苗維平

摘? 要： 針對當(dāng)前階段產(chǎn)品效果展示平臺存在的現(xiàn)實(shí)感弱、畫面加載速度慢等問題，以提升展示平臺沉浸感、運(yùn)行流暢性為目的，提出建設(shè)基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品展示平臺。通過對工業(yè)產(chǎn)品效果展示平臺三維視覺表現(xiàn)的需求分析，進(jìn)行總體框架設(shè)計(jì)，借助3ds MAX，Polygon軟件對工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬模型的構(gòu)建、模型UV材質(zhì)貼圖以及鏡頭語言等技術(shù)流程及實(shí)現(xiàn)途徑，進(jìn)行基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品展示平臺設(shè)計(jì)。通過所建立的工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示平臺，用戶可以在線對工業(yè)產(chǎn)品的外觀造型、材質(zhì)貼圖以及顏色搭配進(jìn)行選擇，并能夠根據(jù)自己的需要變換虛擬攝像頭實(shí)時(shí)觀測所設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品的全方位立體效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案可行且提高了畫面加載速度，現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì); 展示平臺設(shè)計(jì); 三維視覺; 平臺架構(gòu)設(shè)計(jì); 三維建模; 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號： TN911.73?34; TP39? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0120?03

Design of industrial product design and display platform based on 3D vision

MIAO Weiping

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China）

Abstract： In allusion to the problems of weak reality and slow screen loading speed of product effect display platform at the current stage， the construction of an industrial product display platform based on 3D vision is proposed to improve the immersion and running fluency of the display platform. The overall framework design is performed by means of the demand analysis of the 3D visual performance for the industrial product effect display platform. The 3Dmax and Polygon software are used to construct the 3D virtual model of the industrial product， and the model UV texture mapping， the lens language and other technologies are applied to display the running processes and implementation paths， so as to realize the design of the industrial product display platform based on 3D vision. By means of the established virtual display platform for the industrial products， users can select the appearance， texture mapping and color assortment of the industrial products online， and can transform the virtual camera to observe the all?round 3D effect of the designed industrial products in real time according to their own needs. The experimental results show that the design scheme is feasible and can improve the loading speed of the screen， which has a strong sense of reality.

Keywords： industrial product design; display platform design; 3D vision; platform architecture design; 3D modeling; simulation experiment

0? 引? 言

近年來，立體視覺在計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域得到了發(fā)展。立體視覺目的在于重構(gòu)場景的三維幾何信息，并通過場景的視覺表現(xiàn)，使用戶從多種角度觀察和了解產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)用戶與此環(huán)境直接進(jìn)行交互[1]。

許多領(lǐng)域?qū)⒘Ⅲw視覺展示系統(tǒng)視為一種電子商務(wù)技術(shù)手段，從而為用戶提供更人性化的全新體驗(yàn)。隨著立體視覺系統(tǒng)的快速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品的虛擬展示應(yīng)用日漸廣泛，各種工業(yè)產(chǎn)品立體展示系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，但這些工業(yè)產(chǎn)品展示系統(tǒng)難以與實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品展示相比，只局限于模型的展示，無交互功能，無法同時(shí)展示產(chǎn)品整體和細(xì)節(jié)，使用戶難以直觀了解產(chǎn)品特點(diǎn)[2]。

基于工業(yè)產(chǎn)品用戶實(shí)際需求，開展工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示平臺的架構(gòu)設(shè)計(jì)，提升用戶沉浸感，并將交互技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示平臺中，使其更符合現(xiàn)代人對工業(yè)產(chǎn)品各方面的要求。

1? 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺功能

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示平臺可實(shí)現(xiàn)交互、拓展以及可視化的數(shù)據(jù)展示，能夠集中體現(xiàn)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的內(nèi)容，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與分析處理，全方位塑造產(chǎn)品的變化效果，合理評估工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性和可視化展示效果[3]。平臺功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1? 平臺管理模塊

