采用Eonstudio技術建立虛擬三坐標測量機的研究

婁 燕1, 2，羅 烽1, 2，佘愛庸1，胡 琳1, 2

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采用Eonstudio技術建立虛擬三坐標測量機的研究

婁 燕，羅 烽，佘愛庸，胡 琳

（1. 深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳518060；2. 深圳市模具先進制造技術重點實驗室，廣東深圳518060）

利用Eonstudio技術創建虛擬人機交互仿真機，可以避免昂貴設備的損害，節約成本，也可用于昂貴設備的培訓系統中。針對該技術實施中真實模型建立和動態仿真交互技術難點，首先利用紋理坐標展開和烘焙技術建立真實感加強的虛擬三坐標設備模型，然后采用Eonstudio技術實現三坐標測量機的人機交互操作，最后利用流套接字編程模型實現兩臺計算機的信息通訊，完成虛擬三坐標測量設備的建立。在開發的一個初步原型系統中，證明了此方法的適用性和有效性。

計算機應用；虛擬現實；Eonstudio技術；三坐標測量機

虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它是人們借助于計算機技術、傳感器技術、仿真技術等仿造和創造虛擬現實空間的人工媒體技術，它是虛擬的，但又是真實的，通過多媒體傳感交互設備使人進入真實的環境，從而產生身臨其境的感覺。將虛擬現實技術應用到人機交互仿真設備中，可以極大地降低設備成本，較好地開展科研和訓練工作。因此，以虛擬現實技術為基礎的大型昂貴設備的人機仿真模擬器，近年來成為了一個重要的研究領域。

目前虛擬現實系統一般采用基于VRML-JAVA技術，如浙江理工大學的網絡虛擬裝配系統，由于VRML語言功能較弱，必須利用其EAI接口與JAVAApple相連，控制場景的裝配過程，但它需要大量的編程，對于沒有編程經驗的人員來說，無疑是一個挑戰。并且VRML自身不帶有物體之間的碰撞節點，必須由開發人員編寫。另外一種虛擬現實方法是基于JAVA3D技術，它綜合了VRML和JAVA等語言的優點，是Java語言在三維領域的延伸，是一個高層的基于圖形的應用程序接口，并且自帶碰撞節點，但是它的圖形界面不易掌握，應用不廣泛。Eonstudio是一個基于Web3d技術，用來研發和制作交互式3D多媒體應用程序的全新可視化軟件工具，是一個完全基于GUI的設計工具。利用Eonstudio，開發人員不需要很多的編程經驗，就能快捷方便的制作出復雜、高品質的三維互動模擬程序。目前主要應用于市場、培訓、科研、軍事等多個領域。

三坐標測量機是一種精密測量設備，是測量和獲得尺寸數據的最有效方法之一，因為它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規，并把復雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘，并快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關于生產過程狀況的有用信息。三坐標測量機價格昂貴，一般在百萬元以上，并且測量探頭極易損壞，所以實際使用成本非常高。

因此研究建立基于虛擬現實技術的三坐標測量系統，不僅可以大大降低成本和使用成本，保護測量探頭，還可以與真實設備性能相媲美，具有重要的工程實踐意義。

本文基于Eonstudio技術，開發虛擬三坐標測量系統，包括虛擬三坐標測量設備環境的建立，被測零件碰撞檢測的建立，空間坐標識別的建立，形位誤差的計算等。

1 Eonstudio開發環境介紹

Eonstudio是目前全世界公認整合性、延展性最好的虛擬現實開發展示系統，它可以讀取55種CAD格式，如3DMAX、Lightava、SOLIDWORKS、PRO/E、AUTOCAD等，支持90%以上的外設而無需編程。

Eonstudio具有300多種功能節點和原型模塊，可以產生簡單或復雜的形體，也可以調用外部的三維形體，使形體具有顏色、透明效果、材質、貼圖；在三維環境中生成燈光、改變燈光、移動燈光；產生各種邏輯判斷行為，如移動、旋轉、關聯、碰撞行為等；改變相機視角，生成多個瀏覽窗口；通過鼠標拖動方式，無需編寫程序，可以方便地給模型加上行為；通過script, C++, EON SDK等與Eonstudio一起使用，可編寫復雜的行為程序，進行科研開發。

