婁 燕1, 2，羅 烽1, 2，佘愛庸1，胡 琳1, 2

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采用Eonstudio技術(shù)建立虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)的研究

婁 燕，羅 烽，佘愛庸，胡 琳

（1. 深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳518060；2. 深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室，廣東深圳518060）

利用Eonstudio技術(shù)創(chuàng)建虛擬人機(jī)交互仿真機(jī)，可以避免昂貴設(shè)備的損害，節(jié)約成本，也可用于昂貴設(shè)備的培訓(xùn)系統(tǒng)中。針對該技術(shù)實施中真實模型建立和動態(tài)仿真交互技術(shù)難點，首先利用紋理坐標(biāo)展開和烘焙技術(shù)建立真實感加強(qiáng)的虛擬三坐標(biāo)設(shè)備模型，然后采用Eonstudio技術(shù)實現(xiàn)三坐標(biāo)測量機(jī)的人機(jī)交互操作，最后利用流套接字編程模型實現(xiàn)兩臺計算機(jī)的信息通訊，完成虛擬三坐標(biāo)測量設(shè)備的建立。在開發(fā)的一個初步原型系統(tǒng)中，證明了此方法的適用性和有效性。

計算機(jī)應(yīng)用；虛擬現(xiàn)實；Eonstudio技術(shù)；三坐標(biāo)測量機(jī)

虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。它是人們借助于計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)等仿造和創(chuàng)造虛擬現(xiàn)實空間的人工媒體技術(shù)，它是虛擬的，但又是真實的，通過多媒體傳感交互設(shè)備使人進(jìn)入真實的環(huán)境，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到人機(jī)交互仿真設(shè)備中，可以極大地降低設(shè)備成本，較好地開展科研和訓(xùn)練工作。因此，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的大型昂貴設(shè)備的人機(jī)仿真模擬器，近年來成為了一個重要的研究領(lǐng)域。

目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一般采用基于VRML-JAVA技術(shù)，如浙江理工大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)虛擬裝配系統(tǒng)，由于VRML語言功能較弱，必須利用其EAI接口與JAVAApple相連，控制場景的裝配過程，但它需要大量的編程，對于沒有編程經(jīng)驗的人員來說，無疑是一個挑戰(zhàn)。并且VRML自身不帶有物體之間的碰撞節(jié)點，必須由開發(fā)人員編寫。另外一種虛擬現(xiàn)實方法是基于JAVA3D技術(shù)，它綜合了VRML和JAVA等語言的優(yōu)點，是Java語言在三維領(lǐng)域的延伸，是一個高層的基于圖形的應(yīng)用程序接口，并且自帶碰撞節(jié)點，但是它的圖形界面不易掌握，應(yīng)用不廣泛。Eonstudio是一個基于Web3d技術(shù)，用來研發(fā)和制作交互式3D多媒體應(yīng)用程序的全新可視化軟件工具，是一個完全基于GUI的設(shè)計工具。利用Eonstudio，開發(fā)人員不需要很多的編程經(jīng)驗，就能快捷方便的制作出復(fù)雜、高品質(zhì)的三維互動模擬程序。目前主要應(yīng)用于市場、培訓(xùn)、科研、軍事等多個領(lǐng)域。

三坐標(biāo)測量機(jī)是一種精密測量設(shè)備，是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效方法之一，因為它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī)，并把復(fù)雜的測量任務(wù)所需時間從小時減到分鐘，并快速準(zhǔn)確地評價尺寸數(shù)據(jù)，為操作者提供關(guān)于生產(chǎn)過程狀況的有用信息。三坐標(biāo)測量機(jī)價格昂貴，一般在百萬元以上，并且測量探頭極易損壞，所以實際使用成本非常高。

因此研究建立基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，不僅可以大大降低成本和使用成本，保護(hù)測量探頭，還可以與真實設(shè)備性能相媲美，具有重要的工程實踐意義。

