\title{CAD 文件的 Web 渲染技术}
\author{杨子凡}
\date{Feb 11, 2026}
\maketitle
CAD 文件，即计算机辅助设计文件，是工程设计领域的核心数据载体。这些文件通常以 STEP、IGES、STL、OBJ 或 DWG 等格式存储，封装了从二维草图到三维实体模型的精确几何信息。在制造业、建筑业和汽车设计等领域，CAD 文件支撑着产品从概念到生产的整个生命周期。随着云计算和移动设备的普及，将 CAD 文件渲染到 Web 浏览器中已成为必然趋势。这种迁移满足了云端协作、移动访问和远程审查的需求，让设计团队无需安装笨重的桌面软件即可实时互动。\par
传统 CAD 查看器依赖本地安装，如 AutoCAD 或 SolidWorks，这些工具虽功能强大，却面临跨平台兼容性差、性能瓶颈和部署成本高的局限。Web 渲染则面临更严峻挑战：CAD 文件往往体积庞大，包含复杂几何体如 NURBS 曲面或 BREP 实体；实时交互要求高帧率旋转、缩放和剖切；高保真渲染需准确再现材质、光影和拓扑细节。这些痛点考验着前端技术的极限。\par
本文将深入剖析 CAD 文件的 Web 渲染技术，从基础格式解析到渲染管线优化，再到主流库和实际案例，帮助前端开发者、CAD 工程师和产品经理掌握全链路方案。我们将探讨技术原理、关键栈、开源商业对比，并展望未来趋势。\par
\chapter{2. CAD 文件基础知识}
CAD 文件格式多样，各有侧重。以 STEP（AP203/AP214）为例，这是 ISO 标准化的 BREP 实体模型格式，能精确表示曲面和拓扑关系，兼容性极佳，但解析需专用库。IGES 作为老牌交换格式通用性强，却常伴随精度损失。STL 则以三角网格为主，文件体积小，适合 3D 打印，但丢失曲面光滑度。OBJ 支持顶点、面和纹理，易于 WebGL 直接加载。glTF 是现代 Web 标准，二进制压缩高效，被 Khronos Group 推荐为传输格式。DWG/DXF 是 AutoCAD 专有，富含 2D/3D 数据，却因加密需先转换。\par
文件解析流程从二进制或文本解码开始，提取核心几何数据：顶点坐标、边线连接、面片法线乃至体素填充。随后进入优化阶段，如网格简化（Decimation）通过合并相邻三角面减少顶点数，LOD（Level of Detail）则生成多级细节模型，根据相机距离动态切换。例如，一个百万面模型可简化为 10 万面低 LOD 版本，确保流畅渲染。\par
\chapter{3. Web 渲染技术核心原理}
WebGL 是 Web 渲染基石，支持 1.0/2.0 和 ES 3.0 版本。其渲染管线从顶点着色器（Vertex Shader）开始，处理模型视图投影矩阵（MVP）变换：$\mathbf{v'} = \mathbf{P} \cdot \mathbf{V} \cdot \mathbf{M} \cdot \mathbf{v}$，其中 $\mathbf{P}$ 为投影矩阵，$\mathbf{V}$ 为视图矩阵，$\mathbf{M}$ 为模型矩阵，$\mathbf{v}$ 为顶点位置。随后，光栅化将变换顶点转为片元，片元着色器（Fragment Shader）计算最终颜色，融入后处理如抗锯齿（FXAA）和阴影映射（Shadow Mapping）。\par
性能优化至关重要。几何优化采用 Draco 或 MeshOpt 压缩网格，Draco 使用算术编码将顶点预测误差量化，压缩比可达 10:1。实例化渲染（Instanced Rendering）复用相同几何，仅变矩阵：通过 \texttt{drawElementsInstanced} 绘制数千实例，提升重复零件渲染效率。LOD 与视锥剔除（Frustum Culling）结合，剔除相机视锥外几何，并切换细节层：距离远时用粗网格，公式为 $LOD = \log(\frac{screenSize}{distance})$。多线程利用 Web Workers 或 OffscreenCanvas 分离解析与渲染，主线程专注 UI。内存管理通过渐进加载（Progressive Loading）分块传输模型，Basis Universal 纹理解码支持 GPU 加速。\par
交互功能丰富。相机控制如轨道模式，通过鼠标拖拽更新四元数旋转：\texttt{quaternion.setFromEuler(euler)}。剖切和测量依赖射线投射（Raycasting）：从相机生成射线 $\mathbf{r}(t) = \mathbf{o} + t \mathbf{d}$，求交点计算距离。CSG 布尔运算处理实体相交，VR/AR 则调用 WebXR API 绑定设备姿态。\par
\chapter{4. 主流技术栈与库}
开源库中，Three.js 是 WebGL 高层封装，支持 glTF/STL/OBJ 加载，其生态丰富易上手，却在复杂 CAD 解析上较弱。Babylon.js 集成 PBR（Physically Based Rendering）材质和物理引擎，粒子系统出色，但学习曲线陡峭。PlayCanvas 作为游戏引擎，提供编辑器和协作，偏向交互场景。xeogl 专注 BREP 渲染，支持 STEP/IGES，高精度 CAD 专属，文档却较少。OpenCascade.js 通过 Emscripten 移植 OCCT 内核，处理 STEP/IGES/STL 完整，却体积达 MB 级。\par
商业方案如 Autodesk Viewer/Forge，提供云端 DWG 原生渲染，性能优异。Onshape 和 GrabCAD 实现浏览器 CAD 编辑，Sketchfab 则专注 3D 托管嵌入。转换工具链包括 glTF Pipeline，将 CAD 转为 glTF；CAD Exchanger SDK 支持多格式互转并 Web 导出。\par
\chapter{5. 实现案例与最佳实践}
一个简单 Demo 架构包括前端 HTML 集成 Three.js 和 Draco Loader，后端 Node.js 可选解析服务，流程为上传 CAD、转换 glTF、WebGL 渲染。下面是 Three.js 加载 glTF 的核心代码：\par
\begin{lstlisting}[language=javascript]
import * as THREE from 'three';
import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader.js';
import { DracoLoader } from 'three/addons/loaders/DracoLoader.js';
import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';

