吳敬兵 陳 玲

（武漢理工大學機電工程學院 武漢湖北 430070）

1 引言

浮法工藝具有高產(chǎn)低耗、深加工空間大等優(yōu)點，成為玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的工藝方法[1]。若對浮法工藝理論認識不足，就會嚴重影響浮法玻璃工業(yè)的發(fā)展。

當前浮法工藝的理論教學主要是書本與實地參觀相結(jié)合的方式，浮法玻璃生產(chǎn)設(shè)備在運行時，只能看到設(shè)備外形，無法觀察其內(nèi)部生產(chǎn)狀態(tài)[2]。而一般可視化研究僅針對某一關(guān)鍵設(shè)備進行模擬展示，而缺乏對整體工藝流程的逼真模擬，學習者很難系統(tǒng)地建立起完整浮法工藝的立體形象[3]。

因此，本文提出了對浮法玻璃整體生產(chǎn)工藝流程的可視化研究，利用幾何與圖像的混合建模技術(shù)，在3Ds max和SolidWorks中設(shè)計了工藝設(shè)備和廠區(qū)環(huán)境的三維模型；基于場景優(yōu)化技術(shù)，提出了浮法工藝可視化的優(yōu)化方案；采用UNIGINE引擎，探索了浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程。

2 虛擬場景建模

2.1 建模技術(shù)的介紹及選用

幾何建模是虛擬場景建模技術(shù)的基礎(chǔ)[4]，其實質(zhì)是通過建立幾何實體模型來構(gòu)建虛擬場景。幾何建模技術(shù)的優(yōu)點有：可交互性強，能實時瀏覽與實時操控；

幾何實體能夠抽象表達對象的幾何信息，易于存儲；所需信息量較小，算法簡單。

但幾何建模技術(shù)存在著場景逼真性與渲染實時性的矛盾。簡化模型，數(shù)據(jù)量降低，真實感會減弱，甚至導(dǎo)致某種程度的失真；精細模型，真實感增強，但數(shù)據(jù)量增大，渲染速度慢，且模型構(gòu)建更復(fù)雜。

圖像建模的原理是利用計算機圖像處理技術(shù)將相機采集的圖象組織成全景圖象，然后把多幅全景圖象組織成完整的虛擬場景。圖像建模的優(yōu)點有：場景真實感好，建模簡單，數(shù)據(jù)量小，實時性強，渲染速度快。但圖像建模技術(shù)構(gòu)建的虛擬場景，本質(zhì)是圖像構(gòu)成的封閉空間，缺乏交互性，僅能實時瀏覽，不能實時操控。

綜上所述，圖像建模與幾何建模各有優(yōu)勢和不足。為了緩和渲染速度與可交互性的矛盾，本文采取基于圖像與幾何的混合建模技術(shù)。

混合建模的步驟如下：利用幾何建模構(gòu)建幾何實體，利用圖像建模引入紋理貼圖還原對象外觀；用幾何建模對可交互模型進行精細建模；給可交互模型添加交互模塊。混合建模技術(shù)能夠綜合圖像建模和幾何建模的優(yōu)點，在提高場景逼真感的同時，保證實時瀏覽與交互的高度結(jié)合，實現(xiàn)實物虛化、虛物實化，達到真正意義上的沉浸。

2.2 浮法玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)可視化建模技術(shù)路線

在建模過程中，要明確模型細節(jié)，選擇合適的建模方法，在滿足需求的同時減少模型多邊形數(shù)量。本文中虛擬場景建模步驟如下：

（1）前期準備：包括數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、場景模型結(jié)構(gòu)層次的劃分及優(yōu)化；

（2）建模過程：依據(jù)場景模型結(jié)構(gòu)，依次建立局部模型，最后整體集成；

（3）后期優(yōu)化：三維模型的優(yōu)化，虛擬場景的優(yōu)化，場景的集成與調(diào)度。

浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的虛擬場景，主要分為生產(chǎn)線和玻璃廠區(qū)兩部分。依據(jù)浮法工藝流程將生產(chǎn)線分為：投料機、玻璃熔窯、錫槽、退火窯、冷端、切割線等；玻璃廠區(qū)分為：玻璃廠房、天空遠景、地形道路、環(huán)境景觀等。

3 虛擬場景優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化技術(shù)是可視化研究的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響系統(tǒng)的渲染速度和運行效率。本文采用的優(yōu)化技術(shù)具體如下：

（1）層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化：建模前層次結(jié)構(gòu)的劃分及初模后層次結(jié)構(gòu)的調(diào)整；

（2）紋理貼圖優(yōu)化，利用Photoshop處理貼圖，改變其格式、大小等；

（3）模型輕量化：利用剔除冗余多邊形、紋理映射等技術(shù)盡量減少模型的多邊形數(shù)量；

（4）場景優(yōu)化：采用實例化技術(shù)、LOD技術(shù)和外部引用技術(shù)等對虛擬場景進行優(yōu)化處理。

4 浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的總體思路

4.1 建模軟件及開發(fā)平臺

課題研究的可視化虛擬場景包括熔窯、錫槽、退火窯等工藝設(shè)備和廠區(qū)環(huán)境。所選建模軟件需滿足：易學易用，以便于按期完成場景制作；能處理數(shù)據(jù)量龐大的虛擬場景；與其他建模工具和開發(fā)平臺兼容性良好，便于模型導(dǎo)入導(dǎo)出。所選開發(fā)平臺需滿足：渲染效果真實；逼真的煙霧、流體等粒子效果；易學易用，以便于按期完成系統(tǒng)開發(fā)等。

