CN107016170A - 一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法 - Google Patents

一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法。本方法的步骤如下：步骤1：LED灯具三维模型的构建；步骤2：LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染；步骤3：LED灯具三维模型优化；步骤4：LED灯具三维模型的加载和场景搭建；步骤5：LED灯具三维模型在线装配和定制；步骤6：LED灯具三维模型人机交互；本发明将LED装配线进行动态模拟，在用户自定义的同时，进行三维模型的实时重构，使用户和LED 灯具之间建立起一种实时交互性关系。用户在定制中可以直接感受到设计的效果，一方面增强定制的可实施性，保证定制的产品满足其需求，另一方面大量的定制结果能够反过来改进设计，启发LED灯具定制流程设计者，有利于LED灯具的重设计和深化设计。

Description

一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法
技术领域
本发明涉及工业三维定制领域，具体涉及一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法。
背景技术
近年来，LED 灯作为一种新型节能的照明光源被广泛使用。随着工业4.0时代的到来，市场活力有了新一轮的爆发，许多的客户不再满足于千篇一律的批量化产品，而是追求专门为自己定制的独具特色的产品。因而LED灯具定制化成了行业发展的一个方向，定制化不仅可以满足市场需求，企业还可以在此过程中提升企业的品牌优势，增强企业竞争实力。然而，LED灯具定制化虽能满足许多客户的需求，但是也存在着一定的不足，如高定制化从研发到生产环节所需要的时间周期较长，不利于量化生产，并且定制化所需投入的人力、物力、财力都相对较高。
在工业三维定制领域，传统的方式一般还是基于C/S（Client/Server）框架的的桌面三维应用，无论开发还是维护都花费巨大，而且当软件更新的时候，所有的Client（客户机）都需要同步更新，这样的技术结构不利于共享，更不利于传播。这些不利因素催生了B/S（Browser/Server）框架和一些新技术的出现。这些技术的应用免去了软件的安装，用户只需要通过浏览器就可以在线可视化的三维场景，唯一不便的是浏览器需要另外安装相应的三维插件，并维持更新。
随着新一代Web标准的推出，Canvas作为HTML5的标签元素，通过JavaScript脚本语言实现了图形绘制，动画创建，甚至是实时的视频处理和呈现。在HTML5的新特性CanvasAPI 中，WebGL可以直接的绘制3D动画并且提供GPU的渲染加速。利用WebGL实现Web3D不需要安装浏览器插件，只需编写JavaScript代码即可轻松实现3D图像的展示甚至是动画交互。
Three.js以简单、直观的方式封装了3D图形编程中常用的对象，可以读取JSON、Collada、STL等多种三维文件格式，并从中导入结合体和网格，在开发中使用了很多图形引擎的高级技巧，极大提高了性能。Three.js是WebGL可以按照需求进行二次开发的优秀框架，具有很高的实用价值。
基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法本质上是把工业产品定制和Web3D引擎结合起来的B/S模式的技术，这一技术弥补了普遍存在着的传播效果差、画质效果差、响应速度慢、缺少人机交互、系统构建复杂等诸多定制问题，于线上定制领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，利用WebGL技术对LED灯具三维定制过程进行可视化仿真，它可对LED装配线进行动态模拟，在用户自定义的同时，进行三维模型的实时重构，也就是计算机能够跟踪用户的输入，并实时采集输入的数据修改模拟获得的三维模型，使用户和LED 灯具之间建立起一种实时交互性关系。用户在定制中可以直接感受到设计的效果，一方面增强定制的可实施性，保证定制的产品满足其需求，另一方面大量的定制结果能够反过来改进设计，启发LED灯具定制流程设计者，有利于LED灯具的重设计和深化设计。
一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法为达到上述目的，采用如下技术方案，其特征在于操作步骤如下：
步骤1：LED灯具三维模型的构建；利用Solidworks对LED灯具的灯头、散热器、芯片、反光罩、透镜、电源等零部件进行等价建模。
步骤2：LED灯具三维模型优化；当模型数据量过大，导入到Web中进行模型位置的定位、模型参数的调整等操作前，必须进行模型数据优化，否则极大的数据量会影响整个系统的运行效率，造成不能导入和交互困难。
步骤3：LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染；为了能够更细致地展现LED灯具的真实外形，使仿真效果更加逼真，以现实灯具材料的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙。
步骤4：LED灯具三维模型的加载和场景搭建；将以上模型文件导入程序中，OBJ和MTL是相互配合的两种格式，经常一起使用。OBJ文件定义几何体的格式，而MTL文件定义所用的材质。
步骤5：LED灯具三维模型在线装配和定制；充分利用Web数据交互的特点，把模型数据保存在云端，实时调用，在浏览器中重构模型。
