面向大型產(chǎn)品虛擬展示的數(shù)據(jù)管理方法研究

肖元秀，劉 景，黃淑榮

(河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州 213022)

1 引言

產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用，該技術(shù)把具有高度真實感的產(chǎn)品數(shù)字化模型，結(jié)合聲音、文字、圖像，并采用自動或交互方式，全方位地展示產(chǎn)品性能、工作原理和使用方法等。在桌面式虛擬環(huán)境中實現(xiàn)對大型產(chǎn)品的虛擬展示，不但可以避免沉浸式大型虛擬現(xiàn)實環(huán)境所需要的高昂設(shè)備投入，而且方便企業(yè)進行產(chǎn)品展示與宣傳環(huán)境的快速搭建。但是，隨著產(chǎn)品數(shù)字化建模精度越來越高，模型的數(shù)據(jù)量急劇增加，這給模型數(shù)據(jù)的存儲、管理、載入和實時顯示帶來極大困難［1］。

目前，對桌面虛擬環(huán)境中模型數(shù)據(jù)管理和優(yōu)化調(diào)度的研究，主要集中在三維地形和數(shù)字化城市領(lǐng)域。曹晶等提出利用Terra Vista強大的地形建模能力［2］，快速、高效生成最優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)的高效管理及大范圍城市三維系統(tǒng)的流暢漫游。Fu Zhongliang［3］和 Dang Zhou［4］等基于 ROAM 算法，利用LOD和可見性剔除等優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合緩存管理技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模三維地形場景漫游的展示。Wang Yingjie［5］等針對三維城市模型的特征，提出了一種基于Cell－Portal結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理和調(diào)度優(yōu)化方法，提高了模型的繪制效率。而針對大規(guī)模復雜機械模型虛擬展示領(lǐng)域的研究并不多見。因此研究并設(shè)計了一種模型數(shù)據(jù)的存儲、管理、動態(tài)調(diào)度以及顯示優(yōu)化方案，充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，實現(xiàn)產(chǎn)品模型的實時繪制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率。

2 模型數(shù)據(jù)管理方案

圖1 總體框架設(shè)計圖

為了在桌面虛擬環(huán)境中實現(xiàn)對大型產(chǎn)品的虛擬展示，研究設(shè)計了虛擬裝配與展示系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)主要由模型預處理、Pro/E二次開發(fā)、虛擬裝配路徑生成、場景組織與調(diào)度、場景渲染與繪制等功能模塊構(gòu)成。基于該架構(gòu)設(shè)計的模型數(shù)據(jù)管理方案如下:

(1)模型數(shù)據(jù)存儲

虛擬裝配與展示系統(tǒng)中，合理有效的數(shù)據(jù)組織管理是內(nèi)存調(diào)度、場景管理與顯示優(yōu)化、提高系統(tǒng)運行效率的前提。由于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、最低冗余度、較高的程序與數(shù)據(jù)獨立性和易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問等優(yōu)點，因此采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Access 2007設(shè)計并建立場景數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

(2)場景管理與內(nèi)存調(diào)度

結(jié)合OSG(OpenSceneGraph)場景管理機制，采用層次化的場景圖結(jié)構(gòu)組織場景數(shù)據(jù)。使用基于NUR算法的內(nèi)存管理策略，對展示系統(tǒng)中的場景模型對象進行內(nèi)存管理，并結(jié)合模型調(diào)度技術(shù)，以最大限度地利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)運行效率。

(3)模型簡化與場景顯示優(yōu)化

在模型預處理階段，采用幾何細節(jié)抑制方法實現(xiàn)對模型圓角特征的抑制，減少內(nèi)存空間的使用。在場景繪制顯示過程中，綜合使用視錐體裁剪、背面剔除及幾何體數(shù)據(jù)合并等技術(shù)來減少最終送往繪制管線的可繪制體數(shù)目和三角面片數(shù)，加快顯示速度，提高展示幀率。

3 模型數(shù)據(jù)存儲和管理

產(chǎn)品的CAD模型主要由Pro/E軟件設(shè)計而成，根據(jù)Pro/E提供的模型轉(zhuǎn)換工具進行模型預處理操作，實現(xiàn)CAD模型向三角面片模型的轉(zhuǎn)換。之后對Pro/E系統(tǒng)進行二次開發(fā)獲取模型裝配信息，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。虛擬裝配與展示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)還包括零件幾何模型、零件裝配過程路徑信息、裝配序列規(guī)劃信息、場景管理信息等。

采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Access 2007中的表結(jié)構(gòu)依次建立6個數(shù)據(jù)表:零件模型信息表、場景信息表、司機室信息表、車體信息表、冷卻室信息表和轉(zhuǎn)向架信息表。表中主要存儲各模型或場景的ID號、文件名稱、幾何模型信息、模型裝配信息、路徑信息和對應(yīng)的存儲文件目錄等數(shù)據(jù)，并將ID號作為主鍵建立6個信息表之間的聯(lián)系，為后期的組織調(diào)度實現(xiàn)做好準備工作。

