工程機械三維建模關鍵技術研究

張帥，陳六海，高亞明，韓文俊

(解放軍理工大學， 江蘇 南京 210007)

工程機械三維建模關鍵技術研究

張帥，陳六海，高亞明，韓文俊

(解放軍理工大學， 江蘇 南京 210007)

工程機械的虛擬訓練系統涉及工程機械的三維模型重構等關鍵技術問題，嚴重影響了國內這方面的開發與應用。研究了工程機械三維建模過程中的幾個關鍵性技術難題。探討了基于快速三維擬合曲面技術和NURBS復合曲面重構技術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化方法，構建了模型的優化步驟，研究了模型優化關鍵技術和結構優化關鍵技術。根據研究結果建立了場景逼真、操作交互性強的虛擬訓練系統，為構建基于三維模型的工程機械虛擬訓練系統提供了較好的技術基礎。

虛擬訓練系統；工程機械；模型重構；模型優化；結構優化

在工程機械虛擬維修訓練系統的研制過程中，三維模型的精確建立發揮著至關重要的作用。高仿真度的三維模型可以真實再現實驗場景、零件外觀甚至內部結構，給用戶以良好的沉浸感，獲得如同甚至超過真實實驗環境中的學習感受和體驗。在虛擬三維模型的創建過程中如何把握模型的仿真程度，對虛擬現實系統能否成功實現有很大影響，因為它涉及了開發的軟硬件成本以及現有的運行環境、條件等因素的限制。仿真程度恰當的三維模型有利于虛擬訓練發揮出更大的教學優勢。本文以高速挖掘機為例，研究其三維模型的快速重構技術和模型優化技術。

1 工程機械零部件的NURBS復合曲面重建

以高速挖掘機為代表的工作機械，其模型數量多、外形復雜，建模任務重、難度大。本文綜合運用現代數值測量技術、計算機圖形圖像處理技術構造高速挖掘機零部件三維模型，基于三角Bezier曲面構建方法和NURBS參數曲面擬合方法進行自由曲面建模(NURBS曲面控制頂點示意圖如圖1)，構建復雜、準確的部件模型，力求模型的、精細、真實，為系統提供了形象逼真的訓練對象。NURBS曲面數學模型為：

圖1 NURBS曲面控制頂點示意圖

對工程機械復雜零件建模，采用結合拼接和再修改的NURBS擬合曲面方法，其基本過程為：首先完成對測量點數據的過濾、排序、精簡、分割等預處理，然后擬合生成多條u、υ方向的NURBS截面曲線，構造出反映重建曲面基本外形的曲線網絡；其次，根據u、υ方向的輪廓邊界型值點數據擬合生成封閉的重建曲面輪廓邊界曲線，以界定重構曲面區域，保證重構曲面模型連續、封閉；再次，在已構造完成的u、υ方向NURBS截面曲線網格以及封閉的NURBS邊界曲線的基礎上，分別擬合生成若干個封閉、光滑的NURBS分塊基面；最后，將各分塊曲面進行拼接、過渡、延伸、裁剪、光順等技術處理，并借助CAD系統的拉伸、布爾運算、曲面倒角、縫合等特征造型功能進行再修改，最后獲得符合要求的符合曲面。某挖掘機駕駛室殼體NURBS光滑拼接如圖2所示。

圖2 挖掘機駕駛室殼體NURBS光滑拼接圖

2 三維模型優化方法

2.1 三維模型的優化步驟

優化技術是三維建模過程中至關重要的一個環節，優化結果的好壞將直接制約系統靜態導入的主要子系統動態調用的有關維修場景的運行效率和顯示速度。本系統中采用的優化技術是貫穿在整個建模過程中的，是對傳統優化技術的改進。三維建模優化流程如圖3所示。

