数控机床面板按键仿真模型组设计方法探索

2017-04-10

中国设备工程 2017年7期

（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

数控机床面板按键仿真模型组设计方法探索

曾欣，宋宁，刘咸超

（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

机械仿真要求模型是细致而具备功能性的。数控机床面板仿真组模型的特征在于数量通常比较多，不同按键间既具备大部分的共性，又具备各自的特征。建模过程中，如果缺乏行之有效的策略，建模的工作量将会非常庞大。本文分析了数控机床面板仿真模型建模组的构造特征，根据机械仿真对模型的要求，提出了4种不断优化改进的建模方案，通过这些方案在贴图效果、建模效率等方面的表现，探索出类似于数控机床面板按键一类机械仿真组模型及其UV设计的高质、高效的模型设计方法。

数控机床面板；仿真模型；模型组；数控机床

1 概述

与普通CG影视动画相比，虚拟仿真要求模型不仅要看起来“像”，更要细节具体，像模型对应的实物本身一样具有“功能性”——因为仿真模型通常会被反复观察，必须能经受用户复动态观察的考验。数控车床、数控铣床、加工中心、数控冲床等数控机床的面板上的按键是一类独特的模型：按键几何模型基本上是完全相同的，外观材质也基本一样，但在每个按键上的符号是独有的。仿真模型中，这一类模型数量通常比较多，如计算机的键盘、许多设备的按钮或旋钮也是类似的情况。这类模型的建立，如果在建模设计时没有很好的策略，将会给建模、UV划分和纹理制作带来沉重的工作量，甚至影响到仿真系统的运行效率。很多学者对仿真模型的管理、重用和纹理自动生成等方面做出了卓有成效的研究：郑利平等学者提出了使用纹理模板，借助图像分割方法，实现纹理图像的纯色着色和图案填充，进而实现人群仿真的角色多样化的方法；姜翰青等学者提出了一种新的多视图纹理实现高质量纹理映射的方法；杜国红等学者提出了针对陆军合成营作战仿真模型的基于组件化建模方法的模型体系架构；熊嵩分析了目前可重用方法的主要思路与瓶颈，提出了大型仿真模型体系的可重用性实现方法。然而，对于数控机床面板按键这一类经常遇到的仿真模型组高效建模的方法，尚未有学者关注。

2 对建模和UV设计的要求

本文通过对数控机床面板按键类似模型建模和UV设计的多种方法比较，探索最为高效、可行的建模设计方法。比较的方面包括：（1）建模效率好的建模方法要求高效建模，最大程度的模型重用。（2）直观、易于理解的贴图布局。（3）易于设计和绘制的贴图纹理。（4）优质的纹理。

3 几种设计方法的对比

下文对数控机床面板按键的几种建模方法就以上的目标达成情况进行对比。

（1）普通无复用的独立建模方法。该方法把每一个按键模型当作互不相关的模型，每一个模型独立建模、划分UV并且制作和映射贴图。其特点是各个模型的建模顺序没有现有制约和先后顺序要求，每个模型独占一张纹理贴图，纹理质量高，但由于模型网格和UV都没有重用，建模、UV划分都贴图制作的，工作量极大。

（2）复用网格、复用UV、独立纹理的建模设计方法。由于数控机床按键类模型具有几何模型完全相同，建模时很容易想到方法就是，先建立一个模型，并划分好UV，然后将模型复制和阵列。由于每个按键的纹理不一样，阵列后分别去配置纹理贴图。这种方法的特点是：操作简单，建模操作不需要严密的逻辑顺序，每个模型独立使用一张纹理贴图，能获得最好的纹理质量。但是由于按键类模型数量通常很大，少则二三十，多则上百个按键，贴图的制作和配置工作量就特别大，而且由于贴图数量多，增加了仿真图形引擎的压力（图1）。

（3）复用网格、复用UV、共用纹理的建模设计方法。在上一建模方法的基础上，使用同一张纹理，阵列模型后，修改UV映射到纹理的不同部位。这种方法较好地改变了上一方法中纹理制作工作量大的问题，但是由于多个模型的UV共用一个纹理，导致每个模型在贴图上分得的映射面积较小，纹理质量下降（图2）。

图1 复用网格、复用UV、独立纹理的建模设计方法

图2 复用网格、复用UV、共用纹理的建模设计方法

（4）共用网格、优化UV、共用纹理的建模设计方法。在上一方法的基础上，优化UV：由于每个按键的侧面没有图案，是相同的，这部分纹理可以共用，映射相同的纹理；每个按键正面的图案和符号不一样，让它映射到不同的纹理部位。在此方法中，纹理上按键符号的位置最好数控机床面板上按键的实际位置布局，以便于后面修改UV映射。这种建模方法最大程度地重用了模型、UV和纹理，减少了建模、贴图制作的工作量，极大地提高了建模的效率，并且能较好地控制模型的纹理质量（图3）。

图3 共用网格、优化UV、共用纹理的建模设计方法

建模方法的性能和效率比较如表1。

表1 数控机床面板按键仿真模型设计方法对比

通过上面的比较，方法（4）在建模质量高，满足虚拟仿真要求，在模型网格重用、UV重用以及纹理绘制工作量等方面，都有较大的优势，纹理图案布局与按键实际布局位置一致，能有效地提高建模的效率。

4 共用网格、优化UV、共用纹理的建模设计方法建模步骤总结

根据上述建模方法的比较，对于类似于数控机床面板按键、几何形状完全一致、表面纹理绝大部分相同的这一类大规模建模模型，其建模步骤可以归纳如下：（1）分析模型，找出模型间的共同特征和差异部分。（2）建立众多模型中的一个模型，并初步划分UV。（3）根据UV和模型实物的实际布局设计和制作纹理，众模型一致的部分纹理和不一致的部分纹理在图上分开绘制，特征图案或符号按模型代表的实物的实际位置布置。（4）优化UV，将众模型一致的纹理部分与不一致的纹理部分分别映射到模型上。（5）阵列模型。（6）对照纹理布局，修改每一个模型不一致的部分纹理的映射，直到完成。