工程機(jī)械三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

張帥，陳六海，高亞明，韓文俊

(解放軍理工大學(xué)， 江蘇 南京 210007)

工程機(jī)械三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

張帥，陳六海，高亞明，韓文俊

(解放軍理工大學(xué)， 江蘇 南京 210007)

工程機(jī)械的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)涉及工程機(jī)械的三維模型重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)問題，嚴(yán)重影響了國內(nèi)這方面的開發(fā)與應(yīng)用。研究了工程機(jī)械三維建模過程中的幾個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)難題。探討了基于快速三維擬合曲面技術(shù)和NURBS復(fù)合曲面重構(gòu)技術(shù)的工程裝備零部件的三維建模方法，闡述了建模步驟與生成方法。研究了三維模型的優(yōu)化方法，構(gòu)建了模型的優(yōu)化步驟，研究了模型優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)研究結(jié)果建立了場(chǎng)景逼真、操作交互性強(qiáng)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，為構(gòu)建基于三維模型的工程機(jī)械虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)；工程機(jī)械；模型重構(gòu)；模型優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的研制過程中，三維模型的精確建立發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高仿真度的三維模型可以真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、零件外觀甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給用戶以良好的沉浸感，獲得如同甚至超過真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的學(xué)習(xí)感受和體驗(yàn)。在虛擬三維模型的創(chuàng)建過程中如何把握模型的仿真程度，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)有很大影響，因?yàn)樗婕傲碎_發(fā)的軟硬件成本以及現(xiàn)有的運(yùn)行環(huán)境、條件等因素的限制。仿真程度恰當(dāng)?shù)娜S模型有利于虛擬訓(xùn)練發(fā)揮出更大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。本文以高速挖掘機(jī)為例，研究其三維模型的快速重構(gòu)技術(shù)和模型優(yōu)化技術(shù)。

1 工程機(jī)械零部件的NURBS復(fù)合曲面重建

以高速挖掘機(jī)為代表的工作機(jī)械，其模型數(shù)量多、外形復(fù)雜，建模任務(wù)重、難度大。本文綜合運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)構(gòu)造高速挖掘機(jī)零部件三維模型，基于三角Bezier曲面構(gòu)建方法和NURBS參數(shù)曲面擬合方法進(jìn)行自由曲面建模(NURBS曲面控制頂點(diǎn)示意圖如圖1)，構(gòu)建復(fù)雜、準(zhǔn)確的部件模型，力求模型的、精細(xì)、真實(shí)，為系統(tǒng)提供了形象逼真的訓(xùn)練對(duì)象。NURBS曲面數(shù)學(xué)模型為：

圖1 NURBS曲面控制頂點(diǎn)示意圖

對(duì)工程機(jī)械復(fù)雜零件建模，采用結(jié)合拼接和再修改的NURBS擬合曲面方法，其基本過程為：首先完成對(duì)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的過濾、排序、精簡(jiǎn)、分割等預(yù)處理，然后擬合生成多條u、υ方向的NURBS截面曲線，構(gòu)造出反映重建曲面基本外形的曲線網(wǎng)絡(luò)；其次，根據(jù)u、υ方向的輪廓邊界型值點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合生成封閉的重建曲面輪廓邊界曲線，以界定重構(gòu)曲面區(qū)域，保證重構(gòu)曲面模型連續(xù)、封閉；再次，在已構(gòu)造完成的u、υ方向NURBS截面曲線網(wǎng)格以及封閉的NURBS邊界曲線的基礎(chǔ)上，分別擬合生成若干個(gè)封閉、光滑的NURBS分塊基面；最后，將各分塊曲面進(jìn)行拼接、過渡、延伸、裁剪、光順等技術(shù)處理，并借助CAD系統(tǒng)的拉伸、布爾運(yùn)算、曲面倒角、縫合等特征造型功能進(jìn)行再修改，最后獲得符合要求的符合曲面。某挖掘機(jī)駕駛室殼體NURBS光滑拼接如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)駕駛室殼體NURBS光滑拼接圖

