基于三维建模的拖拉机虚拟试验路面的建立

基于三维建模的拖拉机虚拟试验路面的建立

0计算机模拟仿真采用青蛙和亚洲软件进行的动画模拟测试在汽车和越野车的性能评估中得到了广泛应用，但这种模拟缺乏用户的真实体验。使用开放的gl图形建模技术很难克服成像能力的不足。选用计算机模拟三维环境,对图形实时渲染的虚拟现实技术,既可以缩短新产品的开发时间,节省研制费用,减少投资风险,又可以提供给用户高度沉浸的体验,这是它与动画仿真的最大区别。作为虚拟现实技术的一项重要应用,本文基于对Creator和VegaPrime(简称VP)以及三通道立体投影、多设备交互的虚拟现实软硬件系统,构造出身临其境的虚拟场景,研究大功率轮式拖拉机整机虚拟试验场景建模技术,初步建立了覆盖大功率轮式拖拉机的典型数字化虚拟试验环境,并且成功地进行了实时的拖拉机虚拟试验测试。1虚拟国际私物平台的应用在计算机中模拟现实世界,造型既要符合实时应用需要,又要考虑组成模型自身的相对位置、层次关系以及模型与模型间的相互关系和层次结构等。Creator中的可视化仿真模型数据库OpenFlight可以完整表示场景中所有信息,包含模型的几何特征、数据库层级结构与各种节点属性,保证实时交互时获得极高的渲染效率。虚拟试验场建模通过两个方面实现:一是结合现有数据材料,参考了位于北京通州的中国农业机械试验中心的试验场配置;二是结合课题特点、仿真系统硬件性能等因素确定试验场的设计参数,采用MultigenCreator,UG,AutoCAD等建模软件以及Photoshop等图形图像处理软件来实现三维场景建模的任务。虚拟试验场景建模流程,如图1所示。1.1准备好训练设备、模型试验场主要供拖拉机整机虚拟试验项目使用,由多种地形模型、地物模型等构成。建模先后顺序将直接影响到模型构建的质量、演示速度,进而影响场景的实时性能。在建模前应规划好试验场的结构,可先用AutoCAD设计试验场平面图,设计模型构造关系,避免三维建模时因修改层级结构不当而导致的部分纹理映射重叠或缺失、VP实时演示时的跳帧,甚至出现模型显示正常、VP渲染时纹理信息丢失等问题。拖拉机虚拟试验场结构如图2所示。1.2地形模型的建模1.2.1ded与ded数据转换创建大面积精确三维地形是Creator软件的一个强大功能,将高程数据转换为DED标准数据格式,通过纹理映射,将其中文化特征数据(即地形数据库里除地形多边形以外的数据信息,如水流、树木和人工的建筑物等)需转化为Creator支持的DFD或者DF-DA标准格式。1.2.2组合而成的内容Creator创建的仿真地形,图形图像都是由一个个平面的多边形组合而成的。为便于系统高效运行,根据本试验场对不同试验地形的特别要求,对于满足一般仿真应用的试验用场地(总面积为1400m×1000m),直接选用Creator建模工具就可以满足使用需要。1.3建筑、水体、植被、公共设施、国家文化特征数据地物模型建模包括场景当中的多种试验路面(含有高程、附着系数)、房屋建筑、水体、植被(树、花、草)、公共设施(雕塑、标牌、路灯、广告牌)等文化特征数据。典型试验路面包括混凝土环行路面、转向半径测试路面、搓板路面、农田路面(含坑洼路)、交替颠簸路面、驾驶员视野测试路面等。1.3.1复合式内产品尺寸标识环形跑道由两条环形跑道组成,如图3(a)所示。内环道尺寸参照了标准半圆式400m跑道的设计参数,外环弯路部分为半椭圆形,弯道处与内环弯道相切。跑道路面宽5m,平直部分路面长160m,设有测区(试验测试起始点),10,50,100m等尺寸标识,主要用于牵引试验、制动试验和噪声试验测试。环形跑道均使用Road/ConstructionTool工具建立。1.3.2路、空路障设计交替颠簸路面主要用于拖拉机颠簸试验,由圆形环路和路面拱形路障组成,环路的平均半径为26m,路宽6m,如图3(b)所示。路障形状设计为拱形槽,双排路障、单排路障各18组。拱形长1.2m,宽0.4m,双排拱高0.09m,单排拱高0.13m,双排拱以环路中心定位,沿圆周方向均匀分布。路面建模时,拱形路障与路面分别建模,单排拱为拖拉机在圆形跑道内侧行驶时通过。1.3.3高效的区域匹配考虑到系统配置、实际试验需求、场景复杂度以及纹理的数据量,建模时将总面积为60000m2的农田试验场地分割成600个三维地块,并对部分地块设置switch节点分块索引控制技术,实现了拖拉机针对附着系数、阻力系数、高程变化等不同道路属性的地块匹配对应的实时效果。1.3.4实验设计和模型建立GB/T3871规定了视野检测方法,即驾驶员朝前、向后和向上看时,障碍物的遮蔽对驾驶员视角影响程度的实测方法和数学方法。