肖元秀，劉 景，黃淑榮

(河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州 213022)

1 引言

產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用，該技術(shù)把具有高度真實(shí)感的產(chǎn)品數(shù)字化模型，結(jié)合聲音、文字、圖像，并采用自動(dòng)或交互方式，全方位地展示產(chǎn)品性能、工作原理和使用方法等。在桌面式虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)大型產(chǎn)品的虛擬展示，不但可以避免沉浸式大型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境所需要的高昂設(shè)備投入，而且方便企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品展示與宣傳環(huán)境的快速搭建。但是，隨著產(chǎn)品數(shù)字化建模精度越來(lái)越高，模型的數(shù)據(jù)量急劇增加，這給模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、載入和實(shí)時(shí)顯示帶來(lái)極大困難［1］。

目前，對(duì)桌面虛擬環(huán)境中模型數(shù)據(jù)管理和優(yōu)化調(diào)度的研究，主要集中在三維地形和數(shù)字化城市領(lǐng)域。曹晶等提出利用Terra Vista強(qiáng)大的地形建模能力［2］，快速、高效生成最優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型數(shù)據(jù)的高效管理及大范圍城市三維系統(tǒng)的流暢漫游。Fu Zhongliang［3］和 Dang Zhou［4］等基于 ROAM 算法，利用LOD和可見(jiàn)性剔除等優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合緩存管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三維地形場(chǎng)景漫游的展示。Wang Yingjie［5］等針對(duì)三維城市模型的特征，提出了一種基于Cell－Portal結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理和調(diào)度優(yōu)化方法，提高了模型的繪制效率。而針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜機(jī)械模型虛擬展示領(lǐng)域的研究并不多見(jiàn)。因此研究并設(shè)計(jì)了一種模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、動(dòng)態(tài)調(diào)度以及顯示優(yōu)化方案，充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的實(shí)時(shí)繪制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率。

2 模型數(shù)據(jù)管理方案

圖1 總體框架設(shè)計(jì)圖

為了在桌面虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)大型產(chǎn)品的虛擬展示，研究設(shè)計(jì)了虛擬裝配與展示系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)主要由模型預(yù)處理、Pro/E二次開(kāi)發(fā)、虛擬裝配路徑生成、場(chǎng)景組織與調(diào)度、場(chǎng)景渲染與繪制等功能模塊構(gòu)成。基于該架構(gòu)設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)管理方案如下:

(1)模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

虛擬裝配與展示系統(tǒng)中，合理有效的數(shù)據(jù)組織管理是內(nèi)存調(diào)度、場(chǎng)景管理與顯示優(yōu)化、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的前提。由于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、最低冗余度、較高的程序與數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)等優(yōu)點(diǎn)，因此采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Access 2007設(shè)計(jì)并建立場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

(2)場(chǎng)景管理與內(nèi)存調(diào)度

結(jié)合OSG(OpenSceneGraph)場(chǎng)景管理機(jī)制，采用層次化的場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)組織場(chǎng)景數(shù)據(jù)。使用基于NUR算法的內(nèi)存管理策略，對(duì)展示系統(tǒng)中的場(chǎng)景模型對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存管理，并結(jié)合模型調(diào)度技術(shù)，以最大限度地利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(3)模型簡(jiǎn)化與場(chǎng)景顯示優(yōu)化

在模型預(yù)處理階段，采用幾何細(xì)節(jié)抑制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型圓角特征的抑制，減少內(nèi)存空間的使用。在場(chǎng)景繪制顯示過(guò)程中，綜合使用視錐體裁剪、背面剔除及幾何體數(shù)據(jù)合并等技術(shù)來(lái)減少最終送往繪制管線的可繪制體數(shù)目和三角面片數(shù)，加快顯示速度，提高展示幀率。

3 模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理

產(chǎn)品的CAD模型主要由Pro/E軟件設(shè)計(jì)而成，根據(jù)Pro/E提供的模型轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行模型預(yù)處理操作，實(shí)現(xiàn)CAD模型向三角面片模型的轉(zhuǎn)換。之后對(duì)Pro/E系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)獲取模型裝配信息，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。虛擬裝配與展示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)還包括零件幾何模型、零件裝配過(guò)程路徑信息、裝配序列規(guī)劃信息、場(chǎng)景管理信息等。

