葉鳳華，葉 歡

(1.廣東工業(yè)大學，廣州 510090；2.廣州美術學院，廣州 510260)

0 引言

隨著3D動畫渲染技術的革新和市場需求的逐漸擴大，3D動畫渲染技術被廣泛的應用在許多領域，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、化工和醫(yī)療等行業(yè)，因此更多的研究人員投入到了3D引擎技術的開發(fā)上，特別是Flash三維引擎技術。由于技術瓶頸，F(xiàn)lash和3D引擎技術在農(nóng)機設計中的使用還較少，而采用該技術可以將真實的農(nóng)機作業(yè)場景通過數(shù)字化處理后，利用計算機終端，使設計者將農(nóng)機置身于真實的作業(yè)場景中，實現(xiàn)農(nóng)機和作業(yè)場景的交互功能，對于農(nóng)機的硬件改善和創(chuàng)新設計具有重要的意義?；诂F(xiàn)代化農(nóng)機的需求性和功能性分析，將Flash和3D引擎技術引入到農(nóng)機數(shù)字化系統(tǒng)中，將會有效地提高設計的動態(tài)效果，從而提高農(nóng)機設計的可視化水平。

1 基于Flash三維引擎的農(nóng)機可視化技術

在農(nóng)機3D場景的渲染過程中，一般而言，一個3D場景會包含多個幾何單元，每個幾何單元都是由真實圖像通過離散提取出來的關鍵點，這些關鍵點可以由三角形組成，每個三角形由3個頂點組成。因此，在進行渲染時，一般需要定義一些頂點的集合，通過這些頂點來定義相關的場景信息，如貼圖或頂點顏色，從而完成場景的渲染過程，如圖1所示。

圖1 三維場景渲染示意圖Fig.1 Sketch diagram of 3D scene rendering

三維引擎的開發(fā)非常復雜，因為三維引擎系統(tǒng)的組成模塊較多，包括各種渲染器、界面操作和輸入輸出文件管理系統(tǒng)等；另外，還有很多輔助性的工具箱，如腳本和場景編輯器等，這也需要大量的程序開發(fā)人員來設計。API是三維引擎設計和開發(fā)的主要技術支持，對三維引擎技術的研究主要是為了使程序開發(fā)設計人員以最短的時間設計出高效引擎系統(tǒng)，從而減少系統(tǒng)開發(fā)的開支。

圖 2為農(nóng)機三維引擎的層次結構。該結構基于Flash界面模塊，將邏輯類型和管理輸入封裝為農(nóng)機三維引擎類庫，具有精靈、場景和攝像等功能，通過資源的管理，實現(xiàn)農(nóng)機三維場景的渲染。

圖2 三維引擎層次結構Fig.2 Three-dimensional engine hierarchy

2 基于小波重構的3D場景渲染

(1)

而離散化小波變換系數(shù)則可表示為

(2)

其重構公式為

(3)

其中，C是一個與信號無關的常數(shù)。假設一個二維信號f(x1,x2)，x1,x2表示信號在空間內的橫坐標和縱坐標，基本小波函數(shù)為ψ(x1,x2)，若ψ(x1,x2)=φ(x1)·φ(x2)。則可以令ψ(x1)是與φ(x1)對應的一維小波函數(shù)，于是可以將二維小波函數(shù)分離成3個正交小波基函數(shù)，即

ψ1(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(4)

ψ2(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(5)

ψ3(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(6)

三維小波重構的方法也以此類推，利用一次小波變換可以將圖像分解成一個低頻子帶LL和3個高頻子帶。其中，高通水平和低通垂直子帶用HL表示，低通水平和高通垂直子帶用用LH表示，高通水平和高通垂直子帶用HH表示。通過一次小波變換后，分辨率變成原來的一半，頻率范圍也減半。在進行第二次小波變換時，只對低頻子帶進行變換，將其分解成LL1、LH1、HL1和HH1，通過第2次小波變換后，其分辨率變?yōu)樵瓉淼?/4，頻率范圍進一步減半，以此類推。所以，通過一次小波變換可以得到4個子帶，通過M次分解可以得到3M+1個子帶，如圖3所示。

