動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)可視化技術(shù)

米小珍，劉光亮，周韶澤

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

作為高速鐵路的核心運輸裝備，高速動車組集中體現(xiàn)了機械、電子、計算機、控制和材料等高新技術(shù)，代表了機車車輛技術(shù)的最高水平［1］.轉(zhuǎn)向架是保證動車組運行安全的重要組成部分，零部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復雜.據(jù)統(tǒng)計，占整個動車組成本15%的轉(zhuǎn)向架，在維修成本中占到40%以上(全生命周期).針對維修過程中存在的裝配關(guān)系復雜、檢修效率低、樣機培訓成本高、工作量大等問題，必須更新傳統(tǒng)的裝配檢修模式，才能使高速動車組在制造與檢修過程中出錯機會最小化，工作效率最大化，這就用到了虛擬裝配技術(shù).虛擬裝配技術(shù)使產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中進行模擬裝配，并且可以對產(chǎn)品的可裝配性做出直接評價和及時修改，為設(shè)計人員提供用于分析生產(chǎn)、裝配和評價的虛擬樣機.這樣可以避免設(shè)計缺陷、提高了設(shè)計質(zhì)量，代替實物樣機又可降低生產(chǎn)成本.其中，可視化技術(shù)可以為虛擬裝配系統(tǒng)提供直觀的圖形、圖像顯示，提高系統(tǒng)運行效率，生動地反映出虛擬裝配的品質(zhì)與性能，直觀地表達了虛擬裝配過程，最大限度地體現(xiàn)虛擬裝配的真實感.

目前，可視化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于虛擬仿真、結(jié)構(gòu)力學、有限元數(shù)值分析、氣象科學、天體物理、分子生物學、醫(yī)學圖象處理等領(lǐng)域.而且出現(xiàn)了工程可視化輔助設(shè)計，可以實現(xiàn)設(shè)計過程中直觀方便的用戶交互與控制，從而可以使設(shè)計人員對設(shè)計對象及設(shè)計過程有更深刻的觀察和理解，有利于提高工程的設(shè)計質(zhì)量，也是實現(xiàn)工程設(shè)計現(xiàn)代化的關(guān)鍵所在.所以，研究工程可視化具有現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值.

本文在動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)對可視化技術(shù)的需求分析基礎(chǔ)上，對裝配模型的簡化、三維剖切顯示、立體顯示等技術(shù)進行研究，實現(xiàn)了動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配過程的可視化.

1 動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)維修過程中存在諸多問題，例如裝配信息表達不直觀、不能共享、培訓成本高、培訓時間長等，這些問題可以在虛擬裝配系統(tǒng)中得到很好的解決.操作者可在虛擬環(huán)境中進行維修工作的“預(yù)實踐”，為維修人員提供有效的模擬技術(shù)支持.

動車組轉(zhuǎn)向架檢修用虛擬裝配系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)具有裝配序列規(guī)劃、包含路徑規(guī)劃的動態(tài)交互仿真及裝配維修信息查詢等功能，可以實現(xiàn)產(chǎn)品裝配序列的自動生成、裝配過程仿真，裝配維修信息查詢，為設(shè)計人員提供工藝參考，提高維護人員的維修能力和科技素質(zhì).為實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)綜合應(yīng)用了多種虛擬技術(shù)，如建模技術(shù)、層次化分技術(shù)、交互式仿真技術(shù)、面向維修的虛擬裝配技術(shù)、可視化技術(shù)等.其中可視化技術(shù)作為實現(xiàn)各個功能的支撐技術(shù)，是提高系統(tǒng)效率的重要手段，也是清晰表達復雜零件關(guān)系的有效方法.

圖1 動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 可視化技術(shù)需求分析

可視化技術(shù)是解釋圖像數(shù)據(jù)和根據(jù)復雜多維數(shù)據(jù)集合生成圖像的一種工具，包括圖像理解和圖像分析兩方面.具體來說，它是將數(shù)據(jù)、符號轉(zhuǎn)換為幾何圖形或圖像，以便研究人員觀察仿真和計算的結(jié)果［2］.可視化技術(shù)是計算機圖形學、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機接口等技術(shù)的集成.

