碳纖維復合材料試驗公共服務平臺及可視化*

馬常霞 胡大勇 張占強

（江蘇海洋大學計算機工程學院 連云港 222005）

1 引言

碳纖維（Carbon Fiber）是新一代增強纖維，通過添加樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料制成碳纖維復合材料，主要應用于航空航天、汽車、風電、壓力容器、體育休閑等領域［1～2］。全球碳纖維的生產主要集中于日本、美國和歐洲企業，預計到2020年，全球碳纖維在工業領域的應用比例將達到72%。中國碳纖維產業起步較晚，但是中國市場對碳纖維的需求一直較為強勁，未來5年中國碳纖維需求量仍將保持15%以上的增長速度。而目前國內碳纖維生產企業總體技術水平較低、生產成本高，缺少面向全行業的碳纖維復合材料生產試制、檢測、評價一體化公共服務平臺［3］。這樣的平臺成本高，數量少難以滿足國內碳纖維生產企業生產試制、檢測、評價的需求。為了實現國內碳纖維生產企業，復合材料研發制造單位（企業、高校、科研院所）和復合材料終端用戶等企業的對接，利用網絡平臺和虛擬現實技術探索碳纖維復合材料試驗公共服務平臺及場景交互可視化仿真，截至目前國內尚無這樣的系統。

近幾年來，由于計算機軟硬件技術的不斷提升，虛擬現實技術也取得成功發展，并日益應用到教育、醫療、建筑、航天、汽車、導航、軍事等社會各個行業和領域。為實現國內碳纖維生產企業、復合材料研發制造單位（企業、高校、科研院所）和復合材料終端用戶等企業的對接，根據當前碳纖維復合材料行業發展的特點，設計一個關于碳纖維復合材料試驗公共服務平臺及可視化仿真。通過系統設計復合材料，可以更直觀，更合理，并利用該系統全面、準確記錄各種材料、產品試驗過程中的各種數據，掌握各種復合材料的試驗特性，利用平臺為整個復合材料行業提供咨詢、預約服務，同時基于3DMax對碳纖維復合材料試驗公共服務平臺場景進行三維建模，然后基于Unity3D進行場景交互設計，重點開展VR場景動態融合表達，語音伴隨介紹，使用第一人稱視角的VR場景交互方法，對碳纖維復合材料加工方式展開試驗虛擬仿真，可以形象的漫游碳纖維復合材料試驗公共服務平臺為碳纖維復合材料加工可視化分析提供重要的數據資源和技術支持，以解決碳纖維生產企業生產試制、檢測、評價一體化問題。

2 系統分析設計

2.1 平臺部分

平臺部分的分析與設計采用SOA面向服務的技術架構，松耦合的設計模式，保證系統的靈活性、可擴展性和良好的維護性。基于B/S結構構建，JavaEE技術路線，支持跨平臺應用，數據庫采用Oracle。針對整個業務模式和IT環境，在充分考慮到系統擴展性的要求基礎上，系統架構設計多層的體系結構模型。采用微服務開發業務功能的服務，每個服務都有自己的處理和輕量通訊機制，可以部署在單個或多個服務器上，每個服務能夠獨立被部署并運行在一個進程內。系統采用Spring Boot作為腳手架，其設計目的是用來簡化新Spring應用的初始搭建以及開發過程。

本系統分為對外服務部分（以下簡稱外平臺）和內部試驗管理部分（以下簡稱內平臺）。內平臺主要由內部員工使用，實現不同權限用戶登陸、設備管理、材料管理、試驗管理、產品管理、系統管理等。外平臺主要實現對外宣傳展示，仿真虛擬漫游，并接收客戶對服務的預約等，其主要功能包括產品展示，工藝展示，設備展示，咨詢服務，服務預約，新聞資訊等模塊，試驗部分業務流圖如圖1所示，在數據庫的范式規范下，考慮具體的應用，本系統的主要數據庫的物理設計如表1所示。

