陳榮彬 陳麗丹 溫曉東 劉蘊(yùn)樟 張 哲

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 廣州 510800）

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）［1］、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）［2］和混合現(xiàn)實(shí)（Mix Reality，MR）［3］技術(shù)近年受到各行業(yè)廣泛關(guān)注及應(yīng)用［4-5］，三維模型的構(gòu)建是上述系統(tǒng)開發(fā)的前提基礎(chǔ)和沉浸感、逼真感體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)，之后將已建成的模型生成三維場(chǎng)景（虛擬世界），進(jìn)而再進(jìn)行人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［6］。常用的三維建模軟件有 Maya［7］、3ds Max［8］、Solidworks［9］等，Unity3d 則是目前主流的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)軟件［10］，其中3ds Max軟件所建三維模型以.fbx格式文件能方便導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d中。但3ds Max在建立一些復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)備模型時(shí)，使用不夠便捷，不具備優(yōu)勢(shì)。而Solidworks和Maya軟件所建模型無法直接導(dǎo)入到Unity3d軟件使用。因此，本文在開發(fā)基于VR設(shè)備的電力虛擬實(shí)操系統(tǒng)過程中，通過比較Solidworks和3ds Max軟件的建模優(yōu)缺點(diǎn)、格式兼容性等，選用前者進(jìn)行電力設(shè)備、輔材的零部件建模以及整體裝配，采用后者進(jìn)行渲染，格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d軟件中。

2 建模軟件優(yōu)缺點(diǎn)比較

考慮到Maya軟件主要優(yōu)勢(shì)在于三維動(dòng)畫制作，廣泛用于視覺設(shè)計(jì)。而Solidworks和3ds Max則是用于機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、工程可視化等的三維建模軟件，Solidworks能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制平面圖、自動(dòng)標(biāo)注尺寸、平面圖與三維模型全關(guān)聯(lián)，能完成復(fù)雜曲面模型與復(fù)雜機(jī)械模型的設(shè)計(jì)及裝配。3ds Max多用于游戲人物模型、電影后期加工以及室內(nèi)設(shè)計(jì)等造型設(shè)計(jì)方面，可通過燈光、渲染等功能，給人以逼真的三維立體效果。Solidworks自帶各種插件，其中包括可實(shí)現(xiàn)渲染的photoworks插件和Animator動(dòng)畫插件，但其效果不如3ds Max，尤其是制作復(fù)雜動(dòng)畫和質(zhì)子系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)，但進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械模型設(shè)計(jì)和較多零件裝配方面優(yōu)于3ds Max，它更加適合精準(zhǔn)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和固定、裝配。本文建立電氣設(shè)備模型和虛擬場(chǎng)景時(shí)，協(xié)同兩種軟件優(yōu)勢(shì)，采用Solidworks進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與虛擬裝配，后期在3ds Max中完成渲染，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d實(shí)現(xiàn)沉浸感、逼真感呈現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)打下基礎(chǔ)。

3 Solidworks虛擬模型的建立

基于VR設(shè)備的電力虛擬實(shí)操系統(tǒng)開發(fā)三維場(chǎng)景建模流程如圖1所示。

本次三維模型的設(shè)計(jì)是以電力設(shè)計(jì)院提供的圖紙、設(shè)備廠商的數(shù)據(jù)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，首先對(duì)變壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測(cè)量部分關(guān)鍵零件的基本尺寸，然后整理各個(gè)部件的數(shù)據(jù)，對(duì)不確定的部分零件，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的推測(cè)，進(jìn)行確定。

圖1 場(chǎng)景建模流程圖

3.1 Solidworks零件建模

在Solidworks的虛擬環(huán)境中建立變壓器零件模型的基本思路是：首先，對(duì)變壓器模型進(jìn)行主要零件分解，并單獨(dú)進(jìn)行建模。然后，選取適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面，并在基準(zhǔn)面上進(jìn)行零件平面草圖的繪制，在這個(gè)過程中主要是利用基于尺寸約束和基于幾何約束的參數(shù)化建模技術(shù)。接著，對(duì)草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、切除、陣列等基本建模命令建立模型的基本形狀。再是，利用螺紋、打孔、倒角、圓角等命令對(duì)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)上的完善。最后，利用Solidworks的渲染功能對(duì)模型顏色以及材質(zhì)進(jìn)行渲染，使模型更加逼真。在這個(gè)過程中，主要應(yīng)用基于特征模型的參數(shù)化建模技術(shù)。本次研究建立的主要零部件的虛擬模型如表1所示。

