張文英 何坤金 張榮麗 劉宇興

摘要：對于產(chǎn)品虛擬裝配的三維呈現(xiàn)過程中難以實現(xiàn)零件信息管理問題，結(jié)合電動車模型的拆裝，提出三維可視化與信息管理技術(shù)融為一體的設(shè)計方案。首先，建立三維模型庫，并根據(jù)電動車模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輔助信息，如零件的材質(zhì)、型號等，建立信息庫；其次，讀取信息庫中零件與子裝配體間的父子關(guān)系信息建立目錄樹，根據(jù)子裝配體與場景樹均為“多叉樹”組成結(jié)構(gòu)的原理進行子裝配體的三維呈現(xiàn)，再對子裝配體的各個節(jié)點設(shè)置動畫完成拆裝呈現(xiàn)；最后，采用多線程方法將電動車配件信息管理與可視化有機結(jié)合，實現(xiàn)支持三維的拾取交互查詢和檢索定位查詢等功能。系統(tǒng)以世紀(jì)鳥電動車進行驗證，實現(xiàn)了三維可視化技術(shù)與信息系統(tǒng)相融合，能快速有效地為電動車的三維呈現(xiàn)和虛擬裝配提供技術(shù)支持。實例驗證表明，所設(shè)計系統(tǒng)可以有效地將零件的信息管理融入到虛擬裝配的三維可視化中。

關(guān)鍵詞：

開源場景圖形三維渲染引擎的英文縮寫為OSG？是否正確？請明確。；三維可視化；信息管理；虛擬裝配；人機交互

中圖分類號： TP391.9 文獻標(biāo)志碼：A

0引言

隨著計算機圖形學(xué)、計算機可視化技術(shù)、工藝設(shè)計技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬裝配[1-3]作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，引起了國內(nèi)外學(xué)者全方位、多層次的研究，并且已經(jīng)取得了初步的成果，但是，在以三維可視化的交互模式支持配件信息管理方面，現(xiàn)有的虛擬裝配系統(tǒng)還存在著不足：缺少對三維空間中零配件的信息管理；在拆裝過程中難以及時查詢零件的相關(guān)信息；沒有對零件模型進行庫存、分類等管理。由此可知，如何建立三維零件的數(shù)據(jù)屬性及一體化的多維信息展示平臺，是虛擬裝配技術(shù)中三維可視化與信息管理系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。

從裝配環(huán)境的角度可以將虛擬裝配分為三類[4]：基于計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design， CAD）平臺的虛擬裝配系統(tǒng)、基于通用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的桌面虛擬裝配系統(tǒng)、大規(guī)模虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。其中，基于CAD平臺的系統(tǒng)仿真的真實感和可靠性不是很高，并且難以發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，如交互式CAD系統(tǒng)（Computer Aided Threedimensional Interactive Application， CATIA）、UG、Pro/E等仿真系統(tǒng)；基于通用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，從而降低成本，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)夏平均等[5]研究的基于Division Mockup軟件開發(fā)的衛(wèi)星產(chǎn)品虛擬裝配系統(tǒng)和鄭州大學(xué)劉凱等[6]研究的基于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范（Standard for the Exchange of Product Model Data， STEP）和三維渲染引擎開源場景圖形（Open Scene Graph， OSG）的虛擬裝配系統(tǒng)；大規(guī)模的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成本高、開發(fā)難度大，如浙江大學(xué)萬華根等[7]開發(fā)的集成的虛擬設(shè)計與虛擬裝配系統(tǒng)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)Liu等[8]設(shè)計的采用球形幕作為顯示裝置、操作者能夠自由行走的虛擬裝配環(huán)境系統(tǒng)。以上的虛擬裝配系統(tǒng)都難以用三維可視化的交互模式支持配件信息管理[9]。而三維可視化與信息管理技術(shù)相結(jié)合的方法已經(jīng)有了研究，如文獻[10-11]所述的三維可視化變電設(shè)備管理系統(tǒng)，在三維可視化方面，為實現(xiàn)對變電設(shè)備的監(jiān)控，它們只提供對變電設(shè)備的三維呈現(xiàn)，難以滿足對產(chǎn)品虛擬裝配過程的三維呈現(xiàn)；在信息管理方面，只完成單個模型的檢索查詢，但是，在虛擬裝配系統(tǒng)中融入信息管理技術(shù)的研究目前較少。

