藝術(shù)外觀渲染下的農(nóng)機(jī)三維建模與模擬分析

聶 婷

(重慶城市職業(yè)學(xué)院,重慶 402160)

0 引言

三維建模技術(shù)的發(fā)展為各領(lǐng)域提供一種三維可視化建模方法。利用三維建模技術(shù)能夠創(chuàng)建與真實(shí)物體結(jié)構(gòu)一致的模擬實(shí)體,甚至模擬物體真實(shí)運(yùn)動(dòng)[1]。應(yīng)用在地震研究領(lǐng)域,可以模擬出地震板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程;應(yīng)用在氣象領(lǐng)域,能夠真實(shí)重建降雪、降雨情況,研究天氣變化趨勢(shì)。使用三維建模技術(shù)模擬實(shí)體運(yùn)動(dòng),具有直觀、可視化等優(yōu)點(diǎn)[2],因此設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)時(shí),可應(yīng)用該技術(shù)對(duì)農(nóng)用機(jī)械實(shí)施三維建模與模擬。

大部分三維農(nóng)機(jī)建模忽視機(jī)械外觀渲染,導(dǎo)致農(nóng)機(jī)特征不突出,光線明暗變化效果差。為解決該問(wèn)題,筆者從藝術(shù)外觀渲染角度對(duì)農(nóng)機(jī)展開(kāi)三維建模與模擬分析[3]。農(nóng)機(jī)藝術(shù)外觀渲染注重顏色、光線、材質(zhì)的合理搭配,用高光與陰影體現(xiàn)農(nóng)機(jī)的明暗變化,外觀渲染完成后的三維農(nóng)機(jī)模型真實(shí)感較強(qiáng)、立體效果突出。

本文分析了藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模與模擬情況,利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個(gè)通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色[4],增強(qiáng)農(nóng)機(jī)外觀對(duì)比度;采用OpenGL創(chuàng)建光源,定義光源與材質(zhì)屬性,獲取較優(yōu)的高光、陰影效果[5];渲染后的文件規(guī)模較大,基于小波重構(gòu)方法壓縮上述渲染文件規(guī)模,提高渲染效率;最后,以農(nóng)機(jī)齒輪建模過(guò)程為例,根據(jù)三維建模步驟構(gòu)建渲染后的三維農(nóng)機(jī)模型,經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證,所構(gòu)建三維農(nóng)機(jī)模型立體化效果優(yōu)、機(jī)械特征顯著。

1 基于外觀渲染的農(nóng)機(jī)三維建模與模擬

1.1 三維農(nóng)機(jī)模型外觀渲染

采用HSL模型渲染農(nóng)機(jī)三維模型的外觀顏色,通過(guò)OpenGL渲染農(nóng)機(jī)模型光照效果。為減小三維渲染數(shù)據(jù)規(guī)模、提高渲染效率,采用小波重構(gòu)方法壓縮三維渲染文件規(guī)模,這樣渲染得到的農(nóng)機(jī)三維模型效果好、渲染效率高。

1.1.1 利用HSL模型渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色

HSL顏色模型渲染三維模型應(yīng)用頻率較高,如圖1所示。

圖1 HSL顏色模型

圖2 色相取值范圍

1.1.2 采用OpenGL渲染農(nóng)機(jī)模型光照效果

為突出農(nóng)機(jī)三維模型真實(shí)感,添加光照效果,光照渲染可突出三維模型不同層次、不同明暗程度變化效果。采用OpenGL定義農(nóng)機(jī)三維模型光照效果,完成農(nóng)機(jī)外觀光照渲染[8]。光源、材質(zhì)、光照是現(xiàn)實(shí)光線的3種構(gòu)成,定義光源、材質(zhì)及光照屬性參數(shù),以得到不同光照效果。

1) 光源創(chuàng)建與光源屬性定義。顏色、位置和方向是光源三大屬性,采用OpenGL定義光照效果過(guò)程中,光源屬性定義與光源創(chuàng)建采用glLightfv()函數(shù)實(shí)現(xiàn),以此為前提,通過(guò)glEnable函數(shù)開(kāi)啟農(nóng)機(jī)三維模型光源。環(huán)境光、漫反射光和鏡面光是OpenGL光源渲染的三大類別,以3種光分量為前提,疊加光分量得到優(yōu)秀的農(nóng)機(jī)三維模型呈現(xiàn)的光照渲染效果[9]。光源方向?qū)Νh(huán)境光毫無(wú)影響,光源方向與發(fā)現(xiàn)方向干擾漫反射光的形成,光源、法線、視角三者方向嚴(yán)重影響鏡面光的形成[10]。環(huán)境光不存在于光源之中,因?yàn)閧0.0,0.0,0.0,1.0}是環(huán)境光初始值。{1.0,1.0,1.0,1.0}是漫反射光初始值,呈亮白色,光源顏色在很大程度上決定漫反射光的顏色。按照農(nóng)機(jī)三維建模的需求,設(shè)置不同光源分量數(shù)值得到符合要求的光線渲染效果,因?yàn)閰?shù)取值差異決定光照效果存在差異。

