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摘要：文章围绕模型轻量化在虚拟现实中应用及轻量化技术展开论述，通过分析在设计模型转换为可虚拟现实利用的模型中存在的问题，结合模型轻量化技术原理，阐述当前轻量化技术的处理方式，应用当前现有各种轻量化技术进行模型轻量化，实现模型在三维虚拟现实应用中符合要求，满足项目需要。
关键词：轻量化 虚拟现实 三维数字化
Abstract： This paper focuses on the application of model lightweight in virtual reality and lightweight technology. By analyzing the problems existing in the transformation of design model into model that can be used in virtual reality， combined with the principle of model lightweight technology， this paper expounds the treatment methods of current lightweight technology， and applies various existing lightweight technologies to model lightweight， The implementation model meets the requirements in the application of 3D virtual reality and meets the needs of the project.
Key words： lightweight virtual reality 3D digitization
引言
黨的十八大提出工业化与信息化两化融合的发展战略以来，全国上下都在围绕把我国从制造大国提升为制造强国而努力。为相应国家号召，各行业都在推行“数字产品”建设，推进三维数字化技术在项目中的应用，依托现有优势，充分发挥三维设计数字化模型的附加值，利用虚拟现实相关技术，以三维设计模型为基础，开展三维设备虚拟展示系统开发。通过虚拟现实模拟，辅助进行各类工程模拟和预演，为项目的建造、运行、系统维护提供先进的三维数字化技术支持。三维虚拟现实应用中，模型轻量化问题是一个重要的环节。三维模型的轻量化技术得到了国内外很多专家学者及相关软件供应商的重视并进行了研究。本篇围绕模型轻量化在虚拟现实中应用及轻量化技术展开论述。
一、设计模型转换为可虚拟现实利用的模型存在的问题
在工程设计中，来自于工厂三维设计平台、建筑结构设计平台和设备三维设计平台等不同平台的三维模型，数据格式各不相同，而且专业平台上的模型精度非常高，几何信息量大，各平台模型在单独浏览时已经耗费大量硬件资源。各平台模型直接结合，则数据量巨大，目前硬件水平尚无法支持。必须通过合理的轻量化手段，简化模型，使模型面减少到硬件可以支持，不卡顿的状态进行虚拟现实应用。其关键技术是突破当前各三维设计平台产生的设计模型体量大、空间几何信息冗余、无法实现三维模型轻量化问题，并实现基于快速应用需求的三维模型批量轻量化技术。
二、轻量化技术的实现方式
2.1模型轻量化技术原理
在信息模型中，利用模型面片化、信息云端化、逻辑简化等技术手段和算法，实现模型在几何实体、承载信息、构建逻辑等方面的精简、转换、缩减的过程。
在三维虚拟现实应用的模型中，为了实现快速数据传输，降低计算机、移动设备的资源消耗，在满足信息无损、模型精度显示效果、使用功能达标等要求的前提下，对模型数据进行几何实体、承载信息、构建逻辑等方面精简，以达到更好运用模型的目的。
对模型轻量化而言，部分点、线和面等元素信息是模型的对外接口，为了有效地实现装配利用，必须精确地保留这些信息。因此，有选择地对模型的某些局部特征进行处理是轻量化技术研究的重点之一，即进行“有特定意义、特定需求形式”的简化，这是与传统模型简化最大的差别。为了实现这一目的，不以三角网格等几何元素作为处理对象，而是直接对基本体和设计特征进行筛选和处理，力求最大限度地保留原始模型的外形。
2.2模型轻量化技术处理方法
轻量化分为3形式进行：
1）小模型的处理
小模型主要是指大场景模型中不影响模型主外形的小模型，如处于大模型内部的结构以及外部的一些辅助结构等，如螺丝，小的挂件等，这类小模型表面数量多，结构复杂，对模型的数据量有较大的影响。因此，需要在轻量化的过程中将这部分模型去除，以减少轻量化模型的数据量。