平臺管理模塊通過確定系統(tǒng)設(shè)備框架，保證工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)展示節(jié)點(diǎn)、可控節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的性能，滿足工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示的需要;對三維虛擬展示的產(chǎn)品數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配與管理，對網(wǎng)絡(luò)資源以及系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控管理等[4]。

1.2? 產(chǎn)品三維渲染模塊

工業(yè)產(chǎn)品渲染模塊可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維虛擬架構(gòu)模型的三維動(dòng)態(tài)渲染和實(shí)時(shí)交互、超分辨率圖片的動(dòng)態(tài)渲染，支持工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可視化和交互操作。主要涉及的編輯器包括產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)模擬編輯器、視覺效果編輯器和場景編輯器等[5]。

1.3? 場景交互與拼接呈現(xiàn)模塊

虛擬展示平臺場景交互與拼接呈現(xiàn)模塊，主要用于處理拼接展示單元渲染階段，不同適配器接口不匹配或結(jié)構(gòu)不兼容，事件響應(yīng)具有顯著差異的問題[6]。主要利用交互引擎，同時(shí)對各類模塊環(huán)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)顯示的可視化交互，為適應(yīng)更多類型的工業(yè)產(chǎn)品在三維虛擬展示平臺進(jìn)行虛擬展示，研發(fā)不同類型的接口，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.4? 產(chǎn)品模擬庫模塊

三維虛擬平臺為工業(yè)產(chǎn)品搜集了大量的模擬素材，同時(shí)配備了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需使用的相關(guān)組件，實(shí)現(xiàn)組件管理與連接，同時(shí)該模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成共享的功能[7]。

1.5? 產(chǎn)品信息管理模塊

該模塊包含用戶管理、產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)管理、產(chǎn)品庫存管理和產(chǎn)品快速查詢等必備功能。

2? 工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要以工業(yè)產(chǎn)品圖形圖片、畫面影像的高清渲染，開展混合多種不同層次、多接口的平臺架構(gòu)建設(shè)。為保證三維虛擬展示平臺的正常運(yùn)行與拓展，除提供銜接外部信息的來源接口外，采用圖形圖像處理技術(shù)、產(chǎn)品三維建模技術(shù)、渲染技術(shù)為產(chǎn)品三維虛擬展示平臺架構(gòu)提供技術(shù)支撐，全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維模型制作、材質(zhì)渲染、互動(dòng)性光線追蹤、交互操作、拼接展示的虛擬展示平臺[8]。平臺架構(gòu)見圖2。

3? 平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1? 建模技術(shù)

在眾多三維建模方法中，選擇3ds MAX制作軟件來構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)品實(shí)體模型。文中主要以工業(yè)產(chǎn)品外觀以及周圍環(huán)境的整體表現(xiàn)為主，采用網(wǎng)格建模方式，考慮建模過程中對服務(wù)器存儲空間以及渲染速度的影響，盡可能簡化產(chǎn)品三維模型的點(diǎn)、面數(shù)量。工業(yè)產(chǎn)品通常以形象塑造為前提，可用Polygon[9]建模方法，這種方法占用的系統(tǒng)容量小，易操作，但是要求使用者具有較強(qiáng)的空間想象能力，對控制點(diǎn)的使用要盡可能少。

3.2? 虛擬模型UV材質(zhì)貼圖技術(shù)

結(jié)合當(dāng)前階段工業(yè)產(chǎn)品流水線設(shè)計(jì)工作需求，用UVW展開后存儲，并將存儲好的UVW貼圖置入Photoshop軟件獨(dú)立圖層中，以該圖層為基礎(chǔ)復(fù)制獲得另一材料圖層，獲取與呈現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品極為近似材質(zhì)貼圖，在此貼圖上設(shè)置透明度為100%的圖層，將由3ds MAX渲染輸出的材質(zhì)貼圖拽入該透明層中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示的完整表達(dá)。

