面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于3D建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其指代一種面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字化車間具有顯著非線性、時變性、空間分布性和不確定特征，高度復(fù)雜等特點(diǎn)。建設(shè)一套關(guān)于數(shù)字化車間的現(xiàn)場生產(chǎn)映射信息平臺迫切需要一種適應(yīng)于該平臺的三維建模方法。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01210442989.2，名稱為“超大規(guī)模智能電能表自動化檢測仿真模擬系統(tǒng)”專注于整個模擬系統(tǒng)的搭建和unity3D的特點(diǎn)優(yōu)勢；中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01310178410.0，名稱為“基于Unity3D的電能表自動檢定調(diào)度策略測試方法”專注于調(diào)度策略的仿真實(shí)現(xiàn)；中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01210417098.1，名稱為“一種3D產(chǎn)品在線體驗(yàn)系統(tǒng)”專注于產(chǎn)品3D展示。而上述這些均沒有介紹數(shù)字化可視平臺中現(xiàn)實(shí)空間到虛擬空間實(shí)時映射3D建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法，解決了數(shù)字化可視平臺中的3D建模問題，提供了數(shù)字化車間的數(shù)字化環(huán)境，豐富了數(shù)字化車間系統(tǒng)的研究手段，具有不錯的應(yīng)用前景。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法，包括步驟如下:
1)利用Unity3D物理引擎，參照所監(jiān)控的數(shù)字化車間的場景特點(diǎn)與運(yùn)行特征，在虛擬空間中創(chuàng)建與實(shí)際的數(shù)字化車間所用設(shè)備等相同的3D模型并依據(jù)實(shí)際布局布置，放置適合的燈光與攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)的靜態(tài)的數(shù)字化車間的靜態(tài)映射；
2)利用編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息流的接收，結(jié)合數(shù)字化車間的實(shí)際運(yùn)行過程各個裝配動作的具體運(yùn)行流程，設(shè)計算法處理信息流，得出車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)控對象的動態(tài)特征與應(yīng)用邏輯編寫腳本重構(gòu)發(fā)生動作部分的3D模型狀態(tài)，建立對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的多層次映射，連接數(shù)據(jù)庫記錄數(shù)據(jù)信息流與車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；
3)在步驟2)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的映射，優(yōu)化虛擬空間的性能，創(chuàng)建多任務(wù)窗口，窗口內(nèi)容為二維面板或三維細(xì)節(jié)展示，全方位展示數(shù)字化車間的運(yùn)行情況。
[0005]優(yōu)選地，步驟I)中所述的3D模型建立方法為:分析系統(tǒng)中所需要監(jiān)控的動態(tài)特征，將系統(tǒng)中包含這些動態(tài)特征的子系統(tǒng)和要素確立為監(jiān)控對象并編號，再以具有需要監(jiān)控的動態(tài)特征的子系統(tǒng)為研究對象，分析子系統(tǒng)中所需要監(jiān)控的動態(tài)特征，將子系統(tǒng)中包含這些動態(tài)特征的子系統(tǒng)和要素確立為監(jiān)控對象并編號，如此往復(fù)直到無需進(jìn)一步分解為止。
[0006]優(yōu)選地，步驟2)中所述的建立對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的多層次映射方法為:根據(jù)上述3D模型建立的方法，分解監(jiān)控對象系統(tǒng)所得到的屬于各層次的監(jiān)控對象的子系統(tǒng)，首先在虛擬空間實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象系統(tǒng)整體狀態(tài)的映射，再分別實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象的子系統(tǒng)狀態(tài)的映射，然后分別實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象的下一層次的子系統(tǒng)狀態(tài)的映射并重復(fù)此步驟直到實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象所有的動態(tài)特征的狀態(tài)映射。
