CN108763767B - 面向vr引擎的大数据量igs工业模型polygon转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法，包括以下步骤：1)从CAD软件导出IGS格式模型；2)将IGS格式模型批量转换为四边面Polygon模型；3)利用Polygon边移除工具批量优化处理Polygon模型的多边形段数和顶点；4)根据虚拟平台对模型的转换要求针对模型的狭长面片进行转换，并导入实时渲染引擎观察结果；5)针对无Logo纹理的模型根据其曲率程度利用解UV插件3D‑IO Flatiron进行批量解UV，对有Logo纹理的模型采取个体解UV，得到具有完整统一性的UV信息；6)在3dsmax中根据将要使用的虚拟引擎要求设置碰撞和物理属性；7)在虚拟引擎平台里导入编辑好的三维模型，进行装配形成VR模型。本发明提出的转换方法能提高转换效率和准确率。

Description

面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术，尤其涉及一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法。

背景技术

随着信息化技术、虚拟现实技术以及计算机技术的快速发展，三维轻量化模型技术已广泛应用于众多船舶设计和建造单位，支撑船舶设计研发及虚拟仿真分析，逐渐改变着船舶工业的设计手段、设计方法和管理模式，提高设计水平，缩短设计周期，改善设计质量。

大型船舶三维设计装配结构层次复杂，一般按船舶总段划分，再按功能划分，分别为总体外形、船体结构、设备、管路、电缆等，随着三维设计深度的不断深化，装配层次越来越多，数据量也越来越大，其中还有大量的是制作虚拟现实过程中可能不需要的数据量，按照传统的三维模型转换技术其转换过程相当繁琐。

传统的转换方法：其一是采用自下而上的串行转换方法，当叶节点专用模型更新后触发转换，转换完成后开始上一级装配树结构的转换；其二是通过直接舍去装配属性，将工业模型转换成三角面片的网格模型。针对不同的虚拟平台其转换要求也不相同，尽管如此这样的转换方式也是仅针对小数据量模型可行，但完成大型船舶的复杂装配模型，存在以下诸多问题：

(1)对于模型的装配属性转换在制作虚拟现实的过程中针对不同需求不是一定需要的，还有一些看不见的内在面片也是需要删除的；

(2)对于第二种方法会由于转换方法的不当，会导致模型数据的缺失和曲面的不完整，造成面片前后法线方向扭曲或曲面产生裂缝等；

(3)对于曲面模型无法根据曲面的曲率需求来批量调整曲面段数，来达到精减模型面数的要求，而虚拟平台需要根据相机远近制作高、中、低不同的LOD模型；

(4)对于转换好的MESH模型无法方便地进行UV解算，而UV解算是在虚拟引擎中能够获得正确光照信息的条件以及纹理映射的基础，是导入虚拟引擎的必备过程。

以上描述说明了传统大数据量三维轻量化模型转换方法存在的不足，导致全船CATIA模型无法得到正常转换。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法，包括以下步骤：

1)从CAD软件导出IGS格式模型，导出时注意选择合适的模型精度；

2)将IGS格式模型批量转换为四边面Polygon模型；

3)利用Polygon边移除工具批量优化处理Polygon模型的多边形段数和顶点；

4)根据虚拟平台对模型的转换要求针对模型的狭长面片进行转换，并导入实时渲染引擎观察结果；

5)针对无Logo纹理的模型根据其曲率程度利用解UV插件3D-IO Flatiron进行批量解UV，对有Logo纹理的模型采取个体解UV，得到具有完整统一性的UV信息；

6)在3dsmax中根据将要使用的虚拟引擎要求设置碰撞和物理属性；

7)在虚拟引擎平台里导入编辑好的三维模型，进行装配形成VR模型。

按上述方案，所述将模型批量转换为易于修改优化的四边面Polygon模型的具体步骤如下：

2.1)以360度圆周为标准判定曲率大小，依照NURBS表面曲率决定段数，分类导出模型；

或

2.1)整体导出模型；

2.2)以360度圆周导出24段为基础计算其它曲面段数，然后经过两次优化为圆周为6段的模型；

或

2.1)分类导出的时候将圆周导出为5段或者6段的Polygon模型，圆角导出为3段或者4段的Polygon模型。

按上述方案，所述步骤3)中的优化方法如下：在3dsmax中采用移除边方法减少段数，按照相邻N边规律批量选取模型的边来移除多余的段数，达到在保持曲面状态下采用的是最少的段数；

具体执行步骤为：

3.1)删除厚度模型的内面；

3.2)焊接所有外表面顶点；

3.3)批量选择相邻N数的边移除至最少的段数；

3.4)合并焊接所有模型顶点。

本发明产生的有益效果是：

1)本发明的转换方法既可以按照单个模型来转换，也可以按照选取曲率相当的模型来转换，还可以批量化转换，转换后的IGS模型包含完整的圆NURBS的几何外形；

2)本发明利用了三维IGS格式的模型能够很好地经由NURBS曲面和角度数据转化成四边面的多边形。此种方法可直接推向各大三维动画制作软件如Maya、3ds max等等，由此可以在这些软件中进行批量优化，大大提高三维工业模型的利用率；

