李小帥，萬(wàn) 軍，黃艷芳，陳 敏

CATIA V5環(huán)境下水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景中的應(yīng)用研究

李小帥a，萬(wàn) 軍b，黃艷芳a，陳 敏a

（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院a.工程數(shù)字仿真中心；b.武漢市長(zhǎng)為高新技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430010）

在水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，針對(duì)水電工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與視覺(jué)特征，提出CG知識(shí)庫(kù)的概念，并以CATIA與3DSMAX軟件為應(yīng)用平臺(tái)，從環(huán)節(jié)分解、要素分類(lèi)、建立方法、關(guān)鍵問(wèn)題等方面探討了水電工程三維參數(shù)化模型庫(kù)與三維網(wǎng)格模型庫(kù)、材質(zhì)庫(kù)等CG知識(shí)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)思路及采用的主要技術(shù)，并闡述了通過(guò)CG知識(shí)庫(kù)的運(yùn)用，可快速搭建三維可視化仿真場(chǎng)景，縮短同類(lèi)項(xiàng)目的制作周期，提高應(yīng)用自動(dòng)化的程度。

水電工程；三維可視化；CG知識(shí)庫(kù)；模型；材質(zhì)與燈光；CATIA；3DSMAX

1 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)三維可視化仿真技術(shù)的日益成熟，在水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理等階段對(duì)水電工程仿真模擬的視覺(jué)效果與實(shí)現(xiàn)速度的要求也越來(lái)越高，無(wú)論是基于三維模型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)產(chǎn)品，還是三維動(dòng)畫(huà)等產(chǎn)品，都需要搭建三維可視化仿真場(chǎng)景，在搭建過(guò)程中，涉及模型、材質(zhì)、燈光、動(dòng)態(tài)粒子等關(guān)鍵要素的運(yùn)用與處理問(wèn)題，要素本身的質(zhì)量決定著場(chǎng)景視覺(jué)效果的真實(shí)程度，要素實(shí)現(xiàn)的快慢又決定著場(chǎng)景搭建的速度。

CG（Computer Graphics）是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的簡(jiǎn)稱(chēng)，CG研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線(xiàn)曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。國(guó)際上習(xí)慣將利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行視覺(jué)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的領(lǐng)域通稱(chēng)為CG，搭建三維可視化仿真場(chǎng)景過(guò)程中的要素實(shí)現(xiàn)都可以歸于CG技術(shù)應(yīng)用范疇。

為了快速并高質(zhì)量地建立三維可視化仿真場(chǎng)景，針對(duì)水電工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與視覺(jué)特征，通過(guò)對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件CATIA與三維制作軟件3DSMAX的相關(guān)功能的摸索，建立解決問(wèn)題的方法，對(duì)關(guān)鍵要素進(jìn)行創(chuàng)建獲取、整理、歸納分類(lèi)，并以一定的形式與標(biāo)準(zhǔn)放置在特定的文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中構(gòu)成CG知識(shí)庫(kù)。通過(guò)對(duì)CG知識(shí)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，可將技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中所產(chǎn)生的包含經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的要素按分類(lèi)添加至庫(kù)中，為技術(shù)人員快速搭建三維場(chǎng)景提供資源與指導(dǎo)，使得以往項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作經(jīng)驗(yàn)在新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中能夠得以傳遞與重用。

2 軟件平臺(tái)

CATIA V5是集成應(yīng)用軟件包，其功能覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)方面：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、計(jì)算機(jī)輔助制造。CATIA V5具有強(qiáng)大的知識(shí)工程和參數(shù)化建模的功能，并結(jié)合了顯示知識(shí)規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)，可在設(shè)計(jì)過(guò)程中交互式捕捉設(shè)計(jì)意圖，定義產(chǎn)品的性能和變化，隱式的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)變成顯式的專(zhuān)用知識(shí)，提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。用戶(hù)可以運(yùn)用CATIA V5的知識(shí)工程模塊，自定義地建立知識(shí)庫(kù)，從而參數(shù)化地驅(qū)動(dòng)三維模型。