表1 主要零部件三維模型表

3.2 Solidworks虛擬零件裝配

Solidworks軟件具有獨(dú)立的虛擬裝配模塊，在此模塊中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)零件之間的相互距離或者是關(guān)系，對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配組合。Solidworks在裝配設(shè)計(jì)中主要有兩種模式，一是自底向上的裝配設(shè)計(jì)模式，二是自頂向下的裝配設(shè)計(jì)模式。本次設(shè)計(jì)采用自頂向下的裝配設(shè)計(jì)模式，即先整體后局部的設(shè)計(jì)手法。利用少數(shù)已有的較大零件模型作為主體建立起裝配結(jié)構(gòu)，然后從裝配體周，以已有零件為基礎(chǔ)，根據(jù)裝配體的具體形狀或者是具體功能要求，利用各零件之間的相互位置關(guān)系或者是機(jī)械關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，反過來，設(shè)計(jì)裝配體。利用Solid?works裝配模塊中的配合命令對(duì)模型的各個(gè)零件進(jìn)行配合，效果如圖2所示。

圖2 Solidworks裝配模型

4 模型轉(zhuǎn)換

因本次建立的模型和場(chǎng)景最終需要導(dǎo)入到Unity3d軟件中以備電力虛擬實(shí)操系統(tǒng)的開發(fā)，但Solidworks所建模型無法直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d，故先將Solidworks所建模型導(dǎo)入到3ds Max中，再以.fbx格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d。

4.1 模型轉(zhuǎn)換方法和注意事項(xiàng)

通過.igs、.stl格式文件進(jìn)行Solidworks與3ds Max之間的轉(zhuǎn)換，選擇Quick Weld選項(xiàng)，這種導(dǎo)入速度比Use Threshold快30倍，單擊“OK”，實(shí)現(xiàn)文件的導(dǎo)入，導(dǎo)入時(shí)，要注意不能對(duì)零件的位置、角度進(jìn)行任何修改。但此種方法只適用于導(dǎo)入單個(gè)零件，而不適用于導(dǎo)入整個(gè)裝配體；而且用此方法導(dǎo)入無法對(duì)模型的顏色進(jìn)行控制，模型的顏色會(huì)隨著系統(tǒng)而改變。

另外，還可以利用3ds Max自帶的Solidworks導(dǎo)入器（此功能僅限于2014版本以上），若文件過大，轉(zhuǎn)化時(shí)間會(huì)過長(zhǎng)，導(dǎo)入的模型能保持與Solidworks中的顏色一致，如果選擇快速焊接，則可以固定模型在Solidworks中的裝配關(guān)系。當(dāng)整個(gè)裝配體中的零件全部導(dǎo)入后，選擇所有零件，選擇“group”菜單中的group選項(xiàng)，使之成組?？蓪⑦@個(gè)裝配體進(jìn)行整體移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。而裝配體中的零件相互之間的位置，因?yàn)樵赟olidworks中已確定，導(dǎo)入到3ds Max中，零件之間的裝配位置依舊保持不變，無須重新定位。

對(duì)裝配體及其零件進(jìn)行渲染時(shí)，首先選“group”菜單中的open選項(xiàng)，各零件就可分別渲染和制作動(dòng)畫。如果裝配體的零件過多，會(huì)導(dǎo)致在渲染的時(shí)候速度很慢。這種情況下，可在SolidWorks編輯的時(shí)候，把一些看不到效果的零件進(jìn)行輕化，以提高渲染速度。

4.2 Solidworks模型導(dǎo)入3ds Max

電力設(shè)備模型建立好之后，將三維模型導(dǎo)入3ds Max?？紤]到在Solidworks軟件里面已經(jīng)把整個(gè)裝配體進(jìn)行關(guān)系的固定，為了提高轉(zhuǎn)化后在3ds Max軟件內(nèi)效果最佳，利用3ds Max自帶的Solid?works導(dǎo)入器，以保證模型的質(zhì)量，同時(shí)避免在3ds Max中進(jìn)行裝配的麻煩，提高工作效率。

Solidworks文件導(dǎo)入3ds Max時(shí)，雖然裝配位置保持不變，但是在Solidworks中的裝配關(guān)系卻沒辦法在3ds Max系統(tǒng)中存在，即各個(gè)零件之間是可以任意移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。因此，需要在3ds Max中將裝配體中的位置進(jìn)行固定，此時(shí)，就得把相對(duì)固定的零件設(shè)置成組，以保證其位置不會(huì)隨意改變。再以fbx格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d，圖3和圖4是10kV配電變壓器臺(tái)區(qū)在3ds Max軟件中貼圖渲染烘焙后導(dǎo)入U(xiǎn)ni?ty3d軟件下的效果。圖5為協(xié)同SolidWorks和3ds?Max軟件建模并在Unity3d中呈現(xiàn)的安裝有跌落式熔斷器的某墻角場(chǎng)景。

圖3 從3ds Max導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d后的三維模型（正視角度）

圖4 從3ds Max導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d后的三維模型（仰視角度）

從圖3～圖4可看出，所建三維電氣設(shè)備模型和場(chǎng)景模型真實(shí)感很強(qiáng)，逼真程度很高。

5 結(jié)語

采用Solidworks軟件對(duì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬裝配，再利用3ds Max的渲染、動(dòng)畫以及其特殊格式，可以充分利用和發(fā)揮Solidworks和3ds Max兩個(gè)軟件的各自優(yōu)勢(shì)，協(xié)同建模可提高設(shè)計(jì)模型的效率，減少大量繁瑣的工作。