虛擬裝配系統(tǒng)要求圖形生成速度達到實時，而計算機所提供的計算能力往往不能滿足復雜三維場景的實時繪制需要，尤其是對于高速動車組轉(zhuǎn)向架這樣的大型復雜結(jié)構(gòu)，因而研究人員提出多種圖形加速方法.LOD(Level of Detail)技術(shù)是其中一種主要方法;由于裝配體零件互相遮掩無法清晰的表達零件之間的裝配關(guān)系，剖視是一種展示裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段.本文利用三維剖切技術(shù)，將零件間復雜的裝配關(guān)系表述地更加明確;立體顯示技術(shù)可以實現(xiàn)深度層次立體視覺效果，使用戶“身臨其境”的重要方式之一.系統(tǒng)通過立體顯示技術(shù)為用戶提供高質(zhì)量的立體模型.

本文主要根據(jù)動車組虛擬裝配系統(tǒng)對可視化技術(shù)的需求，研究LOD技術(shù)、剖切技術(shù)和立體顯示技術(shù)及其實現(xiàn).

3 動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)可視化的實現(xiàn)

3.1 基于AABB包圍盒的LOD技術(shù)

本系統(tǒng)中的LOD技術(shù)以離散型LOD為整體框架、基于AABB包圍盒的模型簡化算法實現(xiàn).

LOD，即細節(jié)層次.其基本思想是利用物體的一種簡單形式來表達物體，從而使繪制的圖形簡潔明了.即當視點靠近物體時，用細節(jié)模型表示物體，當視點遠離物體時，用簡化模型來表示.由于距離的原因，簡化后的模型與細節(jié)模型看上去相差無幾，這樣就可以獲得一個比較好的加速效果，提高系統(tǒng)效率［3］.離散型LOD的基本思想是預(yù)處理時為每個物體在不同層次細節(jié)上創(chuàng)建不同的模型，在運行時選擇不同的層次模型來表示物體.其優(yōu)點為:可以解除簡化與渲染過程的耦合，使簡化模型易于編程實現(xiàn);生成LOD模型時間短，不會影響系統(tǒng)運行效率;現(xiàn)代圖形硬件對離散型LOD支持較好，可以將相互獨立的LOD模型在預(yù)處理中編譯處理成優(yōu)化的渲染格式，便于圖形的讀取.離散型LOD技術(shù)實現(xiàn)了動車組轉(zhuǎn)向架中大型復雜模型的快速導入、實時仿真及交互式操作.

包圍盒是用體積稍大且特性簡單的幾何體來近似地代替復雜的幾何對象.AABB包圍盒是包含對象且各邊平行于坐標軸的最小六面體［4］.四種常見的包圍盒如圖2所示，包圍球技術(shù)包圍簡約性好、但計算誤差大，OBB和k-DOPs包圍盒技術(shù)包圍緊密性很好、但計算繁瑣，AABB包圍盒技術(shù)在計算體積的復雜度、簡約性和緊密性上是一種折中，而且對于動車組零件而言，零件的形狀相對比較規(guī)則，用AABB包圍盒技術(shù)已經(jīng)足夠滿足計算的要求.因此本文選用AABB包圍盒技術(shù)對模型進行簡化，這種簡化算法比一般的網(wǎng)格化算法有更快的處理速度，提高了系統(tǒng)效率.在模型簡化過程中，主要是對物體內(nèi)部零件和小的零件進行簡化.簡化方法為:設(shè)整個大部件的包圍盒為A，內(nèi)含N個零件，其中某零件的包圍盒為ai(i∈N)，設(shè)定閾值M(0＜M＜1)，當，即為部件內(nèi)的“小零件”，對其進行簡化;當ai?aj(?j∈N，j≠i)時，即某零件在另一零件內(nèi)或從屬于另一零件，對其進行簡化.以空氣彈簧為例，簡化過程如下:

圖2 四種常見的包圍盒

首先導入零件模型，建立場景圖結(jié)構(gòu).然后計算場景圖內(nèi)的包圍盒，根據(jù)基于AABB盒的簡化方法簡化模型，最后將簡化后的零件模型導入到場景圖結(jié)構(gòu).以空氣彈簧為例，對應(yīng)不同的閾值M，得到不同的簡化結(jié)果.如圖3所示.(a)為簡化前模型;(b)為閾值M=0.001時簡化后的模型;(c)為M=0.005時的簡化模型.在模型簡化過程中，根據(jù)場景的不同選擇不同的閾值以達到圖像質(zhì)量與系統(tǒng)效率之間的平衡.

