三维动态环境论文

2024-07-24

三维动态环境论文（精选8篇）

三维动态环境论文篇1

摘要：提出一种基于遗传算法的三维动态环境下的路径规划方法,通过对机器人的运动行为进行编码,将各种约束条件融入到遗传算法当中,规划出可实际应用的避障路径,仿真研究表明该方法是简单有效的。

关键词：移动机器人,三维动态环境,遗传算法,路径规划

0 引言

路径规划是自主移动机器人需要解决的关键问题之一。所谓路径规划即按照某一性能指标,寻找一条从起始点到目标点的无碰运动轨迹。国内外学者研究了各种方法来解决路径规划问题,这些方法根据具体的应用领域,大致可分为全局路径规划方法和局部路径规划方法,全局规划方法主要应用于全局已知的静态环境下,局部路径规划应用于全局未知或动态环境下。根据环境建模方法及路径搜索算法的不同,主要分为以下几类:1)路线图法(Roadmap);2)单元分解法(Cell Decomposition);3)人工势场法(Potential Field)[1,2,3]等。路线图法的主要思想是将自由空间转换成为一维线段所组成的网络,所要找的路径被局限在这个网络之中,即将路径规划问题转化成图的搜索问题,此类方法常用的路径搜索算法是A*[4]法、深度优先搜索法等。根据将自由空间转化成网络的方法不同,路线图法可分为可视图法(Visibility Graph[5,6])、Voronoi图法(Voronoi Diagram[7])、轮廓法(Silhouette Method)三类。单元分解法是把安全空间切分成不同大小的细格,用切割出的格子组成一条安全的路径,而格子的大小是决定结果的关键。以上方法的缺点主要是算法复杂性随精确度的增加呈指数规律上升。人工势场法的缺点是存在局部最小点,导致机器人在最小点附近抖动,无法到达目标。以上方法由于没有考虑机器人的运动学约束,有可能规划出无法用于实际应用的结果。文献[8]提出一种基于遗传算法的路径规划方法,通过对机器人的运动行为进行编码,将各种约束融合到算法当中,得到合理的机器人运动路径。目前所研究的机器人路径规划方法大多是在二维环境下,在三维动态环境下进行路径规划的研究还较少。飞行机器人和水下机器人是当前研究的热点问题,这两种机器人的工作空间是三维的,因此进行三维动态环境下的路径规划研究是很有必要的。本文将文献[8]中的方法扩展到三维空间中,通过对机器人的运动行为进行编码,将路径规划问题转化为指令串的遗传进化搜索,并且通过将运动学约束融入到算法中,使得规划出的路径完全可以用于实际应用。

1 问题描述

三维空间中,有一个自主移动机器人、一个运动目标和若干个障碍物,要求在线规划机器人的路径,使其能够追到目标,同时避开障碍物,即规划一条无碰路径,规划出的路径要符合机器人的运动学约束条件。

需要指出,为了使得任务是可行的,机器人的运动性能必须优于目标性能,即:机器人的最大速度和转弯性能应优于目标的最大速度和转弯性能。

2 算法

遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,它是由美国Michigan大学的J.Holland教授提出的。遗传算法是一种高度并行的全局优化搜索算法,它的搜索不依赖于梯度信息,它将问题的求解表示成染色体的适者生存的过程,通过染色体群的一代代不断进化,包括复制、交叉和变异等操作,最终收敛到最适应环境的个体,从而求得问题的最优解或满意解,具有简单通用、鲁棒性强、适于并行处理等显著特点。本文中,利用遗传算法来求解自主移动机器人在三维动态空间中的路径规划问题。涉及的主要问题包括:

1) 将路径编码为适于遗传计算的二进制指令串;

2) 编码与路径的映射关系;

3) 设计能评价路径优劣的适应度函数。

算法中涉及的机器人运动学约束包括:vmax(最大速度),vmin(最小速度),a(最大直线加速度),φ1(xoy平面内最大角加速度),φ2(垂直方向最大角加速度)。通过设定这些变量的值可以将机器人的运动学约束融入到算法中。

2.1 编码方案

遗传算法的编码方法对于遗传操作有很大的影响,在很多情况下编码的形式决定了遗传操作。编码策略要满足三个规范即:完备性、健壮性、非冗余性。自主移动机器人在三维空间的动作可以分解为加速、减速、左转、右转、爬升、俯冲等基本动作,本文采用二进制定长编码,对基本动作进行描述,形如a1a2a3a4a5a6。

其中代码a1和a2含义如下:

01表示加速,即vt+1=vt+a;

10表示减速,即vt+1=vt-a;

00、11表示速度不变。

其中,vt为机器人在t时刻的线速度,a为机器人的最大线加速度。

编码a3和a4含义如下:

01表示左转,即θ $_{1}^{t + 1}$ =θ $_{1}^{t}$ +φ1;

10表示右转,即θ $_{1}^{t + 1}$ =θ $_{1}^{t}$ -φ1;

00、11表示角度不变。

其中θ $_{1}^{t}$ 是t时刻机器人速度方向在xoy平面的投影与x轴的夹角,φ1为机器人水平方向转动的最大角加速度。

编码a5和a6含义如下:

01表示θ $_{2}^{t + 1}$ =θ $_{2}^{t}$ +φ2;

10表示θ $_{2}^{t + 1}$ =θ $_{2}^{t}$ -φ2;

00、11表示角度不变。

其中θ $_{2}^{t}$ 是t时刻机器人速度方向与水平面的夹角,φ1为机器人垂直方向转动的最大角加速度。

t时刻机器人在三维空间中的坐标为(xt,yt,zt),根据速度vt和角度θ $_{1}^{t}$ 和θ $_{2}^{t}$ 可将其运动轨迹映射为:

${\begin{cases} x_{t + 1} = x_{t} + v c o s θ_{1}^{t} \\ y_{t + 1} = y_{t} + v s i n θ_{1}^{t} \\ z_{t + 1} = z_{t} + v s i n θ_{2}^{t} \end{cases} (1)$

至此,便可将个体编码映射为下一控制周期的运动轨迹,进而可根据下面的公式计算出轨迹的适应度。

2.2 适应度函数的确定

适应度是遗传算法中描述个体性能的重要指标,遗传算法是依据适应度对个体进行优胜劣汰的,因此适应度函数必须能反映出一个个体相对于其它个体的优劣程度。设计适应度函数时一般应遵循两个基本原则:

1) 适应度值必须大于等于0;

2) 进化过程中目标函数的变化应与群体进化过程中适应度函数的变化方向一致。

本文在定义适应度函数时需要同时考虑目标跟踪和避障两个因素,因此将其定义为:

$f = \frac{1}{w_{1} * d_{t a r g e t} + w_{2} / \sum_{1}^{n} (1 / e^{(d_{i} - r_{i})})} (2)$

其中dtarget为机器人与目标的距离,di为机器人与第i个障碍物中心之间的距离,ri为第i障碍物的半径,n为障碍物的数目,w1和w2为权重。从式(2)可以看出,当路径与任一障碍物的距离很接近时,该适应度函数的值会变得很小,不会被选作合适的路径,而当路径远离障碍物时,则主要是目标与机器人的距离决定适应度函数的大小。通过多次实验结果比较,当 $\frac{w_{1}}{w_{2}} = \frac{1}{3}$ 时,规划出的路径结果最佳,能够保证机器人刚好避开障碍物,而且在机器人和障碍物之间的距离较远时,不会对机器人的路径产生影响。

2.3 遗传算子

遗传算法包括三个基本的遗传算子:选择算子、交叉算子和变异算子。本文选择算子采用和适应度值成比例的概率方法来进行选择。具体方法为:首先计算群体中所有个体适应度的总和,再计算每个个体的适应度所占的比例,并以此作为相应的选择概率。交叉算子采用单点交叉,变异算子采用两点变异。

2.4 路径规划算法

基于遗传算法的路径规划算法描述如下:

1) 初始化机器人、目标和障碍物的坐标;

2) 随机生成初始种群;

3) 将种群中的个体映射为机器人的运动轨迹;

4) 利用适应度函数计算所有轨迹的适应度;

5) 采用轮盘赌选择算子由当前种群生成下一代种群的个体;

6) 对新种群进行交叉和变异操作,返回3),直到进化代数超过程序设定的最大代数为止;

7) 判断目标是否追到,如果追到,规划任务结束;

