葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

重慶港集裝箱碼頭三維模擬系統(tǒng)設(shè)計

葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

以重慶港集裝箱碼頭為實例，利用虛擬現(xiàn)實的方法和技術(shù)，混合使用Auto CAD、3Ds MAX、Photoshop、Premiere的技術(shù)集成，開發(fā)出了集裝箱碼頭的三維可視化仿真系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計方法，系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程，并對系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究，系統(tǒng)虛擬的動畫模擬可以為集裝箱碼頭的運營管理提供決策依據(jù)。

集裝箱碼頭;建模方法;設(shè)計流程;Auto CAD;3Ds MAX

港口結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資大，生產(chǎn)過程中的隨機因素多，其建設(shè)周期也很長。因此，港口的合理規(guī)劃具有重大意義，但難度也較大，如果將港口三維可視化仿真系統(tǒng)應(yīng)用于港口建設(shè)中，定量分析泊位利用率是否合理，設(shè)施及設(shè)備的配置是否恰當(dāng)，碼頭裝卸工藝流程設(shè)計是否科學(xué)，必將有著極大的實際作用。

重慶港作為長江上游集裝箱主樞紐港，正在向港口自動化，船舶大型化，港口設(shè)備重載化方向發(fā)展。以減少船舶在港停留時間，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)率，提高港口在市場中的競爭能力。港口三維可視化仿真系統(tǒng)作為一種虛擬設(shè)計工具，可用作港口規(guī)劃方案評價，降低設(shè)計風(fēng)險。同時也可模擬港口的生產(chǎn)過程，為港口的科學(xué)有序管理提供決策參考依據(jù)。

1 建模方法

1.1 建模方法比較

現(xiàn)有的建模技術(shù)按使用方式的不同可以分為:基于掃描設(shè)備的建模方法、基于圖像的建模方法以及基于幾何造型的建模方法。掃描設(shè)備如專業(yè)的三維掃描儀，雖然可以達到很高的建模精度，但其設(shè)備費用非常昂貴，操作步驟繁雜，使得它無法得到很好的推廣。另外，這種方法也只能得到物體表面的幾何信息，對于表面紋理卻無法自動獲得［1］。針對這些問題，專家們將計算機視覺領(lǐng)域與計算機圖形學(xué)的知識結(jié)合起來，實現(xiàn)了基于圖像的建模技術(shù)。這種技術(shù)是使用普通的數(shù)碼相機拍攝物體在多個角度下的照片，經(jīng)過自動重構(gòu)技術(shù)，獲得物體精確的三維模型。但這種方法在處理表面紋理時，對于不規(guī)則物體來說，效果不理想。另外對于物體表面存在凹陷的細節(jié)，在表面輪廓中無法體現(xiàn)，將會失去部分三維模型信息。且存在圖像匹配困難，存儲數(shù)據(jù)量大，立體感不強，效果不理想等缺點［2］。

1.2 建模方法選擇

選擇幾何造型的建模方法，主要有3種:線框模型、表面模型、實體模型。線框模型只用頂點和棱邊來表示物體，因此只有“線”的概念。如果顯示效果要求不高，由于線框模型簡單、方便，所以得到較廣泛的應(yīng)用。這種方法表示物體的外觀很難，應(yīng)用范圍受到限制。表面模型相對于線框模型來說引入了“面”的概念。表面模型是用參數(shù)化的細分面片來逼近真實物體的表面，因此可以很好地表現(xiàn)物體的外觀輪廓。相對于上述的線模型和面模型，實體模型引入了“體”的概念，在構(gòu)建物體表面的同時，深入到物體內(nèi)部，從而形成物體的“體模型”。

面模型和體模型以其優(yōu)秀的視覺效果被廣泛應(yīng)用，且有很好的建模工具。本系統(tǒng)選用了Auto CAD和3Ds MAX建模工具，采用基于幾何建模的面模型和體模型對場景進行優(yōu)化，實現(xiàn)了重慶港集裝箱碼頭的三維模型搭建［3］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

重慶港集裝箱碼頭三維可視化仿真系統(tǒng)主要由軟件和硬件2大部分組成。

2.1 軟 件

Auto CAD和3Ds MAX是最常用的三維建模軟件。Auto CAD是目前全球市場占有率最高的計算機輔助設(shè)計軟件，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。3Ds MAX是享譽三維動畫制作專業(yè)的優(yōu)秀軟件，具有強大的三維造型及動畫制作功能，且開放性良好，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛［4］。在港口三維動畫制作過程中要處理大量的圖形圖像素材，Photoshop是首選軟件，相對同類軟件，Photoshop具有功能強大，簡單易用的優(yōu)點。當(dāng)各個部分三維模型和動畫制作完成后，選用Premiere作為后期合成軟件。