圖1 試驗業務流圖

表1 系統主要數據表

2.2 可視化仿真

碳纖維復合材料試驗公共服務平臺虛擬漫游以Unity3D作為開發平臺，3DMax作為三維建模開發工具。由于3DMax能夠較好地適用于三維模型的創建如具有參數化模型創建技術、模型的創建過程中可交互式3D瀏覽、可以模擬仿真施工進度、能渲染出照片級效果圖等顯著特性，所以本系統用它作為三維模型數據創建的基礎平臺。系統中需要對3D虛擬場景進行渲染、設計交互仿真功能，本文采用Unity3D渲染技術實現場景渲染和交互設計功能。Unity3D基于C#編程，是可視化開發3D的應用工具，擁有強大的開發者支持及第三方開發插件，所有平臺都被兼容，為確保開發更為便捷使用藍圖可視化腳本系統以及對VR硬件設備的高度支持［4］。為增強虛擬現實體驗，加入三維場景搭建，語音播報系統，機械動畫模擬以及用戶場景交互。虛擬部分結構如圖2所示。

圖2 虛擬部分結構圖

3 關鍵技術與系統實現

3.1 Flex+BlazeDs實現數據呈現和數據通訊

本系統內部資源管理系統前端采用Flex作為視圖框架，這些應用程序利用Adobe Flash Player和Adobe AIR，可以實現跨瀏覽器、桌面和操作系統。

我們針對在云環境下的碳纖維復合材料試驗系統的特點，采用了Flex與HTML相結合的開發方法［5～6］。由于系統采用結構化文檔管理模式，我們的文檔都是以XML的形式進行存儲和數據交換，使用Flex的E4X技術可以方便地讀取和封裝XML文檔，并根據試驗數據模版格式以HTML的方式展現給用戶。通過精準的控制HTML節點的讀寫和布局實現了材料試驗數據的富文本編輯，并可以進行方便的標注，和文本進行比對。

3.2 改進KNN分類算法分類試驗數據

碳纖維復合材料試驗平臺是云環境下的試驗大數據系統共享的核心。利用云計算技術對試驗設備中相關數據進行分析和處理，是云計算服務推薦的基礎［7～9］。由于試驗設備產生的數據格式多樣，因此我們需要應用文本分類技術來對試驗數據進行智能化分類。文本分類算法有很多，如：K-近鄰法（KNN），支持向量機（SVM），神經網絡（NNet），簡單貝葉斯，線性最小二乘法等，其中KNN算法是一種思想簡單且性能穩定的分類算法，現已廣泛應用于模式識別和數據挖掘的各個領域，但是KNN算法在處理文本分類的過程中需要不斷地計算待測文本與樣本的相似度，當文本數量更大時，算法的效率就會更差［10］。對KNN算法在實際應用中的限制較大，因此我們采用了改進策略的KNN分類算法。

3.3 三維場景搭建

VR仿真模型構建的關鍵過程如下：首先采集原始數據，然后創建三維模型；在3DMax中對模型減面或重構；創建UVW模型對材質賦予確保后續材質和光照系統的仿真運行；將處理好的模型導入Unity3D，三維模型的構建完成，其具體流程如圖3所示。

圖3 搭建流程圖

3.3.1 Polygon建模

Polygon建模就是將對象轉化為可編輯的多邊形對象，多邊形對象的面可以是三角形面、四邊形面以及具有任何多個節點的多邊形面，該可編輯多邊形對象包含了節點Vertex、邊界Edge、邊界環Border、多邊形面Polygon、元素Element五種子對象模式。建模過程就是通過編輯和修改該多邊形對象的各種子對象來實現的。