8) 修改目标和障碍物的坐标;

9) 返回步骤2),直到超过程序设定的最大步数。

3 仿真实验

基于上述对基于遗传算法的路径规划研究,我们进行了仿真实验。仿真环境为:在三维空间中,有一个自主移动机器人,一个运动的目标和两个障碍物,初始时刻机器人的坐标为(0,40,40),目标的坐标为(190,120,80),障碍物为两个球体,其球心坐标分别为(60,70,50)和(150,90,80),半径分别为20和30。机器人的初始速度为1,最大速度为4,最小速度为1,最大加速度为1。种群数量设为20,交叉概率为0.4,变异概率为0.1。首先研究了目标在静止情况下的路径规划结果。仿真结果如图1所示,机器人依次避开两个障碍物,在运动到第16步时追到静止的目标。

然后研究了目标在运动状态下的路径规划结果,令目标的运动轨迹为:

${\begin{cases} x_t a r g e t_{t + 1} = x_t a r g e t_{t} + 2 \\ y_t a r g e t_{t + 1} = y_t a r g e t_{t} + 2 \\ z_t a r g e t_{t + 1} = z_t a r g e t_{t} + 2 \end{cases}$

其中,(x_targett,y_targett,z_targett)为目标在t时刻的空间坐标。在重复多次的实验中,机器人平均在运动到第21步时追到目标。如图2所示。

多次重复以上的实验发现:在大多数实验中,机器人在第21步追到目标,在极少数情况下,机器人在30步以后追到目标,这是由于遗传算法没有搜索到最优解导致的发散情况。增加进化代数,算法搜索的解空间范围相应增大,得出的解越接近最优解。因此其规划结果与进化代数之间存在一定的关系,令进化代数从1增加到30,分别重复100次实验,统计了算法发散次数和进化代数之间的关系,如图3所示。可以看出,随着进化代数的增加,发散次数逐渐减少。在进化代数大于25时,接近于零。

在算法收敛的情况下,通过实验统计了追踪时间与进化代数之间的关系,如图4所示。结果表明,随着进化代数的增加,时间有减少的趋势,在进化代数大于15时,达到最优的结果。

4 结论

本文提出一种基于遗传算法的三维动态环境下移动机器人路径规划方法。通过对机器人的运动行为进行编码,从而将路径规划问题转化为对行为编码的遗传进化问题,这种方法可将机器人的运动学约束加入到算法中,从而规划出合理可行的运动轨迹。该方法既可在全局范围内趋近目标,同时在局部范围内避开障碍物,仿真实验表明该方法是正确有效的。需要指出该方法的不足之处在于容易陷入U型的障碍物空间,因此在实际应用中,如果环境中存在非突障碍物,还需要进一步结合其它全局规划方法。

参考文献

[1]Koren Y,Borenstein J.Potential field methods and their limitations formobile robot navigation.Proc.IEEE Inter.Conf.Robotics and Automa-tion 1991:1398-1404.

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[3]Feder H,Slotine J.Real-time path planning using harmonic potentialsin dynamic environments.In:Proceedings of the 1997 IEEE Interna-tional Conference on Robotics and Automation.Albuquerque NewMexico.April 1997:874-881.

[4]Wilkin T,Nicholson A.Efficient inference in dynamic belief networkswith variable temporal resolution.Proceedings of the 6th Pacific RimInternational Conference on Artificial Intelligence,Springer-Verlag,2000:264-274.

[5]Pere.Automatic Planning of Manipulator Movements.IEEE Trans onSys man and Cyb,1981,11(11):681-698.

[6]Krozel J.Search problems in mission planning and navigation of autonomousaircraft.Master s thesis,Purdue University,West Lafayette,IN,May1988.

[7]Krozel J,Andrisani D.Navigation path planning for autonomous air-craft:Voronoi diagram approach.Journal of Guidance,Control and Dy-namics.1990,(Engineering Notes),Nov-Dec:1152-115.

[8]祖迪,韩建达,谈大龙.动态多障碍物环境下目标追踪的路径规划方法[J].高技术通讯,2006,16(2):136-142.

三维动态环境论文篇2

三维航道GIS中大型场景的动态组织与可视化技术研究

三维可视化技术以其直观、逼真、实时、动态等特征,目前已成为港口、海岸、航道、运河等相关领域进行科学研究工程投计、管理与决策的重要手段.本文在对基于该技术实现的天津三维港区与航道信息管理系统进行简单介绍的基础上,重点研究了基于空间网格索引技术、Delaunay三角网技术与LOD技术的港口地面景观与地形模型的.动态组织与管理,以及基于多线程技术和OpenGL的显示列表技术的子场景块与专题信息的实时读取与渲染,并对动态海洋、全景天空、水下地形仿真与漫游、交互操作与信息查询等作了深入探讨.实践表明,文中所开发的三维可视化系统中大数据量、复杂的场景对绘制的速度影响并不大,场景逼真度高,能进行实时操作与漫游,可以满足航道与港口三维可视化、空间分析与管理的需要.

作者：杨东远牛桂芝杨凯江文萍 YANG Dong-Yuan NIU Gui-zhi YANG Kai JIANG Wen-ping 作者单位：杨东远,牛桂芝,杨凯,YANG Dong-Yuan,NIU Gui-zhi,YANG Kai(交通部天津水运工程科学研究所,天津,300456)

江文萍,JIANG Wen-ping(武汉大学,资源与环境科学学院,武汉,430079)

刊名：水道港口 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF WATERWAY AND HARBOR 年，卷(期)： 29(2) 分类号：P283.8 关键词：航道GIS 三维场景多线程可视化空间分析

三维服装CAD的发展动态篇3

自从我国加入WTO之后,经济的全球化使服装企业面临的市场形势更加复杂多变、竞争更加激烈。在这种情况下,如何提高产品开发的效率、降低成本、迎合消费者的需求就成为服装企业需要这种考虑的问题。因此,随着计算机图形学技术的发展,三维CAD系统越来越成熟,三维CAD系统能进行服装的立体虚拟设计、试衣和展示,不需进行样品制作就能看到产品的状态,能提高效率、降低成本,逐渐受到企业的青睐,开始被应用到服装设计领域,下面分几个方面依次进行介绍。

1 三维人体测量技术

三维人体测量是三维服装设计的基础,即非接触式三维人体测量技术,通过应用光敏设备捕捉设备投射到人体表面的光(激光、白光及红外线)在人体上形成的图像,描述人体三维特征。三维非接触式扫描系统具有扫描时间短,精确度高、测量部位多等多种优于传统测量技术和工具的特点。随着服装行业的发展,三维人体测量技术被越来越广泛的用于服装设计和生产中。

三维人体测量技术可灵活准确地对不同客体人群、地域、国家的人体进行测量,获得有效数据,建立客观、精确反映人体特征的人体数据库。数据同方便易查便于管理和使用(比较、分析、应用)。可以追踪、研究客体、客体群组的整体变化情况,建立“流动”的人体数据库。如HY-Sanner310三维人体测量系统,其能使量体更精确,具有高效快捷的数据反馈系统,提高工作效率,方便建立客观、精确的人体号型数据库,为服装号型的修订、更新及人体体型的细分提供理论依据。在此基础上可以进行标准人台、人体模型的建立。而人体模型是企业用于纸样设计、研究进行服装立体设计裁剪的重要工具之一。

2 虚拟三维服装设计

设计师可以直接在三维人体模型上进行服装设计创作,这个方法能使设计师更加直观的了解自己作品的实时三维效果,还可以在人模上直接进行服装和纸样的修改。这样便于及时发现问题并解决问题,提高服装款式的市场通过率,减少样衣的制作次数,从而提高效率,减少成本。如:Vsticher系统,能使企业简化服装设计流程,在一个设定的仿真模特身上试穿即时呈现衣服仿真效果,并且能任意即时修改三维服装和在线展示、沟通。Virtual Mirror系统,其实现了客户(以人体扫描的方式)和款式纸样的实时连接。通过直接获取客人的尺寸生成扫描人体模型,三维人体扫描仪第一次实现了与3维试衣及CAD软件的互动连接。纸样自动在扫描人体模型上进行缝合,并实时的呈现模拟效果给门店的客人。

