閉榮富

摘? 要：與計(jì)算機(jī)仿真、傳感器及人工智能等諸多技術(shù)日益完善過(guò)程相伴隨的是虛擬技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展，特別是在一些危險(xiǎn)系數(shù)高、體量大、投用及后期維護(hù)成本高、數(shù)次操作的領(lǐng)域中，虛擬技術(shù)應(yīng)用期間表現(xiàn)出良好效能。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配符合虛擬技術(shù)的質(zhì)感逼真、可交互性及便利等特征，基于人機(jī)交互規(guī)劃、三維立體建模、程序設(shè)計(jì)及發(fā)動(dòng)機(jī)裝配理論等知識(shí)，建設(shè)出視覺(jué)動(dòng)態(tài)渲染與逼真度很高的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配模擬平臺(tái)，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動(dòng)機(jī);裝配平臺(tái);發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝;虛擬技術(shù);平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言

虛擬技術(shù)（VR）是20世紀(jì)末興起的一種綜合性信息技術(shù)，其以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、三維呈現(xiàn)及人機(jī)交互等諸多技術(shù)為支撐，將存在或不存在于自然界的物件整合至一個(gè)虛擬化環(huán)境內(nèi)，可以采用傳感器與多種感知行為和虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。既往的機(jī)械制造業(yè)裝配技術(shù)培訓(xùn)階段，操作者直接觸及設(shè)備與器材，通過(guò)數(shù)次訓(xùn)練后方能捕獲裝配經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)裝配培訓(xùn)形式已經(jīng)難以迎合新型汽車產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)需求，暴露出成本高、適用性差等弊端。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配平臺(tái)于Unity 3D引擎內(nèi)建設(shè)一個(gè)虛擬化情景，采用三維交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自由角、演示結(jié)構(gòu)拆裝流程及智能化測(cè)評(píng)等多項(xiàng)功能。

一、平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)程序

現(xiàn)如今，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代汽車制造領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，其構(gòu)成以機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、燃油供給及潤(rùn)滑系統(tǒng)等為主。以平臺(tái)布設(shè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目為支撐，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件進(jìn)行檢查、維修及拆裝等操作，協(xié)助廣大學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造、運(yùn)作機(jī)理及維修等有更全面的認(rèn)識(shí)。

（一）規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)的功能

該平臺(tái)界面上設(shè)置的GUI能為人機(jī)交互過(guò)程創(chuàng)造便利條件，界面能清晰的呈現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成及不同機(jī)構(gòu)系統(tǒng)各部件所要達(dá)成的功能，主要有：

結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：能從各個(gè)角度自由呈現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)整體與局部構(gòu)件，持有旋轉(zhuǎn)、縮放、部件信息方位及安裝提示等諸多功能。

智能拆裝：具體是以Unity引擎內(nèi)的Animation動(dòng)畫功能為支撐，實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)機(jī)構(gòu)智能化拆裝與安裝過(guò)程的功能。

人工拆裝：這是人機(jī)交互持有的重要功能之一，碰撞檢測(cè)是重要的技術(shù)手段之一，為減少或規(guī)避用戶群體手動(dòng)裝設(shè)零件階段，不同模型之間出現(xiàn)穿行越過(guò)情況，建議將碰撞檢測(cè)器增設(shè)于各模型上，擬編與之相配套的腳本流程，這樣通過(guò)操作鼠標(biāo)就能順利拖動(dòng)目標(biāo)構(gòu)件，改變零部件方位，并結(jié)合前期相關(guān)提示信息將其安設(shè)至指定部位。

實(shí)訓(xùn)測(cè)評(píng)：即于該平臺(tái)上，廣大用戶不僅能訓(xùn)練自己的手動(dòng)拆裝能力，也能檢驗(yàn)自己對(duì)裝配相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)、掌握情況，后臺(tái)自動(dòng)錄入準(zhǔn)確的安裝次序，依照數(shù)據(jù)正確與否將軟件持有的計(jì)分功能充分發(fā)揮出來(lái)。

部件檢查維修：故障檢查、維修是發(fā)動(dòng)機(jī)課程教材中的重難點(diǎn)之一，本平臺(tái)以發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的形體改變?yōu)閷?shí)例加以分析，可以利用塞尺與鋼尺檢測(cè)氣缸蓋體的翹曲度，也可以動(dòng)畫為載體演示汽缸蓋的拆卸、組裝過(guò)程。

