基于Virtools技术的虚拟包装设计的建构与实现流程 - 文章

基于Virtools技术的虚拟包装设计的建构与实现流程

作者：贺林龙赖守亮

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摘要：在掌握一般虚拟设计和制造的基础之上，结合包装的数据分析来建构虚拟包装设计和制造的一般流程，从而在外部软件中建立起需要的模型，然后导入到Virtools软件中实现交互。

当前的虚拟现实技术一般分为沉浸式和非沉浸式两种。沉浸式虚拟现实技术，是通过一些特殊的外部设备(比如头盔式立体显示器、空间位置传感器等输入输出设备)来实现。但因其价格不菲且一次仅供一人使用，因此很少在教学和日常设计中得到推广与应用。而非沉浸式虚拟现实技术，主要借助软件技术来实现，即应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟，其特点是经济、快捷，便于广大学习者使用，目前用于非沉浸式虚拟现实的软件有很多，例如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。其中，Virtools技术以其功能较全面、人机交互可视化强等优势得到了越来越广泛的研究和应用。

Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发的一款三维互动程序开发工具，它除了自身的三维交互开发平台Virtools Dev以外，另有5个可选模块，分别是网络服务器Virtools Server、物理属性模块Physics Pack、人工智能模块AI Pack、Xbox开发模块和沉浸式平台VR Pack[1]。其主要有以下几方面优势：1)人机交互图形化用户界面，可使开发流程更加直观。2)便捷的网络传播：Virtools设计的作品除了可以编译成单机运行的可执行文件以外，最大的特色在于可保存为网页格式，该文件较小、网络传输速度快、占用资源少，便于推广和共享。3)强劲的脚本语言—VSL(Virtools Scripting Language) ：用户可以在图形脚本编辑器中进行相应的脚本代码编程与检测，VSL还可以用于创作模式下的操作功能的扩展，提升Virtools本身开发环境的制作效能[2]。4)模块化的技术开发路线：Virtools可以利用拖放的方式，将系统内的Building Blocks(行为交互模块，以下简称BB)赋予在合适的object(对象)或是character(虚拟角色)上，逐渐编辑成完整的交互式虚拟世界。用户还可以利用现有的行为模块，再建立一个新的行为模块。5)高效的协作平台：Virtools具有多重工作方式。普通的开发者可以用鼠标拖放模块的方式，通过人机交互图形化用户界面，制作高品质图形效果和互动内容的作品。高级开发用户可以利用SDK(Software Development Kit,软件开发工具包)和VSL，通过相应的API接口，创建自定义的交互行为脚本和应用程序。

以上特点与优势确保了非技术性的设计人员和高端的程序员，聚拢在Virtools工作环境中，群策群力，为一个共同的设计与制作任务进行工作分工与协作。

1 虚拟包装设计与制造的前期分析

包装设计与制造的全过程要受到可靠性、美观性、经济性、可制造性及可维护性与可操作性等多方面因素的制约。在传统的包装设计与制造的过程中，当产品设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的成品。在调试过程中，一些空间处理问题，如填充物、包装空间造型、功能区间划分、隔断与装饰物等问题，主要是凭借设计师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。这种方法不但降低生产效率、浪费资源，而且生产出的模型精度往往达不到预期需求，还会加长模型的开发周期[3]。而虚拟设计与制造技术可以大大缩短这一周期并实现效率的尽可能最优化。

因为在虚拟现实环境下，设计和制造包装不需要建造实体模型，设计师可以利用虚拟“自然”环境的可视化优势，把包装的结构分析、实体设计、容器装载和性能优化、运输仓储等融合在计算机虚拟设计与制造系统中进行，在综合考虑包装物的外观、总体布局及各组成单元之间的相互衔接、相互关系等要素基础上，对包装的几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模和仿真分析，从而避免了反复修模，保证了模型的精度要求;而且因为生成的仿真模型可被直接操纵与修改，数据可以反复利用，因而大大缩短了模型开发的周期。

虚拟制造技术与快速成型技术、逆向工程、反向设计、基于知识的工程设计等等技术相比具有明显优势。因为虚拟制造技术具有独特的虚拟设计制造环境，可以让模型整个开发过程完全在虚拟的“实际”环境中进行，在达到预期的性能质量等方面的要求后才开始进行实物制造，从而使制造出的模型一次性的满足用户需求，大大降低了模型的废品率，减少企业的开发成本。

