摘要:简述了工业设计产品的三维虚拟展示技术的国内外研究现状,并对该领域当前主要技术进行了分析,阐述了基于Unity3D技术的三维虚拟展示的工作流程,结合产品展示效果图,分析了本技术在企业发展中的积极作用。
关键词:工业设计 三维虚拟展示 Unity3D
1引言
随着数字化信息技术的快速发展,现代工业设计理论与方法的研究有了长足的进步。计算机辅助工业设计(Computer Aided Industrial Design,cAID)技术全面介人工业设计领域,虚拟现实技术使得人们不再满足于传统的在线浏览产品静态的、文本的、二维的图像信息,而对具有动态的、三维的、实时的、“真实”的展示体验具有十分迫切的需求。产品的三维虚拟展示是国外最近兴起的工业设计领域中的一种新的技术手段,他将虚拟现实技术和交互技术运用于制造业的各个环节,使产品设计实现了草图---效果图---结构图---模型全过程的交互和可逆,可对产品进行全方位、动态的三维展示。利用虚拟现实技术,可将虚拟产品让顾客试用,可以极大的缩短产品开发的时间,降低新产品的风险。
2 国内外研究现状
三维虚拟展示技术在国外出现并得到了初步的应用,国内在这方面起步较晚。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计,利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟的模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,从而简化加工过程。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境,是一个基于Unix的,不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面,一是用于产品设计、降低成本,避免新产品开发的风险;二是产品演示,吸引客户争取定单;三是用于培训,在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。
在我国三维虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离。北京航空航天大学虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境,可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”,采用了QuickTime技术,实现大全景VR制;浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统; 哈尔滨工业大学已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像,解决了表情的合成和唇动合成技术问题,并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。
3 当前主要技术
目前三维虚拟展示技术主要有VRML、Java3D、Fluid3D、Superscape、Vecta3D、pulse3D、Shout3D以及Cult3D等。其中应用比较广泛的是VRML、Cult3D和近年来兴起的Unity3D技术。
3.1 VRML技术
VRML技术的全称是Virtual Reality Modeling Language,它定义了一种把三维图形和多媒体集成在一起的文件格式,用来描述一种基于时间的三维空间,称为境界(virtual world)。通过安装支持VRML的浏览器插件用户,可以使用IE或Netscape访问虚拟的场景。尽管VRML已经取得了广泛的应用,但也有其局限性,浏览VRML的场景用户需要下载安装相应的浏览器插件,使用户感到不便。VRML仅仅是一种用于描述基于互联网的虚拟场景的规范,其提供的交互性对于开发复杂的应用稍显不足,场景信息与交互信息并存在VRML文件中,也使开发者感觉使用不方便。宿迁夏阳银湖花园的虚拟展示采用的就是VRML技术。
3.2 Cult3D技术
Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术,它能够提供把图象质量高和速度快的交互的实时物体送到所有的互联网用户手上。目前Cult3D技术在电子商务领域已经得到了广泛的推广运用。该技术可以做到档案小、3D真实互动、跨平台运用,用鼠标在3D物件上直接拖动,就可以移动、旋转、放大缩小,还可以在Cult3D物件中加入音效和操作指引。Cult3D对硬件要求相对较低,即使低配置的桌面或笔记本电脑用户也能流畅浏览Cult3D作品。Cult3D的文件量非常小(20K-200K),却有优秀的三维质感表现,对于一般的浏览器只需安装一个插件,即可浏览。和Viewpoint相比,Cult3d在表观和交互上和Viewpoint相似,但Cult3D的内核是基于JAVA,它甚至可以嵌入JAVA,利用JAVA来增强交互和扩展,Cult3D的开发环境比Viewpoint人性化和条理化,开发效率也要高得多。
3.3 Unity3D技术
Unity3D是一个多平台的游戏开发工具,是一个全面整合的专业游戏引擎,具有更优越的效果和更高的扩展空间。Unity对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道。Unity支持所有主要文件格式,并能和大部分相关应用程序协同工作。低端硬件亦可流畅运行广阔复杂的场景。Unity内置的NVIDIA、PhysX物理引擎带能够带来逼真的互动感觉,实时三维图形混合音频流、视频流。Unity提供了具有柔和阴影与烘焙lightmaps的高度完善的光影渲染系统。
综合比较Unity3D、Cult3D和VRML。Unity3D引擎具备开发过程技术要求高,高级渲染效果和用户定制支持远远高于其它平台,非常适合工业产品三维虚拟展示在交互访问和逼真表现的要求。
4 三维虚拟展示实例
现采用Unity3D技术,开发了一套三维虚拟展示系统,具体展示流程如图1所示
从图1可以看出,厂商利用当前主流三维造型软件如AutoCAD,3DS Max、MAYA、CATIA、UG NX,Pro/E,Topsolid, Cinmatron设计出来的产品数据,经过“格式处理”步骤自动转化为Unity 3D所需软件格式,导入虚拟展示系统,在系统中对需展示的数据可进行图像处理,使处理完的图像数据在展示系统中具有较高的质量;如果将虚拟展示系统嵌入到网络中,就可以实现产品的网络在线虚拟展示,供互联网用户观看。
具体说来,主要有如下几个方面的功能
4.1 结构和造型说明
建立好3D模型以后,产品就能够实现结构和造型在任何一个方向上的展示,而且支持其中部分结构的详细说明,特别是内部结构还可以做解剖说明。
4.2 360度全面展示
3D展示可以实现产品360旋转动画展示,从各个方向观察产品。
4.3 组装和分解说明
产品3D模型是一个一个零件组装起来的,通过3D模型,可以制作简单明了的产品组装说明和组装及分解过程动画。
4.4 直观全面的技术说明
通过3D模型,可以对产品进行尺寸,技术参数和原理功能等等相关内容的技术说明,详细直观,通俗易懂。
5 功能和动作展示
3D模型加上动画技术,我们就可以制作产品工作过程,以及相关功能效果,真正做到产品使用展示。
三维虚拟展示技术具有明显的优越性,特别是对于企业来说,作用更加明显。如企业在工业产品投入生产前,运用工业设计形成的模型数据,在网上进行产品的虚拟展示。通过与市场信息互动,反馈意见,针对市场的需求,对产品的功能、性能和结构等方面进行设计改进,完善产品的设计,提高了产品适应市场的要求,减少产品设计的失误,节约企业的生产成本;又如企业在技术人员进行产品设计过程中,利用工业设计产品的三维虚拟展示平台提供的各种先进技术,与其它产品的设计或设计人员进行协同数据交流和共享,通过对设计思想和设计手段的交流,提高产品设计的质量,提升企业的设计水平,从而提高企业的竞争能力;还如企业在工业产品设计完成后,投入市场时,对产品进行市场宣传。充分虚拟展示平台的公众展示功能,利用网络覆盖面广泛、传播速度高、产品展示逼真、直观、全方位的特点,提高产品市场的认知能力,缩短产品进入市场的时间,节约营销成本。
5 结语
在全球信息网络化和全球经济市场化形成的技术变革和日趋激烈的产品市场竞争的背景下,工业设计产品的三维虚拟展示技术的研究及应用,对于企业缩短产品研发和制造周期、提高快速反应市场的能力,源源不断地开发出满足用户需求的、个性化产品去占领赢得市场,推动中小企业企业以新技术和新产品为主的自主创新,具有深远的意义。
参考文献:
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