CN116992673A - 一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，旨在解决传统实地车漆喷涂训练存在的诸多弊端，以及现有的三维仿真模拟方式难以兼顾高质量、高效率、高可移植性的难题。为此目的，本发明中的方法包括：采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序；采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能；开发程序化三维图形用户界面；使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型；使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息；建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观。本发明具有仿真质量高、执行效率快、跨平台性强等特点，可以满足在多平台下实现高质量车漆喷涂仿真的需求。
Description
技术领域
本发明属于汽车喷涂仿真领域，具体涉及一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法。
背景技术
车漆喷涂是汽车加工领域必不可少的环节，其工艺要求极高、训练需求量大。但传统实地喷涂训练存在实践成本高、安全隐患多、训练效果差、评估难度大等问题，通过计算机图形学相关技术还原汽车涂料喷涂过程可以有效解决实地喷涂中存在的诸多弊端。
车漆表面由多层涂料分层附着形成，难以通过传统单一渲染模型复现出车漆材质在真实世界的复杂观感，而复杂的离线渲染模型可以表现更多外观细节，但不适用于实时仿真，所以需要构建基于物理且高效的渲染模型来模拟真实车漆外观。同时，现实中的涂料累积可以看作大量油漆粒子在车架表面逐层不断附着的过程，而传统基于单粒子运动状态进行建模由于运算量巨大也不适用于实时仿真。
如果基于特定平台(如：Unity、UE)开发应用程序类仿真系统，会拥有良好的性能表现，适合高质量渲染及物理模型运作；但其多端兼容性差，难以与层出不穷的轻量级三维显示设备快速适配。而基于WebGL开发在线类仿真系统，可以具备更好的跨平台能力和兼容性。但其计算能力有限，不适用于高质量车漆喷涂仿真模拟。
发明内容
为了解决传统实地车漆喷涂训练存在的诸多弊端，同时针对现有的三维仿真模拟方式难以兼顾高质量、高效率、高可移植性这一难题，本发明提供了一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，通过采用WebGPU技术并构建高效物理模型，实现高质量跨平台汽车涂料喷涂模拟。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，包括以下步骤：
1)采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序；
采用WebGPU API构建单页面应用程序，加载渲染引擎及场景资源，开启渲染循环，三维重现汽车涂料喷涂场景；
2)采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能；
在汽车涂料喷涂仿真场景中，采用WebXR技术添加沉浸式虚拟现实功能，创建并绑定虚拟现实基本功能集，提升模拟喷涂沉浸感；
3)开发程序化三维图形用户界面；
在虚拟现实汽车涂料喷涂场景中，开发程序化三维图形用户界面进行用户交互，提升界面复用性，进一步提高用户的使用体验；
4)使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型；
在场景中构建车漆喷涂密度分布模型，采用椭圆双Beta分布函数描述喷枪属性与汽车涂料喷涂密度间的关系；
5)使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息；
将喷涂钣件模型顶点信息逐帧带入密度模型，计算涂料密度累加值，并基于顶点缓冲对象实现对车漆涂料累积状态的高效记录；
6)建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观；
在虚拟现实汽车涂料喷涂场景中建立高效分层物理渲染模型，复现真实世界中各类车漆涂料呈现复杂而精美的外观。
本发明进一步的改进在于，所述步骤1)采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序的方法包括：