2) 農(nóng)機(jī)三維模型材質(zhì)屬性設(shè)置。三維場(chǎng)景光源、農(nóng)機(jī)模型材質(zhì)相互作用呈現(xiàn)農(nóng)機(jī)模型的顏色效果,農(nóng)機(jī)模型的顏色利用HSL模型設(shè)置,在此基礎(chǔ)上選取OpenGL的GL-COLOR-MATERIAL顏色材質(zhì)模式,完成材質(zhì)上色。

采用上述顏色模型、光照渲染方法渲染后的農(nóng)機(jī)部件如圖3所示。由圖3可以看出:渲染出的農(nóng)機(jī)部件具有明暗對(duì)比顯著、飽和度適中、光線效果接近現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn),為構(gòu)建優(yōu)質(zhì)三維農(nóng)機(jī)模型提供了有利條件。

圖3 農(nóng)機(jī)部件渲染效果

1.1.3 基于小波重構(gòu)的模型渲染文件壓縮

三維模型渲染生成的文件規(guī)模較大,嚴(yán)重干擾農(nóng)機(jī)模型渲染與輸出速度[11],需采用小波重構(gòu)方法壓縮渲染文件與數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際情況展示農(nóng)機(jī)三維模型。

定義ψj,k(t)表示離散小波函數(shù),表達(dá)式為

(1)

其中,k為小波系數(shù)。

離散化小波變換系數(shù)為

(2)

離散化小波變換重構(gòu)形式為

(3)

其中,D為常數(shù),同渲染數(shù)據(jù)信號(hào)不存在關(guān)聯(lián)。定義f(m1,n2)為二維渲染數(shù)據(jù)信號(hào),信號(hào)在空間中的橫坐標(biāo)用m1描述,縱坐標(biāo)用m2描述,ψ(m1,m2)表示基本小波函數(shù)。當(dāng)ψ(m1,m2)=λ(m1)·λ(m2)時(shí),λ(m1)相應(yīng)的一維小波函數(shù)用ψ(m1)描述。基于這種情況,分割二維小波函數(shù)為3個(gè)正交小波函數(shù),即

ψ1(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(4)

ψ2(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(5)

ψ3(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(6)

待渲染圖像被一次小波分割為1個(gè)低頻子帶、3個(gè)高頻子帶,最終得到三維小波重構(gòu)方法[13],如圖4所示。圖4中,HL、LH、HH分別為高通水平和低通垂直子帶、低通水平和高通垂直子帶、高通水平和高通垂直子帶。三維模型中圖像元素分辨率和頻率范圍縮減至1/2,完成第1次小波變換;三維模型中圖像元素分辨率和頻率范圍縮減至1/4,完成第2次小波變換[14];以此類推,分解a次得到3a+1個(gè)子帶。

圖4 三級(jí)小波分解圖

采用上述方法壓縮了農(nóng)機(jī)三維模型渲染文件規(guī)模,可降低渲染用時(shí),提高了農(nóng)機(jī)三維建模渲染效率。

1.2 藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模

1.2.1 構(gòu)建農(nóng)機(jī)齒輪三維模型

齒輪是大部分農(nóng)機(jī)必不可少的組成部分,在藝術(shù)外觀渲染下,以農(nóng)機(jī)齒輪建模為例,構(gòu)建農(nóng)機(jī)齒輪三維模型。

農(nóng)機(jī)的圓錐體上排列多個(gè)直齒圓錐齒輪,排列順序?yàn)橛纱笾列　｝X輪大小端參數(shù)設(shè)置存在差異,標(biāo)準(zhǔn)值以大端為準(zhǔn)。球面漸開(kāi)線是農(nóng)機(jī)齒輪的齒廓類型,農(nóng)機(jī)齒輪三維建模難度較大,一定程度上因球面漸開(kāi)線不能轉(zhuǎn)化成平面曲線,一般用背錐中的齒形替換大端球面中的齒形可解決該問(wèn)題。背錐以平面狀態(tài)存在后,降低農(nóng)機(jī)齒輪三維建模與模擬難度。農(nóng)機(jī)齒輪背錐上的漸開(kāi)線極坐標(biāo)表達(dá)式為

(7)

其中,re為背錐面中的基圓半徑用;εg表示壓力角。

將re公式轉(zhuǎn)成公式(8),才能符合在背錐上得到漸開(kāi)線要求,即

(8)

