一種基于VRML的靜態建模方法

李蘭

摘 ?要： VRML作為描述三維虛擬場景網絡的一種標準，在各領域的虛擬現實仿真中得到了廣泛的應用。系統地闡述VRML幾何建模機制;提出一種以VRML語言為基礎，綜合運用多種建模工具高效建立幾何模型的方法;給出一個實例，將該方法應用于貼裝機的靜態建模，生成的模型具有較高的逼真度，驗證了方法的有效性。

關鍵詞： VRML; 幾何建模; 貼裝機; 方法

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2020）01-66-03

Abstract： As a standard to describe 3D virtual scene network， VRML has been widely used in virtual reality simulation of various industries. This paper describes the VRML geometric modeling mechanism systematically and proposes a VRML based method to establish geometric model by using various modeling tools. An example is given to apply this method to the static modeling of mounting machine. The model generated has high fidelity， which verifies the effectiveness of the method.

Key words： VRML; geometric modeling; mounting machine; method

0 引言

靜態建模主要就是建立物體的幾何模型。VRML（虛擬現實建模語言）相比其他三維建模工具，具有很強的沉浸感、交互性，重要的是語法簡單、建模更方便[1]。文獻[2]利用VRML的文本編輯器創建了AUV的虛擬場景;文獻[3]用SolidWorks建模軟件構建聯合收割機進而轉換為VRML模型;文獻[4]利用MATLAB的V-Realm Builder 2工具搭建了導彈和目標的模型，均取得了較好的效果但建模方法單一。因此，本文基于VRML建模語言，探討綜合運用多種建模工具，高效建立幾何模型的方法。

1 VRML幾何建模機制

VRML對三維場景有很強的描述能力，對象構成虛擬場景，對象及其屬性表示為節點，節點是構成VRML文件的基本單元。VRML2.0中包含了54個節點，每個節點由不同的域（Field）和事件（Event）組成，域定義了節點的各個屬性，域取不同的值，節點就會有不同的特征，可完成一項特定的功能[5]。下面就VRML幾何建模的關鍵節點加以論述。

⑴ 單個幾何體：用外形Shape節點創建，appearance域的值定義一個節點，即Appearance節點，定義造型的外觀，包括顏色和表面紋理，geometry域的值指定一個節點，定義造型的幾何結構。

⑵ 簡單幾何體：包括長方體Box節點、圓柱Cylinder節點、圓錐Cone節點、球Sphere節點。

⑶ 基于頂點幾何體：基于邊界表示法的點線面造型，點線面是空間造型的最基本元素，點線面造型的基礎就是給出一系列有序空間點的參數，然后創建虛擬空間中的點線面，因而，理論上可以創建出虛擬空間中任意的三維造型，包括PointSet節點（點）、IndexedLineSet節點（線）、IndexedFaceSet節點（面）。

⑷ 復雜幾何體：①海拔柵格造型ElevationGrid節點主要用來創建諸如起伏地面和山脈等空間造型;②擠壓造型Extrusion節點為那些可以用二維截面圖形經空間中沿某一路徑移動而形成的形體提供了一種有效和直接的構造方式。

⑸ 幾何體的組裝和場景的生成：復雜物體可由多個簡單幾何體組裝而成，多個物體進行坐標定位又構成場景，VRML文件中通過組節點實現，主要有Group節點、Transform節點。其中Transform節點為其子節點定義坐標系統，更重要的作用在于對VRML空間坐標系進行變換，以建立一個或多個相對于已有坐標系的新坐標系。

⑹ 幾何體的引用：要創建多個相同的幾何體，可在VRML文件中通過DEF節點為已創建的造型命名，再采用USE節點反復引用實現。

⑺ 原型：對節點類型集合進行擴充，通過PROTO節點用以描述一個自定義的節點類型，簡化了場景的制作過程。

2 協同建模及優化

目前，VRML建模工具主要有文本編輯器、可視化開發工具及常用的造型軟件等，以下分別介紹。

⑴ VRML的文本編輯器：VRML是一種描述性的文本語言，通過對物體節點的描述，理論上，任何三維形體都可以精確或近似地構造，但它不是造型語言，對于復雜的模型，僅靠VRML造型節點實現就很困難[6]。

⑵ VR的“所見即所得”可視化開發工具：這種方法非常適合構造簡單的三維模型，但對于復雜的模型和動畫的創建則比較困難。MATLAB虛擬現實工具箱下自帶的V-Realm Builder 2三維物體構造工具包是一種常用的VR可視化開發工具，提供了強大的三維物體的編輯功能，菜單和工具欄中包括了幾乎所有VRML節點，只需用鼠標點擊即可完成對象的創建，并可以方便地對節點進行增加、編輯和修改，相應的場景立即得到更改，實現了“可視化”開發;另外，V-Realm Builder 2自帶了三個例庫：對象庫、材質庫和紋理庫，用戶可分別直接將現成庫的對象、材質、紋理應用到虛擬場景中去，提高了開發效率[7]。