本文基于Eonstudio技術(shù)，開發(fā)虛擬三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，包括虛擬三坐標(biāo)測量設(shè)備環(huán)境的建立，被測零件碰撞檢測的建立，空間坐標(biāo)識別的建立，形位誤差的計算等。

1 Eonstudio開發(fā)環(huán)境介紹

Eonstudio是目前全世界公認(rèn)整合性、延展性最好的虛擬現(xiàn)實開發(fā)展示系統(tǒng)，它可以讀取55種CAD格式，如3DMAX、Lightava、SOLIDWORKS、PRO/E、AUTOCAD等，支持90%以上的外設(shè)而無需編程。

Eonstudio具有300多種功能節(jié)點和原型模塊，可以產(chǎn)生簡單或復(fù)雜的形體，也可以調(diào)用外部的三維形體，使形體具有顏色、透明效果、材質(zhì)、貼圖；在三維環(huán)境中生成燈光、改變燈光、移動燈光；產(chǎn)生各種邏輯判斷行為，如移動、旋轉(zhuǎn)、關(guān)聯(lián)、碰撞行為等；改變相機(jī)視角，生成多個瀏覽窗口；通過鼠標(biāo)拖動方式，無需編寫程序，可以方便地給模型加上行為；通過script, C++, EON SDK等與Eonstudio一起使用，可編寫復(fù)雜的行為程序，進(jìn)行科研開發(fā)。

Eonstudio的應(yīng)用程序能夠以多種方式支持發(fā)布，如虛擬顯示系統(tǒng)、Internet、CD-ROM、投影顯示系統(tǒng)等。如Eonstudio為網(wǎng)頁發(fā)布提供簡易的計算機(jī)圖形操作接口，使用者可由網(wǎng)頁發(fā)布精靈中簡易的程序輕易將互動性高的EON檔案發(fā)布成網(wǎng)頁。

在Eonstudio的主題視窗包含了幾個子視窗。最重要的三個視窗分別為元件視窗(Components Window)，包含許多不同功能的nodes以及prototype供用戶編輯與應(yīng)用；模擬環(huán)境的元件樹狀架構(gòu)(Simulation Tree)以及操控行為定義視窗(Routes Window)。

Eonstudio的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用場景圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SimulationTree。它具有方向的不對稱性，類似于一棵大樹。場景圖根節(jié)點是Sence節(jié)點，下面有許多子節(jié)點，如Frame節(jié)點、Camera節(jié)點等等，子節(jié)點下又有許多小子節(jié)點，這樣一層一層下去，構(gòu)成完整的虛擬環(huán)境和行為控制。每一個節(jié)點都對應(yīng)的屬性框Property Bar，可以對節(jié)點參數(shù)進(jìn)行修改。另外還有一個操控行為路線欄，Routes，用來控制行為的邏輯性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

建立三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)備，不僅可對零件進(jìn)行三坐標(biāo)測量，也可讓初學(xué)者掌握三坐標(biāo)測量機(jī)的操作，避免三坐標(biāo)測量探頭損壞。虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)的總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 虛擬三坐標(biāo)測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

2.1 建模與渲染

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，三維實體是組成虛擬場景的關(guān)鍵，所以三維物體的創(chuàng)建必不可少。一般三維物體都是通過其它3D軟件建立的，然后導(dǎo)入Eonstudio系統(tǒng)中，如ProE、SOLIDWORKS等。本文應(yīng)用SOLIDWORKS軟件，按實際尺寸，反求建立三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)備。圖2為真實三坐標(biāo)測量系統(tǒng)平臺。