3)经由NURBS曲率数据转化成四边面的多边形的转换方法，可以广泛适用于能够提供IGS格式导出的各大工业用CAD软件；

4)转化后的模型支持ProductView和Division Mockup以及大多数虚拟平台，可用于虚拟展示及综合布置评审，适用于多专业协调，可以实现虚拟漫游、干涉检查、装配约束、多通道立体显示；

5)转化后的模型在三维软件中设置好碰撞和物理属性后可以在虚拟引擎中导入运动捕捉，再配和头显设备可以实现人物在虚拟场景中体验虚拟船体及室内的真实感受。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的各种导入导出格式比较表

图3是本发明实施例的原有工业模型轻量化通用转换流程图；

图4是本发明实施例的导出后的IGS格式模型图；

图5是本发明实施例的转换成四边面的POLYGON模型图；

图6是本发明实施例的经过优化处理的轻量化POLYGON模型图；

图7是本发明实施例的曲面模型解光照UV后的效果图；

图8是本发明实施例的直面模型解光照UV后的效果图；

图9是本发明实施例的正确解纹理UV后贴图接缝效果图；

图10是本发明实施例的错误解纹理UV后贴图接缝无法对齐效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法，包括以下步骤：

1)从CAD软件导出IGS格式模型，导出时可以选择按曲率输出或整体输出，导出时注意选择合适的模型精度；

2)将模型批量转换为易于修改优化的四边面Polygon模型；

实现思想：NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写，即非均匀有理B样条。由于NURBS是通过调整某个控制顶点的来对曲面的局部形状进行修改。NURBS是CAD/CAM/CAE领域中的实际工业标准，这些建模软件通用的接口格式有：igs、stl、stp等等；Polygon建模的形成原理是基于多边形拓扑网格的原理。Polygon拓扑网格的定义是：用一定数量的点连成边，再用一定数量的边连成面，再用一定数量的面合成体，任何形状的物体都是具有一定的拓扑结构。所以Polygon模型就是由点、边、面、体四大元素形成的拓扑结构，那么一个360度圆周通常可以用至少5段来保持圆的形状，一个倒角通常至少用3段来保持圆的形状，一个Polygon四边面等于两个Mesh三角面，Mesh通用的接口格式为：obj、3ds、fbx、dae、wrl等等，那么依照NURBS表面曲率和便利性来决定段数的多少。比如说一个圆周为360度，可以将圆周划分为奇数段(转换单个模型或者同曲率模型)，可以转换至最少的段数，也可以划分为偶数段(批量转换为可以保持曲面的共有的Polygon段数)，然后再到3dsmax中优化段数。具体步骤是：A以360度圆周为标准判定曲率大小分类导出模型，B或者整体导出模型，C分类导出的时候将圆周出为5段或者6段的Polygon模型，圆角导出为3段或者4段的Polygon模型；如果是整体导出，就以360度圆周导出24段为基础计算其它曲面段数，这样的偶数段能够保证所有曲面数据都无缺失，然后经过两次优化为圆周为6段的模型；

工业模型在导出时往往文件量是巨大的，经过比较，只有保持了Nurbs拓扑结构的IGS模型是最适合转换为具有四边面的Polygon模型，也只有这种模型在三维软件才具有批量二次编辑的属性，如图2；

3)利用Polygon边移除工具批量优化处理多边形段数和顶点；

实现思想：VR引擎是基于三维模型的视口实时刷新，模型能够在引擎里运行流畅的数据标准是视口刷新率FPS值不低于85％到90％，如果不对Polygon模型进行优化工作，势必最终会导致引擎刷新迟缓，无法运行。而此前批量转换的是保持曲面的共有的Polygon偶数段，不是保持曲面的最少段数，模型量依然比较大，所以在3dsmax中可以采用移除边方法进一步减少段数，按照相邻N边规律批量选取模型的边来移除多余的段数，达到在保持曲面状态下采用的是最少的段数，移除边的方法对比删除边的区别是可以在保证模型外形无变化的情况下达到简化模型的目的，为何要优化Polygon段数？因为一个四边面等于两个三角面，而三角面越多做出来的模型就越平滑和精致，但是对于在VR中渲染来讲会带来很多负担，必须要减少三角面数量到一定的数量级，这是实现刷新率值的必要条件。具体步骤是：A删除厚度模型的内面，B焊接所有外表面顶点，C批量选择相邻N数的边移除至最少的段数，D合并焊接所有模型顶点。

4)根据虚拟平台对模型的转换要求针对模型的狭长面片进行转换，并导入实时渲染引擎观察结果；

5)针对无Logo纹理的模型根据其曲率程度利用解UV插件3D-IO Flatiron进行批量解UV，而有Logo纹理的模型因为后期涉及到修改贴图只能采取个体解UV，得到具有完整统一性的UV信息；

