基于VR技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)研究

胡貝

關(guān)鍵詞： VR技術(shù); 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì); 紋理渲染; 三維重構(gòu); 邊界體模型; 可視化視景

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0127?04

Abstract： A product style design method based on virtual reality （VR） simulation technology is proposed to improve the visual effect of product style design. The boundary volume model design technique is used to reconstruct the 3D modeling of the product. The texture rendering and scene database model construction method are combined to carry out the feature rendering and virtual scene design of the 3D product style， and establish the virtual scene database. The program output control is realized by means of rendering instruction for the product style information data in scene database to improve the model control ability of product style design. The visual simulation rendering tool Vega Prime is used to create the functional modules and simulate the visual scene in product style design. The 3D style design model of the product is constructed on the basis of VR technology. The simulation results show that the visual effect of VR design based on this method is perfect， and meets the requirements of special product style design.

Keywords： VR technology; product style design; texture rendering; 3D reconstruction; boundary volume model; visualization scene

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和視景仿真的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化水平，同時(shí)可以從多角度展示產(chǎn)品的造型。研究產(chǎn)品的造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在美術(shù)設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用價(jià)值[1]。在產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)中，采用實(shí)時(shí)視景仿真渲染軟件Vega Prime進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型三維重建，結(jié)合計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型的3D幾何特征分割和重構(gòu)，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的信息融合和交互能力[2]。傳統(tǒng)方法中，對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)重建方法主要有圖像融合方法、角點(diǎn)檢測(cè)方法、Softimage 3D圖形處理方法等[3?4]。其中，文獻(xiàn)[5]提出一種基于Multigen Creator的產(chǎn)品造型VR設(shè)計(jì)方法，基于B/S構(gòu)架進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型的VR渲染和三維建模，在嵌入式Linux中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)，但該系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中存在較大的比例失真，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的逼真度不高。文獻(xiàn)[6]提出一種基于三層體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品造型VR設(shè)計(jì)方案，在人機(jī)交互環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品造型的綜合設(shè)計(jì)和集成圖像處理，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的仿真可靠性，但該系統(tǒng)進(jìn)行多維產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)處理能力不好。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用邊界體模型設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的三維造型重構(gòu)，結(jié)合紋理渲染和場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建方法進(jìn)行產(chǎn)品三維造型的特征繪制和虛擬視景設(shè)計(jì)，以及產(chǎn)品造型VR設(shè)計(jì)模型優(yōu)化，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，展示了本文方法在優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)逼真度等方面的優(yōu)越性能。

1 ?產(chǎn)品造型VR設(shè)計(jì)總體構(gòu)架

1.1 ?設(shè)計(jì)原理描述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的優(yōu)化，首先進(jìn)行模型的總體設(shè)計(jì)分析。構(gòu)建產(chǎn)品造型的三維圖像重建模型，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行紋理渲染和特征重建，采用交叉信息融合方法，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的信息融合和圖像辨識(shí)跟蹤能力?；贐/S構(gòu)架進(jìn)行產(chǎn)品造型的信息交互和總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立在ADO.NET組件庫(kù)基礎(chǔ)上，在嵌入式ARM環(huán)境和B/S構(gòu)架中進(jìn)行產(chǎn)品圖形大數(shù)據(jù)信息處理和界面的信息交互開(kāi)發(fā)，構(gòu)建產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的圖像處理系統(tǒng)，結(jié)合軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行產(chǎn)品造型的模塊化紋理渲染，選用MBM29LV400BC作為邏輯譯碼控制組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的界面交互性處理，結(jié)合大數(shù)據(jù)信息嵌入式總線控制方法，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息處理和特征融合能力。在人機(jī)交互環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品造型的綜合調(diào)度和智能信息管理，從而提高產(chǎn)品造型的VR虛擬重構(gòu)效能。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理和開(kāi)發(fā)環(huán)境描述，進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的總體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[7]。

1.2 ?產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型總體建模

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型主要分為圖形圖像處理模塊、圖像編譯模塊、三維圖形重建模塊、交叉編譯控制模塊、程序加載模塊、圖形渲染模塊以及VR虛擬仿真模塊。采用人機(jī)交互的總線開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品VR造型設(shè)計(jì)的總線傳輸調(diào)度和信息挖掘。根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型分為三層體系，分別為數(shù)據(jù)采集層、圖形圖像處理層、VR視景仿真層。采用Vsgr （Rendenring library）渲染軟件進(jìn)行底層數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)，建立交叉編譯器進(jìn)行協(xié)同數(shù)據(jù)過(guò)濾，采用Model Builder 3D中間件技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序配置和3D應(yīng)用文件的集成開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，采用VP類庫(kù)、VSG類庫(kù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用文件配置和輸出接口控制[8]。根據(jù)上述分析，構(gòu)建產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的總線開(kāi)發(fā)模型，結(jié)合VR可擴(kuò)展性的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的基于VR的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?產(chǎn)品造型的3D幾何模型建模

