应用于高端制造业的视觉设计三维实时仿真系统研发与关键技术攻关

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1、广东省重大科技专项项目申报书 项目名称：应用于高端制造业面向客户的实时 仿真系统研发及关键技术攻关 北京空间飞行器总体设计部 项目负责人：吉杰 2012年2月,项目基本信息,目 录 一、项目背景 二、主要研究内容 三、实施计划及保障措施 四、预期成果 五、项目经费情况,一、项目背景,1、概述 本项目建设的“应用于高端制造业面向客户的实时仿真系统”旨在打通高端制造业中产品的设计制造与市场销售环节，突破CAD 三维数字产品模型与实时可视化仿真之间的共享壁垒，直接在设计阶段使用统一的三维模型数据源实时进行产品的总体任务仿真分析、销售宣传、电子文档制作、培训指导等，使产品的设计目标以客户、市场为中心。

2、 项目使用广东航宇的EngGl 三维立体可视化演示仿真平台作为基础进行升级改造，首先依托航天重大工程在航天领域实施应用，而后拓展至高端制造业进行应用。,一、项目背景,汕头大力发展航天技术应用产业,项目建设有利于带动我国制造业数字化技术发展,2、项目意义和必要性,一、项目背景,3、国内外技术发展现状与趋势 （1）国外技术发展现状：数字化设计制造是基本手段，产品创新能力强，产品设计目标以市场为中心。,德国RealTime Technology,法国达索3D VIA,一、项目背景,3、国内外技术发展现状与趋势 （2）国内技术发展现状：受国外影响已经采用三维设计模式，产品研制理念停留在可制造性，主要技

3、术产品依赖进口。,航宇EngGL,一、项目背景,4、产业化前景,依托航天重大工程发展先进三维实时仿真技术，具有良好的示范带头作用 a、项目的基础EngGL仿真平台已在嫦娥、神舟、北斗、高分系列重大专项工程以及多个军用卫星中有着成熟的应用； b、随着航天技术发展，航天工程对三维实时视觉仿真能力提出更高要求，如高分项目的相机成像仿真就需要考虑各种光源对卫星成像效果的影响、神舟项目的在轨交会对接过程需要考虑光照阴影效果对相机捕捉能力的影响等，航天领域对此有旺盛的需求；,一、项目背景,4、产业化前景,c、项目首先在航天领域实施应用，而后进行技术转化，针对珠宝、家居、玩具等地方高端制造行业，利用三维实时

4、仿真技术和虚拟环境，一方面使设计师可以与制造专家无缝沟通，同时利用系统可以快速制造培训、视频、用户文档；另一方面设计师、市场专家和客户进行互动，客户能够立即得到产品视觉效果，优化传统销售模式。 填补国内同类技术产品的市场空白，打破国外技术垄断 a、本领域产品主要依赖进口，费用昂贵； b、本项目有利于打破国外技术垄断，形成竞争； c、项目水平至少为国内领先，有利于形成自主知识产权。 对全国制造业数字化设计制造技术、地方传统产业的带动作用明显,二、主要研究内容,1、项目主要研究内容 突破CAD三维数字产品模型共享壁垒，直接在设计阶段使用统一的三维模型数据源实时进行产品的外观视觉设计、应用场景三维实

5、时仿真、宣传销售、电子文档制作、培训指导，补充工业CAD产品视觉设计能力，形成面向客户的实时仿真系统。,二、主要研究内容,1、项目主要研究内容,产品层：产品属性信息 零件层：零件属性、装配属性、物理属性 特征层：特征参数、特征精度、特征装配信息 几何层：描述精确几何信息 面片层：三角面片基本单位，用于显示、碰撞检测,二、主要研究内容,1、项目主要研究内容,二、主要研究内容,1、项目主要研究内容,多屏幕拼接、立体显示、分布式渲染等环境软件输出支持。,二、主要研究内容,2、拟解决的关键技术,（1）复杂产品模型数据交换技术,（2）高真实感的数字材质库创建,（3）基于光线追踪的真实渲染及优化技术,（4

