艺术外观渲染下的农机三维建模与模拟分析

聂 婷

(重庆城市职业学院,重庆 402160)

0 引言

三维建模技术的发展为各领域提供一种三维可视化建模方法。利用三维建模技术能够创建与真实物体结构一致的模拟实体,甚至模拟物体真实运动[1]。应用在地震研究领域,可以模拟出地震板块运动过程;应用在气象领域,能够真实重建降雪、降雨情况,研究天气变化趋势。使用三维建模技术模拟实体运动,具有直观、可视化等优点[2],因此设计农机时,可应用该技术对农用机械实施三维建模与模拟。

大部分三维农机建模忽视机械外观渲染,导致农机特征不突出,光线明暗变化效果差。为解决该问题,笔者从艺术外观渲染角度对农机展开三维建模与模拟分析[3]。农机艺术外观渲染注重颜色、光线、材质的合理搭配,用高光与阴影体现农机的明暗变化,外观渲染完成后的三维农机模型真实感较强、立体效果突出。

本文分析了艺术外观渲染下农机三维建模与模拟情况,利用HSL模型从色相、饱和度及亮度3个通道渲染农机模型外观颜色[4],增强农机外观对比度;采用OpenGL创建光源,定义光源与材质属性,获取较优的高光、阴影效果[5];渲染后的文件规模较大,基于小波重构方法压缩上述渲染文件规模,提高渲染效率;最后,以农机齿轮建模过程为例,根据三维建模步骤构建渲染后的三维农机模型,经过模拟验证,所构建三维农机模型立体化效果优、机械特征显著。

1 基于外观渲染的农机三维建模与模拟

1.1 三维农机模型外观渲染

采用HSL模型渲染农机三维模型的外观颜色,通过OpenGL渲染农机模型光照效果。为减小三维渲染数据规模、提高渲染效率,采用小波重构方法压缩三维渲染文件规模,这样渲染得到的农机三维模型效果好、渲染效率高。

1.1.1 利用HSL模型渲染农机模型外观颜色

HSL颜色模型渲染三维模型应用频率较高,如图1所示。

图1 HSL颜色模型

图2 色相取值范围

1.1.2 采用OpenGL渲染农机模型光照效果

为突出农机三维模型真实感,添加光照效果,光照渲染可突出三维模型不同层次、不同明暗程度变化效果。采用OpenGL定义农机三维模型光照效果,完成农机外观光照渲染[8]。光源、材质、光照是现实光线的3种构成,定义光源、材质及光照属性参数,以得到不同光照效果。

1) 光源创建与光源属性定义。颜色、位置和方向是光源三大属性,采用OpenGL定义光照效果过程中,光源属性定义与光源创建采用glLightfv()函数实现,以此为前提,通过glEnable函数开启农机三维模型光源。环境光、漫反射光和镜面光是OpenGL光源渲染的三大类别,以3种光分量为前提,叠加光分量得到优秀的农机三维模型呈现的光照渲染效果[9]。光源方向对环境光毫无影响,光源方向与发现方向干扰漫反射光的形成,光源、法线、视角三者方向严重影响镜面光的形成[10]。环境光不存在于光源之中,因为{0.0,0.0,0.0,1.0}是环境光初始值。{1.0,1.0,1.0,1.0}是漫反射光初始值,呈亮白色,光源颜色在很大程度上决定漫反射光的颜色。按照农机三维建模的需求,设置不同光源分量数值得到符合要求的光线渲染效果,因为参数取值差异决定光照效果存在差异。

2) 农机三维模型材质属性设置。三维场景光源、农机模型材质相互作用呈现农机模型的颜色效果,农机模型的颜色利用HSL模型设置,在此基础上选取OpenGL的GL-COLOR-MATERIAL颜色材质模式,完成材质上色。

采用上述颜色模型、光照渲染方法渲染后的农机部件如图3所示。由图3可以看出:渲染出的农机部件具有明暗对比显著、饱和度适中、光线效果接近现实的优点,为构建优质三维农机模型提供了有利条件。

图3 农机部件渲染效果

1.1.3 基于小波重构的模型渲染文件压缩

三维模型渲染生成的文件规模较大,严重干扰农机模型渲染与输出速度[11],需采用小波重构方法压缩渲染文件与数据,根据实际情况展示农机三维模型。

定义ψj,k(t)表示离散小波函数,表达式为

(1)