步骤6：LED灯具三维模型人机交互；在浏览器界面通过鼠标实现人和LED灯具三维模型的交互，包括模型拾取，模型拖拽，模型转动等操作，建立人对LED灯具三维模型的直观认识。
本发明的有益效果是：
(1)本发明模拟LED灯具定制过程的真实情况，可在三维空间以任意角度缩放观看，产品直观，体验效果好；
(2)本发明基于WebGL技术，具有跨浏览器、跨平台的兼容性，同时满足电脑、平板、手机在线浏览；
(3)本发明采用无插件渲染器，为3D图形浏览器提供GPU加速，减小CPU负担，合理利用计算机性能；
(4)本发明采用最新的互联网技术，满足大量数据的并发请求，传播性强，适应性强，技术转化效率高；
(5)本发明采用云端数据库，极大程度促进知识重用和共享，挖掘大量订单信息可以优化LED灯具原始设计理念。
附图说明
图1是本发明的程序框图。
图2是本发明的技术原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法实施例，其特征在于：具体操作步骤如下：
（1）LED灯具三维模型的构建；
（2）LED灯具三维模型优化；
（3）LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染；
（4）LED灯具三维模型的加载和场景搭建；
（5）LED灯具三维模型在线装配和定制；
（6）LED灯具三维模型人机交互；
优选的，所述步骤（1）LED灯具三维模型的构建：根据定制需要对LED灯具进行模块化设计，统一模型接口，利用CAD和Solidworks对LED灯具的灯头、散热器、芯片、反光罩、透镜和电源零部件进行等价建模，严格控制线面精确度，确定装配过程无碰撞。
优选的，所述步骤（2）LED灯具三维模型优化：使用3DsMax对所述步骤（1）中得到的LED灯具三维模型进行算法优化，在保证几何外形特征突出的原则上，减少点线面的数量，从而简化模型，缩小模型体积。
优选的，所述步骤（3）LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染：使用3DsMax对所述步骤（2）中得到的优化模型进行预渲染，以现实灯具材料的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙，并调整位置信息以及设计简单的动画效果，最终输出OBJ和MTK的Web适用格式文件。
优选的，所述步骤（4）LED灯具三维模型的加载和场景搭建：使用WebGL的There.js引擎搭建虚拟场景，加载所述步骤（3）中生成的OBJ和MTL模型文件，布置相机和光照条件，根据输入或导入的数据格式，解析图形，模拟接近真实的LED灯具三维模型视觉效果。
优选的，所述步骤（5）LED灯具三维模型在线装配和定制：充分整理LED的灯具部件模型信息，把所述步骤（3）生成的模型文件存储在云端，建立分布式的模型数据库和模型匹配信息数据库，统一接口文件，具体信息包括模型结构、模型贴图、模型位置、模型姿态、模型名称、模型参数、使用场景等，并依据上述信息设计LED灯具三维模型在线装配和定制流程；在LED灯具产品模型部件的相关性基础之上，充分考虑数据完整性，规避技术冲突，采用HTML5技术在浏览器界面中创建定制界面和模型操作界面，采用无刷新的数据提取方式编写定制流程，通过所述步骤（4）的加载技术，实现在线装配，实时重构。
优选的，所述步骤（6）LED灯具三维模型人机交互：通过对浏览器添加鼠标移动监听和点击监听，并绑定事件处理函数，通过视口中世界坐标系的位置拾取模型，使用There.js中的TrackballControls控件实现模型平移、旋转和缩放操作，建立人对LED灯具三维模型的直观认识。
首先，LED灯具三维模型的构建是对LED定制模型的设计、制图、三维建模的过程。其次，模型创建后需要对模型进行优化，减少点面数量，从而减小模型加载速度。下一步，优化后的模型可以直接于Web加载和场景搭建，为了仿真效果的逼真性，一般会增加LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染的过程，用于丰富LED灯具模型和场景的特征表现。下一步，设计定制过程，赋予模型加载以逻辑顺序，形成LED灯具三维模型的在线装配和定制。最后，对后台程序进行优化，添加人机交互模块。以上就是所述六个部分的逻辑联系。
本发明所研究的WebGL技术是一种跨平台的绘图标准，通过JavaScript API来渲染3D计算机图形。如图2所示，WebGL使用OpenGL的渲染语言GLSL ES作为着色器语言，为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使开发人员借助系统GPU在浏览器中更流畅的展示3D场景，创建复杂导航和视觉化数据，非常适合LED灯具三维定制的仿真需求。
在LED灯具的定制过程中，用户选择需求，后台发送指令调取数据，浏览器加载来自数据库中的模型数据，通过WebGL解析渲染图形界面，从而展示可视化的仿真效果。LED灯具三维模型的在线装配和定制部分是在上述的浏览器界面中添加定制界面和模型操作界面，用户可以通过这些界面选择适合的LED灯具组合，将指令发送给后台的各个控制模块。简单来讲，本发明就是通过对WebGL技术的研究，将LED灯具的三维模型载入浏览器中，通过无刷新的网络技术，调用更新模型数据，以直观地表现LED灯具的三维定制过程。
本基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法主要包括以下步骤：
1、LED灯具三维模型的构建：根据定制需要对LED灯具进行模块化设计，统一模型接口，利用CAD和Solidworks对LED灯具的灯头、散热器、芯片、反光罩、透镜、电源等零部件进行等价建模，严格控制线面精确度，确定装配过程无碰撞。