3DSMAX是一款三維動(dòng)畫(huà)渲染與制作軟件，不僅具有較好的三維網(wǎng)格模型繪制與編輯功能，而且在視覺(jué)要素的表現(xiàn)上也具有強(qiáng)大的功能與良好的操作界面。從材質(zhì)、燈光、粒子系統(tǒng)等要素的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，其軟件各要素編輯管理器給用戶(hù)提供豐富的參數(shù)調(diào)節(jié)選項(xiàng)，視覺(jué)要素可以充分地依照用戶(hù)意圖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而且針對(duì)3DSMAX的插件眾多，普通用戶(hù)幾乎不需要利用3DSMAX Script腳本進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，就可以找到所需要的插件進(jìn)行應(yīng)用。

3 三維可視化仿真場(chǎng)景搭建過(guò)程中的CG知識(shí)庫(kù)

水利工程三維可視化仿真場(chǎng)景從實(shí)現(xiàn)流程上有以下環(huán)節(jié)：①依據(jù)工程設(shè)計(jì)、地形等高線(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分別建立樞紐建筑物三維模型、施工布置配套工程三維模型、三維地形模型；②對(duì)樞紐建筑物、施工布置配套工程等三維模型與三維地形模型進(jìn)行合理拼接，構(gòu)建三維幾何模型總體場(chǎng)景；③依據(jù)三維幾何模型在真實(shí)環(huán)境或相似真實(shí)環(huán)境中的視覺(jué)特征，分別模擬相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)；④依據(jù)自然界中的光影視覺(jué)特征，在三維場(chǎng)景或渲染鏡頭中模擬各種光影關(guān)系，比如自然陽(yáng)光、陰雨天的光線(xiàn)、夜光、室內(nèi)光等光影環(huán)境；⑤對(duì)水電工程各種水流態(tài)進(jìn)行模擬；⑥對(duì)各工程自然條件下的植被進(jìn)行模擬等。

環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)中可概括為2類(lèi)操作：一是三維幾何模型的建立；二是視覺(jué)元素的賦予。通過(guò)建立CG知識(shí)庫(kù)，可持續(xù)提高這2類(lèi)操作的實(shí)現(xiàn)速度與質(zhì)量，其過(guò)程與關(guān)系如圖1所示，虛線(xiàn)框里為本CG知識(shí)庫(kù)具體內(nèi)容。

對(duì)于三維幾何模型的實(shí)現(xiàn)，建立基于CATIA的樞紐建筑物三維參數(shù)模型庫(kù)與基于3DSMAX的施工布置三維網(wǎng)格模型庫(kù)；對(duì)于視覺(jué)元素的實(shí)現(xiàn)，建立基于3DSMAX環(huán)境的材質(zhì)庫(kù)、水流態(tài)庫(kù)，同時(shí)對(duì)全局環(huán)境光應(yīng)用燈光腳本插件E-light的陣列、統(tǒng)一設(shè)置光影參數(shù)等功能進(jìn)行快速模擬，對(duì)自然植被通過(guò)樹(shù)木插件快速生成。

圖1 CG知識(shí)庫(kù)應(yīng)用流程Fig.1 The application process of CG know ledge base

4 三維模型庫(kù)的建立

在水利工程三維可視化仿真場(chǎng)景中，對(duì)三維幾何模型的建立，采用2種方法，分別為三維參數(shù)化建模與三維網(wǎng)格建模。本庫(kù)根據(jù)場(chǎng)景中對(duì)模型的重要程度與精準(zhǔn)度要求，對(duì)要求高的模型，比如樞紐建筑物的表現(xiàn)是相對(duì)重點(diǎn)，包括大壩建筑物、電站建筑物、通航建筑物，采用三維參數(shù)化的思路通過(guò)CATIA軟件建模；對(duì)要求一般的模型，比如施工布置配套工程等模型，包括混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、砂石加工系統(tǒng)、施工機(jī)械設(shè)備等，采用三維網(wǎng)格化的思路通過(guò)3DSMAX等軟件建模。

