在建筑门窗中浮法玻璃生产系统的可视化研究

吴敬兵 陈 玲

（武汉理工大学机电工程学院 武汉湖北 430070）

1 引言

浮法工艺具有高产低耗、深加工空间大等优点，成为玻璃生产中应用最广泛的工艺方法[1]。若对浮法工艺理论认识不足，就会严重影响浮法玻璃工业的发展。

当前浮法工艺的理论教学主要是书本与实地参观相结合的方式，浮法玻璃生产设备在运行时，只能看到设备外形，无法观察其内部生产状态[2]。而一般可视化研究仅针对某一关键设备进行模拟展示，而缺乏对整体工艺流程的逼真模拟，学习者很难系统地建立起完整浮法工艺的立体形象[3]。

因此，本文提出了对浮法玻璃整体生产工艺流程的可视化研究，利用几何与图像的混合建模技术，在3Ds max和SolidWorks中设计了工艺设备和厂区环境的三维模型；基于场景优化技术，提出了浮法工艺可视化的优化方案；采用UNIGINE引擎，探索了浮法玻璃生产可视化系统的开发过程。

2 虚拟场景建模

2.1 建模技术的介绍及选用

几何建模是虚拟场景建模技术的基础[4]，其实质是通过建立几何实体模型来构建虚拟场景。几何建模技术的优点有：可交互性强，能实时浏览与实时操控；

几何实体能够抽象表达对象的几何信息，易于存储；所需信息量较小，算法简单。

但几何建模技术存在着场景逼真性与渲染实时性的矛盾。简化模型，数据量降低，真实感会减弱，甚至导致某种程度的失真；精细模型，真实感增强，但数据量增大，渲染速度慢，且模型构建更复杂。

图像建模的原理是利用计算机图像处理技术将相机采集的图象组织成全景图象，然后把多幅全景图象组织成完整的虚拟场景。图像建模的优点有：场景真实感好，建模简单，数据量小，实时性强，渲染速度快。但图像建模技术构建的虚拟场景，本质是图像构成的封闭空间，缺乏交互性，仅能实时浏览，不能实时操控。

综上所述，图像建模与几何建模各有优势和不足。为了缓和渲染速度与可交互性的矛盾，本文采取基于图像与几何的混合建模技术。

混合建模的步骤如下：利用几何建模构建几何实体，利用图像建模引入纹理贴图还原对象外观；用几何建模对可交互模型进行精细建模；给可交互模型添加交互模块。混合建模技术能够综合图像建模和几何建模的优点，在提高场景逼真感的同时，保证实时浏览与交互的高度结合，实现实物虚化、虚物实化，达到真正意义上的沉浸。

2.2 浮法玻璃生产系统可视化建模技术路线

在建模过程中，要明确模型细节，选择合适的建模方法，在满足需求的同时减少模型多边形数量。本文中虚拟场景建模步骤如下：

（1）前期准备：包括数据采集及预处理、场景模型结构层次的划分及优化；

（2）建模过程：依据场景模型结构，依次建立局部模型，最后整体集成；

（3）后期优化：三维模型的优化，虚拟场景的优化，场景的集成与调度。

浮法玻璃生产可视化系统的虚拟场景，主要分为生产线和玻璃厂区两部分。依据浮法工艺流程将生产线分为：投料机、玻璃熔窑、锡槽、退火窑、冷端、切割线等；玻璃厂区分为：玻璃厂房、天空远景、地形道路、环境景观等。

3 虚拟场景优化技术

优化技术是可视化研究的关键技术，直接影响系统的渲染速度和运行效率。本文采用的优化技术具体如下：

（1）层次结构优化：建模前层次结构的划分及初模后层次结构的调整；

（2）纹理贴图优化，利用Photoshop处理贴图，改变其格式、大小等；

（3）模型轻量化：利用剔除冗余多边形、纹理映射等技术尽量减少模型的多边形数量；

（4）场景优化：采用实例化技术、LOD技术和外部引用技术等对虚拟场景进行优化处理。

4 浮法玻璃生产可视化系统的总体思路

4.1 建模软件及开发平台

课题研究的可视化虚拟场景包括熔窑、锡槽、退火窑等工艺设备和厂区环境。所选建模软件需满足：易学易用，以便于按期完成场景制作；能处理数据量庞大的虚拟场景；与其他建模工具和开发平台兼容性良好，便于模型导入导出。所选开发平台需满足：渲染效果真实；逼真的烟雾、流体等粒子效果；易学易用，以便于按期完成系统开发等。

