技术领域
[0001] 本
发明涉及虚拟维修技术领域，尤其涉及一种基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法。
背景技术
[0002] WebGL(Web Graphics Library，web图形库)技术是跨平台、免费的底层的3D绘图API的Web标准，WebGL是将JavaScript和OpenGLES2.0结合在一起而形成的基于OpenGL的网页绘图标准，WebGL最大的便利点是免去了为浏览器安装外部
插件的麻烦，可以直接在网页端
渲染三维模型和动画效果，在网页端快速加载并渲染出高品质的三维模型，以及渲染出具有真实感较强的三维模型动画运动效果。
[0003] 虚拟维修技术起源于航空器等复杂大型设备的设计和维修工程领域，其研究目的在于设备的维修性设计分析和验证评估，同时也是设备的维修保障分析的工具，广泛应用于航天、航空、电
力、石化等行业的装备制造、运维保障和维修训练方面，虚拟维修的核心机理是以
计算机图形学为
基础的数字样机技术，利用
虚拟显示技术对设备的设计、制造、装配、使用、维护与
回收利用等各种属性进行分析与设计，在
虚拟环境中逼真地分析与显示设备的全部特征，以替代或精简物理样机。
[0004] 传统的虚拟维修技术主要基于国外大型的人机工程仿真
软件实现，例如：达索DELMIA、西
门子JACK，用户群也是专业的装备设计制造人员，然而面向工厂运营方技术工人，便捷化、轻量化的三维虚拟维修仿真方法及软件系统还相对缺乏，随着工业4.0和我国智能制造2025战略规划的施行，数字化应用势必普及到工厂车间一级的
基层单位，因此，为了提高虚拟维修技术的普及率和针对各行业的适应性，采用新的技术手段实现虚拟检修技术的深化应用是具有广泛现实意义和巨大经济价值的。
发明内容
[0005] 针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法，通过WebGL场景元数据定义、维修对象装配/分解配置、维修流程动画定义与组态配置、维修工器具以及维修现场布置配置、多媒体文件素材与三维对象关联配置、三维虚拟维修场景与设备维修规程文件关联配置，最后输出成基于WebGL三维引擎的虚拟维修作业包文件，通过
可视化的组态配置方法，用户无需编程技术基础便可掌握三维虚拟维修场景的编制与学习。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法，包括：将三维模型导入三维引擎；对基于WebGL的三维场景进行元数据定义；将所述三维场景中的维修对象进行装配/分解配置；对所述维修对象建立维修流程动画定义与组态配置；将维修工器具与维修现场环境布置配置于所述三维场景中；将多媒体文件素材与对应的所述维修对象进行关联配置；将所述三维场景与对应的设备维修规程文件进行关联配置；将所配置的三维虚拟维修组态配置数据和设备维修规程形成虚拟维修作业包文件并输出。
[0007] 在上述技术方案中，优选地，导入所述三维引擎的所述三维模型为经过轻量化处理后的数据格式，并经过
三维网格和纹理材质的分离处理，仅保留所述三维模型的几何结构和拓扑关系。
[0008] 在上述技术方案中，优选地，所述三维场景的元数据定义包括对所述三维场景的环境贴图、环境光照、曝光强度、背景色、相机
位置、三维物体坐标、材质贴图及三维物体初始装配结构进行定义。
[0009] 在上述技术方案中，优选地，所述装配/分解配置是针对所述维修对象拖拽
指定起止位置和运动位移轨迹以实现装配/分解过程。
[0010] 在上述技术方案中，优选地，所述对所述维修对象建立维修流程动画定义与组态配置具体包括：对所述维修对象建立工序关系约束树，根据所述工序关系约束树以动作组和动作的方式组合配置成所述维修流程动画，所述动作组为一系列动作序列的组合，所述动作包括移动、旋转、高亮、显示隐藏、视
角控制、透明度、延迟和标签。
[0011] 在上述技术方案中，优选地，所述将维修工器具与维修现场环境布置配置于所述三维场景中具体包括：采用动态二次渲染所述三维场景的方法将所述维修工器具和维修现场环境嵌套于所述三维场景中，并通过参数定义指定所述维修工器具的位置和相机视角。
[0012] 在上述技术方案中，优选地，所述将多媒体文件素材与对应的所述维修对象进行关联配置具体包括：对设置多媒体资源挂接属性的场景介质挂接相关的多媒体文件，并以HUD展现方式加载所述多媒体文件。
[0013] 在上述技术方案中，优选地，所述将所述三维场景与对应的设备维修规程文件进行关联配置具体包括：将所述设备维修规程文件的内容与所述三维场景和动画进行一对一的挂接，使得在所述设备维修规程文件被触发时加载所述维修流程动画。