步骤1.1)首先，使用任何联网计算机作为服务器，开启汽车涂料喷涂单页面应用程序服务，并提供数据处理所需要的数据资源；动态资源文件采用Web端Indexed-DB数据库进行存储；二进制模型数据将转为Base64编码存储；静态资源文件直接以文件形式进行存储；
步骤1.2)完成步骤1.1)服务搭建后，使用任何支持Web浏览器且具备渲染能力的三维图像显示设备作为客户端，加载并执行汽车涂料喷涂单页面应用程序，并根据Web浏览器版本进行WebGPU渲染引擎初始化；
步骤1.3)在步骤1.2)基于WebGPU的单页面应用程序中导入汽车涂料喷涂仿真场景初始化所需资源，对场景相机、光源、三维用户图形界面、喷涂钣件模型、喷涂场景模型、车漆材质资源进行初始化；
步骤1.4)初始化完成后，根据网页浏览器分辨率，开启渲染循环调用，每次执行循环调用视为1帧；
步骤1.5)执行汽车涂料喷涂场景单帧渲染循环时，首先更新当前场景信息、计算喷枪移动和处理人机交互事件；
步骤1.6)完成场景信息更新后接续进行喷涂辅助计算，为了性能保障采用间隔帧方式执行喷涂辅助计算，角度、距离及速度辅助的更新计算将每间隔两帧执行一次，且不同帧不同时执行不同功能辅助计算；
步骤1.7)完成辅助计算后执行汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算；
步骤1.8)单帧渲染循环最后进行喷涂场景及车漆外观的整体渲染，并将每帧渲染画面通过Web浏览器反馈给用户；
基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序执行并完成初始化后，渲染循环将持续进行，将不断重复步骤1.5)至步骤1.8)的流程，直至单页面应用程序消亡或服务停止。
本发明进一步的改进在于，所述步骤2)采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能的方法包括：
步骤2.1)首先，在车漆涂料喷涂场景内创建双目虚拟现实相机为VR图像显示设备的左右眼屏幕分别渲染左右眼图像，并将场景内相机与显示设备进行绑定，通过VR设备运动控制场景内双目虚拟现实相机的位置姿态；
步骤2.2)其次，将车漆涂料喷涂场景内的虚拟喷枪模型与手柄设备进行绑定，通过手柄设备运动控制场景内虚拟喷枪模型的位置姿态，并按键识别用户是否点击喷涂，实现真实世界手柄操作与三维场景下喷涂运动的链接。
本发明进一步的改进在于，所述步骤3)开发程序化三维图形用户界面的方法包括：
步骤3.1)抽象出汽车涂料喷涂时涉及的可参数配置项，包括喷枪参数、车漆配方、汽车钣件和辅助使能等参数，并按照参数类别将同类属性拟定到同一用户图形页面；
步骤3.2)将步骤3.1)中各配置项可选参数存入服务器端Indexed-DB数据库，提升图形界面的复用性；
步骤3.3)基于步骤3.1)拟定的一系列用户图形页面，分别为其编写动态纹理程序，通过代码确定步骤3.2)中可选参数的布局结构，形成动态二维纹理；
步骤3.4)执行步骤1.3)汽车涂料喷涂场景初始化时，创建三维面板作为步骤3.3)中程序化动态纹理的三维载体，将二维纹理渲染至三维场景；
步骤3.5)程序纹理通过逻辑处理代码监听用户点击、悬停和移动交互操作，执行图形界面样式变化及事件响应。
本发明进一步的改进在于，所述步骤4)使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型的方法包括：
步骤4.1)根据喷枪物理参数计算椭圆双Beta模型的数学参数；
步骤4.2)基于步骤4.1)算得数学参数构建椭圆双Beta分布函数；
步骤4.3)执行步骤1.7)汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算时，根据虚拟场景当前喷枪位置及姿态信息，计算椭圆双Beta分布函数在三维空间中的变换矩阵及有效作用区域OBB包围盒；
步骤4.4)遍历汽车钣件模型的所有顶点信息，并根据钣件模型的模型变换矩阵，计算出模型所有顶点在世界坐标系下的位置信息；
步骤4.5)当步骤4.4)算得钣件模型顶点位置与步骤4.3)算得椭圆双Beta分布函数在三维空间中有效作用区域OBB包围盒不相交或方向同向时，当前该点不会受到车漆喷涂，涂料密度增量为0；如果顶点位置与有效作用区域OBB包围盒相交且法线方向反向时，该顶点当前可能受到涂料喷涂影响，将顶点信息带入椭圆双Beta分布函数算出其具体涂料密度增量。
本发明进一步的改进在于，喷枪物理参数包括喷枪雾化压力、喷涂距离、隔膜泵压力和涂料粘度。