2 三維模型優(yōu)化方法

2.1 三維模型的優(yōu)化步驟

優(yōu)化技術(shù)是三維建模過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化結(jié)果的好壞將直接制約系統(tǒng)靜態(tài)導(dǎo)入的主要子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)用的有關(guān)維修場(chǎng)景的運(yùn)行效率和顯示速度。本系統(tǒng)中采用的優(yōu)化技術(shù)是貫穿在整個(gè)建模過程中的，是對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的改進(jìn)。三維建模優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 三維建模優(yōu)化流程圖

a) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1) 對(duì)初始化虛擬場(chǎng)景，按照?qǐng)鼍胺謮K(或模型分割)原則進(jìn)行處理，建立層次結(jié)構(gòu)。

2) 對(duì)上步處理過的結(jié)構(gòu)，按照調(diào)整層次建模原則進(jìn)行處理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

b) 紋理優(yōu)化

將數(shù)據(jù)預(yù)處理過的紋理，按照建模的實(shí)際需求進(jìn)行處理，如處理成簡(jiǎn)單分量紋理、進(jìn)行紋理格式優(yōu)化和紋理拼接等。

c) 模型優(yōu)化

將創(chuàng)建好的模型，使用可見消隱技術(shù)、紋理映射技術(shù)、實(shí)例化技術(shù)和 LOD技術(shù)等進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化多邊形數(shù)目，進(jìn)行模型優(yōu)化。

d) 場(chǎng)景優(yōu)化

將所有建立好的模型(系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外)，使用紋理映射技術(shù)、實(shí)例化技術(shù)、LOD 技術(shù)和外部引用技術(shù)等進(jìn)行整個(gè)場(chǎng)景的優(yōu)化處理。

2.2 模型的優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

1) 消除冗余多邊形

構(gòu)建實(shí)體模型時(shí)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，去除模型中不可見的多邊形可以減少系統(tǒng)中多邊形數(shù)量，在一定程度上也可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因?yàn)樵趫?chǎng)景瀏覽時(shí)它們時(shí)刻處于不可見位置，去除它們并不影響實(shí)體的視覺效果，但是卻可以很大程度上降低整個(gè)場(chǎng)景的復(fù)雜度，提高顯示速度。這里的冗余多邊形主要是指在實(shí)體外部觀察模型時(shí)不可見的部分。例如：樓房建筑的底座面、內(nèi)墻面以及體模型之間的連接面等。

2) 合理利用紋理

有效使用紋理不僅是一種增添場(chǎng)景真實(shí)感的有效方法，也是提高實(shí)時(shí)性的好方法。對(duì)于樹木、建筑和欄桿等具有較多細(xì)節(jié)的物體來說，如果過分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，會(huì)使工作量和模型復(fù)雜度驟然增大，而且可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行速度的下降。這里一般采用紋理映射的方法，在對(duì)應(yīng)位置的多邊形表面“貼上”紋理圖片，用來代替詳細(xì)的模型。

3) 使用實(shí)例化技術(shù)

當(dāng)三維復(fù)雜模型中具有多個(gè)幾何形狀相同但是位置不同的物體時(shí)，可以采用實(shí)例化技術(shù)。實(shí)例化是對(duì)數(shù)據(jù)庫中已存在模型的引用，外觀上的效果與復(fù)制相同，但實(shí)例并不是數(shù)據(jù)庫中真實(shí)存在的幾何體，而只是指向其父對(duì)象的指針。實(shí)例就像是一個(gè)模型的眾多影子，而實(shí)際物體只有一個(gè)，其他的通過平移，旋轉(zhuǎn)，縮放之后得到。也就是說在內(nèi)存中只裝入一次，這一點(diǎn)類似于動(dòng)態(tài)連接庫文件。因此，可以對(duì)某一實(shí)例的幾何特征、顏色、紋理等屬性進(jìn)行編輯，但這將改變所有實(shí)例的屬性。如果同一物體在場(chǎng)景中多次被使用，也就是說除了空間位置的不同之外，其他的屬性都一樣，那么可以只建立一個(gè)模型，在以后的使用過程中只要通過運(yùn)用實(shí)例的方法來引用該模型即可，也就是通過坐標(biāo)變換在不同的位置顯示同一個(gè)模型。這樣可以節(jié)省大量的硬盤和內(nèi)存空間。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)