針對上述問題，本文采用微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Classes， MFC）管理三維渲染引擎OSG，實現(xiàn)虛擬裝配的三維可視化。同時，融合裝配目錄樹和配件的供應(yīng)商、材質(zhì)、型號等信息，支持以三維可視化的交互模式進行零件的信息管理，最終實現(xiàn)三維場景呈現(xiàn)與信息管理的有機統(tǒng)一。鑒于電動車的種類繁多，如簡約款、經(jīng)典款、時尚款等，本文選取幾個典型款式的電動車進行實例驗證。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本文提出了三維可視化與信息管理技術(shù)相融合的系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)主要由3個部分組成：信息庫、三維可視化模塊、信息管理模塊，后面兩個是系統(tǒng)的主要功能模塊?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

1）建立信息庫。

系統(tǒng)的信息庫分為模型庫和數(shù)據(jù)庫兩類，模型庫存放零件的三維模型，數(shù)據(jù)庫保存模型信息、裝配信息、供應(yīng)商信息等。建立逼真的三維模型是最基本也是最重要的前期工作，本文系統(tǒng)采用專門的三維建模軟件進行建模，并以.ive格式導(dǎo)出模型，建立模型庫。.ive格式是OSG自己定義的二進制存儲格式文件，模型渲染速度比較快；但是，它不包含模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，為建立模型信息庫、裝配信息庫等數(shù)據(jù)庫，需要先將.ive格式的模型轉(zhuǎn)換為場景圖形的文本描述格式（.osg格式），然后分析場景模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能得到所需的數(shù)據(jù)信息。供應(yīng)商、模型的材質(zhì)、型號等信息庫根據(jù)專家經(jīng)驗知識建立。

本文系統(tǒng)所建立信息庫中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表與表之間的關(guān)系如圖2所示，共4種類型的數(shù)據(jù)表：零件庫表“Model_Library”、模型信息表“Model”、供應(yīng)商信息表“ProviderInfor”、裝配信息表“AssemblePlan”。其中，裝配信息表有多個，每個子裝配體的裝配呈現(xiàn)都對應(yīng)一個裝配信息表，并結(jié)合子裝配體的標(biāo)識符取名，以便于識別?！癕odel”表中主要的數(shù)據(jù)類型：模型標(biāo)識符“MID”、模型類型“MType”、宿主模型標(biāo)志符“MOwnerID”、層次“MLayer”、模型名稱“MName”、幾何名稱“MgName”、4×4的位姿矩陣“MatrixL”、尺寸“MSize”等。

2）三維可視化模塊。

根據(jù)模型信息庫中的子裝配體、零件的層次關(guān)系信息建立系統(tǒng)目錄樹，用戶通過與目錄樹的交互實現(xiàn)對各個部分的管理，包括單個零件或子裝配體的三維呈現(xiàn)、按照裝配信息庫中的數(shù)據(jù)對子裝配體進行裝配或拆卸呈現(xiàn)等。

3）信息管理模塊。

采用多線程方法和消息響應(yīng)機制將電動車模型的二維數(shù)字化信息與三維可視化呈現(xiàn)相融合，主要實現(xiàn)從三維場景中的模型到二維文字信息的拾取交互查詢和從關(guān)鍵字信息到三維模型的檢索定位查詢。

