面向虚拟制造的多细节层次模型研究硕士论文.docx
- 文档编号:29996862
- 上传时间:2023-08-04
- 格式:DOCX
- 页数:65
- 大小:386.43KB
面向虚拟制造的多细节层次模型研究硕士论文.docx
《面向虚拟制造的多细节层次模型研究硕士论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《面向虚拟制造的多细节层次模型研究硕士论文.docx(65页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
面向虚拟制造的多细节层次模型研究硕士论文
分类号密级
UDC
硕士学位论文
面向虚拟制造的多细节层次模型研究
学位申请人:
:
学科专业:
:
机械电子工程
指导教师:
:
论文答辩日期2005年4月28日学位授予日期年月日
答辩委员会主席李世其评阅人 李世其 艾 武_
AThesisSubmittedinFullyFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ResearchonMultipleLevelsofDetailforVirtualManufacturing
Candidate
:
Major
:
MechatronicsEngineering
Supervisor
:
AssociateProf.
Prof.
HuazhongUniversityofScience&Technology
Wuhan430074,P.R.China
April,2005
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期:
2005年5月8日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
√
本论文属于
保密□,在_____年解密后适用本授权书。
不保密□。
(请在以上方框内打“√”)
学位论文作者签名:
指导教师签名:
日期:
2005年5月8日日期:
2005年5月8日
摘 要
为适应市场的瞬息多变并减少生产成本和周期,各制造企业将许多先进技术引入到设计和制造领域,由此产生了许多新的制造技术和制造系统。
虚拟制造是先进制造技术发展的必然结果,已成为先进制造技术研究领域的热点之一。
虚拟制造技术的迅速发展,对虚拟现实技术的要求与日俱增;作为虚拟现实的核心技术,真实感图形实时绘制技术在很大程度上影响着虚拟制造技术的进步。
本文就多细节层次模型的网格简化算法这一实时绘制技术作了初步探讨与实践。
首先,在广泛阅读国内外相关文献资料基础上,介绍了实时绘制技术的基本理论,给出了课题的研究背景、研究现状和发展趋势,总结了网格简化算法的有关理论和技术。
然后,在真实感图形绘制算法有关理论的基础上,提出了一种视相关的网格模型简化算法,结合网格模型的四个简化标准,根据视觉敏感度加大场景简化幅度,从而提高绘制速度。
利用空间八叉树建立场景网格模型的层次结构,并给出一种基于z-Buffer的场景模型快速消隐算法。
接着,根据视相关的网格简化算法,利用OpenGL编程,开发了一个加工设备快速绘制的原型系统。
并以模块化的思想设计了原型系统的总体结构,详细介绍了它的基本功能和各模块的具体实现。
该系统为开发具有实际应用价值的相关系统进行了有益的探索。
最后,总结了本文的工作,并指出进一步的研究方向。
关键字:
虚拟制造网格简化细节层次视相关八叉树
Abstract
Tokeepupwiththerapidlyshiftingmarketandreduceproductioncostandtime,manufacturingenterprisesintroducemanyadvancedtechnologyintodesignandmanufacturingarea.Virtualmanufacturingistheinevitableresultofthedevelopmentofadvancedmanufacturingtechnology,anditbecomesoneofthefocusesintheresearchareaofadvancedmanufacturingtechnology.Therequirementsfortechniqueofvirtualrealitywiththerapiddevelopmentofvirtualmanufacturingincreasesteadily.Asakeytechniqueofvirtualreality,3Dgraphicsreal-timerenderingtechniqueaffectstheprogressofvirtualmanufacturingtechniqueinaconsiderabledegree.Inthispaper,themeshsimplificationofmultiplelevelofdetail,oneofreal-timerenderingtechniques,isstudiedandimplemented.
Firstofall,basedonthesystematicreadingoftherelativeliteratures,thegeneraltheoryofreal-timerenderingtechniqueisintroduced.Thebackground,currentstateofart,thefuturetrend,thepurposeandsignificanceofthisresearcharereviewed,andthenthetheoriesandtechniquesoftherelativealgorithmofmeshsimplificationaresummarized.
