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利用3D動畫加強模擬研究

上網時間: 2013年05月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:模擬  3D  2D  3D VRML  X3D 

作者:Saurabh Mahapatra,MathWorks產品經理

模擬(simulation)的研究可以更為了解系統的動態行為,根據調查,這是開發流程早期驗證設計的關鍵核心,雖然這類研究能產生相當的資料量,但是以3D呈現的系統可建立一個讓人容易理解的系統行為。本文將介紹以3D動畫模擬為中心的一個可增強早期驗證活動的新工作流程—例如模型化基礎設計(Model-Based Design)。3D繪圖和模擬技術演進以及該領域的專業化發展,具體而微地顯現出過去使用3D動畫於以模擬為導向的研究所面臨的一些挑戰。本文將透過一系列的範例,說明如何因應這些挑戰。

利用模擬產出資料

過去十年來,在硬體被製造或設計被轉檔分享之前,使用電腦技術來進行原型化工程設計的比例逐年增加。引發最多興趣的領域是在動態系統中以非線性方程式決定動態的研究,它透過軟體程式,藉由輸入各種不同值進行多重模擬而提供對於這些系統的詮釋。上述方法為模擬工程師帶來許多可能機會,例如能夠變換系統參數或環境輸入值,詳盡反映各種可能的使用情境,經由模擬進行的早期驗證能夠降低在設計過程中隱藏的風險,亦即它能減少在開發過程的晚期才發現錯誤的機率。

有效的早期驗證,需要對模擬資料進行詳細分析才能更為了解系統行為,例如,工程師可透過對資料組的分析,進而發現在多次執行下所可能產生的預期外之行為模式;然而,要解讀這些分析的資料,對專業領域的專家而言是一大挑戰。

精確了解多維度模擬資料

什麼樣的原因使得理解動態系統的模擬資料變得困難?通常,以方程式描述系統導致多維度(multidimensional)的資料產生相互關聯;因此,除了可對原始資料進行數學分析外,也能透過2D和3D的視覺化繪圖來呈現資料的群組或進行趨勢分析,這將有助於我們理解資料間的關係,因彼此間的相對位置或是相對參數,例如時間。

儘管上述採用分析和視覺化的方法有顯而易見的優勢,這種方法仍將對認知某些特定情況帶來一些新挑戰,尤其是當維度的資料很大時。試考慮一個有六個自由度(6DOF)剛體的飛機物理原型,要分析該飛機的運動,時間的資料維度是6,代表三個位置和三個旋轉座標。除了在解讀原始資料中的趨勢有明顯的限制外,例如以2D和3D所表示的繪圖無法充份表示要如何改善對六維空間剛體運動的理解;延續上述範例,如果再增加維度的複雜性,例如測量時間軸的溫度資料作為表面幾何形狀的函數,這將使得該任務變得更加困難。

有愈來愈多的文獻採用3D繪圖來描述取代傳統分析,3D繪圖能傳達的意思勝過千言萬語,有些作者甚至開始雄心勃勃地推測運動圖像能創造更多價值,這些觀察借助於過去的幾十年間,3D影像遊戲產業的成功以及3D軟硬體技術的進步與純熟。從以模擬為中心的觀點來看,使用3D場景呈現資料是大有前景的,如果分析師能透過它認知到研究系統間的有趣相互依存關係,例如,由多人傾力合作完成的3D動畫可達成一致或不同的目標,這就為這領域的眾多研究提供了許多洞見。一般而言,結合許多相關聯物理學,例如機械力學、熱力學、聲學或多體互動的動態模擬,提供了3D動畫展現多種視覺化的表現機會。

利用上述方法導出的綜合策略,可提升早期驗證的結果。圖1的例子是結合三種方法,利用Simulink平台進行油電混合車的動態模擬。與此模擬相關的資料維度是78—四輪的力學參數是(64),每輪包含位置(3)、輪軸上下顛倒是(9)、旋轉(1)和力矩是(3)、剩餘的(14)是與剎車訊號(1)有關的:方向盤輸入訊號(1)、車體位置(3)、和汽車的旋轉(9)。


