基于虚拟现实的焊接仿真应用与研究

摘要

随着计算机仿真技术、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展和日趋成熟，虚拟现实技术在很多领域都有了进一步的应用。特别是在一些操作基本定型、生产体系成熟、劳动强度高、操作风险大、使用和维护成本高、需要反复操作才能掌握的技能，虚拟现实技术有了很大的应用空间。虚拟现实技术依靠其便捷、逼真、交互、经济和可复用性强等特性，逐渐被一些工业开发、科学研究和教育培训领域所采用，进而出现了诸如虚拟制造、虚拟驾驶、虚拟装配等研究方向。 利用虚拟现实技术开展焊接仿真应用研究，可以提高从业人员学习效率、降低学习成本、减少焊接学习过程中所带来的危险，最终形成的教学培训系统可以成为焊接培训人员资源丰富的学习平台。 本文研究内容包含以下三个方面： （1）综合虚拟仿真技术与焊接技术，以焊条电弧焊中的平焊工艺为研究对象，对国内外焊接仿真技术研究成果进行调研分析，制定了基于虚拟现实的焊接仿真框架，在框架基础上确定电弧焊仿真在开发过程中所需要的建模软件、开发软件以及开发硬件。 （2）研究了场景模型移动、事件触发、动画模拟、Shader、Perlin噪声以及粒子特效等关键技术。事件触发包含UI交互和物体模型之间碰撞检测；动画模拟设计使用DoTween模拟焊接不同运条方式；Shader包括场景贴图材质以及光照显示；Perlin噪声用来实现焊接过程中熔滴位置模拟；粒子特效实现焊接过程产生的强光与烟雾效果。 （3）在熟练掌握电弧焊焊接工艺基础和技术核心基础上，使用Unity3D和HTC VIVE实现了焊接介绍、焊接步骤、视频演示、手动操作四个功能模块，按照CPU、GPU以及内存三个方向展开了优化研究。CPU优化采用批处理技术实现；GPU优化从减少模型顶点数与三角面角度开展；内存优化主要采用对象池进行粒子特效优化。仿真结果表明上述优化可以显著降低系统延迟，提高帧数，加强用户使用流畅性。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.3焊接仿真的目的与意义

1.4论文主要内容

第二章 相关研究基础技术

2.1焊接种类与方法选择

2.2 建模软件简介

2.2.1 SolidWorks简介

2.2.2 3D Max简介

2.3 VR开发软件简介

2.3.1 Unity3D主要特征

2.4 VR开发硬件简介

2.4.1 HTC Vive硬件介绍

2.4.2 HTC Vive定位系统Lighthouse技术介绍

2.5本章小结

第三章 基于VR的焊接仿真方案设计

3.1焊条电弧焊

3.1.1焊条电弧焊工作原理

3.1.2 焊条电弧焊工艺特点

3.1.3 焊条电弧焊工艺流程

3.1.4 焊条电弧焊工艺参数

3.2焊接仿真系统框架搭建

3.3.1模型移动

3.3.2 事件触发

3.3.3 动画模拟

3.3.4 Unity Shader

3.3.5 Perlin噪声

3.3.6粒子特效

3.4本章小结

第四章 基于VR的焊接仿真性能优化

4.1 优化的目的与意义

4.2 CPU、GPU优化原理---渲染流水线

4.3 CPU优化在焊接仿真中的应用

4.3.1 CPU效率瓶颈---Draw Call

4.3.2 批处理优化CPU

4.3.3 CPU优化案例

4.4 GPU优化在焊接仿真中的应用

4.4.1 GPU效率瓶颈---顶点着色器

4.4.2 GPU效率瓶颈---片元着色器

4.4.3 GPU优化案例

4.5内存在焊接仿真中的应用

4.5.1内存效率瓶颈---程序代码段

4.5.2内存效率瓶颈---本机堆

4.5.3内存优化案例

4.6优化结果对比

4.7本章小结

第五章 基于HTC VIVE的焊接仿真实现

5.1.1 VR开发插件

5.1.2头盔沉浸式视角

5.1.3手柄追踪控制及渲染

5.1.4手柄射线控制

5.1.5手柄对焊钳的抓取

5.2基于HTC VIVE的电弧焊工艺仿真

5.2.1焊接介绍与焊接步骤模块

5.2.2视频演示模块

5.2.3手动操作模块

5.3本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2 展望

致 谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间科研成果