基于虛擬仿真技術的鐵道車輛制動供風系統研發

萬凱華 陳強

摘 要：車輛制動裝置檢修是鐵道車輛專業學生的必修課，然而傳統課堂講解的過于抽象，學生無法真正理解其中的含義，該系統以虛擬仿真技術為支撐探索創建線上教學系統，可以讓學生可以通過顏色變化掌握車輛正常運行、制動、保壓、緊急工作狀態下各個模塊內空氣壓力變化，通過系統平臺讓學生可以真正掌握車輛不同工作狀態下的車輛制動供風工作原理。

關鍵詞：制動裝置;虛擬仿真;系統研發

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

0 引言

根據國務院印發《國家職業教育改革實施方案》中提到的推動校企全面加強深度合作，打造一批高水平實訓基地的指導方針，本著提高學生實踐能力，培養學生實際動手能力的目的。通過建立三維立體虛擬環境，將在現實中肉眼看不到的細節以虛擬環境中“視”不可擋的第一視角，來觀察學習實際中的各種原理，大大提高了學生對實踐的興致，提高學生對各種制動供風原理的認識和檢修方法，使理論知識真正結合到實踐中。

1 背景

虛擬仿真技術是一種由計算機和電子技術創造的新技術，可以模擬是一個真實的環境，基于多種傳感設備及三維模型，用戶可根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察和操作，參與其中的事件，同時提供視、聽、觸等直觀而自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環境。虛擬仿真是近幾年十分活躍的技術研究領域，是集傳感與測量、仿真技術等一體的人機交互技術，因此它一直是對全新可視化技術需求最為迫切的領域之一，它可以將建筑中的概念及想法通過計算機構造的三維的、逼真的“虛擬環境”真實的表現出來，以全方位的獲取環境所蘊含的各種空間信息，以及向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，并可在虛擬環境中隨意走動，感受帶來的體驗和撞擊，使用戶有強烈的沉浸感。

本研究項目是在動車組檢修基地（10號樓）VR實訓場地基礎上，通過利用現有的硬件條件結合自身的專業基礎知識，以三維動畫及虛擬仿真技術，將鐵道車輛制動供風原理以一種更加真實的環境呈現在學生的腦海中，用來解決學生“興致”問題。將在現實中肉眼看不到的細節以虛擬環境中“視”不可擋的第一視角，來觀察學習實際中的各種原理，提高學生對各種制動供風原理的認識和檢修方法，使理論知識真正結合到實踐中。

2 系統整體設計與開發

本系統是基于3D MAX與UE4/Unity3D進行鐵道車輛制動供風系統研發。

模型建立整體步驟：（1）三維模型的建立：按比例繪制制動供風各模塊的模型。（2）物理屬性的添加：賦予各模塊的材質等。（3）外界環境的渲染：車輛工作環境與條件等。（4）貼圖處理與后期動畫演示：車輛制動供風風原理等。

2.1 三維模型建立

將CAD的DWG工程圖紙繪制的二維圖形，導入進3DMAX中，然后通過擠出，焊接，倒角等命令，實現二維到三維的轉變。制作模型的時候注意以下幾個方面：（1）模型面盡量是等邊三角形。（2）保持模型面與面之間的距離，不要貼合太近，以免出現閃面的現象。（3）地面和互相遮擋看不見的面一定要刪掉。（4）制作過程中，要時刻開啟點捕捉，注意二維捕捉和三維捕捉之間的變換，以確保線與線、點與點的無縫銜接;另外盡量用現有的線條來生成制作，避免重描線時捕捉偏差。防止漏縫現象的出現。（5）模型制作完成時群組，XYZ坐標歸零，如果有真實坐標，可以偏移至真實位置。（6）在穿黃工程中的管道模型中，采取使用激光掃描的方式，獲取現場采集的高精度管道三維點云數據，具有速度快、精度高等特點。輸出格式直接與CAD等工具軟件接口，導入3DMAX生成隧洞截面圖，并進行擠出，生成管道模型。

2.2 材質貼圖處理

三維模型建好后，鼠標左鍵選擇菜單渲染，材質編輯器，在打開的材質編輯器窗口上，選擇一個材質球體后，單擊漫反射。在彈出的漫反射窗口上，鼠標左鍵單擊位圖。在圖片選擇文件窗口上，選擇一個材質的圖片，這里以金屬圖片為例。金屬材質就賦在材質球體了，鼠標左鍵單擊貼圖按鈕，這樣就可把金屬材質貼在三維模型上了。緊接著選中一個新材質球，類型選擇VRayMlt。得到一個VRay材質球后，點擊漫反射旁邊的小方框，找到并點擊位圖，彈出選擇位圖對話框，選擇我們要貼的圖片，點擊打開。點將材質指定給選定對象，點視口顯示查看效果。點擊修改UVW貼圖，按圖示參數設置好，此時模型貼圖便已完成。

