在建筑門窗中浮法玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)的可視化研究

吳敬兵 陳 玲

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢湖北 430070）

1 引言

浮法工藝具有高產(chǎn)低耗、深加工空間大等優(yōu)點(diǎn)，成為玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的工藝方法[1]。若對(duì)浮法工藝?yán)碚撜J(rèn)識(shí)不足，就會(huì)嚴(yán)重影響浮法玻璃工業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前浮法工藝的理論教學(xué)主要是書本與實(shí)地參觀相結(jié)合的方式，浮法玻璃生產(chǎn)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，只能看到設(shè)備外形，無法觀察其內(nèi)部生產(chǎn)狀態(tài)[2]。而一般可視化研究?jī)H針對(duì)某一關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行模擬展示，而缺乏對(duì)整體工藝流程的逼真模擬，學(xué)習(xí)者很難系統(tǒng)地建立起完整浮法工藝的立體形象[3]。

因此，本文提出了對(duì)浮法玻璃整體生產(chǎn)工藝流程的可視化研究，利用幾何與圖像的混合建模技術(shù)，在3Ds max和SolidWorks中設(shè)計(jì)了工藝設(shè)備和廠區(qū)環(huán)境的三維模型；基于場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)，提出了浮法工藝可視化的優(yōu)化方案；采用UNIGINE引擎，探索了浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程。

2 虛擬場(chǎng)景建模

2.1 建模技術(shù)的介紹及選用

幾何建模是虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)的基礎(chǔ)[4]，其實(shí)質(zhì)是通過建立幾何實(shí)體模型來構(gòu)建虛擬場(chǎng)景。幾何建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：可交互性強(qiáng)，能實(shí)時(shí)瀏覽與實(shí)時(shí)操控；

幾何實(shí)體能夠抽象表達(dá)對(duì)象的幾何信息，易于存儲(chǔ)；所需信息量較小，算法簡(jiǎn)單。

但幾何建模技術(shù)存在著場(chǎng)景逼真性與渲染實(shí)時(shí)性的矛盾。簡(jiǎn)化模型，數(shù)據(jù)量降低，真實(shí)感會(huì)減弱，甚至導(dǎo)致某種程度的失真；精細(xì)模型，真實(shí)感增強(qiáng)，但數(shù)據(jù)量增大，渲染速度慢，且模型構(gòu)建更復(fù)雜。

圖像建模的原理是利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)將相機(jī)采集的圖象組織成全景圖象，然后把多幅全景圖象組織成完整的虛擬場(chǎng)景。圖像建模的優(yōu)點(diǎn)有：場(chǎng)景真實(shí)感好，建模簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，渲染速度快。但圖像建模技術(shù)構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景，本質(zhì)是圖像構(gòu)成的封閉空間，缺乏交互性，僅能實(shí)時(shí)瀏覽，不能實(shí)時(shí)操控。

綜上所述，圖像建模與幾何建模各有優(yōu)勢(shì)和不足。為了緩和渲染速度與可交互性的矛盾，本文采取基于圖像與幾何的混合建模技術(shù)。

混合建模的步驟如下：利用幾何建模構(gòu)建幾何實(shí)體，利用圖像建模引入紋理貼圖還原對(duì)象外觀；用幾何建模對(duì)可交互模型進(jìn)行精細(xì)建模；給可交互模型添加交互模塊。混合建模技術(shù)能夠綜合圖像建模和幾何建模的優(yōu)點(diǎn)，在提高場(chǎng)景逼真感的同時(shí)，保證實(shí)時(shí)瀏覽與交互的高度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化、虛物實(shí)化，達(dá)到真正意義上的沉浸。

2.2 浮法玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)可視化建模技術(shù)路線

在建模過程中，要明確模型細(xì)節(jié)，選擇合適的建模方法，在滿足需求的同時(shí)減少模型多邊形數(shù)量。本文中虛擬場(chǎng)景建模步驟如下：

（1）前期準(zhǔn)備：包括數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)層次的劃分及優(yōu)化；

（2）建模過程：依據(jù)場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)，依次建立局部模型，最后整體集成；

