基于OpenGL的设备安装仿真

摘要:根据RH精炼炉设备安装过程所出现的问题(如无法预演、对问题估计不够等),该文将虚拟现实技术和设备安装相结合,用3ds max对设备进行建模,用OpenGL和3ds max相结合的方法实现了设备安装过程的仿真。对实际的生产具有很好的指导意义。

关键词:虚拟现实;RH真空处理;RH精炼炉;3ds max;OpenGL

中图分类号:TP37文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)16-4493-02

Study of the Installation of Equipment Simulation Based on OpenGL

LAI Bing-heng, LI Chang-hua, GENG Ye

(Xi'an Univ. of Archi. & Techn. The Information and Control Engineering School, Xi'an 710055, China)

Abstract: According to the problem which appears in the process of setting up RH refining furnace equipment (for example, unable to preview, estimating the problem insufficiently and so on), this article combines the virtual reality technology and the equipment setting up together, carries on the modeling with 3ds max to the equipment, unifies the method with OpenGL and 3ds max to realize the simulation of equipment setup processing. This method has good guiding sense to the actual production.

Key words: virtual reality; RH vacuum processing; RH refining furnace; 3ds max; openGL

RH真空精炼的主要任务是脱气,并通过钢水循环使得非金属夹杂物上浮、均匀钢水成分和温度,同时通过物料添加系统使其具有脱氧、脱碳、脱硫、脱磷、成分微调等多项冶金功能。RH工艺是与十九世纪以来迅猛发展的炼钢技术(特别是转炉炼钢)密切相关的一种二次冶金技术,是炉外精炼法中的一种,它是1957年由原西德鲁尔(Ruhrstahl)和海拉斯(Heraeus)钢厂联合研制的真空循环脱气精炼法,取两公司名称的首字母简称而来[1]。

分析RH真空处理精炼炉设备安装中存在的实际问题,如:施工过程只能边施工边对施工中出现的问题进行解决;对施工中可能出现的问题估计不够;对施工过程无法预演,因此无法实现对设备安装的指导作用。在此基础上,通过使用现在计算机业发展非常迅速的虚拟现实技术和设备安装相结合,实现在虚拟环境中对设备安装进行预演,以发现生产中可能出现的问题和过去无法遇见的问题,来解决实际的设备安装过程所出现的问题。使实际安装能够更加的有效、快捷、降低风险等作用。

1 虚拟现实环境下的设备安装

设备在虚拟环境下进行安装,将验证施工的可行性,并对在虚拟环境下出现的问题进行解决,并通过可视化来实现设备安装过程。

1.1 虚拟现实环境

虚拟现实环境必须有特定的硬件、软件的做支持。在设备进行安装的过程中,各个安装部件将看成一个个的部件,一般来说,我们所看到的设备部件都是一个静止的物体,只能反映出它的结构、几何尺寸和各部分的相对位置,然而我们可以通过3ds max和OpenGL结合,来实现设备安装的动态仿真过程。

1.2 设备建模

静态建模就是把物体的几何模型通过计算机表示出来。它其实是一种研究在计算机中,来表示物体模型几何形状的技术。在静态建模中,描述物体的三维模型分为三种形式,即线框模型、表面模型以及实体模型。本文则将通过分析OpenGL的表面模型和3ds max的实体模型二者的基础上,来实现设备的静态模型。

2 设备安装的过程模拟

2.1 OpenGL的工作流程

OpenGL最初是SGI公司为其图形工作站开发的可以独立于窗口操作系统和硬件环境的图形开发环境,是一个与硬件图形发生器的软件接口,它包括了100多个图形操作函数,开发者可以利用这些函数来构造景物模型。

2.2 OpenGL中的图形显示

在CAD系统中建立了虚拟零件的模型,必须要在虚拟现实环境中显示出来,才能进行虚拟装配,而在虚拟现实环境中进行实体造型的关键问题也就是虚拟模型的表示。在OpenGL中则采用多边形网格模型,即用三角面逼近它所表示的物体,这种模型的显示速度快,而且便于虚拟环境的场景显示。OpenGL中的三维图形的生成和表示如图1所示。

2.3 OpenGL的双缓存技术[3]

OpenGL采用双缓冲技术来生成动画。在OpenGL中实现多媒体动画的原理与电影的放映很类似,就是利用了双缓存技术,具体的说就是在屏幕上实现绘制图像前,OpenGL先分配了两个颜色缓冲区用以存放绘制的图形,当显示连续的动画时,在一个缓存区中执行绘制命令的同时,在另一个缓存区中进行图形显示。计算机用双缓存技术实现动画的步骤如下:1)设置OpenGL窗口显示属性值为双缓存机制;2)使用OpenGL绘图命令进行绘图;3)绘图结束后进行缓存切换;4)使用计时器以达到控制动画刷新率的目的。OpenGL实现缓存切换的函数为BOOLSwapBuffer(HDC hdc);该函数用以实现前后缓存的切换函数中的参数hdc为定义设备的场景,只有在此设备场景定义的当前像素格式具有后缓存区时才有效,否则不会产生任何影响。