视野测试路面建在半径为12m的圆形试验场上,场地圆心正上方高1.66m处添加座位标志点(SIP),在SIP点的正前方0.01m、上方0.67m处设置光源,作为双眼的简化模型。圆形试验场地纹理用AutoCAD处理,每隔1m作相互垂直的弦,方便试验时测量光照下的投影区域。1.3.5面元制面设计搓板试验路面由两条宽3.18m的搓板路组成。搓板路未采用Creator建模,主要有以下原因:1)两块并行的搓板路各长100m,由625节组成,相邻两节间高程变化无规律,根据式(1),若采用Creator的Polygon工具建模则需要一次性完成对1252个点的坐标值的输入,将耗费大量时间,式(1)为D=2B+2(1)式中D—需要绘制的坐标点总数;B—每一条搓板路的节数。2)拖拉机试验用搓板路面高程数据有明确的规定,精度达到0.001m,而Creator网格最小精确单位为0.1m,若直接采用Coordinate面板坐标定位法绘图,变换每一阶搓板的顶点坐标计算量大且不宜操作。因此,建模过程采用AutoCAD绘制搓板路二维截面图,再将二维图以R12DXF格式导入Creator,经拉伸、组合、纹理映射、定位等操作,完成搓板路的建模。2关键建模技术2.1坚持真水与真水的统一纹理是建模过程中大量使用的素材,纹理映射是建模的重要操作步骤。为使较少数量的面取得逼真的视觉效果,试验场中的各类物体都需要进行纹理采集、分类、处理、制作及映射等。纹理映射技术可以极大地降低场景的复杂性,实现逼真度和运行速度的平衡,所以建立并使用一个专门的纹理数据库有利于增强试验场的整体效果,同时有利于加快建模的进程。2.1.1图像纹理处理纹理的使用对场景逼真度和优化显示有较大的影响,图4为不同方法得到的几种纹理。其中,图4(a)为直接取自照片的路标纹理,图4(b)为使用AutoCAD处理得到的图像纹理,可以达到图像要求的尺寸精度;对要求透明度的纹理可以使用Photoshop处理,如图4(c)所示;对于远景的复杂物体,可以用一张纹理替代显示效果,如图4(d)所示。处理后纹理图像在长宽方向上的像素大小应为2的n次幂,存储格式选择为VegaPrime支持的RGB或者RGBA格式,以保证纹理的正常映射。给对象赋予纹理时,面节点加载的纹理会被自动压缩、放大或过滤;纹理图片的装载要注意排列顺序,防止重复装入,占用内存。纹理库的保存路径要有序,使纹理得到正常调用。2.1.2增加二维图像的使用Mt=PxPynA(2)式中Mt—纹理占用内存大小;Px—X方向纹素大小;Py—Y方向纹素大小;nA—颜色通道数量。为减少纹理使用内存,建模时应尽可能使用小像素的纹理。此外,使用单分量的纹理可以减少颜色通道数量。在使用时,根据需要在压缩率和图像质量之间折衷。用修改后纹理代替多边形造型可美化场景且提高性能。在不要求精度的情况下,如车库模型,只赋予墙、库门和窗户一张集成的纹理即可。另外,可以使用广告牌节点,将场景中引用的二维图像进行矩阵变换实现在VP仿真中的三维效果,即“单片树”原理。通过设置,可以使该二维图像始终面对观察者,既减小了文件又不影响实时的仿真效果。2.2快速实现花草树木建模Creator软件提供了较多的特色插件,大大简化了建模过程,使用者可以灵活选择。例如,Treeplant与Billboard都可以快速完成花草树木的建模,前者优点是可以直接调用外部的flt文件,节省内存空间,加速图像的生成和显示运行速度;后者可以经一次操作连续完成全部树木的建模任务,并且可以依照实际需要在建模过程中随时修改树的建模参数。2.3子面编码的排列Creator可以看作是一个多节点的集合,最常使用的节点类型是组节点、体节点、面节点和点节点,建模过程应尽量避免在面节点下再使用面节点。一旦使用,要注意按照Creator渲染的顺序在每一个层级中优先排列含子面层的节点,使子面纹理正常显示。如果面与面间的纹理因叠加影响显示效果,一般可以通过变换子面,即改变两个面的层级对应关系或左右位置关系解决问题。Creator中完成的视景,调入到VegaPrime运行有时会出现模型缺失、错位,或者纹理渲染不正常的问题,通过调整模型定位,重新处理透明纹理的Alpha通道可以解决。3虚拟场景试验本文建立了一个集虚拟试验、性能检测功能为一体的拖拉机虚拟试验场,包括试验准备区、试验场区、办公区以及休息区等,不同的测试试验在各试验场区分开进行。试验场效果图如图5所示。虚拟场景面向拖拉机虚拟试验开发,主要涉及牵引试验、制动试验、交替颠簸试验、搓板路面振动试验、农田作业通过性试验、回转半径测量试验以及驾驶员视野测量试验等。通过VisualC++.net调用VegaPrime的类函数,配合三通道立