（3）后期優(yōu)化：三維模型的優(yōu)化，虛擬場(chǎng)景的優(yōu)化，場(chǎng)景的集成與調(diào)度。

浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景，主要分為生產(chǎn)線和玻璃廠區(qū)兩部分。依據(jù)浮法工藝流程將生產(chǎn)線分為：投料機(jī)、玻璃熔窯、錫槽、退火窯、冷端、切割線等；玻璃廠區(qū)分為：玻璃廠房、天空遠(yuǎn)景、地形道路、環(huán)境景觀等。

3 虛擬場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化技術(shù)是可視化研究的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響系統(tǒng)的渲染速度和運(yùn)行效率。本文采用的優(yōu)化技術(shù)具體如下：

（1）層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化：建模前層次結(jié)構(gòu)的劃分及初模后層次結(jié)構(gòu)的調(diào)整；

（2）紋理貼圖優(yōu)化，利用Photoshop處理貼圖，改變其格式、大小等；

（3）模型輕量化：利用剔除冗余多邊形、紋理映射等技術(shù)盡量減少模型的多邊形數(shù)量；

（4）場(chǎng)景優(yōu)化：采用實(shí)例化技術(shù)、LOD技術(shù)和外部引用技術(shù)等對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化處理。

4 浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的總體思路

4.1 建模軟件及開發(fā)平臺(tái)

課題研究的可視化虛擬場(chǎng)景包括熔窯、錫槽、退火窯等工藝設(shè)備和廠區(qū)環(huán)境。所選建模軟件需滿足：易學(xué)易用，以便于按期完成場(chǎng)景制作；能處理數(shù)據(jù)量龐大的虛擬場(chǎng)景；與其他建模工具和開發(fā)平臺(tái)兼容性良好，便于模型導(dǎo)入導(dǎo)出。所選開發(fā)平臺(tái)需滿足：渲染效果真實(shí)；逼真的煙霧、流體等粒子效果；易學(xué)易用，以便于按期完成系統(tǒng)開發(fā)等。

UNIGINE作為原生的三維引擎，擁有許多強(qiáng)大功能：允許設(shè)置渲染模式且渲染效果良好；強(qiáng)大的腳本系統(tǒng)為可視化系統(tǒng)的開發(fā)提供了無限可能[5]；內(nèi)置的動(dòng)畫編輯器、材質(zhì)編輯器、節(jié)點(diǎn)編輯器便于場(chǎng)景的制作和管理；高度可擴(kuò)展性，能夠兼容其它計(jì)算機(jī)語言開發(fā)的外部模塊等。

綜上所述，選用3Dsmax與SolidWorks協(xié)同建模；選用UNIGINE作為浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

4.2 總體思路及技術(shù)路線

具體開發(fā)工作如下：在SolidWorks中精細(xì)創(chuàng)建工藝設(shè)備；在3Ds max中構(gòu)建廠區(qū)環(huán)境；將模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)NIGINE中進(jìn)行場(chǎng)景編輯；測(cè)試運(yùn)行系統(tǒng)并發(fā)布。開發(fā)流程如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：包括地形環(huán)境、生產(chǎn)線布局、設(shè)備工作原理、工藝設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙以及廠區(qū)布局圖紙等；

（2）場(chǎng)景構(gòu)建：依照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赟olidWorks中創(chuàng)建設(shè)備模型；依照環(huán)境布局在3Ds max中構(gòu)建廠區(qū)環(huán)境模型并貼圖；

（3）模型導(dǎo)入：將SolidWorks和3D smax的模型文件保存成UNIGINE可兼容的格式，并導(dǎo)入U(xiǎn)NIGINE場(chǎng)景中；

（4）場(chǎng)景的編輯：模型材質(zhì)的賦予；創(chuàng)建粒子效果；制作設(shè)備運(yùn)行動(dòng)畫；編輯模型節(jié)點(diǎn)等；