圖3 LOD簡化后模型比較

3.2 剖切技術(shù)

二維剖視圖主要用于顯示零件剖開后的斷面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠極大限度地表現(xiàn)零件內(nèi)部信息.在三維造型系統(tǒng)中，剖視是用一個平面把一個零件或裝配體切開，從而顯示被遮蔽零件的結(jié)構(gòu)形狀和位置關(guān)系.這在復雜的零件和裝配設(shè)計過程中十分有用，是三維造型系統(tǒng)可視化的重要組成部分［5］.三維造型中的剖視分類，國標中沒有明確定義，一般將剖切面劃分為5種，即單一剖切面、兩相交的剖切平面(旋轉(zhuǎn)面)、幾個平行的剖切面(階梯剖)、組合的剖切平面(復合剖)和不平行于任何基本投影面的剖切平面(斜剖).在實際應(yīng)用當中，平面剖切使用最多，而且是其他剖切方式的基礎(chǔ).

OSG(OpenSceneGraph)圖形系統(tǒng)對剖切有很好的支持，可以實現(xiàn)上述各種剖切方式.其實現(xiàn)原理為:在三維空間內(nèi)建立剖面方程Ax+By+Cz+D=0，當剖面與零件相交時，產(chǎn)生剖切效果.設(shè)被剖切零件上任意一點M，其剖面方程法向量n=(A，B，C).當m與n的夾角＜ m，n ＞∈(π/2，π)時，M點被剖切掉，M點的集合，即為零件被剖切部分.當剖面法向量n與坐標軸平行時，即為平行剖切或垂直剖切;當任意賦值時，即為斜剖;旋轉(zhuǎn)面剖切需要在零件上建立包圍盒，在包圍盒內(nèi)使兩個剖面相交，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)剖;階梯剖是在旋轉(zhuǎn)剖的基礎(chǔ)上，利用位置變換節(jié)點或矩陣變換節(jié)點疊加得到的.通過對動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析可知，階梯剖應(yīng)用較少，平面剖切和旋轉(zhuǎn)面剖切就可以方便簡潔的表達被遮掩部件的細節(jié)信息.

剖切的實現(xiàn):在系統(tǒng)中調(diào)用ClipPlane類的成員函數(shù)創(chuàng)建剖切平面，根據(jù)用戶輸入的剖面參數(shù)對剖切平面進行設(shè)置，在定義了平面索引后對導入的模型進行剖切.本系統(tǒng)實現(xiàn)剖切實例如下圖所示:圖4中(a)為空氣彈簧的直剖，通過剖切可以觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu);(b)為空氣彈簧的斜剖;圖5為輪對的旋轉(zhuǎn)面剖切，可以觀察到齒輪箱與箱座之間的裝配關(guān)系.

圖4 空氣彈簧的剖切

圖5 輪對的旋轉(zhuǎn)剖切

普通的靜態(tài)剖視圖能夠顯示的信息數(shù)量有限，不能完全描繪零件間的位置關(guān)系.采用交互控制技術(shù)和剖面參數(shù)實現(xiàn)的交互式剖切，可以使用戶更容易理解各部分之間復雜的空間關(guān)系.

3.3 立體顯示技術(shù)

在觀察真實世界時，我們的眼睛得到的是兩幅不同的圖像，這兩幅圖像中任意相應(yīng)兩點投射到視網(wǎng)膜上的水平距離，即為位差［6］，它使雙眼產(chǎn)生了體視感覺.視差則是投射到監(jiān)視器上，將在視網(wǎng)膜投射為位差的兩幅圖像的任意相應(yīng)兩點的水平距離.這兩幅具有視差的圖像稱為體試圖像對.視差的大小決定了視網(wǎng)膜上位差的大小，直接決定了成像的效果.視差有四種基本類型:零視差、正視差、負視差和發(fā)散視差，如圖6所示.

