基于視覺傳達(dá)的虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉怡泓

【摘 要】虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁└叻直媛省⒏哔|(zhì)量及大范圍的立體影像，能夠提供給用戶更好的視覺傳達(dá)服務(wù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力。文章以視覺傳達(dá)為基礎(chǔ)，對虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)組成進(jìn)行闡述，并分析了虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)的系統(tǒng)程序、模型基本操作功能、系統(tǒng)用戶界面及多通道設(shè)置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng);機(jī)械產(chǎn)品;多通道

【中圖分類號】TN911.73-34;TP39【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）04-0043-03

任何類型的產(chǎn)品展示最有效的方式就是將產(chǎn)品真實(shí)地呈現(xiàn)在用戶面前。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和突破，計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)、信息采集技術(shù)、傳感技術(shù)等，將產(chǎn)品真實(shí)呈現(xiàn)在用戶面前的方式已經(jīng)不能夠滿足用戶在信息爆炸時代的要求 [1]。因此，當(dāng)前在很多產(chǎn)品展示中，主要使用圖片加文字的形式對產(chǎn)品進(jìn)行展示，但是這樣的形式還停留在靜態(tài)平面層面上，難以將產(chǎn)品本身的特點(diǎn)充分展現(xiàn)出來，尤其是在機(jī)械產(chǎn)品的展示中，更加無法將其特點(diǎn)展示出來。所以，從目前來看，對于機(jī)械產(chǎn)品的展示可以通過虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)進(jìn)行，這樣不僅可以促使用戶更加直觀地了解機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與產(chǎn)品的互動，從而增強(qiáng)用戶對產(chǎn)品的了解程度。

1 虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)的組成

在傳統(tǒng)產(chǎn)品展示中，必須有一定的展示空間，比如需要布置機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)物或者實(shí)物的模型為參觀人員提供服務(wù)。由此可以看出，在機(jī)械產(chǎn)品展示中主要存在以下3種展示要素，即展示物品、展示空間、展示用戶。對于虛擬空間來說，也主要是由這3種要素構(gòu)成，但是虛擬展示的方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變 [2]。虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

展示系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)擬采用以PC工作站為主體的多節(jié)點(diǎn)危機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PC工作站具有性價(jià)比高、操作簡單、升級方便且可根據(jù)需要拓展通道的沉浸環(huán)境。多節(jié)點(diǎn)的展示系統(tǒng)包括一個主節(jié)點(diǎn)和許多從節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都相當(dāng)于一臺PC圖形工作站，所有節(jié)點(diǎn)均擁有一份相同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)拷貝。PC工作站的核心是CPU和圖形加速處理器，對于需要實(shí)現(xiàn)立體顯示的虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)需配置Pentiun4 Xeon中央處理器和能夠雙顯示輸出的專業(yè)級圖形顯卡。PC工作站系統(tǒng)的軟件部分采用VC++6.0開發(fā)，以標(biāo)準(zhǔn)API的形式封裝，最終形成一個集成式的軟件系統(tǒng)，便于管理和配置多通道系統(tǒng)。

2.2 投影顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

投影顯示系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時要考慮通道的拓展性、屏幕的分辨率、用戶的沉浸感及系統(tǒng)的維護(hù)升級成本。因此，投影顯示系統(tǒng)將采用6個通道組成，左右眼分別連接3個通道，每個通道有40°的水平視角，可現(xiàn)實(shí)120°的展示環(huán)境。同時，整體系統(tǒng)采用被動立體顯示的方案。投影顯示系統(tǒng)通常由投影儀、投影屏幕和計(jì)算機(jī)硬件3個部分組成。投影儀按照不同的工作原理可以分為三槍投影儀、液晶投影儀和數(shù)字光處理投影儀。虛擬產(chǎn)品的顯示對于實(shí)時性有一定的要求，因此投影儀需要具有較快的響應(yīng)速度。同時，不同的立體顯示技術(shù)需要配不同的投影儀。立體顯示技術(shù)主要有主動立體模式和被動立體模式。主動立體模式下左右影像依照順序逐幀顯示，以60 Hz的刷新率輸出且合成的影像要達(dá)到120 Hz，這需要帶寬較寬的投影儀。被動立體模式則是使用兩套不同的設(shè)備分別對左右眼的影像進(jìn)行投影，左右眼影像因?yàn)槠窆饨嵌鹊牟煌a(chǎn)生區(qū)分，對投影儀的要求相比主動立體模式較低，但投影屏幕需要專門的材料。本設(shè)計(jì)在查找了不同的投影儀參數(shù)后選擇輸出亮度高、分辨率高且色彩還原度高的CRT投影儀。投影屏幕的選擇主要依據(jù)投影方式，投影方式分為前投和背投兩種。前投是指投影機(jī)的安裝位置與觀眾位置是屏幕的同一側(cè)，投影儀放出的光線投影到屏幕上，屏幕形成圖像后被觀眾接收。背投是將觀眾和投影儀分別置于屏幕的兩側(cè)，投影儀發(fā)出的光線透過屏幕被人眼接收。使用前投的屏幕可以做成任意的尺寸，但必須控制好環(huán)境光，才能呈現(xiàn)好的觀看效果，適合暗室投影;背投在屏幕尺寸上有一定的要求，但對環(huán)境光不需要控制，適合照明良好的環(huán)境。正投的屏幕有金屬弧型屏幕和平面屏幕，弧型屏幕的增益大、視角小且能適應(yīng)較強(qiáng)的環(huán)境光。背投的屏幕類型有硬質(zhì)背投式和軟質(zhì)背投式。經(jīng)分析，本系統(tǒng)采用正投屏幕的金屬弧型幕實(shí)現(xiàn)立體式投影。計(jì)算機(jī)硬件主要是計(jì)算處理器和圖形處理器的選擇。目前，高性能的PC在計(jì)算能力和圖形能力上已經(jīng)逐漸接近專業(yè)的圖形工作站且更符合多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通道模式。在比較了多家公司的圖形卡參數(shù)后，最終選擇NVIDIA Quadro FX 3000G顯卡。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的功能是將視點(diǎn)參數(shù)、控制命令及用戶自定義的PDU從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到從節(jié)點(diǎn)，而從節(jié)點(diǎn)又可以通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)將實(shí)時狀態(tài)與任務(wù)請求發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。為了保證在展示過程中不出現(xiàn)嚴(yán)重的延遲甚至畫面跳躍感，每個通道都需要達(dá)到30 fps的顯示速度。因此，采用基于TCP/IP協(xié)議的UDP通信方式。同時，為了保證主機(jī)和從機(jī)之間的信息傳遞，還需定義包括視點(diǎn)參數(shù)和控制命令在內(nèi)的消息變量，并使用負(fù)載平衡算法降低某個節(jié)點(diǎn)三角面數(shù)量驟增的影響。