在小模型删除算法中，需要通过程序的计算来确定小模型是否需要去除。在执行完小模型的删除后，原大场景模型中结构复杂且不影响原模型主外形的细微小模型将被处理，因此将减少大量的复杂的模型表面，从而减少模型的数据量。
2）模型表面特征的处理
在对小模型删除后，为进一步减少轻量化模型的数据量，需要对模型的表面特征进行处理。如抑制模型中的圆、倒角特征，缝合模型表面非装配的孔、腔等凹陷，减小模型表面的复杂度。
对模型表面特征处理可以应用面片简化技术，可以分为2个步骤进行，第一步进行几何表面层次上的编码压缩技术，也就是进行同一个几何面内的三角形重新划分网格。可以尽量减少模型在拓扑结构和几何位置信息描述方式上的冗余度，采用编码压缩可以在不改变模型的外形、结构、拓扑关系的基础上减少模型的三角形面片数量。第二步是多个几何面之间的三角面片简化。多个几何面片之间的三角形面片简化可以采用多细节层次模型自动生成技术，使用顶点移动，边删除，三角形删除、面片合并等方法进行网格简化优化模型。
3）模型的抽壳
在对装配模型进行一系列的简化后，需要将其生成轻量级的模型，并对模型进行抽壳，提取模型的外壳，略去其内部结构，达到减少模型的数据量的目的。
将装配模型转变成轻量级的零件模型，实质就是在装配模型中的各个零部件之间进行布尔运算，使得装配模型的各零部件成为一个整体模型，进而成为零件模型。进一步提取该轻量级零件模型的表面后，形成原装配模型的外壳模型。
通过布尔运算方法，对前面若干步骤生成的模型进行整体三维布尔运算操作，然后实现对实体模型的抽壳，从而得到原始复杂装配模型的轻量化外壳文件。
鉴于抽壳不改变模型的可视形状，在减少模型数据的同时会产生单一壳模型，因此抽壳被设置为一个可选的过程。
三、结束语
三维虚拟现实应用中其中主要瓶颈是模型轻量化问题。通过轻量化处理，实现各种三维数据格式的轻量化过程批量处理，模型几何信息精简达到85%以上，且可完整保留模型的基本几何外形和有利用价值的参数，减少计算机运算工作量，降低运行所需要的设备基本配置要求，提高三维虚拟现实中应用显示效率，实现稳定、流畅的画面显示效果。
参考文献
[1] 柳伟，牛强等 面向装配的复杂模型几何及结构轻量化技术研究 中国科学杂志社，2014，11：1422-1431.
[1] 赵瑛峰，何铁宁 交互式自适应模型简化与转换技术研究 计算机应用技术，2005，12：22-1432.
作者简介：
张长奎（1983-），男，汉族，河南南阳人，本科，工程师，研究方向：核电站反应堆布置、三维技术研发、三维虚拟仿真。
张雪蕊（1991-），女，汉族，河南郑州人，本科，助理工程师，研究方向：核电站反应堆布置、三维技术研发、三维虚拟仿真;
关键词：轻量化 虚拟现实 三维数字化
Abstract： This paper focuses on the application of model lightweight in virtual reality and lightweight technology. By analyzing the problems existing in the transformation of design model into model that can be used in virtual reality， combined with the principle of model lightweight technology， this paper expounds the treatment methods of current lightweight technology， and applies various existing lightweight technologies to model lightweight， The implementation model meets the requirements in the application of 3D virtual reality and meets the needs of the project.
Key words： lightweight virtual reality 3D digitization
引言
黨的十八大提出工业化与信息化两化融合的发展战略以来，全国上下都在围绕把我国从制造大国提升为制造强国而努力。为相应国家号召，各行业都在推行“数字产品”建设，推进三维数字化技术在项目中的应用，依托现有优势，充分发挥三维设计数字化模型的附加值，利用虚拟现实相关技术，以三维设计模型为基础，开展三维设备虚拟展示系统开发。通过虚拟现实模拟，辅助进行各类工程模拟和预演，为项目的建造、运行、系统维护提供先进的三维数字化技术支持。三维虚拟现实应用中，模型轻量化问题是一个重要的环节。三维模型的轻量化技术得到了国内外很多专家学者及相关软件供应商的重视并进行了研究。本篇围绕模型轻量化在虚拟现实中应用及轻量化技术展开论述。