本发明进一步的改进在于，所述步骤5)使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息的方法包括：
步骤5.1)加载汽车钣件模型时，为其顶点缓冲对象创建专用于存储车漆涂料累积厚度的字段，该字段缓冲区大小等于4×模型顶点数，字段4位分别表示汽车涂料防腐底漆层、素色色母层、银粉-珍珠色母层和透明保护层的厚度累计值；
步骤5.2)模拟喷涂时，根据步骤4)计算得到当前帧下模型各顶点各通道喷涂密度增量值；
步骤5.3)将步骤5.2)算得各个顶点各通道当前帧喷涂密度增量值累加至汽车钣件模型顶点缓冲对象中车漆涂料累积厚度字段的对应位置；
步骤5.4)执行步骤1.8)进行场景及车漆渲染时，根据钣件模型各顶点涂料累积厚度的差异，渲染出各异的车漆外观效果。
本发明进一步的改进在于，所述步骤6)建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观的方法包括：
步骤6.1)将车漆视为由防腐底漆层、素色色母层、银粉-珍珠色母层、及透明保护层组成；
步骤6.2)采用Lambert漫反射模型计算防腐底漆层外观；
步骤6.3)采用耦合了金属工作流、各向异性工作流及次表面散射的Cook-Torrance微表面模型构建素漆层渲染模型；
步骤6.4)存在需要渲染的银粉-珍珠色母层时，执行计算：
步骤6.4.1)将车漆涂料中存在的多种色母颗粒拆解成不同颗粒色母子层；
步骤6.4.2)采用图像处理解析颗粒色母子层中的颗粒个数，以及经过体积滤过后色母颗粒区域像素占整图像素的比例；
步骤6.4.3)通过随机算法在纹理坐标下算出亮片随机中心和随机朝向，并最终生成所需法线纹理贴图；
步骤6.4.4)通过多波瓣形式的Cook-Torrance微表面模型模拟出具有深度的亮片层效果；针对不存在色变效应的银粉和珍珠色母，直接使用单一输入颜色渲染；对于存在颜色偏相现象的干涉类珍珠，采用测色仪测量单珍珠色母色板多角度的颜色数据产生颜色程序纹理贴图作为渲染模型颜色来源；
步骤6.5)通过添加镜面反射波瓣和环境贴图来模拟透明保护层的折射效果，并采用橘皮法线贴图模拟透明保护层橘皮外观效果；
步骤6.6)根据光线在各层级间传播方式将步骤6.2)至步骤6.5)各层级渲染模型组合成完整的基于物理的车漆渲染模型；
步骤6.7)采用高效分层物理渲染模型模拟素色车漆外观时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)中除步骤6.4)外所有部分；采用高效分层物理渲染模型模拟金属或珍珠车漆时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)全部流程，其中根据车漆色母含量差异执行步骤6.4)次数不同。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，采用计算机图形学相关技术及沉浸式虚拟现实方式复现现实汽车喷涂操作，极大的降低了汽车喷涂训练过程中钣金、油漆等耗材的消耗，降低人力成本，极大的提升汽车喷涂训练的效率。
进一步，构建专用于在线实时仿真的车漆高质量物理渲染模型，基于严苛计算条件复现出更具有真实感的车漆外观；构建适用于实时仿真的车漆涂料累积模型，基于椭圆双Beta分布函数高效复现出真实场景下车漆在钣金件上累积附着的物理状态。
进一步，采用WebGPU技术模拟复杂的汽车涂料喷涂过程，在保证了仿真功能和质量的前提下，提高了可移植性，打破了传统仿真方式依赖性强的壁垒，是对复杂仿真轻量化、互联网化的新尝试。
进一步，在网页端嵌入对汽车喷涂仿真模拟功能，扩充了网页的功能、丰富了网页的体验，为网页三维应用场景的扩展提供了新的思路。
附图说明
图1为基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序架构示意图。
图2为执行渲染循环各计算模块运作活动图。
图3为虚拟现实喷涂功能构建流程图。
图4为程序化三维用户图形执行流程图。
图5为喷枪涂料喷涂密度模型执行流程图。
图6为高效分层物理渲染模型执行流程图。
图7为基于图像生成法线程序纹理示意图。
图8为车漆层级示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要声明的是，所描述的实施例仅仅是本发明的一种优选实施例，并非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，包括以下步骤：
1、采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序