3 设备模拟安装过程的实现

3.1 设备模型建模

OpenGL没有提供用以实现三维物体模型的高级函数。因此,在OpenGL中只能使用几种基本的几何图元(点、直线、多边形)来构建所需的模型。根据OpenGL建模的特点,采用3ds max来实现设备模型的建模。具体的实现如图2所示。

3.2 动态仿真的实现

对于OpenGL这样一个非常优秀的三维图形接口而言,在在实际应用中,由于他没有提供复杂物体的三维模型的高级命令,在建模过程中,往往只能通过基本的几何图元来构建三维物体,因此考虑用其它的建模工具以达到高效建模的目的。而对于在建模方面有优势的3ds max,其建立复杂模型显得非常轻松,但用3ds max来制作出的动画没有我们需要的交互性和实时控制性,而对于动画来说OpenGL则有它的优势所在。因此,本文将二者的优点相结合,来实现设备的安装过程可视化仿真[4-5]。

3.2.1 建立三维实体模型

三维实体模型是整个图形学的基础,因此对于生成高逼真度的图像而言,首先则是要生成高质量的三维实体模型,针对目前的需要,采用常见的三维构造软件3ds max来完成造型的工作。几何建模与仿真系统的关系如图3所示。

3.2.2 外部三维模型的读取[6]

要想绘制三维实体,首先是将预先生成的三维实体模型从三维实体模型库中读取出来。模型数据是以某种通用的图形格式进行存储的。目前来说,通过3ds max构建的三维实体模型能够转化为被OpenGL所能读取的模型数据的方法有两种。一种是通过OpenGL直接转化。另一种是使用工具转换3DS模型为OpenGL源文件。本文使用第二种方式将三维图形文件导入到OpenGL中,本文使用View3DS.exe这一工具来将3DS文件转换成OpenGL文件。将3DS文件直接拖入到View3DS上,将弹出一个窗口,窗口中显示出需要转换的3DS模型。单击窗口中单击鼠标左键,在弹出的菜单中选择[E]菜单项,则在当前目录中就生成了三维模型的OpenGL文件,其中包括模型的同名的两个文件(即.h和.gl文件)。其中,在1.h文件中生成了一个GL3DS_initialize_1()的函数。

3.2.3 用OpenGL的控制函数实现模型的动态显示

在3DS文件中,对于三维实体的描述采用的方法是三角形面片逼近法,在OpenGL中,提供了绘制三角形面片的方法,所以,在三维实体的绘制上提供了方便。为了提高三维实时动画的显示速度,根据OpenGL中的显示列表功能,将三维场景分别定义在单独的显示列表中,从而能够预先生成图形显示,只需要调用所需的现实列表,而不需要进行浮点运算来确定实体坐标[7]。

本文在分析OpenGL和3ds max的基础上,将二者优点结合,使用3ds max对设备进行静态建模,随后使用模型转换工具view3ds使模型导入到OpenGL中,将各静态模型存储在显示列表中并对其进行调用,来实现RH精炼炉的设备安装过程仿真。为了使模型进行调用,设置一个数组型参数,来存储显示列表,用参数j来进行调用控制所需要的显示列表。设备安装显示结果如图4所示。

4 结束语

根据RH精炼炉设备安装过程所出现的问题,本文将虚拟现实技术和设备安装相结合,用3ds max对设备进行建模,用OpenGL和3ds max相结合的方法实现了设备安装过程的仿真。取得了较好的效果,为进一步深入研究打下基础。

参考文献:

[1] 张春霞,刘浏,杜挺.RH-KTB及其RH真空精炼方法[J].炼钢,1996,12(1):53-59.

[2] Angel E.OpenGL程序设计指南[M].北京: 清华大学出版社,2006.

[3] 贺再红,杨鼎强.基于OpenGL双缓存的多媒体动画实现[J].计算技术与自动化,2001,1(20):34-38.

[4] 杨东梅,朱胜缘,路伟成.OpenGL与3DStudio MAX结合实现三维仿真[J].应用科技,2004,31(2): 33-35.

[5] 吴昊,刘建业,赵伟,等.基于VC和OpenGL的导航仿真系统三维物体建模的实现[J].航空电子技术,2004(2):42-45.

[6] 陆品,石守东,朱根兴.应用OpenGL的仿真动画实现和模型建立[J].机电工程,2002,19(4):1-3.

[7] 和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发与实用技术:实用技术篇[M].清华大学出版社,2003.8.