機(jī)械設(shè)計(jì)軟件高級(jí)染整技術(shù)的研究

機(jī)械設(shè)計(jì)軟件高級(jí)染整技術(shù)的研究

1專業(yè)染料的染色板設(shè)計(jì)目前，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的需求一直是精細(xì)的。虛擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。產(chǎn)品外觀圖應(yīng)達(dá)到照片級(jí)別的輸出，以提高高分離式打印的魅力，以滿足產(chǎn)品圖和圖紙的真實(shí)性要求。機(jī)械設(shè)計(jì)人員需要實(shí)際重現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬原型。與專業(yè)渲染軟件相比，迫切需要渲染模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件只有一門輔助部件，但其渲染模塊的功能與專業(yè)渲染軟件相比僅提供初級(jí)參數(shù)調(diào)整，效果不佳，產(chǎn)品的強(qiáng)迫描述遠(yuǎn)未滿足。常用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Solidworks中提供photoworks模塊,采用直接貼圖的方式,加入環(huán)境燈光(點(diǎn)、線、多點(diǎn)、聚光燈)來控制貼圖的效果,但是需在零件上貼,到裝配體里面后就存在不好定位,各零件貼圖比例不統(tǒng)一的問題,不同場(chǎng)景里面仿真,只能調(diào)整大小、角度、遠(yuǎn)近等的參數(shù),光照邊緣尖銳、生硬。Creo則采用集成到了內(nèi)部界面中的PhotoRender模塊,采用本身的LUXPHOTO方式渲染,通過定義文件中的配置來設(shè)置輸出選項(xiàng),可以對(duì)模型應(yīng)用外觀、創(chuàng)建渲染房間和定義光照,但仍然渲染線條生硬,效果機(jī)械。Solidworks2010以后版本提供單獨(dú)的渲染軟件Photoview360,使用MentalRay內(nèi)核渲染器,具備了專業(yè)渲染焦散效果,只需外觀-環(huán)境-設(shè)定3步驟即可得到很強(qiáng)的真實(shí)效果,但對(duì)環(huán)境的采用一體化定義,界面只有外觀和環(huán)境簡單選項(xiàng),光照參數(shù)無法更改,背景只能在正交相機(jī)模式調(diào)節(jié)角度,否則背景扭曲失真。如圖1所示。面對(duì)虛擬樣機(jī)越來越高的視覺要求,設(shè)計(jì)者往往采用間接的方式提升渲染質(zhì)量,目前較流行的渲染方法是將機(jī)械設(shè)計(jì)軟件完成的3D模型導(dǎo)出到工業(yè)設(shè)計(jì)軟件中,如Rhino、3DSMax。工業(yè)設(shè)計(jì)軟件對(duì)渲染質(zhì)量的要求高于機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,但其渲染模塊效果較差,要求高時(shí)可調(diào)用專業(yè)渲染軟件進(jìn)行渲染。導(dǎo)出過程采用中間通用格式,如igs或stp,其中igs描述是面,igs轉(zhuǎn)入后,復(fù)雜模型可能面臨大量破面修補(bǔ)的問題,占用時(shí)間較長,stp格式標(biāo)準(zhǔn)晚于igs,在曲面與實(shí)體及組合件都得到更好完整的定義,轉(zhuǎn)換時(shí)很少出現(xiàn)丟面現(xiàn)象,效果優(yōu)于igs。渲染軟件(又稱渲染器)主要在三維動(dòng)畫后期、影視、建筑工業(yè)中應(yīng)用廣泛,主流的有:AUTODESK公司的Lightscape,法國Advent公司的Artlantis,NextLimit公司的MaxwellRender,SplutterFish團(tuán)隊(duì)的Brazi,美國RobertMcNeel公司AccuRender,Chaosgroup和Asgvis公司VRay,德國MAXON公司C4D和LuxionApS發(fā)行的Keyshot等。隨著技術(shù)的推進(jìn),不少渲染軟件都推出了針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件和工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的專用接口模塊。