采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Access 2007中的表結(jié)構(gòu)依次建立6個(gè)數(shù)據(jù)表:零件模型信息表、場(chǎng)景信息表、司機(jī)室信息表、車體信息表、冷卻室信息表和轉(zhuǎn)向架信息表。表中主要存儲(chǔ)各模型或場(chǎng)景的ID號(hào)、文件名稱、幾何模型信息、模型裝配信息、路徑信息和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)文件目錄等數(shù)據(jù)，并將ID號(hào)作為主鍵建立6個(gè)信息表之間的聯(lián)系，為后期的組織調(diào)度實(shí)現(xiàn)做好準(zhǔn)備工作。

4 場(chǎng)景管理與內(nèi)存調(diào)度

4.1 場(chǎng)景圖管理與設(shè)計(jì)

OSG場(chǎng)景圖采用一種自頂向下、分層的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)來(lái)組織空間數(shù)據(jù)集，以提高渲染效率，并采用包圍體［6］層次結(jié)構(gòu)組織場(chǎng)景對(duì)象，管理復(fù)雜場(chǎng)景的物體。一棵場(chǎng)景樹(shù)的頂部是根節(jié)點(diǎn)，從根節(jié)點(diǎn)向下延伸，各個(gè)組節(jié)點(diǎn)中均包含了幾何信息和場(chǎng)景渲染信息;另外還包括多種功能節(jié)點(diǎn)，以執(zhí)行各種不同的功能。如開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)可設(shè)置其子節(jié)點(diǎn)可用或不可用，細(xì)節(jié)層次(LOD)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)觀察者的距離調(diào)用不同的子節(jié)點(diǎn)。如圖2所示為場(chǎng)景的部分節(jié)點(diǎn)樹(shù)結(jié)構(gòu)。

圖2 部分節(jié)點(diǎn)樹(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)展示系統(tǒng)的需求及模型間裝配層次關(guān)系，結(jié)合OSG場(chǎng)景管理機(jī)制，分別設(shè)計(jì)了場(chǎng)景的邏輯視圖、渲染樹(shù)視圖和實(shí)體類視圖。首先根據(jù)需求分析，明確展示場(chǎng)景中需要包含哪些實(shí)體單元以及與其他實(shí)體對(duì)象間的邏輯關(guān)系;然后利用OSG場(chǎng)景圖節(jié)點(diǎn)機(jī)制，選擇需要的功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建各實(shí)體單元的渲染樹(shù)視圖;最后將與三維渲染無(wú)關(guān)的靜態(tài)實(shí)體對(duì)象封裝成實(shí)體類視圖。

4.2 內(nèi)存動(dòng)態(tài)調(diào)度

借助NUR管理內(nèi)存的算法思想，對(duì)展示系統(tǒng)中的場(chǎng)景模型對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存管理。內(nèi)存管理策略流程圖如圖3所示，先在內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)節(jié)點(diǎn)列表，同時(shí)設(shè)置最大容納值，表示內(nèi)存中可存儲(chǔ)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目。再對(duì)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)引用位flag，作為是否將該節(jié)點(diǎn)對(duì)象從內(nèi)存中剔除，并替換成下一個(gè)即將被引用節(jié)點(diǎn)對(duì)象的標(biāo)志。若內(nèi)存中加載的節(jié)點(diǎn)對(duì)象數(shù)值超過(guò)了最大容納值，則從內(nèi)存中依次剔除flag=0的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，若沒(méi)有超出容納值，表示繼續(xù)加載模型數(shù)據(jù)。

圖3 內(nèi)存管理策略流程圖

由于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算能力有限，不可能將所有的數(shù)據(jù)事先調(diào)入內(nèi)存，必須根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)景顯示的需要，加載用戶需要看到的模型數(shù)據(jù)，剔除對(duì)顯示繪制沒(méi)有作用的模型數(shù)據(jù)。場(chǎng)景區(qū)域劃分為可見(jiàn)區(qū)域、預(yù)可見(jiàn)區(qū)域和不可見(jiàn)區(qū)域，與之對(duì)應(yīng)的是:可見(jiàn)數(shù)據(jù)、預(yù)可見(jiàn)數(shù)據(jù)和不可見(jiàn)數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)類型采用不同的調(diào)度策略，這里采用滿足透視投影原理［7］的視錐體來(lái)實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

圖4 透視投影視錐體示意圖

圖4中V表示人眼視點(diǎn)，N表示近裁剪平面，F(xiàn)表示遠(yuǎn)裁剪平面，T表示場(chǎng)景區(qū)域，P是視錐體在場(chǎng)景區(qū)域的投影面，通常是一個(gè)梯形。因此可用一個(gè)較規(guī)則的等腰梯形區(qū)域近似表示場(chǎng)景的可見(jiàn)區(qū)域，等腰梯形的面積可根據(jù)視錐體參數(shù)計(jì)算出來(lái)。

