基于Web的热轧虚拟仿真实验平台设计

张杰，李红斌，吴正源，石志伟，张畅维

（武汉科技大学计算机科学与技术学院，武汉430065）

0 引言

钢铁工业是国民经济的基础产业。一般情况下想要很好地了解钢铁的生产工艺流程，需要去工厂实地参观，但是现场恶劣环境容易造成危险。

随着计算机技术的迅猛发展，计算机模拟技术普遍应用于制造业中，如何将计算机模拟实验运用于工程教学也受到广大学者的重视。目前虽然有一系列的教学实验平台去解决这方面的问题，但是基于虚拟现实的热轧生产流程互动平台还不多，并且其中大多是单机运行，需要额外安装整个软件，存在过程繁琐、交互操作较少等问题。

所以我们提出了利用基于Unity3D、3dsMax等软件实现钢铁行业中热轧过程的Web端虚拟仿真。本文针对热轧轧制现场，提出了一种基于计算机仿真技术的热轧模拟平台方案，实现了三维虚拟现实仿真，建立了融合计算机仿真技术的模拟培训系统，以解决传统仿真平带的局限性问题。通过网页远程直接浏览整个虚拟仿真工艺过程，不仅易于操作、具有良好的交互性，并且可以降低硬件投资，也不存在现场恶劣环境所带来的危险性，具有理论培训、实验教学等功能。

1 开发过程

1.1 开发工具

开发环境：Unity3D、3dsMax和Substance Painter

编程语言：C#

模型贴图制作工具：3dsMax、Substance Painter

Web端制作工具：Unity3D

1.2 3D模型及动画的构建

在3dsMax中利用多边形建模制作出热轧过程相关的机械模型。

热轧过程相关的机械模型在3dsMax中的仿真效果如图1所示。

使用3dsMax的动画系统，对需要运转的机器部件等物体进行了动画的制作：

（1）设置物体运动的关键帧，使物体具有基本的动画变换状态。

（2）调整动画曲线，使动画更加平滑稳定。

图1

图2

由于整个热轧过程比较长，所以采用了分段制作动画的方式，便于精确地调整每个工作段的动画关键帧。

最后在Substance Painter中制作出基于物理的渲染（Physically Based Rendering）的逼真材质。利用Sub⁃stance Painter可以在三维模型上直接绘制纹理的特点，解决了UV接缝造成的贴图不协调问题。

1.3 Unity3D中虚拟运行

将模型动画导入Unity3D并写入脚本，利用了关键帧提取和关键帧插值，使用四元数控制用户视角相机的移动使相机的平移旋转更加平滑，解决了视角生硬的问题，四元数q表示旋转运动可以等价绕轴向K旋转角度φ，旋转矩阵R与q的关系可以表示为：

QuaterlionLerp为插值函数，其中ω∈[0,1]，代表了插值矢量t末端在弦q0-q1上的位置：

结合使用Occlusion Culling技术针对热轧场景进行渲染优化，通过调整 Smallest Occluder、Smallest Hole、Backface Threshold三项参数，减少了40%Draw call和30%GPUmemory占用后期使用Bake Global Il⁃lumination，烘焙出热轧场景的光照贴图以及环境光、环境反射，并通过C#脚本动态加载贴图信息，减少了渲染期间的光照开销，大幅度降低了CPU占用率。

图3

SH是定义在二维球面上的，一个定义在二维球面s上的函数可以用SH基函数以及系数近似表示，若用l和m表示SH的两个参数，f(s)表示定义在球面上的函数，ylm表示基函数，则f(s)在SH上的投影系数可以表示为：

f(s)则可以近似表示为：

考虑物体表面某一点x，其法线方向为n，则该点从ω0方向反射出的光P(x,ω0)可表示为：

热轧冷却部分的粒子效果由Shuriken Particle Sys⁃tem实现，通过控制粒子发射周期、预热系统、噪音等属性控制画面效果。

在导出到Web端之前使用Post Processing Stack调整整体画面的质量，加入了AmbientOcclusion、User Lut、Vignette、ColorGrading 等效果。

Unity3D自带的Mono VM在各个平台移植、维护非常耗时，有时甚至不可能完成。Mono的跨平台是通过Mono VM实现的，有多少平台，就要实现多少个VM，Mono VM肯定是不能满足需求的。所以针对不同的新平台需要使用IL2CPP，同时解决VM里面的bug，耗时耗力。例如WebGL这种基于浏览器的平台。要WebGL支持Mono VM几乎是不可能的，必须利用IL2CPP技术实现热轧虚拟仿真的跨平台。

网页中包含了 JavaScript、HTML5，Three.js是其中的核心组件，WebGL接口多且复杂,在浏览器中直接调用硬件加速进行图形渲染,创建三维场景非常繁琐。所以，通过IL2CPP可以避开这些问题。

图4

2 系统测试

2.1 测试系统实现细节

图5中有对流水线各个部位的展示和介绍，并且还有教学测试系统，通过使用教学测试系统，可以对用户知识进行检测，在测试的最后会给出用户答案和参考答案的详细信息，整个测试系统是基于Unity3D引擎进行开发的，通过C#语言对测试系统进行逻辑控制，导入3dsMax中制作好的流水线动画。另外通过对模型材质的动态替换实现物体加热效果。冷却装置用Unity3D中的Particle System更改参数实现。

图5

相机控制使用了Vextor3.Lerp插值计算空间位置，在使用过程中观察场景更方便。

Lerp插值函数基本原理：

通过在Update函数中每帧进行摄像机位置到目标位置的Lerp插值，可以起到摄像机平滑衰减速度逐渐到达目标位置的效果。

摄像机当前位置与目标位置的距离表达式为：

其中targetPos代表目标位置，cameraPosn代表摄像机当前位置，distance0代表摄像机初始位置与目标位置的距离，f代表插值系数，n代表插值次数。

图6

通过调整Camera远剪裁面，一定程度上减少了Overdraw。

2.2 核心代码控制流程

动画系统、相机控制的部分核心代码流程：

在Update函数中逐帧调用代码段，通过动画播放时间控制提问过程是否执行，并且设置两个计时器，分别控制平台运行时间和测试时间，并计入最终报告。

流程图如图7所示：

图7

相机上层代码实现：通过四元数插值计算出下一帧的相机位置及角度，平滑过渡，并且加入了运动模糊Motion blur。

3 结语

本文利用相关软件实现了热轧虚拟仿真实验平台的研究与开发，在Web端进行仿真交互、学习。结果表明，Web端仿真在一定程度上解决了传统虚拟仿真平台安装过程繁琐的弊端，能够做到在线学习。充分发挥了虚拟仿真的优势：既能引导学生自主学习和增强学生的参与感，又能与线上教学系统相结合。在一定程度上解决了学生只停留在书本知识，无法参与真实实验获得更多细节观察机会的问题。使人们享受到信息化以及计算机模拟技术给教育带来的时代红利。