UNIGINE作为原生的三维引擎，拥有许多强大功能：允许设置渲染模式且渲染效果良好；强大的脚本系统为可视化系统的开发提供了无限可能[5]；内置的动画编辑器、材质编辑器、节点编辑器便于场景的制作和管理；高度可扩展性，能够兼容其它计算机语言开发的外部模块等。

综上所述，选用3Dsmax与SolidWorks协同建模；选用UNIGINE作为浮法玻璃生产可视化系统的开发平台。

4.2 总体思路及技术路线

具体开发工作如下：在SolidWorks中精细创建工艺设备；在3Ds max中构建厂区环境；将模型文件导入UNIGINE中进行场景编辑；测试运行系统并发布。开发流程如下：

（1）数据采集：包括地形环境、生产线布局、设备工作原理、工艺设备设计图纸以及厂区布局图纸等；

（2）场景构建：依照设计图纸在SolidWorks中创建设备模型；依照环境布局在3Ds max中构建厂区环境模型并贴图；

（3）模型导入：将SolidWorks和3D smax的模型文件保存成UNIGINE可兼容的格式，并导入UNIGINE场景中；

（4）场景的编辑：模型材质的赋予；创建粒子效果；制作设备运行动画；编辑模型节点等；

（5）功能模块的开发：基于功能需求，通过Unigine Script和c#语言设计功能模块，实现交互逻辑；

（6）系统发布：整理所有文件，发布成exe可执行文件，便于用户使用。

5 浮法玻璃生产可视化系统的开发过程

5.1 虚拟场景的集成

场景的构建是按照场景层次结构的划分进行，初模后需进行集成，最终形成完整场景。模型集成的实质是：将单独建立的模型分组存储；将单独建立的模型文件整合在一起，并按照布局位置摆放，形成完整的虚拟场景。将SolidWorks中创建的工艺设备和3Dsmax中构建的厂区环境导入UNIGINE，并依照玻璃厂鸟瞰图，将模型摆放至合适的位置。

5.2 资源文件的制作

考虑到在浮法玻璃生产可视化系统中，需要对工艺设备的工作原理及结构进行展示，需要制作相关资源文件。创建图片说明设备的故障检修，保存成PNG格式；利用语音合成软件，输出工艺讲解语音文件，保存成MP3格式；利用AE制作设备模型的运行视频，保存成MP4格式；通过对SolidWorks进行二次开发，提取SolidWorks中制作的动画关键帧，保存成track格式。

5.3 UNIGINE中虚拟场景的编辑

虚拟场景的编辑包括材质的编辑，节点的编辑，粒子效果的创建，动画的编辑等。通过材质编辑器新建材质库，向其中添加材质效果，更改相关属性，赋予模型材质效果，如金属、喷漆等；节点的编辑，包括节点的删除、添加及属性的修改等，可以在节点编辑器和脚本文件中编辑；创建粒子效果，包括烟雾、火焰、砂石等，向场景中添加ObjectParticles类的node节点，并修改其属性，生成所需粒子效果；动画的编辑，利用动画编辑器，编辑模型节点的位置、透明度等参数创建关键帧，并写入track文件。

5.4 功能模块的设计

功能模块包括：漫游功能，设备的快速定位，文字、图片、视频的显示隐藏，动画的播放停止等。

（1）漫游功能。虚拟场景的漫游包括自由漫游和路径漫游。自由漫游即通过交互设备控制相机的位置和朝向，路径漫游即按照既定路径进行场景漫游，其既定路径是通过设置相机的运动路径和朝向得到。

（2）设备的快速定位。快速定位即通过交互设备快速定位至某一关键设备的工艺环节。首先获取设备对应相机的世界坐标数据，并存储在配置文件中；然后通过交互获取当前相机世界坐标，将其设置为目标设备对应相机的世界坐标。

（3）文字、图片、视频的显示隐藏。即在自由漫游的同时，通过交互显示隐藏文字、图片、视频，并保证显示时始终对用户视角可见。

（4）动画的播放停止。通过加载内置动画文件，在引擎渲染每帧画面前，根据当前时间节点，设置对应渲染效果。

6 结束语

本课题结合了三维建模技术与可视化技术，开展了浮法玻璃生产过程的可视化研究。选用3D smax与SolidWorks进行混合建模，选用UNIGINE作为开发平台，设计了浮法玻璃生产可视化系统的开发流程。这对于浮法工艺的理论教学和优化发展具有重要意义，也为浮法工艺的虚拟现实控制系统提供了技术基础。