使用WebGPU前端图形处理API，在Web框架下构建在线汽车涂料喷涂仿真单页面应用程序，加载并管理程序所需资源数据，三维重现汽车涂料喷涂场景。通过基于客户端渲染方式减轻服务器端计算压力，可使用任何联网计算机作为服务器，动态资源文件采用Web端Indexed-DB数据库进行动态数据存储，二进制模型数据将转为Base64编码存储，静态资源文件直接以文件形式进行存储。同时，用户可在任何支持Web浏览器且具备一定渲染能力的三维图像显示设备执行模拟，其架构示意图如图1所示，主要步骤如下：
1.1)服务器端开启车汽涂料喷涂单页面应用程序服务，并提供数据处理所需要的数据资源。
1.2)使用任何支持Web浏览器执行在线汽车涂料喷涂单页面应用程序，并根据Web浏览器版本进行WebGPU渲染引擎初始化。
1.3)导入汽车涂料喷涂仿真所需场景资源，加载并初始化场景相机、光源、三维用户图形界面、喷涂钣件模型、喷涂场景模型、车漆材质等资源。
1.4)根据网页浏览器分辨率，开启渲染循环调用，每次执行循环调用视为1帧，在开启渲染循环后会记录执行过的总帧数CFrame。
1.5)执行汽车涂料喷涂场景单帧渲染循环，更新当前场景信息、计算喷枪移动、处理人机交互等事件；
1.6)为了性能保障采用间隔帧方式执行喷涂辅助计算，角度、距离及速度辅助的更新计算将每间隔两帧执行一次。当CFrame％3＝＝1时，执行角度辅助计算；CFrame％3＝＝2时，执行距离辅助计算；当CFrame％3＝＝3时，执行速度辅助计算。
1.7)执行汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算；
1.8)喷涂场景及车漆外观整体渲染，并将每帧渲染画面通过Web浏览器反馈给用户；
基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序执行并完成初始化后，渲染循环将持续进行，将不断重复步骤1.5)至步骤1.8)的流程，直至单页面应用程序消亡或服务停止，渲染循环各计算模块运作活动图如图2所示。
2、采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能
通过WebXR技术为程序添加虚拟现实支持，为构建出的在线车漆涂料喷涂单页面应用程序添加沉浸式虚拟现实功能，创建虚拟现实场景所需的基本功能集，并对相关资源进行管理，提升模拟喷涂沉浸感，其构建流程如图4所示，其执行流程如图3所示，主要步骤如下：
2.1)在车漆涂料喷涂场景内创建双目虚拟现实相机为VR图像显示设备的左右眼屏幕分别渲染左右眼图像，并将场景内相机与显示设备进行绑定，可通过VR设备运动控制场景内双目虚拟现实相机的位置姿态。
2.2)将车漆涂料喷涂场景内的虚拟喷枪模型与手柄设备进行绑定，可通过手柄设备运动控制场景内虚拟喷枪模型的位置姿态，并按键识别用户是否点击喷涂，实现真实世界手柄操作与三维场景下喷涂运动的链接。
3、开发程序化三维图形用户界面
采用动态程序纹理控制用户图形界面布局，数据库存储配置项可选参数，并通过三维模型作为动态程序纹理载体，在汽车喷涂三维场景中构建程序化用户图形界面执行人机交互，进一步提高用户的使用体验，其执行流程如图4所示，主要步骤如下：
3.1)抽象出汽车涂料喷涂时涉及的可参数配置项(如：喷枪参数、车漆配方、汽车钣件、辅助使能等)，并按照参数类别将同类属性拟定到同一用户图形页面；
3.2)将步骤3.1)中各配置项可选参数存入服务器端Indexed-DB数据库，提升图形界面的复用性；
3.3)基于步骤3.1)拟定的一系列用户图形页面，分别为其编写动态纹理程序，通过代码确定步骤3.2)中可选参数的布局结构，形成动态二维纹理。
3.4)执行步骤1.3)汽车涂料喷涂场景初始化时，会创建三维面板作为步骤3.3)中程序化动态纹理的三维载体，将二维纹理渲染至三维场景；
3.5)程序纹理通过逻辑处理代码监听用户点击、悬停、移动等交互操作，执行图形界面样式变化及事件响应。
4、使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型
通过椭圆双Beta分布函数描述喷枪属性(喷枪雾化压力、喷涂距离、隔膜泵压力、涂料粘度等)与汽车涂料喷涂密度之间的关系，建立宏观物理模型高效模拟微观汽车涂料粒子喷涂密度分布，提升喷涂模拟物理一致性，其执行流程如图5所示，主要步骤如下：
4.1)根据喷枪物理参数(喷枪雾化压力、喷涂距离、隔膜泵压力、涂料粘度)计算椭圆双Beta模型的数学参数(a、b、Zmax、Beta1、Beta2)；
4.2)基于步骤4.1)算得数学参数构建椭圆双Beta分布函数；