Secondly,basedontherelativetheoryof3Dgraphicsrenderingalgorithm,aview-dependentsimplificationalgorithmofmeshmodelisproposed,whichcombiningvisualacutenessandfourcriterionsforsimplificationofmeshmodel.Thisalgorithmcansimplifythemeshesofthescenedrasticallyandacceleraterenderingspeed.Furthermore,themeshmodelofsceneisbuiltbyusingspatialoctreeandaz-bufferhiddenalgorithmisputforward.
Thirdly,aprototypingsystemforthequickrenderingofworkshopsceneisdeveloped.Thegeneralstructureofthesystemisdesignedinmodules;thefunctionsandrealizationofdifferentmodulesaredescribedindetail.Thissystemwillbenefitforthedevelopmentofrelativesystemswhichhavethevalueofpracticalapplication.
Finally,allworkofthethesisissummarized,andtheproblemsthatneedtobesolvedinthefuturearealsopointedout.
KeyWords:
virtualmanufacturing levelofdetail(LoD) meshsimplification view-dependent octree
目录
摘要I
AbstractII
1绪论
1.1课题来源
(1)
1.2课题的研究背景、目的及意义
(1)
1.3国内外发展状况(4)
1.4三维图形应用程序接口(7)
1.5本文的主要工作(8)
2真实感图形的绘制技术
2.1虚拟场景表示(10)
2.2基本消隐技术(11)
2.3纹理映射(14)
2.4图形生成的加速方法综述(16)
2.5本章小结(21)
3多细节层次模型绘制算法研究
3.1三维图形显示中的一些概念(22)
3.2视相关的网格动态简化算法(23)
3.3实验结果(34)
3.4本章小结(35)
4多细节层次模型绘制中空间八叉树的应用
4.1引言(36)
4.2构造八叉树(36)
4.3基于z-Buffer的快速消隐算法(39)
4.4本章小结(42)
5多细节层次模型在加工设备快速绘制中的应用
5.1引言(43)
5.2原型系统的结构与功能(43)
5.3原型系统各模块的实现(45)
5.4研究实例(47)
5.4本章小结(48)
6全文总结与展望
6.1全文总结(49)
6.2后续工作展望(49)
致谢(51)
参考文献(52)
附录1攻读学位期间发表学术论文目录(56)
1绪论
1.1课题来源
本课题研究属于下列项目的重要组成部分:
(1)国家863计划“先进制造与自动化技术”领域“机器人技术主题”项目:
“开放式数控装备的远程操作、监控与诊断技术研究”(项目编号:
2001AA423230);
(2)中国-新加坡“中新联合研究计划”项目:
“基于网络的产品开发平台”;
(3)新加坡国家科技局资助项目:
“基于多智能体的数字制造(Multi-Agent-basedDigitalManufacturing)”;
(4)湖北省自然科学基金项目:
“数控加工远程监控中的可重构理论与技术研究”(项目编号:
2003ABA002)。
1.2课题的研究背景、目的及意义
随着现代科技的日新月异,国际市场的动态多变和竞争的加剧,世界经济一体化进程的逐渐加速,制造企业所处的环境发生了巨大的变化。
全球性商业竞争给制造模式和制造方法带来了深刻的变革,其中的显著特点是产品多样化、质量高、价位低、周期短。
决定制造企业全球竞争能力的主要指标是产品的开发时间(Time)、质量(Quality)、成本(Cost)以及相应的服务(Service),即TQCS。
