基于三維視覺的產品虛擬設計方法研究

龍薜岳+秦興盛

摘 要： 常規產品設計過程是通過AutoCAD軟件直接進行設計，在軟件中下達參數指令軟件會自動生成，整體設計過程沒辦法進行虛擬演化以及實際模擬，設計產品只有真實制作后才能夠進行測量與實驗，存在極大的延后性。提出基于三維視覺的產品虛擬設計方法，對產品進行數字化建模，根據產品生產流程以及產品特點設計數字化模型流程，利用協作效應對AutoCAD中的數據與三維視覺協作模型中的設計數據進行搭配組合，完成AutoCAD圖像轉換三維視覺圖像，建立數字模型對轉換數據加工實現產品的虛擬設計。實驗結果表明，提出的虛擬設計方法設計的產品能夠更好地制造應用，設計效率高于常規方法，解決了設計延后性。

關鍵詞： 三維視覺； AutoCAD軟件； 虛擬設計； 建模； 圖形轉換； 產品設計

中圖分類號： TN911.73?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0010?04

Abstract： As the AutoCAD software is used for direct design in the conventional product design process and the software is automatically generated when the parameter instructions are given， the virtual evolution and actual simulation cannot be executed in the overall design process， and the designed products can be tested only after real fabrication， which results a great delay. Therefore， a product virtual design method based on 3D vision is proposed. The digital model of the products is established. The technological process of digital model is designed according to the production process and characteristics of product. The cooperative effect is utilized to match the data in AutoCAD with the design data in 3D visual collaboration model to complete the conversion of AutoCAD image to 3D visual image， and establish the digital model to realize the virtual design of the product of converted processing data. The experimental results show that the product designed by the proposed virtual design method is easy to manufacture and apply， and the method has better design efficiency than the conventional method， and has overcome the defect of design delay.

Keywords： three?dimensional vision； AutoCAD software； virtual design； modeling； graphic conversion； product design

0 引 言

對于產品設計生產過程中傳統的設計方法是通過AutoCAD以及一些畫圖軟件進行繪制設計的，但是AutoCAD等一些設計軟件存在一定的缺點，設計過程中必須以三視圖的形式進行表述，設計過程中不能對產品進行生產演示，具有一定的延后性。提出基于三維視覺的產品虛擬設計方法，通過實驗驗證發現，基于三維視覺的產品虛擬設計方法與常規使用AutoCAD等軟件設計方法的實驗結果相比較，本文設計的產品虛擬設計方法能夠在無延后性基礎上進行產品設計。

1 構建產品的數字化建模

1.1 數字化建模的設計流程

本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法使用的數字模型能夠實現AutoCAD數據轉化為三維視覺數據。在設計流程中需要實現多數據交叉過程，為了數據完善以及運行的良好需要從產品角度出發進行流程設計[1]。本文設計的數字化建模的設計流程如圖1所示。

從圖1分布格局可以看出本文的數字化模型使用的是C/S多層結構，這樣方便數據交叉連接轉化，同時避免了多余運行流程。數字化建模設計流程有兩種方案：三維視覺圖像承接方法；三維視覺模型跳躍轉化方法[2]。這兩種方法有一個共同點就是可以實現AutoCAD數據轉化為三維視覺數據但是轉化方式有所不同，本文選擇方案一轉化模式，生成數字化建模設計流程。

1.2 AutoCAD和3ds MAX合理分工協作建模

AutoCAD是傳統設計制圖潤健（軟件）能夠對任意形狀的產品進行繪制設計，制造預留參數引入只能通過人工計算控制才能夠得以實現。本文通過三維視覺技術與AutoCAD制圖技術相結合[3?4]，利用三維視覺技術的虛擬演示性以及模仿能力進行參數的制定，利用AutoCAD圖像參數以及繪制比擬能力設計產品實際制作簡圖，兩項技術融合協作能夠完成本文設計的數字模型。本文設計的模型在兩項技術的支撐下，用，，，分別表示模型協作過程，建立協作模型如下：endprint

1.3 AutoCAD向3ds MAX的圖形轉換

本文在設計產品的過程中使用的三維視覺技術與AutoCAD技術都是出自Autodesk公司的產品，因此在數據轉化甚至是圖像轉化過程中參數的設置調整變得非常容易，對于AutoCAD技術的圖像向三維視覺圖像轉化過程主要有兩項參數[5]：一項是圖像的立體幾何數據的交換承接；一項是圖像格式的交換承接。由于AutoCAD技術中的格式眾多，需對轉換過程建立一個轉換標準。這樣方便建立的模型進行快速的識別比對轉化，其優點是能夠識別對象的不同格式信息，同時引入模擬參數但不改變原有圖像的數據。在圖像幾何數據的轉化過程中，通過數據的保留引入把原始數據進一步限定，避免在轉化的過程中發生圖像“平面化”效應[6]。一般來說幾何數據轉化完便可以完成對產品設計實現[7]。設為AutoCAD技術下的設計圖像，基于三維視覺的虛擬演示性，對進行一定的約束，完成圖像轉化，如下：

2 仿真實驗分析

2.1 參數設定

為了保證本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法的有效性，對實驗參數進行設置，本文選取軸承作為實驗設計的樣品，設計過程把ERHY軟件帶入設計的樣本中，ERHY軟件不會對設計過程產生附加影響。實驗基本參數的設定過程如表1所示。

2.2 數據處理及分析

本文實驗使用的ERHY軟件是為了保證測試的準確度，對其過程進行保留，并且計算出每次設計的評價。ERHY軟件分別會根據標準參數進行對比顯示出1～5的數字[8?9]，它們分別表示很不合格、不合格、基本參數正確、參數正確、參數無序修正幾個層次，并且計算出評價結果的均值、標準差計算公式如下：

2.3 結果對比分析

常規使用AutoCAD進行產品設計的方法與本文基于三維視覺的產品虛擬設計方法在ERHY軟件測試過程中引入森帕克指標表對設計結果進行對比，實驗數據如表2所示。

從表2中的數據分析能夠看出，本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法比常規使用AutoCAD進行產品設計的方法的森帕克指標要高出1倍以上。森帕克指標即CIMPACK指標，是衡量設計產品的實用性的參數，同時經過轉化大于與工藝參數成負倍數關系，能夠確定設計制作難易程度，森帕克指標越大說明制作過程越容易。

本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法與常規使用AutoCAD進行產品設計的方法，使用ERHY軟件進行基本參數的比較，圖1為使用查重軟件的結果。

從圖2可以看出，本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法在制造預留參數與森帕克指標上明顯好于常規使用AutoCAD進行產品設計方法，說明本設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法更具有實用性。設計過程中本文的基于三維視覺的產品虛擬設計方法能夠進行三維模擬，對比常規方法無法實現。通過ERHY軟件對設計產品進行模擬制作和模擬使用，結果如表3所示。

從以上6組測試樣本數據能夠分析出，本文設計的基于三維視覺的產品虛擬設計方法比常規使用AutoCAD進行產品設計方法在森帕克指標上明顯高于常規使用AutoCAD進行產品設計方法。

3 結 語

本文提出基于三維視覺的產品虛擬設計方法，對產品進行數字化建模，根據產品生產流程及產品特點設計數字化模型機構，用協作效應對AutoCAD中數據與數字模型中數據進行搭配組合，對常規AutoCAD圖像進行三維視覺轉換，使用建立的產品數字模型對轉換數據加工實現產品虛擬設計。希望通過本文提出方法能提升產品設計有效性。

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