圖6 視差類型

當圖像對之間不存在任何差別，即為零視差，相當于看無限遠處的景物圖像;當視差小于或等于瞳距且視線不交叉時，產(chǎn)生正視差，融合后的立體圖像位于顯示器平面的后面;兩眼視線交叉時產(chǎn)生負視差，成像位于眼睛與顯示器之間;發(fā)散視差是視差取值大于兩眼瞳距，在這種情況下，即使很短的時間，也會使眼睛產(chǎn)生不舒服的感覺，在現(xiàn)實中一般不會出現(xiàn)發(fā)散視差的可能.

視差又可分為垂直視差和水平視差.垂直視差是相關(guān)點的垂直坐標差，具有垂直視差的圖像對在大腦中很難融合成立體圖像，應(yīng)避免垂直視差的產(chǎn)生.水平視差是相關(guān)點的水平坐標差，具有水平視差的圖像對融合效果好，因此應(yīng)多采用水平視差來產(chǎn)生立體效果.

目前有多種計算圖像對的算法，其中透視投影旋轉(zhuǎn)法、平行投影法和雙中心投影法是比較典型的三種算法.透視投影旋轉(zhuǎn)法在平面顯示器上會產(chǎn)生垂直視差和圖像的扭曲，常不采用.平行投影法雖然解決了上述問題，但會產(chǎn)生無界的水平視差，給觀察者一種逆透視的感覺，不能滿足觀察要求.雙中心投影法是用兩個中心分別對左眼視景和右眼視景進行投影［7］，不產(chǎn)生垂直視差、無界的水平視差等缺陷.因此，本文利用雙中心投影法實現(xiàn)模型的立體顯示.

雙中心投影法的原理為:假定兩眼到投影平面的距離相等，并且將兩眼簡化成兩個視點，如圖7所示.設(shè):左視點坐標為(－e/2，0，－d)，右視點坐標為(e/2，0，－d)，雙眼距為e，投影平面為z=0且平行于x-y平面，空間有一點p=(x，y，z)，Pl=(xl，yl)是點 p在投影平面的左投影，pr=(xr，yr)是點p在投影平面的右投影.

圖7 雙中心投影法數(shù)學模型

將左、右眼視景分別按單眼點投影法投影得到以下左、右眼點投影的方程組:

解方程組(1)可以得到左投影點在視平面的坐標Pl=(xl，yl).解方程組(2)可以得到右投影點在視平面的坐標Pr=(xr，yr).由左、右眼投影點坐標值，可以看到y(tǒng)l=yr，即左、右投影點在y方向的坐標相同，因此沒有垂直視差.而水平視差H=xl－ xr=de/(d+z)，其極限值為e.e值是決定水平視差H的關(guān)鍵系數(shù).只有當e足夠小時，左右視景才能融合成3D圖像.參考文獻［6］建議e=0.028d.

系統(tǒng)中立體顯示的實現(xiàn):程序調(diào)用OSG中的osg::stereo，通過交互式操作對為立體顯示參數(shù)賦值.如圖8所示，通過對屏幕高度、寬度、距離等的賦值，完成程序中 setStereoMode、setDisplay-Type、setStereo、setEyeSeparation、setDisplaySettings等函數(shù)的調(diào)用，根據(jù)雙中心投影法計算得到水平視差值，在場景圖中分別對左視圖和右視圖進行計算與繪制，利用紅藍分色實現(xiàn)立體顯示，實現(xiàn)立體顯示.交互式的立體顯示，可實現(xiàn)在不同規(guī)格的顯示器上得到相同的立體效果.圖8為立體參數(shù)的設(shè)置，圖9為輪對的立體顯示效果圖，需配戴紅藍立體眼鏡觀察立體效果.

圖8 立體渲染參數(shù)設(shè)置

圖9 輪對的立體顯示

4 結(jié)論

可視化是動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)的重要支撐技術(shù).本文采用基于AABB包圍盒的LOD技術(shù)實現(xiàn)了不同場景下模型的簡化;通過建立剖面實現(xiàn)了三維復雜模型的直剖、斜剖和旋轉(zhuǎn)剖切;利用雙中心投影法原理通過參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)了系統(tǒng)中復雜模型的立體顯示.

可視化技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)直觀性和效率，設(shè)計和制造人員利用該系統(tǒng)可以快速、準確地理解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、裝配和維護檢修要求，節(jié)約了大量查找模型資料和溝通所需要的時間，提高了工作效率.本系統(tǒng)開發(fā)的思想和方法，可以推廣到其他領(lǐng)域.

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