实现思想：对于导入VR引擎的三维模型需要两个UV坐标信息才能正确导入，一个是纹理UV，在解算模型纹理UV时需将模型上的顶点进行优化，优化顶点的概念就是将不需要保留的顶点移除或者删除，需要焊接的顶点作焊接处理。否则无法重新分布贴图接缝，最终导致贴图映射混乱；另一个就是光照UV，这个UV坐标对UV分解的完整性不是必须的。工业模型中的大量模型是作为场景来表现的模型，其光照UV仅是为了在VR引擎里引入光照信息，而不具备这个UV坐标的模型在UV引擎里呈现黑色，鉴于这个特点，可以把模型塌陷合并，在3D-IO Flatiron里选择按照曲面或者直面批量解UV，无需一个个来手动拆解。具体步骤是一、，用Unwrap UVW选取单个对象，重新分配贴图UV，设置UV通道序号为1；二、选择按照曲面和硬边模型用3D-IO Flatiron里批量解UV，设置UV通道序号为2；

6)在3dsmax中根据将要使用的虚拟引擎要求设置碰撞和物理属性；

7)在虚拟引擎平台里导入编辑好的三维模型，进行装配形成VR模型。

现有同行业中普遍采用的是将工业CAD模型转换为三角面MESH的方法，如图3；而本发明提出的三维IGS格式的模型能够很好地经由NURBS曲面和角度数据转化成四边面的多边形。此种方法可直接推向各大三维动画制作软件如Maya、3ds max等等，由此可以在这些软件中进行批量优化，大大提高三维工业模型的利用率

一个实施例：

由于全船模型的多边形拓扑结构的多样性，但大多数为机械类规则几何形体结构，为能获得VR引擎视口刷新率标准的轻量化模型，本实施例仅举例具有大多数模型特征的处理优化方法，使用本发明方法获得虚拟引擎平台的全船三维轻量化模型。

1)将全船分成12个总段，编制转换内容包括转换格式、源文件存放路径、转换后输出路径等；

2)从CATIA软件以总段为基本单元导出IGS格式模型，这里以局部管道为例,导出后的模型文件大小为2.29MB，如图4；

3)将IGS模型按照以将圆周转化为24段为基数，其它曲面圆角都以此参数来适配计算段数，输出以四边面为基础Polygon模型，的此时的模型文件大小为1.48MB，如图5；

4)模型导入3ds max中，首先删除掉管道或者设备内部作为厚度的面片，再利用DotRing设置相应间隔边数批量选择边，用边移除方法处理多边形段数和优化顶点,达到轻量化工业化模型的要求此时的模型文件大小为780KB，如图6；

5)根据虚拟平台对模型的转换要求针对模型的狭长面片进行变换，并导入实时渲染引擎观察结果；

6)在3ds max中针对无Logo纹理的模型利用UV工具3D-IO Flatiron按照直面和曲面分别进行批量解UV，或者将直曲面模型一起解UV也是可以的，如图7和图8；因为引擎对光照UV的分解完整性要求并不是必须的，只是为了让模型能够承载光照效果；而有Logo纹理的模型采取个体解UV，纹理UV的ID号设为1，光照UV的ID号设为2，图9详细图解了顶点处理得当以后可获得正确的贴图UV；但如果模型的顶点优化处理不干净，可能导致无法重新修改贴图接缝，影响模型纹理的映射，如图10；

6)在3dsmax中根据将要使用的虚拟引擎要求设置碰撞和物理属性；

7)在虚拟引擎平台里导入编辑好的三维模型，进行装配形成VR模型。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法，包括以下步骤：

1)从CAD软件导出IGS格式模型；

2)将IGS格式模型批量转换为四边面Polygon模型；

3)利用Polygon边移除工具批量优化处理Polygon模型的多边形段数和顶点；

所述步骤3)中的优化方法如下：在3dsmax中采用移除边方法减少段数，按照相邻N边规律批量选取模型的边来移除多余的段数，达到在保持曲面状态下采用的是最少的段数；

具体执行步骤为：

3.1)删除厚度模型的内面；

3.2)焊接所有外表面顶点；

3.3)批量选择相邻N数的边移除至最少的段数；

3.4)合并焊接所有模型顶点；

4)根据虚拟平台对模型的转换要求针对模型的狭长面片进行转换，并导入实时渲染引擎观察结果；

5)针对无Logo纹理的模型根据其曲率程度利用解UV插件3D-IO Flatiron进行批量解UV，对有Logo纹理的模型采取个体解UV，得到具有完整统一性的UV信息；

6)在3dsmax中根据将要使用的虚拟引擎要求设置碰撞和物理属性；

7)在虚拟引擎平台里导入编辑好的三维模型，进行装配形成VR模型。

2.根据权利要求1所述的面向VR引擎的大数据量IGS工业模型POLYGON转换方法，其特征在于，将模型批量转换为易于修改优化的四边面Polygon模型的具体步骤如下：

a)以360度圆周为标准判定曲率大小，依照NURBS表面曲率决定段数，分类导出模型；

或

b1)整体导出模型；

b2)以360度圆周导出24段为基础计算其它曲面段数，然后经过两次优化为圆周为6段的模型；

或

c)分类导出的时候将圆周导出为5段或者6段的Polygon模型，圆角导出为3段或者4段的Polygon模型。

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