基于VR技术的产品造型设计研究

胡贝

关键词： VR技术; 产品造型设计; 纹理渲染; 三维重构; 边界体模型; 可视化视景

中图分类号： TN911.73?34; TP391                    文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2019）03?0127?04

Abstract： A product style design method based on virtual reality （VR） simulation technology is proposed to improve the visual effect of product style design. The boundary volume model design technique is used to reconstruct the 3D modeling of the product. The texture rendering and scene database model construction method are combined to carry out the feature rendering and virtual scene design of the 3D product style， and establish the virtual scene database. The program output control is realized by means of rendering instruction for the product style information data in scene database to improve the model control ability of product style design. The visual simulation rendering tool Vega Prime is used to create the functional modules and simulate the visual scene in product style design. The 3D style design model of the product is constructed on the basis of VR technology. The simulation results show that the visual effect of VR design based on this method is perfect， and meets the requirements of special product style design.

Keywords： VR technology; product style design; texture rendering; 3D reconstruction; boundary volume model; visualization scene

随着虚拟现实和视景仿真的发展，采用虚拟现实技术进行产品设计，可提高产品设计的智能化水平，同时可以从多角度展示产品的造型。研究产品的造型优化设计方法，在美术设计和工业设计等领域都具有很好的应用价值[1]。在产品的三维造型设计中，采用实时视景仿真渲染软件Vega Prime进行产品造型设计模型三维重建，结合计算机智能控制技术实现产品造型的3D几何特征分割和重构，提高产品造型设计的信息融合和交互能力[2]。传统方法中，对产品造型设计的虚拟现实重建方法主要有图像融合方法、角点检测方法、Softimage 3D图形处理方法等[3?4]。其中，文献[5]提出一种基于Multigen Creator的產品造型VR设计方法，基于B/S构架进行产品造型设计模型的VR渲染和三维建模，在嵌入式Linux中实现产品造型设计软件开发，但该系统进行产品造型设计中存在较大的比例失真，导致设计的逼真度不高。文献[6]提出一种基于三层体系结构的产品造型VR设计方案，在人机交互环境中实现对产品造型的综合设计和集成图像处理，提高产品造型设计的仿真可靠性，但该系统进行多维产品设计实时处理能力不好。

针对上述问题，本文采用边界体模型设计技术进行产品的三维造型重构，结合纹理渲染和场景数据库模型构建方法进行产品三维造型的特征绘制和虚拟视景设计，以及产品造型VR设计模型优化，最后进行实验分析，展示了本文方法在优化产品设计性能、提高产品造型设计逼真度等方面的优越性能。

1  产品造型VR设计总体构架

1.1  设计原理描述

为了实现对产品造型设计的优化，首先进行模型的总体设计分析。构建产品造型的三维图像重建模型，结合产品的结构功能进行纹理渲染和特征重建，采用交叉信息融合方法，提高产品造型设计中的信息融合和图像辨识跟踪能力。基于B/S构架进行产品造型的信息交互和总体设计构架分析，系统开发平台建立在ADO.NET组件库基础上，在嵌入式ARM环境和B/S构架中进行产品图形大数据信息处理和界面的信息交互开发，构建产品造型设计的图像处理系统，结合软件开发进行产品造型的模块化纹理渲染，选用MBM29LV400BC作为逻辑译码控制组件，实现对产品造型设计的界面交互性处理，结合大数据信息嵌入式总线控制方法，提高产品造型设计过程中的信息处理和特征融合能力。在人机交互环境中实现对产品造型的综合调度和智能信息管理，从而提高产品造型的VR虚拟重构效能。根据上述设计原理和开发环境描述，进行产品造型设计的总体开发设计[7]。

