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标题

一种基于VRML的静态建模方法

范文

李兰

摘 ?要： VRML作为描述三维虚拟场景网络的一种标准，在各领域的虚拟现实仿真中得到了广泛的应用。系统地阐述VRML几何建模机制;提出一种以VRML语言为基础，综合运用多种建模工具高效建立几何模型的方法;给出一个实例，将该方法应用于贴装机的静态建模，生成的模型具有较高的逼真度，验证了方法的有效性。

关键词： VRML; 几何建模; 贴装机; 方法

中图分类号：TP391.9 ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? 文章编号：1006-8228（2020）01-66-03

Abstract： As a standard to describe 3D virtual scene network， VRML has been widely used in virtual reality simulation of various industries. This paper describes the VRML geometric modeling mechanism systematically and proposes a VRML based method to establish geometric model by using various modeling tools. An example is given to apply this method to the static modeling of mounting machine. The model generated has high fidelity， which verifies the effectiveness of the method.

Key words： VRML; geometric modeling; mounting machine; method

0 引言

静态建模主要就是建立物体的几何模型。VRML（虚拟现实建模语言）相比其他三维建模工具，具有很强的沉浸感、交互性，重要的是语法简单、建模更方便[1]。文献[2]利用VRML的文本编辑器创建了AUV的虚拟场景;文献[3]用SolidWorks建模软件构建联合收割机进而转换为VRML模型;文献[4]利用MATLAB的V-Realm Builder 2工具搭建了导弹和目标的模型，均取得了较好的效果但建模方法单一。因此，本文基于VRML建模语言，探讨综合运用多种建模工具，高效建立几何模型的方法。

1 VRML几何建模机制

VRML对三维场景有很强的描述能力，对象构成虚拟场景，对象及其属性表示为节点，节点是构成VRML文件的基本单元。VRML2.0中包含了54个节点，每个节点由不同的域（Field）和事件（Event）组成，域定义了节点的各个属性，域取不同的值，节点就会有不同的特征，可完成一项特定的功能[5]。下面就VRML几何建模的关键节点加以论述。

⑴ 单个几何体：用外形Shape节点创建，appearance域的值定义一个节点，即Appearance节点，定义造型的外观，包括颜色和表面纹理，geometry域的值指定一个节点，定义造型的几何结构。

⑵ 简单几何体：包括长方体Box节点、圆柱Cylinder节点、圆锥Cone节点、球Sphere节点。

⑶ 基于顶点几何体：基于边界表示法的点线面造型，点线面是空间造型的最基本元素，点线面造型的基础就是给出一系列有序空间点的参数，然后创建虚拟空间中的点线面，因而，理论上可以创建出虚拟空间中任意的三维造型，包括PointSet节点（点）、IndexedLineSet节点（线）、IndexedFaceSet节点（面）。

⑷ 复杂几何体：①海拔栅格造型ElevationGrid节点主要用来创建诸如起伏地面和山脉等空间造型;②挤压造型Extrusion节点为那些可以用二维截面图形经空间中沿某一路径移动而形成的形体提供了一种有效和直接的构造方式。

⑸ 几何体的组装和场景的生成：复杂物体可由多个简单几何体组装而成，多个物体进行坐标定位又构成场景，VRML文件中通过组节点实现，主要有Group节点、Transform节点。其中Transform节点为其子节点定义坐标系统，更重要的作用在于对VRML空间坐标系进行变换，以建立一個或多个相对于已有坐标系的新坐标系。

⑹ 几何体的引用：要创建多个相同的几何体，可在VRML文件中通过DEF节点为已创建的造型命名，再采用USE节点反复引用实现。

⑺ 原型：对节点类型集合进行扩充，通过PROTO节点用以描述一个自定义的节点类型，简化了场景的制作过程。

2 协同建模及优化

目前，VRML建模工具主要有文本编辑器、可视化开发工具及常用的造型软件等，以下分别介绍。

⑴ VRML的文本编辑器：VRML是一种描述性的文本语言，通过对物体节点的描述，理论上，任何三维形体都可以精确或近似地构造，但它不是造型语言，对于复杂的模型，仅靠VRML造型节点实现就很困难[6]。