其中,k为小波系数。

离散化小波变换系数为

(2)

离散化小波变换重构形式为

(3)

其中,D为常数,同渲染数据信号不存在关联。定义f(m1,n2)为二维渲染数据信号,信号在空间中的横坐标用m1描述,纵坐标用m2描述,ψ(m1,m2)表示基本小波函数。当ψ(m1,m2)=λ(m1)·λ(m2)时,λ(m1)相应的一维小波函数用ψ(m1)描述。基于这种情况,分割二维小波函数为3个正交小波函数,即

ψ1(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(4)

ψ2(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(5)

ψ3(m1,m2)=λ(m1)λ(m2)

(6)

待渲染图像被一次小波分割为1个低频子带、3个高频子带,最终得到三维小波重构方法[13],如图4所示。图4中,HL、LH、HH分别为高通水平和低通垂直子带、低通水平和高通垂直子带、高通水平和高通垂直子带。三维模型中图像元素分辨率和频率范围缩减至1/2,完成第1次小波变换;三维模型中图像元素分辨率和频率范围缩减至1/4,完成第2次小波变换[14];以此类推,分解a次得到3a+1个子带。

图4 三级小波分解图

采用上述方法压缩了农机三维模型渲染文件规模,可降低渲染用时,提高了农机三维建模渲染效率。

1.2 艺术外观渲染下农机三维建模

1.2.1 构建农机齿轮三维模型

齿轮是大部分农机必不可少的组成部分,在艺术外观渲染下,以农机齿轮建模为例,构建农机齿轮三维模型。

农机的圆锥体上排列多个直齿圆锥齿轮,排列顺序为由大至小。齿轮大小端参数设置存在差异,标准值以大端为准。球面渐开线是农机齿轮的齿廓类型,农机齿轮三维建模难度较大,一定程度上因球面渐开线不能转化成平面曲线,一般用背锥中的齿形替换大端球面中的齿形可解决该问题。背锥以平面状态存在后,降低农机齿轮三维建模与模拟难度。农机齿轮背锥上的渐开线极坐标表达式为

(7)

其中,re为背锥面中的基圆半径用;εg表示压力角。

将re公式转成公式(8),才能符合在背锥上得到渐开线要求,即

(8)

其中,m和z分别为农机齿轮模数和齿数;χ为分度圆锥角。

为符合三维软件中直角坐标标准,将公式(8)写成公式(9)直角坐标方程形式,即

(9)

根据农机模拟原型得到详细农机参数,结合以上公式与农机参数,将结果输入到三维软件固定方程,点击规律曲线命令得到农机齿廓线,齿廓线经过垂直翻转与裁切命令得到完好无缺的大端齿廓线。农机齿轮三维建模与现实中的农机加工原理一致,农机齿槽的轮廓曲线即大端齿廓线。得到大端齿廓线后,生成农机齿轮实体的步骤很简单,缩小齿廓线尺寸并粘贴在小端,扫掠两头的齿廓线,获取齿轮建模实体,为获取直齿圆锥齿轮模型应反复执行变换步骤。

1.2.2 艺术外观渲染下农机三维建模步骤

三维建模软件具备物理引擎功能,从重力、质量、摩擦等角度真实反映农机在现实生活中的运行状况。

农机三维建模过程描述为:

1) 三维建模软件接收到电子数据后,根据情况切换点模式与线模式。相同区域内散乱分布点在点模式作用焊接完成;点击线模式命令后,得到多边形可任意修改调整,此时农机三维模型呈现主动封闭状态。

2) 在面模式中执行命令,采用挤出工具按照电子数据内容设置农机部件高度,利用缩放工具调整农机模型得到面积、边长等数据。

3) 修改农机三维模型坐标轴,确保坐标轴在三维模型中央部分。

4) 建模完成的农机三维模型存储在相关文件根目录中,格式为FBX。

在上述三维农机模型基础上,采用2.1节的三维渲染方法为三维模型设置颜色、灯光等外观,最终得到效果较优的农机三维模型。

2 仿真测试

2.1 有效性分析

为验证本文三维农机模型的有效性,采用三维农机展开模拟测试。以农用机械中的某类型播种机为例,三维建模得到的播种机三维模型用图5描述。分析图5能够看出:经过外观渲染后的播种机造型更加立体、生动。从颜色渲染角度而言,明亮变化清晰、颜色对比显著;从光线渲染角度而言,三维播种机光线照射部分与背光部分存在明显差异,与实际光线照射情况一致。因此,本文构建的三维播种机模型可靠、有效,美化了播种机外观。