根據(jù)上述對(duì)產(chǎn)品造型VR總體設(shè)計(jì)模型構(gòu)架分析，進(jìn)行產(chǎn)品造型的3D幾何模型建模分析，結(jié)合紋理渲染和場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建方法進(jìn)行產(chǎn)品三維造型的特征繪制和虛擬視景設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的基于VR技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)模型開(kāi)發(fā)環(huán)境建立在3DStudio MAX，Softimage軟件環(huán)境中[9?11]。考慮模型的渲染效率，進(jìn)行產(chǎn)品造型的三維幾何建模，結(jié)合可視化仿真技術(shù)，采用紋理渲染方法進(jìn)行造型賦材質(zhì)處理，在Face Tools中選擇產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的幾何面的類型，構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，結(jié)合體模型設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建3D幾何造型的特征分布的像素集為[I（x，y）]，采用模板匹配方法進(jìn)行再分割，構(gòu)建3D幾何模型的紋理區(qū)域和場(chǎng)景區(qū)域分別為[R1]和[R2]，采用點(diǎn)匹配方法進(jìn)行3D產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的自適應(yīng)成像跟蹤識(shí)別。采用3D幾何建模方法進(jìn)行3D產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的像素點(diǎn)特征分布重組，重組方程為：

3.2 ?程序輸出控制

結(jié)合紋理渲染和場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建方法進(jìn)行產(chǎn)品三維造型的特征繪制和虛擬視景設(shè)計(jì)。在三維造型設(shè)計(jì)中構(gòu)建三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，采用OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)中的稀疏點(diǎn)重構(gòu)，三維數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)建模的基礎(chǔ)。采用Multigen Creator 3.2建模，將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中的產(chǎn)品造型數(shù)據(jù)信息通過(guò)渲染指令實(shí)現(xiàn)程序輸出控制，將產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的三維實(shí)體模型載入Vega Prime中，結(jié)合可視化應(yīng)用程序建立產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的模型開(kāi)發(fā)庫(kù)，使用Vega Prime，Creator，Matlab等聯(lián)合編程工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型的三維開(kāi)發(fā)[15]。用視景仿真渲染工具Vega Prime進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的功能模塊創(chuàng)建和可視化視景仿真，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的模型控制能力。構(gòu)建程序輸出控制模塊，在視景仿真端中完成產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的視景仿真。最后利用套接字（Socket）建立網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于VR技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制和程序加載，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

4 ?仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用Matlab進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的圖像算法處理，在Vc.net平臺(tái)上建立產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的三維視景仿真平臺(tái)，構(gòu)建客戶端進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的可視化分析，建立人機(jī)交互接口進(jìn)行視景仿真控制。采用Microsoft Visual Studio開(kāi)發(fā)組件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和信息處理，設(shè)計(jì)的內(nèi)插點(diǎn)的分布范圍為200×300，像素級(jí)分布為400×400，對(duì)產(chǎn)品造型的三維信息采集的樣本數(shù)為2 000，離散的產(chǎn)品造型高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的樣本數(shù)為1 024。根據(jù)上述仿真參量設(shè)定，進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，以某機(jī)械臂產(chǎn)品為例，得到設(shè)計(jì)原始效果圖如圖5所示。

采用本文方法進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合紋理渲染和三維重建技術(shù)得到優(yōu)化的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。分析圖6得知，采用本文方法進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，提高了紋理渲染和場(chǎng)景性能，產(chǎn)品的可視化效果和逼真度更高。分析不同方法進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的輸出信噪比，得到的結(jié)果如圖7所示。分析圖7得知，本文方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型圖像輸出信噪比更高，說(shuō)明質(zhì)量更好。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文研究產(chǎn)品造型的三維VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)方法，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的智能性和逼真度。采用圖像處理方法進(jìn)行產(chǎn)品造型的VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)，結(jié)合紋理渲染和場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建方法進(jìn)行產(chǎn)品三維造型的特征繪制和虛擬視景設(shè)計(jì)，建立虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中的產(chǎn)品造型數(shù)據(jù)信息通過(guò)渲染指令實(shí)現(xiàn)程序輸出控制，提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的模型控制能力，基于VR技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)模型。研究表明，本文方法進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的輸出性能較好，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品逼真度較高，可視化效果較好。

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