夏文文，楊艷芳

（武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063）

門座起重機屬于大型機械裝配體，零部件多、配合關(guān)系復(fù)雜且裝配精度高，使其維修難度高，風險大。如果拆卸路徑不合適或拆卸過程操作錯誤，不但不能排除故障，反而可能造成設(shè)備損壞［1－2］。作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品維修領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬拆卸維修以其良好的費效比，已成為復(fù)雜裝備維修訓練的主要方式之一，可以解決維修困難、效率低等問題，使得操作者能夠完全沉浸在虛擬環(huán)境中，并能與之發(fā)生“交互”，進而對起重機實現(xiàn)拆卸，不僅達到虛擬維修訓練的目的［3］，而且還能對部分機構(gòu)進行改良設(shè)計以彌補不足。它克服了利用實際設(shè)備進行學習所帶來的時間和安全上的限制，避免因影響效率而帶來的損失。

1 虛擬場景模型的構(gòu)建

OSG（OpenSceneGraph）本身能夠提供三維空間中設(shè)計和完成模型所需的工具集，但是門座起重機的模型裝配關(guān)系復(fù)雜，裝配精度要求高，而solidworks以其清晰、直觀的界面，三維功能強大，操作簡單成為三維建模的首選。

1.1 三維模型

對于零部件多、裝配關(guān)系復(fù)雜的起重機，采用自下而上的設(shè)計方式建模：先對門座起重機各個零部件進行建模，然后將有關(guān)聯(lián)的零部件按照裝配與約束的關(guān)系組裝成有特定功能的子裝配體，最后將各子裝配體和零部件組裝成總裝配體。

1.2 場景模型的導出

由于OSG沒有支持“＊.asm”文件的插件，先在solidworks2011導出“＊.wrl”文件，再在3dmax中將文件打開，對模型進行材質(zhì)設(shè)置、圖片的渲染、模型坐標調(diào)整以及模型各個節(jié)點的命名。最后導出“＊.IVE”的文件。虛擬場景模型構(gòu)建過程如圖1所示。

圖1 虛擬場景模型構(gòu)建過程

2 人機交互式虛擬拆卸技術(shù)的內(nèi)部原理

圖形學軟件OSG是一套基于C＋＋平臺的應(yīng)用程序接口（API）。它提供了高級程序設(shè)計語言的圖形函數(shù)庫，圖形函數(shù)庫又提供了程序設(shè)計語言和硬件之間的軟件接口，這就使得人機交互式虛擬拆卸技術(shù)的實現(xiàn)成為可能。在虛擬拆卸技術(shù)中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：虛擬實體位姿變換技術(shù)、窗口到視口的變換、投影技術(shù)［4－5］。

2.1 虛擬實體位姿變換技術(shù)

位姿變換是虛擬拆卸技術(shù)中的核心。虛擬實體位姿變換包括：平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、縮放變換和復(fù)合變換。變換采用齊次坐標系來實現(xiàn)對點的操作，是為了統(tǒng)一平移和其他方式的矩陣表達形式［6］，如將三維場景中的點p （x，y，z，1）繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ角度到點 p1（x1，y1，z1，1）的 旋 轉(zhuǎn) 變 換 形 式 為p1T＝Rz（θ）·pT，其中旋轉(zhuǎn)矩陣

復(fù)合主要是利用基本的R（旋轉(zhuǎn)）、S（縮放）和T（平移）矩陣來實現(xiàn)綜合變換，避免連續(xù)的單一變換，以此來提高運行效率。在基于OSG的虛擬拆卸技術(shù)中，位姿變換運動是通過調(diào)用PositionAttitude－Transform類的函數(shù)來實現(xiàn)的，比如調(diào)用setPosition和setAttitude函數(shù)分別實現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)。

2.2 窗口到視口的變換

場景圖形在計算機屏幕上的顯示要經(jīng)過窗口到視口的變換。用來“篩選”世界坐標系下圖形的矩形框稱為窗口，用來決定世界坐標系下哪部分圖形被顯示，如同相機的取景框通過移動和旋轉(zhuǎn)取景框來選擇最佳拍攝的景物一樣。視口決定在屏幕的什么位置顯示圖形。改變窗口或視口的大小可以改變圖形的縮放比例。窗口到視口的變換過程為：1）將窗口的左下角點平移至世界坐標系的原點；2）將窗口尺寸縮放到視口大小；3）將已經(jīng)縮放到視口大小的窗口平移到屏幕坐標系視口所在的實際位置。在此過程中，要經(jīng)過從世界坐標系到相機坐標系再到視口坐標系的轉(zhuǎn)換。變換過程如圖2所示。

圖2 變換過程

2.3 投影技術(shù)

投影就是將三維物體變換到二維投影平面上。三維世界中的物體需要先經(jīng)過三維裁剪盒的裁剪，然后才能進行投影。在視景體之外的對象將被裁剪，因而不會被投影到二維平面上。投影分為透視投影和平行投影。透視投影比較逼真，但不能反映物體的真實形狀和尺寸，也不能從物體的投影中得出距離。平行投影所生成的視圖真實感較差，卻記錄著物體的實際尺寸，并且平行線的投影也依然保持平行。在基于OSG的虛擬拆卸技術(shù)中，投影變換是通過Camera類的函數(shù)來實現(xiàn)的，比如調(diào)用set－ProjectionMatrixAsFrustum和setProjectionMatrixAsOrtho2D函數(shù)分別實現(xiàn)透視投影和平行投影。在虛擬環(huán)境中顯示文字時，是通過setProjectionMatrix函數(shù)將三維文字圖形投影在二維屏幕上的。三維視圖的投影過程如圖3所示。