（二）研發(fā)程序

基于理論和實(shí)踐相整合的形式研究與推進(jìn)課題，理論研究階段循序推進(jìn)，勇敢的做出假定并試圖論證，其目的在于提升發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)、功能的完善度。具體是在高端的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支撐下，基于專業(yè)化建模與交互設(shè)計(jì)軟件，有針對(duì)性的整改與完善平臺(tái)的最后成效，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。本平臺(tái)的研發(fā)流程見(jiàn)圖1^[1]。

（一）組織專人開(kāi)展市場(chǎng)調(diào)研活動(dòng)，采集多方材料，通過(guò)查找相關(guān)材料內(nèi)容與檢索專利，規(guī)劃平臺(tái)設(shè)計(jì)理論、擬編整體方案。

（二）基于發(fā)動(dòng)機(jī)檢修手冊(cè)內(nèi)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)拍攝形式錄入大眾1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的正確操作過(guò)程。

（三）為捕獲精準(zhǔn)度更高的零部件零部件數(shù)據(jù)信息，本課題研究決定使用天遠(yuǎn)掃描設(shè)備收集有關(guān)數(shù)據(jù)。

（四）參照掃描數(shù)據(jù)，以三維軟件3d Max為支撐開(kāi)發(fā)模型，具體包括重建部件系統(tǒng)模型、勾畫模型貼圖。拆分模型UV，借此方式去改善模型的質(zhì)地，使平臺(tái)呈現(xiàn)出的效果更為逼真。針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不同零部件模型予以裝配、整合措施，以上是各模型于軟件內(nèi)暢通運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)，也能提升空間的有效利用率，針對(duì)最后完善好的模型，將其整合成模型資源庫(kù)。

（五）設(shè)計(jì)交互界面上的GUI，主要涵蓋呈現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)、演示智能化拆卸與組裝、人工拆裝方法訓(xùn)練、檢測(cè)考評(píng)、零部件檢查與維修等功能。

（六）探討該平臺(tái)于理實(shí)一體化內(nèi)的應(yīng)用情況。

二、建模

設(shè)計(jì)建設(shè)虛擬裝配平臺(tái)過(guò)程，側(cè)重點(diǎn)是提升場(chǎng)景交互的合理性與強(qiáng)化逼真感，為達(dá)成以上目標(biāo)就需有專業(yè)化三維建模軟件的輔助，并認(rèn)真落實(shí)高超的建模標(biāo)準(zhǔn)。本課題擬定選用3d Max軟件建設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、檢修器具及實(shí)訓(xùn)室內(nèi)常用他類儀器的三維模型。

（一）建模的常規(guī)流程

裝配情景內(nèi)主要有二維圖片與多種三維模型，結(jié)合平臺(tái)功能規(guī)劃及不同模型建建設(shè)的裝配相關(guān)性，依照一定次序進(jìn)行組裝，合力建成虛擬裝配平臺(tái)的最后運(yùn)用情景。建設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件模型主要?dú)v經(jīng)如下過(guò)程：

1、紋理素材：紋理材質(zhì)設(shè)計(jì)情況影響著虛擬情景內(nèi)各模型的真實(shí)度，拍攝目標(biāo)對(duì)象的紋理圖片。Unity 3D引擎對(duì)諸多格式的紋理圖片表現(xiàn)出較強(qiáng)大的支撐作用，結(jié)合其渲染性能與取得的成果及最后于虛擬請(qǐng)境內(nèi)呈現(xiàn)出的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，選擇格式最適宜的類型。

2、采用基礎(chǔ)、多邊形、復(fù)合式、面片等多種方法建設(shè)3D物體模型。具體是先結(jié)合掃描模型勾畫出零部件的大體樣態(tài)，而后于修整器列表內(nèi)有針對(duì)性的修正點(diǎn)、邊、面、多邊形等元素。

3、材質(zhì)貼圖，在業(yè)內(nèi)，“材質(zhì)”即物體表層的屬性信息，即物體構(gòu)成物質(zhì)屬于哪種類型，包括表層紋理，物體對(duì)光的特性，比如反光強(qiáng)度、形式及區(qū)段等。貼圖可以理解為一種把圖形信息投影至曲面上的方法。材質(zhì)貼圖的作用主要是將繁雜模型的表層真切、清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，宗旨是降低能源耗損量與壓縮關(guān)鍵零部件建模時(shí)間長(zhǎng)度。

3d Max能智能傳送出配置的貼圖坐標(biāo)，對(duì)于曲面這種結(jié)構(gòu)形態(tài)繁雜的目標(biāo)對(duì)象而言，其無(wú)法給出特定的貼圖坐標(biāo)，若想要精準(zhǔn)調(diào)控不同形態(tài)對(duì)象的貼圖形態(tài)，需在UVW展開(kāi)修改器的協(xié)助下進(jìn)行，其能于一個(gè)平面上自由編輯目標(biāo)對(duì)象貼圖的展開(kāi)情況。圖2是燃油泵UVW展開(kāi)后的圖示。