2 虚拟包装设计与制造的一般流程

虚拟包装设计与制造的一般流程如图1所示。首先从产品需求分析开始，然后进行概念设计，再从优化设计到系统集成，通过使用相关开发软件，在虚拟环境中，构造产品的虚拟模型。这是一个循环与渐进的过程，基于产品的开发需求，采用相应的仿真分析工具对虚拟模型的功能和性能进行仿真分析，对虚拟模型的行为进行模拟分析，并基于仿真分析的结果，通过反复建模——仿真分析——模型改进，直到虚拟制造出的模型满足预期设计的目标，才开始进行实物制造。

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虚拟包装设计与制造的一般流程

由图1可知，包装模型在投入生产前就已经通过了虚拟的“实际环境”的检验，把实际制造中可能遇到的障碍和设计上的不合理全部检验出来，再让设计工作人员进行修改或者再设计，直到整个制造过程能够完全合理并顺利完成。这样不但能缩短产品研发周期，降低企业的研发成本，还可以提高产品质量。

3 包装物及包装盒三维模型的建立

前期分析与掌握一般流程测试之后，下一步就是着手真正地虚拟设计了。虚拟现实的环境是建构在仿真实体模型的组合上，部分模型(特别是对全局影响可以忽略不计的模型)因不含互动需求而可用近似造型逼近甚至简化。但是重要的互动部分则涉及到许多物理式互动与机械式运动的多重问题，必须充分掌握其模型的几何(Geometry)与拓扑(Topology)数据，才能在数字式环境中以算法处理其互动结果[4]。而处理几何数据时，尤需注意计算精度与处理效能的问题。毕竟，虚拟现实式的互动是建构在实时(Real-time)处理基础之上，精致的几何模型必定耗费较多的CPU性能，而精致的仿真影像则需依赖于较多的影像与视频卡的性能，但这些昂贵的计算工作却不一定是必要的。如何将模型精度与运作效能优化与权衡，需要经验与实践得知。但无论如何，模型制作的必要守则就是以互动结果为目标，所有需要产生数字式互动输出的模型均需充分精确，必要时以多重分辨率处理，其余的能简化就简化。

我们以外包装为例，首先创建一个三维包装盒，按照包装物的外形尺寸设定好包装盒的基本大小和合适的有个性的盒型。对于三维物体和场景的建模，Virtools提供了良好的数据接口，可以利用日常的建模软件3ds max或Maya等对所需包装盒模型进行创建和分区。然后对模型的材质和纹理等方面进行处理，再以Virtools接受的文件格式(扩展名为.3ds 或.nmo)导出。具体操作步骤如下：

1)在3dsmax中利用任意一种建模方式创建被包装物及其包装盒模型(注意处理二者空间关系的数据)，将其存储为后缀名为.3ds的文件。

2)在3ds max中将以上两个模型按实际空间位置关系调整好，同时将包装盒的材质设置为半透明，使被其包裹的包装物可视，这样便于用户根据二者关系来判断空间位置关系。

3)在包装物和包装盒之间，为填充物或者防震(减压、缓冲)垫片建模，并为不同的分区模型赋予相对应的名称和不同颜色的材质，以明确分区范围及其作用，便于观察和计算。

4)将制作好的所有模型以Virtools接受的文件格式，即扩展名为.3ds的文件导出备用。

4 Virtools中三维交互的实现

以上步骤之后，我们有了精准的模型，接下来就是导入到Virtools中来交互测试了。首先我们来看看需要注意的一些参数。凡是产品生产行为的物理式互动无外乎考量摩擦、弹性、温差、压差、时差、组合、拆解、吸引、排斥等单项或其组合因素。而部分化学式互动原理亦可利用物理式机制来逼近，这些物理式互动的功能部分可见于软件套件中，如Virtools Physics Pack，其余的就要借用VR软件的程序化接口来制作客制化的功能模块了。制作客制化物理属性模块或微调现有物理属性模块时，必须考虑属性在互动过程中的数值结果与其真实性。当真实世界中的物理性质经由软件演算来逼近时，多数以学理式的公式来界定并以参数值来微调，运用此种方法制作属性较容易，但较难呈现多重属性交叉重叠后的真实效应。而利用计算几何技巧与数值方法所制作的虚拟物理属性，即可呈现属性交迭的拟真效果，不过制作上需要另有技巧。但无论如何，重力与摩擦力是不可或缺的真实属性，所有具备互动需求的虚拟物体都需具备，其他属性则可依状况需要来制作赋予[5]。

