基于視覺傳達的虛擬機械產品展示系統設計

劉怡泓

【摘 要】虛擬機械產品展示系統能夠為用戶提供高分辨率、高質量及大范圍的立體影像，能夠提供給用戶更好的視覺傳達服務，在機械設計領域中有很大的應用潛力。文章以視覺傳達為基礎，對虛擬機械產品展示系統組成進行闡述，并分析了虛擬機械產品展示系統的系統程序、模型基本操作功能、系統用戶界面及多通道設置的設計和實現。

【關鍵詞】虛擬機械產品展示系統;機械產品;多通道

【中圖分類號】TN911.73-34;TP39【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）04-0043-03

任何類型的產品展示最有效的方式就是將產品真實地呈現在用戶面前。但是隨著科學技術的發展和突破，計算機技術在各個領域得到了廣泛應用，例如虛擬現實技術、可視化技術、信息采集技術、傳感技術等，將產品真實呈現在用戶面前的方式已經不能夠滿足用戶在信息爆炸時代的要求 [1]。因此，當前在很多產品展示中，主要使用圖片加文字的形式對產品進行展示，但是這樣的形式還停留在靜態平面層面上，難以將產品本身的特點充分展現出來，尤其是在機械產品的展示中，更加無法將其特點展示出來。所以，從目前來看，對于機械產品的展示可以通過虛擬機械產品展示系統進行，這樣不僅可以促使用戶更加直觀地了解機械產品的特點，還能夠實現用戶與產品的互動，從而增強用戶對產品的了解程度。

1 虛擬機械產品展示系統的組成

在傳統產品展示中，必須有一定的展示空間，比如需要布置機械產品的實物或者實物的模型為參觀人員提供服務。由此可以看出，在機械產品展示中主要存在以下3種展示要素，即展示物品、展示空間、展示用戶。對于虛擬空間來說，也主要是由這3種要素構成，但是虛擬展示的方式發生了轉變 [2]。虛擬機械產品展示系統的整體結構如圖1所示。

2 虛擬機械產品展示系統的設計和實現

2.1 虛擬機械產品展示系統主控結構設計

展示系統的總體結構擬采用以PC工作站為主體的多節點危機網絡結構。PC工作站具有性價比高、操作簡單、升級方便且可根據需要拓展通道的沉浸環境。多節點的展示系統包括一個主節點和許多從節點，每個節點都相當于一臺PC圖形工作站，所有節點均擁有一份相同的應用程序和數據拷貝。PC工作站的核心是CPU和圖形加速處理器，對于需要實現立體顯示的虛擬機械產品展示系統需配置Pentiun4 Xeon中央處理器和能夠雙顯示輸出的專業級圖形顯卡。PC工作站系統的軟件部分采用VC++6.0開發，以標準API的形式封裝，最終形成一個集成式的軟件系統，便于管理和配置多通道系統。

2.2 投影顯示系統的設計

投影顯示系統在設計時要考慮通道的拓展性、屏幕的分辨率、用戶的沉浸感及系統的維護升級成本。因此，投影顯示系統將采用6個通道組成，左右眼分別連接3個通道，每個通道有40°的水平視角，可現實120°的展示環境。同時，整體系統采用被動立體顯示的方案。投影顯示系統通常由投影儀、投影屏幕和計算機硬件3個部分組成。投影儀按照不同的工作原理可以分為三槍投影儀、液晶投影儀和數字光處理投影儀。虛擬產品的顯示對于實時性有一定的要求，因此投影儀需要具有較快的響應速度。同時，不同的立體顯示技術需要配不同的投影儀。立體顯示技術主要有主動立體模式和被動立體模式。主動立體模式下左右影像依照順序逐幀顯示，以60 Hz的刷新率輸出且合成的影像要達到120 Hz，這需要帶寬較寬的投影儀。被動立體模式則是使用兩套不同的設備分別對左右眼的影像進行投影，左右眼影像因為偏振光角度的不同而產生區分，對投影儀的要求相比主動立體模式較低，但投影屏幕需要專門的材料。本設計在查找了不同的投影儀參數后選擇輸出亮度高、分辨率高且色彩還原度高的CRT投影儀。投影屏幕的選擇主要依據投影方式，投影方式分為前投和背投兩種。前投是指投影機的安裝位置與觀眾位置是屏幕的同一側，投影儀放出的光線投影到屏幕上，屏幕形成圖像后被觀眾接收。背投是將觀眾和投影儀分別置于屏幕的兩側，投影儀發出的光線透過屏幕被人眼接收。使用前投的屏幕可以做成任意的尺寸，但必須控制好環境光，才能呈現好的觀看效果，適合暗室投影;背投在屏幕尺寸上有一定的要求，但對環境光不需要控制，適合照明良好的環境。正投的屏幕有金屬弧型屏幕和平面屏幕，弧型屏幕的增益大、視角小且能適應較強的環境光。背投的屏幕類型有硬質背投式和軟質背投式。經分析，本系統采用正投屏幕的金屬弧型幕實現立體式投影。計算機硬件主要是計算處理器和圖形處理器的選擇。目前，高性能的PC在計算能力和圖形能力上已經逐漸接近專業的圖形工作站且更符合多節點網絡通道模式。在比較了多家公司的圖形卡參數后，最終選擇NVIDIA Quadro FX 3000G顯卡。

