發布時間：2020-02-28所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:藝術外觀渲染后的三維農機模型特征突出、立體化效果優，為了提高農機市場競爭力，分析了藝術外觀渲染下農機三維建模與模擬情況，實現了依據個性化需求的農機設計。三維建模過程中，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農機模型外觀顏色，采用Op
摘要:藝術外觀渲染后的三維農機模型特征突出、立體化效果優，為了提高農機市場競爭力，分析了藝術外觀渲染下農機三維建模與模擬情況，實現了依據個性化需求的農機設計。三維建模過程中，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農機模型外觀顏色，采用OpenGL創建光源、定義光源與材質屬性，基于小波重構方法壓縮上述渲染文件規模。在藝術外觀渲染下，以農機齒輪三維模型構建為例，結合農機三維建模步驟，構建了農機三維模型。驗證表明:所構建三維農機模型在藝術外觀渲染下特征突出、立體化效果優，模擬播種過程中農機的油耗量僅為9.11L/hm2，最高模擬生產率為0.219hm2/h，是一種節能、高效的三維農機模型。
關鍵詞:農機;三維建模;模擬分析;外觀渲染;小波重構;OpenGL
0引言
三維建模技術的發展為各領域提供一種三維可視化建模方法。利用三維建模技術能夠創建與真實物體結構一致的模擬實體，甚至模擬物體真實運動[1]。應用在地震研究領域，可以模擬出地震板塊運動過程;應用在氣象領域，能夠真實重建降雪、降雨情況，研究天氣變化趨勢。使用三維建模技術模擬實體運動，具有直觀、可視化等優點[2]，因此設計農機時，可應用該技術對農用機械實施三維建模與模擬。
大部分三維農機建模忽視機械外觀渲染，導致農機特征不突出，光線明暗變化效果差。為解決該問題，筆者從藝術外觀渲染角度對農機展開三維建模與模擬分析[3]。農機藝術外觀渲染注重顏色、光線、材質的合理搭配，用高光與陰影體現農機的明暗變化，外觀渲染完成后的三維農機模型真實感較強、立體效果突出。
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本文分析了藝術外觀渲染下農機三維建模與模擬情況，利用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農機模型外觀顏色[4]，增強農機外觀對比度;采用OpenGL創建光源，定義光源與材質屬性，獲取較優的高光、陰影效果[5];渲染后的文件規模較大，基于小波重構方法壓縮上述渲染文件規模，提高渲染效率;最后，以農機齒輪建模過程為例，根據三維建模步驟構建渲染后的三維農機模型，經過模擬驗證，所構建三維農機模型立體化效果優、機械特征顯著。
1基于外觀渲染的農機三維建模與模擬
1.1三維農機模型外觀渲染
采用HSL模型渲染農機三維模型的外觀顏色，通過OpenGL渲染農機模型光照效果。為減小三維渲染數據規模、提高渲染效率，采用小波重構方法壓縮三維渲染文件規模，這樣渲染得到的農機三維模型效果好、渲染效率高。
1.1.1利用HSL模型渲染農機模型外觀顏色
HSL顏色模型渲染三維模型應用頻率較高，如圖1所示。
HSL顏色模型從色相、飽和度及亮度3個通道調節三維模型所需的各種顏色效果，經過疊加操作獲取無數種顏色組合，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域，可在[0，360)之間取值，詳細取值情況用圖2描述。同一個色相與亮度設置下顏色純度可通過飽和度體現，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，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渲染農機模型光照效果
為突出農機三維模型真實感，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定義農機三維模型光照效果，完成農機外觀光照渲染[8]。光源、材質、光照是現實光線的3種構成，定義光源、材質及光照屬性參數，以得到不同光照效果。
1)光源創建與光源屬性定義。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建采用glLightfv()函數實現，以此為前提，通過glEnable函數開啟農機三維模型光源。環境光、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，疊加光分量得到優秀的農機三維模型呈現的光照渲染效果[9]。光源方向對環境光毫無影響，光源方向與發現方向干擾漫反射光的形成，光源、法線、視角三者方向嚴重影響鏡面光的形成[10]。環境光不存在于光源之中，因為{0.0，0.0，0.0，1.0}是環境光初始值。{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。按照農機三維建模的需求，設置不同光源分量數值得到符合要求的光線渲染效果，因為參數取值差異決定光照效果存在差異。