6、）分布式虚拟现实技术,二、主要研究内容,（1）复杂产品模型数据交换技术,实时仿真与传统CAD模型存储和表示方法不同，转换过程容易导致设计信息丢失。三角面片模型损失了零部件模型的几何信息与拓扑信息，难以对产品模型进行精确的分析。,转换过程丢失了产品信息模型包含的大量工程设计信息如产品装配模型中的装配信息、零件物理信息等。,1.,2.,二、主要研究内容,1. 零件模型表示方法,2. 装配关系定义与表示,3. 装配关系创建,4. 映射方法实现,二、主要研究内容,5. 实时仿真系统中零件物理信息,6. 实时仿真系统中零件信息描述,二、主要研究内容,（2）三维模型表面材质库构建及映射技术,显著提高物体表

7、明的材质精细度，增加视觉效果的同时拓展应用，用多波段的光谱特性替代传统三维模型中的RGB颜色来定义物体表面材质，更加精确的表达物体与光线的交互关系。,完成光谱库和现有模型技术的衔接，通过建立光谱材质库与现有三维模型格式之间的联系，实现对三维面片表面的光谱材质的快速索引和查找，支撑渲染的实时性。,1.,2.,二、主要研究内容,几种典型地物的光谱反射率曲线,材质波谱特征数据库的结构举例,基本的材质类型： 土壤、建筑物、植物、涂料、岩石、水体、混合物等 基本的材质属性： 材质ID号、材质名称、镜面反射率、方向反射特性、漫反射率,1. 物体光谱特性材质库的构建与组织研究,2. 开展材质数据库快速索引方

8、法研究,二、主要研究内容,上图：无映射；下图：映射之后,纹理材质映射举例,纹理图片：只包含物体的颜色或灰度信息 通过纹理材质映射，将颜色或灰度值转换为材质类型,3. 开展纹理材质映射机制研究,4. 混合材质处理和显示方法研究,二、主要研究内容,（3）基于光线追踪的真实渲染及优化技术,大大增强场景的光照真实度，有效模拟反射、折射、散射、衰减等光学现象，使场景从局部光照效果上升到全局光照效果。,克服光线追踪算法运算量大，难以实时渲染的缺点，利用场景管理、并行优化等手段，使基于光线追踪的高逼真场景渲染达到实时绘制。,1.,2.,二、主要研究内容,Step.1 创建原始射线 从视点出发，与屏幕所有的采

9、样点形成一条条视线，向物体空间延伸。 Step.2 计算相交点 通过计算求得射线与它相交的物体，并找到最近相交点。计算该相交点处的法向量，通过查找材质信息库，获取表面的颜色属性、反射率、透明性、粗糙程度等。 Step.3 计算交点辐亮度 判断该可见点是否处于阴影中来确定光源对该点的光强是否有直接贡献。判断的方法是从该点向光源引射线，看射线是否与某个不透明的物体相交。如果光源没有被遮挡，则计算光源对可见点处的光强贡献。,Step.4 计算二级射线，递归累加辐亮度 根据物体的属性来跟踪该点处的反射或者折射光线以体现周边物体对它的影响，如果当前相交物体是半透明物体，则跟踪折射光线；如果当前相交表面是

10、光滑表面，则跟踪反射光线，对这些所跟踪的光线依照前面的步骤同样处理。依此递归直至光线射出当前场景范围或者当前追踪深度己经超过系统设定的最大追踪深度。 最后将各级递归计算的结果累加形成每个像素的最终颜色。,光线追踪算法,二、主要研究内容,辐亮度计算模型,自身辐亮度,太阳直射光反射辐亮度,周围环境光的反射辐亮度,光路衰减,大气辐亮度,特点： 全局光照模型 物体表面材质采用双路径反射函数表达,二、主要研究内容,光线追踪的特点及约束 光线之间没有数据和逻辑相关性，适用于并行化； 算法通过堆栈实现光线颜色的递归计算； 初始光线之间有很强的空间相关性，但是二级光线之间没有空间相关性。,CUDA编程模型的约

