發(fā)布時間：2020-02-28所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:藝術(shù)外觀渲染后的三維農(nóng)機(jī)模型特征突出、立體化效果優(yōu)，為了提高農(nóng)機(jī)市場競爭力，分析了藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模與模擬情況，實現(xiàn)了依據(jù)個性化需求的農(nóng)機(jī)設(shè)計。三維建模過程中，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色，采用Op
摘要:藝術(shù)外觀渲染后的三維農(nóng)機(jī)模型特征突出、立體化效果優(yōu)，為了提高農(nóng)機(jī)市場競爭力，分析了藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模與模擬情況，實現(xiàn)了依據(jù)個性化需求的農(nóng)機(jī)設(shè)計。三維建模過程中，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色，采用OpenGL創(chuàng)建光源、定義光源與材質(zhì)屬性，基于小波重構(gòu)方法壓縮上述渲染文件規(guī)模。在藝術(shù)外觀渲染下，以農(nóng)機(jī)齒輪三維模型構(gòu)建為例，結(jié)合農(nóng)機(jī)三維建模步驟，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)三維模型。驗證表明:所構(gòu)建三維農(nóng)機(jī)模型在藝術(shù)外觀渲染下特征突出、立體化效果優(yōu)，模擬播種過程中農(nóng)機(jī)的油耗量僅為9.11L/hm2，最高模擬生產(chǎn)率為0.219hm2/h，是一種節(jié)能、高效的三維農(nóng)機(jī)模型。
關(guān)鍵詞:農(nóng)機(jī);三維建模;模擬分析;外觀渲染;小波重構(gòu);OpenGL
0引言
三維建模技術(shù)的發(fā)展為各領(lǐng)域提供一種三維可視化建模方法。利用三維建模技術(shù)能夠創(chuàng)建與真實物體結(jié)構(gòu)一致的模擬實體，甚至模擬物體真實運動[1]。應(yīng)用在地震研究領(lǐng)域，可以模擬出地震板塊運動過程;應(yīng)用在氣象領(lǐng)域，能夠真實重建降雪、降雨情況，研究天氣變化趨勢。使用三維建模技術(shù)模擬實體運動，具有直觀、可視化等優(yōu)點[2]，因此設(shè)計農(nóng)機(jī)時，可應(yīng)用該技術(shù)對農(nóng)用機(jī)械實施三維建模與模擬。
大部分三維農(nóng)機(jī)建模忽視機(jī)械外觀渲染，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)特征不突出，光線明暗變化效果差。為解決該問題，筆者從藝術(shù)外觀渲染角度對農(nóng)機(jī)展開三維建模與模擬分析[3]。農(nóng)機(jī)藝術(shù)外觀渲染注重顏色、光線、材質(zhì)的合理搭配，用高光與陰影體現(xiàn)農(nóng)機(jī)的明暗變化，外觀渲染完成后的三維農(nóng)機(jī)模型真實感較強(qiáng)、立體效果突出。
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本文分析了藝術(shù)外觀渲染下農(nóng)機(jī)三維建模與模擬情況，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色[4]，增強(qiáng)農(nóng)機(jī)外觀對比度;采用OpenGL創(chuàng)建光源，定義光源與材質(zhì)屬性，獲取較優(yōu)的高光、陰影效果[5];渲染后的文件規(guī)模較大，基于小波重構(gòu)方法壓縮上述渲染文件規(guī)模，提高渲染效率;最后，以農(nóng)機(jī)齒輪建模過程為例，根據(jù)三維建模步驟構(gòu)建渲染后的三維農(nóng)機(jī)模型，經(jīng)過模擬驗證，所構(gòu)建三維農(nóng)機(jī)模型立體化效果優(yōu)、機(jī)械特征顯著。
1基于外觀渲染的農(nóng)機(jī)三維建模與模擬
1.1三維農(nóng)機(jī)模型外觀渲染
采用HSL模型渲染農(nóng)機(jī)三維模型的外觀顏色，通過OpenGL渲染農(nóng)機(jī)模型光照效果。為減小三維渲染數(shù)據(jù)規(guī)模、提高渲染效率，采用小波重構(gòu)方法壓縮三維渲染文件規(guī)模，這樣渲染得到的農(nóng)機(jī)三維模型效果好、渲染效率高。