3.3.2 搭建實現

首先對碳纖維復合材料加工工廠實際結構與生產過程進行實際考察，借助CAD圖進行廠房結構制作，主要通過墻體間距確保結構尺寸正確性。構建建筑物模型的主體部分，采用多邊形建模技術，該技術對于具有規則形物體的構造有優勢。首先將建筑物合理分離，獲得單個建筑物底圖，根據建筑物的實際尺寸進行擠出操作，建筑物的主體建模完成之后，對廠房外觀進行制作。制作前可先將外觀分為主體墻面，窗框，窗體等多個元素，再采用多邊形建模技術逐個完成各部分制作。為了使建好的模型從觀感上更加貼近實際的建筑物，待三維模型建立后，還要進行材質賦予。

廠房內的生產車間及機械設備眾多分別進行建模。其中，生產車間模型結構如圖4（a）所示。由于制作的為工業設備，線路結構都比較復雜，可對該部分進行適當簡化，完成主體制作。最后對制作的所有模型進行合成匯總，使用3D捕捉工具，將模型三維坐標進行實時記錄，并完成與另一個模型的邊，面元素對齊操作，形成最終場景模型，如圖4（b）所示。

圖4 搭建結構圖

3.4 機械動畫與語音播報

3DMax建模完成后模型導入到Unity中，模擬設備的外形、材質、零部件和內部構造，把設備的使用方式、原理、性能特征、工作過程等一系列真實的事物以動態視頻的形式演示出來。使用Animator窗口來制作機械動畫，按照這個原理依次完成車間動畫如圖5所示。

（a）生產車間模型結構圖

圖5 機械動畫制作圖

語音系統通過Unity Audio Source組件用來播放場景中的Audio Clip，它是導入到Unity中的聲音文件。此外，Audio Source還可以設置一些播放聲音的效果，增強場景中的聲音效果。本文為了增強語音播報的靈活性，同時使用了文字轉語音的播報。

3.5 碰撞檢測

在計算機動畫、計算機圖形學和虛擬現實等領域，碰撞檢測問題都有著重要的意義。在虛擬現實系統中，為了防止漫游過程中穿入建筑物模型、設備等問題，經常采用碰撞檢測技術從而保證仿真場景的真實性以及交互的自然性。碰撞檢測算法常常分為兩類基于空間的碰撞檢測算法和基于時間的碰撞檢測算［11～14］。

本系統采用的是層次包圍盒技術和射線檢測技術，它們屬于基于空間碰撞檢測算法。另外部分采用了半透明顏色疊加與深度值的碰撞檢測算法［15～17］。

3.5.1 包圍盒技術

包圍盒技術是一種求解離散點集最優包圍空間的算法，是基于圖形的碰撞檢測算法。其基本思想是用特定的體積稍大且特性簡單的幾何體（稱為包圍盒）來描述復雜的幾何對象，故只需要對相對較容易做相交判斷的特定體積進行相交測試。在計算機圖形學與計算幾何領域，一組物體的包圍盒就是將場景中的復雜集合形體圍住即完全包容起來的一個封閉空間。用簡單的包圍盒形狀來近似代替復雜幾何體，從而用簡單的包圍盒封裝復雜集合體，以提高碰撞監測運算的效率。在碰撞檢測中，兩物體是否碰撞，先判斷包圍盒是否相交，不相交說明不發生碰撞，如果包圍盒相交，就要對包圍盒所包圍的兩物體做幾何對象間精確的碰撞檢測。

包圍盒算法通常有包圍球（Sphere）、軸向包圍盒AABB（Axis-Aligned Bounding Box）、方向包圍盒OBB（Oriented Bounding Box）、固定方向包圍盒k-DOPs（Discrete Orientation Polytope）。AABB包圍盒是一個邊平行于坐標軸的最小六面體且包含該對象，得到某一對象的AABB包圍盒需要先確定六個標量，就是需要找出內包圍對象的所有頂點中最大和最小的x、y、z坐標，兩個AABB包圍盒的碰撞檢測就是判斷它們在x、y、z坐標軸上的投影區間是否有重疊［16～17］。OBB包圍盒的相交測試利用分軸定理，即選定兩個OBB包圍盒的分離軸。一般情況下會確定15條分離軸，當有一條分離軸檢測到投影不重疊即判定兩包圍盒不相交。構造k-DOPs包圍盒比構造AABB包圍盒和OBB包圍盒困難，但是k-DOPs包圍盒碰撞檢測的精確度要高于AABB包圍盒和OBB包圍盒。