虚拟三维服装设计主要体现在两个方面,即:从3D服装到2D纸样的转换和2D纸样到3D服装的转换。

2.1 3D服装到2D纸样的转换

从三维(3D)服装到二维(2D)纸样是一个从3D到2D的展开过程。按照传统的理解,这个过程需要一个完整的3D模型,和一个验证纸样展开过程是否足够精确的智能化检验系统。

目前易图三维服装创样软件则通过立体裁剪的方式巧妙的实现这一3D到2D的过程。其软件的设计流程为:读入三维人体模型,在三维人体上生成三维服装模型,然后在服装模型表面绘制款式线,再将三维曲面自动展平为二维纸样,最后将二维纸样重新缝合成三维服装并进行悬垂模拟检验服装的合身性。其实现了服装设计“所见即所得”的效果,为设计师提供了一个快速便利的设计工具。

该软件的主要特点为:(1)立体裁剪。采用CAD技术模拟传统的立体裁剪方法,既降低了立体裁剪对人体模型的依赖性,又实现了对量的把握。(2)所见即所得。采用虚拟的三维服装设计方法,在设计过程中即可看到服装的立体设计效果,设计过程直观。另外其还具有,设计精度高、设计速度快、简单易学、交流方便、适用范围广的特点。

该软件的主要功能有:(1)三维人体造型。提供一系列标准三维人体模型满足多种款式服装的设计需要。可修改人台尺寸,定义个性化的人体模型,实现服装的量身定做。(2)三维服装造型。在三维人体模型上直接生成三维服装模型,通过修改服装轮廓线或横截面设计服装的三维形状。可设计上衣、裤子、内衣等,并提供衣领和衣袖的设计功能。(3)纸样自动展开。在三维服装模型上绘制款式线,将服装表面分割为三维曲面,采用曲面展开的方法将三维曲面自动展平为高精度的二维纸样。(4)真实感模拟。可在三维服装上设置纹理图案,在样品制作前观察服装的纹理效果。可进行悬垂模拟,获得逼真的服装模拟效果。(5)三维放码。输入人体尺寸后,根据人体的形状特征以及与纸样的对应关系,自动生成对应尺寸的纸样,实现服装的三维放码。(6)数据输出。可实现与其他CAD软件的兼容。提供绘制和打印的功能,可直接连接绘图仪或打印机打印纸样。

2.2 2D纸样到3D服装的转换

与从3D服装到2D纸样的转换相对应,三维服装CAD系统同样提供了从2D到3D的转化功能。即可利用现有的服装二维纸样自动生成穿着在人体模型上的三维效果。

例如,Vsticher是一种服装三维虚拟试穿设计应用软件,能使企业简化服装设计流程,Vsticher根据服装款式设计图片、布料和辅料、Logo、印花等资料,在一个设定的仿真模特身上试穿即时呈现衣服仿真效果,并且能任意即时修改和在线展示、沟通,Vsticher通过强大的三维仿真技术应用,降低了设计成本,缩短了设计时间,突破了服装三维仿真设计、试衣、和销售,提高了服装企业的竞争力。Vsticher的主要特点:(1)输入2D(DXF)文件即能制作3D三维服装;(2)逼真3D三维试穿效果;(3)随意修改三维服装并即时呈现修改后的效果;(4)任意设定数据制作三位模特;(5)逼真三维服装直接制成产品目录进行展示;(6)生成三维服装的电子文档能与客户在线合作沟通。

另外一个服装三维虚拟试穿软件是VIDAY系统。使用VIDAY,可以将面料、纸样在人体上获得很好的模拟效果。将标准的设计理念可视化,并在设计流程中加入全新的信息,比如客户群的平均体型数据模型等。VIDAY最重要的新功能是:在扫描的人台模型上预先定义衣片的位置,多层面料款式的快速缝合及模拟,以及产生更高的模拟解析度。另外VIDAY系统在20.11版本中提供了动态的实时显示二维纸样变化的功能。纸样设计人员可以随时了解纸样修改后的效果,全面掌握纸样设计过程的状态。而且,扫描的人台和标准人台都可以摆出任意姿势。用户还可以定义各种动画———包括如向前迈步,伸开胳膊,坐下等各种动作。这些都是三维服装CAD在技术上的进步,而且VIDAY还提供了虚拟镜子系统,可以让顾客快捷的试衣。

另外,YHT的Myu 3D也可通过二维的纸样实时的展示试穿效果。

3 数据的兼容性和接口技术

目前国内市场上服装CAD品牌众多,相互之间存在兼容性问题,而三维服装CAD和二维CAD之间同样也存在此问题,可喜的是许多企业已对此引起重视,并提出了解决方案。例如:图易三维服装创样软件,可以输出DXF文件,实现与其他CAD软件的兼容。PGM的三维虚拟试穿系统3D Runway,其可以接受各种2D纸样(DXF)档案格式。

4 一站式量身定做

为了满足服装企业的实际需求,提高企业的生产效率和降低企业的生产成本,服装CAD开始关注一站式的设计理念,即集三维人体尺寸获取、纸样设计、排料、裁剪于一体。这节省了企业在处理定制服装时的精力,提高了效率,节约了成本。如:和鹰科技的HY-320和鹰快速成衣系统,集成了从三维人体测量到衣片自动裁剪的一系列功能。20秒的自动获取人体尺寸,60秒智能配置,50秒系统规划,110秒衣片生成。这对个性服装的自动化生产具有很大的意义,为将来服装设计生产的自动化智能化奠定了基础。

5 结语

随着计算环境变革、计算方法的改进,CAD技术会继续向高效、实用、方便、快捷的方向发展,更加注重系统的全面性和协作性,力求使企业得到一站式的服务体验,以适应产品制造业和更多应用领域的要求。同时将不断研究、开发新的课题和产品,并在实际应用中得以提高和完善。

参考文献

[1]张鸿志.服装CAD原理与应用[M].北京:中国纺织出版社,2005.

[2]中国国际缝制设备展览会(CISMA)服装CAD厂商产品样本资料,上海,2011.

三维动态环境论文篇4

目前,研究身份识别的方法有很多,主要包括人脸识别方法、瞳孔识别、鼻纹识别、步态识别等,相关研究也取得了一定的成果,其中,文献[6]提出一种基于局部二值模式的人脸识别方法,采用主成分分析和稀疏编码分类相结合的方法对人的身份进行识别,但该方法容易受到人脸部图像的拍摄位置和角度敏感的影响,很难实现高精度的动态身份识别; 文献[7]提出基于图像静态特征的身份识别方法,该方法采用纯色背景,对人的身体区域图像进行采集,经二值化处理后对图像进行分块处理获取100 个特征值,从而实现身份识别,但该方法建立的神经网络结点数过多,容易受到光的影响,使鲁棒性降低,也无法完成动态识别; 文献[8]提出一种远距离量度变换和尺度不变特征匹配的身份识别方法,通过两种方法的共同作用实现身份识别,但该方法过分依赖图像特征的采集,对光线变化较为敏感,也大幅限制了动态识别的应用性; 文献[9]提出基于头顶点三维运动轨迹的身份识别方法,从头顶点三维运动轨迹采集人体侧视平面上的人体身高波动信息,实现身份识别,但该方法存在实现过程复杂的弊端; 文献[10]提出基于小波分解的身份识别方法,将小波特征和融合特征作为特征向量,通过相关系数阈值法实现身份识别,但该方法存在效率低下、实现时间长的弊端。

1 基于三维动态步态的身份识别方法

通过分析以上方法的弊端,提出基于三维动态步态的身份识别方法,对人体三维轮廓进行提取,在此基础上,继续提取三维动态步态特征,依据该特征,通过欧氏距离度量和分类器实现身份识别。仿真实验结果表明,所提方法具有很高的识别精度和识别效率,性能较优。

1. 1 三维步态轮廓的有效提取

对步态特征轮廓进行提取是完成识别的第一步。首先以采集的步态图像帧为单位,通过立体视觉技术从立体图对各采样时刻运动人体的三维步态轮廓信息进行提取,提取结果如图1 所示,详细提取过程如下。

