在建筑門窗中浮法玻璃生產系統的可視化研究

吳敬兵 陳 玲

（武漢理工大學機電工程學院 武漢湖北 430070）

1 引言

浮法工藝具有高產低耗、深加工空間大等優點，成為玻璃生產中應用最廣泛的工藝方法[1]。若對浮法工藝理論認識不足，就會嚴重影響浮法玻璃工業的發展。

當前浮法工藝的理論教學主要是書本與實地參觀相結合的方式，浮法玻璃生產設備在運行時，只能看到設備外形，無法觀察其內部生產狀態[2]。而一般可視化研究僅針對某一關鍵設備進行模擬展示，而缺乏對整體工藝流程的逼真模擬，學習者很難系統地建立起完整浮法工藝的立體形象[3]。

因此，本文提出了對浮法玻璃整體生產工藝流程的可視化研究，利用幾何與圖像的混合建模技術，在3Ds max和SolidWorks中設計了工藝設備和廠區環境的三維模型；基于場景優化技術，提出了浮法工藝可視化的優化方案；采用UNIGINE引擎，探索了浮法玻璃生產可視化系統的開發過程。

2 虛擬場景建模

2.1 建模技術的介紹及選用

幾何建模是虛擬場景建模技術的基礎[4]，其實質是通過建立幾何實體模型來構建虛擬場景。幾何建模技術的優點有：可交互性強，能實時瀏覽與實時操控；

幾何實體能夠抽象表達對象的幾何信息，易于存儲；所需信息量較小，算法簡單。

但幾何建模技術存在著場景逼真性與渲染實時性的矛盾。簡化模型，數據量降低，真實感會減弱，甚至導致某種程度的失真；精細模型，真實感增強，但數據量增大，渲染速度慢，且模型構建更復雜。

圖像建模的原理是利用計算機圖像處理技術將相機采集的圖象組織成全景圖象，然后把多幅全景圖象組織成完整的虛擬場景。圖像建模的優點有：場景真實感好，建模簡單，數據量小，實時性強，渲染速度快。但圖像建模技術構建的虛擬場景，本質是圖像構成的封閉空間，缺乏交互性，僅能實時瀏覽，不能實時操控。

綜上所述，圖像建模與幾何建模各有優勢和不足。為了緩和渲染速度與可交互性的矛盾，本文采取基于圖像與幾何的混合建模技術。

混合建模的步驟如下：利用幾何建模構建幾何實體，利用圖像建模引入紋理貼圖還原對象外觀；用幾何建模對可交互模型進行精細建模；給可交互模型添加交互模塊。混合建模技術能夠綜合圖像建模和幾何建模的優點，在提高場景逼真感的同時，保證實時瀏覽與交互的高度結合，實現實物虛化、虛物實化，達到真正意義上的沉浸。

2.2 浮法玻璃生產系統可視化建模技術路線

在建模過程中，要明確模型細節，選擇合適的建模方法，在滿足需求的同時減少模型多邊形數量。本文中虛擬場景建模步驟如下：

（1）前期準備：包括數據采集及預處理、場景模型結構層次的劃分及優化；

（2）建模過程：依據場景模型結構，依次建立局部模型，最后整體集成；

（3）后期優化：三維模型的優化，虛擬場景的優化，場景的集成與調度。

浮法玻璃生產可視化系統的虛擬場景，主要分為生產線和玻璃廠區兩部分。依據浮法工藝流程將生產線分為：投料機、玻璃熔窯、錫槽、退火窯、冷端、切割線等；玻璃廠區分為：玻璃廠房、天空遠景、地形道路、環境景觀等。

3 虛擬場景優化技術

優化技術是可視化研究的關鍵技術，直接影響系統的渲染速度和運行效率。本文采用的優化技術具體如下：

（1）層次結構優化：建模前層次結構的劃分及初模后層次結構的調整；

（2）紋理貼圖優化，利用Photoshop處理貼圖，改變其格式、大小等；

（3）模型輕量化：利用剔除冗余多邊形、紋理映射等技術盡量減少模型的多邊形數量；

（4）場景優化：采用實例化技術、LOD技術和外部引用技術等對虛擬場景進行優化處理。

4 浮法玻璃生產可視化系統的總體思路

4.1 建模軟件及開發平臺

課題研究的可視化虛擬場景包括熔窯、錫槽、退火窯等工藝設備和廠區環境。所選建模軟件需滿足：易學易用，以便于按期完成場景制作；能處理數據量龐大的虛擬場景；與其他建模工具和開發平臺兼容性良好，便于模型導入導出。所選開發平臺需滿足：渲染效果真實；逼真的煙霧、流體等粒子效果；易學易用，以便于按期完成系統開發等。

