CN117011496A - 一种工程机械用混合现实建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种工程机械用混合现实建模方法。该方法包括将工程机械的数据导入Deltagen中生成虚拟可视化模型；对虚拟可视化模型进行预处理；对虚拟可视化模型创建高模和低模，在Substance painter中将高模的模型细节烘焙至低模上，对低模进行高精度贴图设计；创建着色器文件，确定着色器文件的输出通道，编辑输出通道渲染管线，编译生成.shader格式文件；创建材质球，将.shader格式文件附加到材质球上，将材质球赋予到低模上；在Substance painter中导出贴图，贴图导入软件unity中，将贴图贴至材质球的对应TEX通道上，建立工程机械混合现实模型。本发明能够解决MR端因为硬件限制和工程机械数据量大而导致的加载运行缓慢、计算负荷大的问题。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种工程机械用混合现实建模方法。
背景技术
混合现实技术(MR)是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实。
工程机械属于复杂的工业产品，为提高设计研发效率，避免样机试制风险，利用混合现实可视化技术开展产品外观、内饰，人机工效研究，可在设计阶段提前与半实物真实产品中观察设计细节或进行操作姿态仿真，其模型数据量巨大，能达到上千万面片。
目前混合现实建模方法：目前以制作高精度PBR贴图为主体，通过建模软件对模型进行轻量化处理及重构后，制作高模和低模，制作高精度仿真贴图，将贴图通过Unity自带的着色器进行材质编辑，最后实现高质量逼真仿真还原。
目前的混合现实建模方法制作的高精度贴图制作数量较多，Unity自带标准着色器shader计算节点过多，导致MR设备计算负荷较高，应用内存大，运行加载缓慢。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种工程机械用混合现实建模方法，解决了混合现实端因为硬件限制和工程机械数据量大而导致的加载运行缓慢、计算负荷大的问题。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
一种工程机械用混合现实建模方法，包括，
将工程机械产品的CAD工程数据模型导入软件Deltagen中生成虚拟可视化模型；
在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理；
在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行细分和拓扑，创建高模和低模，并对低模执行UV计算；
在软件Substance painter中将高模的模型细节烘焙至低模上，对低模进行贴图设计；
在软件unity中创建着色器文件，根据工程机械材质参数确定着色器文件的输出通道，编辑输出通道渲染管线，编辑完成后将着色器文件编译生成.shader格式文件；
在软件unity中创建材质球，将.shader格式文件附加到材质球上，将材质球赋予到低模上；
在软件Substance painter中导出.shader格式文件所需的贴图，贴图导入软件unity中，将贴图贴至材质球的对应TEX通道上，建立工程机械混合现实模型。
优选的，所述生成虚拟可视化模型后，还包括：
在软件Deltagen中检查生成的虚拟可视化模型，若虚拟可视化模型中存在缺损的零部件模型，则对缺损的该零部件在三维建模软件中进行重新建模，并将重建的零部件模型导入软件Deltagen中以补全虚拟可视化模型。
优选的，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理，包括，
从虚拟可视化模型中删除不可见面以及重复物体；
根据工程机械产品零部件所处系统、位置情况合并虚拟可视化模型数据；
根据工程机械产品结构调整虚拟可视化模型的结构树，使工程机械各个系统的模型组划分在同一Root树上的各自系统Group组上；每个系统Group组内，只包括一个物体。
优选的，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理，还包括，在软件Deltagen中检查虚拟可视化模型面法线方向，将负方向的法线都调整为正方向。
优选的，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行细分和拓扑，创建高模和低模，包括，
根据零部件展示精细度要求设置细分中的公差值，根据细分中的公差值对虚拟可视化模型进行细分，细分后的虚拟可视化模型导出作为高模；
根据零部件展示精细度要求设置拓扑中的公差值，根据拓扑中的公差值对细分后的虚拟可视化模型进行拓扑，拓扑后的虚拟可视化模型导出作为低模。
优选的，所述在软件Substance painter中将高模的模型细节烘焙至低模上，对低模进行贴图设计，包括，
在软件Substance painter中，利用高模对执行UV计算后的低模进行法线、世界空间法线、标识物体、遮挡关系、曲率、位置、厚度七张贴图烘焙；