4.3)执行步骤1.7)汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算时，会根据虚拟场景当前喷枪位置及姿态信息，计算椭圆双Beta分布函数在三维空间中的变换矩阵及有效作用区域OBB包围盒；
4.4)遍历汽车钣件模型的所有顶点信息，并根据钣件模型的模型变换矩阵，计算出模型所有顶点在世界坐标系下的位置信息；
4.5)当步骤4.4)算得钣件模型顶点位置与步骤4.3)算得椭圆双Beta分布函数在三维空间中有效作用区域OBB包围盒不相交或方向同向时，当前该点不会受到车漆喷涂，涂料密度增量为0；如果顶点位置与有效作用区域OBB包围盒相交且法线方向反向时，该顶点当前可能受到涂料喷涂影响，需将顶点信息带入椭圆双Beta分布函数算出其具体涂料密度增量。
5、使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息
通过汽车钣件模型的顶点数据，采样计算模型顶点在喷枪涂料喷涂密度模型下逐帧累积结果，并通过顶点缓冲对象(VBO)记录车漆涂料累积状态信息，高效记录涂料累计过程，主要步骤如下：
5.1)加载汽车钣件模型时，为其顶点缓冲对象(VBO)创建专用于存储车漆涂料累积厚度的字段，该字段缓冲区大小等于4×模型顶点数，字段4位分别表示汽车涂料防腐底漆层、素色色母层、银粉-珍珠色母层、透明保护层的厚度累计值；
5.2)模拟喷涂时，会根据步骤4)计算得到当前帧下模型各顶点各通道喷涂密度值；
5.3)根据步骤5.2)算得各个顶点各通道当前帧喷涂密度值后，会累加至汽车钣件模型顶点缓冲对象中车漆涂料累积厚度的对应字段；
5.4)执行步骤1.8)进行场景及车漆渲染时，会根据钣件模型各顶点涂料累积厚度的差异，渲染出各异的车漆外观效果。
6.建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观
通过建立适用于网页在线实时渲染的高效分层物理渲染模型，复现真实世界中各类车漆涂料(素色漆、金属漆、珍珠漆)附着于汽车钣件时，在光源照射下呈现的复杂而精美的外观，进一步优化喷涂模拟的可视化表现，其执行流程如图6所示，主要步骤如下：
6.1)基于车漆分层喷涂、分层附着，采用分层模拟的方式构建基于物理的高效车漆渲染模型，将素色车漆视为由防腐底漆层、素色色母层、及透明保护层组成；而金属车漆、珍珠车漆、以及金属珍珠车漆在素色色母层与透明保护层之间还会夹杂一到多层的银粉或珍珠色母层，图8所示；
6.2)防腐底漆层位于车漆涂料的最底层，直接覆盖于汽车钣件上，采用Lambert漫反射模型作为该层的渲染模型，模拟该层微弱颜色贡献；
6.3)素色色母为车漆外观提供主要的颜色贡献，但素色色母颗粒直径极小，在135倍显微镜下仍无法分辨其颜色颗粒的空间细节，本方法将素漆层整体看作具有一定透明度的微表面材质，采用耦合了金属工作流、各向异性工作流及次表面散射的Cook-Torrance微表面模型构建素漆层渲染模型；
6.4)在金属或珍珠漆中，银粉或珍珠颗粒及抑制剂组成的色母涂层导致车漆涂料在不同的光照角度和观察视角下产生颜色偏移及闪烁变化；通过观察车漆显微图像，银粉及珍珠颗粒具有清晰可辩的几何结构，本文方法将使用一种基于图像的方式重现银粉及珍珠的几何外观；
将车漆涂料中存在的多种色母颗粒拆解成不同子层，采用图像处理分别解析车漆涂料显微图像中每种编号色母颗粒的个数，以及经过体积滤过后图像中所有色母颗粒区域像素数占整图像素的比例，并通过随机算法在纹理坐标下算出亮片随机中心和随机朝向，并最终生成所需法线纹理贴图，基于图像生成法线程序纹理示意图如图7所示；
通过多波瓣形式的Cook-Torrance微表面模型模拟出具有深度的亮片层效果；针对不存在色变效应的银粉和珍珠色母，直接使用单一输入颜色渲染；对于存在颜色偏相现象的干涉类珍珠，采用测色仪测量单珍珠色母色板多角度的颜色数据产生颜色程序纹理贴图作为渲染模型颜色来源；
6.5)本文方法将为额外添加一组镜面反射波瓣来模拟透明保护层的折射效果。同时，本文将在透明保护层中复现现实世界橘皮现象，采用橘皮法线贴图模拟透明保护层橘皮外观效果；
6.6)根据光线在各层级间传播方式将步骤6.2)至步骤6.5)各层级渲染模型结合形成完整的基于物理的车漆渲染模型；
采用高效分层物理渲染模型模拟素色车漆外观时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)中除步骤6.4)外所有部分；采用高效分层物理渲染模型模拟金属或珍珠车漆时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)全部流程，其中根据车漆色母含量差异执行步骤6.4)次数不同。
