反射看起来会断开。

实体造型软件需要满足的条件

实体造型软件(至少)必须做到以下这些：

对实体零件建模； 对零件的装配建模；

维护零件和装配件的库；

计算零件和装配件的质量属性；

反映建造零件所需的”材料表“；

从实体模型建立工程图纸；

通过明暗图，转动，隐藏线消除等技术帮助更好的显示模型。

多数现代的软件包还包括附加的功能：

双向参数关联(任何特征的改变会反映在所有和该特征有关的信息中：图纸，质量属性，装配，等等，反过来也是一样)； 装配件的运动，碰撞，和间隙检测；

专门的附加模块(有限元分析，钣金，曲面造型，管/缆布线，电子部件封装)；

控制文档和改版级别的管理；

模型中包含可编程代码以控制和关联模型的相关属性；

数控机床的自动编程；

真实感绘制；

和其他软件包交换数据用的引入/导出程序；

可编程的设计学习和优化；

自动壳特征创建；

自动轴特征创建；

高级的视觉分析程序，用于轴，曲率，曲率连续性。

医用实体造型

现代计算机断层摄影(俗称CT)和核磁共振扫描仪可以为体内特征构造实体模型。

医学实体造型的用途：

可视化；

特殊组织的可视化(譬如血管和肿瘤)；

为快速原型提供实体模型数据(例如，用以辅助外科医生准备困难的手术)；

把医学实体模型和计算机辅助设计实体模型结合起来(例如，用于设计髋关节替代部件)。