在软件Substance painter中，对执行UV计算后的低模进行底漆层、面漆层、金属亮漆层和涂装层的贴图绘制。
优选的，所述根据工程机械材质参数确定着色器文件的输出通道，包括，
根据工程机械材质参数，确定着色器文件的输出通道为基础色、金属度、粗糙度、法线四个输出通道。
优选的，所述编辑输出通道渲染管线，包括，
在基础色输出通道中，使用一张基础色贴图及颜色进行混合叠加；
在金属度输出通道中，使用浮点数0-1进行金属度调节；
在粗糙度输出通道中，使用浮点数0-1进行粗糙度调节；
在法线输出通道中，使用一张法线贴图显示凹凸程度。
优选的，还包括通过所述基础色贴图生成所述法线贴图的步骤：
计算基础色贴图的竖边和横边的偏移值，将偏移值叠加，生成横向三维向量和竖向三维向量，横向三维向量和竖向三维向量叉乘生成法线贴图。
优选的，将建立的工程机械混合现实模型生成.appx格式文件，将.appx格式文件发布到HoloLens2设备中进行工程机械的混合现实成像。
本发明的有益效果：
本发明提供的工程机械用混合现实建模方法，采用根据工程机械材质特点确认shader输出通道，优化shader的算法，减少贴图数量，提高MR设备的运算速率；结合shader文件所需贴图特点，采用Deltagen软件对工程机械模型进行高模和低模的制作，利用Substance painter软件进行高精度仿真贴图制作，最后输出所需的MR混合现实通道贴图；解决混合现实端因为硬件限制和工程机械数据量大而导致的加载运行缓慢、计算负荷大的问题，加快设备计算运行效率，提升用户体验。
附图说明
图1为本发明提供的工程机械用混合现实建模方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种工程机械用混合现实建模方法，参见图1，主要包括两个部分，第一部分，根据工程机械的材质特性参数，通过ShaderForge对shader进行优化；第二部分，通过DeltaGen对工程机械CAD模型进行模型轻量化处理，拓扑和细分制作高模和低模，拆分低模的UV，在Substance中将高模的模型细节烘焙至低模上，根据shader所需的贴图制作高精度仿真贴图。具体包括以下步骤：
1)将工程机械产品的CAD工程数据模型(包括整机及各零部件模型)以step203导入虚拟可视化软件Deltagen中生成虚拟可视化模型，检查Deltagen软件中生成的虚拟可视化模型，如果发现虚拟可视化模型中存在缺损的零部件模型，则对缺损的零部件在三维建模软件中进行重新建模，并将重建的零部件模型导入Deltagen软件中以补全虚拟可视化模型，确保工程机械产品的数据完整以及正确的装配关系。
2)在Deltagen软件中进行数据轻量化，以减少数据量，降低计算机运行负担。数据轻量化的具体操作包括：
从虚拟可视化模型中删除不可见面(B-side)以及重复物体；
根据工程机械产品零部件所处系统、位置、材质等情况执行Alt+C命令Combine(合并)虚拟可视化模型数据，降低虚拟可视化模型结构树中body(体)和object(对象)的数量；
在Deltagen软件中检查虚拟可视化模型面法线方向，将负方向的法线都调整为正方向，因为法线信息错误的模型面在阴影烘焙计算时无法吸收光照信息。
对于立体表面而言，由立体的内部指向外部的是法线正方向即内法线，反过来的是法线负方向。在虚拟可视化模型表面为正方向的法线时，虚拟可视化模型表面无特殊标记颜色，如果是负方向，则在软件中虚拟可视化模型表面标记默认为紫色。
通过Backspace键开启法线检查模式，在默认材质情况下通过快捷键N(翻转法线操作)将所有反方向法线(紫色)模型面翻转为正方向，确保虚拟可视化模型所有模型面可以一致吸收正确的光照信息的效果。
在Deltagen软件中进行模型分组，模型分组即根据产品结构与仿真需求调整模型结构树，使得工程机械各个系统的模型组划分在同一Root树上的各自系统Group组上；每个模型系统Group组内，只包括一个物体。模型分组方便后期对虚拟可视化模型进行材质的赋予以及贴图的整体制作，可以降低后期工作量并保证虚拟可视化模型质赋予准确。
3)在Deltagen软件中，虚拟可视化模型进行拓扑和细分进行高模和低模的制作。
根据零部件展示精细度要求对虚拟可视化模型表面进行细分和拓扑，选中虚拟可视化模型中需要调整网格化精细度的零部件模型，根据展示精细度设置细分中Tolerance(公差)的值，推荐范围为0.01-0.1，值越小网格细分越精细，然后进行Tessellate(细分)，细分后对该模型进行拓扑操作，首先设置拓扑中的Tolerance(公差)的值，推荐值为0.05，然后进行Topolopy(拓扑)。细分后的虚拟可视化模型导出作为高模(高质量模型)，拓扑后的虚拟可视化模型去除曲面信息后形成低模(低质量模型)。为了提高实时展示效果，需提高外观部件表面曲面质量，曲面细分设置较高的精度值，而内部结构部件对表面质量要求不高，曲面细分可设置较低精度值，从而在保证展示效果的前提下进一步降低数据量。
在Deltagen软件中，将低模根据图形形状执行UVeditor(UV编辑器)中的展UV计算，把低模展开成平面，根据低模的表面结构等组合UV纹理，将UV纹理移动至合适位置，缝合孤岛，保证所有UV纹理图块都在第一象限，最终形成低模的UV纹理贴图坐标；