本文发明可实际应用于面向工业智能制造领域的汽车喷涂仿真系统，通过数字孪生模拟物理世界中汽车手工喷涂全过程，依托三维可视化技术重现真实场景，结合在线虚拟现实技术增强沉浸式体验，辅以物理传感设备实现人机交互，为用户提供车漆喷涂、涂料预览、喷涂辅助、结果分析等功能，其功能如下：
(1)仿真场景构建：车漆涂料喷涂仿真系统的核心功能是模拟车漆手工喷涂全流程，需要通过沉浸式虚拟现实技术搭配计算机图形学技术三维复现出车漆喷涂所需的喷枪、车身钣金、车漆、工厂环境等实体，构建出真实世界的车漆喷涂场景。
(2)还原真实车漆外观：完整车漆涂料通常由多种色母颗粒及混合溶剂调配而成，因其复杂的物理结构在真实世界中展现出多样性外观，在喷涂仿真系统中应对各类车漆(如：素色漆、金属漆、珍珠漆)的真实观感进行复现，实时高质量的模拟出油漆涂料喷涂在汽车钣金上的物理外观，通过提升渲染图形的真实感，提升仿真系统的仿真质量。
基于图像生成的色母颗粒法线贴图结果如图
(3)车漆涂料累积过程模拟：车漆涂料在钣金件上附着的过程是一个复杂的物理过程，喷枪型号、喷口形状、喷涂压强等参数的不同都会对涂料累积结果产生影响，仿真系统应对涂料累积的过程进行基于物理的还原，通过提升模拟喷涂的真实性，使仿真系统更具有训练应用价值。
(4)喷涂辅助功能：手工车漆喷涂是一个精细的过程，为了使车漆涂料均匀附着于车架表面，需要操作人员控制喷枪距车架表面一定距离进行匀速喷涂，否则车漆附着不均会严重影响汽车美观程度，甚至面临返工喷涂或钣金报废的风险。这就需要喷涂辅助功能，对仿真喷涂过程中喷枪的移动速度、喷涂距离以及喷涂角度进行实时提醒、严格把控。喷涂辅助会判别操作人员出现的不规范操作，给出提示并进行正确操作引导，同时记录操作者的喷涂操作轨迹，便于训练者在结束后对操作进行分析。
(5)喷涂结果分析：当操作人员完成喷涂仿真训练后，系统应对喷涂结果展开评估。通过可视化形式展现操作人员喷涂训练时在不同车架区域喷涂的厚度结果，并对操作人员喷涂路径和速度等展开分析，通过结果分析功能进一步提升仿真训练的训练效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序；
采用WebGPU API构建单页面应用程序，加载渲染引擎及场景资源，开启渲染循环，三维重现汽车涂料喷涂场景；
2)采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能；
在汽车涂料喷涂仿真场景中，采用WebXR技术添加沉浸式虚拟现实功能，创建并绑定虚拟现实基本功能集，提升模拟喷涂沉浸感；
3)开发程序化三维图形用户界面；
在虚拟现实汽车涂料喷涂场景中，开发程序化三维图形用户界面进行用户交互，提升界面复用性，进一步提高用户的使用体验；
4)使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型；
在场景中构建车漆喷涂密度分布模型，采用椭圆双Beta分布函数描述喷枪属性与汽车涂料喷涂密度间的关系；
5)使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息；
将喷涂钣件模型顶点信息逐帧带入密度模型，计算涂料密度累加值，并基于顶点缓冲对象实现对车漆涂料累积状态的高效记录；
6)建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观；
在虚拟现实汽车涂料喷涂场景中建立高效分层物理渲染模型，复现真实世界中各类车漆涂料呈现复杂而精美的外观。
2.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤1)采用WebGPU技术在网页端构建基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序的方法包括：
步骤1.1)首先，使用任何联网计算机作为服务器，开启汽车涂料喷涂单页面应用程序服务，并提供数据处理所需要的数据资源；动态资源文件采用Web端Indexed-DB数据库进行存储；二进制模型数据将转为Base64编码存储；静态资源文件直接以文件形式进行存储；
步骤1.2)完成步骤1.1)服务搭建后，使用任何支持Web浏览器且具备渲染能力的三维图像显示设备作为客户端，加载并执行汽车涂料喷涂单页面应用程序，并根据Web浏览器版本进行WebGPU渲染引擎初始化；
步骤1.3)在步骤1.2)基于WebGPU的单页面应用程序中导入汽车涂料喷涂仿真场景初始化所需资源，对场景相机、光源、三维用户图形界面、喷涂钣件模型、喷涂场景模型、车漆材质资源进行初始化；