此外，渲染的好壞直接影響虛擬三坐標(biāo)機(jī)的視覺真實性，本文采用UVW坐標(biāo)展開和烘焙技術(shù)，讓貼圖自帶燈光效果，加強(qiáng)虛擬三坐標(biāo)機(jī)的真實自然感。方法如下：首先利用Pelt貼圖方法，實現(xiàn)對UV坐標(biāo)縫隙的展開控制。通過延伸UVW坐標(biāo)，制作出平展而統(tǒng)一的貼圖，從而為設(shè)計好的對象制作紋理。通過將UV坐標(biāo)精確地匹配到目標(biāo)幾何對象上，可以放松UV坐標(biāo)并刪除扭曲。然后利用烘焙技術(shù)進(jìn)行渲染，此時貼圖自動帶有燈光，有利虛擬物體快速運動。渲染后的虛擬三坐標(biāo)機(jī)如圖3所示。

圖2 三坐標(biāo)測量系統(tǒng)操作臺平臺

圖3 渲染后的虛擬三坐標(biāo)機(jī)3D模型

2.2 動態(tài)交互仿真

將貼圖與虛擬三坐標(biāo)機(jī)3D模型放在一個文件夾下，然后將渲染后的三坐標(biāo)機(jī)動態(tài)導(dǎo)入Eonstudio中。采用Eonstuido本身的相機(jī)Camera，這樣可以利用原型模塊ObjectNav添加到場景根節(jié)點Sence節(jié)點下，對三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，以最佳角度位置進(jìn)行測量，如圖4所示。

圖4 虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)任意視角調(diào)整

2.2.1 虛擬操作

設(shè)置鍵盤控制三坐標(biāo)機(jī)測量探頭的移動，然后將操縱桿的按鈕分別設(shè)置成對應(yīng)的鍵盤字母，即可通過操縱桿控制測量探頭的移動。利用EON中漫游節(jié)點WalkAbout實現(xiàn)此功能。首先在Resource節(jié)點下添加3個WalkAbout節(jié)點，分別控制測量探針組（包括探針、探針座、橫梁）的上下、左右、前后移動。節(jié)點屬性設(shè)置如圖5所示。測量探針控制關(guān)系如圖6所示。

圖5 WalkAbout節(jié)點及其屬性

圖6 測量探針組的控制關(guān)系圖

2.2.2 碰撞節(jié)點

采用EON中自帶的碰撞節(jié)點CollisionManager管理測量探針的碰撞。首先分別在場景節(jié)點Sence節(jié)點下和需要碰撞的節(jié)點，如探針節(jié)點下，加入CollisionManager節(jié)點，如圖7所示。碰撞包圍框幾何形狀有四種：球形、盒形、外殼和自然形狀。包圍框形狀越復(fù)雜，碰撞檢測所需時間越長，實時性越不好，但檢測精度越高。因此，只將探針和被測零件設(shè)置為自然形狀包圍盒，而其余部分由于不是工作面，所以不設(shè)置碰撞檢測功能。并且如果探針碰上物體，就會發(fā)生破碎，如圖8所示。

圖7 CollisionManager碰撞節(jié)點

圖8 測量探針包圍框（綠色）及碰撞后破碎

2.2.3 坐標(biāo)點傳遞

當(dāng)測量探針測量到所需的三維坐標(biāo)點以后，然后將坐標(biāo)信息傳遞到后臺計算機(jī)，根據(jù)最小包容區(qū)原理，進(jìn)行坐標(biāo)點的精度計算。

兩臺計算機(jī)的通訊程序主要分為兩大部分：服務(wù)器端程序及客戶端程序，運行時由服務(wù)器端程序(server)獲取虛擬測量探頭相應(yīng)的信息，并傳遞給客戶端(client)，由客戶端給出精度計算結(jié)果。程序server端及client端之間的通信采用基于連接的客戶端/服務(wù)器模型即流套接字編程模型實現(xiàn)，其流程圖如圖9所示。

2.2.4 被測零件實體造型

被測零件的實體造型，由于考慮零件的制造誤差，因此選用掃描儀對零件進(jìn)行三維掃描，掃描圖如圖10所示。然后將其切片成.stl格式，動態(tài)輸入到虛擬三坐標(biāo)機(jī)工作平臺上。