UNIGINE作為原生的三維引擎，擁有許多強大功能：允許設(shè)置渲染模式且渲染效果良好；強大的腳本系統(tǒng)為可視化系統(tǒng)的開發(fā)提供了無限可能[5]；內(nèi)置的動畫編輯器、材質(zhì)編輯器、節(jié)點編輯器便于場景的制作和管理；高度可擴展性，能夠兼容其它計算機語言開發(fā)的外部模塊等。

綜上所述，選用3Dsmax與SolidWorks協(xié)同建模；選用UNIGINE作為浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)平臺。

4.2 總體思路及技術(shù)路線

具體開發(fā)工作如下：在SolidWorks中精細創(chuàng)建工藝設(shè)備；在3Ds max中構(gòu)建廠區(qū)環(huán)境；將模型文件導(dǎo)入UNIGINE中進行場景編輯；測試運行系統(tǒng)并發(fā)布。開發(fā)流程如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：包括地形環(huán)境、生產(chǎn)線布局、設(shè)備工作原理、工藝設(shè)備設(shè)計圖紙以及廠區(qū)布局圖紙等；

（2）場景構(gòu)建：依照設(shè)計圖紙在SolidWorks中創(chuàng)建設(shè)備模型；依照環(huán)境布局在3Ds max中構(gòu)建廠區(qū)環(huán)境模型并貼圖；

（3）模型導(dǎo)入：將SolidWorks和3D smax的模型文件保存成UNIGINE可兼容的格式，并導(dǎo)入UNIGINE場景中；

（4）場景的編輯：模型材質(zhì)的賦予；創(chuàng)建粒子效果；制作設(shè)備運行動畫；編輯模型節(jié)點等；

（5）功能模塊的開發(fā)：基于功能需求，通過Unigine Script和c#語言設(shè)計功能模塊，實現(xiàn)交互邏輯；

（6）系統(tǒng)發(fā)布：整理所有文件，發(fā)布成exe可執(zhí)行文件，便于用戶使用。

5 浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程

5.1 虛擬場景的集成

場景的構(gòu)建是按照場景層次結(jié)構(gòu)的劃分進行，初模后需進行集成，最終形成完整場景。模型集成的實質(zhì)是：將單獨建立的模型分組存儲；將單獨建立的模型文件整合在一起，并按照布局位置擺放，形成完整的虛擬場景。將SolidWorks中創(chuàng)建的工藝設(shè)備和3Dsmax中構(gòu)建的廠區(qū)環(huán)境導(dǎo)入UNIGINE，并依照玻璃廠鳥瞰圖，將模型擺放至合適的位置。

5.2 資源文件的制作

考慮到在浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)中，需要對工藝設(shè)備的工作原理及結(jié)構(gòu)進行展示，需要制作相關(guān)資源文件。創(chuàng)建圖片說明設(shè)備的故障檢修，保存成PNG格式；利用語音合成軟件，輸出工藝講解語音文件，保存成MP3格式；利用AE制作設(shè)備模型的運行視頻，保存成MP4格式；通過對SolidWorks進行二次開發(fā)，提取SolidWorks中制作的動畫關(guān)鍵幀，保存成track格式。

5.3 UNIGINE中虛擬場景的編輯

虛擬場景的編輯包括材質(zhì)的編輯，節(jié)點的編輯，粒子效果的創(chuàng)建，動畫的編輯等。通過材質(zhì)編輯器新建材質(zhì)庫，向其中添加材質(zhì)效果，更改相關(guān)屬性，賦予模型材質(zhì)效果，如金屬、噴漆等；節(jié)點的編輯，包括節(jié)點的刪除、添加及屬性的修改等，可以在節(jié)點編輯器和腳本文件中編輯；創(chuàng)建粒子效果，包括煙霧、火焰、砂石等，向場景中添加ObjectParticles類的node節(jié)點，并修改其屬性，生成所需粒子效果；動畫的編輯，利用動畫編輯器，編輯模型節(jié)點的位置、透明度等參數(shù)創(chuàng)建關(guān)鍵幀，并寫入track文件。

5.4 功能模塊的設(shè)計

功能模塊包括：漫游功能，設(shè)備的快速定位，文字、圖片、視頻的顯示隱藏，動畫的播放停止等。

（1）漫游功能。虛擬場景的漫游包括自由漫游和路徑漫游。自由漫游即通過交互設(shè)備控制相機的位置和朝向，路徑漫游即按照既定路徑進行場景漫游，其既定路徑是通過設(shè)置相機的運動路徑和朝向得到。

（2）設(shè)備的快速定位。快速定位即通過交互設(shè)備快速定位至某一關(guān)鍵設(shè)備的工藝環(huán)節(jié)。首先獲取設(shè)備對應(yīng)相機的世界坐標數(shù)據(jù)，并存儲在配置文件中；然后通過交互獲取當前相機世界坐標，將其設(shè)置為目標設(shè)備對應(yīng)相機的世界坐標。

（3）文字、圖片、視頻的顯示隱藏。即在自由漫游的同時，通過交互顯示隱藏文字、圖片、視頻，并保證顯示時始終對用戶視角可見。

（4）動畫的播放停止。通過加載內(nèi)置動畫文件，在引擎渲染每幀畫面前，根據(jù)當前時間節(jié)點，設(shè)置對應(yīng)渲染效果。

6 結(jié)束語

本課題結(jié)合了三維建模技術(shù)與可視化技術(shù)，開展了浮法玻璃生產(chǎn)過程的可視化研究。選用3D smax與SolidWorks進行混合建模，選用UNIGINE作為開發(fā)平臺，設(shè)計了浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)的開發(fā)流程。這對于浮法工藝的理論教學和優(yōu)化發(fā)展具有重要意義，也為浮法工藝的虛擬現(xiàn)實控制系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。