貼圖是表現物體材質表面紋理，對于虛擬仿真展示尤為關鍵，利用貼圖可以不用增加模型的復雜程度就可突出表現對象細節，并且可以創建反射，折射，凹凸，鏤空等多種效果。比基本材質更精細更真實。通過貼圖可以增加模型的質感，完善模型的造型，使虛擬仿真場景更接近現實。同時在不影響模型外觀的前提下，盡可能小。

通常紋理要到現場，用相機進行拍攝采集，對照片進行PS處理，糾正為正射影像。而有的模型的面比較復雜，所以要求控制很少面但要做出逼真的效果，這就要在貼圖材質上下工夫。

在制作一個局部時，這就要考慮到所用的材質在一張貼圖上，并進行分配。比如在處理房頂材質時，切換到3DMAX的頂視圖把房頂的平面抓下來，在PHOTOSHOP中進行裁剪，把要處理好的照片或者材質，填充到每個視角。把材質賦予上物體后，使用UV貼圖及UV展開的功能，需要面進行勾選。

2.3 渲染設置

在快速渲染3dmax效果圖之前，我們首先要進行幀緩沖區和全局設置，先是圖大小的尺寸設置， 然后對3dmax的反鋸齒和GI進行設置，來加快我們3dmax渲染效果圖的速度，在此反鋸齒的抗鋸齒過濾器用的是“四方形”。設置3dmax發光貼圖，這里我用了預設中的“中”，再加一點模型細分。 然后調整燈光緩沖的設置來進行3dmax效果圖的快速渲染，這里細分值我給了500，當然數值越高圖的質量越好。最后我們調整一下rqmc采樣面板設置，再直接渲染3dmax效果圖。

2.4 蒙皮及后調縮放

選中對應的模型，編輯修改器中添加蒙皮，添加對應骨骼，更改封套范圍進行權重設置;在封套屬性中設置封套長期顯示。先用Box測量身高算出比例;創建一個新的層，在新層中點擊蒙皮實用工具中的將蒙皮數據提取到網格;創建一個虛擬體，將要縮放的模型鏈接到虛擬體上，然后可以整體縮放住模型和配件。Biped模型可以單獨調整高度縮放，為縮放后的模型創建蒙皮，并重新綁骨。在場景中選中縮放過的模型和數據模型，點擊從網格導入到蒙皮數據，點擊按名稱匹配，點擊確定。

2.5 動作操作

通過向對面鏡像粘貼實現鏡像復制，然后通過IK添加父層關系;將屬性中的位置空間和旋轉空間改為世界;使用層功能，進行疊加。如果需要限定范圍修改，則應借助捕捉功能，抓取下面層的信息進行鎖幀;在混合器中加入動作軌，載入動畫片段。利用Biped運動流創建多個剪輯，定義腳本;在多個對象中播放運動流，創建共享該運動流的所有Biped的運動。

2.6 模型導入UE

首先更改3DMAX中的單位設置與坐標系設置，同時對模型進行基本操作，比如材質球貼圖命名不能有中文，模型需要xform不能帶縮放信息。其次3DMAX導出設置，尤其需要設置Z軸朝上（需要和模型的軸向對應，如果模型Y軸朝上這里導出就需要選擇Y周朝上）。最后是FBX導入UE的設置。

3 UE界面制作

首先，在ContentBrowser里右鍵選擇生成一個WidgetBlueprint，打開WidgetBlueprint，根據需求選用Image、Text、Progress Bar等等組件設計你的UI畫面。UI畫面排版好之后，可以按需求設計曲線和幀動畫，然后可以選定一個組件，在Details窗口里凡是有Bind的項都可以點開Bind選項編寫邏輯，可以根據需要設計編寫，然后在Graph頁面統一處理UI信息。注意，如果主角或者其他藍圖類需要調用到UI組件或者UI組件里的變量，則需要將組件的Is Variable項勾上，就在Details窗口第一行組件名后面。WidgetBlueprint做好后，選擇動態相機添加上UI，先用Create UI Widget生成一個UI組件，然后用Add to Viewport將UI添加到主角的視野里，如果需要隱藏UI，可以直接用Remove from Parent拉出來，等需要顯示的時候再直接用 Add to Viewport添加上去。注意，避免重復用Create UI Widget生成組件，以免占用大量內存，生成后可以用Add to Viewport和Remove from Parent控制UI的顯示和隱藏。

4 結論

學生將理論知識應用到實際操作中，該系統以虛擬仿真技術為支撐探索創建線上實訓教學系統，在進行實地實驗課程之前首先在線上對制動供風原理進行預習認識和學習，以三維立體模型的展示加深學生對原理的認知和實操方法的實施，使理論知識更好的對接到實際操作中。

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