图5 播种机三维模型

采用本文三维播种机模拟田间播种活动,得到三维播种机的测试结果,如表1所示。由表1可以看出:构建的三维垄作免耕播种机模型能够有效完成播种、施肥、开沟等耕种任务,并且合格率均在95%以上;播种深度的合格率最高,达到98.6%。变异系数是描述播种机播种性能的变化几率,本文三维播种机的变异系数最大为4.2%,最小为2.6%,全部低于5.0%。这说明,本文三维播种机播种性能好、稳定性较强,没有大幅度性能波动,再次验证本文三维农机模型的有效性。

表1 三维播种机模拟测试结果

2.2 渲染效果分析

本文三维农机模型渲染外观时经历模型外观颜色渲染、光源创建与光源属性定义、三维模型材质属性设置等步骤,渲染后的三维播种机零件渲染效果如图6所示。分析图6(a)中齿轮渲染效果,通过颜色明暗变化能够准确描述齿轮特征,每个齿轮中齿牙颜色变化显著,光线渲染后完整体现出齿轮高光部分,三维效果好。分析图6(b)中零件接口渲染效果,设置材质属性后,零件接口的金属质感较强,入口处光线设置与真实情况吻合,总体呈现的立体化效果好。

图6 本文三维播种机零件渲染效果

2.3 播种机性能分析

本测试研究三维播种机模拟播种的性能,引用基于CATIA的三维播种机、基于Pro/E的三维播种机展开对比测试。实验内容为:模拟播种3行,模拟播种行距为560mm,246kg为其结构质量。记录模拟播种过程中不同三维播种机模拟播种的前进速度、生产率、刀轴转速及油耗情况,如表2所示。由表2可知:所设计三维播种机的前进速度最快,达到3.4km/h,基于CATIA的三维播种机与基于Pro/E的三维播种机前进速度均比本文三维播种机低0.2 km/h;从生产效率模拟角度而言,本文三维播种机具有优势,相比基于CATIA的三维播种机高0.4hm2/h,相比基于Pro/E的三维播种机高0.5 hm2/h。本文三维播种机的模拟转速高达3.4r/min,相比另外两种三维播种机具有优势。本文三维播种机在上述前进速度、刀轴转速条件下,油耗量仅为9.11L/hm2,而基于CATIA的三维播种机油耗量为12.33L/hm2,基于Pro/E的三维播种机油耗量为14.21L/hm2。数据表明,本文三维播种机模拟播种时,性能最强,油耗量最少,是一种节能型三维播种机模型。

表2 三维播种机模拟耕种结果

续表2

生产率是评价播种机性能的关键指标,为突出本文三维播种机的生产率,在上述实验环境下,增加实验次数至5次,进一步测试不同三维播种机的生产率。图7描述了3种三维播种机模拟耕种的生产率情况。图7中,本文三维播种机的生产率位于最上方,基于CATIA的三维播种机位居第2,基于Pro/E的三维播种机生产率位于图像最下方。显然,本文三维播种机生产率最高。在5次播种模拟过程中,本文三维播种机的模拟生产率总体为上升趋势,第1次模拟生产率为0.212hm2/h,最后1次模拟生产率最高为0.219hm2/h,模拟播种性能好,进入工作状态后,生产率直线上升;基于CATIA的三维播种机模拟播种的生产率总体为下降趋势,第1次模拟生产率为0.18hm2/h,第2次测试中生产率有所下降,第3次生产率提升至0.18 hm2/h,之后模拟测试中生产率直线降低至0.153hm2/h;基于Pro/E的三维播种机模拟生产率总体为上升趋势,但是实验结束时的播种生产率仅为0.167hm2/h,低于本文三维播种机的最低值。

图7 不同三维播种机的模拟生产率

3 结论

1)采用HSL模型从色相、饱和度及亮度3个通道渲染农机模型外观颜色,增强农机外观对比度;采用OpenGL创建光源、定义光源与材质属性,获取较优的高光、阴影效果。

2)由于渲染后的文件规模较大,基于小波重构方法压缩了渲染文件规模,大大降低农机外观渲染用时。