基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法研究

龍薜岳+秦興盛

摘 要： 常規(guī)產(chǎn)品設計過程是通過AutoCAD軟件直接進行設計，在軟件中下達參數(shù)指令軟件會自動生成，整體設計過程沒辦法進行虛擬演化以及實際模擬，設計產(chǎn)品只有真實制作后才能夠進行測量與實驗，存在極大的延后性。提出基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法，對產(chǎn)品進行數(shù)字化建模，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)流程以及產(chǎn)品特點設計數(shù)字化模型流程，利用協(xié)作效應對AutoCAD中的數(shù)據(jù)與三維視覺協(xié)作模型中的設計數(shù)據(jù)進行搭配組合，完成AutoCAD圖像轉(zhuǎn)換三維視覺圖像，建立數(shù)字模型對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)加工實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設計。實驗結(jié)果表明，提出的虛擬設計方法設計的產(chǎn)品能夠更好地制造應用，設計效率高于常規(guī)方法，解決了設計延后性。

關(guān)鍵詞： 三維視覺； AutoCAD軟件； 虛擬設計； 建模； 圖形轉(zhuǎn)換； 產(chǎn)品設計

中圖分類號： TN911.73?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0010?04

Abstract： As the AutoCAD software is used for direct design in the conventional product design process and the software is automatically generated when the parameter instructions are given， the virtual evolution and actual simulation cannot be executed in the overall design process， and the designed products can be tested only after real fabrication， which results a great delay. Therefore， a product virtual design method based on 3D vision is proposed. The digital model of the products is established. The technological process of digital model is designed according to the production process and characteristics of product. The cooperative effect is utilized to match the data in AutoCAD with the design data in 3D visual collaboration model to complete the conversion of AutoCAD image to 3D visual image， and establish the digital model to realize the virtual design of the product of converted processing data. The experimental results show that the product designed by the proposed virtual design method is easy to manufacture and apply， and the method has better design efficiency than the conventional method， and has overcome the defect of design delay.

Keywords： three?dimensional vision； AutoCAD software； virtual design； modeling； graphic conversion； product design

0 引 言

對于產(chǎn)品設計生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)的設計方法是通過AutoCAD以及一些畫圖軟件進行繪制設計的，但是AutoCAD等一些設計軟件存在一定的缺點，設計過程中必須以三視圖的形式進行表述，設計過程中不能對產(chǎn)品進行生產(chǎn)演示，具有一定的延后性。提出基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法，通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法與常規(guī)使用AutoCAD等軟件設計方法的實驗結(jié)果相比較，本文設計的產(chǎn)品虛擬設計方法能夠在無延后性基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品設計。

1 構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字化建模

1.1 數(shù)字化建模的設計流程

本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法使用的數(shù)字模型能夠?qū)崿F(xiàn)AutoCAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維視覺數(shù)據(jù)。在設計流程中需要實現(xiàn)多數(shù)據(jù)交叉過程，為了數(shù)據(jù)完善以及運行的良好需要從產(chǎn)品角度出發(fā)進行流程設計[1]。本文設計的數(shù)字化建模的設計流程如圖1所示。

從圖1分布格局可以看出本文的數(shù)字化模型使用的是C/S多層結(jié)構(gòu)，這樣方便數(shù)據(jù)交叉連接轉(zhuǎn)化，同時避免了多余運行流程。數(shù)字化建模設計流程有兩種方案：三維視覺圖像承接方法；三維視覺模型跳躍轉(zhuǎn)化方法[2]。這兩種方法有一個共同點就是可以實現(xiàn)AutoCAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維視覺數(shù)據(jù)但是轉(zhuǎn)化方式有所不同，本文選擇方案一轉(zhuǎn)化模式，生成數(shù)字化建模設計流程。

1.2 AutoCAD和3ds MAX合理分工協(xié)作建模

AutoCAD是傳統(tǒng)設計制圖潤?。ㄜ浖┠軌?qū)θ我庑螤畹漠a(chǎn)品進行繪制設計，制造預留參數(shù)引入只能通過人工計算控制才能夠得以實現(xiàn)。本文通過三維視覺技術(shù)與AutoCAD制圖技術(shù)相結(jié)合[3?4]，利用三維視覺技術(shù)的虛擬演示性以及模仿能力進行參數(shù)的制定，利用AutoCAD圖像參數(shù)以及繪制比擬能力設計產(chǎn)品實際制作簡圖，兩項技術(shù)融合協(xié)作能夠完成本文設計的數(shù)字模型。本文設計的模型在兩項技術(shù)的支撐下，用，，，分別表示模型協(xié)作過程，建立協(xié)作模型如下：endprint