( 1) 随机采集人体运动图像中,腿部左轮廓上的一点,获取以其为中心的匹配模板以及相应的特征。

( 2) 依据上述过程匹配出的点对腿部右轮廓图像待匹配点的初始值进行预测,同时沿极线滑动和步骤( 1) 中的点进行模板匹配,获取相关函数序列。

( 3) 将步骤( 2) 中的相关图像序列进行拟合,得到二次特征曲线,找出和二次曲线极大值相应的点,将其和步骤( 1) 中相应的匹配点找出。

( 4) 逆时针方向逐次遍历左轮廓图像的全部轮廓点,按照步骤( 1) ~ 步骤( 3) 的过程进行立体匹配。

经上述立体匹配后,左右轮廓中每两个步态特征匹配点之间均构建了某种对应关系,将上述对应关系和立体视觉标定获取的摄像机内外参数结合在一起,即可获取这两个点在现实世界中相应的世界坐标。分别用( xil,yil) 和( xir,yir) 描述左图像和右图像上依据立体匹配过程得到的一对轮廓点,则可通过式( 1) 计算出人体三维立体轮廓点( xiw,yiw,

式( 1) 中b用于描述基线距离; fl、fr分别用于描述经标定后的左右摄像机焦距长度; ( x0,y0) 用于描述图像中心; ( αx,αy) 用于描述像素的行间距和列间距。

针对一个采集的步态图像对左右轮廓图像中全部轮廓点对依次进行三维重建,即可获取一个三维步态轮廓点序列,设为

式中N用于描述完全匹配的步态特征轮廓点数量,而Di=(Xi,Yi,Zi),i=1,2,…,N,则用于描述匹配出的轮廓点集。则人体三维立体步态轮廓可描述成

式( 2) 中S( t) 用于描述t时刻的人体三维立体轮廓。而三维立体步态特征轮廓序列则可描述如下。

1. 2 三维步态特征的提取过程分析

1. 2. 1 人体二维步态特征的提取

对人体步态三维轮廓进行提取后( 图1) ,需要完成分割图像,获取可用来辨别的三维人体行走步态特点。在人们活动的进程里,形成步态特点差别的关键是在于自身腿部特点的个性差异,这也是识别的根本,可将行走中的这种个体差异特征,看作是识别个人信息的关键依据。

首先沿图像中人体轮廓( 即顺着边缘) 提取一维间隔信号,获得间隔信号的最小值与次最小值。将最小值点与次最小值点作为人体两脚的位置点。两点间的欧氏距离为步间距离,此距离可看作是测试者步态识别的特征向量( 图2)

利用三维坐标系得到测试者的脚点坐标,再依据生理解剖学原理,获得测试者膝关节、胯部的二维坐标,脚点、膝关节和胯部坐标分别以( x1,y1) ,( x2,y2) ,( x3,y3) 表示,同时对上述原始二维步态特征进行保存。

1. 2. 2 动态变化特征的生成

假设步态图像中特征点构成的解析几何投影模型为

式( 4) 中f( x) 用于描述三维环境下物体的特征点x = ( x,y,z) 到二维步态图像里的二维坐标点xi= ( xi,yi) 的摄像转换,经过小孔摄像机的投影转化模型可以表示实际环境里的透视变换模型。物体点及图像点坐标系的原点都处在同一二维图像平面中,存有特定的统一性,包括xi、xc与x的3D步态情况,能表述人体步态的转化模型。不同步态间具备特定的共线性,则有:

式( 5) 可转换成

展开式(6)有

实际应用中,动态三维坐标系中的任意一点通过下述过程即可转换成投影中的点q( r,t) : 首先对实际动态三维坐标系中的点qs( xs,ys,zs) 进行旋转和平移,获得这个点在摄像机下的摄像机坐标是qh( xh,yh,zh) 。E用来表示旋转变化矩阵,G表示平移转换矩阵。使用摄像机旋转矩阵U把摄像机坐标qs( xs,ys,zs) 投影到平面里,点q( r,t) 是用来实行表示方法如式( 8) 所示。

假设步态图像里的特点点数据,获得上面所述解析的E,U,G 3 个转变矩阵变化,那么有几何转换特点模型

式( 9) 中J用于表示二维步态图像的帧数; Ej ×3为经过J帧图像旋转组成的矩阵,矩阵里各行元素区分成矩阵绕x、y、z轴旋转的角度,Gj ×3为经过J帧图像平移组成的矩阵,B3 ×4总共包括4 个点的三维坐标,它是参数练习进程里形状基点的初始值。U3 ×2的第一列是摄像机的旋转矩阵,矩阵里3 个元素区分为矩阵绕x、y、z轴旋转的角度,次列没有意义。经过非线性优化算法对上面所述矩阵实行改进的进程里,各矩阵的原始值能随机生成。

2 识别过程的实现

完成三维动态步态特征的提取后和几何特征模型的转换后,依据欧氏距离度量,通过最近邻分类器( NN) 和最近模板分类器( TNN) 实现身份识别。

假设P1,j和P2,j分别用于描述经上节得到的两个步态特征序列,N1、N2分别用于描述其长度,则其样本序列均值可描述成

上述二者之间的欧式距离可通过式( 12) 求出

给出一个低维流行中长度为NI的步态序列PIj,在完成最近邻分类的过程中,首先求出其样本序列均值

然后求出SI到全部训练样本集的样本序列均值之间的欧氏距离,将欧氏距离最小的一类看作是PIj的归属类。

将样本序列模板均值看作是类匹配模板来计算欧氏距离,假设是第S个人的I个步态序列,则样本总数可描述成

则第S类的样本序列模板均值可描述成

针对最近模板分类器( TNN) ,将所有样本序列被划分至离其最近的样本序列模板均值所属的类中,实现身份识别。

3 仿真实验结果

为了验证本文提出的基于三维动态步态的身份识别方法的有效性,需要进行相关的实验分析。实验将文献[6]的识别方法当作对比实行解析。

把Little和NLPR数据库作为研究对象进行实验。Little数据库是一个由5 个人各自6 个步态序列构成的数据库,其采集速度为30 帧/s,分辨率可达335 × 175。NLPR数据库为侧面视角库,该数据库共含有10 个人,每人4 个序列,采集速度为25帧/秒,分辨率为360 × 2 500。采集得到的不同角度的三维步态特征结果如图3 所示。

分别采用本文方法和文献[6]方法在不同的数据库中进行身份识别,得到的识别率比较结果分别用表1 和表2 进行描述。

分析表1、表2 可以看出,无论是Little数据库还是NLPR数据库,本文方法的识别率均高于文献[6]方法,并且针对NLPR数据库,虽然本文方法和文献[6]方法的识别率均较Little数据库有所降低,但本文方法的降低幅度显著低于文献[6]方法,验证了本文方法的有效性。

为了能更好地证明本文方法的有用性,经过对错误接受率FAR ( false accept-ance rate) 和错误拒绝率FRR( false reject rate) 进行计算,获得ROC ( receiver operating characteristic) 曲线,用来衡量两个算法的性能。错误接受率就是把冒充者辨别出真正的生物特点所有者; 错误拒绝就是生物特点所有者被拒绝。在现实使用中,上面所述两个指标是有关的,在错误拒绝率较低的状况下,错误接受率较高,所以,经常需要在两个错误率间选取一个折衷,而ROC曲线正好能表示两个错误率间的联系。图4 表示的是使用本文方法与文献[6]方法获得ROC曲线。

分析图4 可以看出,采用本文方法的ROC曲线相对较平稳,而采用文献[6]方法的ROC曲线波动较大,说明文献[6]方法的错误接受率和错误拒绝率均较高,进一步验证了本文方法的有效性。

分别采用本文方法和文献[6]方法进行10 次身份识别实验,将两种方法的准确率和耗时进行比较,得到的结果见表3。

分析表3 可以看出,本文方法能够以较高的可靠性对身份进行识别,10 次实验的识别准确率和耗时均优于文献[6]算法,证明本文方法可以满足及时辨别的要求。

4 结论

提出一种基于三维动态步态的身份识别方法,以图像帧为单位,通过立体视觉技术从立体图对各采样时刻运动人体的三维轮廓信息进行提取,提取人体步态三维轮廓后,对其进行分割,提取人体行走的步态特征。将测试者腿部特征看作是识别个人信息的关键依据,分析了物体与图像之间变换的几何模型,给出动态三维步态特征的转换过程,依据欧氏距离度量,通过最近邻分类器和最近模板分类器,将所有样本序列被划分至离其最近的样本序列模板均值所属的类中,从而实现身份识别。仿真实验结果证明,本文方法具备较高的辨别准确度及辨别效率,性能较优。

