（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003）

數(shù)控機(jī)床面板按鍵仿真模型組設(shè)計方法探索

曾欣，宋寧，劉咸超

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003）

機(jī)械仿真要求模型是細(xì)致而具備功能性的。數(shù)控機(jī)床面板仿真組模型的特征在于數(shù)量通常比較多，不同按鍵間既具備大部分的共性，又具備各自的特征。建模過程中，如果缺乏行之有效的策略，建模的工作量將會非常龐大。本文分析了數(shù)控機(jī)床面板仿真模型建模組的構(gòu)造特征，根據(jù)機(jī)械仿真對模型的要求，提出了4種不斷優(yōu)化改進(jìn)的建模方案，通過這些方案在貼圖效果、建模效率等方面的表現(xiàn)，探索出類似于數(shù)控機(jī)床面板按鍵一類機(jī)械仿真組模型及其UV設(shè)計的高質(zhì)、高效的模型設(shè)計方法。

數(shù)控機(jī)床面板；仿真模型；模型組；數(shù)控機(jī)床

1 概述

與普通CG影視動畫相比，虛擬仿真要求模型不僅要看起來“像”，更要細(xì)節(jié)具體，像模型對應(yīng)的實物本身一樣具有“功能性”——因為仿真模型通常會被反復(fù)觀察，必須能經(jīng)受用戶復(fù)動態(tài)觀察的考驗。數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控沖床等數(shù)控機(jī)床的面板上的按鍵是一類獨特的模型：按鍵幾何模型基本上是完全相同的，外觀材質(zhì)也基本一樣，但在每個按鍵上的符號是獨有的。仿真模型中，這一類模型數(shù)量通常比較多，如計算機(jī)的鍵盤、許多設(shè)備的按鈕或旋鈕也是類似的情況。這類模型的建立，如果在建模設(shè)計時沒有很好的策略，將會給建模、UV劃分和紋理制作帶來沉重的工作量，甚至影響到仿真系統(tǒng)的運行效率。很多學(xué)者對仿真模型的管理、重用和紋理自動生成等方面做出了卓有成效的研究：鄭利平等學(xué)者提出了使用紋理模板，借助圖像分割方法，實現(xiàn)紋理圖像的純色著色和圖案填充，進(jìn)而實現(xiàn)人群仿真的角色多樣化的方法；姜翰青等學(xué)者提出了一種新的多視圖紋理實現(xiàn)高質(zhì)量紋理映射的方法；杜國紅等學(xué)者提出了針對陸軍合成營作戰(zhàn)仿真模型的基于組件化建模方法的模型體系架構(gòu)；熊嵩分析了目前可重用方法的主要思路與瓶頸，提出了大型仿真模型體系的可重用性實現(xiàn)方法。然而，對于數(shù)控機(jī)床面板按鍵這一類經(jīng)常遇到的仿真模型組高效建模的方法，尚未有學(xué)者關(guān)注。

2 對建模和UV設(shè)計的要求

本文通過對數(shù)控機(jī)床面板按鍵類似模型建模和UV設(shè)計的多種方法比較，探索最為高效、可行的建模設(shè)計方法。比較的方面包括：（1）建模效率好的建模方法要求高效建模，最大程度的模型重用。（2）直觀、易于理解的貼圖布局。（3）易于設(shè)計和繪制的貼圖紋理。（4）優(yōu)質(zhì)的紋理。

3 幾種設(shè)計方法的對比

下文對數(shù)控機(jī)床面板按鍵的幾種建模方法就以上的目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行對比。

（1）普通無復(fù)用的獨立建模方法。該方法把每一個按鍵模型當(dāng)作互不相關(guān)的模型，每一個模型獨立建模、劃分UV并且制作和映射貼圖。其特點是各個模型的建模順序沒有現(xiàn)有制約和先后順序要求，每個模型獨占一張紋理貼圖，紋理質(zhì)量高，但由于模型網(wǎng)格和UV都沒有重用，建模、UV劃分都貼圖制作的，工作量極大。