4、渲染

將材質(zhì)、燈光等因素融合至一個(gè)情景后，并不能于試圖內(nèi)清晰的觀察到以上元素呈現(xiàn)出的效果，需對(duì)情景實(shí)施最后的渲染操作，方能更好的呈現(xiàn)出燈光、材質(zhì)對(duì)應(yīng)的特殊效應(yīng)。在情景模型建設(shè)過(guò)程中，渲染是重要一個(gè)環(huán)節(jié)，其作用以情景內(nèi)儲(chǔ)留的各類成效為主，以圖像的樣式呈現(xiàn)出來(lái)。圖3為燃油泵的渲染成效^[2]。

5、模型集成化

在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件建模結(jié)束后還沒(méi)有整合到裝配平臺(tái)情景內(nèi)時(shí)，不同模型間運(yùn)行模式相互獨(dú)立，集成模型是應(yīng)對(duì)發(fā)送機(jī)各模型整合問(wèn)題的有有效方法之一，結(jié)合檢修手冊(cè)內(nèi)設(shè)定的要求，落實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)模型的組合、裝配任務(wù)，科學(xué)規(guī)劃各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)所屬類別。

（二）處理模型

1、優(yōu)化

這是虛擬裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中最重要的一環(huán)，加強(qiáng)模型文件體量大小的把控，過(guò)于龐大將會(huì)減緩其運(yùn)行速度。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件模型構(gòu)造復(fù)雜，倒角、切角、圓角、通孔等曲面屬性較為常見(jiàn)，為確保各模型于平臺(tái)上順暢運(yùn)作，應(yīng)有規(guī)劃的優(yōu)化模型。

本課題研究中，采用Optimize（優(yōu)化）或MultiRes（高級(jí)優(yōu)化）指令定量調(diào)控頂點(diǎn)數(shù)目及面數(shù)。具體是先采用Optimize指令把模型轉(zhuǎn)型為可被編輯的多邊形，在確認(rèn)對(duì)物件模型狀態(tài)、功能不形成明顯影響的基礎(chǔ)上，盡量減少模型頂點(diǎn)、三角面數(shù)目，整改優(yōu)化選項(xiàng)內(nèi)的面閾、邊閾、位移偏量及邊長(zhǎng)最大值。MultiRes指令的作用是利用修改器設(shè)施采用降低頂點(diǎn)、多邊形數(shù)的形式，壓縮模型渲染環(huán)節(jié)的空間，其能自主選定減面所占比重，將頂點(diǎn)所占比例降到50%，修改后頂點(diǎn)、三角面數(shù)依次為16180、31780。

在改進(jìn)、優(yōu)化模型材質(zhì)及貼圖過(guò)程中，于平臺(tái)上需要有序整合材質(zhì)等同的模型，降低勾畫調(diào)用的頻次。至少需要一張貼圖去支撐發(fā)動(dòng)機(jī)所有零部件的模型，利用Photoshop軟件把貼圖拼湊成一個(gè)整體。在以上操作過(guò)程，盡量維持紋理貼圖四邊等同，長(zhǎng)度值盡量為2的整數(shù)冪次，采取以上方法方能將優(yōu)化操作的效能發(fā)揮至最大。針對(duì)螺栓等部件的模型，整合并保留單個(gè)后，刪減冗余模型，通過(guò)復(fù)制文件以達(dá)到檢索模型、節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)部空間的目的。

2、導(dǎo)出模型

具體是于3d Max完成模型貼圖操作并制作相對(duì)應(yīng)幀動(dòng)畫以后，采用FBX格式將模型放置于文件夾Assets內(nèi)，現(xiàn)已經(jīng)證實(shí)該種格式對(duì)數(shù)個(gè)軟件的兼容和轉(zhuǎn)化過(guò)程起到較好的支撐作用，并且還能整體的存儲(chǔ)動(dòng)畫、材質(zhì)等信息。于3d Max內(nèi)點(diǎn)擊“導(dǎo)出”，選中事前設(shè)定的導(dǎo)出渠道、重命名模型名稱，比如于3d Max完成某個(gè)構(gòu)件機(jī)構(gòu)拆卸、組裝動(dòng)畫的制作任務(wù)，選中“Animation”后勾“Bake Animation”屬性，便能順利的對(duì)動(dòng)畫實(shí)施烘焙操控處理。

