基于3DMax和VRP的虛擬吊車仿真系統(tǒng)

涂智明，許海波，許劍東，李 珊，郭 晗

（武漢科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR)已在許多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，許多虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險起到了重要的作用。本文提出一種吊車培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)，真實(shí)展示吊車的操作過程。可以有效降低企業(yè)吊車人員培訓(xùn)的成本消耗，同時降低吊車學(xué)習(xí)過程誤操作帶來的風(fēng)險。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計算機(jī)技術(shù)輔助，集成了計算機(jī)圖形技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)，模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

在眾多基于三維模型的虛擬渲染引擎的，VR—Platform（簡稱VRP)是由我國中視典開發(fā)的制作三維虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件，可運(yùn)行在大多數(shù)平臺之上，跨平臺性能強(qiáng)，適用性強(qiáng)、操作簡單、功能強(qiáng)大、高度可視化、真正實(shí)現(xiàn)了所見即所得。

二、虛擬吊車模型的建立

利用Sketch Up軟件建立吊車模型的草圖，然后導(dǎo)入到3DMax軟件中進(jìn)行詳細(xì)模型的建立。在3DMax中制作吊車前后左右移動，吊臂的旋轉(zhuǎn)，伸縮，吊車起吊，卸下貨物等吊車基本的動畫，然后進(jìn)行模型的渲染，烘焙。制作出圖1所示的虛擬吊車模型。

圖1 基本的吊車模型

1.利用3DMax制作吊車動畫

將Sketch Up的模型導(dǎo)入到3DMax中，并完成詳細(xì)的模型設(shè)計后，為吊車建立動畫，控制吊車的運(yùn)動。采用幀動畫，設(shè)定特定路線，可以控制吊車的行進(jìn)路線。通過幀的設(shè)置，可以控制吊車的四向移動和吊臂的伸長、縮短、上升、下降。同時設(shè)定吊車輪子的轉(zhuǎn)動，更加形象的表示吊車的操作。利用3DMax的剛體動畫，可以輕松的構(gòu)建成吊車的基本操作。

2.吊車模型的渲染

渲染是模型優(yōu)化的重要一步，有助于增加模型的真實(shí)性，增加模型的層次感和飽和度，還可以通過參數(shù)的調(diào)整均衡色調(diào)。渲染是烘焙的基礎(chǔ)，渲染的效果圖好，得到的烘焙效果圖就好一些。

3.吊車模型的烘焙

通過烘焙可以創(chuàng)建更加真實(shí)的虛擬的吊車場景。烘焙能夠增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)場景逼真的光影效果，可以節(jié)省系統(tǒng)資源，提高場景的運(yùn)行效率。但像玻璃物體等對效果要求不高的小物體不需要烘焙。物體面積過大，應(yīng)該將其分成幾塊進(jìn)行烘焙。

烘焙時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1)VRP只支持Complete Map和Lighting Map這兩種烘焙模式的貼圖導(dǎo)入。（2)默認(rèn)的烘焙紋理的大小是256×256，這個參數(shù)適用于烘焙次要的或小型物體，但對于重要的、大體積的物體則需要提高烘焙的紋理尺寸，即使用512×512或1024×1024；但是精度提高，會導(dǎo)致文件量的增大，影響交互的性能。因此最好不要超過1024×1024。（3)烘焙后的模型貼圖名稱是有“模型名稱＋烘焙類型（Complete Map或Lighting Map)”組成的，所以前期制作的模型不能有重名的，以防止烘焙貼圖被覆蓋。

三、VRP平臺實(shí)現(xiàn)仿真

將3DMax中的吊車模型，經(jīng)過一系列的優(yōu)化后，導(dǎo)入到VRP平臺中。為系統(tǒng)建立基本的界面，可以自定義背景圖片，可以設(shè)置漫游相機(jī)觀察吊車的基本情況等，簡單的操作即可建立起簡單的自定義界面，制作出圖2所示的用戶界面。然后進(jìn)行簡單的腳本設(shè)置，完成對吊車的基本操作。圖3所示為吊車的起吊過程。

圖2 吊車虛擬現(xiàn)實(shí)界面

1.建立基本界面

在VRP平臺上，設(shè)置系統(tǒng)的背景圖片，添加前進(jìn)，后退，左移，右移，左旋右旋等基本操作按鈕。鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕以后，便會觸發(fā)和按鈕綁定的腳本事件。以下以左移按鈕為例進(jìn)行說明。

（1)給場景中添加按鈕。單擊“初級界面”，然后點(diǎn)擊創(chuàng)建新面板，選擇“按鈕”在視圖中左鍵拖拽創(chuàng)建按鈕，可以添加貼圖并修改圖片名稱，完成按鈕界面的添加。

（2)打開“透明”面板，勾選“使用貼圖 Alpha”復(fù)選框，并設(shè)置“邊緣裁剪”為32，完成動畫按鈕的制作。

（3)同理，按照前面創(chuàng)建的方法，在視圖中添加其它按鈕。

2.設(shè)計腳本交互

為相應(yīng)的按鈕添加相應(yīng)的腳本代碼。通過控制播放動畫的幀數(shù)，確保按鈕執(zhí)行相應(yīng)的動作。通過腳本，模擬實(shí)現(xiàn)了吊車的操作情形。還可以為系統(tǒng)添加角色，通過控制相機(jī)進(jìn)行一系列的觸發(fā)動作。

3.生成可執(zhí)行文件

圖3 吊車的起吊過程

利用VRP編輯器生成獨(dú)立的exe、文件或者基于web的網(wǎng)站，更加方便快捷的使用吊車仿真系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

本文提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于吊車仿真培訓(xùn)的軟件系統(tǒng)。首先借助3DMax建立出吊車模型，然后通過VRP平臺實(shí)現(xiàn)吊車的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)為使用者真實(shí)展示了吊車的基本操作，既使得使用者更接近真實(shí)情況了解吊車操作和培訓(xùn)，可以為企業(yè)降低了吊車演練和人員培訓(xùn)的成本，降低吊車培訓(xùn)的操作風(fēng)險，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。

［1］郝筱松.虛擬現(xiàn)實(shí)中三維模型簡化技術(shù)［D］.西安電子科技大學(xué)，2007.

［2］顏穎.基于3DMax和VRP的虛擬現(xiàn)實(shí)研究［J］.石家莊鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，（4).

［3］胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

［4］馬思群.基于3DMax及VRP的高速列車VR系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)仿真，2013，（1).