1.1.1利用HSL模型渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色
HSL顏色模型渲染三維模型應(yīng)用頻率較高，如圖1所示。
HSL顏色模型從色相、飽和度及亮度3個通道調(diào)節(jié)三維模型所需的各種顏色效果，經(jīng)過疊加操作獲取無數(shù)種顏色組合，3種顏色變量分別用H、S、L表示。色相是肉眼可觀察到的顏色區(qū)域，可在[0，360)之間取值，詳細(xì)取值情況用圖2描述。同一個色相與亮度設(shè)置下顏色純度可通過飽和度體現(xiàn)，顏色的飽和度用s分量表示，在[0，1]之間取值，三維模型的顏色艷麗表明飽和度數(shù)值較高[6]。顏色的亮度用l分量表示，可在[0，1]之間取值，三維模型的明暗變化可通過亮度完整展現(xiàn)，模型顏色與白色相近說明亮度值高[7]，模型顏色與黑色相近說明亮度值低。
1.1.2采用OpenGL渲染農(nóng)機(jī)模型光照效果
為突出農(nóng)機(jī)三維模型真實感，添加光照效果，光照渲染可突出三維模型不同層次、不同明暗程度變化效果。采用OpenGL定義農(nóng)機(jī)三維模型光照效果，完成農(nóng)機(jī)外觀光照渲染[8]。光源、材質(zhì)、光照是現(xiàn)實光線的3種構(gòu)成，定義光源、材質(zhì)及光照屬性參數(shù)，以得到不同光照效果。
1)光源創(chuàng)建與光源屬性定義。顏色、位置和方向是光源三大屬性，采用OpenGL定義光照效果過程中，光源屬性定義與光源創(chuàng)建采用glLightfv()函數(shù)實現(xiàn)，以此為前提，通過glEnable函數(shù)開啟農(nóng)機(jī)三維模型光源。環(huán)境光、漫反射光和鏡面光是OpenGL光源渲染的三大類別，以3種光分量為前提，疊加光分量得到優(yōu)秀的農(nóng)機(jī)三維模型呈現(xiàn)的光照渲染效果[9]。光源方向?qū)Νh(huán)境光毫無影響，光源方向與發(fā)現(xiàn)方向干擾漫反射光的形成，光源、法線、視角三者方向嚴(yán)重影響鏡面光的形成[10]。環(huán)境光不存在于光源之中，因為{0.0，0.0，0.0，1.0}是環(huán)境光初始值。{1.0，1.0，1.0，1.0}是漫反射光初始值，呈亮白色，光源顏色在很大程度上決定漫反射光的顏色。按照農(nóng)機(jī)三維建模的需求，設(shè)置不同光源分量數(shù)值得到符合要求的光線渲染效果，因為參數(shù)取值差異決定光照效果存在差異。
2)農(nóng)機(jī)三維模型材質(zhì)屬性設(shè)置。三維場景光源、農(nóng)機(jī)模型材質(zhì)相互作用呈現(xiàn)農(nóng)機(jī)模型的顏色效果，農(nóng)機(jī)模型的顏色利用HSL模型設(shè)置，在此基礎(chǔ)上選取OpenGL的GL-COLOR-MATERIAL顏色材質(zhì)模式，完成材質(zhì)上色。
采用上述顏色模型、光照渲染方法渲染后的農(nóng)機(jī)部件如圖3所示。由圖3可以看出:渲染出的農(nóng)機(jī)部件具有明暗對比顯著、飽和度適中、光線效果接近現(xiàn)實的優(yōu)點，為構(gòu)建優(yōu)質(zhì)三維農(nóng)機(jī)模型提供了有利條件。
1.1.3基于小波重構(gòu)的模型渲染文件壓縮
三維模型渲染生成的文件規(guī)模較大，嚴(yán)重干擾農(nóng)機(jī)模型渲染與輸出速度[11]，需采用小波重構(gòu)方法壓縮渲染文件與數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況展示農(nóng)機(jī)三維模型。
2仿真測試
2.1有效性分析
為驗證本文三維農(nóng)機(jī)模型的有效性，采用三維農(nóng)機(jī)展開模擬測試。以農(nóng)用機(jī)械中的某類型播種機(jī)為例，三維建模得到的播種機(jī)三維模型用圖5描述。分析圖5能夠看出:經(jīng)過外觀渲染后的播種機(jī)造型更加立體、生動。從顏色渲染角度而言，明亮變化清晰、顏色對比顯著;從光線渲染角度而言，三維播種機(jī)光線照射部分與背光部分存在明顯差異，與實際光線照射情況一致。因此，本文構(gòu)建的三維播種機(jī)模型可靠、有效，美化了播種機(jī)外觀。