2.2 硬 件

硬件最好采用高性能配置的PC機，建議最低配置為:CPU主頻2 G以上，內(nèi)存2 G以上，獨立顯卡，顯存512 M以上，硬盤250 G。

2.3 工作流程

在重慶港集裝箱碼頭三維可視化方針系統(tǒng)開發(fā)過程中，對港口建筑及其它場景采用幾何建模的方法，設(shè)計流程如圖1。

3 模型分析與創(chuàng)建

3.1 辦公區(qū)域

辦公區(qū)域有5棟建筑以及周邊環(huán)境和公路。整個港區(qū)涉及的三維立體很多，房屋建筑以建立表面模型為主，這樣可減少數(shù)據(jù)量，同時要考慮到每種軟件之間模型的組織結(jié)構(gòu)不同。例如，在Auto CAD中建立了一個平面，而在3Ds MAX中這個平面就不再是平面而是控制平面的線。這就需要選擇部分形體的建模是在Auto CAD中進行還是在3Ds MAX中進行。這部分有噴水池小景，噴水效果采用了3Ds MAX的粒子系統(tǒng)。在制作噴水池時，可供選擇的粒子噴射類型有很多種:PF Source、噴射、雪、暴風(fēng)雪、粒子云、粒子陣列、超級噴射。在此場景中選擇了利用超級噴射類型創(chuàng)建粒子系統(tǒng)。創(chuàng)建了超級噴射粒子類型之后需要給粒子施加一個虛擬的重力，不然粒子會“一飛沖天”，這需要用到3Ds MAX中對自然界模擬的重力，調(diào)整重力大小時一定要小心謹慎，因為對于這個參數(shù)一點點的加或減都會對粒子運動軌跡產(chǎn)生很大的影響，所以對于敏感參數(shù)的調(diào)節(jié)一定要耐心仔細。要使得噴水效果逼真，還要調(diào)整攝像機鏡頭的運動模糊參數(shù)，所謂的粒子是一個一個的小球(小三角形，小長方體等)要使這些小形體看起來像水，這就需要打開攝像機鏡頭的運動模糊功能，讓粒子在運動過程中有模糊“拖尾”的效果，粒子形體、運動、特效等設(shè)置完成后，還要給粒子給定水的材質(zhì)。這樣能讓這些粒子更具有水的靈動性，讓整體畫面更真實［5］。這部分模型見圖2和圖3。

圖1 港口三維模型設(shè)計流程Fig.1 Design workflow of port three－dimensional model

圖2 辦公區(qū)域Fig.2 The regional office

3.2 碼頭前沿

碼頭前沿有10個泊位。這部分立體主要有高樁、岸橋、路燈、江面、集裝箱及船舶，涉及的立體類型較多。因此，在建模時大量運用到二維陣列功能，以及配合不同視圖，進行三維陣列，以此同時，在同一形體大量出現(xiàn)時，應(yīng)該將其做成一個塊，并以插入塊的方式進行陣列復(fù)制，這樣可以大大減少文件大小。對于江面的制作，考慮到Auto CAD在曲面建模方面的缺陷，因此在Auto CAD中，只給定江面的位置，而具體的水流表面的處理就放在3Ds MAX中進行建模，用3Ds MAX就能很容易的控制水面的凹凸感和相位變化。特別要注意的是江面以及江面與周圍山體的銜接處，為了接近自然狀態(tài)，可在兩者之間采用霧化處理效果，這樣使得連接更逼真。這部分模型見圖4。

圖3 噴水池Fig.3 The fountain

圖4 碼頭前沿Fig.4 The dock

3.3 堆場后方

堆場主要有集裝箱、道路(汽車道和火車道)、龍門吊及起重小車、綠化帶和路燈。其中值得注意的是插入塊功能的優(yōu)勢。運用插入塊的功能可大大減少大量重復(fù)的模型在計算機內(nèi)存中占用的問題，運用此功能，場景中所有同樣的模型只占用一個塊的空間，這樣可以減小文件大小，提高顯示速度［6］。比如，大量的集裝箱，龍門吊，小車以及欄桿。這部分的動畫主要注意將各臺龍門吊的動作設(shè)置為不同步的方式，這樣顯得自然生動，見圖5。