为适应市场的瞬息多变并减少生产成本和周期,各制造企业将许多先进技术引入到设计和制造领域,由此产生了许多新的制造技术和制造系统[1]。
虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)是先进制造技术发展的必然结果,已成为先进制造技术研究领域的热点之一。
目前,虚拟制造技术还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技术的系统研究,因此,虚拟制造技术的内涵到目前为止也没有统一的定义,许多学者从不同角度对虚拟制造技术进行了探索,并给出了相应的定义。
通过对各种已有虚拟制造的定义进行综合,可以发现,虚拟制造本质上属于仿真技术,是各种制造仿真技术的系统集成[2],其核心是虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、网络技术和管理技术等[3]。
虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境,人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互;建模技术包括产品的立体几何模型、物理模型、加工过程模型、工厂运作模型等;仿真是虚拟制造技术的核心内容,只有通过仿真才能确定产品设计和生产工艺的可行性和合理性,才能保证产品制造的成功和生产周期;网络技术的应用,建立了技术人员之间的直接联系和协同工作的基础,使得并行工程、人力和技术集成、信息交流等现代制造技术成为可能,企业内部的管理和虚拟企业的实现,没有网络是不可能的。
总之,虚拟制造技术是利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制[4]。
作为虚拟制造的一个支撑技术,虚拟现实(VirtualReality,VR)技术己渗透到各个领域,发展成为多学科的交叉领域。
近年来,虚拟现实对于人类生活的各个方面都产生了巨大的影响,虚拟现实技术已经在科学计算可视化、医学应用、培训、娱乐、产品设计等广阔的领域中得到了广泛的应用。
从游戏、娱乐、家居设计到战场模拟,耗资巨大的实物被计算机变成了一个虚拟世界。
凭借虚拟现实技术,人们可以进入这个由计算机模拟的虚幻世界,并可以像对待真实世界那样去操纵和改变它。
所有这些应用都是以实时绘制技术的研究突破为背景,只有提高了系统的实时性,用户与虚拟场景才能进行互动和交流,产生沉浸感。
这项技术还有更广泛的应用前景,通过与互联网技术结合,应该可以创造更加完美的虚拟世界,人们可以在虚拟世界中购物、工作,如同在真实世界一样。
虽然现在的互联网也提供了一些类似的应用,但用户在虚拟世界中的视觉与听觉等感觉与真实世界还存在较大差距。
这种差距的产生原因是多方面的,但最主要的原因是受到了虚拟现实技术发展水平的限制。
也就是说虚拟现实技术的发展状况仍制约了虚拟现实进一步的推广应用。
其中虚拟场景的快速生成,实时的人机交互是制约其发展的主要原因。
实时性是虚拟现实技术的关键因素之一,它要求系统能实时地对各种输入做出反应。
例如,当观察者在虚拟环境中走动时,随着观察者视点和视线方向的变化,系统必须实时更新场景画面。
根据人眼的视觉暂留特性,要给人以连续运动的感觉,画面更新速度应达到24帧/秒。
虽然高速发展的CPU技术和专用图形处理器使得现今的图形工作站和个人PC机的性能得到了很大的提高,但距离VR的应用需求仍相当遥远。
如波音公司推出的完全由计算机设计的波音飞机模型的复杂度远远超过了当今最先进图形工作站的实时处理能力,需要几百台图形工作站的联网运算;PC机更是无能为力。
因此,虚拟现实系统中场景模型的复杂度和交互实时性之间的矛盾是虚拟场景绘制中存在的主要问题,也是制约虚拟现实应用发展的瓶颈技术。
随着虚拟现实应用领域的日益扩大及应用内容的复杂化,真实感图形实时绘制技术的需求急剧增加。
因此研究并采用一些可应用于现有通用计算机平台、高效的图形绘制算法,以加速对复杂场景和造型的绘制,进而解决绘制算法在速度、质量及场景复杂度之间越来越突出的矛盾,已成为计算机图形学领域一个非常重要的课题。