（三）規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型零件

1、機(jī)油濾清器

在建設(shè)模型之前，應(yīng)結(jié)合零部件外部輪廓選擇適宜的標(biāo)準(zhǔn)基體，先建設(shè)一個(gè)圓柱體，將高程分段設(shè)定為2，伴隨邊數(shù)增加過(guò)程，曲面順滑度也有不斷上升趨勢(shì)。在勾畫凸出部位時(shí)，相關(guān)人員可以選定“輪廓”指令減縮拉出平面，而后選定“擠出”指令下拉延展減縮后的多邊形，直到其和掃查模型高程統(tǒng)一，最后通過(guò)操控“倒角”指令削弱物體平面的棱角。

2、機(jī)體

在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，機(jī)體即被定義為氣缸體和曲軸箱兩者的連鑄體，可以將其看成是構(gòu)造復(fù)雜的箱形零部件，可以適度調(diào)整側(cè)壁、前后壁的加強(qiáng)肋的頂點(diǎn)方位，單獨(dú)勾畫圓柱體后，將對(duì)曲軸起支撐作用的主軸承座及孔洞附加于機(jī)體上，采用布爾運(yùn)算的差集（A-B）指令落實(shí)機(jī)體局部（圓柱體、主體）的建模任務(wù)。

3、氣缸蓋

氣缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)成，也是構(gòu)造極為復(fù)雜的箱形零部件，上方設(shè)有進(jìn)、排氣座孔，氣門導(dǎo)管孔等，內(nèi)部有水套、燃燒室等構(gòu)件。氣缸蓋的外部輪廓類似長(zhǎng)方體，基于布爾測(cè)算、頂點(diǎn)整改等方法完成建模任務(wù)。圖4是汽缸蓋模型^[3]。

三、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)

（一）Unity 3D引擎

本課題選用Unity Technologies公司自主研發(fā)的專業(yè)化虛擬交互式引擎促進(jìn)虛擬裝配平臺(tái)功能逐一實(shí)現(xiàn)過(guò)程，明顯提升運(yùn)轉(zhuǎn)速度與交互成效。Unity 3D在Windows、Mac OS X及Linux等諸多平臺(tái)上均表現(xiàn)出良好實(shí)用性，也可以將相關(guān)信息上傳至Mac與Windows平臺(tái)上。

本虛擬裝配平臺(tái)由數(shù)個(gè)有相互關(guān)聯(lián)性的情景構(gòu)成，不同情景之間存在密切的層級(jí)關(guān)系，能

相互跳轉(zhuǎn)，各情景內(nèi)還含有材質(zhì)、腳本、模型目標(biāo)對(duì)象、動(dòng)畫等諸多資源。為使情景內(nèi)各項(xiàng)功能發(fā)揮至最大化，需嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)程擬編腳本流程，并將其添加到各目標(biāo)目標(biāo)對(duì)象上。

1、情景

Unity 3D引擎可以被視為將多個(gè)模型匯聚在一起的場(chǎng)合，為程序壓閥過(guò)程中的最基本構(gòu)成單位，一個(gè)平臺(tái)可以是數(shù)個(gè)情景構(gòu)成的集合體。

2、物體對(duì)象

我們將顯現(xiàn)在情景內(nèi)的所有實(shí)物體均稱之為物體對(duì)象，例如系統(tǒng)自身帶有的模型球體、平面、立方體等。Unity 3D基于“面向目標(biāo)對(duì)象程序”加以規(guī)劃設(shè)計(jì)，任何對(duì)象均和Object對(duì)象之間建設(shè)了相互承接的關(guān)系，也囊括物體對(duì)象自身，Object持有多樣化屬性，腳本對(duì)其行為方式起到調(diào)控作用。

3、Unity 3D腳本

Unity引擎支持的腳本語(yǔ)言有JavaScript、C#、Boo，其中C#語(yǔ)言持有龐大的net

類庫(kù)，為微軟公司面向?qū)ο缶幊萄邪l(fā)的一類語(yǔ)言，是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外眾多程序員研發(fā)軟件首選的語(yǔ)言類型，本平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)均擬定選用C#語(yǔ)言。

4、攝像機(jī)

Unity 3D內(nèi)攝像機(jī)的作用以呈現(xiàn)視覺(jué)成效為主。攝像機(jī)能基于任一次序與方位完成渲染，通過(guò)增設(shè)腳本程序在平臺(tái)界面上取得良好的交互效果。

5、組件

功能以實(shí)現(xiàn)各物體對(duì)象的特性為主，從本質(zhì)上分析各個(gè)組件為一個(gè)類的實(shí)例，通過(guò)調(diào)整物體對(duì)象屬性的形式，精確操控相關(guān)行為^[4]。