1.2  产品造型设计模型总体建模

产品造型设计模型主要分为图形图像处理模块、图像编译模块、三维图形重建模块、交叉编译控制模块、程序加载模块、图形渲染模块以及VR虚拟仿真模块。采用人机交互的总线开发技术，实现产品VR造型设计的总线传输调度和信息挖掘。根据上述分析，本文设计的产品造型设计模型分为三层体系，分别为数据采集层、图形图像处理层、VR视景仿真层。采用Vsgr （Rendenring library）渲染软件进行底层数据开发，建立交叉编译器进行协同数据过滤，采用Model Builder 3D中间件技术进行应用程序配置和3D应用文件的集成开发设计，采用VP类库、VSG类库实现产品造型设计过程中的应用文件配置和输出接口控制[8]。根据上述分析，构建产品造型设计的总线开发模型，结合VR可扩展性的软件开发技术实现产品造型的优化设计。本文设计的基于VR的产品造型设计模型总体结构如图1所示。

2  产品造型的3D几何模型建模

根据上述对产品造型VR总体设计模型构架分析，进行产品造型的3D几何模型建模分析，结合纹理渲染和场景数据库模型构建方法进行产品三维造型的特征绘制和虚拟视景设计。本文设计的基于VR技术的产品造型设计模型开发环境建立在3DStudio MAX，Softimage软件环境中[9?11]。考虑模型的渲染效率，进行产品造型的三维几何建模，结合可视化仿真技术，采用纹理渲染方法进行造型赋材质处理，在Face Tools中选择产品造型设计的几何面的类型，构建三维网格模型，结合体模型设计方法，构建3D几何造型的特征分布的像素集为[I（x，y）]，采用模板匹配方法进行再分割，构建3D几何模型的纹理区域和场景区域分别为[R1]和[R2]，采用点匹配方法进行3D产品造型设计中的自适应成像跟踪识别。采用3D几何建模方法进行3D产品造型设计中的像素点特征分布重组，重组方程为：

3.2  程序输出控制

结合纹理渲染和场景数据库模型构建方法进行产品三维造型的特征绘制和虚拟视景设计。在三维造型设计中构建三维模型数据库，采用OpenFlight数据库进行三维造型设计中的稀疏点重构，三维数据库是整个建模的基础。采用Multigen Creator 3.2建模，将场景数据库中的产品造型数据信息通过渲染指令实现程序输出控制，将产品造型设计中的三维实体模型载入Vega Prime中，结合可视化应用程序建立产品造型设计的模型开发库，使用Vega Prime，Creator，Matlab等联合编程工具实现产品造型的三维开发[15]。用视景仿真渲染工具Vega Prime进行产品造型设计中的功能模块创建和可视化视景仿真，提高产品造型设计的模型控制能力。构建程序输出控制模块，在视景仿真端中完成产品造型设计的视景仿真。最后利用套接字（Socket）建立网络通信系统，实现基于VR技术的产品造型设计的网络控制和程序加载，实现过程如图4所示。

4  仿真实验与性能分析

为了测试本文方法在实现产品造型设计和三维虚拟现实仿真中的性能，进行仿真实验。实验采用Matlab进行产品造型设计中的图像算法处理，在Vc.net平台上建立产品造型设计的三维视景仿真平台，构建客户端进行产品造型设计的可视化分析，建立人机交互接口进行视景仿真控制。采用Microsoft Visual Studio開发组件实现产品造型设计的数据采集和信息处理，设计的内插点的分布范围为200×300，像素级分布为400×400，对产品造型的三维信息采集的样本数为2 000，离散的产品造型高程点数据的样本数为1 024。根据上述仿真参量设定，进行产品造型设计，以某机械臂产品为例，得到设计原始效果图如图5所示。

采用本文方法进行产品优化设计，结合纹理渲染和三维重建技术得到优化的产品造型设计结果如图6所示。分析图6得知，采用本文方法进行产品造型设计，提高了纹理渲染和场景性能，产品的可视化效果和逼真度更高。分析不同方法进行产品造型设计的输出信噪比，得到的结果如图7所示。分析图7得知，本文方法设计的产品造型图像输出信噪比更高，说明质量更好。

