工程模型在智能制造可視化中的應(yīng)用分析

張東明，劉海娜

(黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

2015年5月提出《中國(guó)制造2025》以來，智能制造的概念一次次進(jìn)入人們的視野，并被不斷地補(bǔ)充和完善，各領(lǐng)域的制造業(yè)也都在不斷地進(jìn)行智能化升級(jí)改造，遍布全球的智能化工廠也都在設(shè)計(jì)與重建。智能制造具備自主狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、系統(tǒng)自主決策、命令精準(zhǔn)執(zhí)行、平臺(tái)自我優(yōu)化等一系列特征，基于并引導(dǎo)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、可視化等創(chuàng)新型科技領(lǐng)域發(fā)展。其中可視化表達(dá)是智能制造系統(tǒng)與操控者之間進(jìn)行人機(jī)交互的窗口，可視化表達(dá)是否友好直接影響智能制造系統(tǒng)的運(yùn)行及操控的效果，因此可視化技術(shù)也逐漸被人們重視并發(fā)展成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，如何讓系統(tǒng)擁有高質(zhì)量的可視化表達(dá)質(zhì)量也逐漸成為一個(gè)重要的課題。為此，本文依托河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心和焦作市物料輸送設(shè)備關(guān)鍵件制造工藝與裝備工程技術(shù)中心對(duì)工程模型在智能制造可視化中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。

1 可視化模型的要求分析

作為智能制造系統(tǒng)中的重要元素，可視化模型必須具備高度的準(zhǔn)確性，杜絕因模型誤差帶來的操控失真感或喪失指令執(zhí)行的精準(zhǔn)性；作為主要的人機(jī)交互窗口，可視化模型必須具備較好的可欣賞性，增強(qiáng)系統(tǒng)的操控感和交互性；受服務(wù)器硬件發(fā)展的限制，可視化模型必須要足夠的輕量化，才能為智能制造的分析和運(yùn)算節(jié)省更多的資源空間，使智能制造平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行更加流暢。

2 可視化模型的發(fā)展瓶頸

工程設(shè)計(jì)模型是一種精確的邊界描述(B-rep)模型，它通常會(huì)含有大量的幾何信息，隨著這些幾何信息的不斷更新和完善，單純地想要通過提高計(jì)算機(jī)的物理性能達(dá)到直接使用工程模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真、可視化呈現(xiàn)的目的基本上是不可能的，必須將工程模型進(jìn)行輕量化，以達(dá)到系統(tǒng)仿真模型的快速交互、即時(shí)響應(yīng)、實(shí)時(shí)渲染。3dmax具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，可以完成復(fù)雜模型的建立；具備多種數(shù)據(jù)接口，可以完成不同工程模型的轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)多種模型的呈現(xiàn)和兼容；具有良好的操作界面并具備強(qiáng)大的圖形處理引擎，可以完成質(zhì)量較高的可視化模型設(shè)計(jì)制作；可以通過自身工具插件進(jìn)行模型輕量，配合場(chǎng)景開發(fā)引擎中的多模切換、視差處理等技術(shù)手段，輕松完成可視表達(dá)中的模型呈現(xiàn)，成為目前應(yīng)用于可視化模型制作的主要工具之一。相比于3dmax制作的模型，工程模型圖像處理功能就顯得不足，往往無法表達(dá)出最佳的視角效果。但工程模型結(jié)構(gòu)更加接近實(shí)物、數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，幾乎可以完整還原工程裝備的所有信息，并可以將實(shí)物不能反饋的數(shù)據(jù)信息打包整理，存入平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使可視化的數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)更加精準(zhǔn)。但由于工程模型包含的信息量過大，在進(jìn)行可視化開發(fā)的過程中無法直接使用，系統(tǒng)往往要分配較大的資源去處理工程模型的加載、渲染、信息匹配等展現(xiàn)方式，在這個(gè)過程中有可能侵占系統(tǒng)的運(yùn)算資源，致使智能制造系統(tǒng)出現(xiàn)不良反應(yīng)，達(dá)不到智能制造可視化設(shè)計(jì)的初衷。