虽然可以用高档计算机来处理、存储复杂的模型,如使用计算速度高、存储容量大、图形功能强的图形工作站等。
这是一个有效的办法,但不能完全解决问题。
首先随着应用需求的发展,模型复杂程度的增长几乎是无限的。
机器的性能提高了,可是模型的复杂程度会成倍增加。
其次,高档计算机需要大量的投资,非一般用户所能承受。
因此,如何利用中低档的计算机,特别是PC机来处理复杂的几何模型,是一个重要课题。
因此,在利用高性能计算机的同时,人们提出了多种技术和算法,力求更有效的解决复杂模型的处理、存储、传输和绘制问题。
其中,复杂模型的多分辨率表示和绘制是最有效的方法之一。
计算机图形学、科学计算可视化中所生成的模型一般是由多面体表示的。
模型简化指的是采用适当的算法减少该模型的面片数、边数和顶点数。
模型的多分辨率表示则是指对于同一模型,存在着由简到繁、由粗到精的几种表示。
模型的面片数减少以后,其表示精度必然下降。
但是,在许多情况下对应用并无影响。
一个典型的例子是,在对多面体模型进行动态显示时,如果模型距图像平面很远,其在图像平面上的投影必然很小,只有几个像素。
那么,无论模型精确到何种程度,其细节在屏幕上都不可能表示出来。
因此,只需使用简化的、比较粗糙的模型就可以了,从而可以大大减少存储容量、提高计算速度。
当一个模型存在着多种分辨率的表示时,可以根据不同要求选用不同分辨率的模型。
具体来说,应根据模型在屏幕上覆盖的像素的多少选择相应的层次。
对近的物体绘制时,使用较精细的模型;对远的物体则使用较粗糙的模型。
从而保证在对原模型的图像有良好的形状逼近的前提下,尽量减少用于表示该模型的多边形数目[5]。
这就是细节层次模型的基本思想。
细节层次(LevelofDetail,LoD)基本原理是,利用透视投影的特性——距离当前观察视点越远的物体,其在成像平面上的投影面积越小,那么对远处的物体在绘制阶段可用较少的等效绘制元素来表现它。
这里提到的所谓“物体”是指具有一定逻辑意义的绘制模型,而“等效”是指两者的透视投影基本相同或差异很小。
为物体提供不同的LoD模型是控制场景复杂度和加速图形绘制速度的一个非常有效的方法[6]。
LoD模型的研究为解决图形显示质量和显示速度之间的矛盾提供了一条可行而有效的方法。
它改变了图形越精确越好的片面看法,而是依据视线的主方向、视线在景物表面的停留时间、景物离视点的远近、景物在屏幕投影区域的大小和场景中每个图形对象的重要性等因素决定景物应选择的绘制精度。
从而实现场景模型的实时绘制。
1.3国内外发展状况
1.3.1虚拟制造技术的发展概况
虚拟制造自1993年出现以来,经过十来年的发展,取得了长足的进步。
因其具有诱人的应用前景,西方工业国家相继成立了一大批虚拟制造研究机构,开展应用基础技术的研究,建立了虚拟制造技术体系,并在企业已经得到广泛的实际应用,取得了巨大效果。
在美国,目前已形成了由政府、企业、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。
其中主要研究项目有:
(1)美国国家技术标准研究所正在建立国家先进制造实验基地。
该基地与马里兰大学、芝加哥大学、佛罗里达大学、俄亥俄大学、波音公司等34家单位合作,主要进行制造电子商务等研究。
(2)华盛顿州立大学的VRCIM实验室的设计与制造虚拟环境项目。
(3)马里兰大学的虚拟制造数据库项目等等。
在欧洲,许多大学如英国曼彻斯特大学、巴斯大学、德国达姆斯特技术大学计算机图形研究所等等都确定以VM作为重点研究方向。
在日本,形成以大阪大学为中心的研究开发力量,进行了大量VM系统体系结构的基础研究和系统开发。
国外许多知名企业已在积极地开展虚拟制造技术的应用研究。
虚拟制造技术在汽车、飞机、工程机械以及武器等产品上的应用实例和成果已经陆续见诸报端。
比如,美国国防部先进计划署ARPA致力于将虚拟环境于物理建模、发布离散性模拟等技术结合,为虚拟武器设计提供先进的手段。
加利福尼亚RockwellInternational公司开发了将现有CAD数据转换传递到虚拟环境的软件,工程技术人员能看见设备部件是如何被装配的,无需制作零部件的物理模型。
美国Metalagraphics公司应用虚拟检测技术于航空和军事产品的零部件加工。