場(chǎng)景初始化時(shí)，可見(jiàn)區(qū)域的數(shù)據(jù)首先被調(diào)入。但是，虛擬漫游過(guò)程中可見(jiàn)區(qū)域?qū)?huì)改變，為了避免影響到場(chǎng)景漫游的連貫性和實(shí)時(shí)性，預(yù)可見(jiàn)區(qū)域的判斷、計(jì)算和預(yù)可見(jiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)的調(diào)度成了關(guān)鍵。而用戶視點(diǎn)移動(dòng)的趨勢(shì)是隨機(jī)的，不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)確定了不同的預(yù)可見(jiàn)區(qū)域。因此可將之前的可見(jiàn)區(qū)域范圍擴(kuò)大，盡可能地將視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的各種趨勢(shì)包含在等腰梯形中，并將其作為預(yù)可見(jiàn)區(qū)域部分。預(yù)可見(jiàn)區(qū)域之外的為不可見(jiàn)區(qū)域，對(duì)于當(dāng)前視點(diǎn)看不見(jiàn)的模型不予調(diào)度，直接從內(nèi)存中剔除出去。

以機(jī)車的司機(jī)室場(chǎng)景為例，運(yùn)用該場(chǎng)景管理與調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景漫游的連貫性和實(shí)時(shí)性，效果圖如圖5所示。

圖5 司機(jī)室場(chǎng)景漫游展示效果圖

主要實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)連接并訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的司機(jī)室信息表，根據(jù)場(chǎng)景組織管理方法分別構(gòu)建場(chǎng)景的渲染樹(shù)視圖和實(shí)體類視圖。其中將司機(jī)室信息表中model_file字段作為模型導(dǎo)入的參數(shù)，model_file字段記錄模型文件的存儲(chǔ)位置，可為程序加載外部文件時(shí)提供相對(duì)路徑索引。

(2)結(jié)合構(gòu)建的場(chǎng)景圖，采用內(nèi)存管理方法，為司機(jī)室中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置引用位。此時(shí)的節(jié)點(diǎn)除了包含實(shí)體類中的節(jié)點(diǎn)外，還包括渲染樹(shù)節(jié)點(diǎn)等。申請(qǐng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)列表用來(lái)存儲(chǔ)已經(jīng)加載的模型節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置內(nèi)存中節(jié)點(diǎn)的最大容納數(shù)，這里設(shè)定為200。

(3)判斷當(dāng)前內(nèi)存中引用位為0的節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)從內(nèi)存中剔除，并加載即將可能看見(jiàn)的模型數(shù)據(jù)。用戶視點(diǎn)改變時(shí)，根據(jù)調(diào)度方法對(duì)預(yù)可見(jiàn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷和加載。

5 場(chǎng)景的顯示優(yōu)化

大型產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，對(duì)場(chǎng)景繪制展示的要求比較高，僅僅依靠?jī)?nèi)存管理和調(diào)度策略提高繪制效率還不夠，需要在展示過(guò)程中設(shè)計(jì)一些輔助技術(shù)優(yōu)化場(chǎng)景的顯示效果，提高渲染幀率。采用以下處理方法:

(1)視錐體裁剪

視錐體裁剪技術(shù)是基于包圍體(BVH)層次結(jié)構(gòu)，借助包圍球?qū)σ曞F體與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的求交計(jì)算來(lái)判定視錐體內(nèi)的可見(jiàn)數(shù)據(jù)。圖6為視錐體包圍球示意圖，在以視點(diǎn)V為原點(diǎn)、視點(diǎn)方向?yàn)閆的坐標(biāo)系中，ABCD為視錐體在XZ平面上的投影。視錐體包圍球的中心為O，經(jīng)計(jì)算可得點(diǎn)O、C的坐標(biāo)，進(jìn)而求得包圍球半徑OC的坐標(biāo)。當(dāng)視點(diǎn)和視線方向改變后，需重新確定視錐體的包圍球，計(jì)算其中心點(diǎn)坐標(biāo)和包圍球半徑。

圖6 視錐體包圍球示意圖

具體步驟如下:

Step1:獲取當(dāng)前視錐體的參數(shù);

Step2:分別計(jì)算視錐體包圍球和節(jié)點(diǎn)包圍球的中心和半徑，半徑分別記為R1、R2;

Step3:計(jì)算節(jié)點(diǎn)包圍球中心與視錐體包圍球中心的距離d，若d＜R1+R2，則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)。

