基于Flash和3D动画渲染技术的育苗机器人设计

叶凤华，叶 欢

(1.广东工业大学，广州 510090；2.广州美术学院，广州 510260)

0 引言

随着3D动画渲染技术的革新和市场需求的逐渐扩大，3D动画渲染技术被广泛的应用在许多领域，包括工业、农业、建筑业、化工和医疗等行业，因此更多的研究人员投入到了3D引擎技术的开发上，特别是Flash三维引擎技术。由于技术瓶颈，Flash和3D引擎技术在农机设计中的使用还较少，而采用该技术可以将真实的农机作业场景通过数字化处理后，利用计算机终端，使设计者将农机置身于真实的作业场景中，实现农机和作业场景的交互功能，对于农机的硬件改善和创新设计具有重要的意义。基于现代化农机的需求性和功能性分析，将Flash和3D引擎技术引入到农机数字化系统中，将会有效地提高设计的动态效果，从而提高农机设计的可视化水平。

1 基于Flash三维引擎的农机可视化技术

在农机3D场景的渲染过程中，一般而言，一个3D场景会包含多个几何单元，每个几何单元都是由真实图像通过离散提取出来的关键点，这些关键点可以由三角形组成，每个三角形由3个顶点组成。因此，在进行渲染时，一般需要定义一些顶点的集合，通过这些顶点来定义相关的场景信息，如贴图或顶点颜色，从而完成场景的渲染过程，如图1所示。

图1 三维场景渲染示意图Fig.1 Sketch diagram of 3D scene rendering

三维引擎的开发非常复杂，因为三维引擎系统的组成模块较多，包括各种渲染器、界面操作和输入输出文件管理系统等；另外，还有很多辅助性的工具箱，如脚本和场景编辑器等，这也需要大量的程序开发人员来设计。API是三维引擎设计和开发的主要技术支持，对三维引擎技术的研究主要是为了使程序开发设计人员以最短的时间设计出高效引擎系统，从而减少系统开发的开支。

图 2为农机三维引擎的层次结构。该结构基于Flash界面模块，将逻辑类型和管理输入封装为农机三维引擎类库，具有精灵、场景和摄像等功能，通过资源的管理，实现农机三维场景的渲染。

图2 三维引擎层次结构Fig.2 Three-dimensional engine hierarchy

2 基于小波重构的3D场景渲染

(1)

而离散化小波变换系数则可表示为

(2)

其重构公式为

(3)

其中，C是一个与信号无关的常数。假设一个二维信号f(x1,x2)，x1,x2表示信号在空间内的横坐标和纵坐标，基本小波函数为ψ(x1,x2)，若ψ(x1,x2)=φ(x1)·φ(x2)。则可以令ψ(x1)是与φ(x1)对应的一维小波函数，于是可以将二维小波函数分离成3个正交小波基函数，即

ψ1(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(4)

ψ2(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(5)

ψ3(x1,x2)=φ(x1)φ(x2)

(6)

三维小波重构的方法也以此类推，利用一次小波变换可以将图像分解成一个低频子带LL和3个高频子带。其中，高通水平和低通垂直子带用HL表示，低通水平和高通垂直子带用用LH表示，高通水平和高通垂直子带用HH表示。通过一次小波变换后，分辨率变成原来的一半，频率范围也减半。在进行第二次小波变换时，只对低频子带进行变换，将其分解成LL1、LH1、HL1和HH1，通过第2次小波变换后，其分辨率变为原来的1/4，频率范围进一步减半，以此类推。所以，通过一次小波变换可以得到4个子带，通过M次分解可以得到3M+1个子带，如图3所示。

图3 图像的三级小波分解图Fig.3 Three level wavelet decomposition of image

根据小波算法的特点，结合系统的需求和功能，设计了系统的开发流程，最主要的是利用模型和材质建立虚拟仿真模型，然后使用Flash3D引擎，对虚拟系统进行集成开发，其流程如图4所示。

图4 农机在线虚拟渲染流程Fig.4 Online virtual rendering process of farm machinery

首先是场景的拍照，这是作业场景环境渲染的基础；然后，通过图像处理提取环境图像的关键信息，利用关键信息进行3D建模操作。在3D建模过程中可以借助Flash提供的3D引擎，利用其资料库中的材质，并使用压缩技术，提高在线渲染的设计效率，通过在线设计渲染可以输出农机的作业情节，从而为交换式的设计提供参考。

3 基于Flash和3D技术的玉米育苗机器人作业场景渲染

为了使3D渲染场景更加接近于现实场景，在真实的玉米育苗农田环境下，对作业场景进行了图像采集，通过图像的离散化和图像的重构技术，对真实环境进行虚拟化渲染，以达到逼真的效果，实现交互式设计。

图5为农田育苗作业场景的3D图像采集示意图。利用高清摄像头对玉米图像进行采集后，使用机器人上搭载的笔记本电脑对图像进行实时的处理，通过图像离散化得到了如图6所示的处理结果。

图5 农田作业场景3D图像采集Fig.5 The 3D image acquisition of farmland operation scene

图6 农作物图像离散化Fig.6 Crop image discretizati

根据图像的色彩可以将图像离散成许多微小单元，这些单元可以进行修改，从而实现图像的重构，达到环境和农机交换性的设计效果。通过作物三维重构得到了如图7所示的作物渲染效果图。

图7 农作物图像渲染效果Fig.7 Crop image rendering effect

利用Flash和3D技术对图像进行重构后得到的3D渲染效果，将作物至于更大的三维空间内，可以实现农机的三维作业场景渲染，通过渲染得到了如图8所示的三维渲染效果。

图8 育苗机器人作业场景渲染Fig.8 Working scene rendering of seedling robot

由图8可以看出：利用渲染效果可以虚拟育苗机器人的作业场景，实现设计和产品仿真的交互性效果。3D系统的渲染需要较大的计算开支，而利用小波重构和Flash软件压缩算法可以有效的降低计算开支，利用程序设计可以实现对渲染场景材质的控制和共享操作。

由表1数据可知：利用小波重构技术，以Flash格式存储材质文件，实现了3D场景大文件的压缩，但3D场景的效果并不受影响，从而加快3D动画场景渲染的解析速度，实现了3D资源材质的优化配置。

4 结论

为了提高农机现代化设计的可视化水平，引入了Flash和3D渲染技术，通过3D引擎实现了农机产品作业场景的三维渲染。使用Flash和小波重构方法，在基本不影响效果的情况下，实现了极大程度的压缩，从而使农机3D可视化渲染过程的计算开支更少，保证了系统的流畅性。最后，以育苗机器人为例，展示了农机设计的可视化渲染过程，说明3D动画渲染技术在农机产品可视化设计中应用具有可行性。利用直观、逼真的农机设计交互方式，会大大提高农机产品设计过程的信息含量，从而提高现代化农机设计的水平。

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