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基于 VR 技术的虚拟车间可视化系统研究
2015年11月27日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:陈波,孙文磊,崔权维,洪荣荣
    单位:新疆大学机械工程学院

    摘要: 为了研究虚拟车间可视化问题,通过 UG、3dsmax 等三维图形软件创建一系列的机床、桌椅等 3D 模型,基于 OpenGL技术对 Nvision 平台( 虚拟软件平台的一种,即 VirtualReality 平台,简称 VR) 系统进行二次开发,实现了虚拟车间的快速高效可视化。解决了虚拟系统显示动画速度慢、效果差的问题,实现了利用计算机及液晶显示器( LCD) 外设投影等装置生成较为真实的 3D 模拟动态仿真环境。

    0 引言

    随着近几年虚拟现实技术在国内快速发展,车间的设计和车间布局优化以及员工培训等都有了较为简洁的方法,逐步抛弃了传统的纸面设计与计算的方法。通过对 VR 技术的二次开发,综合利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感技术,模拟人的视觉、听觉和触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟环境中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,脱离传统的设计和管理方式,促进生产制造业的发展[1]。

    本文研究如何利用 VR 技术实现虚拟车间快速高效可视化的方法,并为进一步实现车间设计、布局优化以及员工培训等打下坚实的基础[2-3]。笔者以新疆某模具加工企业为应用实例进行研究,阐述了虚拟车间可视化系统开发过程及其在车间布局优化中的具体运用,为决策者和研究者提供了一个可靠且真实的虚拟车间可视化系统。

    1 虚拟车间模型创建

    1.1 模型创建

    1) 根据制造产品及其工艺要求,确定加工设备的类型和 数 量,进而按照生产规模来设计车间的尺寸[4-5]。本文的研究对象是新疆某模具加工企业,通过初步对车间厂房设备的统计与测量,为虚拟模具厂车间可视化系统开发提供基本依据。

    2) 统一 UG、3dsmax 等三维图形制作软件的单位,以便保证导入不同软件平台时数据的可利用性。在三维图形软件中创建 3D 模型: 如车间厂房、桌椅及各种数控机床等。

    3) 在 3dsmax 软件中为三维模型进行 UV 贴图即将 UV 轴方向上图像的每一个点精确对应到模型物体的表面,在点与点之间的间隙位置由软件进行图像光滑插值处理、设置其灯光参数,进而测试渲染并不断调整 UV 贴图位置,使其表面纹理达到最佳效果。例如,数控机床 UV 贴图处理前后效果对比如图 1 所示。


图 1 数控机床 UV 贴图处理前后效果对比

    由于模型数据的规模较大,在将所有模型逐一导入到 3dsmax 软件的过程中,数据存储和计算变得很复杂,渲染速度直接影响浏览器的显示速度,并可能导致场景逐渐失真。

    为了解决动画过程中产生的光斑闪烁问题以及能够加快操作时的实时渲染速度,本文通过 OpenGL技术对虚拟车间进行二次开发,应用不同视角多层次分辨率显示算法,解决了计算机渲染效果差、显示速度慢的问题。

    1.2 模型的层次细节转化技术

    模型的层次细节转化技术是基于 C++ 平台,使用 Open GL 技术开发和扩展以及使用边折叠算法来实现模型与视点相关的层次细节动态简化,使计算机在交互显示的过程中可快速调用任意层次细节的 LOD( Levels of Detail) 模型,即可根据物体模型节点在显示环境中所处的位置和重要度,决定物体渲染的资源分配,降低非重要物体的面数和细节度,从而获得高效率的渲染运算[6-7],进而,在实时图形绘制生成时,根据视点的不同对复杂模型进行有选择的实时细化,可以生成初始精细模型和粗糙模型之间的具有无数不同细节度的中间模型,避免了因对事先生成的若干离散 LOD 模型进行逐一存储[8]而出现的图像“跳跃”现象,节约了模型的存储空间,也使图像具有连续性。

    模型的层次细节动态简化利用了边折叠算法,其原理图如图 2 所示,图 2 中数字 1~7 分别代表面 1 ~面 7。图 2 中的每个三角形代表不同的平面,所有的三维模型均可视为由不在同一平面的多个三角形面片构成,并且根据边折叠算法的规则对模型进行简化,即视点不同时屏幕呈现出模型的三角形面数也会智能变化。


图 2 模型的层次细节动态简化原理图

    多层次细节显示实例如图 3 所示,图 3 中的近视点比远视点呈现更多的细节层次,即含有更多的三角形面数。


图 3 多层次细节显示实例

    以图 2 中模型为例,通过算法选定一条有向边 ab以及相关的点 a、点 b 两个点,根据视点与模型的距离将点 b“折叠”至点 a,然后修改拓扑关系,将与点 b 相关的边映射到点 a,最后完成简化操作。一次简化可以减少源模型的一条边 ab 和两个面( 面 1 和面 6) 。

    利用边折叠算法简化复杂几何模型的步骤如下:

    1) 对所有的顶点,分别计算各个顶点折叠到邻近顶点的代价 cost,即此顶点到邻近顶点的位移,并记录最小边的折叠代价值和顶点位置坐标; 

    2) 比较所有顶点最小边的折叠代价值,按折叠代价由小到大排列,建立代价值列表; 