11、束分析 适合数据独立性大、单精度浮点计算量大、逻辑控制简单的程序 复杂逻辑和多分支情况下性能下降很大，显存访问方式要求较高,并行化改造方案关键点 1.光线衍生条数固定化，将递归算法改造为循环算法. 2.将辐亮度计算公式展开，从逆向计算改造为正向加权计算.,二、主要研究内容,（4）分布式虚拟现实技术,1. 基于可见性计算的加速绘制,2. 分布式仿真开发框架,打通高端制造业产品全生命周期信息通道，构建产品从设计制造到 销售服务的一体化实时仿真设计平台,二、主要研究内容,3、项目特色和创新突破点,A,采用虚拟场景仿真在设计阶段实时得到产品效果，设计制造与市场 营销并驾齐驱,B,开展虚拟市场营销应用，

12、使高端制造业产品的设计目标由传统的面 向产品升级为面向客户为中心,C,三、实施计划及保障措施,1、进度计划,三、实施计划及保障措施,2、合作分工 本项目由广东航宇卫星科技有限公司和北京空间飞行器总体设计部联合实施，广东航宇在三维可视化仿真项目的实施、投影演示系统集成、技术服务及产业化推广方面有着丰富的经验及丰厚的积累。总体部是国内大型飞行器的总体设计单位，目前国内神舟系列飞船、探月工程、天宫系统及绝大部分的卫星都由该单位负责总体设计，在航天器产品的设计与制造过程中，对仿真技术有着广泛的应用，因此对产品设计制造过程中对仿真技术应用有着强烈的需求及非常深刻的理解。双方联合实施项目过程中具体的任务分

13、工如下： 广东航宇：负责项目的组织协调、进度汇报和验收工作；负责项目的整体规划设计，应用系统开发，应用示范实施、产业化推广。 总体部：负责航天领域用户需求的获取，产品测试、项目示范场地及环境的建设和提供。协助主申报单位进行项目申报、进度汇报、产业化推广和验收工作。,三、实施计划及保障措施,3、项目管理架构,三、实施计划及保障措施,4、项目研究工作基础,三、实施计划及保障措施,广东航宇与总体部重要项目合作情况表,三、实施计划及保障措施,项目获奖及发表论文、专著情况一览表,项目相关软件登记和专利一览表,四、预期成果,1、预期成果形式与数量 （1）新软件产品2个； （2）实用新型专利申请1个； （3

14、）计算机软件著作权2个； （4）论文论著2篇； （5）新方法1个。,四、预期成果,2、技术指标 （1）支持分辨率1080P以上高清影像输出； （2）支持主流的动画渲染文件格式输出，支持OpenFlight、MAYA、3D MAX格式； （3）实现模型的合理轻量化，满足实时三维场景渲染的流畅输出； （4）支持主流的主被动立体影像输出； （5）能支持主流的CAD软件格式，支持Pro/E Wildfire 4.0版本并向上兼容，支持CATIA V5版本并向上兼容，支持AutoCAD 2010版本并向上兼容。,四、预期成果,3、经济指标 2013年实现产值1000万元，利税350万元； 2014年实现产值1500万元，利税600万元； 自2015年后的三到五年间产值、利税以30%的速度逐年增长。 4、社会和经济效益、对产业的带动作用 促进我国航天技术的发展，有利于提升我国综合国力； 航天技术转化应用，推动传统制造业及其他行业的技术进步。,五、项目经费情况,项目总投资：900万元；已投入资金80万元； 拟申请省科技厅资助：280万元；自筹资金：540万元,经费筹措一览表,五、项目经费情况,经费分配一览表,谢谢各位评审专家 请各位专家予以指导！,