2、LED灯具三维模型优化：使用3DsMax对所述步骤（1）中得到的LED灯具三维模型进行算法优化，在保证几何外形特征突出的原则上，减少点线面的数量，从而简化模型，缩小模型体积。
3、LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染：使用3DsMax对所述步骤（2）中得到的优化模型进行预渲染，以现实灯具材料的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙，并调整位置信息以及设计简单的动画效果，最终输出OBJ和MTK等Web适用格式文件。
4、LED灯具三维模型的加载和场景搭建：使用WebGL的There.js引擎搭建虚拟场景，加载所述步骤（3）中生成的OBJ和MTL模型文件，布置相机和光照条件，根据输入或导入的数据格式，解析图形，模拟接近真实的LED灯具三维模型视觉效果。
5、LED灯具三维模型在线装配和定制：充分整理LED的灯具部件模型信息，建立分布式的模型数据库和模型匹配信息数据库，统一接口文件，具体信息包括模型结构、模型贴图、模型位置、模型姿态、模型名称、模型参数、使用场景等，并依据上述信息设计LED灯具三维模型在线装配和定制流程；在LED灯具产品模型部件的相关性基础之上，充分考虑数据完整性，规避技术冲突，通过HTML5技术在浏览器界面中创建定制界面和模型操作界面。
6、LED灯具三维模型人机交互：通过对浏览器添加鼠标移动监听和点击监听，并绑定事件处理函数，通过视口中世界坐标系的位置拾取模型，使用There.js中的TrackballControls等控件实现模型平移、旋转、缩放等操作，建立人对LED灯具三维模型的直观认识。
综上所述，本基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，模拟LED灯具产品的线上装配过程，通过对LED灯具三维模型的优化达到实时重构的视觉效果，模型三维数据绑定LED技术参数存储在云端的分布式数据库中，满足大量用户对服务器的并发性需求，同时把LED灯具的定制过程做到三维可视化，从而带来了急速、多维的用户体验。
以上这些描述只是为了解释本发明的功能模块技术原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
（1）LED灯具三维模型的构建；
（2）LED灯具三维模型优化；
（3）LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染；
（4）LED灯具三维模型的加载和场景搭建；
（5）LED灯具三维模型在线装配和定制；
（6）LED灯具三维模型人机交互。
2.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（1）LED灯具三维模型的构建：根据定制需要对LED灯具进行模块化设计，统一模型接口，利用CAD和Solidworks对LED灯具的灯头、散热器、芯片、反光罩、透镜和电源零部件进行等价建模，严格控制线面精确度，确定装配过程无碰撞。
3.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（2）LED灯具三维模型优化：使用3DsMax对所述步骤（1）中得到的LED灯具三维模型进行算法优化，在保证几何外形特征突出的原则上，减少点线面的数量，从而简化模型，缩小模型体积。
4.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（3）LED灯具三维模型贴图材质的制作和渲染：使用3DsMax对所述步骤（2）中得到的优化模型进行预渲染，以现实灯具材料的材质为参考，进行贴图、材质的制作与烘焙，并调整位置信息以及设计简单的动画效果，最终输出OBJ和MTK的Web适用格式文件。
5.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（4）LED灯具三维模型的加载和场景搭建：使用WebGL的There.js引擎搭建虚拟场景，加载所述步骤（3）中生成的OBJ和MTL模型文件，布置相机和光照条件，根据输入或导入的数据格式，解析图形，模拟接近真实的LED灯具三维模型视觉效果。
6.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（5）LED灯具三维模型在线装配和定制：充分整理LED的灯具部件模型信息，把所述步骤（3）生成的模型文件存储在云端，建立分布式的模型数据库和模型匹配信息数据库，统一接口文件，具体信息包括模型结构、模型贴图、模型位置、模型姿态、模型名称、模型参数、使用场景等，并依据上述信息设计LED灯具三维模型在线装配和定制流程；在LED灯具产品模型部件的相关性基础之上，充分考虑数据完整性，规避技术冲突，采用HTML5技术在浏览器界面中创建定制界面和模型操作界面，采用无刷新的数据提取方式编写定制流程，通过所述步骤（4）的加载技术，实现在线装配，实时重构。
7.根据权利要求1所述的基于WebGL的LED灯具三维定制仿真方法，其特征在于：所述步骤（6）LED灯具三维模型人机交互：通过对浏览器添加鼠标移动监听和点击监听，并绑定事件处理函数，通过视口中世界坐标系的位置拾取模型，使用There.js中的TrackballControls控件实现模型平移、旋转和缩放操作，建立人对LED灯具三维模型的直观认识。
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