面向“互聯(lián)網(wǎng)+”的3D數(shù)字化產(chǎn)品移動端可視化研究

黃良強，朱 焱，丁國富

(1.西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 611756； 2.西南交通大學 機械工程學院先進設(shè)計與制造技術(shù)研究所，四川 成都 610031)

0 引言

2015年7月4日，《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》發(fā)布,要求將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與經(jīng)濟社會各領(lǐng)域深度融合，進一步促進社會發(fā)展[1]。“互聯(lián)網(wǎng)+”意味著“互聯(lián)網(wǎng)+各個傳統(tǒng)行業(yè)”，但這并不是簡單的兩者相加，而是利用信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺，讓互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)進行深度融合[2]，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)要素配置中的優(yōu)化和集成作用，提升實體經(jīng)濟的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，形成更廣泛的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和實現(xiàn)工具的經(jīng)濟發(fā)展新形態(tài)[3]。

在傳統(tǒng)制造業(yè)標準化、規(guī)模化生產(chǎn)模式下，企業(yè)往往會以產(chǎn)品定銷售，而消費者需求往往難以預(yù)估。隨著信息化、個性化時代到來，產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)提供方及時準確獲悉用戶的產(chǎn)品需求，設(shè)計出相符的產(chǎn)品，讓用戶及時便捷地查看設(shè)計樣品，提出進一步的優(yōu)化需求，以實現(xiàn)更加精準的個性化服務(wù)。如圖1所示，面向互聯(lián)網(wǎng)+的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造服務(wù)平臺就是這樣一種能架構(gòu)起產(chǎn)品需求方與產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)提供方的橋梁。

“互聯(lián)網(wǎng)+”和云平臺軟件即服務(wù)(SaaS)技術(shù)，把一系列可共享的軟件資源放置在云端，用戶可隨時使用移動終端設(shè)備訪問云平臺中的軟件資源，查看設(shè)計的產(chǎn)品是否滿足需求，并實時根據(jù)需求查看、設(shè)計、修改3D數(shù)字化產(chǎn)品模型，加速資源共享，實現(xiàn)資源利用最大化。本文研發(fā)內(nèi)容作為該平臺的子模塊之一，以“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”為背景，對3D數(shù)字化產(chǎn)品移動端可視化進行研究。

圖1 平臺架構(gòu)

隨著智能手機的普及，設(shè)計師可利用移動端(手機、平板電腦等移動智能設(shè)備)進行3D數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)工作。本文研發(fā)成果可不受設(shè)備、時間、地點等條件限制，實現(xiàn)多角度、3D立體觀察數(shù)字化產(chǎn)品模型，便于用戶提出修改意見，方便設(shè)計師和客戶交互，提高研發(fā)效率。

安卓占據(jù)智能手機銷量的87.2%[5]，因此，本文的研發(fā)工作基于Android OS的智能手機平臺。

1 3D數(shù)字化產(chǎn)品模型

1.1 OBJ文件

3D模型可使用多種文件格式表達，如STL、OBJ、MAX等。OBJ格式表達的3D模型是一種標準的3D模型文件，由于OBJ文件適用于不同文件格式的3D模型之間互導(dǎo)，且當前大多數(shù)3D繪圖軟件都支持OBJ格式的讀、寫等操作，因此可利用OBJ文件模型作為基礎(chǔ)模型，把不同文件格式的3D模型轉(zhuǎn)化為OBJ文件，最后利用移動端可視化技術(shù)對其進行可視化操作。OBJ文件是一種文本文件，可直接用寫字板、Word等文本編輯工具進行查看和修改，因此本文的可視化研發(fā)工作基于OBJ文件。

1.2 OBJ數(shù)據(jù)解析

OBJ支持多種幾何圖形，包括直線(Line)、表面(Surface)、多邊形(Polygon)和自由形態(tài)曲線(Free-form Curve)，主要特點有：