4 場景管理與內(nèi)存調(diào)度

4.1 場景圖管理與設(shè)計

OSG場景圖采用一種自頂向下、分層的樹狀結(jié)構(gòu)來組織空間數(shù)據(jù)集，以提高渲染效率，并采用包圍體［6］層次結(jié)構(gòu)組織場景對象，管理復雜場景的物體。一棵場景樹的頂部是根節(jié)點，從根節(jié)點向下延伸，各個組節(jié)點中均包含了幾何信息和場景渲染信息;另外還包括多種功能節(jié)點，以執(zhí)行各種不同的功能。如開關(guān)節(jié)點可設(shè)置其子節(jié)點可用或不可用，細節(jié)層次(LOD)節(jié)點可根據(jù)觀察者的距離調(diào)用不同的子節(jié)點。如圖2所示為場景的部分節(jié)點樹結(jié)構(gòu)。

圖2 部分節(jié)點樹結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)展示系統(tǒng)的需求及模型間裝配層次關(guān)系，結(jié)合OSG場景管理機制，分別設(shè)計了場景的邏輯視圖、渲染樹視圖和實體類視圖。首先根據(jù)需求分析，明確展示場景中需要包含哪些實體單元以及與其他實體對象間的邏輯關(guān)系;然后利用OSG場景圖節(jié)點機制，選擇需要的功能節(jié)點構(gòu)建各實體單元的渲染樹視圖;最后將與三維渲染無關(guān)的靜態(tài)實體對象封裝成實體類視圖。

4.2 內(nèi)存動態(tài)調(diào)度

借助NUR管理內(nèi)存的算法思想，對展示系統(tǒng)中的場景模型對象進行內(nèi)存管理。內(nèi)存管理策略流程圖如圖3所示，先在內(nèi)存中開辟一個節(jié)點列表，同時設(shè)置最大容納值，表示內(nèi)存中可存儲的最大節(jié)點數(shù)目。再對場景節(jié)點樹中每個節(jié)點賦予一個引用位flag，作為是否將該節(jié)點對象從內(nèi)存中剔除，并替換成下一個即將被引用節(jié)點對象的標志。若內(nèi)存中加載的節(jié)點對象數(shù)值超過了最大容納值，則從內(nèi)存中依次剔除flag=0的節(jié)點對象，若沒有超出容納值，表示繼續(xù)加載模型數(shù)據(jù)。

圖3 內(nèi)存管理策略流程圖

由于計算機的內(nèi)存和計算能力有限，不可能將所有的數(shù)據(jù)事先調(diào)入內(nèi)存，必須根據(jù)當前場景顯示的需要，加載用戶需要看到的模型數(shù)據(jù)，剔除對顯示繪制沒有作用的模型數(shù)據(jù)。場景區(qū)域劃分為可見區(qū)域、預可見區(qū)域和不可見區(qū)域，與之對應(yīng)的是:可見數(shù)據(jù)、預可見數(shù)據(jù)和不可見數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)類型采用不同的調(diào)度策略，這里采用滿足透視投影原理［7］的視錐體來實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度。

圖4 透視投影視錐體示意圖

圖4中V表示人眼視點，N表示近裁剪平面，F(xiàn)表示遠裁剪平面，T表示場景區(qū)域，P是視錐體在場景區(qū)域的投影面，通常是一個梯形。因此可用一個較規(guī)則的等腰梯形區(qū)域近似表示場景的可見區(qū)域，等腰梯形的面積可根據(jù)視錐體參數(shù)計算出來。

場景初始化時，可見區(qū)域的數(shù)據(jù)首先被調(diào)入。但是，虛擬漫游過程中可見區(qū)域?qū)淖?，為了避免影響到場景漫游的連貫性和實時性，預可見區(qū)域的判斷、計算和預可見區(qū)域數(shù)據(jù)的調(diào)度成了關(guān)鍵。而用戶視點移動的趨勢是隨機的，不同的運動趨勢確定了不同的預可見區(qū)域。因此可將之前的可見區(qū)域范圍擴大，盡可能地將視點運動的各種趨勢包含在等腰梯形中，并將其作為預可見區(qū)域部分。預可見區(qū)域之外的為不可見區(qū)域，對于當前視點看不見的模型不予調(diào)度，直接從內(nèi)存中剔除出去。

以機車的司機室場景為例，運用該場景管理與調(diào)度方法，實現(xiàn)了場景漫游的連貫性和實時性，效果圖如圖5所示。

圖5 司機室場景漫游展示效果圖

主要實現(xiàn)步驟如下:

(1)連接并訪問數(shù)據(jù)庫中的司機室信息表，根據(jù)場景組織管理方法分別構(gòu)建場景的渲染樹視圖和實體類視圖。其中將司機室信息表中model_file字段作為模型導入的參數(shù)，model_file字段記錄模型文件的存儲位置，可為程序加載外部文件時提供相對路徑索引。