1.3 AutoCAD向3ds MAX的圖形轉(zhuǎn)換

本文在設計產(chǎn)品的過程中使用的三維視覺技術(shù)與AutoCAD技術(shù)都是出自Autodesk公司的產(chǎn)品，因此在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化甚至是圖像轉(zhuǎn)化過程中參數(shù)的設置調(diào)整變得非常容易，對于AutoCAD技術(shù)的圖像向三維視覺圖像轉(zhuǎn)化過程主要有兩項參數(shù)[5]：一項是圖像的立體幾何數(shù)據(jù)的交換承接；一項是圖像格式的交換承接。由于AutoCAD技術(shù)中的格式眾多，需對轉(zhuǎn)換過程建立一個轉(zhuǎn)換標準。這樣方便建立的模型進行快速的識別比對轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點是能夠識別對象的不同格式信息，同時引入模擬參數(shù)但不改變原有圖像的數(shù)據(jù)。在圖像幾何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化過程中，通過數(shù)據(jù)的保留引入把原始數(shù)據(jù)進一步限定，避免在轉(zhuǎn)化的過程中發(fā)生圖像“平面化”效應[6]。一般來說幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化完便可以完成對產(chǎn)品設計實現(xiàn)[7]。設為AutoCAD技術(shù)下的設計圖像，基于三維視覺的虛擬演示性，對進行一定的約束，完成圖像轉(zhuǎn)化，如下：

2 仿真實驗分析

2.1 參數(shù)設定

為了保證本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法的有效性，對實驗參數(shù)進行設置，本文選取軸承作為實驗設計的樣品，設計過程把ERHY軟件帶入設計的樣本中，ERHY軟件不會對設計過程產(chǎn)生附加影響。實驗基本參數(shù)的設定過程如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

本文實驗使用的ERHY軟件是為了保證測試的準確度，對其過程進行保留，并且計算出每次設計的評價。ERHY軟件分別會根據(jù)標準參數(shù)進行對比顯示出1～5的數(shù)字[8?9]，它們分別表示很不合格、不合格、基本參數(shù)正確、參數(shù)正確、參數(shù)無序修正幾個層次，并且計算出評價結(jié)果的均值、標準差計算公式如下：

2.3 結(jié)果對比分析

常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計的方法與本文基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法在ERHY軟件測試過程中引入森帕克指標表對設計結(jié)果進行對比，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)分析能夠看出，本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法比常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計的方法的森帕克指標要高出1倍以上。森帕克指標即CIMPACK指標，是衡量設計產(chǎn)品的實用性的參數(shù)，同時經(jīng)過轉(zhuǎn)化大于與工藝參數(shù)成負倍數(shù)關(guān)系，能夠確定設計制作難易程度，森帕克指標越大說明制作過程越容易。

本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法與常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計的方法，使用ERHY軟件進行基本參數(shù)的比較，圖1為使用查重軟件的結(jié)果。

從圖2可以看出，本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法在制造預留參數(shù)與森帕克指標上明顯好于常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計方法，說明本設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法更具有實用性。設計過程中本文的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法能夠進行三維模擬，對比常規(guī)方法無法實現(xiàn)。通過ERHY軟件對設計產(chǎn)品進行模擬制作和模擬使用，結(jié)果如表3所示。

從以上6組測試樣本數(shù)據(jù)能夠分析出，本文設計的基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法比常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計方法在森帕克指標上明顯高于常規(guī)使用AutoCAD進行產(chǎn)品設計方法。

3 結(jié) 語

本文提出基于三維視覺的產(chǎn)品虛擬設計方法，對產(chǎn)品進行數(shù)字化建模，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)流程及產(chǎn)品特點設計數(shù)字化模型機構(gòu)，用協(xié)作效應對AutoCAD中數(shù)據(jù)與數(shù)字模型中數(shù)據(jù)進行搭配組合，對常規(guī)AutoCAD圖像進行三維視覺轉(zhuǎn)換，使用建立的產(chǎn)品數(shù)字模型對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)加工實現(xiàn)產(chǎn)品虛擬設計。希望通過本文提出方法能提升產(chǎn)品設計有效性。

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