(1)它是一種3D模型的骨架性文件，包含模型在3D空間中的幾何信息，但不包含動畫、材質(zhì)特性、貼圖、貼圖路徑等信息。

(2)支持法線和貼圖坐標。

(3)不包含面的顏色定義信息，但可以引用材質(zhì)庫，材質(zhì)庫信息儲存在后綴為".mtl"的獨立材質(zhì)庫文件中。

1.3 OBJ文件結(jié)構(gòu)

OBJ是文本格式，每行由標識字母也即關(guān)鍵字打頭，關(guān)鍵字標識該行數(shù)據(jù)所表示的含義，注釋行以符號‘#’開始。

OBJ格式的3D刀具模型文件內(nèi)容如下：

# 創(chuàng)建時間:11.10.2017 14:50:59

mtllib D10-3.mtl

v 2.6327-47.00001.4383

v 1.5514-48.00001.2622

……

vn -0.9698 0.0782-0.2310

vn -0.7450 0.0894-0.6611

……

vt -1.4181 0.1396-0.0000

vt -1.3700 0.0000-0.0000

……

s 1

f1/1/1 2/2/2 3/3/1

f4/4/3 5/5/4 6/6/3

其中，第2行mtllib表示使用與OBJ文件配套的材質(zhì)庫，v表示幾何頂點 (Geometic Vertices)，vn表示頂點法線(Vertex Normals)。

1.4 MTL文件

MTL材質(zhì)庫文件包含材質(zhì)漫反射、環(huán)境、光澤的RGB定義值，以及折射、透明度等其它特征。MTL文件也是一種文本文件，每一行數(shù)據(jù)由關(guān)鍵字開始。

3D刀具模型材質(zhì)庫文件內(nèi)容如下：

#創(chuàng)建時間：11.102017 14：50：59

newmtl wire_008110135

Ns 32

d 1

Tr 0

Tf 1 1 1

illum 2

Ka 0.0314 0.4314 0.5294

Kd 0.0314 0.4314 0.5294

Ka 0.3500 0.3500 0.3500

關(guān)鍵字newmtl表示定義新的材質(zhì)組，Ns表示材質(zhì)光亮度，illum表示材質(zhì)照明度，Kd表示材質(zhì)散射參數(shù)。

2 3D模型渲染

2.1 OpenGL ES與jPCT-AE圖形引擎

OpenGL(Open Graphics Library)本身是高效、簡潔的開放圖形庫接口，它定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規(guī)范，主要用于3D模型編程，但在智能手機等手持移動終端上運行OpenGL有些不適合，所以Android系統(tǒng)內(nèi)置的是OpenGL ES[6]。Android提供了GLSurfaceView組件支持OpenGL ES，這個組件本身并不提供3D模型繪制功能，而是GLSurfaceView.Renderer實例化來完成GLSurfaceView中3D模型的繪制工作[7]。

jPCT-AE是基于OpenGL ES技術(shù)開發(fā)的3D圖形引擎，以Java語言為基礎(chǔ)。jPCT-AE擁有以下幾個重要特征[8]：①支持加載3DS、OBJ、MD2、ASC等序列化的3D模型文件格式；②可支持3D模型文件渲染到紋理；③支持Android1.5及更高版本上的OpenGL ES1.x和OpenGL ES 2.0；④支持內(nèi)存壓縮，可減輕3D模型渲染對內(nèi)存空間造成的壓力。因此，本文選擇OpenGL ES和jPCT-AE技術(shù)作為移動端3D模型可視化應(yīng)用研發(fā)的技術(shù)支持。

2.2 3D模型繪制

構(gòu)建一個3D模型需要完成3個步驟：

(1)jPCT-AE引擎提供的圖形構(gòu)建方法定義為Loader.loadOBJ，加載OBJ格式的3D模型文件和MTL文件到一個Object3D對象數(shù)組中。

(2)借助Object3D.mergeAll方法合并Object3D對象數(shù)組中的所有對象，構(gòu)成一個完整的OBJ格式3D模型對象。

(3)調(diào)用函數(shù)方法Object3D.build完成OBJ格式的3D模型構(gòu)建工作。

紋理貼圖可讓3D模型更加逼真。在OpenGL ES中，onSurfaceCreated方法用于啟用紋理貼圖，它屬于Renderer類，本文結(jié)合使用jPCT-AE技術(shù)中的TextureManager實現(xiàn)。