    3) 给定边折叠代价的范围为 0 < cost < δ( δ 可根据视距与模型尺寸的比例适当调整; 视距一定时,δ 越大,三维实体显示的三角形面数越少,图像越模糊) ,例如代价列表中点 a 最小的折叠代价为 ab边,且其折叠代价值 cost( min a) < δ,则要对边 ab 执行折叠操作,将顶点 b 折叠到顶点 a; 

    4) 移去顶点 b 和包含边 ab 的三角形,并用顶点 a 替代三角形中的顶点b; 

    5) 重新计算顶点 a 折叠到邻近顶点的最小边折叠代价值,更新代价值列表; 

    6) 重复第 2) 步~第 5) 步,直到 cost( min i) > δ,i 代表任意一个顶点。跳出循环,算法结束。

    这样就能使计算机根据视点的变化,自动地迭代生成绘制模型不同层次细节的图,该计算方法简便,视图具有显示速度快、视图连续性强和无图像“跳跃”等特效。最终得到的车间俯视图和虚拟车间布局如图 4 和图 5 所示。


图4 车间俯视图           图 5虚拟车间布局图

    2 虚拟车间可视化的实现

    虚拟车间可视化开发流程如图 6 所示。


图 6 虚拟车间可视化开发流程

    为了解决场景中模型数量多导致的显示动画效果差、速 度 慢 的 问 题,本文采用了第三方软件Wcvt2pov 将另存为* .3ds 类型的三维模型文件转换为符合 OpenGL 格式的 C 类型文件,进而在 C + + 平台中调用 OpenGL 库的函数对 3DS 对象块、纹理块和材质块进行渲染显示以配合系统车间采用的动态多分辨率 LOD 模型。实现场景设计过程的代码见本文第 2.1 节参数设置部分( 限于篇幅,仅附部分代码) 。

    2.1 参数设置

    1) 在 VC + + 中读取* .3ds 模型文件及参数设置:

        #include " stdafx.h"

        #include < GL /gl.h >

        #include < GL /glu.h >

        #define DL_carMesh 0    ∥读取场景以及模型,外设等

    2) 为了保证在漫游场景中鼠标对视角的控制,需要对外设控制函数进行调用:

       void myAppManager: : Load( ifstream& file )

       {       ∥Static architecture

           m_pVEVector.push_back( new myVE( " Env" ) ) ;

          m_pVEVector.back( ) - > Load( file) ;

         myMouseSimulator * pMouseCtrl = new myMouseSimulator ( "Mouse" ) ;   ∥虚拟鼠标控制实现,载入模型

        }

    3) 可对载入的模型数据信息进行参数设置:

        Void ReadVertList( H3dsMeshObj* 3meshobj) ∥读入当前形体对象的顶点列表

        Void ReadFaceMaterial( H3dsMeshObj* 3meshobj) ∥ 读入当前形体对象的纹理坐标

        glLight{ if} [v]( GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambi2ent) ∥调函数实现光参数设置

        glEnable( GL_LIGHTING)

        glEnable( GL_LIGHT0) ∥启动光照

       ……

    4) 为 了 使 场 景 更 加 真 实,调 用 函 数 Void CT3DsystemView 对窗外的空白场景进行背景天空设计,加载纹理影像。

    2.2 动画录制实现

    通过 MFC 类向导新增加一个 Generic Class 类,可设类名为 CAVICapture。调用 star( ) 函数完成 AVI 文件的名称、录制帧的大小、录制帧率和压缩方式等信息的设置,最终的车间 3D 渲染效果与实际车间对比如图 7 所示。

    3 结语

    本文通过 UG、3dsmax 三维软件对车间的各个三维实体模型以及厂房进行建模,并采用第三方软件Wcvt2pov 将* .3ds 类型的模型文件转换为符合 OpenGL格式的 C 类型文件,然后在 C + + 平台中对虚拟系统进行二次开发生成 IVE 格式文件,在 Nvision 虚拟现实平台上,开发实现了虚拟车间的可视化系统,并为管理决策者进一步实现车间设计、布局优化,以及员工培训等提供了便利条件[9]。

    作者简介:

     陈波,硕士研究生,研究方向为 CAD/CAM 及先进制造技术。孙文磊,博士生导师,教授,主要研究方向为 CAD/CAM 及先进制造技术。E-mail: 378368539@ qq.com

    参 考 文 献:

    [1] 熊金猛.基于增强现实的车间布局系统的研究[D].武汉: 华中科技大学,2006 .

    [2] 肖田元.虚拟制造[M].北京: 清华大学出版社,2004.

    [3] 吴艳君.基于 VR 技术的 SMT 仿真实训系统的研究与实现[D].大连: 大连海事大学,2009.

    [4] 魏家鹏,马修泉.虚拟车间的调度与优化[J].中国科技信息,2005( 23) : 98 - 100.

    [5] 徐富亮.虚拟车间的研究、设计与实现[D].武汉: 武汉理工大学,2009.

    [6] 吴颖,张新家,茹芬.基于四叉树分割的连续 LOD 漫游地形绘制[J].计算机技术与发展,2011( 04) .

    [7] 钟玉琢.多媒体计算机与虚拟现实技术[M].北京: 清华大学出版社,1999.

    [8] 淮永建.虚拟场景中实时图形绘制关键技术研究[D].西安: 西北工业大学,2002.

    [9] 刘继红.从虚拟世界中获得现实效益[J].中国汽车报2000( 08) .


标签:车间工业
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