（二）Unity 3D工作視圖界面

1、情景視圖

作用以規(guī)劃設(shè)計(jì)情景及安防物體對(duì)象模型、燈光、攝像機(jī)等因素為主，為建設(shè)虛擬裝配情景的部位，在這個(gè)視圖內(nèi)用戶群體能結(jié)合主觀意愿轉(zhuǎn)變目標(biāo)物體對(duì)象的方位，從最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)保證情景視圖部署的科學(xué)性。

2、游戲視圖

情景內(nèi)相機(jī)設(shè)施負(fù)責(zé)渲染游戲畫面，為本平臺(tái)對(duì)外發(fā)布以后用戶群體用肉眼能觀察到的內(nèi)容，具體是在平臺(tái)發(fā)布后按下工具欄內(nèi)的“播放”按鈕，于游戲視圖內(nèi)動(dòng)態(tài)預(yù)覽目標(biāo)物體對(duì)象的狀態(tài)，為平臺(tái)的調(diào)試與研發(fā)過(guò)程創(chuàng)造便利條件。

3、層級(jí)視圖

作用是呈現(xiàn)當(dāng)下情景內(nèi)全部物體對(duì)象之間存在的層級(jí)關(guān)系，將當(dāng)下情景內(nèi)各個(gè)虛擬對(duì)象囊括于其中。能提供父子化關(guān)系時(shí)該視圖持有的強(qiáng)大功能之一，使數(shù)個(gè)目標(biāo)對(duì)象方位轉(zhuǎn)移與編輯過(guò)程創(chuàng)造便利條件，且較明顯的提升處理結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4、項(xiàng)目視圖

歸納總結(jié)工程運(yùn)行全過(guò)程產(chǎn)生的各種可用資源，存儲(chǔ)了情景塑造過(guò)程中采用的3D模型、腳本、動(dòng)畫、材質(zhì)等資源。在這里筆者所重點(diǎn)提及的內(nèi)容是，要減少或規(guī)避于Unity編輯器外移動(dòng)或者對(duì)項(xiàng)目資源文件進(jìn)行重命名處理的行為，若有必要再行組織規(guī)劃或者遷徙某一資源，則推薦要在項(xiàng)目視圖內(nèi)操控完成，要么可能會(huì)打破資源文件與Unity工程前期建設(shè)的關(guān)聯(lián)性，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)整個(gè)工程構(gòu)成損傷^[5]。

5、檢視視圖

功能在于呈現(xiàn)虛擬情景內(nèi)當(dāng)下選中目標(biāo)物體對(duì)象持有的具體信息與屬性設(shè)置情況，常見(jiàn)的有目標(biāo)對(duì)象名稱、標(biāo)簽、旋轉(zhuǎn)角度、組件、坐標(biāo)方位、縮放比重等。

（三）Unity 3D的特征分析

1、專業(yè)化的物理引擎

擬化現(xiàn)實(shí)的物理情景是虛擬軟件必備的基礎(chǔ)功能之一，Unity 3D內(nèi)設(shè)置了物理引擎系統(tǒng)NVIDIA，當(dāng)目標(biāo)物體對(duì)象在情景內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，加速度或碰撞過(guò)程中需呈現(xiàn)出最為真切的物理效應(yīng)^[6]。重力、剛體及各碰撞器等均是常見(jiàn)的物理相關(guān)屬性，筆者如下簡(jiǎn)單闡述碰撞、剛體、材料的特征：

（1）碰撞：為觸發(fā)現(xiàn)象發(fā)出的最基礎(chǔ)物理?xiàng)l件，碰撞現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)條件有三個(gè)：一是產(chǎn)生碰撞行為的兩物體一定攜帶Collider;二是要有≥一個(gè)物體為剛體;三是兩個(gè)物體一定要產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

（2）將剛體施加于目標(biāo)物體對(duì)象，這是促進(jìn)情景內(nèi)不同物體對(duì)象交互的重要基礎(chǔ)條件，承載著重力及其他外力因素的影像。

（3）于情景內(nèi)，為提升真實(shí)度與渲染成效，應(yīng)有針對(duì)性的調(diào)整模型材質(zhì)將引擎資源整合至3d Max軟件內(nèi)，需對(duì)材質(zhì)球進(jìn)行染色處理，并科學(xué)調(diào)整模型與攝像機(jī)所處方位。

2、3A級(jí)圖像渲染技術(shù)