2.3 測量精度分析

由于被測零件掃描所用的掃描儀精度為50μm，虛擬探針測量碰撞節(jié)點精度受到光學(xué)鼠標(biāo)精度影響，為30μm。因此，虛擬三坐標(biāo)機(jī)的測量誤差為80μm，基本上達(dá)到一般零件測量的要求，但對于精度要求高的零件，還不能滿足。

圖9 分布式計算機(jī)通訊的流程圖

(a) 掃描點云圖

(b) 修補后的實體圖

圖10 被測零件3D掃描圖

3 一個初步的原型系統(tǒng)

應(yīng)用Eonstudio開發(fā)出的虛擬環(huán)境創(chuàng)建工具在實際中有很大的應(yīng)用價值，它可以很方便地建立起虛擬仿真系統(tǒng)，節(jié)省設(shè)計時間。

首先將建立好的三坐標(biāo)機(jī)三維模型輸入到場景Scene節(jié)點樹下，然后將被測零件點云圖以.stl動態(tài)輸入到Scene節(jié)點樹下，并調(diào)整被測零件的位置，使其放在三坐標(biāo)機(jī)的大理石平臺上。

然后在Resource節(jié)點下添加三個WalkAbout節(jié)點，并在其子節(jié)點toMove下添加需要控制的物體節(jié)點，利用鍵盤分別控制測量探針、探針座和橫梁的移動，然后鏈接到操縱桿上。此時就完成用操縱桿控制虛擬探針的移動了，如圖11所示。

圖11 三坐標(biāo)測量VR系統(tǒng)工作臺雛形

然后給虛擬探針和被測物體節(jié)點下添加碰撞節(jié)點，選用自然物體包圍框。根據(jù)探針與被測物體碰撞時的空間三坐標(biāo)，將它傳遞到后臺計算機(jī)中進(jìn)行精度計算。

例如，取被測零件某一平面與虛擬探針碰撞時的9個點的坐標(biāo)，根據(jù)相對坐標(biāo)點和最小包容區(qū)原理，計算出該平面的平面度。與實際物體平面度相比，誤差為±42μm。主要是由于碰撞包圍框、掃描誤差、物體空間位置誤差累積造成的。

4 結(jié) 論

研究利用EON技術(shù)構(gòu)建虛擬三坐標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中具有很重要的意義，它可以避免昂貴設(shè)備的損害，節(jié)約成本，并可以用在昂貴設(shè)備的培訓(xùn)系統(tǒng)中。本文采用EON技術(shù)對虛擬系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了簡單的嘗試和探索，開發(fā)了一個具有初步功能的虛擬三坐標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，但是這項工作還只是一個初步嘗試，測量誤差還較大，對于如何提高精度，還需進(jìn)一步研究探索。

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Study on Building Virtual Three-coordinate Measuring Machine Based on Eonstuido Technology

LOU Yan, LUO Feng, SHE Ai-yong, HU Lin

( 1. College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen Guangdong 518060, China; 2. Shenzhen Key Laboratory of Advanced Mould Manufacturing Technology, Shenzhen Guangdong 518060, China )

Eonstudio is a most perfect virtual reality language. By using Eonstudio technology, the virtual human-computer interaction machine is built to avoid the damage of expensive equipments and reduce cost, which can also be applied to the training system of expensive equipments. The key technologies are real model construction and dynamic simulation interaction. Firstly the technology of map unwrapping and rendering to textures are used to build more real virtual three-coordinate measuring machine. Then the Eonstudio technology is developed to realize the human-computer simulation interaction. Finally the model of windows sockets are selected to realize the information communication between the two computers. Thus the virtual three-coordinate measuring machine is built. A prototype system is implemented to testify its applicability and validity.

computer application; virtual reality; Eonstudio technology; three-coordinate measuring machine

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0076-07

2009-06-02

深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目（200902）；深圳大學(xué)2008年實驗室基金資助項目

婁 燕（1971-），女，湖南瀏陽人，副教授，博士，主要研究方向為虛擬現(xiàn)實、精度設(shè)計。