步骤1.4)初始化完成后，根据网页浏览器分辨率，开启渲染循环调用，每次执行循环调用视为1帧；
步骤1.5)执行汽车涂料喷涂场景单帧渲染循环时，首先更新当前场景信息、计算喷枪移动和处理人机交互事件；
步骤1.6)完成场景信息更新后接续进行喷涂辅助计算，为了性能保障采用间隔帧方式执行喷涂辅助计算，角度、距离及速度辅助的更新计算将每间隔两帧执行一次，且不同帧不同时执行不同功能辅助计算；
步骤1.7)完成辅助计算后执行汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算；
步骤1.8)单帧渲染循环最后进行喷涂场景及车漆外观的整体渲染，并将每帧渲染画面通过Web浏览器反馈给用户；
基于客户端渲染的汽车涂料喷涂单页面应用程序执行并完成初始化后，渲染循环将持续进行，将不断重复步骤1.5)至步骤1.8)的流程，直至单页面应用程序消亡或服务停止。
3.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤2)采用WebXR技术为在线汽车涂料喷涂程序添加虚拟现实功能的方法包括：
步骤2.1)首先，在车漆涂料喷涂场景内创建双目虚拟现实相机为VR图像显示设备的左右眼屏幕分别渲染左右眼图像，并将场景内相机与显示设备进行绑定，通过VR设备运动控制场景内双目虚拟现实相机的位置姿态；
步骤2.2)其次，将车漆涂料喷涂场景内的虚拟喷枪模型与手柄设备进行绑定，通过手柄设备运动控制场景内虚拟喷枪模型的位置姿态，并按键识别用户是否点击喷涂，实现真实世界手柄操作与三维场景下喷涂运动的链接。
4.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤3)开发程序化三维图形用户界面的方法包括：
步骤3.1)抽象出汽车涂料喷涂时涉及的可参数配置项，包括喷枪参数、车漆配方、汽车钣件和辅助使能等参数，并按照参数类别将同类属性拟定到同一用户图形页面；
步骤3.2)将步骤3.1)中各配置项可选参数存入服务器端Indexed-DB数据库，提升图形界面的复用性；
步骤3.3)基于步骤3.1)拟定的一系列用户图形页面，分别为其编写动态纹理程序，通过代码确定步骤3.2)中可选参数的布局结构，形成动态二维纹理；
步骤3.4)执行步骤1.3)汽车涂料喷涂场景初始化时，创建三维面板作为步骤3.3)中程序化动态纹理的三维载体，将二维纹理渲染至三维场景；
步骤3.5)程序纹理通过逻辑处理代码监听用户点击、悬停和移动交互操作，执行图形界面样式变化及事件响应。
5.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤4)使用椭圆双Beta分布函数构建喷枪涂料喷涂密度模型的方法包括：
步骤4.1)根据喷枪物理参数计算椭圆双Beta模型的数学参数；
步骤4.2)基于步骤4.1)算得数学参数构建椭圆双Beta分布函数；
步骤4.3)执行步骤1.7)汽车涂料喷涂密度及涂料累积计算时，根据虚拟场景当前喷枪位置及姿态信息，计算椭圆双Beta分布函数在三维空间中的变换矩阵及有效作用区域OBB包围盒；
步骤4.4)遍历汽车钣件模型的所有顶点信息，并根据钣件模型的模型变换矩阵，计算出模型所有顶点在世界坐标系下的位置信息；
步骤4.5)当步骤4.4)算得钣件模型顶点位置与步骤4.3)算得椭圆双Beta分布函数在三维空间中有效作用区域OBB包围盒不相交或方向同向时，当前该点不会受到车漆喷涂，涂料密度增量为0；如果顶点位置与有效作用区域OBB包围盒相交且法线方向反向时，该顶点当前可能受到涂料喷涂影响，将顶点信息带入椭圆双Beta分布函数算出其具体涂料密度增量。
6.根据权利要求书5所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，喷枪物理参数包括喷枪雾化压力、喷涂距离、隔膜泵压力和涂料粘度。
7.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤5)使用顶点缓冲对象记录车漆涂料累积信息的方法包括：
步骤5.1)加载汽车钣件模型时，为其顶点缓冲对象创建专用于存储车漆涂料累积厚度的字段，该字段缓冲区大小等于4×模型顶点数，字段4位分别表示汽车涂料防腐底漆层、素色色母层、银粉-珍珠色母层和透明保护层的厚度累计值；
步骤5.2)模拟喷涂时，根据步骤4)计算得到当前帧下模型各顶点各通道喷涂密度增量值；
步骤5.3)将步骤5.2)算得各个顶点各通道当前帧喷涂密度增量值累加至汽车钣件模型顶点缓冲对象中车漆涂料累积厚度字段的对应位置；