Eonstudio的應用程序能夠以多種方式支持發布，如虛擬顯示系統、Internet、CD-ROM、投影顯示系統等。如Eonstudio為網頁發布提供簡易的計算機圖形操作接口，使用者可由網頁發布精靈中簡易的程序輕易將互動性高的EON檔案發布成網頁。

在Eonstudio的主題視窗包含了幾個子視窗。最重要的三個視窗分別為元件視窗(Components Window)，包含許多不同功能的nodes以及prototype供用戶編輯與應用；模擬環境的元件樹狀架構(Simulation Tree)以及操控行為定義視窗(Routes Window)。

Eonstudio的數據結構采用場景圖的數據結構SimulationTree。它具有方向的不對稱性，類似于一棵大樹。場景圖根節點是Sence節點，下面有許多子節點，如Frame節點、Camera節點等等，子節點下又有許多小子節點，這樣一層一層下去，構成完整的虛擬環境和行為控制。每一個節點都對應的屬性框Property Bar，可以對節點參數進行修改。另外還有一個操控行為路線欄，Routes，用來控制行為的邏輯性。

2 關鍵技術

建立三坐標測量機設備，不僅可對零件進行三坐標測量，也可讓初學者掌握三坐標測量機的操作，避免三坐標測量探頭損壞。虛擬三坐標測量機的總體結構模型如圖1所示。

圖1 虛擬三坐標測量系統總體結構模型

2.1 建模與渲染

在虛擬現實系統中，三維實體是組成虛擬場景的關鍵，所以三維物體的創建必不可少。一般三維物體都是通過其它3D軟件建立的，然后導入Eonstudio系統中，如ProE、SOLIDWORKS等。本文應用SOLIDWORKS軟件，按實際尺寸，反求建立三坐標測量機設備。圖2為真實三坐標測量系統平臺。

此外，渲染的好壞直接影響虛擬三坐標機的視覺真實性，本文采用UVW坐標展開和烘焙技術，讓貼圖自帶燈光效果，加強虛擬三坐標機的真實自然感。方法如下：首先利用Pelt貼圖方法，實現對UV坐標縫隙的展開控制。通過延伸UVW坐標，制作出平展而統一的貼圖，從而為設計好的對象制作紋理。通過將UV坐標精確地匹配到目標幾何對象上，可以放松UV坐標并刪除扭曲。然后利用烘焙技術進行渲染，此時貼圖自動帶有燈光，有利虛擬物體快速運動。渲染后的虛擬三坐標機如圖3所示。

圖2 三坐標測量系統操作臺平臺

圖3 渲染后的虛擬三坐標機3D模型

2.2 動態交互仿真

將貼圖與虛擬三坐標機3D模型放在一個文件夾下，然后將渲染后的三坐標機動態導入Eonstudio中。采用Eonstuido本身的相機Camera，這樣可以利用原型模塊ObjectNav添加到場景根節點Sence節點下，對三坐標機進行放大、縮小、旋轉，以最佳角度位置進行測量，如圖4所示。

圖4 虛擬三坐標測量機任意視角調整

2.2.1 虛擬操作

設置鍵盤控制三坐標機測量探頭的移動，然后將操縱桿的按鈕分別設置成對應的鍵盤字母，即可通過操縱桿控制測量探頭的移動。利用EON中漫游節點WalkAbout實現此功能。首先在Resource節點下添加3個WalkAbout節點，分別控制測量探針組（包括探針、探針座、橫梁）的上下、左右、前后移動。節點屬性設置如圖5所示。測量探針控制關系如圖6所示。

圖5 WalkAbout節點及其屬性

圖6 測量探針組的控制關系圖

2.2.2 碰撞節點

采用EON中自帶的碰撞節點CollisionManager管理測量探針的碰撞。首先分別在場景節點Sence節點下和需要碰撞的節點，如探針節點下，加入CollisionManager節點，如圖7所示。碰撞包圍框幾何形狀有四種：球形、盒形、外殼和自然形狀。包圍框形狀越復雜，碰撞檢測所需時間越長，實時性越不好，但檢測精度越高。因此，只將探針和被測零件設置為自然形狀包圍盒，而其余部分由于不是工作面，所以不設置碰撞檢測功能。并且如果探針碰上物體，就會發生破碎，如圖8所示。