（5）功能模塊的開發(fā)：基于功能需求，通過Unigine Script和c#語言設(shè)計(jì)功能模塊，實(shí)現(xiàn)交互邏輯；

（6）系統(tǒng)發(fā)布：整理所有文件，發(fā)布成exe可執(zhí)行文件，便于用戶使用。

5 浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程

5.1 虛擬場(chǎng)景的集成

場(chǎng)景的構(gòu)建是按照?qǐng)鼍皩哟谓Y(jié)構(gòu)的劃分進(jìn)行，初模后需進(jìn)行集成，最終形成完整場(chǎng)景。模型集成的實(shí)質(zhì)是：將單獨(dú)建立的模型分組存儲(chǔ)；將單獨(dú)建立的模型文件整合在一起，并按照布局位置擺放，形成完整的虛擬場(chǎng)景。將SolidWorks中創(chuàng)建的工藝設(shè)備和3Dsmax中構(gòu)建的廠區(qū)環(huán)境導(dǎo)入U(xiǎn)NIGINE，并依照玻璃廠鳥瞰圖，將模型擺放至合適的位置。

5.2 資源文件的制作

考慮到在浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)中，需要對(duì)工藝設(shè)備的工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，需要制作相關(guān)資源文件。創(chuàng)建圖片說明設(shè)備的故障檢修，保存成PNG格式；利用語音合成軟件，輸出工藝講解語音文件，保存成MP3格式；利用AE制作設(shè)備模型的運(yùn)行視頻，保存成MP4格式；通過對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，提取SolidWorks中制作的動(dòng)畫關(guān)鍵幀，保存成track格式。

5.3 UNIGINE中虛擬場(chǎng)景的編輯

虛擬場(chǎng)景的編輯包括材質(zhì)的編輯，節(jié)點(diǎn)的編輯，粒子效果的創(chuàng)建，動(dòng)畫的編輯等。通過材質(zhì)編輯器新建材質(zhì)庫(kù)，向其中添加材質(zhì)效果，更改相關(guān)屬性，賦予模型材質(zhì)效果，如金屬、噴漆等；節(jié)點(diǎn)的編輯，包括節(jié)點(diǎn)的刪除、添加及屬性的修改等，可以在節(jié)點(diǎn)編輯器和腳本文件中編輯；創(chuàng)建粒子效果，包括煙霧、火焰、砂石等，向場(chǎng)景中添加ObjectParticles類的node節(jié)點(diǎn)，并修改其屬性，生成所需粒子效果；動(dòng)畫的編輯，利用動(dòng)畫編輯器，編輯模型節(jié)點(diǎn)的位置、透明度等參數(shù)創(chuàng)建關(guān)鍵幀，并寫入track文件。

5.4 功能模塊的設(shè)計(jì)

功能模塊包括：漫游功能，設(shè)備的快速定位，文字、圖片、視頻的顯示隱藏，動(dòng)畫的播放停止等。

（1）漫游功能。虛擬場(chǎng)景的漫游包括自由漫游和路徑漫游。自由漫游即通過交互設(shè)備控制相機(jī)的位置和朝向，路徑漫游即按照既定路徑進(jìn)行場(chǎng)景漫游，其既定路徑是通過設(shè)置相機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑和朝向得到。

（2）設(shè)備的快速定位。快速定位即通過交互設(shè)備快速定位至某一關(guān)鍵設(shè)備的工藝環(huán)節(jié)。首先獲取設(shè)備對(duì)應(yīng)相機(jī)的世界坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在配置文件中；然后通過交互獲取當(dāng)前相機(jī)世界坐標(biāo)，將其設(shè)置為目標(biāo)設(shè)備對(duì)應(yīng)相機(jī)的世界坐標(biāo)。

（3）文字、圖片、視頻的顯示隱藏。即在自由漫游的同時(shí)，通過交互顯示隱藏文字、圖片、視頻，并保證顯示時(shí)始終對(duì)用戶視角可見。

（4）動(dòng)畫的播放停止。通過加載內(nèi)置動(dòng)畫文件，在引擎渲染每幀畫面前，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)，設(shè)置對(duì)應(yīng)渲染效果。

6 結(jié)束語

本課題結(jié)合了三維建模技術(shù)與可視化技術(shù)，開展了浮法玻璃生產(chǎn)過程的可視化研究。選用3D smax與SolidWorks進(jìn)行混合建模，選用UNIGINE作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)流程。這對(duì)于浮法工藝的理論教學(xué)和優(yōu)化發(fā)展具有重要意義，也為浮法工藝的虛擬現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。