5  结  语

本文研究产品造型的三维VR虚拟现实设计方法，提高产品造型设计的智能性和逼真度。采用图像处理方法进行产品造型的VR虚拟现实设计，结合纹理渲染和场景数据库模型构建方法进行产品三维造型的特征绘制和虚拟视景设计，建立虚拟场景数据库，将场景数据库中的产品造型数据信息通过渲染指令实现程序输出控制，提高产品造型设计的模型控制能力，基于VR技术构建产品的三维造型设计模型。研究表明，本文方法进行产品造型设计的输出性能较好，设计的产品逼真度较高，可视化效果较好。

参考文献

[1] WANG R， TAO M， LIU Y. Optimal linear transceiver designs for cognitive two?way relay networks [J]. IEEE transactions on signal processing， 2013， 61（4）： 992?1005.

[2] LU X， WANG P， NIYATO D， et al. Wireless networks with RF energy harvesting： a contemporary survey [J]. IEEE communications surveys & tutorials， 2015， 17（2）： 757?789.

[3] FENG W， WANG Y， LIN D， et al. When mm wave communications meet network densification： a scalable interference coordination perspective [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2017， 35（7）： 1459?1471.

[4] MATILAINEN M， NORDHAUSEN K， OJA H. New independent component analysis tools for time series [J]. Statistics & probability letters， 2015， 105： 80?87.

[5] WANG Youcheng， FANG Guangyou， ZHANG Feng， et al. RC?loaded planar half?ellipse antenna for impulse radar application [J]. Electronics letters， 2015， 51（23）： 1841?1842.

[6] WANG Youcheng， ZHANG Feng， FANG Guangyou， et al. A novel ultra wideband exponentially tapered slot antenna of combined electric?magnetic type [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2016， 15： 1226?1229.

[7] CHEN Lei， LEI Zhenya， YANG Rui， et al. A broadband artificial material for gain enhancement of antipodal tapered slot antenna [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2015， 63（1）： 395?400.

[8] ALI H G E D H， SAROIT I A， KOTB A M. Grouped tasks scheduling algorithm based on QoS in cloud computing network [J]. Egyptian informatics journal， 2017， 18（1）： 11?19.

[9] YU V F， REDI A A N P， YANG C L， et al. Symbiotic orga?nisms search and two solution representations for solving the capacitated vehicle routing problem [J]. Applied soft computing， 2017， 52（C）： 657?672.

[10] GUHA D， ROY P， BANERJEE S. Quasi?oppositional symbiotic organism search algorithm applied to load frequency control [J]. Swarm and evolutionary computation， 2016， 33： 46?67.

[11] TEJANI G G， SAVSANI V J， PATEL V K. Adaptive symbiotic organisms search （SOS） algorithm for structural design optimization [J]. Journal of computational design and engineering， 2016， 3（3）： 226?249.

[12] GENNARELLI G， SOLDOVIERI F. Multipath ghosts in radar imaging： physical insight and mitigation strategies [J]. IEEE journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing， 2014， 8（3）： 1078?1086.

[13] XIU C， BA F. Target tracking based on the improved Camshift method [C]// Proceedings of the 2016 Chinese Control and Decision Conference. Yinchuan： IEEE， 2016： 3600?3604.

[14] 方宏道，周颖玥，林茂松.基于贝叶斯非局部平均滤波的超声图像斑点噪声抑制算法[J].计算机应用，2018，38（3）：848?853.

FANG Hongdao， ZHOU Yingyue， LIN Maosong. Speckle suppression algorithm for ultrasound image based on Bayesian nonlocal means filtering [J]. Journal of computer applications， 2018， 38（3）： 848?853.

[15] 李春磊，莫蓉，常智勇，等.融入多维制造信息的产品典型工艺路线发现方法[J].机械工程学报，2015，51（15）：148?157.

LI Chunlei， MO Rong， CHANG Zhiyong， et al. Multi?dimensional manufacturing information based typical product process route discovery method [J]. Journal of mechanical engineering， 2015， 51（15）： 148?157.