2.4 多通道設(shè)置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.4.1 節(jié)點(diǎn)間通信模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在節(jié)點(diǎn)通信模塊方面，主要采用UDP通信協(xié)議，服務(wù)器和終端之間不需要建立連接，同時在整個過程結(jié)束之后也不需要專門斷開連接。服務(wù)器和終端只需要建立套接字端口就可以進(jìn)行信息讀取或者信息寫入操作，完成信息傳遞 [4]。具體設(shè)計(jì)過程如下：首先，終端和服務(wù)器建立套接字端口，并且調(diào)用服務(wù)器中的綁定函數(shù)對端口進(jìn)行分配;其次，在程序開發(fā)過程中，如果端口中存在套接字，終端就通過綁定函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和信息;最后，在信息數(shù)據(jù)完成傳遞之后，通過綁定函數(shù)將套接字關(guān)閉。具體過程如圖2所示。

在節(jié)點(diǎn)通信模塊程序設(shè)計(jì)中，主要是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和管理，其中具體設(shè)計(jì)原理如下：一是通過主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)啟動配置管理程序;二是通過主節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行查詢，找到其中可以使用的節(jié)點(diǎn);三是通過對預(yù)配置文件的讀取初始化節(jié)點(diǎn);四是在節(jié)點(diǎn)完成初始化之后向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送完整的信息;五是在所有節(jié)點(diǎn)都完成相應(yīng)配置之后，通過主節(jié)點(diǎn)啟動其他所有節(jié)點(diǎn)，從而開啟所有節(jié)點(diǎn)的視景仿真程序。具體工作原理如圖3所示。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)通信模塊完成配置之后，就可以將所有信息轉(zhuǎn)化為文件形式進(jìn)行存儲，在下一次對節(jié)點(diǎn)通信模塊進(jìn)行使用時，不需要再配置，而是直接通過存儲的文件完成節(jié)點(diǎn)的初始化[5]。在配置文件中，除了包含不同節(jié)點(diǎn)的信息以外，還包含IP地址、位置等信息。此外，在虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主節(jié)點(diǎn)會不斷地向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，同時要接收用戶發(fā)來的操作指令，但是系統(tǒng)本身又要求不能夠消耗過多的資源，以免影響用戶操作。因此，在虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，不能夠采用單線程模式，而應(yīng)該通過多線程模式保障系統(tǒng)能夠支撐多任務(wù)同時進(jìn)行。同時，在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該設(shè)計(jì)兩個程序，其中前臺程序負(fù)責(zé)接收用戶發(fā)來的指令，后臺程序負(fù)責(zé)主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。

在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間通信方式設(shè)計(jì)方面，主要設(shè)計(jì)了兩種通信方式：一種是通過主節(jié)點(diǎn)對從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，同時接收從節(jié)點(diǎn)返回信息的點(diǎn)對點(diǎn)方式;另一種是通過主節(jié)點(diǎn)向所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的一點(diǎn)對多點(diǎn)方式，該方式可以通過多通道通信及廣播通信實(shí)現(xiàn)。