⑶ 常用的造型軟件：對于場景中復雜的部分，常用的三維造型軟件有AUTOCAD、3D Studio Max等，在三維造型方面AUTOCAD雖然不是最好的系統，但所提供的支持已足夠，就其普及性、二次開發的友好性而言，是其他系統所不能比擬的。利用它建立的三維模型文件.dxf通過VRML Export（ARX應用程序）轉換為*.wrl文件，但導出的造型均以IndexedFaceSet節點來描述， 數據量較大，不利于文件傳輸，可用VRML優化工具vizup進行進一步數據優化，提高模型的轉化效率。

由于制造單元的結構和外形的復雜性，為了提高建模效率及模型的逼真度，本文選取多種工具協同建模：對于復雜的造型利用AUTOCAD建模，在保證模型逼真度的同時用VRML優化工具vizup進行數據優化，提高模型的轉化效率;然后在V-Realm Builder 2中創建能直接生成的造型;最后利用文本編輯器VrmlPad進行修改并完善模型的交互功能，添加多視點和動畫等效果。實踐表明，三種方法的綜合運用，可以大大提高模型的構建效率。

3 建模實例

貼裝機是SMT生產線中最關鍵的數控設備。本文以國內首臺全視覺貼裝機SMT2505為例[8]，建立其外部的靜態模型，實際外部如圖1所示。根據結構特點可分為本體部分、顯示監控部分和操作控制部分。其中本體部分與裸機直接發生關系，包括上架外殼、下架外殼和基礎連接架三部分;顯示監控部分包括信息顯示的界面和報警裝置，主要指PC 機顯示器和警示燈;操作控制部分，即指令輸入與動作調整，有鍵盤、電氣開關等。

下面以下架外殼為例，詳述具體的模型構造過程。它由殼體、底座、把手三部分組成，由于比較規則、簡單，因而在V-Realm Builder 2中分別建模并賦予材質等屬性，然后進行裝配構成場景圖。

⑴ 殼體：它不是基本造型，故采用擠壓節點Extrusion完成，以倒角矩形為放樣圖形、直線為路徑生成模型，節點樹如圖2所示。

⑵ 底座：用基本造型圓柱節點Cylinder完成。

⑶ 把手：屬于面造型，用面節點IndexedFaceSet完成。

分別調整殼體、底座和把手之間的位置關系，然后通過Transform節點將所要安排位置和方向的造型編組，在V-Realm Builder 2中生成的下架外殼模型和VRML模型節點結構樹如圖3所示。

其他部件的構造同下架外殼的方法基本一致，最終生成的貼裝機外部模型如圖4所示。

4 結束語

建模主要解決模型逼真度、開發效率、沉浸效果等問題。VRML作為描述三維虛擬場景網絡的一種標準，在各領域的虛擬現實仿真中得到廣泛的應用。本文詳細介紹了如何運用多種建模工具建立VRML模型的方法，并給出具體的實例運用，具有一定的可操作性。進一步的研究工作將在虛擬場景中加入光照效果、紋理映射以及交互性等基本特性，對提高三維虛擬場景的逼真度具有重要意義。

參考文獻（References）：

[1] 許愛軍，張文金，易丹.基于VRML的虛擬現實技術及應用[J].計算機與數字工程，2009.37（4）：186-189

[2] 許喆，嚴衛生，高劍.MATLAB下6自由度AUV的VRML建模及仿真[J].系統仿真學報，2007.19（10）：2241-2244

[3] 張亞楠，郝倩.Web 3D虛擬現實平臺在收割機零部件設計中的應用[J].農機化研究，2019.41（4）：233-237

[4] 王意存，陳琦，常思江.采用Simulink和VRML的六自由度彈道多視角可視化仿真[J].兵器裝備工程學報，2019.40（1）：143-147

[5] 汪興謙.VRML虛擬造型實戰演練[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[6] 殷鵬蓮，余學祥.VRML和Java支持下的三維虛擬校園構建[J].測繪與空間地理信息，2015.38（4）：165-168

[7] 張家祥等.基于MATLAB6.X的系統分析與設計—虛擬現實[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[8] 宋福民，張小麗，馬如震. SMT2505全視覺多功能貼片機的研制[J].電子工業專用設備，2002.31（4）：219-223