工程机械三维建模关键技术研究

张帅，陈六海，高亚明，韩文俊

(解放军理工大学， 江苏 南京 210007)

工程机械三维建模关键技术研究

张帅，陈六海，高亚明，韩文俊

(解放军理工大学， 江苏 南京 210007)

工程机械的虚拟训练系统涉及工程机械的三维模型重构等关键技术问题，严重影响了国内这方面的开发与应用。研究了工程机械三维建模过程中的几个关键性技术难题。探讨了基于快速三维拟合曲面技术和NURBS复合曲面重构技术的工程装备零部件的三维建模方法，阐述了建模步骤与生成方法。研究了三维模型的优化方法，构建了模型的优化步骤，研究了模型优化关键技术和结构优化关键技术。根据研究结果建立了场景逼真、操作交互性强的虚拟训练系统，为构建基于三维模型的工程机械虚拟训练系统提供了较好的技术基础。

虚拟训练系统；工程机械；模型重构；模型优化；结构优化

在工程机械虚拟维修训练系统的研制过程中，三维模型的精确建立发挥着至关重要的作用。高仿真度的三维模型可以真实再现实验场景、零件外观甚至内部结构，给用户以良好的沉浸感，获得如同甚至超过真实实验环境中的学习感受和体验。在虚拟三维模型的创建过程中如何把握模型的仿真程度，对虚拟现实系统能否成功实现有很大影响，因为它涉及了开发的软硬件成本以及现有的运行环境、条件等因素的限制。仿真程度恰当的三维模型有利于虚拟训练发挥出更大的教学优势。本文以高速挖掘机为例，研究其三维模型的快速重构技术和模型优化技术。

1 工程机械零部件的NURBS复合曲面重建

以高速挖掘机为代表的工作机械，其模型数量多、外形复杂，建模任务重、难度大。本文综合运用现代数值测量技术、计算机图形图像处理技术构造高速挖掘机零部件三维模型，基于三角Bezier曲面构建方法和NURBS参数曲面拟合方法进行自由曲面建模(NURBS曲面控制顶点示意图如图1)，构建复杂、准确的部件模型，力求模型的、精细、真实，为系统提供了形象逼真的训练对象。NURBS曲面数学模型为：

图1 NURBS曲面控制顶点示意图

对工程机械复杂零件建模，采用结合拼接和再修改的NURBS拟合曲面方法，其基本过程为：首先完成对测量点数据的过滤、排序、精简、分割等预处理，然后拟合生成多条u、υ方向的NURBS截面曲线，构造出反映重建曲面基本外形的曲线网络；其次，根据u、υ方向的轮廓边界型值点数据拟合生成封闭的重建曲面轮廓边界曲线，以界定重构曲面区域，保证重构曲面模型连续、封闭；再次，在已构造完成的u、υ方向NURBS截面曲线网格以及封闭的NURBS边界曲线的基础上，分别拟合生成若干个封闭、光滑的NURBS分块基面；最后，将各分块曲面进行拼接、过渡、延伸、裁剪、光顺等技术处理，并借助CAD系统的拉伸、布尔运算、曲面倒角、缝合等特征造型功能进行再修改，最后获得符合要求的符合曲面。某挖掘机驾驶室壳体NURBS光滑拼接如图2所示。

图2 挖掘机驾驶室壳体NURBS光滑拼接图

2 三维模型优化方法

2.1 三维模型的优化步骤

优化技术是三维建模过程中至关重要的一个环节，优化结果的好坏将直接制约系统静态导入的主要子系统动态调用的有关维修场景的运行效率和显示速度。本系统中采用的优化技术是贯穿在整个建模过程中的，是对传统优化技术的改进。三维建模优化流程如图3所示。

图3 三维建模优化流程图

a) 结构优化

1) 对初始化虚拟场景，按照场景分块(或模型分割)原则进行处理，建立层次结构。

2) 对上步处理过的结构，按照调整层次建模原则进行处理，进行结构调整。

b) 纹理优化

将数据预处理过的纹理，按照建模的实际需求进行处理，如处理成简单分量纹理、进行纹理格式优化和纹理拼接等。

c) 模型优化

将创建好的模型，使用可见消隐技术、纹理映射技术、实例化技术和 LOD技术等进行处理，简化多边形数目，进行模型优化。

d) 场景优化

将所有建立好的模型(系统内或系统外)，使用纹理映射技术、实例化技术、LOD 技术和外部引用技术等进行整个场景的优化处理。

2.2 模型的优化关键技术

1) 消除冗余多边形

构建实体模型时经常存在冗余现象，去除模型中不可见的多边形可以减少系统中多边形数量，在一定程度上也可以提高系统的实时性。因为在场景浏览时它们时刻处于不可见位置，去除它们并不影响实体的视觉效果，但是却可以很大程度上降低整个场景的复杂度，提高显示速度。这里的冗余多边形主要是指在实体外部观察模型时不可见的部分。例如：楼房建筑的底座面、内墙面以及体模型之间的连接面等。

