摘要:艺术外观渲染后的三维农机模型特征突出、立体化效果优，为了提高农机市场竞争力，分析了艺术外观渲染下农机三维建模与模拟情况，实现了依据个性化需求的农机设计。三维建模过程中，利用HSL模型从色相、饱和度及亮度3个通道渲染农机模型外观颜色，采用OpenGL创建光源、定义光源与材质属性，基于小波重构方法压缩上述渲染文件规模。在艺术外观渲染下，以农机齿轮三维模型构建为例，结合农机三维建模步骤，构建了农机三维模型。验证表明:所构建三维农机模型在艺术外观渲染下特征突出、立体化效果优，模拟播种过程中农机的油耗量仅为9.11L/hm2，最高模拟生产率为0.219hm2/h，是一种节能、高效的三维农机模型。
关键词:农机;三维建模;模拟分析;外观渲染;小波重构;OpenGL
0引言
三维建模技术的发展为各领域提供一种三维可视化建模方法。利用三维建模技术能够创建与真实物体结构一致的模拟实体，甚至模拟物体真实运动[1]。应用在地震研究领域，可以模拟出地震板块运动过程;应用在气象领域，能够真实重建降雪、降雨情况，研究天气变化趋势。使用三维建模技术模拟实体运动，具有直观、可视化等优点[2]，因此设计农机时，可应用该技术对农用机械实施三维建模与模拟。
大部分三维农机建模忽视机械外观渲染，导致农机特征不突出，光线明暗变化效果差。为解决该问题，笔者从艺术外观渲染角度对农机展开三维建模与模拟分析[3]。农机艺术外观渲染注重颜色、光线、材质的合理搭配，用高光与阴影体现农机的明暗变化，外观渲染完成后的三维农机模型真实感较强、立体效果突出。
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本文分析了艺术外观渲染下农机三维建模与模拟情况，利用HSL模型从色相、饱和度及亮度3个通道渲染农机模型外观颜色[4]，增强农机外观对比度;采用OpenGL创建光源，定义光源与材质属性，获取较优的高光、阴影效果[5];渲染后的文件规模较大，基于小波重构方法压缩上述渲染文件规模，提高渲染效率;最后，以农机齿轮建模过程为例，根据三维建模步骤构建渲染后的三维农机模型，经过模拟验证，所构建三维农机模型立体化效果优、机械特征显著。
1基于外观渲染的农机三维建模与模拟
1.1三维农机模型外观渲染
采用HSL模型渲染农机三维模型的外观颜色，通过OpenGL渲染农机模型光照效果。为减小三维渲染数据规模、提高渲染效率，采用小波重构方法压缩三维渲染文件规模，这样渲染得到的农机三维模型效果好、渲染效率高。
1.1.1利用HSL模型渲染农机模型外观颜色
HSL颜色模型渲染三维模型应用频率较高，如图1所示。
HSL颜色模型从色相、饱和度及亮度3个通道调节三维模型所需的各种颜色效果，经过叠加操作获取无数种颜色组合，3种颜色变量分别用H、S、L表示。色相是肉眼可观察到的颜色区域，可在[0，360)之间取值，详细取值情况用图2描述。同一个色相与亮度设置下颜色纯度可通过饱和度体现，颜色的饱和度用s分量表示，在[0，1]之间取值，三维模型的颜色艳丽表明饱和度数值较高[6]。颜色的亮度用l分量表示，可在[0，1]之间取值，三维模型的明暗变化可通过亮度完整展现，模型颜色与白色相近说明亮度值高[7]，模型颜色与黑色相近说明亮度值低。
1.1.2采用OpenGL渲染农机模型光照效果
为突出农机三维模型真实感，添加光照效果，光照渲染可突出三维模型不同层次、不同明暗程度变化效果。采用OpenGL定义农机三维模型光照效果，完成农机外观光照渲染[8]。光源、材质、光照是现实光线的3种构成，定义光源、材质及光照属性参数，以得到不同光照效果。
1)光源创建与光源属性定义。颜色、位置和方向是光源三大属性，采用OpenGL定义光照效果过程中，光源属性定义与光源创建采用glLightfv()函数实现，以此为前提，通过glEnable函数开启农机三维模型光源。环境光、漫反射光和镜面光是OpenGL光源渲染的三大类别，以3种光分量为前提，叠加光分量得到优秀的农机三维模型呈现的光照渲染效果[9]。光源方向对环境光毫无影响，光源方向与发现方向干扰漫反射光的形成，光源、法线、视角三者方向严重影响镜面光的形成[10]。环境光不存在于光源之中，因为{0.0，0.0，0.0，1.0}是环境光初始值。{1.0，1.0，1.0，1.0}是漫反射光初始值，呈亮白色，光源颜色在很大程度上决定漫反射光的颜色。按照农机三维建模的需求，设置不同光源分量数值得到符合要求的光线渲染效果，因为参数取值差异决定光照效果存在差异。