2基于OSG 的三維可視化模塊

三維可視化部分主要實現(xiàn)虛擬場景中電動車模型的三維呈現(xiàn)和拆裝呈現(xiàn)功能。為了對電動車模型的各個部分進行有條理的管理，采用目錄樹結(jié)構(gòu)的方式對零件進行組織，并且在渲染節(jié)點時調(diào)用OSG提供的osg：：CullFace類，設(shè)置剔除面，使渲染時不在視野范圍內(nèi)的部分不進行渲染，如背面、被遮擋部分等，從而提高渲染效率。

2.1目錄樹的構(gòu)建

一輛完整電動車模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，若每次操作都需要渲染整輛電動車模型，不僅工作繁瑣，而且效率低下。而建立目錄樹可以支持用戶有針對性地對零配件或子裝配體進行可視化呈現(xiàn)、信息管理等操作，更重要的是可以有效地減少場景渲染的工作量。

建立的目錄樹層次結(jié)構(gòu)取決于模型信息庫中存儲的模型層次關(guān)系。第1層是根節(jié)點，即完整的電動車模型；第2層是對根節(jié)點的第一次劃分，包含子裝配體、單個零配件；第3層是對其上一層各個子裝配體的繼續(xù)劃分；逐層往下，每一層子裝配體的所有孩子節(jié)點組合構(gòu)成該子裝配體。

目錄樹的建立過程：首先，父節(jié)點建立成功后可以得到該父節(jié)點的句柄；然后，孩子節(jié)點尋找到它的父節(jié)點句柄后作為孩子節(jié)點加入父節(jié)點，即可建立父子關(guān)系。所以，目錄樹是按照層次上由上往下的順序建立的。本文系統(tǒng)的目錄樹的展示如圖3所示，圖中電動車是“簡約款”類型中選取的一輛，根節(jié)點“簡約款電動車”對應(yīng)整輛電動車模型。圖4是目錄樹結(jié)構(gòu)的樹狀圖，它對應(yīng)于圖3左側(cè)的目錄樹。

2.2零件或子裝配體的三維呈現(xiàn)

單個零件的三維呈現(xiàn)從三維模型庫、模型信息庫中分別讀取模型文件和模型的位姿矩陣信息，便可在場景中按要求進行渲染顯示；但是，為了支持用戶自定義的修改子裝配體的成員，模型庫中沒有存放子裝配體模型，只有單個的零配件模型，所以子裝配體的呈現(xiàn)與零配件的呈現(xiàn)有所不同。

由于子裝配體是多叉樹結(jié)構(gòu)，所以它的所有零件葉子節(jié)點的呈現(xiàn)就是子裝配體的呈現(xiàn)。如圖5（a）子裝配體1的呈現(xiàn)只需呈現(xiàn)孩子節(jié)點11，12，13；但是，若子裝配體的孩子節(jié)點中仍存在子裝配體，如圖5（b）所示，那么在孩子節(jié)點中類型為子裝配體的，繼續(xù)往下一層尋找零件節(jié)點進行顯示，依次類推。對子裝配體5的呈現(xiàn)，最終呈現(xiàn)零配件節(jié)點511，512，521，522，53。圖5（c）是“經(jīng)典款”電動車的子裝配體“車尾部分”的實例展示。

