面向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)機(jī)裝配與風(fēng)場(chǎng)模擬

王純祥 孫文磊 趙 群 萬(wàn)曉靜 崔權(quán)維

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式。與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有質(zhì)的飛躍，它可以利用計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境，通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)，甚至味覺(jué)等多種通道進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互[1－2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、人工智能、傳感器、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及并行技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于軍事模擬、視景仿真、飛機(jī)汽車制造、科學(xué)可視化等領(lǐng)域[3]。因此，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)裝配與風(fēng)場(chǎng)模擬相結(jié)合的3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1 風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任何一個(gè)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要用到一些計(jì)算機(jī)圖形圖像和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的軟件，而這方面的軟件種類繁多，不易掌握[4]。本設(shè)計(jì)采用UG與3D MAX等軟件結(jié)合，輔以Nvision虛擬交互平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)具有一定人機(jī)交互能力的3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

在3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)中，首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體框架，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;其次是確定系統(tǒng)的主要功能，從而完成對(duì)整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 System structure design

2 風(fēng)機(jī)場(chǎng)景關(guān)鍵的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在各行各業(yè)得到推廣應(yīng)用和發(fā)展[8]。而基于此理論開發(fā)出來(lái)的軟件也是種類繁多，層出不窮，如3D MAX、Maya、Quest3D、Multigen Creator、VEStudio等，這些軟件是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必不可少的工具。在此主要介紹應(yīng)用UG和3D MAX開發(fā)3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一些基本設(shè)計(jì)原理和實(shí)用技術(shù)。

2.1 UG三維風(fēng)機(jī)模型創(chuàng)建

三維風(fēng)機(jī)模型是整個(gè)風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其精確度及零部件的裝配關(guān)系直接影響3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景的畫面輸出質(zhì)量和虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性。而UG軟件是世界上先進(jìn)的CAD/CAE/CAM集成技術(shù)的大型軟件，其功能強(qiáng)大，使用該軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能直觀、準(zhǔn)確地反映零組件的形狀、裝配關(guān)系等。因此，搜集整理風(fēng)機(jī)模型尺寸數(shù)據(jù)，選擇在UG中建立精確度高及裝配關(guān)系準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)模型。三維風(fēng)機(jī)模型創(chuàng)建流程如圖2所示。

圖2 三維風(fēng)機(jī)模型創(chuàng)建流程Fig.2 Flowchart of 3D fan model creation

2.1.1 風(fēng)機(jī)零部件建模

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)信息數(shù)據(jù)采集整理，獲得風(fēng)能發(fā)電機(jī)組零部件的基本尺寸和幾何關(guān)系，然后在UG軟件中進(jìn)行零部件建模。根據(jù)收集到的風(fēng)機(jī)零部件和產(chǎn)品的加工順序確立風(fēng)機(jī)模型各特征的順序，再選擇合適的建模方法創(chuàng)建規(guī)范的風(fēng)能發(fā)電機(jī)組零部件模型。在建立零部件和產(chǎn)品三維實(shí)體模型時(shí)，應(yīng)遵循下列基本原則和方法。

①保證滿足模型質(zhì)量基本要求，即要保證模型的正確性、相關(guān)性、一致性、可編輯性和可靠性。

②在建模之前，應(yīng)先作全局考慮，通過(guò)分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定合理的建模順序和建模方法。建模順序是先搭建建模環(huán)境，確定工作坐標(biāo)系位置，建立初始基準(zhǔn)，然后創(chuàng)建模型的各個(gè)特征，各特征的建立順序應(yīng)盡可能與零件的加工順序相一致。

③建模時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查、核實(shí)零件尺寸，確保零件輪廓幾何關(guān)系明確，尺寸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.1.2 風(fēng)機(jī)虛擬裝配

在建立了所有零件的三維模型后，需要將零件裝配起來(lái)。通過(guò)裝配可以發(fā)現(xiàn)零件尺寸及零件間關(guān)系是否正確，還可以進(jìn)行其他操作。UG的裝配模塊采用了虛擬裝配技術(shù)，可以把各個(gè)零件和子裝配的信息關(guān)聯(lián)在一起，當(dāng)零件修改時(shí)，裝配模型可以自動(dòng)更新。

UG虛擬裝配設(shè)計(jì)有“自底向上”和“自頂向下”兩種建模方法完成產(chǎn)品的裝配建模和部件建模。在裝配建模中可以直接對(duì)組件進(jìn)行創(chuàng)建和編輯工作，從而使產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)可同步和穿插進(jìn)行，部件之間的幾何體對(duì)象可相互參照和引用，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

風(fēng)機(jī)虛擬裝配采用自底向上設(shè)計(jì)的方法。首先進(jìn)入風(fēng)機(jī)裝配模式，新建一個(gè)風(fēng)機(jī)裝配部件，然后將其他已創(chuàng)建好的風(fēng)機(jī)零件模型添加到裝配中，使其成為裝配部件的一個(gè)組件。在裝配過(guò)程中，可以建立約束關(guān)系，將風(fēng)機(jī)零件一次性地加入到裝配組件中正確的位置;也可以采用重新定位方式，先將零件添加到參考點(diǎn)，然后再重新定位到正確位置。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)虛擬裝配時(shí)，應(yīng)遵循如下基本原則：①按零件的實(shí)際安裝順序進(jìn)行裝配;②避免出現(xiàn)過(guò)約束和零件間交叉約束現(xiàn)象;③如果同一零件要裝到裝配部件的不同部位時(shí)，可將其存為不同的文件名，然后裝配。

