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一个轻量级的跨平台Web3D系统，用于基于使用WebGL的虚拟现实技术的铸造过程
摘要：随着计算机技术的进步，虚拟制造技术为铸造工艺设计提供了新的途径。 在这项研究中，一个名为VR-Casting的铸造生产过程的虚拟现实系统已经开发。关于网络环境的虚拟展示全面展示了网络环境下的虚拟展示。本文提出了一种基于网络运行环境，最新的Web3D绘图标准WebGL，用于渲染的细节技术水平以及铸造过程中的检测和更新技术。基于上述技术，建立了不同的3D模型和虚拟全景场景。 运动模式和铸造过程的用户界面精心设计，使系统更好的交互性。最新的互联网图形标准WebGL被用来渲染模型。AsVR-Castingischacteracterize轻量级和跨平台，它提供访问各种平台和设备的可视化。演示提供VR-Casting具有广泛的应用前景，如展览，教育，培训和过程分析。 一些测试在不同的设备上实现，并且结果表明，当对渲染模型进行测试时，VR-Casting具有出色的性能。当使用VR-Casting时，观察者通过任意调整观察角度具有一定的沉浸感，甚至深入观察铸件的内部。因此，观察者可以在铸造过程期间以更全面和多样化的方式掌握细节。
关键词：铸件，虚拟现实，图形渲染，网络，WebGL
- 介绍
铸造是最重要的基础工业之一，在国家制造业，特别是国民经济的发展中发挥着至关重要的作用。然而，由于传统铸造过程中的环境恶劣和严重的污染，技术人员，特别是新招聘的人员，几乎只能从这一阶段的图书或文本中获得铸造过程的细节。在实际生产环境中对每个工艺的细节进行全面观察和进一步理解是困难的，这导致在技术人员制造铸造工艺方案之后出现各种非结构工艺缺陷的可能性，其具有直接 影响铸件生产率。
随着计算机技术的进步，虚拟制造技术为铸造工艺设计提供了新的途径。目前，在铸造领域，虚拟制造技术主要应用于铸造设计，建模或填充过程的数值模拟和可视化，铸造生产线的模拟和优化[1–5]。因此，许多商业软件CAD / CAE / CAM通常使用[6-8]。这些用于铸造生产的应用带来了相当大的经济效率。但是它们的形式仍然相对单调。很难对整个铸造过程进行全面评估。因此，在帮助技术人员理解的过程中，以各种方式的铸造工艺的多角度展示是必要的。虚拟现实（VR）是一种可以实现这一目标的新技术。
虚拟现实技术，作为我们使用的术语，是一种新的应用驱动技术，它是在二十世纪末开发的，涉及许多主题。它是一种基于计算机图形学，计算机仿真技术，人机界面技术，多媒体技术，传感器技术等的跨学科技术。与3D动画技术不同，主体的运动路径不是人工显示的。给出了主题的更多细节，并且实现了对用户的更多灵活性。虚拟现实技术具有三个最突出的特征，即交互性，沉浸幻觉和想象力（3I特征）。同时，虚拟现实技术也具有全息特性。这增加了参与者接近的广度和深度，并获得全面和多样的信息[9-12]。到目前为止，已经开发了许多基于VR的系统[13-17]。但在铸造领域，VR系统很少见。此外，现有系统大多基于点到点和独立模式，这是用户经验游戏的唯一模式。此外，应用程序是有限的。其中的系统由原生OpenGL API提供。它太复杂，系统只能运行在某个平台上。一些VR系统可以在Web浏览器中运行。但它需要插件支持。此外，近年来，互联网技术，特别是智能移动技术的快速发展已渗透到生活的每一个方面。因此，将互联网技术与VR相结合以获得更强大的系统是一个巨大的挑战。
鉴于虚拟现实和互联网技术的优势，这项研究开发了一个名为VR-Casting的轻量级Web3D系统。无需平台限制。为了解决3D图形渲染浏览器和无需插件的轻量级需求，最新的互联网图形标准WebGL被用于VR-Casting。使用细节技术水平来解决网络传输的问题。它可以根据需要调整渲染，减少浏览器的渲染负担，提高流畅性和虚拟沉浸感。建立运动更新模式和用于跳过和丢失帧的解决方案以避免动画混淆。演示展示了VR-Casting有广阔的应用前景。一些测试已在不同的设备上实现。结果表明，VR-Casting具有强大的渲染高性能模型的能力。VR-Casting在铸造过程中具有全范围的虚拟显示。观众在使用时有一定的沉浸感。因此，他们可以对铸造过程的细节有更全面和多样的理解。
- 建筑概述