[0014] 与
现有技术相比，本发明的有益效果为：首先，通过WebGL技术实现了在轻量化三维引擎平台下的三维场景组态配置工作，且整个组态过程均采用
所见即所得的可视化配置方式，其次，将设备的装配体真实结构与虚拟维修的工艺
质量要求相结合，更加贴近实际的设备维修过程，融合了多媒体资源、三维模型和检修规程多种数据资源的
人机交互模式，能达到更好的维修训练和仿真推演的效果，最后，降低了虚拟维修应用对编程技术和计算机图形学等底层技术的依赖，使得虚拟维修技术更容易以在广大基层单位和各个行业领域内推广普及。
附图说明
[0015] 图1为本发明一种
实施例公开的基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法的流程示意图；
[0016] 图2为本发明一种实施例公开的基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法的虚拟维修执行逻辑图。
具体实施方式
[0017] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0019] 如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于WebGL的三维虚拟维修场景组态配置方法，包括：将三维模型导入三维引擎；对基于WebGL的三维场景进行元数据定义；将三维场景中的维修对象进行装配/分解配置；对维修对象建立维修流程动画定义与组态配置；将维修工器具与维修现场环境布置配置于三维场景中；将多媒体文件素材与对应的维修对象进行关联配置；将三维场景与对应的设备维修规程文件进行关联配置；将所配置的三维虚拟维修组态配置数据和设备维修规程形成虚拟维修作业包文件并输出。
[0020] 在该实施例中，通过在虚拟空间中建立与真实环境同步的维修环境，对设备、工器具、维修环境进行虚拟展示，维修人员犹如置身于现实中。根据维修规程，将维修规程的技术标准和行业规范以多媒体文件、可视化操作等形式进行演示、交互，取代传统维修培训及演练模式，提供一种在三维场景中组态配置维修过程的方法，构建详细的设备结构、维修过程、装配与分解过程等，模拟维修现场画面，为组织维修实施方案、维修效果评价、维修技术培训等提供辅助平台。
[0021] 首先，通过WebGL技术实现了在轻量化三维引擎平台下的三维场景组态配置工作，且整个组态过程均采用所见即所得的可视化配置方式，其次，将设备的装配体真实结构与虚拟维修的工艺质量要求相结合，更加贴近实际的设备维修过程，融合了多媒体资源、三维模型和检修规程多种数据资源的人机交互模式，能达到更好的维修训练和仿真推演的效果，最后，降低了虚拟维修应用对编程技术和计算机图形学等底层技术的依赖，使得虚拟维修技术更容易以在广大基层单位和各个行业领域内推广普及。
[0022] 在上述实施例中，优选地，导入三维引擎的三维模型为经过轻量化处理后的数据格式，并经过Mesh(三维网格)和纹理材质的分离处理，仅保留三维模型的几何结构和拓扑关系，使得在WebGL三维引擎中可动态载入用户自定义的纹理材质，以实现自定义材质更换。
[0023] 具体的，在导入模型前，对要导入的模型进行轻量化处理，利用专业建模软件，去除模型中的非几何信息、并对模型几何信息进行
数据压缩，仅保留模型的几何结构和拓扑关系，模型来源于设计制造模型、
三维扫描生成模型或者自
制模型等。为了保证导入模型的显示效果，根据模型实体结构，对模型赋予纹理材质，保证模型的完整度和
精度。纹理材质与模型几何结构分开制作，仅附着于三维模型的几何结构表面，并以三维模型编号为唯一标识，建立模型几何结构与纹理材质的关联系统，便于导入引擎后，实现自定义材质更换。
[0024] 在上述实施例中，优选地，三维场景的元数据定义包括对三维场景的环境贴图、环境光照、曝光强度、背景色、相机位置、三维物体坐标、材质贴图及三维物体初始装配结构以JSON/XML格式方式进行数据结构的定义。
[0025] 具体地，在WebGL场景中对元数据进行定义，包括场景的环境贴图、环境光照、曝光强度、背景色、相机位置、三维物体坐标、材质贴图、三维物体初始装配结构，并以JSON/XML格式保存。
[0026] 环境贴图Environment是根据场景介质的纹理，生成一个包围场景介质的隐藏物体，经反射后获得类似天空盒的环境贴图附着于场景介质，形成逼真的渲染效果。本发明中，光从i点到j点，所花费时间最短的距离En，
[0027]
[0028] 其中，
[0029]
[0030]
[0031] ei，ej为i点和j点介质的折射率，θi为入射光与法线的夹角，θj为折射光与法线的夹角， 为相对折射率。