圖3 三維建模優化流程圖

a) 結構優化

1) 對初始化虛擬場景，按照場景分塊(或模型分割)原則進行處理，建立層次結構。

2) 對上步處理過的結構，按照調整層次建模原則進行處理，進行結構調整。

b) 紋理優化

將數據預處理過的紋理，按照建模的實際需求進行處理，如處理成簡單分量紋理、進行紋理格式優化和紋理拼接等。

c) 模型優化

將創建好的模型，使用可見消隱技術、紋理映射技術、實例化技術和 LOD技術等進行處理，簡化多邊形數目，進行模型優化。

d) 場景優化

將所有建立好的模型(系統內或系統外)，使用紋理映射技術、實例化技術、LOD 技術和外部引用技術等進行整個場景的優化處理。

2.2 模型的優化關鍵技術

1) 消除冗余多邊形

構建實體模型時經常存在冗余現象，去除模型中不可見的多邊形可以減少系統中多邊形數量，在一定程度上也可以提高系統的實時性。因為在場景瀏覽時它們時刻處于不可見位置，去除它們并不影響實體的視覺效果，但是卻可以很大程度上降低整個場景的復雜度，提高顯示速度。這里的冗余多邊形主要是指在實體外部觀察模型時不可見的部分。例如：樓房建筑的底座面、內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景真實感的有效方法，也是提高實時性的好方法。對于樹木、建筑和欄桿等具有較多細節的物體來說，如果過分強調細節，會使工作量和模型復雜度驟然增大，而且可能導致整個系統實時運行速度的下降。這里一般采用紋理映射的方法，在對應位置的多邊形表面“貼上”紋理圖片，用來代替詳細的模型。

3) 使用實例化技術

當三維復雜模型中具有多個幾何形狀相同但是位置不同的物體時，可以采用實例化技術。實例化是對數據庫中已存在模型的引用，外觀上的效果與復制相同，但實例并不是數據庫中真實存在的幾何體，而只是指向其父對象的指針。實例就像是一個模型的眾多影子，而實際物體只有一個，其他的通過平移，旋轉，縮放之后得到。也就是說在內存中只裝入一次，這一點類似于動態連接庫文件。因此，可以對某一實例的幾何特征、顏色、紋理等屬性進行編輯，但這將改變所有實例的屬性。如果同一物體在場景中多次被使用，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模型，在以后的使用過程中只要通過運用實例的方法來引用該模型即可，也就是通過坐標變換在不同的位置顯示同一個模型。這樣可以節省大量的硬盤和內存空間。

2.3 結構優化的關鍵技術

1) 單元分割(Cell Segmentation)是將虛擬場景(或模型)分割成較小的單元，只有在當前場景(或模型)中的實體才被渲染，因此極大地減少了處理場景(或模型)的復雜度。這種分割法對于地形模型和大型建筑物是非常適用的，因為在人的視野中所見的物體只是整個虛擬環境中的很小的一部分，只處理當前所見的物體大大提高了系統的速度。地形模型分成若干區塊，場景調度時可以只輸出其中的幾個單元區塊，而不必導入所有的模型。

2) 層次細節技術(Level Of Detail, LOD)

LOD技術主要是針對模型結構優化，即對于經過單元分割后的模型進行簡化多邊形的處理過程。LOD 簡化多邊形的目的，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化的模型，其理想的結果應是一個初始模型序列的簡化，這樣簡化的模型才可以應用于不同的實時加速(使用LOD技術三維場景可視圖如圖4所示)。

圖4 使用LOD技術三維場景可視圖

3 結論

本文研究了以高速挖掘機為代表的工程機械三維模型構建的關鍵技術。論文研究按照現有零部件原型，運用現代數值測量技術、計算機圖形圖像處理技術、計算機輔助建模技術構造高速挖掘機零部件三維模型，運用三角Bezier曲面為基礎的曲面構建方法和以NURBS曲面為基礎的參數曲面擬合方法進行自由曲面建模，構建復雜的外覆蓋件(如駕駛室外殼、發動機燃燒室、進排氣道等)，本文的工作為工程機械虛擬維修訓練系統提供了形象逼真的訓練對象。

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

[2] 李心成.三角曲面造型關鍵算法的研究與應用[D].濟南：山東理工大學，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].機械工程學報，2004，40(3).

[4] 德芒熱.曲線與曲面的數學：貝濟埃模型·B-樣條模型·NURBS模型[M].北京：商務印書館，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，已發表論文5篇。

TP391

A

1671-5276(2014)02-0013-02

2013-01-24