4.1 三維參數(shù)化建模

三維參數(shù)化建模的基本思想是以約束來(lái)表達(dá)產(chǎn)品模型的形狀特征，通過(guò)從模型中獲取一些主要的定形、定位或裝配尺寸作為自定義變量，修改這些變量的同時(shí)由一些公式計(jì)算出并變動(dòng)其他相關(guān)尺寸，從而方便地創(chuàng)建一系列形狀相似的模型。這種用尺寸驅(qū)動(dòng)、修改圖形的功能為初始產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模、修改系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的手段，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)具有相同或相近幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品及相關(guān)工藝裝備的需要。

4.2 基于CATIA三維參數(shù)模型庫(kù)的創(chuàng)建流程與使用

本庫(kù)通過(guò)CATIA軟件的參數(shù)化功能及其知識(shí)工程技術(shù)，通過(guò)各種參數(shù)、規(guī)則、方程及其關(guān)系表達(dá)式約束等方式，將設(shè)計(jì)內(nèi)容關(guān)聯(lián)到一起構(gòu)建三維參數(shù)化模型，將關(guān)鍵控制性參數(shù)以自定義變量的形式提取并存儲(chǔ)成EXCEL文件，并以一定的文件組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)CATIA Catalog目錄編輯器構(gòu)建三維參數(shù)模型庫(kù)。用戶(hù)對(duì)于建立同種類(lèi)型的水工結(jié)構(gòu)模型，可以根據(jù)庫(kù)瀏覽器預(yù)覽三維參數(shù)模型庫(kù)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，逐級(jí)選擇查找需要的參數(shù)模型標(biāo)準(zhǔn)件，找到需要的標(biāo)準(zhǔn)件后，雙擊該標(biāo)準(zhǔn)件，選取參考點(diǎn)、線(xiàn)、面等元素，修改EXCEL參數(shù)驅(qū)動(dòng)表，即可生成該尺寸標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型并調(diào)入CATIA系統(tǒng)，完成標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例化工作，達(dá)到對(duì)所需三維模型的快速獲取，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的重用和積累。建庫(kù)主要流程見(jiàn)圖2?？偟膩?lái)說(shuō)，參數(shù)、規(guī)則、方程及其關(guān)系表達(dá)式約束是模型的關(guān)鍵所在，靈活的參數(shù)管理是參數(shù)化模型的根本。部分成果有：建立了雙曲拱壩基本體形參數(shù)模型，見(jiàn)圖3，重力壩典型壩段剖面參數(shù)提取，見(jiàn)圖4，地下廠房整體裝配參數(shù)模型，見(jiàn)圖5。

圖2 基于CATIA三維參數(shù)模型庫(kù)的創(chuàng)建基本流程Fig.2 The basic process of establishing 3-D parametric model base by CATIA

圖3 雙曲拱壩基本體型參數(shù)模型Fig.3 The basic shape parametric model of double curvature arch dam

圖4 重力壩典型壩段剖面參數(shù)提取Fig.4 Parameter extraction of typical section of gravity dam

圖5 地下廠房整體參數(shù)模型Fig.5 The whole parametric model ofunderground powerhouse

4.3 三維網(wǎng)格建模

三維網(wǎng)格建模是基于點(diǎn)線(xiàn)面等網(wǎng)格編輯與處理的方式而進(jìn)行，模型數(shù)據(jù)以三角網(wǎng)形態(tài)所呈現(xiàn)。三維網(wǎng)格模型相對(duì)于三維參數(shù)模型而言，其建模過(guò)程不涉及參數(shù)化，不具備參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能，對(duì)模型可通過(guò)點(diǎn)線(xiàn)面等相關(guān)編輯工具進(jìn)行更改。

對(duì)于三維參數(shù)模型與三維網(wǎng)格模型，前者可以消除參數(shù)化等關(guān)聯(lián)信息，只保留最終形體結(jié)果，將三維參數(shù)模型網(wǎng)格化轉(zhuǎn)換為后者，逆向則不成立，如圖6。

圖6 三維參數(shù)模型與網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.6 The conversion relationship between 3-D parametricmodel and grid model

