180型鱼肉采取设备动态仿真中的三维建模

摘 要：研究180型鱼肉采取设备的工作性能,运用3DMAX软件创建鱼肉采取设备三维模型的技术方法,采用优化技巧使实体模型的结构更简化,模型的容量更小,为使用者提供逼真的视觉效果.三维建模较传统的二维图像更直观,能全面的观察整个鱼肉采取设备的结构,从而为鱼肉采取设备动态仿真技术的研究奠定良好的基础.

关 键 词 ：3DMAX建模；模型优化；180型鱼肉采取设备

中图分类号：TD451

鱼肉采取设备在开发、研制和设计过程中,必须对其各个部件的连接进行动力学分析和轨迹规划,运用3DMAX技术、CAD技术和渔业装备技术理论在计算机中生成几何图形,并动画显示,然后对鱼肉采取设备模型进行结构解析,运动控制以及实际工作状态进行模拟仿真,这样较传统的二维图形更直观,可以很好地解决鱼肉采取设备研发过程中出现的问题.

3DMAX 是由美国的AutoDesk 公司开发的一种基于矢量的三维造型和动画设计软件,它可以制作出非常逼真的三维实体及动画特效.它主要是是运用计算机图形生成和图形处理功能模仿真实现象或理论模型,其广泛应用于工业产品制造,建筑设计,城市虚拟建设,医学仿真模拟,科学可视化,影视制作等诸多领域[1].

1.鱼肉采取设备三维建模和模型优化

3DMAX建模方式多样,功能全面,操作性强；建模时能充分表现立体特征,且模型面数较少,相应数据量少,计算机资源占用量也少；强大的导入导出功能,支持DWG、DFX等格式文件；具备多项功能强大的插件,可制作各类逼真的动画特效[2],鱼肉采取设备三维建模步骤如图1所示：

图1 建模流程图

1.1 三维建模技术

180型鱼肉采取设备模型较多,包括采肉筒、鱼盘、机座、箱体、出料斗、动力系统以及各零部件如刮料螺杆、托轮、传动钉等,针对不同的对象采用多边形建模、复合物建模和NURBS曲线建模.应用方面具体如下：

1.1.1 多边形POLY建模

POLY建模可以利用3DMax中内置的模型直接生成,通过内置参数进行修改,在视图中创建标准几何体或扩展几何体,如长方体、圆柱体等；复杂的物体可以在视图中创建基本几何体的前提下进入模型子对象层级进行编辑,通过挤出、倒角、连接、弯曲、扭曲等命令修改形状,塑造出需要的模型.例如采肉筒采用的圆柱体建模,鱼盘采用的长方体建模.如图2、3所示：

图2 采肉筒模型 图3 鱼盘模型

1.1.2 复合物体建模

布尔运算是处理二值之间关系的逻辑数学计算法,包括联合、相交、相减.复合物体建模就是使用布尔运算,使两个物体之间产生相应的变化,联合是用来将两个物体合并,相交的部分将被删除,运算完成后两个物体将成为一个物体,相减即在A物体中减去与B物体重合的部分或在B物体中减去与A物体重合的部分,相减运算广泛地应用在洞体和凹陷体的建模过程中,例如刮板调节轴上的打孔.如图4所示：

图4 刮板调节轴模型

1.1.3 NURBS曲线建模

NURBS全称是非一致性合理基础样条曲线,它的网格拓扑结构是依赖于数学公式来搭建的,最后建立的模型密度是完全可操控的.利用NURBS曲线创建二维图形,可以对二维图形添加各项修改器,使其生成三维模型,常用的修改器有挤出挤压、车削等；也可以为二维图形装载放样路径,使二维图形形成有一定厚度的三维模型.