以司機(jī)室場(chǎng)景的繪制顯示為例，采用該技術(shù)得到如表1所示的數(shù)據(jù)對(duì)比，其中視點(diǎn)距離大小為:d1＞d2＞d3。通過(guò)表1可以明顯看到，隨著視點(diǎn)瀏覽場(chǎng)景，可繪制體數(shù)目和三角面片數(shù)目跟著減少，幀率也在相應(yīng)地提高，降低了圖形的渲染負(fù)擔(dān)，達(dá)到了優(yōu)化場(chǎng)景顯示的目的。

表1 司機(jī)室裁剪前后數(shù)據(jù)對(duì)比

(2)隱藏面剔除

機(jī)車模型對(duì)象中包含了很多遮擋體，尤其是對(duì)于一些裝配體模型，當(dāng)視點(diǎn)在瀏覽場(chǎng)景時(shí)，通常大約有一半的模型表面是看不到的。因此，在顯示繪制時(shí)采用隱藏面剔除技術(shù)，將那些處于視線背面、與當(dāng)前視點(diǎn)方向相反的模型數(shù)據(jù)剔除掉，不進(jìn)行繪制。如此的話，場(chǎng)景的整個(gè)復(fù)雜度將會(huì)降低最多1/2左右，減少了最終繪制渲染的數(shù)據(jù)量，提高了展示效率。

通過(guò)計(jì)算當(dāng)前視點(diǎn)方向與模型對(duì)象的多邊形面片法向量之間夾角的大小，對(duì)當(dāng)前視點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和剔除。如圖7所示，代表多邊形的法線方向，V→代表視線方向與的夾角為θ，當(dāng)θ大于90度時(shí)，該多邊形面片數(shù)據(jù)不可見(jiàn)，將其剔除;當(dāng)θ小于等于90度時(shí)，表示當(dāng)前模型數(shù)據(jù)可見(jiàn)，需要送往渲染管線進(jìn)行繪制。

圖7 向量間夾角的計(jì)算

(3)幾何體數(shù)據(jù)合并

機(jī)車模型包含的模型數(shù)目比較多，而每個(gè)模型又包含很多零部件，部分零部件包含的三角面片數(shù)高達(dá)100多萬(wàn)。如圖8所示為機(jī)車柴油機(jī)中的一組動(dòng)力組模型，可以看到該模型中包含了多種具有多個(gè)相同網(wǎng)格組件的零件模型。

圖8 柴油機(jī)動(dòng)力組多幾何體特征

針對(duì)這種情況，可將具有相同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的元件模型合并成一個(gè)幾何體對(duì)象。實(shí)時(shí)繪制顯示時(shí)無(wú)需對(duì)具有相同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的部件進(jìn)行再次的重復(fù)繪制，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣變換操作將模型放置到相應(yīng)的位置即可，這樣可大大減少顯示繪制的幾何體數(shù)目，提高繪制速度。

6 結(jié) 束 語(yǔ)

基于桌面式產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)提出了一種適合于大型復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的數(shù)據(jù)管理方法，并以機(jī)車為實(shí)例，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)管理、內(nèi)存調(diào)度和顯示優(yōu)化等方法，結(jié)合多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景的漫游和虛擬裝配展示過(guò)程。結(jié)果表明，對(duì)于具有25，457個(gè)三角面片及326，825個(gè)三角帶的復(fù)雜機(jī)車司機(jī)室場(chǎng)景，能以60左右的幀率進(jìn)行人機(jī)交互漫游控制。驗(yàn)證了所提出的數(shù)據(jù)管理方法的有效性，以及組織調(diào)度優(yōu)化的合理高效性，提高了顯示繪制和人機(jī)交互的效率，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］史建成，劉檢華，寧汝新，等.虛擬裝配系統(tǒng)中的模型數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16(11):2416－2422.

［2］曹晶，邵遠(yuǎn)征，張煜，等.大范圍地形及城市三維快速建模與漫游［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25(4):40－43.

［3］Fu Zhongliang，Zhang Wenyuan.Data Block Partition and Database based Large Scale Terrain 3D Visualization［C］.Computational Intelligence and Software Engineering，2009.CiSE 2009.International Conference on.IEEE，2009:1 －4.

［4］Dang Zhou，Liu Qiang，Zhang Wenhuo.Key Technology with Large－scale Three－dimensional Terrain Management［J］.Geomatics World，2010，7:443 －447.

［5］Wang Yingjie，Weng Jingnong.On Scheduling Methods of Large － scale 3D City Building Models［C］.Computational Intelligence and Software Engineering，2009.

［6］王銳，錢學(xué)雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［7］何援軍.透視和透視投影變換——論圖形變換和投影的若干問(wèn)題之三［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(4):734－739.