4.4 基于3DSMAX三維網(wǎng)格模型庫(kù)的創(chuàng)建流程

基于3DSMAX三維網(wǎng)格模型建立過(guò)程為：首先將二維CAD設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留必要的點(diǎn)線(xiàn)面等二維信息，導(dǎo)入三維制作軟件3DSMAX中；再通過(guò)3DSMAX模型繪制與編輯等功能，建立1∶1比例關(guān)系的三維網(wǎng)格模型。

對(duì)于所建立的施工配套工程三維網(wǎng)格模型，同時(shí)賦予基礎(chǔ)材質(zhì)，具體包括混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、砂石加工系統(tǒng)、機(jī)電安裝基地、機(jī)械汽車(chē)停放場(chǎng)、金結(jié)拼裝廠、砂石加工系統(tǒng)、施工水廠、施工營(yíng)地等三維網(wǎng)格模型，可以通過(guò)3DSMAX層管理器進(jìn)行歸類(lèi)管理，形成以文件名檢索的層次結(jié)構(gòu)目錄，并與對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)成三維網(wǎng)格模型庫(kù)，用戶(hù)可方便地根據(jù)層名稱(chēng)進(jìn)行查找并調(diào)用，然后根據(jù)當(dāng)前配套工程的CAD平面布置圖等數(shù)據(jù)，將所調(diào)用的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，比如放大縮小、移動(dòng)放置等操作，就可完成當(dāng)前配套工程的三維模型的布置。如圖7所示為從層管理器調(diào)用混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)三維網(wǎng)格模型。

圖7 從層管理器調(diào)用混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)三維網(wǎng)格模型Fig.7 The 3-D grid model of production system calling concrete from layer manager

5 視覺(jué)元素及庫(kù)的建立

5.1 材質(zhì)、貼圖、燈光的運(yùn)用關(guān)系

材質(zhì)構(gòu)成是用于描述材質(zhì)視覺(jué)和光學(xué)上的屬性，如表達(dá)對(duì)象如何反射和傳播光線(xiàn)，一般包括顏色構(gòu)成、高光控制、自發(fā)光和不透明性，且3DSMAX中的材質(zhì)中可以嵌套材質(zhì)，可用于模擬更為復(fù)雜的真實(shí)效果。

在3DSMAX中，貼圖為材質(zhì)的子級(jí)，主要用于模擬對(duì)象質(zhì)地、提供紋理圖案、反射、折射等其他效果，依靠各種類(lèi)型的貼圖，可以模擬出千變?nèi)f化的材質(zhì)。高超的貼圖技術(shù)是制作仿真材質(zhì)的關(guān)鍵，也是決定最后渲染效果的關(guān)鍵。

同時(shí)，制作材質(zhì)時(shí)不但要了解對(duì)象本身的物質(zhì)屬性，還要了解一些受光特性。燈光照射到對(duì)象表面的強(qiáng)度，主要包括燈光強(qiáng)度、入射角度、距離這3點(diǎn)因素，決定了材質(zhì)顏色顯示的強(qiáng)度，因此對(duì)象最后渲染的效果是通過(guò)其表面材質(zhì)和受光情況共同決定。

5.2 基于3DSMAX的材質(zhì)庫(kù)創(chuàng)建流程

水電工程材質(zhì)制作主要包括對(duì)樞紐建筑物與施工布置配套工程的模擬，還包括對(duì)自然地貌與水流態(tài)等對(duì)象的模擬。

本材質(zhì)庫(kù)首先確定了一個(gè)統(tǒng)一的光源，以白天日光特點(diǎn)的光影環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立全局照明光源參數(shù)體系，在此基礎(chǔ)上，再制作材質(zhì)。為了增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)程度，制作時(shí)首先要仔細(xì)觀察對(duì)象的視覺(jué)特點(diǎn)，然后應(yīng)當(dāng)盡量將各對(duì)象材質(zhì)的參數(shù)屬性與實(shí)際對(duì)象設(shè)置相似，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)與渲染測(cè)試，最終達(dá)到逼真質(zhì)感效果。