2)农机三维模型材质属性设置。三维场景光源、农机模型材质相互作用呈现农机模型的颜色效果，农机模型的颜色利用HSL模型设置，在此基础上选取OpenGL的GL-COLOR-MATERIAL颜色材质模式，完成材质上色。
采用上述颜色模型、光照渲染方法渲染后的农机部件如图3所示。由图3可以看出:渲染出的农机部件具有明暗对比显著、饱和度适中、光线效果接近现实的优点，为构建优质三维农机模型提供了有利条件。
1.1.3基于小波重构的模型渲染文件压缩
三维模型渲染生成的文件规模较大，严重干扰农机模型渲染与输出速度[11]，需采用小波重构方法压缩渲染文件与数据，根据实际情况展示农机三维模型。
2仿真测试
2.1有效性分析
为验证本文三维农机模型的有效性，采用三维农机展开模拟测试。以农用机械中的某类型播种机为例，三维建模得到的播种机三维模型用图5描述。分析图5能够看出:经过外观渲染后的播种机造型更加立体、生动。从颜色渲染角度而言，明亮变化清晰、颜色对比显著;从光线渲染角度而言，三维播种机光线照射部分与背光部分存在明显差异，与实际光线照射情况一致。因此，本文构建的三维播种机模型可靠、有效，美化了播种机外观。
采用本文三维播种机模拟田间播种活动，得到三维播种机的测试结果，如表1所示。由表1可以看出:构建的三维垄作免耕播种机模型能够有效完成播种、施肥、开沟等耕种任务，并且合格率均在95%以上;播种深度的合格率最高，达到98.6%。变异系数是描述播种机播种性能的变化几率，本文三维播种机的变异系数最大为4.2%，最小为2.6%，全部低于5.0%。这说明，本文三维播种机播种性能好、稳定性较强，没有大幅度性能波动，再次验证本文三维农机模型的有效性。
2.2渲染效果分析
本文三维农机模型渲染外观时经历模型外观颜色渲染、光源创建与光源属性定义、三维模型材质属性设置等步骤，渲染后的三维播种机零件渲染效果如图6所示。分析图6(a)中齿轮渲染效果，通过颜色明暗变化能够准确描述齿轮特征，每个齿轮中齿牙颜色变化显著，光线渲染后完整体现出齿轮高光部分，三维效果好。分析图6(b)中零件接口渲染效果，设置材质属性后，零件接口的金属质感较强，入口处光线设置与真实情况吻合，总体呈现的立体化效果好。
2.3播种机性能分析
本测试研究三维播种机模拟播种的性能，引用基于CATIA的三维播种机、基于Pro/E的三维播种机展开对比测试。实验内容为:模拟播种3行，模拟播种行距为560mm，246kg为其结构质量。记录模拟播种过程中不同三维播种机模拟播种的前进速度、生产率、刀轴转速及油耗情况，如表2所示。由表2可知:所设计三维播种机的前进速度最快，达到3.4km/h，基于CATIA的三维播种机与基于Pro/E的三维播种机前进速度均比本文三维播种机低0.2km/h;从生产效率模拟角度而言，本文三维播种机具有优势，相比基于CATIA的三维播种机高0.4hm2/h，相比基于Pro/E的三维播种机高0.5hm2/h。本文三维播种机的模拟转速高达3.4r/min，相比另外两种三维播种机具有优势。本文三维播种机在上述前进速度、刀轴转速条件下，油耗量仅为9.11L/hm2，而基于CATIA的三维播种机油耗量为12.33L/hm2，基于Pro/E的三维播种机油耗量为14.21L/hm2。数据表明，本文三维播种机模拟播种时，性能最强，油耗量最少，是一种节能型三维播种机模型。
生产率是评价播种机性能的关键指标，为突出本文三维播种机的生产率，在上述实验环境下，增加实验次数至5次，进一步测试不同三维播种机的生产率。图7描述了3种三维播种机模拟耕种的生产率情况。图7中，本文三维播种机的生产率位于最上方，基于CATIA的三维播种机位居第2，基于Pro/E的三维播种机生产率位于图像最下方。显然，本文三维播种机生产率最高。在5次播种模拟过程中，本文三维播种机的模拟生产率总体为上升趋势，第1次模拟生产率为0.212hm2/h，最后1次模拟生产率最高为0.219hm2/h，模拟播种性能好，进入工作状态后，生产率直线上升;基于CATIA的三维播种机模拟播种的生产率总体为下降趋势，第1次模拟生产率为0.18hm2/h，第2次测试中生产率有所下降，第3次生产率提升至0.18hm2/h，之后模拟测试中生产率直线降低至0.153hm2/h;基于Pro/E的三维播种机模拟生产率总体为上升趋势，但是实验结束时的播种生产率仅为0.167hm2/h，低于本文三维播种机的最低值。
3结论
1)采用HSL模型从色相、饱和度及亮度3个通道渲染农机模型外观颜色，增强农机外观对比度;采用OpenGL创建光源、定义光源与材质属性，获取较优的高光、阴影效果。
2)由于渲染后的文件规模较大，基于小波重构方法压缩了渲染文件规模，大大降低农机外观渲染用时。
