工程模型在智能制造可視化中的應用分析

張東明，劉海娜

(黃河交通學院，河南 焦作 454000)

0 引言

2015年5月提出《中國制造2025》以來，智能制造的概念一次次進入人們的視野，并被不斷地補充和完善，各領域的制造業也都在不斷地進行智能化升級改造，遍布全球的智能化工廠也都在設計與重建。智能制造具備自主狀態感知、數據實時分析、系統自主決策、命令精準執行、平臺自我優化等一系列特征，基于并引導大數據、云計算、可視化等創新型科技領域發展。其中可視化表達是智能制造系統與操控者之間進行人機交互的窗口，可視化表達是否友好直接影響智能制造系統的運行及操控的效果，因此可視化技術也逐漸被人們重視并發展成一個獨立的學科，如何讓系統擁有高質量的可視化表達質量也逐漸成為一個重要的課題。為此，本文依托河南省智能制造技術與裝備工程技術研究中心和焦作市物料輸送設備關鍵件制造工藝與裝備工程技術中心對工程模型在智能制造可視化中的應用進行了分析研究。

1 可視化模型的要求分析

作為智能制造系統中的重要元素，可視化模型必須具備高度的準確性，杜絕因模型誤差帶來的操控失真感或喪失指令執行的精準性；作為主要的人機交互窗口，可視化模型必須具備較好的可欣賞性，增強系統的操控感和交互性；受服務器硬件發展的限制，可視化模型必須要足夠的輕量化，才能為智能制造的分析和運算節省更多的資源空間，使智能制造平臺系統的運行更加流暢。

2 可視化模型的發展瓶頸

工程設計模型是一種精確的邊界描述(B-rep)模型，它通常會含有大量的幾何信息，隨著這些幾何信息的不斷更新和完善，單純地想要通過提高計算機的物理性能達到直接使用工程模型進行系統仿真、可視化呈現的目的基本上是不可能的，必須將工程模型進行輕量化，以達到系統仿真模型的快速交互、即時響應、實時渲染。3dmax具有強大的設計功能，可以完成復雜模型的建立；具備多種數據接口，可以完成不同工程模型的轉換并實現多種模型的呈現和兼容；具有良好的操作界面并具備強大的圖形處理引擎，可以完成質量較高的可視化模型設計制作；可以通過自身工具插件進行模型輕量，配合場景開發引擎中的多模切換、視差處理等技術手段，輕松完成可視表達中的模型呈現，成為目前應用于可視化模型制作的主要工具之一。相比于3dmax制作的模型，工程模型圖像處理功能就顯得不足，往往無法表達出最佳的視角效果。但工程模型結構更加接近實物、數據更加精準，幾乎可以完整還原工程裝備的所有信息，并可以將實物不能反饋的數據信息打包整理，存入平臺系統數據，使可視化的數據的呈現更加精準。但由于工程模型包含的信息量過大，在進行可視化開發的過程中無法直接使用，系統往往要分配較大的資源去處理工程模型的加載、渲染、信息匹配等展現方式，在這個過程中有可能侵占系統的運算資源，致使智能制造系統出現不良反應，達不到智能制造可視化設計的初衷。

在目前智能制造的可視化建模過程中，往往由3dmax設計人員對比參照實物或者工程圖紙進行模型重建，不僅浪費了大量的時間和精力，且建模精度低、誤差大。由于重建模型的人員往往不是機械設計專業，其知識系統與專業的裝備設計人員之間可能出現不對等，因專業間差異導致的模型精度差的情況不可避免。因此在智能制造可視化中，想要得到專業精準的可視化模型，就必須從工程模型出發，通過工程模型細分層次、拓撲轉換，將復雜完整的工程模型整體分解為多個層次的二級模型，針對單個模型文件使用多種模型輕量技術，并結合計算機分布加載、場景切換等技術，完成智能制造可視化中的多種模型制作。而基于工程模型開發完成可視化模型正是工程模型在智能制造中的應用，是工程模型在設備運維階段應用的開始，拓展了工程模型的應用領域，使工程模型真正進入一個全生命周期時代。

智能制造本身就是一個多學科融合的系統，那么對于可視化模型的制作也是一個多學科融合的工作。在可視化模型中包含設備、建筑、綠化場景等多種模型，分別對應著機械設計、土木工程、游戲設計等多種高校培養專業。這些專業在高校中分屬于不同的院系，想在學校完成此類復合型人才的培養，難度較大。只有通過在行業中的不斷融合碰撞、溝通學習，才能逐漸培養出高質量的可視化建模人員。

