數控機床面板按鍵仿真模型組設計方法探索

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

數控機床面板按鍵仿真模型組設計方法探索

曾欣，宋寧，劉咸超

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

機械仿真要求模型是細致而具備功能性的。數控機床面板仿真組模型的特征在于數量通常比較多，不同按鍵間既具備大部分的共性，又具備各自的特征。建模過程中，如果缺乏行之有效的策略，建模的工作量將會非常龐大。本文分析了數控機床面板仿真模型建模組的構造特征，根據機械仿真對模型的要求，提出了4種不斷優化改進的建模方案，通過這些方案在貼圖效果、建模效率等方面的表現，探索出類似于數控機床面板按鍵一類機械仿真組模型及其UV設計的高質、高效的模型設計方法。

數控機床面板；仿真模型；模型組；數控機床

1 概述

與普通CG影視動畫相比，虛擬仿真要求模型不僅要看起來“像”，更要細節具體，像模型對應的實物本身一樣具有“功能性”——因為仿真模型通常會被反復觀察，必須能經受用戶復動態觀察的考驗。數控車床、數控銑床、加工中心、數控沖床等數控機床的面板上的按鍵是一類獨特的模型：按鍵幾何模型基本上是完全相同的，外觀材質也基本一樣，但在每個按鍵上的符號是獨有的。仿真模型中，這一類模型數量通常比較多，如計算機的鍵盤、許多設備的按鈕或旋鈕也是類似的情況。這類模型的建立，如果在建模設計時沒有很好的策略，將會給建模、UV劃分和紋理制作帶來沉重的工作量，甚至影響到仿真系統的運行效率。很多學者對仿真模型的管理、重用和紋理自動生成等方面做出了卓有成效的研究：鄭利平等學者提出了使用紋理模板，借助圖像分割方法，實現紋理圖像的純色著色和圖案填充，進而實現人群仿真的角色多樣化的方法；姜翰青等學者提出了一種新的多視圖紋理實現高質量紋理映射的方法；杜國紅等學者提出了針對陸軍合成營作戰仿真模型的基于組件化建模方法的模型體系架構；熊嵩分析了目前可重用方法的主要思路與瓶頸，提出了大型仿真模型體系的可重用性實現方法。然而，對于數控機床面板按鍵這一類經常遇到的仿真模型組高效建模的方法，尚未有學者關注。

2 對建模和UV設計的要求

本文通過對數控機床面板按鍵類似模型建模和UV設計的多種方法比較，探索最為高效、可行的建模設計方法。比較的方面包括：（1）建模效率好的建模方法要求高效建模，最大程度的模型重用。（2）直觀、易于理解的貼圖布局。（3）易于設計和繪制的貼圖紋理。（4）優質的紋理。

3 幾種設計方法的對比

下文對數控機床面板按鍵的幾種建模方法就以上的目標達成情況進行對比。

（1）普通無復用的獨立建模方法。該方法把每一個按鍵模型當作互不相關的模型，每一個模型獨立建模、劃分UV并且制作和映射貼圖。其特點是各個模型的建模順序沒有現有制約和先后順序要求，每個模型獨占一張紋理貼圖，紋理質量高，但由于模型網格和UV都沒有重用，建模、UV劃分都貼圖制作的，工作量極大。

（2）復用網格、復用UV、獨立紋理的建模設計方法。由于數控機床按鍵類模型具有幾何模型完全相同，建模時很容易想到方法就是，先建立一個模型，并劃分好UV，然后將模型復制和陣列。由于每個按鍵的紋理不一樣，陣列后分別去配置紋理貼圖。這種方法的特點是：操作簡單，建模操作不需要嚴密的邏輯順序，每個模型獨立使用一張紋理貼圖，能獲得最好的紋理質量。但是由于按鍵類模型數量通常很大，少則二三十，多則上百個按鍵，貼圖的制作和配置工作量就特別大，而且由于貼圖數量多，增加了仿真圖形引擎的壓力（圖1）。

（3）復用網格、復用UV、共用紋理的建模設計方法。在上一建模方法的基礎上，使用同一張紋理，陣列模型后，修改UV映射到紋理的不同部位。這種方法較好地改變了上一方法中紋理制作工作量大的問題，但是由于多個模型的UV共用一個紋理，導致每個模型在貼圖上分得的映射面積較小，紋理質量下降（圖2）。

圖1 復用網格、復用UV、獨立紋理的建模設計方法

圖2 復用網格、復用UV、共用紋理的建模設計方法

（4）共用網格、優化UV、共用紋理的建模設計方法。在上一方法的基礎上，優化UV：由于每個按鍵的側面沒有圖案，是相同的，這部分紋理可以共用，映射相同的紋理；每個按鍵正面的圖案和符號不一樣，讓它映射到不同的紋理部位。在此方法中，紋理上按鍵符號的位置最好數控機床面板上按鍵的實際位置布局，以便于后面修改UV映射。這種建模方法最大程度地重用了模型、UV和紋理，減少了建模、貼圖制作的工作量，極大地提高了建模的效率，并且能較好地控制模型的紋理質量（圖3）。

圖3 共用網格、優化UV、共用紋理的建模設計方法

建模方法的性能和效率比較如表1。

表1 數控機床面板按鍵仿真模型設計方法對比

通過上面的比較，方法（4）在建模質量高，滿足虛擬仿真要求，在模型網格重用、UV重用以及紋理繪制工作量等方面，都有較大的優勢，紋理圖案布局與按鍵實際布局位置一致，能有效地提高建模的效率。

4 共用網格、優化UV、共用紋理的建模設計方法建模步驟總結

根據上述建模方法的比較，對于類似于數控機床面板按鍵、幾何形狀完全一致、表面紋理絕大部分相同的這一類大規模建模模型，其建模步驟可以歸納如下：（1）分析模型，找出模型間的共同特征和差異部分。（2）建立眾多模型中的一個模型，并初步劃分UV。（3）根據UV和模型實物的實際布局設計和制作紋理，眾模型一致的部分紋理和不一致的部分紋理在圖上分開繪制，特征圖案或符號按模型代表的實物的實際位置布置。（4）優化UV，將眾模型一致的紋理部分與不一致的紋理部分分別映射到模型上。（5）陣列模型。（6）對照紋理布局，修改每一個模型不一致的部分紋理的映射，直到完成。

5 結語

本文提出的數控機床面板按鍵仿真模型組的建模方法，能夠在獲得較高貼圖品質的同時，最大限度減少重復工作，提高建模效率，對類似的大部分重復的仿真模型組設計和建模具有參考意義。對于復雜的、大規模的仿真建模，與其一頭扎進沉重的建模工作中，不如冷靜思考和總結模型的特征，提高建模的效率。

[1]鄭利平，張娟，周乘龍，劉曉平.人群仿真中角色紋理多樣化方法[J]，2014, 35(1):110-114.

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[3]杜國紅，李路遙，吳從暉.陸軍合成營作戰仿真組件化模型體系設計研究[J]. 指揮控制與仿真，2016, 38(2):97-101.

[4]熊嵩.大型仿真模型體系的可重用性實現方法研究[J].現代導航，2016, 7(2):131-136.

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