采用本文三維播種機(jī)模擬田間播種活動，得到三維播種機(jī)的測試結(jié)果，如表1所示。由表1可以看出:構(gòu)建的三維壟作免耕播種機(jī)模型能夠有效完成播種、施肥、開溝等耕種任務(wù)，并且合格率均在95%以上;播種深度的合格率最高，達(dá)到98.6%。變異系數(shù)是描述播種機(jī)播種性能的變化幾率，本文三維播種機(jī)的變異系數(shù)最大為4.2%，最小為2.6%，全部低于5.0%。這說明，本文三維播種機(jī)播種性能好、穩(wěn)定性較強(qiáng)，沒有大幅度性能波動，再次驗證本文三維農(nóng)機(jī)模型的有效性。
2.2渲染效果分析
本文三維農(nóng)機(jī)模型渲染外觀時經(jīng)歷模型外觀顏色渲染、光源創(chuàng)建與光源屬性定義、三維模型材質(zhì)屬性設(shè)置等步驟，渲染后的三維播種機(jī)零件渲染效果如圖6所示。分析圖6(a)中齒輪渲染效果，通過顏色明暗變化能夠準(zhǔn)確描述齒輪特征，每個齒輪中齒牙顏色變化顯著，光線渲染后完整體現(xiàn)出齒輪高光部分，三維效果好。分析圖6(b)中零件接口渲染效果，設(shè)置材質(zhì)屬性后，零件接口的金屬質(zhì)感較強(qiáng)，入口處光線設(shè)置與真實情況吻合，總體呈現(xiàn)的立體化效果好。
2.3播種機(jī)性能分析
本測試研究三維播種機(jī)模擬播種的性能，引用基于CATIA的三維播種機(jī)、基于Pro/E的三維播種機(jī)展開對比測試。實驗內(nèi)容為:模擬播種3行，模擬播種行距為560mm，246kg為其結(jié)構(gòu)質(zhì)量。記錄模擬播種過程中不同三維播種機(jī)模擬播種的前進(jìn)速度、生產(chǎn)率、刀軸轉(zhuǎn)速及油耗情況，如表2所示。由表2可知:所設(shè)計三維播種機(jī)的前進(jìn)速度最快，達(dá)到3.4km/h，基于CATIA的三維播種機(jī)與基于Pro/E的三維播種機(jī)前進(jìn)速度均比本文三維播種機(jī)低0.2km/h;從生產(chǎn)效率模擬角度而言，本文三維播種機(jī)具有優(yōu)勢，相比基于CATIA的三維播種機(jī)高0.4hm2/h，相比基于Pro/E的三維播種機(jī)高0.5hm2/h。本文三維播種機(jī)的模擬轉(zhuǎn)速高達(dá)3.4r/min，相比另外兩種三維播種機(jī)具有優(yōu)勢。本文三維播種機(jī)在上述前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速條件下，油耗量僅為9.11L/hm2，而基于CATIA的三維播種機(jī)油耗量為12.33L/hm2，基于Pro/E的三維播種機(jī)油耗量為14.21L/hm2。數(shù)據(jù)表明，本文三維播種機(jī)模擬播種時，性能最強(qiáng)，油耗量最少，是一種節(jié)能型三維播種機(jī)模型。
生產(chǎn)率是評價播種機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，為突出本文三維播種機(jī)的生產(chǎn)率，在上述實驗環(huán)境下，增加實驗次數(shù)至5次，進(jìn)一步測試不同三維播種機(jī)的生產(chǎn)率。圖7描述了3種三維播種機(jī)模擬耕種的生產(chǎn)率情況。圖7中，本文三維播種機(jī)的生產(chǎn)率位于最上方，基于CATIA的三維播種機(jī)位居第2，基于Pro/E的三維播種機(jī)生產(chǎn)率位于圖像最下方。顯然，本文三維播種機(jī)生產(chǎn)率最高。在5次播種模擬過程中，本文三維播種機(jī)的模擬生產(chǎn)率總體為上升趨勢，第1次模擬生產(chǎn)率為0.212hm2/h，最后1次模擬生產(chǎn)率最高為0.219hm2/h，模擬播種性能好，進(jìn)入工作狀態(tài)后，生產(chǎn)率直線上升;基于CATIA的三維播種機(jī)模擬播種的生產(chǎn)率總體為下降趨勢，第1次模擬生產(chǎn)率為0.18hm2/h，第2次測試中生產(chǎn)率有所下降，第3次生產(chǎn)率提升至0.18hm2/h，之后模擬測試中生產(chǎn)率直線降低至0.153hm2/h;基于Pro/E的三維播種機(jī)模擬生產(chǎn)率總體為上升趨勢，但是實驗結(jié)束時的播種生產(chǎn)率僅為0.167hm2/h，低于本文三維播種機(jī)的最低值。
3結(jié)論
1)采用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農(nóng)機(jī)模型外觀顏色，增強(qiáng)農(nóng)機(jī)外觀對比度;采用OpenGL創(chuàng)建光源、定義光源與材質(zhì)屬性，獲取較優(yōu)的高光、陰影效果。
2)由于渲染后的文件規(guī)模較大，基于小波重構(gòu)方法壓縮了渲染文件規(guī)模，大大降低農(nóng)機(jī)外觀渲染用時。