在目前智能制造的可視化建模過程中，往往由3dmax設(shè)計(jì)人員對(duì)比參照實(shí)物或者工程圖紙進(jìn)行模型重建，不僅浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，且建模精度低、誤差大。由于重建模型的人員往往不是機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，其知識(shí)系統(tǒng)與專業(yè)的裝備設(shè)計(jì)人員之間可能出現(xiàn)不對(duì)等，因?qū)I(yè)間差異導(dǎo)致的模型精度差的情況不可避免。因此在智能制造可視化中，想要得到專業(yè)精準(zhǔn)的可視化模型，就必須從工程模型出發(fā)，通過工程模型細(xì)分層次、拓?fù)滢D(zhuǎn)換，將復(fù)雜完整的工程模型整體分解為多個(gè)層次的二級(jí)模型，針對(duì)單個(gè)模型文件使用多種模型輕量技術(shù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)分布加載、場(chǎng)景切換等技術(shù)，完成智能制造可視化中的多種模型制作。而基于工程模型開發(fā)完成可視化模型正是工程模型在智能制造中的應(yīng)用，是工程模型在設(shè)備運(yùn)維階段應(yīng)用的開始，拓展了工程模型的應(yīng)用領(lǐng)域，使工程模型真正進(jìn)入一個(gè)全生命周期時(shí)代。

智能制造本身就是一個(gè)多學(xué)科融合的系統(tǒng)，那么對(duì)于可視化模型的制作也是一個(gè)多學(xué)科融合的工作。在可視化模型中包含設(shè)備、建筑、綠化場(chǎng)景等多種模型，分別對(duì)應(yīng)著機(jī)械設(shè)計(jì)、土木工程、游戲設(shè)計(jì)等多種高校培養(yǎng)專業(yè)。這些專業(yè)在高校中分屬于不同的院系，想在學(xué)校完成此類復(fù)合型人才的培養(yǎng)，難度較大。只有通過在行業(yè)中的不斷融合碰撞、溝通學(xué)習(xí)，才能逐漸培養(yǎng)出高質(zhì)量的可視化建模人員。

3 工程模型在可視化模型轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用方法分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容不同，模型展示內(nèi)容往往有很大差別，因此每種場(chǎng)景對(duì)模型的要求也不相同。在對(duì)生產(chǎn)工程整體呈現(xiàn)時(shí)，模型需要表現(xiàn)設(shè)備的位置、上下游鏈接關(guān)系、設(shè)備的大致輪廓等內(nèi)容，配合系統(tǒng)UI設(shè)計(jì)出智能圖表，更好地表達(dá)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容，增強(qiáng)可視系統(tǒng)的飽滿度。該場(chǎng)景中要求呈現(xiàn)更多的系統(tǒng)模型，而受到攝像機(jī)高度的影響，模型又不能夠看得非常清楚，只能看到整體外觀，結(jié)合計(jì)算機(jī)性能限制，可以在此處選用低精度模型(下文簡(jiǎn)稱低模)進(jìn)行呈現(xiàn)。而當(dāng)場(chǎng)景切換時(shí)，需要呈現(xiàn)具體設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)設(shè)備的外觀結(jié)構(gòu)和色彩表達(dá)的準(zhǔn)確性有了較高要求。這時(shí)系統(tǒng)通過輔助UI圖標(biāo)配合呈現(xiàn)模型可視內(nèi)容，增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可讀性和交互性。該場(chǎng)景對(duì)模型要求就相對(duì)較高，必須制作出能夠完全表達(dá)出外觀結(jié)構(gòu)及局部細(xì)節(jié)的中精度模型(下文簡(jiǎn)稱中模)。當(dāng)場(chǎng)景進(jìn)入設(shè)備爆炸視圖，進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析時(shí)，操作者主要通過可視模型完成對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和零部件的信息讀取。這時(shí)就需要制作出與設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、色彩完全一樣的高精度模型(下文簡(jiǎn)稱高模)，以幫助操控者更加直觀快速地理解設(shè)備實(shí)體。工程模型轉(zhuǎn)化為可視化模型的具體方法如下：

(1) 確定場(chǎng)景功能。在可視化模型制作前，首先要求智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)師完成模型功能應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，針對(duì)不同場(chǎng)景的具體要求，利用工程模型制作對(duì)應(yīng)的可視化模型。