[0032] 环境光照AmbientColor是光照经过多次反射后进入人眼的效果，三维场景的环境光照模拟场景介质在真实环境的光照效果，主要取决于环境的材质和场景的全局光照值[0033]
[0034] 其中， 是场景环境点
光源的单位法向量， 是环境光分量。
[0035] 曝光强度AmbientIntensity是保证三维场景整体
亮度，设置范围为0～100，100最亮。
[0036] 背景色ColorTheme是三维场景纯色背景设置，预置黑、灰、蓝，支持RGB色自定义。
[0037] 相机位置PositionX是当前视角的三维空间位置，以三维场景介质为中心原点(0，0，0)，设置相机在三维空间的的几何坐标位置。
[0038] 三维物体坐标TargetLookAtX是场景介质在三维空间中的位置，默认为(0，0，0)。场景配置时，可根据配置要求设置坐标。
[0039] 材质贴图Material是预设的贴图库，可随时增加贴图，并替换原有贴图。
[0040] 三维物体初始装配结构是场景组态配置的初始状态，通过显示/隐藏场景介质，初始化配置场景。
[0041] 在上述实施例中，优选地，装配/分解配置是针对维修对象拖拽指定起止位置和运动位移轨迹以实现装配/分解过程。具体地，首先初始化三维场景中装配体配置场景，
选定维修对象的部件，在三维场景中，通过
鼠标控制拖拽装配体的X/Y/Z三维坐标的起止位置、移动方向和移动距离，形成运动位移轨迹来实现装配/分解过程的定义，并对移动结果进行保存。
[0042] 在上述实施例中，优选地，对维修对象建立维修流程动画定义与组态配置具体包括：对维修对象建立工序关系约束树，根据工序关系约束树以动作组和动作的方式组合配置成维修流程动画，动作组为一系列动作序列的组合，动作组具备不同维修工序间的前序关系，动作是检修流程动画最小的拆分单元，动作组和动作一起构成整个维修流程的动画分解过程。具体地，维修流程动画包括多个具体动作，动作队列按照顺序自动播放，形成一系列动作组，最终以动画形式呈现。
[0043] 动作包括移动、旋转、高亮、显示隐藏、视角控制、透明度、延迟和标签。移动是设置空间移动方向和移动距离，以及移动起止持续时间，使场景介质沿指定方向移动一段距离。旋转是设置旋转角度和轴向，以被旋转对象的中心为旋
转轴，沿
旋转轴向，在旋转持续时间内，达到指定旋转角度。高亮是设置场景介质的边缘清晰度，能直观凸显的场景介质的位置和轮廓。显示隐藏是设置场景介质的显示属性。视角控制是设置三维空间中相机的位置，用于显示场景介质的聚集位置。透明度是设置场景介质的透明度，设置范围为0～100，0为完全透明，100为完全不透明。延迟是设置连续动作的间隔时间，动作队列中执行延迟时，在延迟指定时间结束后才能执行后续动作命令。标签是设置场景介质的显示标签。
[0044] 在上述实施例中，优选地，将维修工器具与维修现场环境布置配置于三维场景中具体包括：在已打开的维修场景中，采用动态二次渲染三维场景的方法将维修工器具和维修现场环境嵌套于三维场景中，并按照场景元数据定义，通过参数定义指定维修工器具的位置和相机视角。
[0045] 在上述实施例中，优选地，将多媒体文件素材与对应的维修对象进行关联配置具体包括：对场景介质设置多媒体资源挂接属性，对场景介质挂接相关的视频、音频、图片、文件等多媒体文件，支持各类流媒体在线播放，支持各类图片和文件在线预览、缩放等操作，导入的多媒体文件与维修对象名称关联，并在播放维修动画时，自动以HUD(Head Up Display，
平视显示器)展现方式加载多媒体文件。
[0046] 在上述实施例中，优选地，将三维场景与对应的设备维修规程文件进行关联配置具体包括：将设备维修规程文件的内容与三维场景和动画进行一对一的挂接，使得用户在浏览学习维修规程的同时，在设备维修规程文件被触发时加载维修流程动画，在
用户界面播放维修场景，以维修动画形式，显示完整维修过程。
[0047] 在上述实施例中，优选地，将所配置的三维虚拟维修组态配置数据和设备维修规程数据形成虚拟维修作业包文件系统或打包压缩的离线虚拟维修数据文件用于数据的分发和交换。
[0048] 在上述实施例中，根据提出的一种在三维场景中组态配置维修过程的方法，通过在虚拟空间中建立与真实环境同步的维修环境，对设备、工器具、维修环境进行虚拟展示，维修人员犹如置身于现实中。根据维修规程，将维修规程的技术标准和行业规范以多媒体文件、可视化操作等形式进行演示、交互，取代传统维修培训及演练模式，构建详细的设备结构、维修过程、装配与分解过程等，模拟维修现场画面，为组织维修实施方案、维修效果评价、维修技术培训等提供辅助平台。
[0049] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