應(yīng)用于紋理貼圖的圖片格式可以是BMP、PNG以及JPG。使用Bitmap decodeFile方法加載圖片，并可使用gl.glGenTextures方法生成對應(yīng)的紋理貼圖。此外，也可使用jPCT-AE技術(shù)中Texture類的對象生成對應(yīng)的紋理貼圖。

通過調(diào)用OpenGL ES提供的啟用貼圖坐標數(shù)組數(shù)據(jù)、設(shè)置貼圖的坐標數(shù)據(jù)以及執(zhí)行紋理貼圖3個方法完成3D模型的紋理貼圖工作。

3 可視化模塊實現(xiàn)

本文研發(fā)的OBJ格式的3D模型可視化模塊包括3D模型放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，采用Android Touch事件驅(qū)動方式實現(xiàn)。

基于OBJ格式的3D模型可視化流程如圖2所示。

(1)放大縮小。在Android應(yīng)用開發(fā)中可結(jié)合使用多點觸摸操作技術(shù)和OpenGL ES 3D圖形構(gòu)建方法實現(xiàn)3D模型放大、縮小操作。手指多點觸摸需處理ACTION_POINTER_DOWN與ACTION_POINTER_UP兩種活動行為，并根據(jù)計算兩根手指移動的距離等數(shù)據(jù)實時觸發(fā)3D模型渲染工作。

(2)旋轉(zhuǎn)。同放大、縮小使用的原理不同，這里需要處理單點觸摸操作，處理過程為當按下手指時獲取手指的觸摸坐標點，在手指移動過程中使用單點操作的MotionEvent.ACTION_MOVE活動行為，處理手指移動的距離和方向等信息，并根據(jù)計算獲得的數(shù)據(jù)實時觸發(fā)3D模型渲染工作。

圖2 OBJ格式的3D模型可視化流程

可視化旋轉(zhuǎn)操作。圖3展示了3D刀具模型旋轉(zhuǎn)前的效果，圖4展示了3D刀具模型旋轉(zhuǎn)后的效果，旋轉(zhuǎn)操作包括左右旋轉(zhuǎn)、上下旋轉(zhuǎn)。

圖3 旋轉(zhuǎn)前

圖4 旋轉(zhuǎn)后

可視化放大、縮小操作。圖5展示了圖3的3D刀具模型縮小操作效果，圖6展示了放大之后的模型效果。

圖5 縮小

圖6 放大

4 與云平臺結(jié)合

本文設(shè)計研發(fā)的應(yīng)用軟件可與研究背景中提到的云平臺系統(tǒng)集成使用，如圖1所示，把移動端后臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器放置在云端。云平臺服務(wù)器提供用戶數(shù)據(jù)的存儲、讀寫等功能，用戶可通過移動終端設(shè)備與后臺云服務(wù)器進行通信。

本文研發(fā)的應(yīng)用軟件結(jié)合使用云平臺技術(shù)，主要提供用戶下載服務(wù)器上的3D模型文件功能，具體操作流程如圖7所示。

圖7 3D模型文件下載

用戶登錄后，通過HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)下載請求，下載服務(wù)器上的3D模型文件。3D模型文件大小從幾百KB到幾MB不等，為提升軟件性能，該模塊把3D模型文件下載到移動設(shè)備的本地存儲系統(tǒng)中，作為緩存文件使用。3D模型文件下載完畢后，調(diào)用本地OBJ格式3D模型可視化功能，進行3D模型文件可視化展示與操作。

5 結(jié)語

本文作為“面向互聯(lián)網(wǎng)+的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造服務(wù)平臺”的子模塊之一，完成了3D數(shù)字化產(chǎn)品移動端可視化研發(fā)工作。本文解析了OBJ格式構(gòu)成及3D模型數(shù)據(jù)格式。基于目前流行的智能手機操作系統(tǒng)——Android OS，結(jié)合面向移動平臺開發(fā)的OpenGL ES和jPCT-AE技術(shù)，完成了3D數(shù)字化產(chǎn)品在移動端的展示、縮放、旋轉(zhuǎn)功能。模塊還可集成到云平臺系統(tǒng)上，為“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計提供方便快捷的數(shù)字化產(chǎn)品服務(wù)方案。