瞄准和广播过程，这种VR- Castingsystemis建立在网络环境中应用。图1显示了V-Casting的结构。要显示的系统，模型包括3D模型，铸造过程的运动和虚拟场景。3D模型包含铸件，模具，砂箱，喷枪等。这些模型可以按顺序组织定位合作。然后通过应用典型的铸造过程运动，模型来活着。但是为了更逼真的显示效果，模型应该被放在虚拟场景中并且被赋予虚拟现实效果。最后，这些模型被转换为web浏览器友好的JavaScript对象表示法（JSON）格式并存储在Web服务器中。
当用户使用PC，平板电脑或手机等终端接入互联网时，Web服务器通过HTTP协议向客户端浏览器发送HTML文件，CSS文件和JavaScript文件。然后由WebGL渲染，模型将在浏览器中显示。用户可以在不同终端与系统进行全方位交互。
- 关键技术
3.1运行环境：B/S模式
VR-Casting系统在网络环境下运行，并使用浏览器作为表达式向量。与传统的软件系统不同，VR-Casting的架构基于B / S模式的三层结构。通过互联网访问系统软件是这种架构的最大特点，这意味着用户不需要自己升级或修补软件。所有软件的升级工作都由专业软件开发人员在服务器端操作。该软件大多位于一对多模式，并且通过一对多模式。Soitis方便多用户处理并同时操作系统。这些系统通常分为三个部分：客户端程序，服务器程序和网络（如图2所示）[18]。
通常与用户直接交互的客户端应用（通常是浏览器）呈现模型和场景。用户可以通过鼠标，触摸屏或其他硬件设备在3D场景中进行虚拟观察。模型和场景的文件存储在服务器端，服务器端可以处理和处理模型数据，以便于客户端上的显示。当客户端向服务器发送请求时，服务器将向客户端发送文件。然后客户端将在接收到文件后通过浏览器显示模型。因此，如果我们要更改模型或场景，我们只需要更改服务器端的文件。所有的用户不需要做任何操作。 与传统的虚拟现实系统相比，这是一个巨大的优势。服务器和客户端之间的连接由网络协议完成。 在B / S模式下，通常使用HTTP协议。
3.2Web3D技术：WebGL
Web3D技术的应用对于在网络浏览器中显示虚拟铸造过程非常重要。Web3D随着互联网和虚拟现实技术的发展而出现。它是网络技术和3D技术的结合[19,20]。我们知道，传统的Web3D技术使用各种标准。它们中的大多数需要插件支持，这受到特定平台的限制。所有这些都限制了Web3D技术的发展[21]。然而，WebGL已经极大地改变了这种情况。WebGL是由Khronos集团在2011年起草的网络绘图的最新国际标准。它是一种跨平台，免版税的Web3D图形技术。最重要的是它不需要插件支持，这意味着它可以在各种平台上使用[22，23]。
WebGL程序的一般系统架构图如图1所示.3。这种图形技术标准将JavaScript与OpenGL ES API相结合。它在HTML5 Canvas标记中使用JavaScript语言来呈现和显示3D图形。使用OpenGL ES API处理不同的图形驱动程序，以便跨平台的限制。此外，它使用GPU来实现硬件级别的3D渲染的加速。WebGL使Web浏览器能够在系统的图形卡的帮助下更平滑地显示3D场景和模型。没有系统平台或编程语言限制。因此它可以完成计算和实时3D渲染。通过使用WebGL，高效的图形渲染不再依赖于本地3D软件，并且知道可以通过网络端的客户端/服务器的简单结构进行处理。
目前，几乎所有最新的主要浏览器，无论桌面版本或移动版本支持WebGL，例如IE11，Chrome，FireFox，Safari和Opera [24]。它允许观察者可以通过简单的操作来预测虚拟环境。VR -Casting系统使用WebGL语言在浏览器中渲染模型以进行铸造过程。因此，用户可以很容易地沉浸在虚拟投射环境中。
3.3详细程度
VR-Casting有很多模型，模型数据量很大。如果所有细节都完全显示，将使观看者在透视变换过程中感到窒息，并减少现实感。所以VR-Casting我们的水平（shortedasLOD）[25-27]。LOD技术根据对象位置和显示环境中的模型节点的重要性来确定用于呈现对象的资源的分配。它通过减少面部的数量和非重要对象的细节使得渲染操作更有效率。使用LOD技术，VR-Casting可以根据需要调整渲染，并减少浏览器的渲染负担，以提高虚拟沉浸感。
一般来说，原始模型是最准确和详细的模型。因此，它需要使用某些算法粗略的模型，并获得不同的模型，具有不同的细节水平。图4详细显示了不同级别的小马纪念硬币铸造模型。在实际显示中，它将根据观看者的视角的距离来选择对应的模型。因此，它不仅可以减少网络流量，而且可以减轻浏览器的渲染和显示模型的负担[28]。