2.2 3D MAX風(fēng)機(jī)場(chǎng)景制作

3D MAX是三維軟件行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一，其具有強(qiáng)大的動(dòng)畫表達(dá)能力，應(yīng)用范圍廣且容易學(xué)習(xí)掌握[9]。采用3D MAX制作風(fēng)機(jī)場(chǎng)景具有高度的自由感，可以產(chǎn)生形象逼真的圖像和動(dòng)畫。3D MAX風(fēng)機(jī)場(chǎng)景制作流程圖如圖3所示。

圖3 3D MAX風(fēng)機(jī)場(chǎng)景制作流程圖Fig.3 Flowchart of 3D MAX fan scene production

2.2.1 UG三維風(fēng)機(jī)模型導(dǎo)入3D MAX

在UG中創(chuàng)建精確的三維風(fēng)能發(fā)電機(jī)組模型后，導(dǎo)出*STL格式文件并導(dǎo)入3D MAX中，而后根據(jù)需要對(duì)導(dǎo)入的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行面數(shù)優(yōu)化、形體組合、深化，以提高圖像繪制輸出時(shí)的顯示速度和畫面質(zhì)量。

2.2.2 場(chǎng)景制作

根據(jù)搜集整理的風(fēng)機(jī)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，制作一個(gè)符合實(shí)際風(fēng)機(jī)布局的場(chǎng)景，以滿足用戶進(jìn)行人機(jī)交互的真實(shí)場(chǎng)景要求。同時(shí)在風(fēng)機(jī)場(chǎng)景制作中，要充分掌握3D MAX各個(gè)命令面板的應(yīng)用及窗口操作。

首先要?jiǎng)?chuàng)建合適的背景，背景的創(chuàng)建一定要使風(fēng)機(jī)更加清晰明了，以便于更清楚明了地觀察整個(gè)風(fēng)機(jī)工作狀況。因此，我們通過(guò)3D MAX的建模命令創(chuàng)建一個(gè)逼真的風(fēng)機(jī)場(chǎng)景。

其次要編輯合適的材質(zhì)，通過(guò)材質(zhì)編輯器給風(fēng)機(jī)和場(chǎng)景賦予材質(zhì)，從而獲得逼真的質(zhì)感效果。打開材質(zhì)編輯器，選擇材質(zhì)球;打開圖類型面板，選擇位圖類型，再選擇合適的材質(zhì)圖;而后調(diào)節(jié)反光度和反光強(qiáng)度，使風(fēng)機(jī)及場(chǎng)景呈現(xiàn)真實(shí)的質(zhì)感。

然后進(jìn)行燈光設(shè)置，在命令面板中選擇燈光面板在頂視圖中的燈光種類、大小與位置，在不同的視圖中調(diào)整好燈光的照射方向，再進(jìn)入修改命令面板，調(diào)節(jié)光線的顏色。選擇攝影機(jī)視圖，進(jìn)行渲染并觀看燈光強(qiáng)弱，同時(shí)，反復(fù)調(diào)節(jié)泛光燈的強(qiáng)度，直到滿意為止。

最后進(jìn)行動(dòng)畫制作，在3D MAX中幾乎任何一個(gè)修改都可以被記錄為動(dòng)畫，整個(gè)風(fēng)機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)畫演示都可以很方便快捷地用3D MAX表現(xiàn)出來(lái)。因此，可以通過(guò)動(dòng)畫控制按鈕創(chuàng)建風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)畫，并將動(dòng)畫過(guò)程利用動(dòng)畫控制器進(jìn)行修改，得到真實(shí)的仿真動(dòng)畫。

2.3 Nvision 平臺(tái)交互

在3D MAX中完成風(fēng)場(chǎng)模擬制作，可以進(jìn)行交互渲染觀賞風(fēng)機(jī)場(chǎng)景動(dòng)畫，然后導(dǎo)出*ive文件格式并導(dǎo)入到Nvision平臺(tái)進(jìn)行3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬漫游。用戶可以通過(guò)Nvision平臺(tái)的人機(jī)接口進(jìn)行人機(jī)交互，達(dá)到親臨風(fēng)機(jī)場(chǎng)景觀賞的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用UG與3D MAX等軟件相結(jié)合的方式完成對(duì)3D風(fēng)機(jī)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，并輔以Nvision平臺(tái)完成人機(jī)交互。綜合使用多個(gè)軟件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[10]，摒除了單獨(dú)使用一種軟件的不便之處，同時(shí)能制作出模型質(zhì)感更好、場(chǎng)景逼真度更高、互動(dòng)性更強(qiáng)、時(shí)效性良好的3D場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)。

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