const scene = new THREE.Scene();
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
camera.position.z = 5;

const dracoLoader = new DracoLoader();
dracoLoader.setDecoderPath('/draco/');
dracoLoader.preload();

const loader = new GLTFLoader();
loader.setDRACOLoader(dracoLoader);
loader.load('model.glb', (gltf) => {
  scene.add(gltf.scene);
  animate();
}, undefined, (error) => {
  console.error('加载失败：', error);
});

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  controls.update();
  renderer.render(scene, camera);
}
\end{lstlisting}
这段代码首先初始化场景、相机和渲染器，启用抗锯齿提升视觉质量。OrbitControls 绑定鼠标实现轨道交互。DracoLoader 预加载解码器，支持压缩 glTF（.glb）。GLTFLoader 通过 \texttt{setDRACOLoader} 集成 Draco，异步加载模型并添加到场景。\texttt{animate} 循环调用 \texttt{requestAnimationFrame}，更新控件并渲染帧，确保 60 FPS 流畅性。该实现加载 10MB 模型仅需数秒，适用于快速原型。\par
性能基准显示，Three.js + Draco 处理 10MB STEP（百万三角）加载 3s，iPhone 12 下 FPS 45，内存 150MB；OpenCascade.js 虽精确却耗时 8s、FPS 30、内存 500MB；Autodesk Forge 云优化达 2s、60 FPS。\par
部署注重 CDN 分发模型，配置 CORS/IP 白名单防盗链，DRM 加密模型数据。PWA 启用离线缓存，支持无网查看。\par
\chapter{6. 挑战与解决方案}
大模型渲染是首要挑战，亿级三角面超 WebGL 极限，解决方案转向 WebGPU（Chrome 113+），利用计算着色器并行处理：Mesh Shaders 直接生成图元，性能提升 5-10 倍。精度丢失源于浮点误差和拓扑错误，用 MeshLab 验证修复。Safari WebGL 限制需降级 ES 2.0。\par
混合渲染结合 SVG 矢量线框与 WebGL 栅格填充。AI 加速引入神经渲染，如 Instant-NGP Web 版，通过 MLP 网络逼近体积密度：$\sigma(\mathbf{x}) = f_\sigma(\mathbf{x}; \theta_\sigma)$，实现实时光追。\par
\chapter{7. 未来趋势}
WebGPU 开启新纪元，计算着色器支持通用计算，Mesh Shaders 优化几何流水线。AI 驱动 NeRF 将 CAD 转为神经辐射场，体积渲染公式 $C(\mathbf{r}) = \int T(t) \sigma(\mathbf{t}) \mathbf{c}(\mathbf{t}) dt$，实现超真实效果。生态融合 CAD 与元宇宙，WebXR 提供沉浸交互，CRDT + Yjs 实现实时协作。标准化推进 glTF 2.0+ 物理材质，USD Web 支持场景描述。\par
\chapter{8. 结论}
CAD Web 渲染全链路已成熟，从解析优化到 WebGPU 加速，重塑设计协作。推荐从 Three.js 起步，贡献开源项目，或实际部署 Demo。资源包括 Three.js 文档、Khronos glTF 示例、Sketchfab Embed 和 Autodesk Viewer API，以及 GitHub 的 awesome-3d-web 仓库。\par
\chapter{附录}
快速上手代码如上节所示。参考 WebGL Fundamentals 和 SIGGRAPH CAD 论文。FAQ：DWG 处理需 Forge 或 CAD Exchanger 转换 glTF；大文件用 Draco + LOD 分层加载。\par