3.4运动检测和更新
铸造过程是一个动态过程，包括建模，浇注，固化和脱模。因此，参与式动画需要显示这种虚拟过程。传统动画主要是基于帧的动画[29,30]。它实际上是以一定帧速率快速显示的一系列静态图像的过程。虚拟现实技术给用户更多的主动性，与基于帧的动画相比，基于时间的动画在虚拟环境中更适合实时更新[31]。当使用基于时间的动画时，一系列矢量图与关键时间节点连接，而不是特定的有限帧速率。这种形式允许计算机不仅在时间节点上绘制图形，而且还根据最高支持的帧速率在节点之间产生附加的内插式估计。
虚拟铸造过程涉及大量的运动。然而，由于缺乏计算机硬件资源，将发生跳过和丢失帧，并且在两个帧之间发生跳跃。因此，一些模型或运动不能完全显示。不完整运动的累积将导致虚拟动画的崩溃。因此，运动必须是实时检测的情绪在需要时被内插。运动更新过程和用于跳过和丢失帧的解决方案如图1所示。 5.基本程序如下：
- 在当前活动运动Mi，记录最后帧时间tj-1和当前帧时间tj。
- 对于每个周期，检测包含运动的模型的状态，确定是否存在跳过和丢失帧。 然后，根据检测，获得tj-1和tj之间的动态持续时间td。
- 根据说明更新模型的下一个位置。
- 确定当前运动是否结束。 如果不是，则开始下一帧更新（j = j 1），否则开始下一个运动更新（i = i 1），直到所有运动完成。
线性插值用于运动更新[32]。如图6所示，时间节点ti-1处的位置是Pi-1，并且时间节点ti处的位置是Pi。对于当前有效运动Mi，模型从Pi-1移动到Pi。假设在最后帧时间tj-1的位置是P * j-1，则可以通过如下的线性内插来获得当前帧时间tj处的位置* j：
- 获得当前动作中开始和关闭位置的差值：Delta;P= Pi-Pi-1
- 获得从最后帧时间到当前帧时间的差：td = tj-tj-1（如果ti-1le;tj-1le;tjle;ti）
- 获取当前帧时间的位置：P * j = P * j-1 Delta;Ptimes;td /（ti-ti-1）。
4.实施
基于上述技术，本研究成功开发了网络环境下的VR-Casting系统。VR-Casting的实现过程如图2所示。 7。首先，一些主要模型和设备以3D模型建模。然后应用真实纹理的处理。之后，将模型放置在虚拟场景中。使用JavaScript和theWebGL技术来渲染系统。同时，用户的交互被设计为让用户以不同的方式容易地观察实时铸造过程。
我们知道，代表性铸造工艺主要包括砂型铸造和特殊铸造。VR-Casting系统所示的铸造工艺是铝合金砂铸造，铸件有三种纪念品，包括小马，熊猫和乒乓球拍。当然，铸造方法和形状在系统中不受限制。 下面将解释该系统的实现。
4.1建立和保护模型
通常，在虚拟现实的显示过程中渲染的模型是3D实体模型。因此，使用相关的3D建模软件进行建模是必要的。我们使用西门子的Unigraphics NX进行3D实体建模，并使用UG NX的友好装配方法处理模型的位置。为了提高模型的真实性，我们使用Autodesk的3Danimation和渲染软件3D Studio Max（shortedas3dsMax）对图案纹理和材质进行渲染，以显示更加生动的细节。
在系统中需要铸件的3D实体模型，具有定位销的砂箱，模具，喷枪和相关小工具等。纪念品的3D模型如图1所示。 图8a，b示出了具有由3ds Max给出的图案纹理和凸起纹理的模型的结果。在纹理被赋予之后，模型的外观看起来与铝材料相同。它有一个生活的外观，更像是一个真正的表面粗糙的铸件。
由于Web应用程序的特殊性，数据文件格式不能被任意定义为普通的桌面应用程序。因此，有必要开发数据模型文件的规范。JSON（JavaScript ObjectNotation）是一种轻量级的数据交换格式，它小巧，可读，易于被浏览器解析，使其成为互联网数据传输的理想选择[33,34]。在UG和3ds Max建模之后，模型和纹理的数据将导出到WebGL支持的JSON格式文件。
JSON格式模型文件的转换数据的示例如图1所示。 9，它包含用于渲染模型的几何，材料和纹理的信息[35]。当JavaScript在程序设计中被使用时，
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