4)在软件Substance painter中利用高模对执行UV计算后的低模进行Normal(法线)、World space Normal(世界空间法线)、ID(标识物体)、Ambient Occusion(遮挡关系)、Curvature(曲率)、Position(位置)及Thickness(厚度)七张高精度贴图烘焙。
5)获取工程机械的材质参数特性；工程机械的材质参数特性，是工程机械的材质，包含基础色、高光、粗糙度、凹凸等参数。
在Substance Painter中，对执行UV计算后的低模进行高精度贴图设计：根据产品实际外观表现，对产品的颜色、粗糙度、金属高光等物理属性进行贴图绘制。
底漆层：在Substance Painter的图层工具栏添加填充层，通过吸管工具吸取效果图中工程机械底漆的颜色作为低模的基础色。
面漆层：通过观察效果图中工程机械的固有材质，在底漆层的基础上为低模赋予一层面漆，并通过调整颜色，粗糙度，高度等参数，使面漆层更接近于工程机械实体的固有材质。
金属亮漆层：在面漆层的基础上再添加一层图层，通过金属度，粗糙度等参数为低模添加金属亮漆层。
涂装层：利用二维图像编辑软件设计好文字图案，以贴图的形式导入SubstancePainter软件中，为低模添加文字图案。
6)根据获取的工程机械材质参数特性，结合MR眼镜呈像特性，确定shader的材质节点、材质显示效果，在Unity软件的ShaderForge插件中选择PBR类型创建shader(着色器)文件，使用默认设置。
MR眼镜呈像特性，在MR应用中，HoloLens2设备的光波导显示成像技术只能以叠加的方式进行显示(无法削弱或者使真实环境光变暗，渲染的虚拟物体叠加并覆盖在真实环境之上)，因此无法使用常规生成阴影的手段产生阴影。
根据材质显示效果及类型，确认输出通道。根据工程机械材质外饰为漆面及金属为主，内饰以织物和塑料为主，结合MR眼镜呈现特性，确定输出通道为Base color(基础色)、Metallic(金属度)、Gloss(粗糙度)、Normal(法线)四个输出通道进行材质节点的编译及添加。
需保证输出节点与输入节点数据维度一致，输入节点为二维数据，则输出节点也要是二维数据；输入节点为三维数据，则输出节点也要是三维数据，以保证shader在运行过程中不会出现问题。
7)在Unity软件中，根据不同输出通道特性，编辑相对应的输出通道渲染管线。Base color输出通道中，使用一张base color(基础色)贴图及颜色进行混合叠加。Metallic与Gloss输出通道，使用浮点数0-1进行金属度和粗糙度调节。Normal输出通道利用一张Normal贴图显示模型的凹凸程度。
8)在Unity软件中，通道节点算法优化来降低shader输入节点，减少贴图的使用数量，来提高MR设备的计算速率。
Base color通道中为加法运算，Metallic与Gloss通道中采用的是乘法运算，减少使用除法、开方、平方、对数、三角函数等节点运算。
利用base color贴图生成法线贴图，优化贴图数量。先计算base color通道贴图的竖边和横边的偏移值，分别将偏移值叠加，生成横向和竖向三维向量，横向和竖向三维向量叉乘生成法线贴图。
9)输出通道渲染管线编辑完成后，通过ShaderForge插件将shader文件编译生成.shader格式文件。在软件unity中创建材质球，将该.shader格式文件附加到材质球上，将材质球赋予到低模上。
10)根据shader所需的通道贴图-base color贴图，利用Substance Painter软件的导出贴图功能，导出base color一张2048像素*2048像素的高精度贴图，高精度贴图导入软件unity中，将贴图贴至材质球的对应TEX通道上，实现工程机械混合现实建模，最后打包生成.appx文件，通过局域网将.appx文件发布到HoloLens2设备中进行混合现实成像。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，包括，
将工程机械产品的CAD工程数据模型导入软件Deltagen中生成虚拟可视化模型；
在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理；
在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行细分和拓扑，创建高模和低模，并对低模执行UV计算；
在软件Substance painter中将高模的模型细节烘焙至低模上，对低模进行贴图设计；
在软件unity中创建着色器文件，根据工程机械材质参数确定着色器文件的输出通道，编辑输出通道渲染管线，编辑完成后将着色器文件编译生成.shader格式文件；
在软件unity中创建材质球，将.shader格式文件附加到材质球上，将材质球赋予到低模上；
在软件Substance painter中导出.shader格式文件所需的贴图，贴图导入软件unity中，将贴图贴至材质球的对应TEX通道上，建立工程机械混合现实模型。
