基于AR技術(shù)在多粒度超細(xì)木粉機(jī)的應(yīng)用研究

摘要：AR技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種補(bǔ)充和增強(qiáng)，而不是用虛擬化技術(shù)制造出一個(gè)完全虛擬的世界來(lái)取代現(xiàn)實(shí)世界。在設(shè)計(jì)多粒度木粉機(jī)中引入AR技術(shù)，建立了多粒度木粉機(jī)的三維實(shí)體模型，建立了增強(qiáng)的木粉機(jī)可視化系統(tǒng)。AR設(shè)計(jì)技術(shù)的引入，通過(guò)3D模型動(dòng)態(tài)交互渲染，達(dá)到了增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的多粒度超細(xì)木粉機(jī)演示效果，準(zhǔn)確將“多粒度超細(xì)木粉機(jī)”在真實(shí)環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境。能夠極大地加快木粉機(jī)設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試進(jìn)程，對(duì)節(jié)省制造成本有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù)多粒度超細(xì)木粉動(dòng)態(tài)交互

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），也被稱(chēng)之為混合現(xiàn)實(shí)，是虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱(chēng)VE）技術(shù)的升級(jí)技術(shù)，是近年來(lái)國(guó)外眾多知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。其原理是通過(guò)跟蹤用戶(hù)在真實(shí)場(chǎng)景中所處的位置，將計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像以及聲音等信息“疊加”在用戶(hù)感知的真實(shí)世界之上，提供了在一般情況下，不同于人類(lèi)可以感知的信息。它不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。利用這些輔助信息增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的感知能力。AR是使用信息技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種補(bǔ)充和增強(qiáng)，而不是用虛擬化技術(shù)制造出一個(gè)完全虛擬的世界來(lái)取代現(xiàn)實(shí)世界。AR能為我們提供現(xiàn)實(shí)中無(wú)法直接獲知的信息。通過(guò)借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的新特點(diǎn)。AR技術(shù)不僅在與VR技術(shù)相類(lèi)似的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如尖端武器、飛行器的研制與開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂(lè)與藝術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而且由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域，具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的AR可能會(huì)更加先進(jìn)。

1 AR技術(shù)的特點(diǎn)和技術(shù)原理

1.1 AR技術(shù)特點(diǎn)

①真實(shí)性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)越性體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了虛擬世界中的事物和用戶(hù)周?chē)鎸?shí)環(huán)境的結(jié)合，它對(duì)用戶(hù)而言是真實(shí)世界和虛擬物體的共存。②實(shí)時(shí)互動(dòng)性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)最大的意義在于虛擬世界和真實(shí)世界的實(shí)時(shí)同步，理想的AR使人們可以在現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地感受來(lái)自虛擬空間的一切模擬或幻想的事物，令我們更加容易進(jìn)入角色，大大增強(qiáng)了使用的趣味性和實(shí)用性。③實(shí)用性。結(jié)合數(shù)字圖像基礎(chǔ)分析技術(shù)，將現(xiàn)時(shí)相對(duì)昂貴的AR捕捉設(shè)備成本降到最低，只需要一個(gè)普通攝像頭。因此，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，我們可以做到使用一般的廉價(jià)通用設(shè)備而使之靈敏度達(dá)到一些高級(jí)設(shè)備的水準(zhǔn)，使AR技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中更加實(shí)用。

1.2 AR技術(shù)原理

①顯示技術(shù)。AR的顯示設(shè)備主要用于顯示虛擬圖像與真實(shí)環(huán)境相疊加所產(chǎn)生的影像。人類(lèi)從外界所獲得的信息有近80%是通過(guò)眼睛得到的，因此AR系統(tǒng)中的頭盔顯示技術(shù)成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。用于AR的顯示器包括頭盔式顯示器（HMD）、手持顯示器和投影顯示器。目前主要使用的是透視式頭盔顯示器，如光學(xué)透視式HMD、視頻透視式HMD等。②跟蹤和定位技術(shù)。為了交互，AR需要進(jìn)行定位，準(zhǔn)確跟蹤用戶(hù)的位置和視域方向，以確定用戶(hù)的觀(guān)察點(diǎn)和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體在三維場(chǎng)景中的準(zhǔn)確位置。③界面和可視化技術(shù)。在感觀(guān)到的真實(shí)環(huán)境中與虛擬信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互是比較困難的，用戶(hù)如何與AR交互以及如何有效地在AR顯示器上表現(xiàn)信息是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。AR系統(tǒng)的定位錯(cuò)誤是很難避免的，如何解決并實(shí)現(xiàn)有效的可視化目前正在研究當(dāng)中。④標(biāo)定技術(shù)。為生成準(zhǔn)確的定位，AR系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的標(biāo)定。目前AR標(biāo)定使用攝像機(jī)標(biāo)定的原理，以及許多手動(dòng)標(biāo)定技術(shù)。研究人員正在對(duì)如何避免或減少使用標(biāo)定的方法進(jìn)行探索。