3.3? 鏡頭語言

采用3ds MAX軟件開發(fā)工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示平臺時(shí)，鏡頭語言是工業(yè)產(chǎn)品加工場景、流水線作業(yè)畫面構(gòu)成的基礎(chǔ)[10]。該技術(shù)根據(jù)三維建模軟件中虛擬攝像機(jī)的多角度轉(zhuǎn)換，來呈現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品生成過程中多個(gè)工序不同角度的畫面，可將虛擬產(chǎn)品中的腳本內(nèi)容根據(jù)產(chǎn)品加工場景、拍攝方式等劃分為具體待渲染的小片段，對不同的渲染片段進(jìn)行剪切整合，完成工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示，切換虛擬空間攝像機(jī)拍攝角度，以達(dá)到更直觀的產(chǎn)品視覺效果。

4? 測試結(jié)果與分析

為有效驗(yàn)證基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示平臺可解決二維局限問題，將配置為Windows 7操作系統(tǒng)、4 GB內(nèi)存、Intel Core i5?3470處理器、Matlab R2012a軟件的2臺計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對象。仿真實(shí)驗(yàn)過程中，先對平臺相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，結(jié)果如表1所示。

平面頂點(diǎn)分布是評價(jià)不同產(chǎn)品虛擬效果展示平臺性能的關(guān)鍵指標(biāo)。一般情況下，平臺展示的工業(yè)產(chǎn)品各個(gè)平面上頂點(diǎn)分布越均勻，說明平臺展示產(chǎn)品三維視覺效果越逼真。令2臺計(jì)算機(jī)下的產(chǎn)品虛擬效果展示平臺同時(shí)開始相關(guān)程序，繪制工業(yè)產(chǎn)品外觀，記錄設(shè)定時(shí)間內(nèi)兩種展示平臺的產(chǎn)品外觀繪圖情況見圖3和圖4。

分析圖3、圖4可知，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品效果虛擬展示平臺上各平面頂點(diǎn)分布更為均勻，不同頂點(diǎn)連接而成的面積更大;對照平臺各平面頂點(diǎn)散布呈小區(qū)域聚集，各頂點(diǎn)連接而成的面積小。說明本文設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示平臺相比對照平臺更具魯棒性。連接線結(jié)構(gòu)是評價(jià)二維局限性的關(guān)鍵指標(biāo)，平臺的連接線結(jié)構(gòu)越錯(cuò)綜復(fù)雜說明二維局限性越低。在保留產(chǎn)品效果虛擬展示平臺各平面頂點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將距離較近的兩個(gè)頂點(diǎn)相連，可獲得如圖5和圖6所示的連接線結(jié)構(gòu)。

分析圖5、圖6可知，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品效果虛擬展示平臺平面頂點(diǎn)之間的連接線發(fā)生錯(cuò)綜復(fù)雜的交叉，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與對照平臺相比，對照平臺平面頂點(diǎn)之間的連接線沒有交叉現(xiàn)象，說明頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的連接線結(jié)構(gòu)極為簡單。由此可證明本文平臺有效解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品展示平臺的二維局限性問題。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品效果虛擬展示平臺實(shí)際運(yùn)行過程中的流暢效果，對平臺在不同硬件配置下的運(yùn)行性能進(jìn)行測試。從運(yùn)行性能表2中數(shù)據(jù)可知，本文提出的基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品效果虛擬展示平臺，在上述不同硬件配置下的畫面流暢速度基本可以接受，平臺運(yùn)行效果較好。

5? 結(jié)? 語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與立體視覺技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品效果展示設(shè)計(jì)的立體視覺呈現(xiàn)形式提供了新的思路，尤其是以3ds MAX三維建模軟件為代表的立體視覺傳達(dá)技術(shù)，其作為工業(yè)產(chǎn)品三維視覺表現(xiàn)的主要技術(shù)，能夠進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬模型的構(gòu)建，以及模型材質(zhì)、顏色的選擇。采用鏡頭語言實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型360°動(dòng)畫演示，以便用戶可以通過多個(gè)角度觀測工業(yè)產(chǎn)品外觀造型的局部細(xì)節(jié)效果。相比傳統(tǒng)的產(chǎn)品展示平臺，本文設(shè)計(jì)的展示平臺畫面刷新速率更快，能夠有效避免延遲感，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，運(yùn)行效果較好。

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