2.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述生成虚拟可视化模型后，还包括：
在软件Deltagen中检查生成的虚拟可视化模型，若虚拟可视化模型中存在缺损的零部件模型，则对缺损的该零部件在三维建模软件中进行重新建模，并将重建的零部件模型导入软件Deltagen中以补全虚拟可视化模型。
3.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理，包括，
从虚拟可视化模型中删除不可见面以及重复物体；
根据工程机械产品零部件所处系统、位置情况合并虚拟可视化模型数据；
根据工程机械产品结构调整虚拟可视化模型的结构树，使工程机械各个系统的模型组划分在同一Root树上的各自系统Group组上；每个系统Group组内，只包括一个物体。
4.根据权利要求3所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行预处理，还包括，在软件Deltagen中检查虚拟可视化模型面法线方向，将负方向的法线都调整为正方向。
5.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述在软件Deltagen中对虚拟可视化模型进行细分和拓扑，创建高模和低模，包括，
根据零部件展示精细度要求设置细分中的公差值，根据细分中的公差值对虚拟可视化模型进行细分，细分后的虚拟可视化模型导出作为高模；
根据零部件展示精细度要求设置拓扑中的公差值，根据拓扑中的公差值对细分后的虚拟可视化模型进行拓扑，拓扑后的虚拟可视化模型导出作为低模。
6.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述在软件Substance painter中将高模的模型细节烘焙至低模上，对低模进行贴图设计，包括，
在软件Substance painter中，利用高模对执行UV计算后的低模进行法线、世界空间法线、标识物体、遮挡关系、曲率、位置、厚度七张贴图烘焙；
在软件Substance painter中，对执行UV计算后的低模进行底漆层、面漆层、金属亮漆层和涂装层的贴图绘制。
7.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述根据工程机械材质参数确定着色器文件的输出通道，包括，
根据工程机械材质参数，确定着色器文件的输出通道为基础色、金属度、粗糙度、法线四个输出通道。
8.根据权利要求7所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，所述编辑输出通道渲染管线，包括，
在基础色输出通道中，使用一张基础色贴图及颜色进行混合叠加；
在金属度输出通道中，使用浮点数0-1进行金属度调节；
在粗糙度输出通道中，使用浮点数0-1进行粗糙度调节；
在法线输出通道中，使用一张法线贴图显示凹凸程度。
9.根据权利要求8所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，还包括通过所述基础色贴图生成所述法线贴图的步骤：
计算基础色贴图的竖边和横边的偏移值，将偏移值叠加，生成横向三维向量和竖向三维向量，横向三维向量和竖向三维向量叉乘生成法线贴图。
10.根据权利要求1所述的工程机械用混合现实建模方法，其特征在于，还包括，将建立的工程机械混合现实模型生成.appx格式文件，将.appx格式文件发布到HoloLens2设备中进行工程机械的混合现实成像。
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| CN202310774257.1A CN117011496A (zh) | 2023-06-27 | 2023-06-27 | 一种工程机械用混合现实建模方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310774257.1A CN117011496A (zh) | 2023-06-27 | 2023-06-27 | 一种工程机械用混合现实建模方法 |
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| CN117011496A true CN117011496A (zh) | 2023-11-07 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310774257.1A Pending CN117011496A (zh) | 2023-06-27 | 2023-06-27 | 一种工程机械用混合现实建模方法 |
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2023
- 2023-06-27 CN CN202310774257.1A patent/CN117011496A/zh active Pending
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