3.4 拆裝箱庫

拆裝箱庫形體較單一，只有樣式相同的庫房式建筑和道路，見圖6。

3.5 出港道路

出港道路主要是公路與橋梁。橋梁是雙塔斜拉橋，涉及橋塔、橋墩、橋面、欄桿和鋼索，以及其他細節(jié)，制作較復(fù)雜。對于鋼索，這里可以取一捷徑，在Auto CAD中畫的各種線，導(dǎo)入到3Ds MAX中后有2種處理，一種是以線為軸線自動生成圓柱體;另外一種是以線為基準(zhǔn)自動生成長方體，因此在Auto CAD中建模時只需要畫一根線確定好線的位置、長短、角度等來代替鋼索，而不需要建圓柱體的模型。在畫好的線導(dǎo)入到3Ds MAX后，選擇線生成圓柱體的方式，讓3Ds MAX自動建模，這樣既可以減少文件大小又可以節(jié)約很多時間，見圖7。

圖7 出港道路Fig.7 The road departure

4 結(jié)論

三維建模技術(shù)在計算機軟硬件、光學(xué)等技術(shù)與設(shè)備的不斷發(fā)展與促進下，已經(jīng)得到快速的發(fā)展［7］。在建模時也更趨向于使用簡單的設(shè)備和過程，來滿足不同應(yīng)用層次的需求。三維建模技術(shù)研究，應(yīng)該由現(xiàn)在不斷追求具有更高精度、看起來更加真實的靜態(tài)模型，發(fā)展向未來能夠模擬現(xiàn)實世界各個對象間交互作用的動態(tài)模型，進而更加有效地輔助人們探索事物發(fā)展規(guī)律的研究［8］。計算機三維建模及動畫制作技術(shù)在港口建設(shè)中的應(yīng)用，為人們提供了具有真實感的三維視覺模型，以便在工程設(shè)計階段即可在計算機上看到工程的未來景象，借助計算機三維模型可以對方案進行可視化分析和評價，檢驗設(shè)計方案是否科學(xué)合理。另外，還可以利用三維動畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬施工進度，施工工藝，從而評價施工方案的合理性，為設(shè)計者和決策者提供指導(dǎo)和決策依據(jù)。

［1］李華，張彩明.中國圖學(xué)新進展［M］.北京:黃河出版社，2007.

［2］ 吳重光.仿真技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［3］桑勝舉，楊德運，馬利莊，等.中國圖學(xué)新進展［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［4］ 崔洪斌，李榮廷，鄧飛.AutoCAD三維圖形設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［5］陳景昌，何正國.虛擬校園中三維景物表面貼圖的研究［J］.東華大學(xué)學(xué)報，2005，31(4):57-61.

CHEN Jing-chang，HE Zheng-guo.The study of surface texture about virtual campus in 3d scene［J］.Donghua University Journal，2005，31(4):57-61.

［6］ 鄒玉堂，路慧彪，王躍飛.AutoCAD2008實用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［7］欒悉道，應(yīng)龍，文軍，等.三維建模技術(shù)研究進展［J］.計算機科學(xué)，2008，35(2):208-210，229.

LUAN Xi-dao，YING Long，WEN Jun，et al.The technology research progress of 3d modeling［J］.Journal of Computer Science，2008，35(2):208-210，229.

［8］邱建雄，趙躍龍，楊瑞元.基于圖像的建模和繪制技術(shù)綜述［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2004，25(5):908-912.

QIU Jian-xiong，ZHAO Yue-long，YANG Rui-yuan.The review of modeling and rendering technology based on image［J］.Journal of Small Miniature Computer Systems，2004，25(5):908-912.

Container Dock Simulation System of Three-dimension Visualization in Chongqing

YE Rong-bo，DU Ting-na，LIU Ming-wei，WANG Duo-yin
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Taking container terminal in Chongqing Port as an example，the three-dimensional visualization system of container terminal was developed based on virtual reality methods and techniques and application of AutoCAD，3DSMAX，Photoshop，Premiere of technology integration.The design method of the system was introduced;the system composition and workflow，and key technologies were analyzed;the system virtual animation provided a basis for operation and management of container terminal.

container terminal;modeling method;design flow;Auto CAD;3Ds MAX

TP39

A

1674-0696(2011)03-0445-03

2010-10-21;

2010-12-11

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項目(KJ060413)

葉榮波(1987-)，男，四川涼山人，碩士研究生，主要從事水利水電工程方面的研究。E-mail:tingnadu@163.com。