(2) 刪除場(chǎng)景中不可見工程模型。對(duì)于在場(chǎng)景中不需要展示的模型，可以通過工程模型建模軟件進(jìn)行快速的模型特征刪除。針對(duì)模型的細(xì)節(jié)也要進(jìn)行精度調(diào)整，在不影響模型表達(dá)的前提下，將模型圓角調(diào)整為直角，減小模型多邊形數(shù)量，減輕后期模型輕量化難度。而由精度誤差導(dǎo)致的小尺寸凹凸及圓角可以通過后期的圖形視差來呈現(xiàn)。當(dāng)然對(duì)于場(chǎng)景要求的模型細(xì)節(jié)應(yīng)該予以保留，對(duì)于場(chǎng)景中不可見的隱藏零部件，在軟件中應(yīng)進(jìn)行刪除。在可視化中不需要分解的部件模型，可以在工程軟件中進(jìn)行零件壓縮，將功能要求中的最小部件壓縮合并成為零件模型文件，同時(shí)這也是工程模型交付的基本條件。

(3) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。工程模型保存成.fbx數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入3dmax。原有材質(zhì)信息應(yīng)該一起打包轉(zhuǎn)換，這樣使得后道工序的設(shè)計(jì)師能夠更加快速準(zhǔn)確地獲取模型的材質(zhì)和外觀參數(shù)，降低模型制作中的誤差，縮短模型制作時(shí)間。在3dmax中對(duì)導(dǎo)入的工程模型進(jìn)行分類編碼，方便在3dmax中分層分組地快速選擇和貼圖。在整個(gè)系統(tǒng)模型制作中，模型應(yīng)該有統(tǒng)一規(guī)范的編碼，方便系統(tǒng)對(duì)模型的讀取。

(4) 模型修整及輕量化。對(duì)于模型中有欄桿類模型的，應(yīng)該在貼圖前進(jìn)行模型替換，利用平面素模加欄桿貼圖的方式代替欄桿類模型。對(duì)于有大量圓形管道或者圓弧面的模型，應(yīng)該通過3dmax的插件工具進(jìn)行模型輕量化，降低圓弧細(xì)分段數(shù)，利用貼圖視覺效果獲取高質(zhì)量弧面視覺效果。

(5) 模型貼圖。利用Photoshop軟件制作模型貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等，將制作好的位圖及凹凸貼圖按通道貼到制備的模型中，可獲取可視化高精度模型。為保證可視效果的真實(shí)性，貼圖素材可以利用廠家設(shè)備照片進(jìn)行制作。在3dmax中對(duì)每一個(gè)部件模型進(jìn)行貼圖，然后再進(jìn)行模型的組裝，從而獲得所需要的高精度、高質(zhì)量模型。

(6) 高模拓?fù)涞湍?。利用制作得到的高精度模型來制備中模和低模所需要的單面貼圖。通過3dmax進(jìn)行模型拓?fù)浠蛑亟?，獲得中模和低精度模型素模，以保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)和尺寸。將高精度制作得到的貼圖以及凹凸貼圖貼到低模上進(jìn)行渲染，以獲得高精度模型的視覺效果。此類模型是通過視差及光影表現(xiàn)來完成高精度模型中的常用造型效果，使用過程中應(yīng)該注意燈光和視角的設(shè)計(jì)，不同的燈光效果和視角效果會(huì)出現(xiàn)視覺差異。在系統(tǒng)呈現(xiàn)時(shí)，通過模型的切換，完成在不同視角下的模型呈現(xiàn)。

利用工程模型制作多種可視化模型，在系統(tǒng)呈現(xiàn)時(shí)通過加載手段進(jìn)行多模型切換，大大降低了計(jì)算機(jī)在進(jìn)行模型加載和渲染時(shí)的負(fù)荷，從而在良好的呈現(xiàn)效果和計(jì)算機(jī)硬件升級(jí)中尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

4 工程模型開發(fā)應(yīng)用的意義

工程模型在裝備設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它憑借著三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，工程模型幾乎已經(jīng)打通了智能設(shè)計(jì)、智能制造、智能裝配等機(jī)械工程加工領(lǐng)域的全生命周期。隨著中國(guó)制造2025的提出，下游智能制造的不斷升級(jí)，機(jī)械工程裝備的運(yùn)維管理必將成為中國(guó)智能制造的又一重要課題。機(jī)械工程裝備的可視化是智能制造展示的窗口，如何做好可視化展示，構(gòu)建良好的人機(jī)交互平臺(tái)也將是機(jī)械裝備領(lǐng)域要探究的課題，它同時(shí)也是機(jī)械裝備應(yīng)用領(lǐng)域?qū)こ棠Ｐ瓦M(jìn)行全生命周期開發(fā)中補(bǔ)充和完善的重要環(huán)節(jié)。