UNIGINE作為原生的三維引擎，擁有許多強大功能：允許設置渲染模式且渲染效果良好；強大的腳本系統為可視化系統的開發提供了無限可能[5]；內置的動畫編輯器、材質編輯器、節點編輯器便于場景的制作和管理；高度可擴展性，能夠兼容其它計算機語言開發的外部模塊等。

綜上所述，選用3Dsmax與SolidWorks協同建模；選用UNIGINE作為浮法玻璃生產可視化系統的開發平臺。

4.2 總體思路及技術路線

具體開發工作如下：在SolidWorks中精細創建工藝設備；在3Ds max中構建廠區環境；將模型文件導入UNIGINE中進行場景編輯；測試運行系統并發布。開發流程如下：

（1）數據采集：包括地形環境、生產線布局、設備工作原理、工藝設備設計圖紙以及廠區布局圖紙等；

（2）場景構建：依照設計圖紙在SolidWorks中創建設備模型；依照環境布局在3Ds max中構建廠區環境模型并貼圖；

（3）模型導入：將SolidWorks和3D smax的模型文件保存成UNIGINE可兼容的格式，并導入UNIGINE場景中；

（4）場景的編輯：模型材質的賦予；創建粒子效果；制作設備運行動畫；編輯模型節點等；

（5）功能模塊的開發：基于功能需求，通過Unigine Script和c#語言設計功能模塊，實現交互邏輯；

（6）系統發布：整理所有文件，發布成exe可執行文件，便于用戶使用。

5 浮法玻璃生產可視化系統的開發過程

5.1 虛擬場景的集成

場景的構建是按照場景層次結構的劃分進行，初模后需進行集成，最終形成完整場景。模型集成的實質是：將單獨建立的模型分組存儲；將單獨建立的模型文件整合在一起，并按照布局位置擺放，形成完整的虛擬場景。將SolidWorks中創建的工藝設備和3Dsmax中構建的廠區環境導入UNIGINE，并依照玻璃廠鳥瞰圖，將模型擺放至合適的位置。

5.2 資源文件的制作

考慮到在浮法玻璃生產可視化系統中，需要對工藝設備的工作原理及結構進行展示，需要制作相關資源文件。創建圖片說明設備的故障檢修，保存成PNG格式；利用語音合成軟件，輸出工藝講解語音文件，保存成MP3格式；利用AE制作設備模型的運行視頻，保存成MP4格式；通過對SolidWorks進行二次開發，提取SolidWorks中制作的動畫關鍵幀，保存成track格式。

5.3 UNIGINE中虛擬場景的編輯

虛擬場景的編輯包括材質的編輯，節點的編輯，粒子效果的創建，動畫的編輯等。通過材質編輯器新建材質庫，向其中添加材質效果，更改相關屬性，賦予模型材質效果，如金屬、噴漆等；節點的編輯，包括節點的刪除、添加及屬性的修改等，可以在節點編輯器和腳本文件中編輯；創建粒子效果，包括煙霧、火焰、砂石等，向場景中添加ObjectParticles類的node節點，并修改其屬性，生成所需粒子效果；動畫的編輯，利用動畫編輯器，編輯模型節點的位置、透明度等參數創建關鍵幀，并寫入track文件。

5.4 功能模塊的設計

功能模塊包括：漫游功能，設備的快速定位，文字、圖片、視頻的顯示隱藏，動畫的播放停止等。

（1）漫游功能。虛擬場景的漫游包括自由漫游和路徑漫游。自由漫游即通過交互設備控制相機的位置和朝向，路徑漫游即按照既定路徑進行場景漫游，其既定路徑是通過設置相機的運動路徑和朝向得到。

（2）設備的快速定位。快速定位即通過交互設備快速定位至某一關鍵設備的工藝環節。首先獲取設備對應相機的世界坐標數據，并存儲在配置文件中；然后通過交互獲取當前相機世界坐標，將其設置為目標設備對應相機的世界坐標。

（3）文字、圖片、視頻的顯示隱藏。即在自由漫游的同時，通過交互顯示隱藏文字、圖片、視頻，并保證顯示時始終對用戶視角可見。

（4）動畫的播放停止。通過加載內置動畫文件，在引擎渲染每幀畫面前，根據當前時間節點，設置對應渲染效果。

6 結束語

本課題結合了三維建模技術與可視化技術，開展了浮法玻璃生產過程的可視化研究。選用3D smax與SolidWorks進行混合建模，選用UNIGINE作為開發平臺，設計了浮法玻璃生產可視化系統的開發流程。這對于浮法工藝的理論教學和優化發展具有重要意義，也為浮法工藝的虛擬現實控制系統提供了技術基礎。