Unity 3D中添置了一百組著色器，其作用是調(diào)控可編程圖形對(duì)管線構(gòu)件的渲染流程，靈敏度、有效性均處于較高水平^[7]。針對(duì)引擎內(nèi)全部渲染任務(wù)，均要依托于Shader落實(shí)，基于此廣大用戶能取得較滿意的畫面渲染效果，并且拓展過(guò)程較便利。

3、實(shí)時(shí)光照技術(shù)

利用CI算法將實(shí)時(shí)全局光照技術(shù)整合至引擎內(nèi)，該先進(jìn)技術(shù)不僅能削弱因其性能的耗損量，還能提升情景的豐富度、逼真性。

4.路徑插件

Unity 3D引擎對(duì)iTween等多類型插件運(yùn)作過(guò)程能起到較好的支撐作用，持有的功能也表現(xiàn)出多樣化特征，以縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、顏色轉(zhuǎn)換及音頻處置等為主。數(shù)值插值為iTween的核心思想。可以iTween. path模塊為基礎(chǔ)取得發(fā)動(dòng)機(jī)智能拆裝的預(yù)期成效，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部件于X、Y、Z軸向的路徑軌跡位點(diǎn)^[8]。

（四）零部件建模的前期準(zhǔn)備工作

本課題選定的研究對(duì)象為大眾1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要采用燃油直噴及渦輪增壓技術(shù)，有結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、質(zhì)量輕微、能耗低級(jí)排放量分少、動(dòng)力輸出強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，本研究設(shè)計(jì)建設(shè)的虛擬裝配平臺(tái)的拆裝目標(biāo)對(duì)象采用的便是該款發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

1、準(zhǔn)備的內(nèi)容

本虛擬裝配平臺(tái)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)始源于三維掃描儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型精確掃查后獲得的結(jié)果，利用3dMax軟件再次制作模型^[9]。為確保裝配平臺(tái)能順暢運(yùn)轉(zhuǎn)、準(zhǔn)確的呈現(xiàn)出仿真虛擬效果，平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)其尺寸規(guī)格提出嚴(yán)格要求，文件的格式也設(shè)定為常規(guī)，便于在3d Max內(nèi)整改模型，建模結(jié)束后要確保導(dǎo)出結(jié)果均是受3 d Max和Unity 3D引擎支持的.FBX格式。眾所周知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)由兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)共同構(gòu)成，在建完很多零部件后，還需再次予以命名與分組處理。

2、命名和分組

大部分情況下，Unity 3D內(nèi)中文命名文件的兼容性很差，零部件類型、數(shù)目繁多時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)崩潰情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，故而同意用英文名稱進(jìn)行命名，為后期設(shè)置部件模型、腳本捆綁操作創(chuàng)造便利性。

3、處理模型

利用建模軟件整合至Unity 3D引擎內(nèi)的模型在X軸向位置會(huì)出現(xiàn)一定偏轉(zhuǎn)（-90°），這就預(yù)示著需于虛擬情景內(nèi)做出適度整改。當(dāng)下國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)動(dòng)機(jī)部件的制作材料以鋁制或鑄鐵為主，為復(fù)原現(xiàn)實(shí)成效，建模選用金屬材質(zhì)，無(wú)形中增加了精確辨識(shí)零部件界限的難度，削弱了視覺(jué)效果，故而為保證用戶能清晰觀察到不同零部件的具體構(gòu)成，針對(duì)模型制造材質(zhì)的差異性，采用不同顏色加以區(qū)別。見(jiàn)圖5^[10]。

（五）平臺(tái)界面的具體設(shè)計(jì)

用戶群體和機(jī)械設(shè)備之間的交互過(guò)程就是基于圖形用戶界面（GUI）實(shí)現(xiàn)的，故而可以認(rèn)為GUI起到了樞紐作用。提升GUI的交互設(shè)計(jì)水平，是強(qiáng)化視覺(jué)功能與操控體驗(yàn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要基礎(chǔ)。GUI也能通過(guò)擬編腳本形式建設(shè)健全層級(jí)界面，順利的完成相關(guān)情景之間跳轉(zhuǎn)任務(wù)，達(dá)成預(yù)定的運(yùn)作目標(biāo)。