其中,m和z分別為農(nóng)機(jī)齒輪模數(shù)和齒數(shù);χ為分度圓錐角。

為符合三維軟件中直角坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),將公式(8)寫成公式(9)直角坐標(biāo)方程形式,即

(9)

根據(jù)農(nóng)機(jī)模擬原型得到詳細(xì)農(nóng)機(jī)參數(shù),結(jié)合以上公式與農(nóng)機(jī)參數(shù),將結(jié)果輸入到三維軟件固定方程,點(diǎn)擊規(guī)律曲線命令得到農(nóng)機(jī)齒廓線,齒廓線經(jīng)過(guò)垂直翻轉(zhuǎn)與裁切命令得到完好無(wú)缺的大端齒廓線。農(nóng)機(jī)齒輪三維建模與現(xiàn)實(shí)中的農(nóng)機(jī)加工原理一致,農(nóng)機(jī)齒槽的輪廓曲線即大端齒廓線。得到大端齒廓線后,生成農(nóng)機(jī)齒輪實(shí)體的步驟很簡(jiǎn)單,縮小齒廓線尺寸并粘貼在小端,掃掠兩頭的齒廓線,獲取齒輪建模實(shí)體,為獲取直齒圓錐齒輪模型應(yīng)反復(fù)執(zhí)行變換步驟。

1.2.2 藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模步驟

三維建模軟件具備物理引擎功能,從重力、質(zhì)量、摩擦等角度真實(shí)反映農(nóng)機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)行狀況。

農(nóng)機(jī)三維建模過(guò)程描述為:

1) 三維建模軟件接收到電子數(shù)據(jù)后,根據(jù)情況切換點(diǎn)模式與線模式。相同區(qū)域內(nèi)散亂分布點(diǎn)在點(diǎn)模式作用焊接完成;點(diǎn)擊線模式命令后,得到多邊形可任意修改調(diào)整,此時(shí)農(nóng)機(jī)三維模型呈現(xiàn)主動(dòng)封閉狀態(tài)。

2) 在面模式中執(zhí)行命令,采用擠出工具按照電子數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)置農(nóng)機(jī)部件高度,利用縮放工具調(diào)整農(nóng)機(jī)模型得到面積、邊長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。

3) 修改農(nóng)機(jī)三維模型坐標(biāo)軸,確保坐標(biāo)軸在三維模型中央部分。

4) 建模完成的農(nóng)機(jī)三維模型存儲(chǔ)在相關(guān)文件根目錄中,格式為FBX。

在上述三維農(nóng)機(jī)模型基礎(chǔ)上,采用2.1節(jié)的三維渲染方法為三維模型設(shè)置顏色、燈光等外觀,最終得到效果較優(yōu)的農(nóng)機(jī)三維模型。

2 仿真測(cè)試

2.1 有效性分析

為驗(yàn)證本文三維農(nóng)機(jī)模型的有效性,采用三維農(nóng)機(jī)展開(kāi)模擬測(cè)試。以農(nóng)用機(jī)械中的某類型播種機(jī)為例,三維建模得到的播種機(jī)三維模型用圖5描述。分析圖5能夠看出:經(jīng)過(guò)外觀渲染后的播種機(jī)造型更加立體、生動(dòng)。從顏色渲染角度而言,明亮變化清晰、顏色對(duì)比顯著;從光線渲染角度而言,三維播種機(jī)光線照射部分與背光部分存在明顯差異,與實(shí)際光線照射情況一致。因此,本文構(gòu)建的三維播種機(jī)模型可靠、有效,美化了播種機(jī)外觀。

圖5 播種機(jī)三維模型

采用本文三維播種機(jī)模擬田間播種活動(dòng),得到三維播種機(jī)的測(cè)試結(jié)果,如表1所示。由表1可以看出:構(gòu)建的三維壟作免耕播種機(jī)模型能夠有效完成播種、施肥、開(kāi)溝等耕種任務(wù),并且合格率均在95%以上;播種深度的合格率最高,達(dá)到98.6%。變異系數(shù)是描述播種機(jī)播種性能的變化幾率,本文三維播種機(jī)的變異系數(shù)最大為4.2%,最小為2.6%,全部低于5.0%。這說(shuō)明,本文三維播種機(jī)播種性能好、穩(wěn)定性較強(qiáng),沒(méi)有大幅度性能波動(dòng),再次驗(yàn)證本文三維農(nóng)機(jī)模型的有效性。