圖7 CollisionManager碰撞節點

圖8 測量探針包圍框（綠色）及碰撞后破碎

2.2.3 坐標點傳遞

當測量探針測量到所需的三維坐標點以后，然后將坐標信息傳遞到后臺計算機，根據最小包容區原理，進行坐標點的精度計算。

兩臺計算機的通訊程序主要分為兩大部分：服務器端程序及客戶端程序，運行時由服務器端程序(server)獲取虛擬測量探頭相應的信息，并傳遞給客戶端(client)，由客戶端給出精度計算結果。程序server端及client端之間的通信采用基于連接的客戶端/服務器模型即流套接字編程模型實現，其流程圖如圖9所示。

2.2.4 被測零件實體造型

被測零件的實體造型，由于考慮零件的制造誤差，因此選用掃描儀對零件進行三維掃描，掃描圖如圖10所示。然后將其切片成.stl格式，動態輸入到虛擬三坐標機工作平臺上。

2.3 測量精度分析

由于被測零件掃描所用的掃描儀精度為50μm，虛擬探針測量碰撞節點精度受到光學鼠標精度影響，為30μm。因此，虛擬三坐標機的測量誤差為80μm，基本上達到一般零件測量的要求，但對于精度要求高的零件，還不能滿足。

圖9 分布式計算機通訊的流程圖

(a) 掃描點云圖

(b) 修補后的實體圖

圖10 被測零件3D掃描圖

3 一個初步的原型系統

應用Eonstudio開發出的虛擬環境創建工具在實際中有很大的應用價值，它可以很方便地建立起虛擬仿真系統，節省設計時間。

首先將建立好的三坐標機三維模型輸入到場景Scene節點樹下，然后將被測零件點云圖以.stl動態輸入到Scene節點樹下，并調整被測零件的位置，使其放在三坐標機的大理石平臺上。

然后在Resource節點下添加三個WalkAbout節點，并在其子節點toMove下添加需要控制的物體節點，利用鍵盤分別控制測量探針、探針座和橫梁的移動，然后鏈接到操縱桿上。此時就完成用操縱桿控制虛擬探針的移動了，如圖11所示。

圖11 三坐標測量VR系統工作臺雛形

然后給虛擬探針和被測物體節點下添加碰撞節點，選用自然物體包圍框。根據探針與被測物體碰撞時的空間三坐標，將它傳遞到后臺計算機中進行精度計算。

例如，取被測零件某一平面與虛擬探針碰撞時的9個點的坐標，根據相對坐標點和最小包容區原理，計算出該平面的平面度。與實際物體平面度相比，誤差為±42μm。主要是由于碰撞包圍框、掃描誤差、物體空間位置誤差累積造成的。

4 結 論

研究利用EON技術構建虛擬三坐標機系統，在實際應用中具有很重要的意義，它可以避免昂貴設備的損害，節約成本，并可以用在昂貴設備的培訓系統中。本文采用EON技術對虛擬系統的構建進行了簡單的嘗試和探索，開發了一個具有初步功能的虛擬三坐標機系統，但是這項工作還只是一個初步嘗試，測量誤差還較大，對于如何提高精度，還需進一步研究探索。

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Study on Building Virtual Three-coordinate Measuring Machine Based on Eonstuido Technology

LOU Yan, LUO Feng, SHE Ai-yong, HU Lin

( 1. College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen Guangdong 518060, China; 2. Shenzhen Key Laboratory of Advanced Mould Manufacturing Technology, Shenzhen Guangdong 518060, China )

Eonstudio is a most perfect virtual reality language. By using Eonstudio technology, the virtual human-computer interaction machine is built to avoid the damage of expensive equipments and reduce cost, which can also be applied to the training system of expensive equipments. The key technologies are real model construction and dynamic simulation interaction. Firstly the technology of map unwrapping and rendering to textures are used to build more real virtual three-coordinate measuring machine. Then the Eonstudio technology is developed to realize the human-computer simulation interaction. Finally the model of windows sockets are selected to realize the information communication between the two computers. Thus the virtual three-coordinate measuring machine is built. A prototype system is implemented to testify its applicability and validity.

computer application; virtual reality; Eonstudio technology; three-coordinate measuring machine

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0076-07

2009-06-02

深圳市模具先進制造技術重點實驗室開放基金資助項目（200902）；深圳大學2008年實驗室基金資助項目

婁 燕（1971-），女，湖南瀏陽人，副教授，博士，主要研究方向為虛擬現實、精度設計。