關(guān)于材質(zhì)的調(diào)節(jié)和建庫(kù)管理，3DSMAX提供了Material Editor（材質(zhì)編輯器）和Material／Map Browser（材質(zhì)／貼圖瀏覽管理器）。材質(zhì)編輯器結(jié)合各類(lèi)程序貼圖用于創(chuàng)建、調(diào)節(jié)材質(zhì)，并最終將其指定到場(chǎng)景中；材質(zhì)／貼圖瀏覽器用于建庫(kù)管理并供用戶(hù)從庫(kù)中調(diào)用所需的材質(zhì)，如圖8為材質(zhì)庫(kù)創(chuàng)建基本流程。

圖8 材質(zhì)庫(kù)創(chuàng)建基本流程Fig.8 The application process ofmaterial base

5.3 復(fù)雜材質(zhì)的構(gòu)成

對(duì)于水電工程地表的仿真模擬，是材質(zhì)制作較為復(fù)雜的單元。本庫(kù)對(duì)地表材質(zhì)的模擬主要分為濃密叢林型與高山峽谷型2大類(lèi)。

以濃密叢林型的地貌材質(zhì)實(shí)現(xiàn)為例，其仿真圖主要由3DSMAX材質(zhì)種類(lèi)中的混合（blend）材質(zhì)、頂?shù)祝╰op／bottom）材質(zhì)、貼圖種類(lèi)中的噪波（noise）貼圖、位圖（bitmap）貼圖以及頂點(diǎn)顏色（vertex color）貼圖等綜合調(diào)節(jié)而成。圖9為濃密叢林型的地貌材質(zhì)層級(jí)分解示意。

下面對(duì)其中材質(zhì)與貼圖的關(guān)鍵技法做簡(jiǎn)述。

圖9 濃密叢林型的地貌材質(zhì)層級(jí)分解圖Fig.9 Hierarchical decom position of dense-jungle landform material

通過(guò)觀察并分析濃密叢林型山體地表的特點(diǎn)，將其分為2個(gè)部分進(jìn)行模擬，分別為沿河岸消落帶的材質(zhì)模擬與根據(jù)地形坡度分布而產(chǎn)生變化的山體地表的材質(zhì)模擬。其中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程涵蓋2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

第1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)沿河岸消落帶與山體地表的區(qū)域劃分與融合。

通過(guò)混合（blend）型材質(zhì)將2種不同的材質(zhì)指定并融合在地形網(wǎng)格表面上，同時(shí)對(duì)三維地形網(wǎng)格模型添加頂點(diǎn)畫(huà)筆（vertex paint）編輯工具，并根據(jù)三維網(wǎng)格地形的實(shí)際情況進(jìn)行頂點(diǎn)灰度（明暗度）通道手工繪制，繪制完畢后在混合（blend）材質(zhì)中的指定頂點(diǎn)顏色（vertex Colors）貼圖，就可將所繪制的地形頂點(diǎn)灰度通道作為mask蒙板，完成對(duì)2種材質(zhì)的區(qū)域劃分與融合。見(jiàn)圖9中的“頂點(diǎn)灰度通道的繪制”分圖，白色區(qū)域?yàn)橄鋷Р馁|(zhì)，黑色區(qū)域?yàn)樯襟w地表材質(zhì)，介于黑白之間的灰度漸變區(qū)域?yàn)樯襟w地表材質(zhì)與消落帶材質(zhì)混合的過(guò)渡地帶。

第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)于山體地表的材質(zhì)模擬。

由于山體（三維網(wǎng)格地形）是起伏不平的，平緩地帶與陡峭地帶的地表在視覺(jué)上區(qū)別較大，就需要根據(jù)地形坡度分布而產(chǎn)生變化的山體地表區(qū)域進(jìn)行區(qū)分與過(guò)渡融合。方法為：通過(guò)頂?shù)祝╰op／bottom）型材質(zhì)，為對(duì)象指定頂與底2種不同的材質(zhì)，對(duì)象的頂表面是法線(xiàn)指向上部的表面，底表面是法線(xiàn)指向下部的表面，根據(jù)場(chǎng)景對(duì)象的自身坐標(biāo)來(lái)確定“頂”與“底”。位于頂部的材質(zhì)為“綠草混合”blend型材質(zhì)，用于模擬低坡度平緩地表；位于底部的材質(zhì)為“巖石與沙土”blend型材質(zhì)，用于模擬高坡度陡峭地表，中間交界處可通過(guò)調(diào)節(jié)它們所占據(jù)的比例與融合度，產(chǎn)生浸潤(rùn)（過(guò)渡融合）效果。