子裝配體呈現(xiàn)算法：利用遞歸函數(shù)實現(xiàn)對它的孩子節(jié)點的逐個遍歷，找到其中所有的零配件節(jié)點并進行呈現(xiàn)，算法流程如圖6所示。首先判斷要呈現(xiàn)節(jié)點是否是子裝配體，不是則直接讀取模型呈現(xiàn)；是則調(diào)用遞歸函數(shù)逐層尋找所包含的零配件節(jié)點并呈現(xiàn)。以圖5（b）中的子裝配體例，判斷第一個節(jié)點5是子裝配體，搜索得到它的所有孩子節(jié)點51，52，53，逐個處理。首先，處理孩子節(jié)點51，判斷是子裝配體則調(diào)用遞歸函數(shù)并將指向子裝配體5的指針作為參數(shù)傳遞，搜索到它的所有孩子節(jié)點511，512，它們都是零件節(jié)點所以直接作為孩子節(jié)點加入子裝配體51，再將子裝配體51作為孩子節(jié)點添加到子裝配體5，此時，處理子裝配體51的函數(shù)結(jié)束，回到處理子裝配體5的函數(shù)；接著，處理孩子節(jié)點52，類似于節(jié)點51；最后，節(jié)點53是零件節(jié)點直接作為孩子節(jié)點添加到子裝配體5。到此成功構(gòu)建了子裝配體5的場景樹[12]，對場景樹進行渲染就可實現(xiàn)對子裝配體5所包含的所有零配件節(jié)點的呈現(xiàn)，即呈現(xiàn)子裝配體5。實驗結(jié)果如圖7所示，若要呈現(xiàn)子裝配體“車尾部分”，只需要呈現(xiàn)零配件節(jié)點靠墊、靠墊下金屬、后車燈、后車燈上蓋、后車輪擋板。

2.3裝配體的拆裝呈現(xiàn)

由浙江大學(xué)“可拆即可裝，拆卸與裝配是互為可逆過程”的理論[7]可知：在子裝配體結(jié)構(gòu)完整時，只要能夠?qū)ζ溥M行合理的拆卸，便可逆向?qū)ζ溥M行裝配，由此裝配呈現(xiàn)與拆卸呈現(xiàn)可以共用一個信息庫，若該信息庫存放的是拆卸信息，那么只要將部分信息在讀取的時候進行處理，如順序進行顛倒、方向向量取反等，就可以實現(xiàn)裝配呈現(xiàn)。拆裝呈現(xiàn)方法：將零件節(jié)點添加動畫節(jié)點，并設(shè)置運動的方向、距離。動畫執(zhí)行結(jié)束后設(shè)置節(jié)點的屬性為隱藏，即可實現(xiàn)一個節(jié)點的成功拆卸。將待拆卸的子裝配體包含的所有節(jié)點按照指定的順序、方向、距離逐個拆卸，便可以實現(xiàn)子裝配體連續(xù)的拆卸呈現(xiàn)。實驗結(jié)果由圖8所示，圖8（a）到圖8（f）是經(jīng)典款電動車配件“前車燈”的拆卸呈現(xiàn)按照時間順序截取得到的圖。在裝配呈現(xiàn)過程中，每個配件裝配前需要對配件的尺寸進行判斷，只有配件尺寸匹配才可以繼續(xù)裝配，否則系統(tǒng)提示配件尺寸不匹配，裝配不能進行。實驗結(jié)果由圖9所示，場景中配件“前車燈”的尺寸較小，裝配無法繼續(xù)。

3虛擬場景中模型的信息管理

模型的信息管理模塊實現(xiàn)融合三維場景的數(shù)字化信息管理功能，打破了傳統(tǒng)的二維文本信息管理，并且將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到一個新的領(lǐng)域。該部分主要包括兩個方面的內(nèi)容：拾取交互查詢、檢索定位查詢，詳細(xì)功能說明如圖10所示。

3.1拾取交互查詢

拾取交互查詢：在三維場景中點選拾取模型查詢配件的相關(guān)信息。本文系統(tǒng)通過點擊場景中三維電動車配件模型，讓用戶可以輕松、便捷地查看每個零件的詳細(xì)信息。采用OSG的自定義事件[12]方法進行實現(xiàn)，過程：首先，對場景樹進行遍歷，用碰撞檢測[13]方法識別點選的三維模型；其次，將選取的模型網(wǎng)格化突出顯示；最后，將識別的模型的標(biāo)識符添加到消息中并進行傳遞，主線程會通知執(zhí)行消息響應(yīng)的窗口，窗口根據(jù)響應(yīng)的內(nèi)容執(zhí)行信息顯示。實驗結(jié)果由圖11所示，在三維虛擬場景中點選左后視鏡模型，場景中模型網(wǎng)格化突出顯示，信息管理窗口中顯示模型的詳細(xì)信息，并可對頁面的信息進行更改。