1、設(shè)計(jì) GUI界面

在GUI界面的正確引領(lǐng)下，用戶群體能對(duì)虛擬裝配平臺(tái)的正確操作規(guī)程有更全面掌握，結(jié)合實(shí)際狀況選定適宜的情景，并且對(duì)角色做出科學(xué)定位，達(dá)成與之相配套的漫游功能。本課題設(shè)計(jì)的虛擬裝配平臺(tái)需要落實(shí)的項(xiàng)目類別較多，且不同層級(jí)之間建設(shè)了復(fù)雜的關(guān)系，這就對(duì)GUI的便捷性、邏輯性提出更高的要求，也要以操控過(guò)程為支撐把平臺(tái)的基礎(chǔ)信息傳遞給用戶，這樣呈現(xiàn)在用戶眼前的界面更美觀、舒適度更高^[12]。

依照虛擬裝配平臺(tái)事前設(shè)定的功能，對(duì)該平臺(tái)GUI的層級(jí)結(jié)構(gòu)做出科學(xué)規(guī)劃，從宏觀上主要將其細(xì)化為如下三個(gè)界面，即為初始、一級(jí)與二級(jí)界面。按下初始界面內(nèi)的“Let's begin”鈕能夠直接跳轉(zhuǎn)至一級(jí)界面，而基于一級(jí)界面內(nèi)不同機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)，用戶就會(huì)進(jìn)入至相關(guān)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)需要學(xué)習(xí)的模塊，實(shí)質(zhì)上就是二級(jí)界面。各層級(jí)均有“返回”按鈕，按下該按鈕能順利的返回到上個(gè)界面。

2、界面的基本構(gòu)成

為提升裝配平臺(tái)上有限空間的利用率，可以將背景圖片增設(shè)到初級(jí)平面上，該界面上儲(chǔ)有基本信息及所需實(shí)現(xiàn)的功能。創(chuàng)設(shè)一個(gè)Quad平面，于默認(rèn)狀態(tài)下該平面隸屬于背向剔除模式，用戶 只有從單個(gè)方向上方能觀察到，適度調(diào)整視角后方能觀察到整個(gè)平面，移去Mesh Collider組件，將圖片之間觸發(fā)與碰撞情況發(fā)生率降至最低。在對(duì)圖片加載前處理前認(rèn)真檢查紋理圖像規(guī)格尺寸，并預(yù)防在牽拉作用下圖片失真的問(wèn)題，嚴(yán)格依照寬高比拓展平面，最后將紋理的Shader模式設(shè)計(jì)成Unlit/Texture。設(shè)置流程見(jiàn)圖6^[13]。

（1）初始界面：右下角位置呈現(xiàn)出“1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配平臺(tái)”字樣，附加單張發(fā)動(dòng)機(jī)透視圖，操控人員按下“Let's begin”按鈕便能順利進(jìn)入至下級(jí)界面，即為一級(jí)界面。

（2）一級(jí)界面：觀察該界面，最先映入眼簾的是裝配平臺(tái)的全部教學(xué)項(xiàng)目，基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃其所屬類別，即兩機(jī)構(gòu)、五系統(tǒng)。于該層級(jí)界面中內(nèi)，“整體”實(shí)質(zhì)上就是教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)總成，在該項(xiàng)目的支撐下用戶能捕獲到與發(fā)動(dòng)機(jī)所有拆卸、組裝知識(shí)與運(yùn)作原理，點(diǎn)擊菜單內(nèi)任一選項(xiàng)均能順利步入至相應(yīng)部分，即二級(jí)界面^[13]。

（3）二級(jí)界面：可以將該層級(jí)界面理解為虛擬裝配平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自身功能時(shí)所需做出的設(shè)計(jì)行為，界面規(guī)劃了預(yù)覽窗口，其能籠統(tǒng)的介紹相關(guān)專業(yè)學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)掌握的教學(xué)項(xiàng)目、預(yù)覽圖等有關(guān)信息，同時(shí)還呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、手動(dòng)拆裝、實(shí)訓(xùn)測(cè)評(píng)與零部件檢修五大功能選項(xiàng)。

①結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：本文這里以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵為實(shí)例，分析器及結(jié)構(gòu)組成，相關(guān)人員可以通過(guò)自主調(diào)整觀測(cè)角及旋轉(zhuǎn)、縮小與放大等，掌握部件具體名稱、功能提示等。

②智能拆裝：等同于觀察機(jī)油泵組件拆卸、安設(shè)過(guò)程，還能較真切的演示機(jī)油泵運(yùn)作過(guò)程中內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)功動(dòng)畫。

③手動(dòng)拆裝：這是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要環(huán)節(jié)，等同于用戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件實(shí)施拖、拽處理，依照檢修手冊(cè)設(shè)定的規(guī)程對(duì)機(jī)油泵組件進(jìn)行規(guī)范正確拆裝，人工拆裝過(guò)程中帶有零件提示功能。