(2)結(jié)合構(gòu)建的場景圖，采用內(nèi)存管理方法，為司機室中的每個節(jié)點設(shè)置引用位。此時的節(jié)點除了包含實體類中的節(jié)點外，還包括渲染樹節(jié)點等。申請一個節(jié)點列表用來存儲已經(jīng)加載的模型節(jié)點，并設(shè)置內(nèi)存中節(jié)點的最大容納數(shù)，這里設(shè)定為200。

(3)判斷當前內(nèi)存中引用位為0的節(jié)點，將這些節(jié)點數(shù)據(jù)從內(nèi)存中剔除，并加載即將可能看見的模型數(shù)據(jù)。用戶視點改變時，根據(jù)調(diào)度方法對預可見區(qū)域節(jié)點進行判斷和加載。

5 場景的顯示優(yōu)化

大型產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)量大，對場景繪制展示的要求比較高，僅僅依靠內(nèi)存管理和調(diào)度策略提高繪制效率還不夠，需要在展示過程中設(shè)計一些輔助技術(shù)優(yōu)化場景的顯示效果，提高渲染幀率。采用以下處理方法:

(1)視錐體裁剪

視錐體裁剪技術(shù)是基于包圍體(BVH)層次結(jié)構(gòu)，借助包圍球?qū)σ曞F體與節(jié)點數(shù)據(jù)的求交計算來判定視錐體內(nèi)的可見數(shù)據(jù)。圖6為視錐體包圍球示意圖，在以視點V為原點、視點方向為Z的坐標系中，ABCD為視錐體在XZ平面上的投影。視錐體包圍球的中心為O，經(jīng)計算可得點O、C的坐標，進而求得包圍球半徑OC的坐標。當視點和視線方向改變后，需重新確定視錐體的包圍球，計算其中心點坐標和包圍球半徑。

圖6 視錐體包圍球示意圖

具體步驟如下:

Step1:獲取當前視錐體的參數(shù);

Step2:分別計算視錐體包圍球和節(jié)點包圍球的中心和半徑，半徑分別記為R1、R2;

Step3:計算節(jié)點包圍球中心與視錐體包圍球中心的距離d，若d＜R1+R2，則說明該節(jié)點可見。

以司機室場景的繪制顯示為例，采用該技術(shù)得到如表1所示的數(shù)據(jù)對比，其中視點距離大小為:d1＞d2＞d3。通過表1可以明顯看到，隨著視點瀏覽場景，可繪制體數(shù)目和三角面片數(shù)目跟著減少，幀率也在相應(yīng)地提高，降低了圖形的渲染負擔，達到了優(yōu)化場景顯示的目的。

表1 司機室裁剪前后數(shù)據(jù)對比

(2)隱藏面剔除

機車模型對象中包含了很多遮擋體，尤其是對于一些裝配體模型，當視點在瀏覽場景時，通常大約有一半的模型表面是看不到的。因此，在顯示繪制時采用隱藏面剔除技術(shù)，將那些處于視線背面、與當前視點方向相反的模型數(shù)據(jù)剔除掉，不進行繪制。如此的話，場景的整個復雜度將會降低最多1/2左右，減少了最終繪制渲染的數(shù)據(jù)量，提高了展示效率。

通過計算當前視點方向與模型對象的多邊形面片法向量之間夾角的大小，對當前視點中的數(shù)據(jù)進行判斷和剔除。如圖7所示，代表多邊形的法線方向，V→代表視線方向與的夾角為θ，當θ大于90度時，該多邊形面片數(shù)據(jù)不可見，將其剔除;當θ小于等于90度時，表示當前模型數(shù)據(jù)可見，需要送往渲染管線進行繪制。

圖7 向量間夾角的計算

(3)幾何體數(shù)據(jù)合并

機車模型包含的模型數(shù)目比較多，而每個模型又包含很多零部件，部分零部件包含的三角面片數(shù)高達100多萬。如圖8所示為機車柴油機中的一組動力組模型，可以看到該模型中包含了多種具有多個相同網(wǎng)格組件的零件模型。

圖8 柴油機動力組多幾何體特征

針對這種情況，可將具有相同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的元件模型合并成一個幾何體對象。實時繪制顯示時無需對具有相同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的部件進行再次的重復繪制，只需要通過簡單的矩陣變換操作將模型放置到相應(yīng)的位置即可，這樣可大大減少顯示繪制的幾何體數(shù)目，提高繪制速度。

6 結(jié) 束 語

基于桌面式產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)提出了一種適合于大型復雜機械產(chǎn)品虛擬展示的數(shù)據(jù)管理方法，并以機車為實例，綜合運用數(shù)據(jù)管理、內(nèi)存調(diào)度和顯示優(yōu)化等方法，結(jié)合多媒體技術(shù)實現(xiàn)了場景的漫游和虛擬裝配展示過程。結(jié)果表明，對于具有25，457個三角面片及326，825個三角帶的復雜機車司機室場景，能以60左右的幀率進行人機交互漫游控制。驗證了所提出的數(shù)據(jù)管理方法的有效性，以及組織調(diào)度優(yōu)化的合理高效性，提高了顯示繪制和人機交互的效率，具有一定的理論意義和實用價值。

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