（2）復(fù)用網(wǎng)格、復(fù)用UV、獨立紋理的建模設(shè)計方法。由于數(shù)控機(jī)床按鍵類模型具有幾何模型完全相同，建模時很容易想到方法就是，先建立一個模型，并劃分好UV，然后將模型復(fù)制和陣列。由于每個按鍵的紋理不一樣，陣列后分別去配置紋理貼圖。這種方法的特點是：操作簡單，建模操作不需要嚴(yán)密的邏輯順序，每個模型獨立使用一張紋理貼圖，能獲得最好的紋理質(zhì)量。但是由于按鍵類模型數(shù)量通常很大，少則二三十，多則上百個按鍵，貼圖的制作和配置工作量就特別大，而且由于貼圖數(shù)量多，增加了仿真圖形引擎的壓力（圖1）。

（3）復(fù)用網(wǎng)格、復(fù)用UV、共用紋理的建模設(shè)計方法。在上一建模方法的基礎(chǔ)上，使用同一張紋理，陣列模型后，修改UV映射到紋理的不同部位。這種方法較好地改變了上一方法中紋理制作工作量大的問題，但是由于多個模型的UV共用一個紋理，導(dǎo)致每個模型在貼圖上分得的映射面積較小，紋理質(zhì)量下降（圖2）。

圖1 復(fù)用網(wǎng)格、復(fù)用UV、獨立紋理的建模設(shè)計方法

圖2 復(fù)用網(wǎng)格、復(fù)用UV、共用紋理的建模設(shè)計方法

（4）共用網(wǎng)格、優(yōu)化UV、共用紋理的建模設(shè)計方法。在上一方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化UV：由于每個按鍵的側(cè)面沒有圖案，是相同的，這部分紋理可以共用，映射相同的紋理；每個按鍵正面的圖案和符號不一樣，讓它映射到不同的紋理部位。在此方法中，紋理上按鍵符號的位置最好數(shù)控機(jī)床面板上按鍵的實際位置布局，以便于后面修改UV映射。這種建模方法最大程度地重用了模型、UV和紋理，減少了建模、貼圖制作的工作量，極大地提高了建模的效率，并且能較好地控制模型的紋理質(zhì)量（圖3）。

圖3 共用網(wǎng)格、優(yōu)化UV、共用紋理的建模設(shè)計方法

建模方法的性能和效率比較如表1。

表1 數(shù)控機(jī)床面板按鍵仿真模型設(shè)計方法對比

通過上面的比較，方法（4）在建模質(zhì)量高，滿足虛擬仿真要求，在模型網(wǎng)格重用、UV重用以及紋理繪制工作量等方面，都有較大的優(yōu)勢，紋理圖案布局與按鍵實際布局位置一致，能有效地提高建模的效率。

4 共用網(wǎng)格、優(yōu)化UV、共用紋理的建模設(shè)計方法建模步驟總結(jié)

根據(jù)上述建模方法的比較，對于類似于數(shù)控機(jī)床面板按鍵、幾何形狀完全一致、表面紋理絕大部分相同的這一類大規(guī)模建模模型，其建模步驟可以歸納如下：（1）分析模型，找出模型間的共同特征和差異部分。（2）建立眾多模型中的一個模型，并初步劃分UV。（3）根據(jù)UV和模型實物的實際布局設(shè)計和制作紋理，眾模型一致的部分紋理和不一致的部分紋理在圖上分開繪制，特征圖案或符號按模型代表的實物的實際位置布置。（4）優(yōu)化UV，將眾模型一致的紋理部分與不一致的紋理部分分別映射到模型上。（5）陣列模型。（6）對照紋理布局，修改每一個模型不一致的部分紋理的映射，直到完成。

5 結(jié)語

本文提出的數(shù)控機(jī)床面板按鍵仿真模型組的建模方法，能夠在獲得較高貼圖品質(zhì)的同時，最大限度減少重復(fù)工作，提高建模效率，對類似的大部分重復(fù)的仿真模型組設(shè)計和建模具有參考意義。對于復(fù)雜的、大規(guī)模的仿真建模，與其一頭扎進(jìn)沉重的建模工作中，不如冷靜思考和總結(jié)模型的特征，提高建模的效率。

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