2多粒度超細(xì)木粉機(jī)的實(shí)體建模

2.1動(dòng)刀組件設(shè)計(jì)

動(dòng)刀組與電主軸連接時(shí)，采用雙鍵連接。上端通過(guò)彈簧墊圈和螺絲帽固定，組裝后需經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試。動(dòng)刀組每組共有刀片8片，共4組刀具。刀片采用不銹鋼刀片，刀具支架采用軸套式直接與電機(jī)主軸連接。動(dòng)刀組件實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖所示1。

2.2靜刀組件實(shí)體建模

靜刀組與動(dòng)刀組的垂直距離為2.4mm。靜刀組刀片固定于靜刀組刀座上，與靜刀組刀片分層交錯(cuò)布置，且刀片的受磨損速度不同。為了方便分別更換刀片，靜刀組刀具采用從粉碎加工料倉(cāng)底部的小側(cè)門(mén)處拆裝，檢查更換靜刀組刀片時(shí)無(wú)需整體拆裝。靜刀組件實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3料倉(cāng)設(shè)計(jì)

料倉(cāng)使用薄鐵板焊接而成，薄鐵板選取5mm厚度。中間用來(lái)安裝篩網(wǎng)部分隔板選用8mm厚的薄鐵板，螺紋孔選用M3螺紋。下半部分留有安裝靜刀組的插槽，其通孔直徑選用4mm。與底座連接的擋板選用16mm厚的鐵板，其連接用通孔直徑為11mm。上端安裝上蓋處需要安裝一層厚度為1mm的橡膠密封圈，與上蓋連接用通孔直徑選用10mm。料倉(cāng)實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3基于AR平臺(tái)多粒度超細(xì)木粉機(jī)的實(shí)現(xiàn)

在CAD平臺(tái)在建立多粒度木粉機(jī)各部件三維實(shí)體模型后，將DWG格式的3D模型轉(zhuǎn)換成MQO格式的模型來(lái)顯示，在程序中通過(guò)調(diào)用部分SDK的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MQO模型的渲染。渲染后的多粒度木粉機(jī)如圖4所示。主函數(shù)是以初始化參數(shù)開(kāi)始，之后啟動(dòng)主循環(huán)argMainLoop()。第一個(gè)參數(shù)響應(yīng)鼠標(biāo)操作；第二個(gè)參數(shù)是關(guān)鍵事件，用以讀取當(dāng)前所按鍵值，之后根據(jù)按鍵進(jìn)行相應(yīng)操作；第三個(gè)參數(shù)指定主循環(huán)。

主函數(shù) main()

int main(int argc，char **argv)

{

glutInit(argc，argv)； // 初始化OpenGL

init()；// 基本參數(shù)初始化

arVideoCapStart()； // 開(kāi)始攝像頭捕捉

argMainLoop( NULL，keyEvent，mainLoop)； // 進(jìn)入主循環(huán)

return (0)；

}

4結(jié)束語(yǔ)

在多粒度超細(xì)木粉機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入VR技術(shù)，借助攝像頭，準(zhǔn)確地將“多粒度超細(xì)木粉機(jī)”實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的感官與多維的信息環(huán)境進(jìn)行交互，建立了增強(qiáng)的木粉機(jī)可視化系統(tǒng)。基于AR技術(shù)平臺(tái)的多粒度木粉機(jī)能實(shí)時(shí)對(duì)木粉機(jī)模型進(jìn)行各個(gè)角度的觀(guān)察，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境，能夠極大地加快木粉機(jī)設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試進(jìn)程，對(duì)節(jié)省制造成本有著重要的意義。

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通訊作者：楊蘭玉