[0007]優(yōu)選地，步驟I)中所述的3D模型建立方法為:實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的映射的需要，基于模型的顯示需求，虛擬空間中的3D模型分為精模、半精模、簡模，精模是盡可能的展示更多細(xì)節(jié)增加逼真度；半精模是在不影響模型外觀情況下去除多余點(diǎn)、線、面；簡模是通過犧牲部分細(xì)節(jié)或用貼圖方式代替3D模型細(xì)節(jié)方法來壓縮3D模型的容量；從映射實(shí)現(xiàn)的角度，虛擬空間的3D模型分為靜態(tài)模型與動態(tài)模型，其中動態(tài)模型有分為三種:第一種是整個映射實(shí)現(xiàn)方法提前設(shè)置好，只需一個觸發(fā)信號便完成整個映射的實(shí)現(xiàn)；第二種是一個映射的實(shí)現(xiàn)的每個步驟都需要數(shù)據(jù)的驅(qū)動；第三種，部分映射的實(shí)現(xiàn)是每一個映射的步驟都需要數(shù)據(jù)的驅(qū)動，剩下的映射的實(shí)現(xiàn)提前設(shè)置好，只需一個觸發(fā)信號便完成該3D模型對監(jiān)控對象的映射。
[0008]優(yōu)選地，步驟3)中所述的虛擬空間優(yōu)化方法:基于上述3D模型建立方法中所述實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的映射的逼真性需要，將仿真場景的3D模型分為精模、半精模、簡模；使用一種處理方法處理精模，得出其的半精模與簡模，處理半精模，得出其的簡模；將精模、半精模、簡模分別定義為一級模型、二級模型、三級模型；根據(jù)場景模型的顯示需求，動態(tài)地改變步驟2)場景中3D模型的模型等級。
[0009]優(yōu)選地，步驟2)中所述的得出車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)的原理為:首先建立數(shù)據(jù)隊列，將接收到的數(shù)據(jù)依次裝入隊列，采用先進(jìn)先出的原則提取并解析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)位的監(jiān)測與兩次采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生的變化推導(dǎo)出作出動作的設(shè)備，選出關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為車間系統(tǒng)狀態(tài)的主要依據(jù)，通過一定的數(shù)學(xué)模型處理數(shù)據(jù)得出車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)隊列，將得出的車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)裝入隊列，采用先進(jìn)先出的原則提取車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的映射。
[0010]優(yōu)選地，步驟2)中所述的重構(gòu)發(fā)生動作部分的3D模型狀態(tài)方法為:根據(jù)監(jiān)控對象的動態(tài)特征與應(yīng)用邏輯，分析監(jiān)控對象的系統(tǒng)中的動態(tài)特征，確定監(jiān)控對象靜態(tài)的部分與發(fā)生狀態(tài)變化的部分，編寫腳本實(shí)現(xiàn)只對發(fā)生狀態(tài)變化的部分的3D模型狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu)，保持監(jiān)控對象靜態(tài)的部分原有的狀態(tài)。
[0011]優(yōu)選地，步驟3)中所述的虛擬空間優(yōu)化方法:屏蔽攝像機(jī)的視野外的3D模型，使用渲染主機(jī)將光照信息寫入到場景中所有的物體貼圖上，然后將經(jīng)烘焙后的貼圖再貼回到場景來替代動態(tài)光源，將視野遠(yuǎn)處的場景按照遠(yuǎn)近的差別與視角的不同生成為圖片流，代替視野遠(yuǎn)處3D模型的實(shí)時渲染。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明專注于虛擬空間性能的優(yōu)化，由于作為監(jiān)控對象的汽車總裝生產(chǎn)線的場景比較大，場景中的內(nèi)容比較豐富，提出了將系統(tǒng)中的所有對象按照系統(tǒng)與要素的關(guān)系逐一編號并優(yōu)化車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)使其與模型一一對應(yīng)，又提出了精模、半精模、簡模的概念，并將映射實(shí)現(xiàn)分為前述中的三種，提高實(shí)時映射的效率，改善了虛擬空間仿真系統(tǒng)的性能。