3 工程模型在可視化模型轉換中的應用方法分析

根據系統設計的內容不同，模型展示內容往往有很大差別，因此每種場景對模型的要求也不相同。在對生產工程整體呈現時，模型需要表現設備的位置、上下游鏈接關系、設備的大致輪廓等內容，配合系統UI設計出智能圖表，更好地表達數據統計內容，增強可視系統的飽滿度。該場景中要求呈現更多的系統模型，而受到攝像機高度的影響，模型又不能夠看得非常清楚，只能看到整體外觀，結合計算機性能限制，可以在此處選用低精度模型(下文簡稱低模)進行呈現。而當場景切換時，需要呈現具體設備的運行參數和運行狀態時，對設備的外觀結構和色彩表達的準確性有了較高要求。這時系統通過輔助UI圖標配合呈現模型可視內容，增強了系統數據的可讀性和交互性。該場景對模型要求就相對較高，必須制作出能夠完全表達出外觀結構及局部細節的中精度模型(下文簡稱中模)。當場景進入設備爆炸視圖，進行設備結構詳細分析時，操作者主要通過可視模型完成對設備結構和零部件的信息讀取。這時就需要制作出與設備零部件結構、材質、色彩完全一樣的高精度模型(下文簡稱高模)，以幫助操控者更加直觀快速地理解設備實體。工程模型轉化為可視化模型的具體方法如下：

(1) 確定場景功能。在可視化模型制作前，首先要求智能制造系統設計師完成模型功能應用場景設計，針對不同場景的具體要求，利用工程模型制作對應的可視化模型。

(2) 刪除場景中不可見工程模型。對于在場景中不需要展示的模型，可以通過工程模型建模軟件進行快速的模型特征刪除。針對模型的細節也要進行精度調整，在不影響模型表達的前提下，將模型圓角調整為直角，減小模型多邊形數量，減輕后期模型輕量化難度。而由精度誤差導致的小尺寸凹凸及圓角可以通過后期的圖形視差來呈現。當然對于場景要求的模型細節應該予以保留，對于場景中不可見的隱藏零部件，在軟件中應進行刪除。在可視化中不需要分解的部件模型，可以在工程軟件中進行零件壓縮，將功能要求中的最小部件壓縮合并成為零件模型文件，同時這也是工程模型交付的基本條件。

(3) 數據導入并進行數據編碼。工程模型保存成.fbx數據格式導入3dmax。原有材質信息應該一起打包轉換，這樣使得后道工序的設計師能夠更加快速準確地獲取模型的材質和外觀參數，降低模型制作中的誤差，縮短模型制作時間。在3dmax中對導入的工程模型進行分類編碼，方便在3dmax中分層分組地快速選擇和貼圖。在整個系統模型制作中，模型應該有統一規范的編碼，方便系統對模型的讀取。

(4) 模型修整及輕量化。對于模型中有欄桿類模型的，應該在貼圖前進行模型替換，利用平面素模加欄桿貼圖的方式代替欄桿類模型。對于有大量圓形管道或者圓弧面的模型，應該通過3dmax的插件工具進行模型輕量化，降低圓弧細分段數，利用貼圖視覺效果獲取高質量弧面視覺效果。

(5) 模型貼圖。利用Photoshop軟件制作模型貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等，將制作好的位圖及凹凸貼圖按通道貼到制備的模型中，可獲取可視化高精度模型。為保證可視效果的真實性，貼圖素材可以利用廠家設備照片進行制作。在3dmax中對每一個部件模型進行貼圖，然后再進行模型的組裝，從而獲得所需要的高精度、高質量模型。

(6) 高模拓撲低模。利用制作得到的高精度模型來制備中模和低模所需要的單面貼圖。通過3dmax進行模型拓撲或重建，獲得中模和低精度模型素模，以保證設備結構的主要結構和尺寸。將高精度制作得到的貼圖以及凹凸貼圖貼到低模上進行渲染，以獲得高精度模型的視覺效果。此類模型是通過視差及光影表現來完成高精度模型中的常用造型效果，使用過程中應該注意燈光和視角的設計，不同的燈光效果和視角效果會出現視覺差異。在系統呈現時，通過模型的切換，完成在不同視角下的模型呈現。

利用工程模型制作多種可視化模型，在系統呈現時通過加載手段進行多模型切換，大大降低了計算機在進行模型加載和渲染時的負荷，從而在良好的呈現效果和計算機硬件升級中尋求一個平衡點。

4 工程模型開發應用的意義

工程模型在裝備設計和制造領域有著廣泛的應用，它憑借著三維設計的優勢，工程模型幾乎已經打通了智能設計、智能制造、智能裝配等機械工程加工領域的全生命周期。隨著中國制造2025的提出，下游智能制造的不斷升級，機械工程裝備的運維管理必將成為中國智能制造的又一重要課題。機械工程裝備的可視化是智能制造展示的窗口，如何做好可視化展示，構建良好的人機交互平臺也將是機械裝備領域要探究的課題，它同時也是機械裝備應用領域對工程模型進行全生命周期開發中補充和完善的重要環節。