圖3 三維視圖的投影過程

3 交互式虛擬拆卸技術(shù)的實現(xiàn)

本文選用VC＋＋與虛擬現(xiàn)實環(huán)境生成工具OSG相結(jié)合，進行交互式虛擬拆卸仿真技術(shù)的開發(fā)。利用兩種交互技術(shù)對門座起重機進行虛擬拆卸：一種是鍵盤響應(yīng)實現(xiàn)人機交互，另一種是鼠標拖曳實現(xiàn)人機交互。

3.1 鍵盤響應(yīng)實現(xiàn)人機交互

3.1.1 場景節(jié)點的添加 用OSGMFC打開場景模型，得到如圖4所示場景結(jié)構(gòu)樹。osgFunc2＿4∷findNamedNode函數(shù)采用深度優(yōu)先遍歷獲取某一場景節(jié)點。獲取節(jié)點的部分代碼如下［7］。

圖4 門座起重機的場景結(jié)構(gòu)樹

3.1.2 鍵盤響應(yīng) 在OSG中，鍵盤的響應(yīng)是通過事件處理器osgGA∷GUIEventHandler類實現(xiàn)的。它作為OSG鍵盤交互事件的處理終端，提供了可擴展的虛函數(shù)handle，通過類的派生和虛函數(shù)的重構(gòu)，實現(xiàn)用戶自定義的交互事件處理工具。handle函數(shù)里面的形參：時間適配器ea，獲取當前傳入此適配器的事件；動作適配器aa，獲取傳入的是當前所用的視圖對象View，可以用來控制視景器的變化。響應(yīng)事件的部分代碼如下：

3.1.3 交互式拆卸的實現(xiàn) 獲取到場景每一個節(jié)點后，為每一節(jié)點創(chuàng)建動畫，節(jié)點的初始和結(jié)束位置是通過控制關(guān)鍵幀Keyframe來實現(xiàn)的，處于相同位置的節(jié)點應(yīng)插入相同的關(guān)鍵幀。接著，將添加了動畫的節(jié)點全部作為Group節(jié)點的子節(jié)點。為了調(diào)整模型顯示的初始狀態(tài)，將Group節(jié)點作為PositionAttitudeTransform的子節(jié)點，最后添加到視景器中。在playAnimation時，應(yīng)確保虛擬拆卸的順序能夠滿足實際維修要求，這樣才能達到虛擬維修的目的。交互式拆卸實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 起重機的交互式拆卸

3.2 利用鼠標拖曳實現(xiàn)人機交互

實現(xiàn)鼠標拖曳技術(shù)的關(guān)鍵是要理解拖曳器與場景節(jié)點的關(guān)聯(lián)、拖曳器怎樣記錄鼠標移動的位置及鼠標如何響應(yīng)，最終實現(xiàn)對門座起重機運行機構(gòu)的拆卸。

3.2.1 拖曳器與場景節(jié)點的關(guān)聯(lián) 將每一個節(jié)點添加到selection節(jié)點下，通過CommandManager類的connect函數(shù)與dragger拖曳器進行關(guān)聯(lián)。用setMatrix函數(shù)將拖曳器的坐標原點移動到子節(jié)點包圍盒的中心，確保拖曳順利。

3.2.2 鼠標的響應(yīng) 鼠標的響應(yīng)和鍵盤的響應(yīng)原理一致，只是在內(nèi)部重寫handle函數(shù)。通過computeIntersections函數(shù)進行鼠標屏幕點求交，所求得的數(shù)據(jù)存放在intersections內(nèi)部。在＿pointer內(nèi)記錄當前的相機信息，setCamera函數(shù)實際上就是在鼠標單擊時，用來記錄當時變換矩陣的信息，即鼠標位置和屏幕坐標。然后將所有相交的對象記錄到＿pointer內(nèi)部，PointerInfo∷IntersectionList記錄交點以及交點的nodepath。最后，向dragger傳入handle事件。

3.2.3 鼠標拖曳交互的實現(xiàn) 運行得到如圖6所示的場景視圖，實現(xiàn)鼠標拖曳。鼠標拖曳技術(shù)分為觀看模式和拖曳模式，操作人員可通過按下TAB鍵進行模式切換。在觀看模式下，可通過鼠標對場景中的模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作；在拖曳模式下，可以通過鼠標對場景中的零件進行移動。

圖6 鼠標拖曳實現(xiàn)拆卸

4 結(jié)束語

本文針對門座起重機現(xiàn)實維修的缺點提出了基于OSG的門座起重機虛擬拆卸技術(shù)。利用OSG技術(shù)，研究了兩種交互式的拆卸技術(shù)，并對場景節(jié)點的添加、拖曳器與場景節(jié)點的關(guān)聯(lián)、鍵盤和鼠標的響應(yīng)以及交互式拆卸的實現(xiàn)等技術(shù)原理進行了描述，同時對人機交互式虛擬拆卸技術(shù)的內(nèi)部原理進行了詳細的闡述。

［1］ 原 彬，路慧彪，鄒玉堂.基于Division Mockup的分油機虛擬裝配系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2013（01）：25－27.

［2］ 張王衛(wèi)，蘇群星，劉鵬遠，等.虛擬維修拆卸路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計算機仿真，2012，29（11）：28－33.

［3］ 周韶澤，兆文忠，張 軍，等.動車組虛擬維修仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2011，37（17）：214－216.

［4］ 任愛華，謝 淼.計算機圖形學［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［5］ 石玉玲.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與圖形學［J］.職大學報，2008（02）：90－91.

［6］ 任洪海.計算機圖形學理論與算法基礎(chǔ)［M］.遼寧：科學技術(shù)出版社，2012.

［7］ 王 銳，錢學雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計與實踐［M］.北京：清華大學出版社，2009.