2.3 網絡通信系統的設計

網絡通信系統的功能是將視點參數、控制命令及用戶自定義的PDU從主節點發送到從節點，而從節點又可以通過網絡通信系統將實時狀態與任務請求發送給主節點。為了保證在展示過程中不出現嚴重的延遲甚至畫面跳躍感，每個通道都需要達到30 fps的顯示速度。因此，采用基于TCP/IP協議的UDP通信方式。同時，為了保證主機和從機之間的信息傳遞，還需定義包括視點參數和控制命令在內的消息變量，并使用負載平衡算法降低某個節點三角面數量驟增的影響。

2.4 多通道設置的設計和實現

2.4.1 節點間通信模塊的設計和實現

在節點通信模塊方面，主要采用UDP通信協議，服務器和終端之間不需要建立連接，同時在整個過程結束之后也不需要專門斷開連接。服務器和終端只需要建立套接字端口就可以進行信息讀取或者信息寫入操作，完成信息傳遞 [4]。具體設計過程如下：首先，終端和服務器建立套接字端口，并且調用服務器中的綁定函數對端口進行分配;其次，在程序開發過程中，如果端口中存在套接字，終端就通過綁定函數向服務器發送數據和信息;最后，在信息數據完成傳遞之后，通過綁定函數將套接字關閉。具體過程如圖2所示。

在節點通信模塊程序設計中，主要是對網絡節點進行配置和管理，其中具體設計原理如下：一是通過主節點和從節點啟動配置管理程序;二是通過主節點對網絡中的各個節點狀態進行查詢，找到其中可以使用的節點;三是通過對預配置文件的讀取初始化節點;四是在節點完成初始化之后向主節點發送完整的信息;五是在所有節點都完成相應配置之后，通過主節點啟動其他所有節點，從而開啟所有節點的視景仿真程序。具體工作原理如圖3所示。

當節點通信模塊完成配置之后，就可以將所有信息轉化為文件形式進行存儲，在下一次對節點通信模塊進行使用時，不需要再配置，而是直接通過存儲的文件完成節點的初始化[5]。在配置文件中，除了包含不同節點的信息以外，還包含IP地址、位置等信息。此外，在虛擬機械產品展示系統運行過程中，主節點會不斷地向從節點發送數據信息，同時要接收用戶發來的操作指令，但是系統本身又要求不能夠消耗過多的資源，以免影響用戶操作。因此，在虛擬機械產品展示系統設計過程中，不能夠采用單線程模式，而應該通過多線程模式保障系統能夠支撐多任務同時進行。同時，在主節點和從節點之間應該設計兩個程序，其中前臺程序負責接收用戶發來的指令，后臺程序負責主節點向從節點發送的信息。

在主節點和從節點之間通信方式設計方面，主要設計了兩種通信方式：一種是通過主節點對從節點進行控制，同時接收從節點返回信息的點對點方式;另一種是通過主節點向所有從節點發送信息的一點對多點方式，該方式可以通過多通道通信及廣播通信實現。

