基于WebGL的列车外形交互式设计关键技术研究

摘要

列车的研制涉及诸多领域，其作为一项科技密集型工业产品，已经成为我国设计制造领域的代表性产业和外交名片。列车的外形设计受到气动性能、国家文化、个人审美等因素影响，其复杂性成为研究工作者的难点问题。目前列车模型的设计基于专业建模软件如UG，CATIA，Solidworks等，存在软件安装繁琐、模型格式不统一、交互性差、设计流程衔接度低、模型表达不直观等缺点，因此研究具有良好交互性的列车外形设计关键技术，提供友好便捷的交互方式不仅可以提高设计效率，其所见即所得的特性也可以节省工业成本。对列车的外形设计研究还可以对其他领域的模型设计提供一定的借鉴意义，具有很高的前瞻性和应用价值。
　　本文在研究目前常见的列车外形设计方法的基础上，将列车设计分为模型和外观设计两个部分。模型设计是基于Nurbs曲面构造理论完成列车三维模型曲面的重构，并且提供便捷的交互方式对模型曲面进行修改的过程;外观设计是基于纹理映射原理和光照模型分析，完成列车外观设计和光照效果模拟，从而实现列车外形设计的基本过程。为此本文的主要工作包括:(1)基于传统点云曲面重构方法和Nurbs曲面构造理论，运用“点-线-面”的思想提出了一种列车模型曲面重构方法。首先设计一套对列车散乱点云数据点的预处理方法，其中提出基于滑动窗口的过滤算法进行数据精简;其次利用Nurbs插值原理，使用累积弦长参数法确定节点矢量，并结合精简数据联列方程组求解控制点;最后通过统一曲线簇的型值点避免升阶和节点细化，设计生成脊线并改进放样曲面法实现列车模型的曲面重构。(2)探讨重构模型的设计方式，在推导Nurbs理论中的控制节点和权因子对于放样曲面影响关系的基础上，结合列车曲面形变约束条件，提出合理的列车模型曲面修改方案。(3)在理解WebGL纹理映射、Phong材质和混合光照模型的基础上，实现列车外形的涂装样式设计和渲染，列车部件贴图和列车光照场景模拟。(4)在对上述列车曲面构建技术、列车曲面修改方案、涂装设计、部件贴图和光照效果模拟等关键技术研究的基础上，依托互联网技术，设计和实现了一个基于WebGL的列车外形交互式设计原型系统，主要功能包括列车的曲面重构、模型编辑和场景交互、涂装设计、部件贴图和光照效果模拟。通过系统设计和实现，证明系统具有良好的交互性，实时流畅性及场景真实感，也验证了理论算法的可行性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的研究内容

1．4 论文的组织结构

第2章 列车外形设计相关技术与理论

2．1 列车外形设计的基本过程

2．2 Nurbs曲线曲面相关理论

2．2．1 B样条曲线曲面

2．2．2 Nurbs曲线曲面

2．2．3 Nurbs全局插值

2．2．4 Nurbs高级曲面构造方法

2．3 外形渲染相关原理

2．3．1 WebGL纹理映射原理

2．3．2 多重纹理贴图实现原理

2．3．3 光照模型效果的原理

2．4 系统设计相关技术

2．4．1 Spring MVC技术

2．4．2 WebGL技术分析

2．5 本章小结

第3章 基于NURBS的列车三维模型构建技术研究

3．1 列车三维模型曲面重构

3．1．1 模型数据预处理

3．1．2 列车模型的型线插值

3．1．3 基于改进放样曲面法的模型重构

3．2 基于列车重构模型的三维设计

3．2．1 交互式设计方式探讨

3．2．2 改变控制点和权因子的设计

3．2．3 列车曲面变形的约束条件设计

3．3 本章小结

第4章 列车外形渲染及光照效果研究

4．1 基于纹理映射的列车涂装渲染

4．1．1 列车涂装样式设计

4．1．2 基于纹理映射的涂装渲染

4．2 基于材质层叠技术的部件贴图

4．3 列车模型光照效果模拟

4．4 本章小结

第5章 列车交互式系统设计与关键技术实现

5．1 系统开发环境

5．2 基于WebGL的列车交互式系统设计

5．2．1 系统功能模块设计

5．2．2 系统技术架构设计

5．3 列车三维模型构建技术分析与实现

5．3．1 模型重构技术实现

5．3．2 模型编辑技术实现

5．3．3 模型浏览技术实现

5．4 列车外形渲染和光照模拟分析与实现

5．4．1 列车整体涂装渲染分析与实现

5．4．2 列车部件纹理贴图分析及实现

5．4．3 列车光照效果模拟分析及实现

5．5 系统绘制的实时性效果

5．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研成果