摘要：根据步态识别人身份的研究中,由于二维步态特征无法完全表示人体特有的动态步伐特征,导致识别受限。提出基于三维动态步态的身份识别方法,以连续步态图像帧为单位,通过立体视觉技术从二维图对不同采样时刻的运动人体三维步态轮廓信息进行提取,提取人体步态三维轮廓后,对其进行无关区域分割,获取和人体行走相关的步态特征。通过构建步态特征变换的几何模型,给出动态三维步态特征的转换过程,依据欧氏距离度量,根据结果实现身份识别。仿真实验结果表明,所提方法具有很高的识别精度和识别效率,性能较静态方法有较大的改善。

关键词：三维图像,动态步态,身份识别

参考文献

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三维动态环境论文篇5

随着全息技术迅速发展,传统的全息图在观赏性、技术性方面已不能满足发展需求。于是相继出现各种动态全息图,如动态合成全息图、三维双视全息图和动态体视全息图等[1,2,3]。其原理是设法把全息再现光波限制在空间某一个窄带区域内,利用不同窄带区域来显示三维物体的不同姿态,通过一序列分立的窄带区域效应使观察者获得三维动态效果,该类全息图具有很强的艺术观赏价值和防伪功能。

三维动态合成全息图是采用分立空间序列的物体不同侧面的多幅图像拍摄而成,传统拍摄方法需要多次人为调整物体的序列不同侧面和窄缝位移,过程繁杂,拍摄效率低,从而导致这种全息图在全息防伪标识的实际应用上受到限制。

本文提出一种综合计算机技术、单片机原理[4]和光电子技术等现代信息处理手段,研制一套自动控制系统来控制载物台旋转,改变物体有序的不同侧面和窄缝的移动,实现三维动态合成全图的自动化拍摄,改善传统拍摄方法效率低的缺陷,有利于推动全息防伪标识产品市场化发展。

2 自动拍摄三维动态合成全息图的制作系统

根据合成全息原理和二步法彩虹全息术提出一种三维动态合成全息图自动拍摄系统,用于二步法彩虹全息的第一步记录过程。该系统针对传统合成全息图制作中存在的诸多困难,采用了由计算机自动控制的设备代替传统光学元器件,以实现三维合成全息图的自动化拍摄。

实验装置如图1所示,氦氖激光器发出的光束经反射镜M反射,通过快门到分束镜BS分成两束,一束经反射镜M4到扩束镜SL2扩束照射被拍摄物体,物体表面产生的漫反射光作为物光波投射到H1底片上;另一束光经反射镜M1、M2和M3反射到扩束镜SL1,扩束后经透镜L准直获取平行光作为参考光投射底片H1上和物光产生干涉记录拍摄物体的信息。图1中计算机、可编程控制器和X、Y步进电动机组成控制部分,在计算机中运行专用的控制软件,设置相关参数,通过RS-232接口向可编程控制器发送指令去控制X、Y步进电机(X步进电机控制载物转盘转动,Y步进电机控制H1窄缝移动架移动)移动和快门曝光。

3 光学系统参数设计

如图2所示,利用双目视差和体视对原理,借助彩虹全息物像关系及Y向面积分割法,采用双缝来制作三维动态合成全息图。拍摄光学系统中双缝间距△Y设计为50mm,窄条缝宽度α为4mm。

双缝间距确定后光路中物像关系的设计应满足:

△Y'=佐Y'R-Y'L襔=65mm(1)

其中Y'L、Y'R为左右双视子全息元重现像的纵向坐标,佐|Y'R-Y'L|襔表示重现时双缝像间距。由于人眼瞳距平均尺寸为65mm,只有当(1)式满足时,人的双眼才能同时处于相应的双缝重现像位置观察到同时记录的一对物体子全息图的像,每对子全息图的像与物体的某一姿态相对应。

窄条缝窗口像的宽度α'受眼瞳孔径的制约,一般应满足:

如果(2)式中α'过小,会造成单眼同时接收到两个以上的再现像而出现像串扰;α'若过大,会减少拍摄物体序列分立的窄带区域数量,导致再现像姿态不连贯,从而影响全息图的动态艺术效果,失去动态合成全息图的真正意义。

4 可编程控制系统设计

可编程控制系统的构成如图3所示,系统中上位机(计算机)使用VC++提供的串行通信控件MSCOMM通过RS-232接口与下位机(单片机)通信。由于RS-232信号的电平和单片机AT89C52串口信号的电平不一致,这里使用集成电平转换芯片MAX232为RS-232作电平转换芯片,转换完毕的串口信号TXD(信号发送端)、RXD(信号接收端)、GND(信号地端)可直接与AT89C52相应引脚输出端连接,通过TXD、RXD和GND三端接线便可以进行通信。X、Y步进电机行程上各设有限位开关,确定X、Y步进电机的行程范围及起到复位的功能。

上位机中设置拍摄参数如下:

X步进电机初始位置——XS;

Y步进电机初始位置——YS;

X步进电机移动次数——XN;

Y步进电机移动次数——YN;

X步进电机单次移动量——XD;

稳定时间——TW;

曝光时间——TB。

单片机控制程序流程图如图4所示,上位机设置参数,向下位机发送指令,下位机根据设置参数指令控制X、Y步进电机进行初始化操作,然后移动到起始位置稳定等待曝光。完成一次记录后,单片机自动控制下一个周期进行同样操作,直到拍摄完毕。自动拍摄系统实时窗口显示了设置的各个参数和即时曝光位置,以及时间显示,方便操作者即时了解拍摄进程。如图5和图6所示。

5 实验结果与讨论

实验中采用632.8nm的氦氖激光器作为H1记录光源,选用一个石膏像作为拍摄实物,如图7所示。制作系统采用图1,实物固定放置在载物旋转台中心,记录介质是天津-I型全息干板,垂直固定于H1窄缝移动架上,实物中心距离全息干板垂直距离20cm。拍摄时载物转台每次旋转8°改变一次实物姿态,相应全息干板的双缝阻挡板垂直移动4mm,稳定时间10s,曝光时间30s。完整的拍摄设定为11次曝光,在全息干板上记录11对全息图元,也就是物体的22个窄带区域的像。把记录有22个实物窄带区域像的全息干板经显影处理后获得一个H1全息干板,用它的共轭光照射便可以重现实物22个窄带区域有序姿态的像,如图8所示。由于采用了自动拍摄系统,总花时间仅为60min。制作过程操作紧凑、直观、定位精确,自动拍摄程序开启后操作人员可离开实验室。与传统方法相比显著地缩短了拍摄周期,大大提高了生产效率。

为在白光下直观地观察到实物各个姿态的像,采用二步法彩虹全息图术制作H2,以441.6nm氦镉激光器作为光源,F9600型光刻胶版作为记录介质,用共轭光重现H1的像进行一次曝光记录,经显影处理获取三维动态全息图H2。在白光下,左右缓慢转动H2或横向人眼,便可以直观地看到实物22幅三维动态全息图像,该实物的三维图像姿态连续呈现,动态效果逼真。图9是模压在PET材料上的全息产品效果图。

6 结论

本系统使用了计算机技术和单片机技术对全息图记录系统进行自动控制,整个记录过程由计算机控制相应器件进行移动和曝光,实现了三维动态合成全息图制作的全自动化流程,拍摄过程操作紧凑、定位精准,操作界面简易、直观。与传统制作方法相比,本文提出的自动控制系统制作三维动态合成全息图,能够极大地提高制作效率和精度。

参考文献

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[3]郭欢庆,王肇哲,王金城,等.数字合成全息系统中空间光调制器DMD的研究[J].光电子激光,2004,15(1):9-2.