下面就运用Virtools来实现动态三维交互功能：

1)利用Virtools提供的BB功能模块来实现对物体的识别：在Virtools中提供了几百个BB，可以被用户方便的拖拽调用。而要实现物体识别功能主要依靠的是众多模块中的2D Picking模块。在操作流程上它可实现的功能是拾取鼠标所触及的Object(对象)并返回其名称、拾取点的三维坐标以及此点的法向量。由于在前边已经将包装模型进行了区域分割，所以其每一个分区均为单个物体，只要在菜单中将各个物体的名称修改为我们需要显示的相对应的分区和名称即可(例如：左一区，说明书存放空间)。

2)用BB和VSL脚本共同实现包装物摆放过程的交互：这部分的主要功能是完成整个过程的模拟。该过程利用多个BB行为模块和多个VSL脚本控制模块，其中BB行为模块包括Virtools中常用的Mouse Waiter、2D Picking、Object Load、Set Position、Switch On Key、Rotate、Translate模块等，它们在系统中的功能就不详细赘述。

3)成品的发布：具体案例制作完成后，一般将其发布为网页格式或者单机可执行文件。发布成网页格式有相当的优势，其便于将各个单独的案例网页集合成网站，并上传至网络服务器，供学习者在任意时间任意地点通过网络使用;也利于系统开发者更进一步实现Virtools和网页间的数据交换，或是结合Flash网页技术，增强趣味性或者拓展系统功能。

5 结语

大多数的产品生产原理中都包含着多重的物理式互动，而须藉由生产设施的机械式运动来施加于原材料上，以完成阶段性的生产或加工。传统的生产模拟是将生产行为分解为数项连贯的标准化动作，并以标准化工时、串以逻辑化流程来仿真生产现场的现象。如此方式的仿真因为不包含实体互动基础，故较难推测过程错误的原因，也无法实时规划对策给予解决。如今，这些生产行为具体内涵的模拟已能透过虚拟现实系统中所充分定义的物理式互动来实现。这种解决手段横跨制程(Process)与生产(Production)的全程中，凡是包含实体互动内涵者均可利用虚拟互动来辅助参照。

当然VR软件环境必须具备下列条件才能达到辅助实境的水平，如精准几何模型、虚拟实体互动、虚拟物理属性、虚拟机械属性、流程管理机制、可程序接口、数据库接口、协同式信息分享以及同步化影像输出与缝合等。

参考文献：
[1] 王乐，陈定方，尹念东.基于VIRTOOLS的分布式虚拟现实技术研究[J].武汉：湖北工业大学学报，2005，20(3)：22.
Wang Le，Chen Dingfang, Yin Niandong. Research on Distributed Virtual Reality Technology by VIRTOOLS[J]. Wuhan：Journal of Hubei University of Technology，2005，20(3)：22.
[2] 刘明昆.三维游戏设计师宝典[M].成都：四川出版集团& #8226;四川电子音像出版中心，2005：5.
Liu Mingkun. A Book of 3D Game Designer[M]. Chengdu：Sichuan Publishing Group & #8226; Sichuan Electronic Audio-visual Publishing Center，2005：5.
[3] 赖守亮. 数字产品的设计思维[J]. 新视觉艺术，2007(3)：99.
Lai Shouliang. Design Thinking of Digital Product[J]. New Visual Arts，2007(3)：99.
[4] 陈定方，罗亚波. 虚拟设计[M]. 北京：机械工业出版社，2007(2)：14.
Chen Dingfang, Liu Yabo. Virtual Design[M]. Beijing：Machine Technology Press，2007(2)：14.
[5] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2010：63.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/17/2011)


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