1) 單元分割(Cell Segmentation)是將虛擬場(chǎng)景(或模型)分割成較小的單元，只有在當(dāng)前場(chǎng)景(或模型)中的實(shí)體才被渲染，因此極大地減少了處理場(chǎng)景(或模型)的復(fù)雜度。這種分割法對(duì)于地形模型和大型建筑物是非常適用的，因?yàn)樵谌说囊曇爸兴姷奈矬w只是整個(gè)虛擬環(huán)境中的很小的一部分，只處理當(dāng)前所見的物體大大提高了系統(tǒng)的速度。地形模型分成若干區(qū)塊，場(chǎng)景調(diào)度時(shí)可以只輸出其中的幾個(gè)單元區(qū)塊，而不必導(dǎo)入所有的模型。

2) 層次細(xì)節(jié)技術(shù)(Level Of Detail, LOD)

LOD技術(shù)主要是針對(duì)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即對(duì)于經(jīng)過單元分割后的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化多邊形的處理過程。LOD 簡(jiǎn)化多邊形的目的，不是為了從初始模型中移去粗糙的部分，而是為了保留重要的視覺特征來生成簡(jiǎn)化的模型，其理想的結(jié)果應(yīng)是一個(gè)初始模型序列的簡(jiǎn)化，這樣簡(jiǎn)化的模型才可以應(yīng)用于不同的實(shí)時(shí)加速(使用LOD技術(shù)三維場(chǎng)景可視圖如圖4所示)。

圖4 使用LOD技術(shù)三維場(chǎng)景可視圖

3 結(jié)論

本文研究了以高速挖掘機(jī)為代表的工程機(jī)械三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。論文研究按照現(xiàn)有零部件原型，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)構(gòu)造高速挖掘機(jī)零部件三維模型，運(yùn)用三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)建方法和以NURBS曲面為基礎(chǔ)的參數(shù)曲面擬合方法進(jìn)行自由曲面建模，構(gòu)建復(fù)雜的外覆蓋件(如駕駛室外殼、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、進(jìn)排氣道等)，本文的工作為工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供了形象逼真的訓(xùn)練對(duì)象。

[1] 王旭華.三維建模與機(jī)械工程圖[M].南京：東南大學(xué)出版社，2009.

[2] 李心成.三角曲面造型關(guān)鍵算法的研究與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東理工大學(xué)，2009.

[3] 孫玉文，吳宏基，劉建.基于NURBS的自由曲面精確擬合方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(3).

[4] 德芒熱.曲線與曲面的數(shù)學(xué)：貝濟(jì)埃模型·B-樣條模型·NURBS模型[M].北京：商務(wù)印書館，2000.

Research on Key Technique of Three-dimensional Modeling for Construction Machinery

ZHANG Shuai, CHEN Liu-hai, GAO Ya-ming, HAN Wen-jun

(PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007，China)

The virtual training system of construction machinery involves a large number of technical problems in three-dimensional model reconstruction which affect the promotion and application in our country. In this paper, several key techniques for the reconstruction of three-dimensional modeling are addressed. The reconstruction method for three views of machine parts is proposed based on rapid 3D surface fitting as well as NURBS composite surface. Then optimization method and steps of 3D modeling are accomplished. The modeling and sturcture optimization techniques are studied in detail. The virtula training system with real scence and considerable capability of interactive control is developed according to the research result, thus it provides better technical basis for the establishment of the virtual training system for the construction machinery based on 3D modeling .

virtual training system; construction machinery; 3D model reconstruction; model optimization; sturcture optimization

江蘇省青年科研基金資助(BK2012061)

張帥(1989-)，男，河南開封人，碩士研究生，主要從事工程裝備維修等方面的研究工作，已發(fā)表論文5篇。

TP391

A

1671-5276(2014)02-0013-02

2013-01-24