三维动态环境论文篇6

随着油田开采难度的增大,钻井开发过程中的各种作业工艺越来越复杂,安全生产问题日益突出,急需开发钻井仿真系统对钻井工程技术人员和现场工作人员进行安全操作技术培训。钻井仿真系统包括硬件仿真控制台、模型计算和三维场景显示三个子系统,其中三维场景显示子系统能否逼真地再现钻井现场的实际场景,对整个培训的效果影响非常大。

目前,钻井仿真系统中使用的三维场景要么是利用3D MAX、Flash等工具开发,要么是利用OpenGL技术开发,这两种方式都存在一定的缺陷[1,2,3]。采用3D MAX、Flash等工具开发的三维场景,画面固定,不能随时根据硬件仿真平台的操作灵活的变化场景,如正常钻进接单根场景中钻进速度及转盘的旋转速度就不能独立控制;采用OpenGL技术能够制作出具有良好的真实性、交互性和灵活性的三维场景,但是掌握OpenGL并应用它开发相应的场景难度大、复杂且不易扩充。针对上述不足,提出一种3D MAX和Virtools技术相结合的钻井三维场景开发方法,即用3D MAX构建钻井设备的3D模型和3D场景,然后利用Virtools平台下的行为控制模块对3D模型进行动态交互控制。结果表明,该方法不仅克服了上述方法的不足,而且开发的三维场景能给人以身临其境的感觉,从而加深学员对现场操作的理解,提高培训的效率。

1 虚拟现实开发工具Virtools

Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS所开发,其三维引擎已经成为微软XBox认可系统,其特点是方便易用,应用领域广。Virtools在3D互动展示方面功能较强,具有完善的组成:一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web播放器、一个软件开发工具包SDK。

VirtoolsDev是Virtools软件的的开发环境,其4.0版本具有450多个行为交互模块(Building Blocks,简称BB)。Dev环境下,只需利用拖放的方式将BB赋予在适当的Object(对象)或是Character(虚拟角色)上,然后以流程图的方式决定BB的前后处理顺序,即可实现可视化的交互脚本设计,编辑成一个完整的交互式虚拟世界[4]。目前,Virtoots技术已经开始应用在模拟仿真、虚拟实验室、建筑设计以及3D游戏的开发等领域。

2 钻井三维场景的建立方法

Virtools平台下钻井三维场景的开发方法可以分为如图1所示的三个步骤,分别是模型的创建、模型的导入和模型的控制。

2.1 模型的创建

钻井设备三维模型是整个钻井场景开发设计的基础,模型建立的好坏直接影响到运行的效果和场景的逼真度。由于Virtools本身没有建模的功能,所以在建模阶段采用功能强大,建模方法丰富,而且能够与Virtools实现无缝接合的专业建模软件3D MAX[5]对钻井设备进行三维建模。钻井设备模型的构建主要采用几何建模技术,设备模型的轮廓和形状采用了点、直线、多边形图形、曲线、曲面方程以及图像等方法表示。针对钻井三维场景中不同对象分别采用精细建模、次精细建模和粗略建模方式;在整个建模过程中,将层次细节技术和纹理映射技术结合使用,降低场景实时渲染的复杂度。

钻井三维场景中涉及的钻井设备模型较多,主要包括井架,钻井平台,转盘,吊卡,卡瓦,方钻杆,方补芯,钻杆,水龙头,大钩,游车,吊环,液压钳等,由于篇幅关系,这里仅给出液压钳的三维模型,如图2所示。

2.2 模型的导入

在3D MAX下设计好三维模型后,利用Max2Virtools导出插件将3D模型保存为NMO格式的文件,然后在Virtools平台中导入所生成的NMO文件,三维模型即可显示在Virtools平台下[6,7]。为使3D MAX环境下开发的钻井设备三维模型能在Virtools平台下有机地组织在一起,形成一个逼真的钻井三维场景,需在Virtools平台视口中按照实际井场的布局对导入的3D模型的位置、方向和大小进行调整,同时还要添加必要的灯光、摄像机及背景贴图,让人有身临其境的感觉,效果如图3所示。

2.3 模型的运动控制

Virtools中三维(或二维)模型的控制是靠Virtools内置行为模块实现的[8]。这些行为模块有500多个,能够对三维或二维模型进行各种基本操作如大小变化、旋转、缩放、颜色变化、光线变化、三维贴图等,复杂操作如行走、转向、后退等。实现对三维世界编辑区中的模型的控制的方法具体为:选择DataResource中Animations类中的行为,用鼠标点击所要的动作行为并添加到3D Layout中的设备模型上,然后在Schematic相应的Script中编辑各个参数,从而实现对设备模型的运动控制,构建一个逼真的钻井三维场景。

3 钻井三维场景系统的实现

3.1 系统的功能设计及实现

钻井三维场景系统能在硬件仿真控制台的配合下,利用Virtools平台下的行为模块和消息控制机制,使方钻杆、大钩、游车、吊环、卡瓦、吊卡、钻杆和液压大钳等钻井设备模型在虚拟场景中协同运动,逼真的再现实际井场的正常钻进、接单根、起下钻、上提方钻杆、起下钻挺关井以及压井等20种钻井操作流程,实现井场环境的动态仿真。

限于篇幅关系,下面以正常钻进接单根训练项目为例,说明Virtools平台下钻井三维动态场景的实现过程。正常钻进接单根场景主要包括转盘旋转,钻进,起钻,上扣、卸扣等功能模块。

3.1.1 转盘旋转模块

负责控制转盘的旋转方向和旋转速度,实现步骤:(1)添加TestBB到转盘模块Script上,并编辑参数,TestBB的目的是判断旋转的方向,输入参数“转盘转动方向”值为0,表示转盘正转,值为1,表示转盘反转;(2)添加MultiplicateBB参数运算,并与输入参数“转盘转速”相连,BB的输出参数为转盘转速;(3)分别添加两个BezierProgressionBB、RotateBB、MultiplicateBB到Script,并编辑参数,组成“转盘正转”、“转盘反转”两个BehaviorGraph,BG的输入与Test输出相连,并将经过运算的转盘转速与BG的输入参数相连,控制转盘的旋转方向和速度。转盘旋转模块部分脚本如图4所示。

3.1.2 钻进模块

负责控制方钻杆旋转、下放以及大钩、游车、水龙头等设备模型的下放,实现步骤:(1)添加若干个TestBB和GetPositionBB到Script,共同组成“是否钻进”BehaviorGraph,根据钻进条件,决定“是否钻进”BG输出端的输出信号;(2)添加BezierProgressionBB、TranslateBB、MultiplicateBB到Script,并编辑参数,这三个BB组成“钻进”BehaviorGraph,其中TranslateBB的目标对象为方钻杆、游车、大钩等模型,实现控制其下放的目的;(3)添加“速度控制”BehaviorGraph,“速度控制”BG由若干个运算模块构成,如AddBB、GetYBB、DivisionBB,“刹车”、“辅助刹车”参数控制钻进速度,通过“速度控制”BehaviorGraph,计算得到下钻的速度,输入给“钻进”BG。钻进模块部分脚本如图5所示。

3.1.3 起钻模块

负责控制场景中方钻杆、大钩、游车以及水龙头等设备模型的上提及上提速度,实现步骤:(1)添加TestBB到Script,判断是否进行起钻操作;(2)添加“起钻速度设置”BehaviorGraph,用来接收“绞车”、“滚筒”参数值后,计算起钻速度;(3)添加BezierProgressionBB、TranslateBB、MultiplicateBB,控制方钻杆、游车等设备模型的上升运动。起钻模块部分脚本如图6所示。

3.1.4 上扣、卸扣模块

负责控制液压大钳的上扣、卸扣动作,模块由三个Script组成,分别为大钳初始Script、大钳上扣、卸扣Script和大钳复位Script。由于硬件仿真控制台定时发送大钳信息,为了屏蔽重复信息,防止大钳运动混乱,所有采用三个Script共同控制的方法。如果大钳接收上扣或者卸扣信息,执行大钳上扣、卸扣Script,通过WhileBB和IdentityBB共同作用,屏蔽大钳复位Script,同时不再接收相同信号,直到大钳复位。液压大钳上扣、卸扣部分脚本如图7所示。

3.2 实例演示

实现的钻井三维动态场景效果如图8、图9所示。在硬件仿真控制台的配合下,方钻杆、转盘、大钳、卡瓦等钻井设备模型可在三维场景中连续、有规律地运动,真实地模拟钻井现场在正常钻进时的各种操作过程,如转盘正转、反转及转速0~400r/min连续可调,方钻杆空转(只旋转不钻进)、正常钻进(边旋转边钻进)、上提方钻杆、钻进速度0~40m/h连续可调及上提速度0~5m/min连续可调,液压大钳上扣、卸扣,自动旋扣器上扣、卸扣,卡瓦的上卡、去卡,方钻杆移到小鼠洞接单根、对扣等场景

4 结束语

针对目前采用3D MAX、Flash、OpenGL等工具构建钻井三维场景子系统的不足,文中采用Virtools技术对钻井三维场景的开发方法进行了探索,提出了一种利用3D MAX和Virtools技术相结合构建三维场景的方法,并采用该方法开发了一套钻井三维场景子系统,实现井场环境的动态仿真,该方法简单方便,技术难度小,与硬件仿真控制台配合使用,能够实现三维场景的动态交互及灵活变化,使培训者真正获得现场操作的临场感、真实感。该方法也适合于其他三维场景的开发,具有一定的推广价值。