專業(yè)渲染軟件相對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件渲染模塊來說具備HDR(高動(dòng)態(tài)光照渲染High-DynamicRange),焦散等功能。HDR讓圖片無論高光還是陰影部分細(xì)節(jié)都很清晰,相當(dāng)拍攝光比較大的攝像時(shí),縮小光比,達(dá)到高光不過曝,暗調(diào)不欠曝,使立體場(chǎng)景更加逼真。焦散是指透明物體被燈光照射以后所反射或折射出來的影像,如一束光照射透明的玻璃球,在球體后的投影表面出現(xiàn)光線明暗偏移,就是折射焦散。此功能可仿真3D模型中透明材質(zhì)的光照,大幅提升渲染效果的真實(shí)感。如圖2所示。渲染器根據(jù)的專業(yè)需求的有不同側(cè)重范圍,工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一般選擇C4D和VRay來做渲染,主要因?yàn)樾矢?簡單方便;室內(nèi)設(shè)計(jì)更多使用VRay或者是MaxwellRender渲染,效果華麗,光影映射逼真;室外建筑多采用Lightscape渲染,功能豐富,表現(xiàn)到位。以上軟件都能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)τ阡秩拘Ч拇蠖鄶?shù)需求,尤其VRay渲染器提供了工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的專用接口,如VrayforRhino和3DSMAXVray,在機(jī)械設(shè)計(jì)渲染應(yīng)用中最為熱門,但獲得良好的渲染效果的同時(shí),存在著格式轉(zhuǎn)換不便,操作繁瑣、渲染時(shí)間過長問題。Keyshot是互動(dòng)性的光線追蹤與全域光渲染程序,無需復(fù)雜的設(shè)定即可產(chǎn)生照片的品質(zhì)。Keyshot相對(duì)于VRay而言,不需通過頻繁切換和轉(zhuǎn)換格式操作,同時(shí)又能達(dá)到較好渲染效果,操作復(fù)雜度和渲染效果較平衡,而且相比其他軟件學(xué)習(xí)效率高。以下著重分析Keyshot渲染軟件的特性。2模擬光照流的模擬Keyshot(TheKeytoAmazingShots)基于LuxRender內(nèi)核的實(shí)時(shí)光線跟蹤和全局照明程序。LuxRender根據(jù)物理方程模擬光線流,產(chǎn)生出逼真的圖像?；贚uxRender技術(shù)開發(fā)的軟件,上手簡單,效果逼真。同Photoview操作流程相似,對(duì)材質(zhì)-環(huán)境-光照-貼圖進(jìn)行模塊化設(shè)定即可得到即時(shí)的效果。2.1其他機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的導(dǎo)入Keyshot具有直接打開三維模型功能。Photoview360只能渲染Solidworks文件,Keyshot能很好的支持多種3D軟件格式。動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件3DSMax、Maya、C4D,工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Rhino、Inventor和機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Creo、Solidworks、NX中數(shù)據(jù)文件都能方便的導(dǎo)入其中,文件的兼容性在主流渲染軟件里表現(xiàn)優(yōu)秀。并提供了部分機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的插件,可以直接從Creo、SolidWorks或Rhino等軟件中鏈接到KeyShot中,同時(shí)又保留了顏色、名字以及結(jié)構(gòu)。新版KeyShot可以在渲染的時(shí)候?yàn)槟?D幾何體上實(shí)現(xiàn)調(diào)整小圓角半徑的邊緣功能,不需要返回Solidworks或Creo中進(jìn)行模型的編輯,提高創(chuàng)作速度同時(shí)更好的控制模型的邊緣效果,以補(bǔ)充照明。這是一個(gè)完全可視化的操作,并沒有增加文件的大小和渲染時(shí)間。2.2關(guān)于材質(zhì)生成自帶豐富材質(zhì)樣式近200種材質(zhì)類型,通過集中操作面板以圖標(biāo)方式顯示、選擇,渲染中將材質(zhì)圖標(biāo)拖至模型表面,就可以添加所需材質(zhì)效果。