表1 三維播種機(jī)模擬測(cè)試結(jié)果

2.2 渲染效果分析

本文三維農(nóng)機(jī)模型渲染外觀時(shí)經(jīng)歷模型外觀顏色渲染、光源創(chuàng)建與光源屬性定義、三維模型材質(zhì)屬性設(shè)置等步驟,渲染后的三維播種機(jī)零件渲染效果如圖6所示。分析圖6(a)中齒輪渲染效果,通過(guò)顏色明暗變化能夠準(zhǔn)確描述齒輪特征,每個(gè)齒輪中齒牙顏色變化顯著,光線渲染后完整體現(xiàn)出齒輪高光部分,三維效果好。分析圖6(b)中零件接口渲染效果,設(shè)置材質(zhì)屬性后,零件接口的金屬質(zhì)感較強(qiáng),入口處光線設(shè)置與真實(shí)情況吻合,總體呈現(xiàn)的立體化效果好。

圖6 本文三維播種機(jī)零件渲染效果

2.3 播種機(jī)性能分析

本測(cè)試研究三維播種機(jī)模擬播種的性能,引用基于CATIA的三維播種機(jī)、基于Pro/E的三維播種機(jī)展開(kāi)對(duì)比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為:模擬播種3行,模擬播種行距為560mm,246kg為其結(jié)構(gòu)質(zhì)量。記錄模擬播種過(guò)程中不同三維播種機(jī)模擬播種的前進(jìn)速度、生產(chǎn)率、刀軸轉(zhuǎn)速及油耗情況,如表2所示。由表2可知:所設(shè)計(jì)三維播種機(jī)的前進(jìn)速度最快,達(dá)到3.4km/h,基于CATIA的三維播種機(jī)與基于Pro/E的三維播種機(jī)前進(jìn)速度均比本文三維播種機(jī)低0.2 km/h;從生產(chǎn)效率模擬角度而言,本文三維播種機(jī)具有優(yōu)勢(shì),相比基于CATIA的三維播種機(jī)高0.4hm2/h,相比基于Pro/E的三維播種機(jī)高0.5 hm2/h。本文三維播種機(jī)的模擬轉(zhuǎn)速高達(dá)3.4r/min,相比另外兩種三維播種機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。本文三維播種機(jī)在上述前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速條件下,油耗量?jī)H為9.11L/hm2,而基于CATIA的三維播種機(jī)油耗量為12.33L/hm2,基于Pro/E的三維播種機(jī)油耗量為14.21L/hm2。數(shù)據(jù)表明,本文三維播種機(jī)模擬播種時(shí),性能最強(qiáng),油耗量最少,是一種節(jié)能型三維播種機(jī)模型。

表2 三維播種機(jī)模擬耕種結(jié)果

續(xù)表2

生產(chǎn)率是評(píng)價(jià)播種機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo),為突出本文三維播種機(jī)的生產(chǎn)率,在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)至5次,進(jìn)一步測(cè)試不同三維播種機(jī)的生產(chǎn)率。圖7描述了3種三維播種機(jī)模擬耕種的生產(chǎn)率情況。圖7中,本文三維播種機(jī)的生產(chǎn)率位于最上方,基于CATIA的三維播種機(jī)位居第2,基于Pro/E的三維播種機(jī)生產(chǎn)率位于圖像最下方。顯然,本文三維播種機(jī)生產(chǎn)率最高。在5次播種模擬過(guò)程中,本文三維播種機(jī)的模擬生產(chǎn)率總體為上升趨勢(shì),第1次模擬生產(chǎn)率為0.212hm2/h,最后1次模擬生產(chǎn)率最高為0.219hm2/h,模擬播種性能好,進(jìn)入工作狀態(tài)后,生產(chǎn)率直線上升;基于CATIA的三維播種機(jī)模擬播種的生產(chǎn)率總體為下降趨勢(shì),第1次模擬生產(chǎn)率為0.18hm2/h,第2次測(cè)試中生產(chǎn)率有所下降,第3次生產(chǎn)率提升至0.18 hm2/h,之后模擬測(cè)試中生產(chǎn)率直線降低至0.153hm2/h;基于Pro/E的三維播種機(jī)模擬生產(chǎn)率總體為上升趨勢(shì),但是實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的播種生產(chǎn)率僅為0.167hm2/h,低于本文三維播種機(jī)的最低值。

圖7 不同三維播種機(jī)的模擬生產(chǎn)率

3 結(jié)論

1)采用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個(gè)通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色,增強(qiáng)農(nóng)機(jī)外觀對(duì)比度;采用OpenGL創(chuàng)建光源、定義光源與材質(zhì)屬性,獲取較優(yōu)的高光、陰影效果。

2)由于渲染后的文件規(guī)模較大,基于小波重構(gòu)方法壓縮了渲染文件規(guī)模,大大降低農(nóng)機(jī)外觀渲染用時(shí)。