（1）挤出挤压是以二维图形为轮廓,制作出相同形状,赋予厚度的3D模型,文中180型鱼肉采取设备的机座,箱体结构都是采用此方法创建.如图5、6所示：

图5 机座模型 图6 箱体模型

（2）车削建模是对曲线添加车削命令,通过修改旋转轴向和角度,使截图曲线绕中心轴旋转,从而生成一个柱状模型,文中鱼肉采取设备的大部分零部件都是应用此方法实现.例如手柄螺丝.如图7所示：

（3）loft放样建模是通过创建一个二维图形,然后在图形上安插路径形成立体图形的建模方式.文中鱼肉采取设备的电机罩采用此方法建立.如图8所示：

图7 手柄螺丝 图8 电机罩

1.2 模型优化技术

三维模型的实质是由大量的网格构成的,在计算机处理过程中占用了大量的存储空间,且在图形图像渲染过程中占用了大量的时间,因此在建模过程中,要对网格进行优化处理,提高模型的利用效率.常见的优化技巧有：

（1）对模型格式进行编辑转换.无论是复合物体建模还是NURBS曲面建模,几乎所有的模型都可以通过两种命令进行编辑：editable mesh（可编辑网格） 和editable poly（可编辑多边形）,通过调节模型的点、线段、面,类似于“捏橡皮泥”的方法对模型进行塑形,输出格式为Mesh格式.可编辑网格方式建模占用的系统资源少,运行速度快.可编辑多边形更适合模型构建,参数更细致.

（2）控制冗余节点.通常在使用布尔运算的建模方法后,模型会产生多余的点,不仅对模型的美观造成影响,也增加了模型的内存占用,需要对这些节点进行控制,一般采用删除、焊接等操作命令.

（3）控制网格分段线.在建模过程中,直线结构的模型采用较少的网格分段数,曲线结构的模型可适当增加节点,网格分段数越多,模型越光滑.

（4）控制网格面片数.建模分主体和次要体,主体要突出模型的主要特征,需要丰富的细节,可以适当增加面片数,而次要体要简化表现,比如螺丝建模时可以仅用8个面而不用12个面.

（5）预处理辅助线.3DMAX可以很方便的导入DWG文件,DWG文件是AUTOCAD生成的二维图形文件,一般可以作为建模的辅助参考线.但是DWG文件占用内存多,需要对辅助线预先处理.一般可以采用以下方法,第一：DRAGP1 设置重生成拖动模式下的输入采样率,把初始预设值10改成1.第二：DRAGP2 设置快速拖动模式下的输入采样率,把初始预设值25改成1.第三：TREEMAX 通过限制空间索引（八叉树）中的节点数目,从而限制重生成图形时占用的内存.把初始预设值10000000改成1000000 . 1.3 贴图纹理、灯光布置和VRAY渲染器

为了使模型的视觉效果更加立体,可以通过3DMAX材质编辑器为模型赋予一定的纹理映射属性,对于一些图案等表面模型,需要通过贴图方式将位图图片贴于立体表面.3DMAX内置多项纹理映射,文中鱼肉采取设备主体采用金属映射,可以使模型主体材质具备不锈钢质感,为获得更真实的效果,突出模型的高反射性,可以在材质编辑器的反射通道下,使用HDR高动态贴图.

灯光布置在三维模拟显示中有着极为重要的作用,场景中的模型在设置了贴图纹理之后,需要配合合理的布光,才能营造出材质的真实质感.通常需要遵循三点布光法则,即主光KEY,补光FILL和背光BACK LIGHT.主光：用它照亮整个模型,并使模型产生投影,主光通常使用目标聚光灯.补光：用它来填充被主光遗漏照射的区域,通常补光的亮度是主光的50%.背光：增加背景的亮度,从而可以凸显出主体,文中的背光采用的是泛光灯,亮度是主光的50%.

VRay渲染器是目前业界最受欢迎的渲染引擎,它提供了一种特殊的材质――VrayMtl.在鱼肉采取设备建模中使用该材质获得更加准确的物理照明（光能分布）,占内存小可以获得更快的渲染,反射和折射参数调节也更方便.使用VrayMtl,可以应用不同的纹理贴图,控制其反射和折射,增加凹凸贴图和置换贴图,强制直接全局照明计算.

2.结论

180型鱼肉采取设备三维模型的建立,对其计算机三维动态仿真技术的研究起到关键作用.测试表明该模型较传统的二维图形更直观,逼真的视觉效果对鱼肉采取设备研发、设计以及应用过程中遇到的实际问题求解有重要意义,同时,它具备展现设备结构的功能,也是一个很好的教学示范系统.