圖1:結合1維原始資料、2維繪圖和3D動畫方法的混合呈現方式。

利用3D動畫技術擴增早期驗證

圖2是在Simulink建模環境中,利用Simulink3D動畫模塊組(3D Animation),藉由虛擬實境標記語言(VRML)進行3D建模的例子,工程師們可藉由這些3D動畫技術進行早期驗證流程。


圖2:在以模擬為導向的研究中,藉由3D動畫拼貼範例增加早期驗證。

建立設計測試的虛擬測試平台:圖2(A)是從電腦視覺應用進行車道偏離警示系統的演算法測試,必需捕捉很多輸入影像,這將導致影像擷取成本增加,使得專案初始階段難以進行決策,不過在建立虛擬的測試環境之後,這些輸入影像可以藉由相機錄製動作而擷取到畫面並進行預處理。

利用軌道追蹤:如圖2(B)所示,從不同角度檢視飛機的追蹤軌跡,可獲取形狀特徵的視覺化的概念。軌跡最初是標記藍色,轉換到不同系統工作模式時則會切換成紅色。動畫狀態圖表允許在不同的時間函數模式間做轉換,這種方法提供了一個從其他的透鏡瀏覽3D數學空間。在設計的後期階段,就能進行模擬和實驗資料間的覆蓋比較軌道分析。

了解環境模型:如圖2(C)所示,環境模型包括用來協助飛機航行的3D視覺化城市地形資料。

利用顏色動態圖了解熱和溫度現象:圖2(D)表示以有限元素分析固體金屬塊的熱力分佈,本圖以顏色動態的視覺化呈現該資料。

了解測試失敗的原因:圖2(E)中呈現的是,在對模型進行多重測試的情況下,哪些子集合會導致失敗,3D動畫可以協助視覺化失誤性質,如圖表示的碰撞測試視覺圖。

執行互動式測試:如上圖2(F)所示,該高架起重機的動態模擬事先已對輸入位置的指令進行編程,測試工程師可以選擇欲移動主體的3D位置作為模擬的測試向量。測試向量即可被投射到3D視覺坐標,提供一個創新的互動測試機會。

更加瞭解多重物件或目標物的互動關係:如圖2(G)表示,該圖呈現內燃機內部耦合的四氣缸動作,以視覺化繪圖呈現的曲柄、連桿和活塞的運動,有助了解整個系統的動作時序。3D繪圖技術還能使目標物呈現透明狀,從而能觀察內部其他的物體。

了解輸入訊號的變數大小:按圖2(H)中所示,該圖呈現一3D多面體物件,其頂點和其相關聯的運動訊號的出現和消失的時間,這有助於理解系統隨著時間,維度因輸入試驗向量到系統變數間的各種變化。

使用繪圖使用者介面(GUI)萃取簡化實現的細節:在圖2(I)中所示,這是一個抽象簡化的模擬,使用者只需調整幾個參數即可進行模擬,這樣的萃取可協助進行視覺化驗證,並迅速獲得解答。

將即時模擬視覺化:圖2(J)所示,為一個快速原型化的3D動畫範例,該3D動畫是受控體串聯硬體的實際圖,可協助了解模擬行為以及實際建置間的差距情形。

透過使用3D動畫技術,工程師可以克服多重挑戰,其中包含理解複雜資料,抑或將資訊分享給對解決方案的技術細節不感興趣的利害關係人參考;而比對軟體模型中的資料並加以視覺化的方法,讓組織內的各個團隊能有效的溝通和分享資訊。從行銷的角度來看,動畫錄製所要呈現的解決方案,對客戶或專案贊助商更具說服力。

下一頁:使用3D動畫模擬為中心的研究面臨挑戰


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