苗維平

摘? 要： 針對當前階段產(chǎn)品效果展示平臺存在的現(xiàn)實感弱、畫面加載速度慢等問題，以提升展示平臺沉浸感、運行流暢性為目的，提出建設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，進行總體框架設計，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)流程及實現(xiàn)途徑，進行基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品展示平臺設計。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行選擇，并能夠根據(jù)自己的需要變換虛擬攝像頭實時觀測所設計的工業(yè)產(chǎn)品的全方位立體效果。實驗結(jié)果表明，設計方案可行且提高了畫面加載速度，現(xiàn)實感強。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)產(chǎn)品設計; 展示平臺設計; 三維視覺; 平臺架構(gòu)設計; 三維建模; 仿真實驗

中圖分類號： TN911.73?34; TP39? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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，立體視覺在計算機視覺等領(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，并實現(xiàn)用戶與此環(huán)境直接進行交互[1]。

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

基于工業(yè)產(chǎn)品用戶實際需求，開展工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示平臺的架構(gòu)設計，提升用戶沉浸感，并將交互技術(shù)應用到工業(yè)產(chǎn)品設計展示平臺中，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)品設計平臺功能

工業(yè)產(chǎn)品設計展示平臺可實現(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)品設計有關(guān)的內(nèi)容，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)的導入與分析處理，全方位塑造產(chǎn)品的變化效果，合理評估工業(yè)產(chǎn)品設計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)設備框架，保證工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)展示節(jié)點、可控節(jié)點以及網(wǎng)絡通信設備的性能，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)服務器節(jié)點進行分配與管理，對網(wǎng)絡資源以及系統(tǒng)設備進行調(diào)控管理等[4]。

1.2? 產(chǎn)品三維渲染模塊

工業(yè)產(chǎn)品渲染模塊可實現(xiàn)產(chǎn)品三維虛擬架構(gòu)模型的三維動態(tài)渲染和實時交互、超分辨率圖片的動態(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，事件響應具有顯著差異的問題[6]。主要利用交互引擎，同時對各類模塊環(huán)節(jié)進行增強顯示的可視化交互，為適應更多類型的工業(yè)產(chǎn)品在三維虛擬展示平臺進行虛擬展示，研發(fā)不同類型的接口，實現(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，同時配備了工業(yè)產(chǎn)品設計所需使用的相關(guān)組件，實現(xiàn)組件管理與連接，同時該模塊也能夠?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)設計

工業(yè)產(chǎn)品設計展示平臺架構(gòu)設計，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。為保證三維虛擬展示平臺的正常運行與拓展，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，全面實現(xiàn)產(chǎn)品三維模型制作、材質(zhì)渲染、互動性光線追蹤、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、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的空間想象能力，對控制點的使用要盡可能少。

3.2? 虛擬模型UV材質(zhì)貼圖技術(shù)

結(jié)合當前階段工業(yè)產(chǎn)品流水線設計工作需求，用UVW展開后存儲，并將存儲好的UVW貼圖置入Photoshop軟件獨立圖層中，以該圖層為基礎(chǔ)復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，實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示的完整表達。

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，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的多角度轉(zhuǎn)換，來呈現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品生成過程中多個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拍攝角度，以達到更直觀的產(chǎn)品視覺效果。

4? 測試結(jié)果與分析

為有效驗證基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品設計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臺計算機作為實驗對象。仿真實驗過程中，先對平臺相關(guān)實驗參數(shù)設定，結(jié)果如表1所示。

平面頂點分布是評價不同產(chǎn)品虛擬效果展示平臺性能的關(guān)鍵指標。一般情況下，平臺展示的工業(yè)產(chǎn)品各個平面上頂點分布越均勻，說明平臺展示產(chǎn)品三維視覺效果越逼真。令2臺計算機下的產(chǎn)品虛擬效果展示平臺同時開始相關(guān)程序，繪制工業(yè)產(chǎn)品外觀，記錄設定時間內(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，本文設計的產(chǎn)品效果虛擬展示平臺上各平面頂點分布更為均勻，不同頂點連接而成的面積更大;對照平臺各平面頂點散布呈小區(qū)域聚集，各頂點連接而成的面積小。說明本文設計的工業(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)是評價二維局限性的關(guān)鍵指標，平臺的連接線結(jié)構(gòu)越錯綜復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的基礎(chǔ)上，將距離較近的兩個頂點相連，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，本文設計的產(chǎn)品效果虛擬展示平臺平面頂點之間的連接線發(fā)生錯綜復雜的交叉，結(jié)構(gòu)較為復雜，與對照平臺相比，對照平臺平面頂點之間的連接線沒有交叉現(xiàn)象，說明頂點與頂點之間的連接線結(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。為了驗證本文設計的基于三維視覺的工業(yè)產(chǎn)品效果虛擬展示平臺實際運行過程中的流暢效果，對平臺在不同硬件配置下的運行性能進行測試。從運行性能表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，平臺運行效果較好。

5? 結(jié)? 語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與立體視覺技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品效果展示設計的立體視覺呈現(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。采用鏡頭語言實現(xiàn)產(chǎn)品模型360°動畫演示，以便用戶可以通過多個角度觀測工業(yè)產(chǎn)品外觀造型的局部細節(jié)效果。相比傳統(tǒng)的產(chǎn)品展示平臺，本文設計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)運行流暢，運行效果較好。

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