食品生产商Nabisco计划将组装生产线进行拟实化,以便培训人员去维护和维修生产线。
摩托罗拉公司自1994年起使用虚拟产品开发技术。
据报道,该项技术节约了该公司数百万美元的培训费用。
波音公司采用虚拟原型技术在计算机上建立了波音777飞机的最终模型。
福特汽车公司已应用虚拟环境技术于汽车设计与工程。
该公司的先进车辆技术组应用虚拟制造技术于装配仿真和虚拟成型,以提高空气动力学、人机工程学和表面建筑的效果。
世界最大的挖土机和建筑设备制造企业CaterpillarInc.将虚拟设计用于评价新样车的内部可视性,节约了机型试制费用,大大缩短了开发周期[7]。
我国自1996年开始虚拟制造技术的跟踪研究,并日益引起我国科技工作者的关注,目前全国已有几十家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究,进行初步的应用。
作为虚拟制造技术的核心技术,虚拟现实技术这些年来也得到迅速发展,而其中的实时绘制技术在20世纪80年代以真实感图形生成为主线的蓬勃发展,今天已能够生成达到照片真实感的图形,并在计算机辅助设计(CAD)技术、工业设计、室内设计以及计算机动画、电影特技镜头等领域获得广泛的应用。
近年来,计算机运算速度与图形硬件加速器的性能均有很大提高,但与用户对模型的复杂度、真实感和实时性的追求相比仍然落后于实际需要。
因此,为了处理大规模几何模型,基于几何的建模和绘制技术派生了一系列新技术。
例如,模型的多分辨率表示(multi-resolutionrepresentation)、多细节层次处理技术[8]。
如何解决模型的复杂度、绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾一直是计算机图形学和虚拟现实技术所努力的方向。
自20世纪90年代初以来,基于图像的建模和绘制(Image-basedModelingandRendering,IBMR)技术应运而生。
它通过对真实(或虚拟)世界进行有限的采样,即获得一组图像(如照片),根据给定视线方向,通过对上述采样图像的重组,即重采样,来获得新视图。
相对于基于几何的建模和绘制技术,这种技术具有建模容易、真实感强、绘制速度快等优点。
但采用单一的IBMR技术无法创建虚拟对象,通常需要与基于几何的建模和绘制技术结合来进行虚拟场景的绘制[8]。
1.3.2网格简化技术的发展概况
近年来,作为实时绘制的一个重要手段,网格简化技术也得到了迅速发展。
网格简化的目的是把一个复杂多边形表示的模型用一个近似的模型表示,近似模型基本保持了原模型的可视特点,但顶点数目少于原网格的顶点数目。
网格模型的简化算法即通过一定的误差判定,删除那些对模型几何形状影响不大的几何“图元”(顶点、边或三角形),达到模型简化的目的,得到在不同精度上逼近原复杂模型的近似模型。
为了保证拓扑特性,许多算法必须对几何元素删除后所遗留的空洞、进行复杂的三角化过程。
Schroeder于1992年首次提出一种以顶点操作实现模型简化的方法[9]。
该方法的基本思想是:
首先根据模型局部的几何拓扑特性,将顶点划分。
然后用距离误差分别计算顶点的重要性,根据各类顶点删除所导致的误差决定该顶点的删除。
如在误差允许范围内,则删除该顶点并对删除该顶点所遗留下的空洞进行三角化。
顶点删除法算法计算量小,时间复杂度为线性,执行效率高。
它能很好地保留几何特征,保持拓扑结构。
但多次迭代的情况下会积累误差。
1993年,Hoppe提出一种以边操作实现模型简化的LoD模型自动生成算法[10]。
该方法最大的特点即通过对边的各种操作(边蜕化为点、边对换、顶点分裂)来求取能量意义上的原模型的最优逼近模型。
该方法以边蜕化为一新的顶点,以被蜕化的边的两端点对应新顶点,由原端点的连接关系就可得到简化区域的保持原连接关系的三角片模型,避免简化操作后的三角化问题。
这个算法首次提出了以顶点合并,即边的顶点合并为一个新顶点这一复杂模型简化方式,避免模型简化后复杂的三角化过程,为任意网格模型的层次细节模型的实时生成的提出作了良好的先期工作。
1994年,H
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 面向 虚拟 制造 细节 层次 模型 研究 硕士论文