基于Flash和3D動畫渲染技術的育苗機器人設計

葉鳳華，葉 歡

(1.廣東工業大學，廣州 510090；2.廣州美術學院，廣州 510260)

0 引言

隨著3D動畫渲染技術的革新和市場需求的逐漸擴大，3D動畫渲染技術被廣泛的應用在許多領域，包括工業、農業、建筑業、化工和醫療等行業，因此更多的研究人員投入到了3D引擎技術的開發上，特別是Flash三維引擎技術。由于技術瓶頸，Flash和3D引擎技術在農機設計中的使用還較少，而采用該技術可以將真實的農機作業場景通過數字化處理后，利用計算機終端，使設計者將農機置身于真實的作業場景中，實現農機和作業場景的交互功能，對于農機的硬件改善和創新設計具有重要的意義。基于現代化農機的需求性和功能性分析，將Flash和3D引擎技術引入到農機數字化系統中，將會有效地提高設計的動態效果，從而提高農機設計的可視化水平。

1 基于Flash三維引擎的農機可視化技術

在農機3D場景的渲染過程中，一般而言，一個3D場景會包含多個幾何單元，每個幾何單元都是由真實圖像通過離散提取出來的關鍵點，這些關鍵點可以由三角形組成，每個三角形由3個頂點組成。因此，在進行渲染時，一般需要定義一些頂點的集合，通過這些頂點來定義相關的場景信息，如貼圖或頂點顏色，從而完成場景的渲染過程，如圖1所示。

圖1 三維場景渲染示意圖Fig.1 Sketch diagram of 3D scene rendering

三維引擎的開發非常復雜，因為三維引擎系統的組成模塊較多，包括各種渲染器、界面操作和輸入輸出文件管理系統等；另外，還有很多輔助性的工具箱，如腳本和場景編輯器等，這也需要大量的程序開發人員來設計。API是三維引擎設計和開發的主要技術支持，對三維引擎技術的研究主要是為了使程序開發設計人員以最短的時間設計出高效引擎系統，從而減少系統開發的開支。

圖 2為農機三維引擎的層次結構。該結構基于Flash界面模塊，將邏輯類型和管理輸入封裝為農機三維引擎類庫，具有精靈、場景和攝像等功能，通過資源的管理，實現農機三維場景的渲染。

圖2 三維引擎層次結構Fig.2 Three-dimensional engine hierarchy

2 基于小波重構的3D場景渲染

(1)

而離散化小波變換系數則可表示為

(2)

其重構公式為

(3)

其中，C是一個與信號無關的常數。假設一個二維信號f(x1,x2)，x1,x2表示信號在空間內的橫坐標和縱坐標，基本小波函數為ψ(x1,x2)，若ψ(x1,x2)=φ(x1)·φ(x2)。則可以令ψ(x1)是與φ(x1)對應的一維小波函數，于是可以將二維小波函數分離成3個正交小波基函數，即

ψ1(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(4)

ψ2(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(5)

ψ3(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(6)

三維小波重構的方法也以此類推，利用一次小波變換可以將圖像分解成一個低頻子帶LL和3個高頻子帶。其中，高通水平和低通垂直子帶用HL表示，低通水平和高通垂直子帶用用LH表示，高通水平和高通垂直子帶用HH表示。通過一次小波變換后，分辨率變成原來的一半，頻率范圍也減半。在進行第二次小波變換時，只對低頻子帶進行變換，將其分解成LL1、LH1、HL1和HH1，通過第2次小波變換后，其分辨率變為原來的1/4，頻率范圍進一步減半，以此類推。所以，通過一次小波變換可以得到4個子帶，通過M次分解可以得到3M+1個子帶，如圖3所示。

圖3 圖像的三級小波分解圖Fig.3 Three level wavelet decomposition of image

根據小波算法的特點，結合系統的需求和功能，設計了系統的開發流程，最主要的是利用模型和材質建立虛擬仿真模型，然后使用Flash3D引擎，對虛擬系統進行集成開發，其流程如圖4所示。

圖4 農機在線虛擬渲染流程Fig.4 Online virtual rendering process of farm machinery

首先是場景的拍照，這是作業場景環境渲染的基礎；然后，通過圖像處理提取環境圖像的關鍵信息，利用關鍵信息進行3D建模操作。在3D建模過程中可以借助Flash提供的3D引擎，利用其資料庫中的材質，并使用壓縮技術，提高在線渲染的設計效率，通過在線設計渲染可以輸出農機的作業情節，從而為交換式的設計提供參考。

3 基于Flash和3D技術的玉米育苗機器人作業場景渲染

為了使3D渲染場景更加接近于現實場景，在真實的玉米育苗農田環境下，對作業場景進行了圖像采集，通過圖像的離散化和圖像的重構技術，對真實環境進行虛擬化渲染，以達到逼真的效果，實現交互式設計。

圖5為農田育苗作業場景的3D圖像采集示意圖。利用高清攝像頭對玉米圖像進行采集后，使用機器人上搭載的筆記本電腦對圖像進行實時的處理，通過圖像離散化得到了如圖6所示的處理結果。

圖5 農田作業場景3D圖像采集Fig.5 The 3D image acquisition of farmland operation scene

圖6 農作物圖像離散化Fig.6 Crop image discretizati

根據圖像的色彩可以將圖像離散成許多微小單元，這些單元可以進行修改，從而實現圖像的重構，達到環境和農機交換性的設計效果。通過作物三維重構得到了如圖7所示的作物渲染效果圖。

圖7 農作物圖像渲染效果Fig.7 Crop image rendering effect

利用Flash和3D技術對圖像進行重構后得到的3D渲染效果，將作物至于更大的三維空間內，可以實現農機的三維作業場景渲染，通過渲染得到了如圖8所示的三維渲染效果。

圖8 育苗機器人作業場景渲染Fig.8 Working scene rendering of seedling robot

由圖8可以看出：利用渲染效果可以虛擬育苗機器人的作業場景，實現設計和產品仿真的交互性效果。3D系統的渲染需要較大的計算開支，而利用小波重構和Flash軟件壓縮算法可以有效的降低計算開支，利用程序設計可以實現對渲染場景材質的控制和共享操作。

由表1數據可知：利用小波重構技術，以Flash格式存儲材質文件，實現了3D場景大文件的壓縮，但3D場景的效果并不受影響，從而加快3D動畫場景渲染的解析速度，實現了3D資源材質的優化配置。

4 結論

為了提高農機現代化設計的可視化水平，引入了Flash和3D渲染技術，通過3D引擎實現了農機產品作業場景的三維渲染。使用Flash和小波重構方法，在基本不影響效果的情況下，實現了極大程度的壓縮，從而使農機3D可視化渲染過程的計算開支更少，保證了系統的流暢性。最后，以育苗機器人為例，展示了農機設計的可視化渲染過程，說明3D動畫渲染技術在農機產品可視化設計中應用具有可行性。利用直觀、逼真的農機設計交互方式，會大大提高農機產品設計過程的信息含量，從而提高現代化農機設計的水平。

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