5.4 渲染結(jié)果實(shí)例

應(yīng)用3DSMAX樹(shù)木插件，可以結(jié)合地勢(shì)的起伏，快速布置樹(shù)木的種類(lèi)、大小變化、區(qū)域分布等，完成自然地貌的模擬。如圖10為濃密叢林型地形地貌下的某水電工程三維場(chǎng)景渲染最終效果。

圖10 濃密叢林型地貌模擬渲染效果Fig.10 The simulated rendering effects of dense-jungle land form

以航空影像與三維相機(jī)所拍攝出的地形陡立面地貌照片為3DSMAX的bitmap貼圖，并調(diào)用材質(zhì)庫(kù)子庫(kù)——水流態(tài)庫(kù)中預(yù)設(shè)的粒子系統(tǒng)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)中的泄洪拋物線(xiàn)等數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬泄洪。如圖11為高山峽谷型地形地貌下的某水電工程三維場(chǎng)景泄洪渲染最終效果。

圖11 基于航片的高山峽谷型地貌渲染效果Fig.11 The rendering effects of high-canyon landform based on air photos

6 其他關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題

6.1 快速布光

對(duì)于全局光的模擬，可以通過(guò)在3DSMAX中運(yùn)行腳本插件E-light來(lái)快速布置燈光群，E-light的應(yīng)用原理為：通過(guò)設(shè)置半球表面網(wǎng)格點(diǎn)的陣列密度來(lái)確定每個(gè)燈光的位置，1個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)燈光，形成入射角度、距離并按陣列規(guī)律均勻分布且覆蓋三維整體場(chǎng)景的燈光群，對(duì)于燈光群的光影參數(shù)可以統(tǒng)一調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)渲染測(cè)試達(dá)到理想的全局環(huán)境光源效果。通過(guò)E-light的應(yīng)用，就不需要對(duì)每個(gè)燈光的位置與參數(shù)進(jìn)行逐一調(diào)節(jié)，節(jié)省了布光時(shí)間。

6.2 貼圖烘焙技術(shù)

對(duì)于包括模型、材質(zhì)、燈光等要素已經(jīng)調(diào)制完畢的三維場(chǎng)景，可以將三維網(wǎng)格模型對(duì)象在場(chǎng)景中的渲染結(jié)果，通過(guò)3DSMAX中的貼圖烘焙技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，將場(chǎng)景中的各類(lèi)材質(zhì)、光照信息渲染成與模型對(duì)象各個(gè)面相對(duì)應(yīng)的bitmap貼圖，達(dá)到模型的光照信息和模型原有的材質(zhì)信息相融合的目的，然后再把帶有渲染結(jié)果信息的bitmap貼圖“烘焙”回場(chǎng)景中的模型對(duì)象上。

對(duì)于基于三維場(chǎng)景的交互式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)計(jì)算光照信息，采用經(jīng)過(guò)貼圖烘焙后的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，可以不再進(jìn)行費(fèi)時(shí)的光照計(jì)算，不僅在一定程度上提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而且模擬效果得到很大的改善，使得交互式系統(tǒng)的場(chǎng)景漫游視覺(jué)效果更加接近3DSMAX直接渲染的結(jié)果。

7 結(jié)論與展望

本文針對(duì)水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景的搭建，概述了CG知識(shí)庫(kù)的建立思路以及運(yùn)用過(guò)程中所涉及的主要技術(shù)。技術(shù)人員通過(guò)運(yùn)用CG知識(shí)庫(kù)，檢索并調(diào)用其中所需的要素，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)和組合，可快速搭建三維可視化仿真場(chǎng)景，并已在緬甸道耶坎水電站、重慶小南海水電站、金沙江烏東德水電站、金沙江金沙水電站、嘉陵江亭子口水利樞紐、烏江彭水水電站等項(xiàng)目中得以應(yīng)用，縮短了同類(lèi)項(xiàng)目的制作周期，取得了良好的成果。