参考文献

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三维动态环境论文篇7

虚拟现实 (VR) 技术是近几年来出现的高新技术, 由计算机所模拟的三维环境, 通过让眼睛接收到在真实情境中才能接收到的信息, 使人产生“身临其境”的感觉。VR-Platform是由深圳中视典公司开发的具有自主知识产权的一款国产三维虚拟现实平台软件。

虚拟现实技术应用广泛:电影《阿凡达》的全球热映, 让我们认识了虚拟现实技术;虚拟旅游为传统旅游业带来了新的诠释;某些事故的模拟再现, 帮助人们更加清晰的了解整个事情的来龙去脉;三维地图的应用也为当今忙碌的人们的出行提供了极大的方便等等。随着计算机技术的发展, 游戏爱好者对游戏的逼真度及娱乐性要求越来越高。如今网络上流行的网页农场游戏比如QQ农场, 开心农场, 它们都是二维的基于平面的, 本文运用虚拟现实技术在VRP平台上完成三维农场的动态显示。

2、开发工具选择

3ds Max作为专业三维建模软件, 功能强大, 扩展性好, 另外在角色动画方面具备很强的优势, 丰富的插件也是其一大亮点。

Poser是由美国Curious Labs开发的三维人体图像和动画软件, 是全球第一个也是迄今为止使用最广泛和最受欢迎的专门用于人体造型的软件。它可以为本文提供人物, 动物狗的模型。

VRP属于桌面型虚拟现实系统, 该软件适用性强、操作方便、功能强大、高度可视化.真止做到了管理意义上的所见即所得。但是仿真软件在模型面片数和纹理贴图量方面都有可以承受的上限, VRP要求贴图量不要超过计算机的可用显存量, 面片数也需尽量少。本文游戏三维农场的动态显示正是在VRP平台上实现的。

之所以选择这三款软件, 是因为它们之间有着很好的衔接性, 可以充分发挥出它们各自的优势。选择3ds Max进行场景大部分的建模, 结合Poser提供的相应人物动物模型, 最后导入到VRP平台中进行交互以及界面设计, 实现动态显示功能。

3、三维农场总体设计及制作流程

一个完整的三维农场系统包括两个部分:数据管理部分和三维显示部分。

三维农场的总体设计如图1所示。

本文实现的是三维显示部分, 数据管理部分不作展开。网上如今存在农场只是基于平面的二维游戏, 无法从多个角度来观察农场中的对象, 本文中实现的是一个基于VRP的三维农场, 能够跟随相机或者使用者可以通过鼠标全方面来浏览农场。实现方法主要是应用3ds Max进行建模, 渲染、烘焙, 然后导入到VRP-Builder编辑器中, 再经过简单的编辑操作之后即可生成一个可执行的exe文件, 用户可以通过执行该文件浏览三维场景中的每个模型, 用户还可以使用鼠标、键盘在农场中实现多种方式行走。

三维农场动态显示的实现流程如图2所示。

4、三维农场游戏显示的实现

4.1 三维农场的制作要点

农场中的三维模型是构成农场中的重要组成部分, 模型质量的高低直接影响着整个虚拟场景的效果。房子以及栅栏比较规则的物体模型可以由挤出命令完成, 需要注意的是制作模型时能用【挤出】修改器实现的模型就不要使用【布尔】运算去实现, 因为相对来说布尔运算不稳定, 导入VRP中很可能发生错误。

农场中人和狗的模型在满足条件的情况下, 本文直接选用了Poser中的模型。狗的模型可以在poser当中直接导入到3ds Max中, 通过添加变形器, 为狗的行走路径设置关键帧的方式可以实现狗行走的动画部分。

由于树的结构相对来说比较复杂, 直接在3ds Max中建模会导致会给以后VRP的导入带来困难, 本文选择了通过下载树插件, 然后对相应树模型的系数反复进行调整的方式来制作, 直至成功导入到VRP中。

农场中植物模型通过在3ds Max中绘制样条曲线, 修改顶点使其更加平滑, 为其添加【车削】修改器并调整中轴位置即可完成。

4.2 场景优化

假如场景模型过多的话会增加客户机端的负担, 很难得到平滑的运行效果。除此之外, 模型面数过多还会增大文件的容量, 在网络上发布会使得下载时间增加。本文针对以上问题, 对场景进行了优化。

最终影响虚拟场景运行速度主要有三个要素:VR场景模型的总面数, VR场景模型的总个数和VR场景模型总的贴图量。

在优化过程中, 将需要对其的物体的面和顶点进行对齐, 删除每个模型中的看不到的面以及它们之间发生重叠的面等。在删除多余的边时, 可能会有遗漏的点未删除, 此时尽管看不到多余的面, 但那些点组成的三角面仍然存在, 所以多余的点也一定要删除。最终在存储数据和外形方面, 做到“小而精”。

场景模型个数的多少直接影响到VRP的启动速度, 假如场景中模型个数过多, 计算机可能会因为计算不过来造成模型丢失的情况。避免此现象发生的做法是先给各个模型进行合理命名和分组, 赋好材质之后, 对近距离材质相同的模型进行合并。

贴图量也是影响VRP启动速度的一个关键因素, 所以要在模型个数, 面数, 贴图量三者之间做一个权衡, 既要保证在计算机承载范围之内, 又不影响场景的实际观赏效果。

4.3 渲染和烘焙

3ds Max默认的渲染器是扫描线渲染器, 它的渲染采用的是模拟的算法, 要想得到逼真的渲染效果, 对灯光的设置要求非常高, 而且速度慢。本文中采用的是mental ray渲染器, 该渲染器渲染的图片具有真实的反射、折射和焦散效果, 能实现很多3ds Max默认渲染器无法达到的真实效果, 主要是采用mental ray渲染器渲染并得到场景不同角度的效果图。

烘焙深受建模和赋予材质效果的影响, 建模过程中每增加一个点一个面对烘焙都是一种负担, 而材质贴图的大小也很大程度上影响烘焙的顺利进行。在3ds Max中每修改一个物体, 都要把该物体重新烘焙出新的贴图, 修改才会有效, 这里可以根据烘焙错误物体的个数灵活处理。

4.4 VRP农场演示

农场场景在建模, 渲染烘焙完成之后, 通过VRP-3ds Max插件将其导入到VRP中进行交互设计。本文在农场场景添加了行走、相机、飞行、旋转以及角色等多个相机, 用户可以实现漫游农场的功能。

农场最重要的是实现与用户交互来播种和摘取, VRP提供的脚本编辑器可以实现这些功能, 其中包含系统函数, 触发函数, 自定义函数等。系统函数可以初始化一些模型定义所需的变量。触发函数主要是实现当外界条件发生改变时, 系统中模型执行相应的动作或命令, 可以通过单击左键实现场景中开门放狗以及栅栏门开关等动作。自定义函数里包括控制点击控件按钮所产生的系统反应函数, 同时农作物生长过程的也是通过自定义函数实现的。

为了使场景更加真实, 美观, 最后为农场添加了天空盒, 太阳, 阴影, 音乐等, 让用户快乐地享受播种采摘全过程。调整好VRP场景之后, 将该场景生成单机版可执行exe文件, 便于在其它计算机上进行演示。

5、结语

本文构建的虚拟三维农场以VRP为平台, 实现了具有漫游、播种、采摘等一系列功能的三维可视化仿真。它向我们展示了一个全新意义的农场。随着计算机技术的发展, 我们看到了未来开心农场等游戏的一个发展方向以及三维游戏带来的巨大的商业前景, 彼时它们即将掀起一轮新的热潮。

参考文献

[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京邮电大学出版社, 2005.

[2]卞峰, 江漫清.虚拟现实及其应用进展[J].计算机仿真, 2007, 24 (6) , 1986-1990.