供應(yīng)商庫存查詢查詢供應(yīng)商能夠提供的某種型號的所有款式的零件。本文系統(tǒng)在信息管理窗口中顯示了模型的供應(yīng)商列表，點擊列表中任意供應(yīng)商可以顯示該供應(yīng)商的詳細(xì)信息和它提供的當(dāng)前零件的所有其他款式模型，實驗結(jié)果如圖12所示，三維場景中呈現(xiàn)的是供應(yīng)商列表中第三家提供的中型“左后視鏡”零件，共有三種款式，同時還顯示了該供應(yīng)商的詳細(xì)信息。

3.2檢索定位查詢

檢索定位查詢通過檢索關(guān)鍵字查詢完整信息和三維場景中零件的模型，根據(jù)模型在場景中的位置實現(xiàn)定位。在本文系統(tǒng)中，檢索關(guān)鍵字被分為三種類型：零部件標(biāo)識符、零部件名稱、供應(yīng)商名稱；查詢方式有兩種：查詢單個和查詢所有，它們都可以實現(xiàn)模型的定位。

檢索定位查詢主要采用多線程方法實現(xiàn)，MFC主線程[14]通過接口CoreOSG類與OSG渲染線程進行通信，從而控制該線程。實現(xiàn)過程：首先，在虛擬場景中顯示完整電動車模型；其次，對場景中電動車模型的場景樹進行遍歷，尋找要檢索模型節(jié)點，找到后將其網(wǎng)格化突出顯示，實現(xiàn)模型定位；最后，在信息管理對話框中顯示模型的完整信息。實驗結(jié)果如圖13～14所示，本次實驗打開的是“時尚款”中的一輛電動車模型，檢索方式為“查詢單個”。圖13是按照零部件的標(biāo)識符（ID）進行檢索的結(jié)果，檢索方式為“查詢單個”；圖14是按照零部件名稱進行檢索的結(jié)果，檢索的是子裝配體，檢索方式也是“查詢單個”。2.2節(jié)介紹子裝配體呈現(xiàn)時要構(gòu)建場景樹，場景樹中每個節(jié)點以標(biāo)識符命名，所以只要獲取到子裝配體的標(biāo)識符就可以通過遍歷場景樹，找到該子裝配體，然后對其進行處理。

模糊查詢查詢名字中包含查詢關(guān)鍵字的所有模型節(jié)點。查詢關(guān)鍵字的類型可以是“零部件名稱”或“供應(yīng)商名稱”，查詢方式為“查詢所有”。“零部件名稱”類型的模糊查詢可以實現(xiàn)不同位置相同零件的檢索，如圖15所示，按照關(guān)鍵字“輪胎”進行查詢后，搜索到前、后兩個車輪的輪胎模型；“供應(yīng)商名稱”類型的模糊查詢可以呈現(xiàn)某供應(yīng)商能夠提供的所有類型的模型，方便廠家對產(chǎn)品配件的集中采購。

4結(jié)語

本文在虛擬裝配的三維可視化系統(tǒng)中融入配件的信息管理。建立目錄樹，按照目錄樹結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電動車零部件的分模塊呈現(xiàn)和子裝配體的拆裝呈現(xiàn)；實現(xiàn)三維可視化與信息管理的有機結(jié)合，完成雙向查詢：拾取交互查詢和檢索定位查詢。以幾種款式的電動車模型為例，采用MFC管理OSG的場景渲染方法，實現(xiàn)了一個綜合、高效的管理系統(tǒng)。本文系統(tǒng)對庫存查詢功能的實現(xiàn)還沒有很完全，缺少對零件的所有庫存的查詢。在此基礎(chǔ)上，將三維場景中的配件換成庫存中的新穎款式，實現(xiàn)電動車款式的多樣化設(shè)計，這些將是下一步的工作內(nèi)容。

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