基于OpenGL ES的齿轮 参数化建模及其移动端可视化研究.pdf

应用研究数字技术 与应用77机械类基础课中有很多抽象的原理知识不易被学生接收,又不能随意删减,然而在真实的情景中讲述就能轻松释义1。虚拟模型库因其三维模型造型逼真、控制灵活而在教学中起到了一定的作用2。但是,已开发的虚拟模型库都是基于PC 平台开发的,而由于PC 平台的在便携性方面的限制,使得虚拟模型库的应用也受到了极大的限制。手持移动设备的出现,为解除这种束缚提供了条件,该类设备最重要的属性即是其便携性,而且随着硬件水平的不断提高,运行平台的实用性也日益增强,现在越来越多的应用程序(APP)在移动设备平台上得以实施。若采用在工程软件中建渐开线圆柱齿轮模型,再把这些模型加载到APP中,会导致APP的安装包过大,并且由于齿轮的参数不同,要把所有的渐开线圆柱齿轮显示在手持移动设备上,需要建几百个齿轮。本论文以渐开线圆柱齿轮形成原理为基础,以移动设备的图形渲染库OpenGL ES为工具进行研究,得出渐开线圆柱齿轮建模关键技术,该技术可应用到各种开发环境中。总结出移动端可视化流程,采用参数化设计的方法制作出可以在手持移动设备上使用的APP。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化,使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同的数值,即可得到不同大小和形状的零件模型3。参数化设计大大减少了重复设计量、缩短了设计周期和提高了设计效率,使机械类构件完美的呈现在移动设备上4。1 齿轮参数化建模关键技术及过程1.1 OpenGL ES绘图原理OpenGL ES 是一个跨平台的图形库,是专门为嵌入式系统(如Android系统、IOS系统等)而设计的,提供了功能完善的 2D 和3D图形应用程序接口API,创造了软件与图形间加速灵活强大的底层交互接口5。OpenGL ES 2.0及更高版本的渲染管线可编程,其绘图原理如图1所示。OpenGL ES中支持的绘制方式大致分3类,包括点、线段、三角形,每类中包括一种或多种具体的绘制方式 6,本论文采用GL_TRIANGLES,此方式是三角形类之一,其将传入渲染管线的一系列顶点按照顺序每3个组织成一个三角形进行绘制。如图2所示,所绘矩形由三角形V0V1V2、V3V4V5而得,其中顶点V2、V5以及顶点V1、V3位置相同。基于 OpenGL ES的齿轮参数化建模及其移动端可视化研究张海林 邹欣 孙津原(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳 550025)摘要:构建基于OpenGL ES的渐开线圆柱齿轮模型,解决在移动设备上参数化生成渐开线圆柱齿轮模型困难和渐开线圆柱齿轮模型在移动端可视化流程等问题。分析渐开线圆柱齿轮形成原理,根据移动设备图形渲染库OpenGL ES渲染方式确定渐开线圆柱齿轮建模数据的方法进行研究。总结出渐开线圆柱齿轮的参数化建模关键技术和移动端可视化流程,以Unity3D为开发环境,制作出在移动设备上展示渐开线圆柱齿轮的应用程序(APP)。验证了基于OpenGL ES的渐开线圆柱齿轮参数化建模在移动设备上的优越性,为构建其它机械构件模型提供了方法,同时探索了机械类知识在移动设备上的传播。关键词:OpenGL ES；渐开线圆柱齿轮；参数化建模；移动端可视化中图分类号:TH132.41文献标识码:A文章编号:1007-9416(2017)03-0077-05收稿日期:2017-03-06基金项目:贵州大学研究生创新基金资助(研理工 2016033);贵州省科学技术基金项目(黔科合 J 字20142057号)。作者简介:张海林(1988),男,河北承德人,硕士研究生,主要研究方向信息与交互设计。E-mail:992123346qq.com。图1 OpenGL ES绘图原理万方数据应用研究数字技术 与应用78根据OpenGL ES绘图原理和本论文采用的GL_TRIANGLES方式,在齿轮参数化建模中,需要确定顶点数组、法向量数组和颜色数组。其中顶点数组控制齿轮形状,法向量数组控制齿轮对灯光的反射,颜色数组控制齿轮颜色。设三个数组类型均为单精度浮点型,顶点数组命名为Vertex_List,法向量数组命名为Normal_List,颜色数组命名为Color_List。1.2 齿轮参数化建模数据的确定根据设定目标,确定齿轮参数化建模所需要的参数。本论文设定的目标是构建标准渐开线圆柱齿轮;能动态生成直齿轮和斜齿轮两种类型,斜齿轮的螺旋角可以调节;通过调节模数、齿数、齿轮厚度改变齿轮的轮廓特征,通过调节颜色的RGB值改变齿轮显示颜色,通过调节齿孔半径,给齿轮开不同大小的孔或槽,具体的参数名称、参数代号,参数取值如表1所示。本论文构建标准渐开线圆柱齿轮,因此对部分参数取标准值,该参数在计算中始终是常数。另有一些基本参数根据表1中输入的参数而确定,具体参数名称、参数代号、计算公式如表2所示。1.3 齿轮绘制过程如图3所