圖3 圖像的三級小波分解圖Fig.3 Three level wavelet decomposition of image

根據(jù)小波算法的特點，結合系統(tǒng)的需求和功能，設計了系統(tǒng)的開發(fā)流程，最主要的是利用模型和材質建立虛擬仿真模型，然后使用Flash3D引擎，對虛擬系統(tǒng)進行集成開發(fā)，其流程如圖4所示。

圖4 農(nóng)機在線虛擬渲染流程Fig.4 Online virtual rendering process of farm machinery

首先是場景的拍照，這是作業(yè)場景環(huán)境渲染的基礎；然后，通過圖像處理提取環(huán)境圖像的關鍵信息，利用關鍵信息進行3D建模操作。在3D建模過程中可以借助Flash提供的3D引擎，利用其資料庫中的材質，并使用壓縮技術，提高在線渲染的設計效率，通過在線設計渲染可以輸出農(nóng)機的作業(yè)情節(jié)，從而為交換式的設計提供參考。

3 基于Flash和3D技術的玉米育苗機器人作業(yè)場景渲染

為了使3D渲染場景更加接近于現(xiàn)實場景，在真實的玉米育苗農(nóng)田環(huán)境下，對作業(yè)場景進行了圖像采集，通過圖像的離散化和圖像的重構技術，對真實環(huán)境進行虛擬化渲染，以達到逼真的效果，實現(xiàn)交互式設計。

圖5為農(nóng)田育苗作業(yè)場景的3D圖像采集示意圖。利用高清攝像頭對玉米圖像進行采集后，使用機器人上搭載的筆記本電腦對圖像進行實時的處理，通過圖像離散化得到了如圖6所示的處理結果。

圖5 農(nóng)田作業(yè)場景3D圖像采集Fig.5 The 3D image acquisition of farmland operation scene

圖6 農(nóng)作物圖像離散化Fig.6 Crop image discretizati

根據(jù)圖像的色彩可以將圖像離散成許多微小單元，這些單元可以進行修改，從而實現(xiàn)圖像的重構，達到環(huán)境和農(nóng)機交換性的設計效果。通過作物三維重構得到了如圖7所示的作物渲染效果圖。

圖7 農(nóng)作物圖像渲染效果Fig.7 Crop image rendering effect

利用Flash和3D技術對圖像進行重構后得到的3D渲染效果，將作物至于更大的三維空間內，可以實現(xiàn)農(nóng)機的三維作業(yè)場景渲染，通過渲染得到了如圖8所示的三維渲染效果。

圖8 育苗機器人作業(yè)場景渲染Fig.8 Working scene rendering of seedling robot

由圖8可以看出：利用渲染效果可以虛擬育苗機器人的作業(yè)場景，實現(xiàn)設計和產(chǎn)品仿真的交互性效果。3D系統(tǒng)的渲染需要較大的計算開支，而利用小波重構和Flash軟件壓縮算法可以有效的降低計算開支，利用程序設計可以實現(xiàn)對渲染場景材質的控制和共享操作。

由表1數(shù)據(jù)可知：利用小波重構技術，以Flash格式存儲材質文件，實現(xiàn)了3D場景大文件的壓縮，但3D場景的效果并不受影響，從而加快3D動畫場景渲染的解析速度，實現(xiàn)了3D資源材質的優(yōu)化配置。

4 結論

為了提高農(nóng)機現(xiàn)代化設計的可視化水平，引入了Flash和3D渲染技術，通過3D引擎實現(xiàn)了農(nóng)機產(chǎn)品作業(yè)場景的三維渲染。使用Flash和小波重構方法，在基本不影響效果的情況下，實現(xiàn)了極大程度的壓縮，從而使農(nóng)機3D可視化渲染過程的計算開支更少，保證了系統(tǒng)的流暢性。最后，以育苗機器人為例，展示了農(nóng)機設計的可視化渲染過程，說明3D動畫渲染技術在農(nóng)機產(chǎn)品可視化設計中應用具有可行性。利用直觀、逼真的農(nóng)機設計交互方式，會大大提高農(nóng)機產(chǎn)品設計過程的信息含量，從而提高現(xiàn)代化農(nóng)機設計的水平。

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