馬春艷，徐傳陽(yáng)，沈成虎，李框宇

（1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454003;2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京210000）

一、引 言

目前，我國(guó)高校的測(cè)繪類(lèi)及其相關(guān)本科專(zhuān)業(yè)講授的第一門(mén)專(zhuān)業(yè)課是“測(cè)量學(xué)”，水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等常規(guī)測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)、使用方法和測(cè)量過(guò)程是其重點(diǎn)內(nèi)容。在理論教學(xué)過(guò)程中，教師只能通過(guò)簡(jiǎn)單的教學(xué)課件與簡(jiǎn)短的儀器操作介紹［1］，而針對(duì)光學(xué)、電子儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理等則無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)拆開(kāi)學(xué)習(xí)，這使初學(xué)者很難理解和記憶。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)手段和方式的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已成為測(cè)量專(zhuān)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的有力補(bǔ)充［2］。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有3個(gè)最突出的特征:① 沉浸感:讓用戶作為主角存在于合成的境界中，有一種身臨其境的感覺(jué);② 交互性:用戶能主動(dòng)與虛擬境界中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，計(jì)算機(jī)則能在較短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)用戶的輸入并立即改變虛擬場(chǎng)景的狀態(tài);③構(gòu)想性:以夸大的形式反映設(shè)計(jì)者的思想，多維信息系統(tǒng)具有身臨其境的真實(shí)感和超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性，使用者能夠沉浸其中，顯示出其實(shí)用性和先進(jìn)性。虛擬儀器是20世紀(jì)90年代由美國(guó)國(guó)家儀器公司最早提出的新概念。所謂虛擬儀器，是指在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶在操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)也在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的電子儀器［3-4］。虛擬儀器目前正在向功能綜合化的多功能虛擬儀庫(kù)、高精度、高可靠性、操作方便、一鍵完成所需功能的方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高校教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。

本文利用3ds Max強(qiáng)大的三維虛擬物體模型動(dòng)畫(huà)功能［5］，從儀器結(jié)構(gòu)和基本測(cè)量原理入手，以水準(zhǔn)儀模型為例，模擬仿真水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的人機(jī)對(duì)話。虛擬測(cè)繪儀器是測(cè)量實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放化的基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬測(cè)繪儀器可使抽象的概念形象化，枯燥的內(nèi)容趣味化、開(kāi)放化，能夠收到良好的學(xué)習(xí)效果，可對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理開(kāi)放和資源共享的實(shí)施提供保障［6］。

二、水準(zhǔn)儀及其模型制作

1.水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

水準(zhǔn)儀由望遠(yuǎn)鏡、物鏡、目鏡、圓水準(zhǔn)器、瞄準(zhǔn)器等零部件組成［7］(如圖1所示)，其主要功能是提供一條水平視線。在水準(zhǔn)測(cè)量中，當(dāng)視準(zhǔn)軸水平時(shí)，用十字絲的中絲截取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)。

進(jìn)行普通水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，選定一條閉合水準(zhǔn)路線，確定起始點(diǎn)及水準(zhǔn)路線的前進(jìn)方向。首先在起始點(diǎn)和第1個(gè)待定點(diǎn)分別立水準(zhǔn)尺，在距該兩點(diǎn)大致等距離處安置儀器，分別觀測(cè)，得后視讀數(shù)和前視讀數(shù)，計(jì)算第1個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)高差;將儀器搬至第1點(diǎn)、第2點(diǎn)中間設(shè)站觀測(cè)，求出第2個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)高差;依次測(cè)出其余測(cè)站的實(shí)測(cè)高差。根據(jù)各測(cè)站的實(shí)測(cè)高差，計(jì)算水準(zhǔn)路線的高差閉合差，并檢查其是否超限，然后對(duì)閉合差進(jìn)行分配，推算各個(gè)待定點(diǎn)的高程。水準(zhǔn)儀廣泛應(yīng)用于國(guó)家控制三、四等水準(zhǔn)測(cè)量，地形測(cè)量，工程測(cè)量和礦山測(cè)量中。

圖1 水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)圖

2.水準(zhǔn)儀模型制作

應(yīng)用3ds Max首先基于水準(zhǔn)儀各部件的幾何模型進(jìn)行多邊形的編輯處理制作，然后根據(jù)各部件大小比例進(jìn)行調(diào)整，最后組合成為水準(zhǔn)儀。

（1）鏡身模型的制作

打開(kāi)3ds Max軟件，首先在透視圖中畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬、高比例依實(shí)體設(shè)置，點(diǎn)擊右鍵把它轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形。選擇編輯對(duì)象邊，然后對(duì)它的長(zhǎng)、寬、高線段分別夾線，即采用連接工具，使用NURMS命令進(jìn)行光滑處理。在對(duì)多邊形一邊的頂端進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)用點(diǎn)編輯對(duì)象使它向內(nèi)收縮。在前視圖中創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，參考長(zhǎng)方體調(diào)節(jié)其半徑和高，同樣將其轉(zhuǎn)換成可編輯圖形，對(duì)高進(jìn)行分段處理，分成若干段;對(duì)面進(jìn)行添加材質(zhì)處理，使其保持一致。如圖2所示。