三维动态环境论文篇8

内燃机的可靠性、寿命及主要性能参数在很大程度上取决于装配工艺水平和装配质量。作为内燃机制造中的最终阶段, 传统的内燃机装配也是发生质量问题最多的阶段。在编制装配工艺初期, 没有数字化装配验证的手段, 实际装配阶段经常会发生零部件间的干涉或装配顺序不合理等现象, 而且许多零部件制造阶段产生的质量隐患往往要等到装配阶段才能显现出来, 因而导致内燃机装配周期很长, 返工率很高, 而且装配质量不稳定, 这些都严重制约内燃机行业的生产能力的提高, 虚拟装配技术的出现有效地解决了这一技术瓶颈。

基于内燃机的结构和工作原理, 国内外很多学者利用Solid Works软件[1,2,3], 对内燃机进行三维建模、装配和运动仿真, 并运用Solid Works软件的动画制作功能, 来验证装配序列和装配路径的可行性、分析最佳装配次序、确定最优装配路径。同时, 通过动态模拟复杂内燃机装拆的工艺过程, 可以让装配工人熟练掌握装配工艺、正确地进行装配操作、提高装配质量。

2 2100T柴油机简介

2100T柴油机是我国100系列的柴油机之一, 为立式水冷四冲程柴油机。具有工作可靠, 性能好, 结构紧凑, 经济指标低, 寿命长, 使用方便等特点, 可做拖拉机动力。其主要技术参数见表1。

3 2100T柴油机的主要的结构组成

3.1 活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆螺栓、轴瓦等零件组成。

3.2 曲轴飞轮组

曲轴飞轮组是由曲轴、飞轮、齿圈、曲轴正时齿轮、三角皮带轮组成。曲轴主轴颈与连杆轴颈之间有润滑油孔相通。

3.3 配气正时传动机构

配气机构包括气缸盖总成中的气门和气门驱动机构, 还包括齿轮轴、正时齿轮、空气滤清器、进排气管。凸轮轴由曲轴前端的正时齿轮经过中间惰轮驱动。

3.4 机体组

机体内嵌有高磷铸铁制成的湿式汽缸套, 其上部的缸套凸缘在机体缸孔的肩胛上, 下部以两只橡胶做的防水圈密封。机体右侧有检查口。机体顶面除气缸孔和气门推杆孔外, 还有一个通向气缸摇臂轴的润滑油孔及与气缸盖相同的冷却水孔。机体前端有正时齿轮室, 齿轮室内装传动齿轮, 后端为飞轮盖和盖板, 左侧中间装有配气凸轮轴。机体的拱门上有主轴承座, 轴承盖同螺栓紧固在轴承座上, 曲轴后部有甩油盘, 飞轮壳。气缸盖装于气缸体上部, 用于密封, 材料为灰铸铁。气缸盖上装有进排气管, 摇臂轴总成等, 气缸盖内部还有进、排气道, 冷却水道和机油道。

具体的零件建模过程不再赘述。

42100T柴油机的装配

4.1 曲柄连杆机构的装配

以气缸套为固定零件, 然后插入活塞, 这样活塞可在气缸套里自由移动。然后插入活塞销、连杆以及连杆小头衬套, 然后进行曲轴和连杆的装配。在前述基础上, 插入曲轴, 再插入两个连杆大头轴瓦。再将连杆大头盖插入, 将连杆大头的切口和连杆大头盖的切口重合, 再导入两个连杆螺栓, 这样就将连杆大头成功装配。由于2100T型柴油机是一个两缸的内燃机, 因此还需要再次插入一套活塞部件, 包括活塞环、活塞销、连杆、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和两个连杆螺栓, 将他们插入, 按之前的方法完成装配, 这样就可以完成整个两缸的内燃机的曲柄连杆机构的装配, 如图1所示。

4.2 机体和曲柄连杆机构的连接

在曲柄连杆机构的装配图中插入气缸体, 进行气缸体与曲柄连杆机构的装配。在此基础上插入气缸盖, 再插入油底壳, 接下来是曲轴和气缸体连接部分的配合, 在装配图之前的基础上插入主轴上瓦、主轴下瓦、前主轴承盖和轴承螺钉, 完成曲轴与气缸体连接部分的左端装配;同理完成底部和右端装配, 曲柄连杆机构和机体的装配如图2所示。

4.3 甩油盘和油封的装配

在前述基础上插入四个曲轴止推片、前油封、前甩油盘和曲轴正时齿轮, 在这之中, 使曲轴、曲轴止推片和前甩油盘的键位对齐, 再插入键。然后插入后油封和后甩油盘, 再插入键。最后设定后油封和曲轴同轴心, 后油封的闭口侧面和后甩油盘的底面重合, 如图3所示。

4.4 配气机构

先在前述基础上插入气缸盖, 再插入凸轮轴和凸轮止推片, 并保证凸轮止推片在气缸体内。然后装配一套进气机构, 插入进气门、气门挺柱、气门推杆、气门上弹簧座、气门间隙调整螺钉、摇臂座、摇臂螺栓、外侧左摇臂和气门导管, 然后在前述基础上再插入一套排气气门组机构。2100T柴油机为两缸柴油机, 因此凸轮轴上一共需要有四个凸轮, 分别控制两个进气门和两个排气门, 所以最后分别插入一套进气机构和一套排气机构, 每组分别按照前面的过程进行装配。完成后可以通过凸轮的旋转带动气门挺柱上下移动, 使气门推杆同时带动气门间隙调整螺钉上下移动, 从而使摇臂轴前后两侧上下摇摆, 带动进排气门的上下移动, 达到控制进气门和排气门开合的目的。由于凸轮轴上的四个凸轮所对应的角度不同, 因此凸轮轴转动的时候由于凸轮在同一时间保持状态不同, 就可以使进气门或排气门按照一定的角度保持开合, 控制整个进排气过程。配气机构的装配如图4所示。

4.5 机体组的装配和齿轮连接

在现在装配图的基础上插入飞轮和飞轮盖, 设定飞轮的内径和曲轴同轴心, 飞轮内孔的上顶面和曲轴右侧面重合, 将飞轮的定位孔和曲轴右侧的定位孔重合, 这样就可以让曲轴带动飞轮转动。再插入飞轮螺栓和飞轮定位螺栓, 完全定义飞轮、曲轴、飞轮壳、飞轮螺栓和飞轮定位螺栓, 使飞轮在曲轴的带动下旋转, 如图5所示。

然后插入齿轮室、齿轮室盖、惰齿轮、支持轴和衬套, 完成齿轮室盖的装配, 如图6所示。

将凸轮轴正时齿轮插入现在装配图中, 再加入键, 使键与键位重合, 这样就可以使凸轮轴正时齿轮带动凸轮轴转动。再将曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮的同侧端面重合, 将二者进行齿轮装配, 装配之后就能通过曲轴的转动带动凸轮轴转动, 从而控制进排气门的开合。在此基础上插入皮带轮和起动爪, 完成对皮带轮和起动爪的装配如图7所示。

最后在现在的装配图中插入齿轮室螺栓和气缸盖螺栓, 完成整个2100T柴油机的装配, 如图8所示。

5 2100T柴油机的拆装和运动仿真

在Solid Works软件中选择运动算例模块, 在该模块中, 选择马达功能, 选择曲轴为旋转物体, 绕曲轴的中心轴线为旋转轴, 设定旋转速度为100r/min, 进行旋转, 完成2100T柴油机的运动仿真, 运动仿真结果表明, 装配后的内燃机结构合理, 运行平稳。

6 结论

本文依据2100T柴油机的图纸, 利用SolidWorks软件对2100T柴油机进行零部件的建模, 并在模型的基础上完成了2100T柴油机的装配, 最后对2100T柴油机整机的三维模型进行运动仿真, 确定了最优装配路径, 提高了装配质量和设计效率, 从而缩短了柴油机的装配周期, 提高市场竞争力。

摘要：本文基于对内燃机构造和工作原理的研究, 通过SolidWorks软件, 利用其提供的零件建模、实体装配、工程图及动画制作的功能, 对内燃机的零部件进行三维建模, 将所建立的模型进行装配, 建立了内燃机整体模型, 并实现了三维动态仿真, 仿真结果直观、生动地展示内燃机的结构和工作原理, 可以形象地展示内燃机的装配的过程, 分析最佳装配次序, 确定最优装配路径, 提高装配质量和设计效率, 从而缩短柴油机的装配周期, 提高市场竞争力。

参考文献

[1]黄政.基于Solid Works的船舶柴油机虚拟装配及运动仿真[J].航海工程.2010, 39:112-113.

[2]郝立红.基于Solid Works的柴油机活塞的优化设计[J].机电技术.2011, 4 (1) :64-66.

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