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                    農機可視化設計中Flash和3D引擎技術的應用

                    添加時間:2018/07/16 來源:農機化研究 作者:葉鳳華 葉歡
                    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、農業、建筑業、化工和醫療等行業, 因此更多的研究人員投入到了3D引擎技術的開發上, 特別是Flash三維引擎技術。
                      以下為本篇論文正文:

                      摘要:在農機設計過程中, 為了對真實環境進行虛擬化渲染, 以達到逼真的效果, 提出了一種基于Flash和3D動畫渲染技術的育苗機器人設計方法, 該方法可以將農機在虛擬的作業環境中進行仿真, 從而實現農機的動態交互式設計。設計了Flash3D動畫渲染的基本框架, 并在框架內使用了3D引擎的一些常用功能, 其中主要包括文件的壓縮和解析、3D場景的渲染、精靈模擬和文件的管理等。為了實現3D場景大文件的壓縮而不影響3D效果、加快3D動畫場景渲染的解析速度, 使用Flash和小波重構方法, 從而實現了對三維場景按需進行加載和展示。最后, 對設計系統進行了測試, 測試結果表明:該系統可以成功地實現玉米育苗機器人的三維動畫渲染, 使用Flash和小波重構方法可以明顯地使系統得到優化, 極大地提高了系統的3D設計性能。

                      關鍵詞:育苗機器人; 動畫渲染; 3D技術; 三維引擎; Flash;

                      Abstract:In agricultural machinery design process, in order to carry out the virtual rendering of real environment, achieve realistic results, it puts forward a design method of Flash and 3D seedling robot animation rendering technology based on the method of simulation, which can be in a virtual operating environment, so as to realize the dynamic interactive design of agricultural machinery. The design of the overall architecture of the Flash 3D engine, introduces the basic functions of the 3D engine, including resource management, rendering, camera, elf, scene and input management, use Flash and wavelet reconstruction method, basically it does not affect the effect of achieving the compression greatly, accelerated 3D scene loading and analyzing. To realize 3D scene display and on-demand loading, at the end of the system test, the test results indicate that this system can realize the maize seedling robot 3D animation rendering successfully, using Flash and wavelet reconstruction method can obviously make the system optimized, which greatly improves the performance of the system design of 3D.

                      Keyword:seedling robot; animation rendering; 3D technology; 3D engine; Flash;

                      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、農業、建筑業、化工和醫療等行業, 因此更多的研究人員投入到了3D引擎技術的開發上, 特別是Flash三維引擎技術。由于技術瓶頸, Flash和3D引擎技術在農機設計中的使用還較少, 而采用該技術可以將真實的農機作業場景通過數字化處理后, 利用計算機終端, 使設計者將農機置身于真實的作業場景中, 實現農機和作業場景的交互功能, 對于農機的硬件改善和創新設計具有重要的意義;诂F代化農機的需求性和功能性分析, 將Flash和3D引擎技術引入到農機數字化系統中, 將會有效地提高設計的動態效果, 從而提高農機設計的可視化水平。

                      1、基于Flash三維引擎的農機可視化技術

                      在農機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
                    圖1 三維場景渲染示意圖

                      三維引擎的開發非常復雜, 因為三維引擎系統的組成模塊較多, 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人員來設計。API是三維引擎設計和開發的主要技術支持, 對三維引擎技術的研究主要是為了使程序開發設計人員以最短的時間設計出高效引擎系統, 從而減少系統開發的開支。

                      圖2為農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, 實現農機三維場景的渲染。

                    圖2 三維引擎層次結構
                    圖2 三維引擎層次結構

                      2、基于小波重構的3D場景渲染

                      小波技術可以將模型離散后重新構造出需要的新模型, 在虛擬場景建模過程中, 連續的小波必須離散化, 然后通過重構技術來構造場景模型。在進行小波重構時, 通常有兩個參數, 一個參數是平移參數a, 一個參數是平移參數b, 其離散化公式可以寫成a=aj0, b=bj0, 這里j∈Z。其中, 擴展步長a0≠1是固定值, 為了便于計算可以假設a0>1。假設離散小波函數為ψj, k (t) , 其公式可以寫作

                    其公式

                      而離散化小波變換系數則可表示為

                    離散化小波變換系數則可表示

                      其重構公式為

                    其重構公式

                      其中, C是一個與信號無關的常數。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, 于是可以將二維小波函數分離成3個正交小波基函數, 即

                    小波基函數

                      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, 其分辨率變為原來的1/4, 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
                    圖3 圖像的三級小波分解圖

                      根據小波算法的特點, 結合系統的需求和功能, 設計了系統的開發流程, 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, 對虛擬系統進行集成開發, 其流程如圖4所示。

                    圖4 農機在線虛擬渲染流程
                    圖4 農機在線虛擬渲染流程

                      首先是場景的拍照, 這是作業場景環境渲染的基礎;然后, 通過圖像處理提取環境圖像的關鍵信息, 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機的作業情節, 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場景渲染

                      為了使3D渲染場景更加接近于現實場景, 在真實的玉米育苗農田環境下, 對作業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, 對真實環境進行虛擬化渲染, 以達到逼真的效果, 實現交互式設計。

                      圖5為農田育苗作業場景的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 農田作業場景3D圖像采集
                    圖5 農田作業場景3D圖像采集

                    圖6 農作物圖像離散化
                    圖6 農作物圖像離散化

                      根據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, 從而實現圖像的重構, 達到環境和農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 農作物圖像渲染效果
                    圖7 農作物圖像渲染效果

                      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, 可以實現農機的三維作業場景渲染, 通過渲染得到了如圖8所示的三維渲染效果。

                    圖8 育苗機器人作業場景渲染
                    圖8 育苗機器人作業場景渲染

                      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場景, 實現設計和產品仿真的交互性效果。3D系統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對渲染場景材質的控制和共享操作。

                      由表1數據可知:利用小波重構技術, 以Flash格式存儲材質文件, 實現了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, 實現了3D資源材質的優化配置。

                    表1 場景渲染材質文件優化對比
                    表1 場景渲染材質文件優化對比

                      4、結論

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

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