步骤5.4)执行步骤1.8)进行场景及车漆渲染时，根据钣件模型各顶点涂料累积厚度的差异，渲染出各异的车漆外观效果。
8.根据权利要求书1所述的一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法，其特征在于，所述步骤6)建立高效分层物理渲染模型模拟真实车漆涂料外观的方法包括：
步骤6.1)将车漆视为由防腐底漆层、素色色母层、银粉-珍珠色母层、及透明保护层组成；
步骤6.2)采用Lambert漫反射模型计算防腐底漆层外观；
步骤6.3)采用耦合了金属工作流、各向异性工作流及次表面散射的Cook-Torrance微表面模型构建素漆层渲染模型；
步骤6.4)存在需要渲染的银粉-珍珠色母层时，执行计算：
步骤6.4.1)将车漆涂料中存在的多种色母颗粒拆解成不同颗粒色母子层；
步骤6.4.2)采用图像处理解析颗粒色母子层中的颗粒个数，以及经过体积滤过后色母颗粒区域像素占整图像素的比例；
步骤6.4.3)通过随机算法在纹理坐标下算出亮片随机中心和随机朝向，并最终生成所需法线纹理贴图；
步骤6.4.4)通过多波瓣形式的Cook-Torrance微表面模型模拟出具有深度的亮片层效果；针对不存在色变效应的银粉和珍珠色母，直接使用单一输入颜色渲染；对于存在颜色偏相现象的干涉类珍珠，采用测色仪测量单珍珠色母色板多角度的颜色数据产生颜色程序纹理贴图作为渲染模型颜色来源；
步骤6.5)通过添加镜面反射波瓣和环境贴图来模拟透明保护层的折射效果，并采用橘皮法线贴图模拟透明保护层橘皮外观效果；
步骤6.6)根据光线在各层级间传播方式将步骤6.2)至步骤6.5)各层级渲染模型组合成完整的基于物理的车漆渲染模型；
步骤6.7)采用高效分层物理渲染模型模拟素色车漆外观时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)中除步骤6.4)外所有部分；采用高效分层物理渲染模型模拟金属或珍珠车漆时，涉及上述步骤6.1)至步骤6.6)全部流程，其中根据车漆色母含量差异执行步骤6.4)次数不同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310979946.6A CN116992673A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310979946.6A CN116992673A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法 |
Publications (1)
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| CN116992673A true CN116992673A (zh) | 2023-11-03 |
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ID=88529809
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|---|---|---|---|
| CN202310979946.6A Pending CN116992673A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种采用分层附着分层渲染的车漆喷涂在线仿真方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117634369A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-03-01 | 摩尔线程智能科技(北京)有限责任公司 | 仿真方法、模型、电子设备、存储介质 |
| CN117710620A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 江西求是高等研究院 | 仿真智能体目标可见性检测方法、系统和存储介质及终端 |
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2023
- 2023-08-04 CN CN202310979946.6A patent/CN116992673A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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