2.4.2 投影拼接模塊的設計與實現

該模塊是虛擬機械產品展示系統的核心，其主要是對幾何失真、圖像色彩失真及投影區邊緣融合等方面進行校正，以此促使最終展示效果能夠更好地將信息傳遞給用戶。在本系統中，投影拼接模塊主要是通過軟件方式實現。同時，在該模塊中設置6臺投影設備，以3臺為1組 [6]。在進行平面投影時，啟動其中的一組投影設備進行工作，在進行立體投影時則是兩組同時工作，以此實現立體投影。投影模塊設計的具體步驟如下。

第一，匹配多通道任務參數。在融合表中，如果存在需要融合的任務，就需要輸入該融合任務的參數。如果在融合表中存在一個以上的融合任務，就需要遵循最近原則，將最后一個任務作為起點，按照融合表中的次序進行匹配。如果在匹配過程中某任務匹配成功，就需要對該任務是否實現融合進行檢查，如果融合成功，就需要將該任務放置到任務列表中，在程序處理完成之后，將任務從列表中刪除;如果沒有融合成功，就需要返回操作系統中。如果匹配不成功，就需要將它交給事件判斷程序進行處理。第二，動作輸入。事件判斷程序會將所輸入的事件和動作輸入進行匹配。如果匹配成功，就會將該任務加入融合表中，并且以融合表中的事件排列情況和次序從最后向前進行輸入匹配。在此過程中，如果某任務和某事件的參數輸入成功匹配，就對該任務是否融合成功進行檢查。如果融合成功，就將該任務放置到任務列表中，交由應用程序進行處理，同時將該任務從列表中刪除。如果沒有融合成功，則對下一個事件進行匹配，最終到所有事件全部匹配完成為止。第三，任務輸入。如果在輸入過程中，所輸入的不是多通道任務輸入或者參數輸入，此時就將該任務放置到任務列表中，交由應用程序進行處理。第四，超時。在融合表中如果在長時間內任務沒有實現融合，出現超時，此時就將任務從融合表中刪除。第五，匹配。在參數匹配過程中，考慮到輸入語音本身具有多義性，因此應該將輸入先交由應用程序進行處理，在應用程序對輸入語義進行解釋之后，再返回任務列表中進行匹配。

在本虛擬機械產品展示系統中，設置有6臺投影設備，其中3臺主要提供圖像的顯示輸入，另外3臺則是配合覆蓋顯示的矩形區域，保障投影圖像之間存在有一定重疊，以便后期進行融合 [7]。在本系統中，服務器的主節點從節點中獲取相關投影信息，同時運行校正程序，通過計算得出每一臺投影設備本身的校正信息，在對校正信息處理完成之后，將這些信息傳輸到顯示節點中，保障最終所投影的圖形更加清晰。在設計過程中，為了能夠讓后期校正更加便捷，設計了校正網絡，通過服務器節點中的設置程序進行幾何校正，促使投影的場景實現正確拼接。

在本系統中主要采用CRT投影儀。該投影儀本身色彩較為豐富，有著更好的還原性，同時具備強大的幾何失真調控功能。在實際投影中，往往會出現因為投影儀之間色彩差異或者投影儀型號不同出現圖像色彩不一致的現象，影響最終的視覺傳達效果。因此，在本系統中使用了相同型號投影設備對該問題進行優化處理。此外，在邊緣縫合方面，本系統主要使用全屏多極灰度追蹤方法進行處理。在實際拼接中存在重疊，重疊部分的亮度相較于未重疊部分更高，十分引人注目，因此在操作過程中需要對重疊部分進行亮度調整，實現投影之間的無縫連接。通常情況下，主要是使用羽化技術進行處理，即通過對投影設備設置羽化度進行調整，如果在進行優化的過程中，重疊區的亮度沒有達到整個系統的要求，則可以通過對色彩的調整，促使投影效果達到系統要求。

參 考 文 獻

[1]劉春芳，程熙，謝利，等.基于OSG的機械產品虛擬拆裝展示系統的設計[J].信息技術，2016（10）：48-51，

55.

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[3]馮帆，杜江，喬虎，等.機械產品裝配信息在虛擬現實環境中的表達[J].機械，2018，45（11）：6-11.

[4]王柳兵，景軍鋒，蘇澤斌.基于WebGL的紐扣三維展示系統[J].西安工程大學學報，2017，31（5）：606-611.

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[7]吳雪.個性化定制產品虛擬展示技術及實現[D].西安：西安工程大學，2017.