【附圖說明】
[0013]圖1繪示本發(fā)明面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法于實(shí)施例中的流程關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。
[0015]本發(fā)明的一種面向?qū)崟r虛擬監(jiān)控的數(shù)字化車間三維建模方法，通過對數(shù)字化車間3D可視化需求的研究，將通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集到的數(shù)字信息變?yōu)橹庇^的、以圖形圖像形式表示的、隨時間和空間變化的仿真生產(chǎn)過程呈現(xiàn)的技術(shù)手段，包括步驟如下:
1)利用Unity3D物理引擎，參照所監(jiān)控的數(shù)字化車間的場景特點(diǎn)與運(yùn)行特征，在虛擬空間中創(chuàng)建與實(shí)際的數(shù)字化車間所用設(shè)備等相同的3D模型并依據(jù)實(shí)際布局布置，放置適合的燈光與攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)空間的數(shù)字化車間的靜態(tài)映射；
2)在Unity3D開發(fā)環(huán)境中編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息流的接收，結(jié)合數(shù)字化車間的實(shí)際運(yùn)行過程各個工序的具體運(yùn)行流程與車間設(shè)備的運(yùn)行邏輯等，設(shè)計算法處理信息流，處理實(shí)時傳感數(shù)據(jù)信息流得出車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)控對象的動態(tài)特征與車間運(yùn)行邏輯編寫腳本重構(gòu)發(fā)生動作部分的3D模型狀態(tài)，建立對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)的多層次映射，連接數(shù)據(jù)庫記錄數(shù)據(jù)信息流與車間系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；
3)在步驟2)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化車間實(shí)時狀態(tài)映射的基礎(chǔ)上，優(yōu)化虛擬空間3D建模監(jiān)控的性能，創(chuàng)建多任務(wù)窗口，窗口內(nèi)容為二維面板或三維細(xì)節(jié)展示，全方位展示數(shù)字化車間的運(yùn)行情況。
[0016]參照圖1所示，具體表現(xiàn)為:
步驟I)參照所監(jiān)控的數(shù)字化車間的場景特點(diǎn)與運(yùn)行特征，基于3DS MAX等外部集成制作軟件提供的3D模型開發(fā)工具，開發(fā)與數(shù)字化車間所用設(shè)備等相同的3D模型，以數(shù)字化汽車總裝生產(chǎn)線中的汽車摩擦輸送滑板線的3D建模為例，建立數(shù)字化汽車摩擦輸送滑板線中直行軌道部分、升降機(jī)部分、旋轉(zhuǎn)臺部分；再以數(shù)字化汽車摩擦輸送滑板線中直行軌道部分為例，其中包括軌道支架、摩擦驅(qū)動模塊、摩擦驅(qū)動模塊支架、軌道部分、滑板系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等；再以數(shù)字化汽車摩擦輸送滑板線中直行軌道部分的摩擦驅(qū)動模塊為例，其中包括電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、摩擦輪、預(yù)緊機(jī)構(gòu)等；
利用Unity3D物理引擎，參照數(shù)字化車間實(shí)際情境，導(dǎo)入步驟I) 3D模型，并依據(jù)實(shí)際布局布置，然后出于虛擬空間仿真監(jiān)控系統(tǒng)的性能優(yōu)化的需要，根據(jù)監(jiān)控仿真的需要，從仿真場景的角度，基于模型的顯示需求，將虛擬空間中的3D模型分為精模、半精模、簡模，精模是盡可能的展示更多細(xì)節(jié)增加逼真度；半精模是在不影響模型外觀情況下去除多余點(diǎn)、線、面；簡模是通過犧牲部分細(xì)節(jié)或用貼圖方式代替3D模型細(xì)節(jié)等方法來壓縮3D模型的容量；使用一種處理方法處理精模，得出其的半精模與簡模，處理半精模，得出其的簡模。將精模、半精模、簡模分別定義為一級模型、二級模型、三級模型；根據(jù)場景模型的顯示需求，動態(tài)地改變虛擬空間中3D模型的模型等級，再放置適合的燈光與攝像機(jī)，使用渲染主機(jī)將光照信息寫入到場景中所有的物體貼圖上，然后將經(jīng)烘焙后的貼圖再貼回到場景來替代動態(tài)光源，創(chuàng)建出虛擬現(xiàn)實(shí)的靜態(tài)的數(shù)字化車間的仿真場景。
[0017]分析系統(tǒng)中所需要監(jiān)控的動態(tài)特征，將