④實(shí)訓(xùn)考評(píng)：于該情景內(nèi)主要完成計(jì)分、計(jì)時(shí)操作，具體考評(píng)實(shí)踐中，若發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件安裝方位或次序存在錯(cuò)差，則直接記作為0分，此時(shí)也不會(huì)做出零件提示等有關(guān)信息，后臺(tái)咨詢過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最后將其納入至總分^[14]。

⑤零部件的檢查與維修：步入至該畫面后，本文以機(jī)油泵為實(shí)例進(jìn)行具體化研究，有一項(xiàng)檢修項(xiàng)目是采用塞尺檢查轉(zhuǎn)子和機(jī)油泵體兩者存在的縫隙，檢測(cè)結(jié)果判斷磨損度是否處于限定范圍中。動(dòng)畫效果呈現(xiàn)出正確檢查、維修流程。

（六）界面功能的實(shí)現(xiàn)

在規(guī)劃設(shè)計(jì)虛擬裝配平臺(tái)全過(guò)程中，均要秉持簡(jiǎn)潔原則，僅留置傳送信息過(guò)程所需的級(jí)必要的操作按鈕。

利用平面排布法部署 一級(jí)界面，具體是把裝配平臺(tái)上所有教學(xué)項(xiàng)目與器械整體設(shè)作為界面設(shè)計(jì)階段選定的主要內(nèi)容。點(diǎn)擊任何機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)便能順利的進(jìn)入至相應(yīng)流程，按下“返回”按鈕即返回到主界面。在以上過(guò)程中我們選定“整體”教學(xué)項(xiàng)目。

步入至“整體”項(xiàng)目后，便是二級(jí)界面，能夠觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)模型的全貌，可結(jié)合主觀需求按下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、手動(dòng)拆裝、實(shí)訓(xùn)考評(píng)、零部件檢修按鈕，實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能，按下“返回”按鈕就能快速返回至上層級(jí)界面，“退出系統(tǒng)”即由平臺(tái)系統(tǒng)退出^[15]。步入至二級(jí)界面后，本文以“智能拆裝”為實(shí)例加以分析，利用Animation動(dòng)畫制作結(jié)束后，能播出發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化拆卸與裝設(shè)流程。

（七）平臺(tái)結(jié)構(gòu)展示功能

1、三維立體展示視角

三維立體展示視角明確鼠標(biāo)能動(dòng)態(tài)化操作攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到360°自由全方位旋角的功能，滾輪有縮放模型大小的功能，于程序腳本內(nèi)需詳細(xì)錄入各幀的數(shù)據(jù)，各幀均有調(diào)用鼠標(biāo)的縮放與旋轉(zhuǎn)變量、攝像機(jī)方位的功能。依照以上程序調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源，當(dāng)測(cè)得調(diào)用各幀的頻率>30幀/s時(shí)，于視圖就能觀察到360毒平滑呈現(xiàn)視角的效果。

2、零部件信息顯示

當(dāng)鼠標(biāo)經(jīng)由某個(gè)零部件時(shí)，便能夠清晰的呈現(xiàn)出該零件持有的有關(guān)信息。調(diào)取鼠標(biāo)懸停事件，等同于觸發(fā)OnMouseOver（）方法。鼠標(biāo)停放于某一零件時(shí)，屏幕底層便能清晰的呈現(xiàn)出該零件的具體命名，本文以冷卻液泵為實(shí)例擬編代碼，將Mesh Collider碰撞器增設(shè)于冷卻液泵模型內(nèi)，鼠標(biāo)懸停于該處時(shí)，游戲視圖上就會(huì)呈現(xiàn)出肉眼清晰可見(jiàn)的“冷卻液泵”字樣;鼠標(biāo)脫離此物時(shí)，零件名稱隨即消失。也可以把冷卻液泵所屬系統(tǒng)、拆裝器具等信息增設(shè)于腳本CoolantPump內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)：

本文介紹了引擎Unity 3D 的功能特征，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型做出優(yōu)化處置、命名與分組等前期準(zhǔn)備工作;在設(shè)計(jì)GUI界面時(shí)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專業(yè)教學(xué)項(xiàng)目制作與跳轉(zhuǎn)不同層級(jí)界面，最后達(dá)成虛擬裝配平臺(tái)的主要功能，即結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、人工手工拆裝、考評(píng)系統(tǒng)與故障檢查與檢修。在故障檢修環(huán)節(jié)中，以檢查、測(cè)量氣缸體翹曲度指標(biāo)為實(shí)例加以分析，構(gòu)建出完整化的虛擬裝配系統(tǒng)，希望能為相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展創(chuàng)造輔助平臺(tái)。

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