⑵ VR的“所见即所得”可视化开发工具：这种方法非常适合构造简单的三维模型，但对于复杂的模型和动画的创建则比较困难。MATLAB虚拟现实工具箱下自带的V-Realm Builder 2三维物体构造工具包是一种常用的VR可视化开发工具，提供了强大的三维物体的编辑功能，菜单和工具栏中包括了几乎所有VRML节点，只需用鼠标点击即可完成对象的创建，并可以方便地对节点进行增加、编辑和修改，相应的场景立即得到更改，实现了“可视化”开发;另外，V-Realm Builder 2自带了三个例库：对象库、材质库和纹理库，用户可分别直接将现成库的对象、材质、纹理应用到虚拟场景中去，提高了开发效率[7]。

⑶ 常用的造型软件：对于场景中复杂的部分，常用的三维造型软件有AUTOCAD、3D Studio Max等，在三维造型方面AUTOCAD虽然不是最好的系统，但所提供的支持已足够，就其普及性、二次开发的友好性而言，是其他系统所不能比拟的。利用它建立的三维模型文件.dxf通过VRML Export（ARX应用程序）转换为*.wrl文件，但导出的造型均以IndexedFaceSet节点来描述，数据量较大，不利于文件传输，可用VRML优化工具vizup进行进一步数据优化，提高模型的转化效率。

由于制造单元的结构和外形的复杂性，为了提高建模效率及模型的逼真度，本文选取多种工具协同建模：对于复杂的造型利用AUTOCAD建模，在保证模型逼真度的同时用VRML优化工具vizup进行数据优化，提高模型的转化效率;然后在V-Realm Builder 2中创建能直接生成的造型;最后利用文本编辑器VrmlPad进行修改并完善模型的交互功能，添加多视点和动画等效果。实践表明，三种方法的综合运用，可以大大提高模型的构建效率。

3 建模实例

贴装机是SMT生产线中最关键的数控设备。本文以国内首台全视觉贴装机SMT2505为例[8]，建立其外部的静态模型，实际外部如图1所示。根据结构特点可分为本体部分、显示监控部分和操作控制部分。其中本体部分与裸机直接发生关系，包括上架外壳、下架外壳和基础连接架三部分;显示监控部分包括信息显示的界面和报警装置，主要指PC 机显示器和警示灯;操作控制部分，即指令输入与动作调整，有键盘、电气开关等。

下面以下架外壳为例，详述具体的模型构造过程。它由壳体、底座、把手三部分组成，由于比较规则、简单，因而在V-Realm Builder 2中分别建模并赋予材质等属性，然后进行装配构成场景图。

⑴ 壳体：它不是基本造型，故采用挤压节点Extrusion完成，以倒角矩形为放样图形、直线为路径生成模型，节点树如图2所示。

⑵ 底座：用基本造型圆柱节点Cylinder完成。

⑶ 把手：属于面造型，用面节点IndexedFaceSet完成。

分别调整壳体、底座和把手之间的位置关系，然后通过Transform节点将所要安排位置和方向的造型编组，在V-Realm Builder 2中生成的下架外壳模型和VRML模型节点结构树如图3所示。

其他部件的构造同下架外壳的方法基本一致，最终生成的贴装机外部模型如图4所示。

4 结束语

建模主要解决模型逼真度、开发效率、沉浸效果等问题。VRML作为描述三维虚拟场景网络的一种标准，在各领域的虚拟现实仿真中得到广泛的应用。本文详细介绍了如何运用多种建模工具建立VRML模型的方法，并给出具体的实例运用，具有一定的可操作性。进一步的研究工作将在虚拟场景中加入光照效果、纹理映射以及交互性等基本特性，对提高三维虚拟场景的逼真度具有重要意义。

参考文献（References）：

[1] 许爱军，张文金，易丹.基于VRML的虚拟现实技术及应用[J].计算机与数字工程，2009.37（4）：186-189

[2] 许喆，严卫生，高剑.MATLAB下6自由度AUV的VRML建模及仿真[J].系统仿真学报，2007.19（10）：2241-2244

[3] 张亚楠，郝倩.Web 3D虚拟现实平台在收割机零部件设计中的应用[J].农机化研究，2019.41（4）：233-237

[4] 王意存，陈琦，常思江.采用Simulink和VRML的六自由度弹道多视角可视化仿真[J].兵器装备工程学报，2019.40（1）：143-147

[5] 汪兴谦.VRML虚拟造型实战演练[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[6] 殷鹏莲，余学祥.VRML和Java支持下的三维虚拟校园构建[J].测绘与空间地理信息，2015.38（4）：165-168

[7] 張家祥等.基于MATLAB6.X的系统分析与设计—虚拟现实[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[8] 宋福民，张小丽，马如震. SMT2505全视觉多功能贴片机的研制[J].电子工业专用设备，2002.31（4）：219-223

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