本文場景中，為給第一視角創建合理的視覺效果，給移動行為創造正常的移動效果，避免穿模與透視，機械零部件、地板模塊、窗體模塊等部分可視化模型采用包圍盒技術。

3.5.2 射線碰撞檢測算法

射線是在三維世界中從一個點沿一個方向發射的一條無限長的線，在三維空間中，射線碰撞檢測算法就是檢測射線與平面是否有交點，如果有求解該交點的問題。在三維空間中，射線的表示相應的可寫為如下射線方程：

式（1）中采用兩個矢量定義，一個表示其起點β，另一個表示其方向α，β0是射線上的起點，τ∈[ 0 ，∞)。三維空間中平面的定義借助該平面的法量N和該平面上一點β1，可以寫出任意一個平面方程為

式（2）中N是平面法量，β1是平面上一點，從坐標系原點到該平面的距離表示為d。如果式（1）中的射線與式（2）中的平面相交，假設相交點為β'，那么，β'就要同時滿足方程（1）和（2），求解方程組得到：

將式（3）帶入射線方程即可得碰撞點。

在本系統中，射線碰撞檢測主要應用于鼠標的點擊操作，由于鼠標在點擊播放語音介紹按鈕時，是在三維立體環境下完成，二維平面的鼠標點擊方法無法精確定位到目標，所以需要在鼠標點擊的同時刻，由鼠標原點向鼠標指向方向發射一條射線，當射線碰撞到搭載有射線碰撞檢測算法的模型時，返回真值并進行語音播放，如圖6所示。

圖6 射線檢測

3.6 用戶場景交互

用戶角色控制：用Unity3D自帶的擴展資源（FPS游戲第一人稱擴展資源）進行開發，使用鍵盤WASD進行移動控制，鼠標控制視角旋轉，空格鍵控制跳躍。同時將3ds max中制作的最終模型形成FBX模型導出后直接導入Unity，將模型三維坐標初始化，大小尺寸進行調整，在廠房內部添加適當的點束光源，對3D物體設置Collider屬性，實現虛擬物體可碰撞。

開關門的實現：需要利用到觸碰體Trigger和查找場景中物體，如圖7（a）、（b）所示。在靠近門時按F實現開關門，最終效果如圖7（c）所示。

圖7 開關門實現

語音播報控制：當用戶點擊播放按鈕時，可由鼠標向目標地點發射一條射線，如果目的地點檢測到有相應的按鈕物體，則加載Audio Source中的音頻文件實現語音介紹如圖8所示。

圖8 語音控制（綠色框起來的紅色按鈕）

4 結語

平臺建立面向全行業的碳纖維復合材料生產試制、檢測、評價一體化公共服務平臺。實現國內碳纖維生產企業、復合材料制造單位（企業、高校、科研院所）和復合材料終端用戶等企業的對接，產品的性能滿足下游用戶需求，在軌道交通、汽車、電纜、風電葉片、航空航天領域完成碳纖維復合材料的應用及推廣。

本文實現了三維虛擬漫游與實際生產加工的合理結合，針對我國當前對碳纖維復合材料的巨大需求以及經驗技術欠缺提供了良好的技術支持，提出了第一人稱虛擬漫游的研究方法，在一定程度上緩解了部分企業技術欠佳的窘境，同時為行業生產提供了研究方向，能夠減少企業資金的不必要浪費，實現行業間的緊密聯系與相互促進。