2) 合理利用纹理

有效使用纹理不仅是一种增添场景真实感的有效方法，也是提高实时性的好方法。对于树木、建筑和栏杆等具有较多细节的物体来说，如果过分强调细节，会使工作量和模型复杂度骤然增大，而且可能导致整个系统实时运行速度的下降。这里一般采用纹理映射的方法，在对应位置的多边形表面“贴上”纹理图片，用来代替详细的模型。

3) 使用实例化技术

当三维复杂模型中具有多个几何形状相同但是位置不同的物体时，可以采用实例化技术。实例化是对数据库中已存在模型的引用，外观上的效果与复制相同，但实例并不是数据库中真实存在的几何体，而只是指向其父对象的指针。实例就像是一个模型的众多影子，而实际物体只有一个，其他的通过平移，旋转，缩放之后得到。也就是说在内存中只装入一次，这一点类似于动态连接库文件。因此，可以对某一实例的几何特征、颜色、纹理等属性进行编辑，但这将改变所有实例的属性。如果同一物体在场景中多次被使用，也就是说除了空间位置的不同之外，其他的属性都一样，那么可以只建立一个模型，在以后的使用过程中只要通过运用实例的方法来引用该模型即可，也就是通过坐标变换在不同的位置显示同一个模型。这样可以节省大量的硬盘和内存空间。

2.3 结构优化的关键技术

1) 单元分割(Cell Segmentation)是将虚拟场景(或模型)分割成较小的单元，只有在当前场景(或模型)中的实体才被渲染，因此极大地减少了处理场景(或模型)的复杂度。这种分割法对于地形模型和大型建筑物是非常适用的，因为在人的视野中所见的物体只是整个虚拟环境中的很小的一部分，只处理当前所见的物体大大提高了系统的速度。地形模型分成若干区块，场景调度时可以只输出其中的几个单元区块，而不必导入所有的模型。

2) 层次细节技术(Level Of Detail, LOD)

LOD技术主要是针对模型结构优化，即对于经过单元分割后的模型进行简化多边形的处理过程。LOD 简化多边形的目的，不是为了从初始模型中移去粗糙的部分，而是为了保留重要的视觉特征来生成简化的模型，其理想的结果应是一个初始模型序列的简化，这样简化的模型才可以应用于不同的实时加速(使用LOD技术三维场景可视图如图4所示)。

图4 使用LOD技术三维场景可视图

3 结论

本文研究了以高速挖掘机为代表的工程机械三维模型构建的关键技术。论文研究按照现有零部件原型，运用现代数值测量技术、计算机图形图像处理技术、计算机辅助建模技术构造高速挖掘机零部件三维模型，运用三角Bezier曲面为基础的曲面构建方法和以NURBS曲面为基础的参数曲面拟合方法进行自由曲面建模，构建复杂的外覆盖件(如驾驶室外壳、发动机燃烧室、进排气道等)，本文的工作为工程机械虚拟维修训练系统提供了形象逼真的训练对象。

[1] 王旭华.三维建模与机械工程图[M].南京：东南大学出版社，2009.

[2] 李心成.三角曲面造型关键算法的研究与应用[D].济南：山东理工大学，2009.

[3] 孙玉文，吴宏基，刘建.基于NURBS的自由曲面精确拟合方法研究[J].机械工程学报，2004，40(3).

[4] 德芒热.曲线与曲面的数学：贝济埃模型·B-样条模型·NURBS模型[M].北京：商务印书馆，2000.

Research on Key Technique of Three-dimensional Modeling for Construction Machinery

ZHANG Shuai, CHEN Liu-hai, GAO Ya-ming, HAN Wen-jun

(PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007，China)

The virtual training system of construction machinery involves a large number of technical problems in three-dimensional model reconstruction which affect the promotion and application in our country. In this paper, several key techniques for the reconstruction of three-dimensional modeling are addressed. The reconstruction method for three views of machine parts is proposed based on rapid 3D surface fitting as well as NURBS composite surface. Then optimization method and steps of 3D modeling are accomplished. The modeling and sturcture optimization techniques are studied in detail. The virtula training system with real scence and considerable capability of interactive control is developed according to the research result, thus it provides better technical basis for the establishment of the virtual training system for the construction machinery based on 3D modeling .

virtual training system; construction machinery; 3D model reconstruction; model optimization; sturcture optimization

江苏省青年科研基金资助(BK2012061)

张帅(1989-)，男，河南开封人，硕士研究生，主要从事工程装备维修等方面的研究工作，已发表论文5篇。

TP391

A

1671-5276(2014)02-0013-02

2013-01-24