2)農機三維模型材質屬性設置。三維場景光源、農機模型材質相互作用呈現農機模型的顏色效果，農機模型的顏色利用HSL模型設置，在此基礎上選取OpenGL的GL-COLOR-MATERIAL顏色材質模式，完成材質上色。
采用上述顏色模型、光照渲染方法渲染后的農機部件如圖3所示。由圖3可以看出:渲染出的農機部件具有明暗對比顯著、飽和度適中、光線效果接近現實的優點，為構建優質三維農機模型提供了有利條件。
1.1.3基于小波重構的模型渲染文件壓縮
三維模型渲染生成的文件規模較大，嚴重干擾農機模型渲染與輸出速度[11]，需采用小波重構方法壓縮渲染文件與數據，根據實際情況展示農機三維模型。
2仿真測試
2.1有效性分析
為驗證本文三維農機模型的有效性，采用三維農機展開模擬測試。以農用機械中的某類型播種機為例，三維建模得到的播種機三維模型用圖5描述。分析圖5能夠看出:經過外觀渲染后的播種機造型更加立體、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，本文構建的三維播種機模型可靠、有效，美化了播種機外觀。
采用本文三維播種機模擬田間播種活動，得到三維播種機的測試結果，如表1所示。由表1可以看出:構建的三維壟作免耕播種機模型能夠有效完成播種、施肥、開溝等耕種任務，并且合格率均在95%以上;播種深度的合格率最高，達到98.6%。變異系數是描述播種機播種性能的變化幾率，本文三維播種機的變異系數最大為4.2%，最小為2.6%，全部低于5.0%。這說明，本文三維播種機播種性能好、穩定性較強，沒有大幅度性能波動，再次驗證本文三維農機模型的有效性。
2.2渲染效果分析
本文三維農機模型渲染外觀時經歷模型外觀顏色渲染、光源創建與光源屬性定義、三維模型材質屬性設置等步驟，渲染后的三維播種機零件渲染效果如圖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，設置材質屬性后，零件接口的金屬質感較強，入口處光線設置與真實情況吻合，總體呈現的立體化效果好。
2.3播種機性能分析
本測試研究三維播種機模擬播種的性能，引用基于CATIA的三維播種機、基于Pro/E的三維播種機展開對比測試。實驗內容為:模擬播種3行，模擬播種行距為560mm，246kg為其結構質量。記錄模擬播種過程中不同三維播種機模擬播種的前進速度、生產率、刀軸轉速及油耗情況，如表2所示。由表2可知:所設計三維播種機的前進速度最快，達到3.4km/h，基于CATIA的三維播種機與基于Pro/E的三維播種機前進速度均比本文三維播種機低0.2km/h;從生產效率模擬角度而言，本文三維播種機具有優勢，相比基于CATIA的三維播種機高0.4hm2/h，相比基于Pro/E的三維播種機高0.5hm2/h。本文三維播種機的模擬轉速高達3.4r/min，相比另外兩種三維播種機具有優勢。本文三維播種機在上述前進速度、刀軸轉速條件下，油耗量僅為9.11L/hm2，而基于CATIA的三維播種機油耗量為12.33L/hm2，基于Pro/E的三維播種機油耗量為14.21L/hm2。數據表明，本文三維播種機模擬播種時，性能最強，油耗量最少，是一種節能型三維播種機模型。
生產率是評價播種機性能的關鍵指標，為突出本文三維播種機的生產率，在上述實驗環境下，增加實驗次數至5次，進一步測試不同三維播種機的生產率。圖7描述了3種三維播種機模擬耕種的生產率情況。圖7中，本文三維播種機的生產率位于最上方，基于CATIA的三維播種機位居第2，基于Pro/E的三維播種機生產率位于圖像最下方。顯然，本文三維播種機生產率最高。在5次播種模擬過程中，本文三維播種機的模擬生產率總體為上升趨勢，第1次模擬生產率為0.212hm2/h，最后1次模擬生產率最高為0.219hm2/h，模擬播種性能好，進入工作狀態后，生產率直線上升;基于CATIA的三維播種機模擬播種的生產率總體為下降趨勢，第1次模擬生產率為0.18hm2/h，第2次測試中生產率有所下降，第3次生產率提升至0.18hm2/h，之后模擬測試中生產率直線降低至0.153hm2/h;基于Pro/E的三維播種機模擬生產率總體為上升趨勢，但是實驗結束時的播種生產率僅為0.167hm2/h，低于本文三維播種機的最低值。
3結論
1)采用HSL模型從色相、飽和度及亮度3個通道渲染農機模型外觀顏色，增強農機外觀對比度;采用OpenGL創建光源、定義光源與材質屬性，獲取較優的高光、陰影效果。
2)由于渲染后的文件規模較大，基于小波重構方法壓縮了渲染文件規模，大大降低農機外觀渲染用時。
SCISSCIAHCI