下一步工作，對(duì)目前的施工布置配套工程通過(guò)三維參數(shù)化建模的思路，歸入三維參數(shù)模型庫(kù)；對(duì)樞紐建筑物三維參數(shù)化模型庫(kù)中的設(shè)計(jì)參數(shù)體系等進(jìn)一步優(yōu)化，并編制各模型的參數(shù)使用說(shuō)明等，更好地達(dá)到通用的目的；對(duì)目前基本文件級(jí)的材質(zhì)庫(kù)，隨著材質(zhì)的不斷豐富，面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)二次開(kāi)發(fā)建立基于特征級(jí)檢索技術(shù)的材質(zhì)庫(kù)，加強(qiáng)檢索的針對(duì)性，不斷提高應(yīng)用自動(dòng)化的程度。

［1］ 黃志澎，薛利軍，張 燕，等.基于CATIA平臺(tái)的水電三維標(biāo)準(zhǔn)件模板庫(kù)［J］.水電站設(shè)計(jì)，2009，25（4）：1－4.（HUANG Zhi-peng，XUE Li-jun，ZHANG Yan，et al.Hydropower Project Three-dimensional Standard Parts Database Based on CATIA［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2009，25（4）：1－4.（in Chinese））

［2］ 吳維金，李 強(qiáng)，陳向東，等.基于VPM系統(tǒng)平臺(tái)的廠房機(jī)電三維協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2010，41（2）：52－55.（WUWei-jin，LIQiang，CHEN Xiangdong，et al.Application of VPM System Platform Based 3D Collaborative Design of Electro-Mechanical Systems and Powerhouse［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2010，41（2）：52－55.（in Chinese））

［3］ 翟旭峰，朱杰杰，潘志庚.3dsmax建模及其在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，21（4）：94－97.（ZAI Xu-feng，ZHU Jie-jie，PAN Zhi-geng.3ds MAX Modeling and Its Application in Virtual Reality［J］.Computer Simulation，2004，21（4）：94－97.（in Chinese））

［4］ 李 芳，肖 洪，楊 波，等.三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，6（1）：71－75.（LI Fang，XIAO Hong，YANG Bo，et al.Design and Implementation of 3D Digital Campus［J］.System Simulation Technology，2010，6（1）：71－75.（in Chinese））

［5］ 孫月興，李 琴.3DSMAX場(chǎng)景布光概述［J］.濰坊教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21（1）：58－59.（SUN Yue-xing，LI Qin.To Summarize the Methods of Establishing Lights in the Scenes of3DSMAX［J］.Journal of Weifang Educational College，2008，21（1）：58－59.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Application of CG Know ledge Base to 3-D Visual Simulation of Hydropower Project by Software CATIA V5

LIXiao-shuai1，WAN Jun2，HUANG Yan-fang1，CHEN Min2
（1.Engineering Digital Simulation Center，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Changwei Advanced Technology Co.，Ltd.，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China）

In the 3-D visualized simulation of hydropower project，the CG（Computer Graph）knowledge base is employed in line with the designing characteristics and visual features.With software CATIA and 3DSMAX as the application platform，ideas of the implementation and main technologies of CG knowledge bases inclusive of 3-D parametric model base，3-D grid model base，and material base of hydropower projects are discussed.The details such as link decomposition，elements classification，model-establishingmethods，and key issues are also explored.Through the application of CG knowledge base，the 3-D visualized simulation scene could be built rapidly，the production cycle of similar project can be shortened，and the level of application automation can be improved.

hydropower engineering；3-D visualization；CG knowledge base；model；material and light；CATIA；3DSMAX

TP391.9

A

1001－5485（2012）12－0113－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.023 2012，29（12）：113－118

2012－07－20；

2012－09－14

國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目“大壩三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)”（2011NDS019）

李小帥（1982－），男，安徽阜陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事水電工程三維可視化仿真、三維協(xié)同設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用工作，（電話(huà)）13995679062（電子信箱）lixiaoshuai＠cjwsjy.com.cn。