一、设计模型转换为可虚拟现实利用的模型存在的问题
在工程设计中，来自于工厂三维设计平台、建筑结构设计平台和设备三维设计平台等不同平台的三维模型，数据格式各不相同，而且专业平台上的模型精度非常高，几何信息量大，各平台模型在单独浏览时已经耗费大量硬件资源。各平台模型直接结合，则数据量巨大，目前硬件水平尚无法支持。必须通过合理的轻量化手段，简化模型，使模型面减少到硬件可以支持，不卡顿的状态进行虚拟现实应用。其关键技术是突破当前各三维设计平台产生的设计模型体量大、空间几何信息冗余、无法实现三维模型轻量化问题，并实现基于快速应用需求的三维模型批量轻量化技术。
二、轻量化技术的实现方式
2.1模型轻量化技术原理
在信息模型中，利用模型面片化、信息云端化、逻辑简化等技术手段和算法，实现模型在几何实体、承载信息、构建逻辑等方面的精简、转换、缩减的过程。
在三维虚拟现实应用的模型中，为了实现快速数据传输，降低计算机、移动设备的资源消耗，在满足信息无损、模型精度显示效果、使用功能达标等要求的前提下，对模型数据进行几何实体、承载信息、构建逻辑等方面精简，以达到更好运用模型的目的。
对模型轻量化而言，部分点、线和面等元素信息是模型的对外接口，为了有效地实现装配利用，必须精确地保留这些信息。因此，有选择地对模型的某些局部特征进行处理是轻量化技术研究的重点之一，即进行“有特定意义、特定需求形式”的简化，这是与传统模型简化最大的差别。为了实现这一目的，不以三角网格等几何元素作为处理对象，而是直接对基本体和设计特征进行筛选和处理，力求最大限度地保留原始模型的外形。
2.2模型轻量化技术处理方法
轻量化分为3形式进行：
1）小模型的处理
小模型主要是指大场景模型中不影响模型主外形的小模型，如处于大模型内部的结构以及外部的一些辅助结构等，如螺丝，小的挂件等，这类小模型表面数量多，结构复杂，对模型的数据量有较大的影响。因此，需要在轻量化的过程中将这部分模型去除，以减少轻量化模型的数据量。
在小模型删除算法中，需要通过程序的计算来确定小模型是否需要去除。在执行完小模型的删除后，原大场景模型中结构复杂且不影响原模型主外形的细微小模型将被处理，因此将减少大量的复杂的模型表面，从而减少模型的数据量。
2）模型表面特征的处理
在对小模型删除后，为进一步减少轻量化模型的数据量，需要对模型的表面特征进行处理。如抑制模型中的圆、倒角特征，缝合模型表面非装配的孔、腔等凹陷，减小模型表面的复杂度。
对模型表面特征处理可以应用面片简化技术，可以分为2个步骤进行，第一步进行几何表面层次上的编码压缩技术，也就是进行同一个几何面内的三角形重新划分网格。可以尽量减少模型在拓扑结构和几何位置信息描述方式上的冗余度，采用编码压缩可以在不改变模型的外形、结构、拓扑关系的基础上减少模型的三角形面片数量。第二步是多个几何面之间的三角面片简化。多个几何面片之间的三角形面片简化可以采用多细节层次模型自动生成技术，使用顶点移动，边删除，三角形删除、面片合并等方法进行网格简化优化模型。
3）模型的抽壳
在对装配模型进行一系列的简化后，需要将其生成轻量级的模型，并对模型进行抽壳，提取模型的外壳，略去其内部结构，达到减少模型的数据量的目的。
将装配模型转变成轻量级的零件模型，实质就是在装配模型中的各个零部件之间进行布尔运算，使得装配模型的各零部件成为一个整体模型，进而成为零件模型。进一步提取该轻量级零件模型的表面后，形成原装配模型的外壳模型。
通过布尔运算方法，对前面若干步骤生成的模型进行整体三维布尔运算操作，然后实现对实体模型的抽壳，从而得到原始复杂装配模型的轻量化外壳文件。
鉴于抽壳不改变模型的可视形状，在减少模型数据的同时会产生单一壳模型，因此抽壳被设置为一个可选的过程。
三、结束语
三维虚拟现实应用中其中主要瓶颈是模型轻量化问题。通过轻量化处理，实现各种三维数据格式的轻量化过程批量处理，模型几何信息精简达到85%以上，且可完整保留模型的基本几何外形和有利用价值的参数，减少计算机运算工作量，降低运行所需要的设备基本配置要求，提高三维虚拟现实中应用显示效率，实现稳定、流畅的画面显示效果。
参考文献
[1] 柳伟，牛强等 面向装配的复杂模型几何及结构轻量化技术研究 中国科学杂志社，2014，11：1422-1431.
[1] 赵瑛峰，何铁宁 交互式自适应模型简化与转换技术研究 计算机应用技术，2005，12：22-1432.
作者简介：
张长奎（1983-），男，汉族，河南南阳人，本科，工程师，研究方向：核电站反应堆布置、三维技术研发、三维虚拟仿真。
张雪蕊（1991-），女，汉族，河南郑州人，本科，助理工程师，研究方向：核电站反应堆布置、三维技术研发、三维虚拟仿真;