2.4.2 投影拼接模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該模塊是虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)的核心，其主要是對幾何失真、圖像色彩失真及投影區(qū)邊緣融合等方面進(jìn)行校正，以此促使最終展示效果能夠更好地將信息傳遞給用戶。在本系統(tǒng)中，投影拼接模塊主要是通過軟件方式實(shí)現(xiàn)。同時，在該模塊中設(shè)置6臺投影設(shè)備，以3臺為1組 [6]。在進(jìn)行平面投影時，啟動其中的一組投影設(shè)備進(jìn)行工作，在進(jìn)行立體投影時則是兩組同時工作，以此實(shí)現(xiàn)立體投影。投影模塊設(shè)計(jì)的具體步驟如下。

第一，匹配多通道任務(wù)參數(shù)。在融合表中，如果存在需要融合的任務(wù)，就需要輸入該融合任務(wù)的參數(shù)。如果在融合表中存在一個以上的融合任務(wù)，就需要遵循最近原則，將最后一個任務(wù)作為起點(diǎn)，按照融合表中的次序進(jìn)行匹配。如果在匹配過程中某任務(wù)匹配成功，就需要對該任務(wù)是否實(shí)現(xiàn)融合進(jìn)行檢查，如果融合成功，就需要將該任務(wù)放置到任務(wù)列表中，在程序處理完成之后，將任務(wù)從列表中刪除;如果沒有融合成功，就需要返回操作系統(tǒng)中。如果匹配不成功，就需要將它交給事件判斷程序進(jìn)行處理。第二，動作輸入。事件判斷程序會將所輸入的事件和動作輸入進(jìn)行匹配。如果匹配成功，就會將該任務(wù)加入融合表中，并且以融合表中的事件排列情況和次序從最后向前進(jìn)行輸入匹配。在此過程中，如果某任務(wù)和某事件的參數(shù)輸入成功匹配，就對該任務(wù)是否融合成功進(jìn)行檢查。如果融合成功，就將該任務(wù)放置到任務(wù)列表中，交由應(yīng)用程序進(jìn)行處理，同時將該任務(wù)從列表中刪除。如果沒有融合成功，則對下一個事件進(jìn)行匹配，最終到所有事件全部匹配完成為止。第三，任務(wù)輸入。如果在輸入過程中，所輸入的不是多通道任務(wù)輸入或者參數(shù)輸入，此時就將該任務(wù)放置到任務(wù)列表中，交由應(yīng)用程序進(jìn)行處理。第四，超時。在融合表中如果在長時間內(nèi)任務(wù)沒有實(shí)現(xiàn)融合，出現(xiàn)超時，此時就將任務(wù)從融合表中刪除。第五，匹配。在參數(shù)匹配過程中，考慮到輸入語音本身具有多義性，因此應(yīng)該將輸入先交由應(yīng)用程序進(jìn)行處理，在應(yīng)用程序?qū)斎胝Z義進(jìn)行解釋之后，再返回任務(wù)列表中進(jìn)行匹配。

在本虛擬機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)中，設(shè)置有6臺投影設(shè)備，其中3臺主要提供圖像的顯示輸入，另外3臺則是配合覆蓋顯示的矩形區(qū)域，保障投影圖像之間存在有一定重疊，以便后期進(jìn)行融合 [7]。在本系統(tǒng)中，服務(wù)器的主節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)中獲取相關(guān)投影信息，同時運(yùn)行校正程序，通過計(jì)算得出每一臺投影設(shè)備本身的校正信息，在對校正信息處理完成之后，將這些信息傳輸?shù)斤@示節(jié)點(diǎn)中，保障最終所投影的圖形更加清晰。在設(shè)計(jì)過程中，為了能夠讓后期校正更加便捷，設(shè)計(jì)了校正網(wǎng)絡(luò)，通過服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中的設(shè)置程序進(jìn)行幾何校正，促使投影的場景實(shí)現(xiàn)正確拼接。

在本系統(tǒng)中主要采用CRT投影儀。該投影儀本身色彩較為豐富，有著更好的還原性，同時具備強(qiáng)大的幾何失真調(diào)控功能。在實(shí)際投影中，往往會出現(xiàn)因?yàn)橥队皟x之間色彩差異或者投影儀型號不同出現(xiàn)圖像色彩不一致的現(xiàn)象，影響最終的視覺傳達(dá)效果。因此，在本系統(tǒng)中使用了相同型號投影設(shè)備對該問題進(jìn)行優(yōu)化處理。此外，在邊緣縫合方面，本系統(tǒng)主要使用全屏多極灰度追蹤方法進(jìn)行處理。在實(shí)際拼接中存在重疊，重疊部分的亮度相較于未重疊部分更高，十分引人注目，因此在操作過程中需要對重疊部分進(jìn)行亮度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)投影之間的無縫連接。通常情況下，主要是使用羽化技術(shù)進(jìn)行處理，即通過對投影設(shè)備設(shè)置羽化度進(jìn)行調(diào)整，如果在進(jìn)行優(yōu)化的過程中，重疊區(qū)的亮度沒有達(dá)到整個系統(tǒng)的要求，則可以通過對色彩的調(diào)整，促使投影效果達(dá)到系統(tǒng)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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