支持SolidWorks的紋理貼圖坐標(biāo),并且通過在編輯欄修改材質(zhì)貼圖生成操作者所需材質(zhì)。如下頁圖3。在KeyShot4中改進(jìn)了半透明材料,提供更精確的次表面散射。高光貼圖的支持,焦散與物理燈的照明和科學(xué)正確的交互,其半透明的材料被稱為行業(yè)中的佼佼者。并提供卡通著色功能,使描繪物體表面平滑、生硬的金屬質(zhì)感與柔和的散光、炫光等反射光有機(jī)結(jié)合,大大提高了圖片的層次。需要注意的是,Keyshot中無法對(duì)片面進(jìn)行識(shí)別并賦予不同材質(zhì)。當(dāng)使用者將材質(zhì)拖放到模型上時(shí),往往整個(gè)模型都會(huì)被賦予同一材質(zhì)。因此,使用者在模型制作階段,需要通過三維設(shè)計(jì)軟件給需要分別上色的部分預(yù)先賦予材質(zhì)或色彩,當(dāng)模型被調(diào)入Keyshot時(shí),原軟件所賦予的材質(zhì)不會(huì)顯示,但卻可以用作曲面分色的依據(jù)。2.3改鋼墻后背景病支持HDR環(huán)境貼圖,使金屬、塑料等材質(zhì)達(dá)到良好的反光效果,提供交互工具進(jìn)行光照操作、即時(shí)進(jìn)行光影跟蹤和結(jié)果處理。同時(shí)使用者可以自定義自己需要的HDR貼圖和背景貼圖,從而使產(chǎn)品的光影效果與背景環(huán)境相融合,達(dá)到最好的相片級(jí)效果。如圖3所示。改進(jìn)KeyShot中引入任意幾何形狀的物理燈光和色卡,簡單的導(dǎo)入或者使用現(xiàn)有的幾何體為光源,可移動(dòng)、控制、動(dòng)畫等,讓工作流程增加了更大的靈活性,顏色選擇器,可連接到KeyShotProject面板上的任何顏色選項(xiàng)。配色到完全獨(dú)立的材料上,只需點(diǎn)一下鼠標(biāo),可在屏幕的任何一個(gè)地方挑選顏色,而且將所選的顏色保存到一個(gè)新的調(diào)色板內(nèi)。2.4光材質(zhì)實(shí)時(shí)脫色Keyshot與Photoview360的MentalRay、VRay是有名的急速工業(yè)渲染器。將材質(zhì)使用SHIFT+右鍵拖放到窗口中的模型表面,從而不改變默認(rèn)的材質(zhì),在渲染光滑反光材質(zhì)時(shí)軟件進(jìn)行即時(shí)著色,所見即所得,運(yùn)算迅速。通過如圖4中減速器模型渲染表明Keyshot比Photoview360要高效,Photoview360中20min完成渲染,Keyshot中半分鐘完成。輸出選擇JPG、TIFF等類型格式,新版Keyshot4.0引入了新的渲染選項(xiàng),支持Alpha通道、深度通道、法線通道或Clown通道,方便后期Photoshop操作。渲染層選項(xiàng)可以將每一個(gè)層單獨(dú)的呈現(xiàn)出來,還可以輸出立體模式,在屏幕上通過立體眼鏡查看模型3D效果,把渲染和動(dòng)畫以虛擬3D的形式呈現(xiàn)給他人,進(jìn)一步擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺體驗(yàn)。2.5配置要求較高開啟Keyshot軟件,CPU使用率接近100%,相對(duì)于硬件的配置要求較高。keyshot伴隨著鼠標(biāo)拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作,keyshot渲染不是很流暢,造成很卡的感覺,實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng)。3機(jī)械設(shè)計(jì)中的照片。主要有產(chǎn)品渲染是虛擬現(xiàn)實(shí)中展示產(chǎn)品外觀特點(diǎn)的有效方法。自帶渲染器操作方便但渲染效果不佳,專業(yè)渲染器效果突出但操作復(fù)雜,不能很好地短時(shí)間內(nèi)將設(shè)計(jì)思路展示出來。Keyshot小巧快速但預(yù)設(shè)豐富,滿足了機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品渲染的要求,兼顧了工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)中專業(yè)應(yīng)用。采用Keyshot進(jìn)行產(chǎn)品渲染,是機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中渲染的好方法。但