圖2 水準(zhǔn)儀鏡身模型圖

（2）鏡頭的制作

在前視圖中畫(huà)一個(gè)圓柱體，調(diào)節(jié)它的半徑使其比鏡身半徑稍小。點(diǎn)擊右鍵將它轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，選擇面編輯對(duì)象，點(diǎn)擊一端的圓面，將它刪除。切換到邊界編輯對(duì)象，選擇制作出的邊界，選擇縮放命令，按住shift鍵，分別鼠標(biāo)向里稍微縮放復(fù)制、沿高方向移動(dòng)復(fù)制。如圖3所示。

（3）物鏡的制作

在前視圖中畫(huà)一個(gè)圓柱體，在修改器中修改它的一些參數(shù)，把它轉(zhuǎn)化成可編輯對(duì)象。選擇面編輯對(duì)象，選擇兩個(gè)圓面并刪除;選擇邊界編輯對(duì)象，選擇圓的邊界，使用縮放命令。接著切換到面，在圓柱面上用間隔的方式選擇選擇30個(gè)面，它們之間間隔一個(gè)面，選擇擠壓命令，對(duì)所選擇的面進(jìn)行向外擠壓處理，自動(dòng)調(diào)節(jié)擠壓量(如圖4所示)。切換到邊，分別在高的兩端對(duì)圓柱的高進(jìn)行夾線處理。最后使用NURMS命令細(xì)分光滑，添加黑色的材質(zhì)。目鏡的制作同物鏡。

圖3 水準(zhǔn)儀鏡頭效果圖

圖4 水準(zhǔn)儀物鏡模型圖

（4）瞄準(zhǔn)器的制作

在前視圖中畫(huà)一個(gè)圓柱，調(diào)節(jié)它的半徑和高度，使其高度與半徑的比相對(duì)較大，記下此時(shí)的高與半徑。在前視圖中再創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，調(diào)節(jié)它的參數(shù)，使其邊數(shù)為3。如圖5所示，移動(dòng)兩個(gè)物體使三角柱的三角形內(nèi)接于圓柱面中，并且三角柱兩端都露出來(lái)。將上述各部件組合起來(lái)即制作好了水準(zhǔn)儀的模型，如圖6所示。

圖5 瞄準(zhǔn)器的制作界面

圖6 水準(zhǔn)儀模型全圖

三、水準(zhǔn)測(cè)量的動(dòng)畫(huà)模擬

在影片剪輯中，將“停止”和“播放”按鈕拖入舞臺(tái)，分別將它們放在名為停止和播放的兩個(gè)圖層里面。單擊播放按鈕的第一幀，點(diǎn)擊“動(dòng)作-按鈕”彈出動(dòng)作幀面板［8］;然后單擊“播放”按鈕，加入代碼，如圖7所示。

圖7 水準(zhǔn)虛擬測(cè)量制作效果圖

將影片剪輯拖入場(chǎng)景中，并將場(chǎng)景大小設(shè)置為1200像素×700像素。新建一個(gè)“背景”圖層，使用“文件→導(dǎo)入→導(dǎo)入到舞臺(tái)”功能，選擇一張背景圖導(dǎo)入到舞臺(tái)，通過(guò)改變套索工具的閾值，不斷用套索工具對(duì)導(dǎo)入舞臺(tái)的圖片進(jìn)行編輯，最后將修改后的圖形轉(zhuǎn)換為圖形元件，點(diǎn)擊“文件→保存”。按Ctrl+Enter測(cè)試動(dòng)畫(huà)，如圖8所示。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可構(gòu)造各種虛擬的測(cè)繪實(shí)驗(yàn)儀器、標(biāo)本、模型，即通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件結(jié)合起來(lái)，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種多功能、高精度、可靈活組合并帶有通信功能的技術(shù)平臺(tái)［9］。針對(duì)客觀存在的各種測(cè)繪實(shí)驗(yàn)儀器、標(biāo)本、模型，分別建立其相應(yīng)的虛擬體。這些虛擬體除了具備客觀真實(shí)體本身特點(diǎn)外，還具備真實(shí)體不具備的優(yōu)點(diǎn)，如不存在損壞現(xiàn)象、易更新等。待各種虛擬儀器建立完后，可建立每個(gè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，將虛擬儀器放在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，建立內(nèi)部聯(lián)系，形成一個(gè)完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而完成各種先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)。

圖8 水準(zhǔn)測(cè)量動(dòng)畫(huà)模擬成果圖

四、結(jié)束語(yǔ)

本文分析了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)零部件和測(cè)量步驟，運(yùn)用3ds Max制作了水準(zhǔn)儀的三維模型和零件模型，并渲染輸出了儀器三維虛擬模型;分析了水準(zhǔn)測(cè)量的施測(cè)步驟，將儀器模型導(dǎo)入實(shí)際場(chǎng)景中，編制出虛擬測(cè)量步驟的動(dòng)畫(huà)過(guò)程;對(duì)測(cè)繪儀器及其測(cè)量過(guò)程進(jìn)行三維模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)繪儀器模型的三維可視化操作、分析，使測(cè)繪儀器模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、可視化，達(dá)到了深度開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的目的。本文可為高等學(xué)校的虛擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)踐提供參考。

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