李慎剛

（邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部， 聊城 252000）

基于Multigen Creator的橋梁三維建模方法研究

李慎剛

（邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部， 聊城 252000）

鐵路橋梁的三維可視化為橋梁設(shè)計人員提供了交流平臺，為技術(shù)人員對橋梁的管理維護(hù)提供決策支持。本文通過分析橋梁的三維數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)特征，基于Multigen Creator提出了鐵路橋梁三維建模的方法，并以橋梁為例展現(xiàn)鐵路橋梁三維實例。

鐵路橋梁；三維建模；Multigen Creator

近年來，高速鐵路的快速發(fā)展推進(jìn)了鐵路信息系統(tǒng)的全面應(yīng)用，如鐵路運輸管理信息系統(tǒng)、調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)訂票等得到了廣泛應(yīng)用。特別是當(dāng)前鐵路部門所使用的信息系統(tǒng)在文本信息的處理方面起到了較好的效果，解決了諸多問題，在鐵路運營中起著重要的作用。但是信息系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)的處理和顯示方面仍存在一些問題:在鐵路建設(shè)中設(shè)計方無法將建筑方案通過圖形化的方式直觀展現(xiàn)給施工方，這就為雙方的交互帶來了諸多困難，難以做到有效的溝通，為后期的建設(shè)埋下了潛在隱患。因此，創(chuàng)建三維、可視化、可實時交互的工具來表達(dá)鐵路空間數(shù)據(jù)是很有必要的。

1 三維可視化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實（VR，Virtual Reality）是利用電腦技術(shù)呈現(xiàn)一個可視化的三維虛擬環(huán)境。本文對鐵路建設(shè)中橋梁的三維可視化是虛擬現(xiàn)實在鐵路領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用。VR 技術(shù)最早是由 Ivan E. Sutherland 提出的，在已有圖形圖像的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三維模型對現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行模擬，并通過人機(jī)交互對模擬環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，這就是最早的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，也為后代虛擬現(xiàn)實的研究奠定了基礎(chǔ)。

我國在數(shù)字地面模型（DTM）領(lǐng)域的研究中，一般是針對不同的研究方向提出若干的改進(jìn)方法和優(yōu)化算法，如并行性DTM處理、基于網(wǎng)格的 DTM劃 分 算 法 等[1]。 如 今 國 內(nèi) 外 在 DTM 道 路 設(shè) 計、 地貌分析、區(qū)域污染等方面已有不少成功的應(yīng)用案例，對 DTM 在鐵路方面的應(yīng)用起到積極的借鑒作用。

就地質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，我國的地勢起伏較大，擁有眾多的丘陵和山脈，因此在鐵路設(shè)計中涉及的隧道和橋梁結(jié)構(gòu)多，國外的軟件在用于設(shè)計我國鐵路線路時會受到較多限制。國內(nèi)學(xué)者針對這些問題做了諸多理論研究[2]，蔣紅斐利用 3DMax 和 AutoCAD提出了鐵路的三維可視化模型，還有人將 GIS、路基和地形三維模型進(jìn)行融合，提出了綜合三維可視化 方 法[3]。 然 而 國 內(nèi) 的 研 究 更 注 重 理 論 算 法 方 面 的研 究[4]， 其 在 應(yīng) 用 過 程 中 仍 與 實 際 情 況 存 在 著 一 定的差距，本文將從實踐的角度對鐵路橋梁的三維可視化進(jìn)行探討和研究。

2 橋梁結(jié)構(gòu)和三維數(shù)據(jù)模型

為橋梁建模前需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，以方便各個子結(jié)構(gòu)的存儲和修改，也利于在設(shè)計相似橋梁結(jié)構(gòu)時可以最大限度的實現(xiàn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)用。

如圖1所示，大多數(shù)的橋梁可以拆分成上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)3個部分。而上部結(jié)構(gòu)又可以拆分為橋跨和支座兩個子結(jié)構(gòu)；下部結(jié)構(gòu)可以拆分為橋墩、橋臺和墩臺3個子結(jié)構(gòu)；附屬結(jié)構(gòu)則包含諸多內(nèi)容，如欄桿、照明等。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)圖

橋梁的諸多部件一般是由規(guī)則的構(gòu)件組成，而這些構(gòu)件可由若干參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此為這些參數(shù)建模就成為橋梁三維設(shè)計的關(guān)鍵。如橋墩，可由寬和高描述，這兩個參數(shù)就成為橋墩三維化顯示的關(guān)鍵要素。

有了參數(shù)化的要素后，虛擬的橋梁為了和真實的橋梁有較好的一致性，需要按照比例進(jìn)行縮放。

3 橋梁三維建模的方法

（1）將已有的二維圖片或三維模型，按照實際需求使用軟件將其轉(zhuǎn)化為合適的格式，以方便使用者操作，然而此種方法并不適用于首次建模的實體，而大多數(shù)的橋梁一般都沒有三維模型，因此，該方法不適合鐵路橋梁的三維建模。（2）在未有模型的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行建模，首先對建模實體進(jìn)行分解，然后對各個部分進(jìn)行建模（可采用 DTM 或Multigen Creator建模），最后對其進(jìn)行細(xì)化即填充顏色、紋理等。

Multigen Creator 是一種三維建模軟件，它擁有針對實時應(yīng)用優(yōu)化的 Open Flight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實時三維（RT3D）數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實時仿真軟件緊密結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實時仿真領(lǐng)域有著領(lǐng)先地位?；?Multigen Creator的建模方法如下。

3.1 三維數(shù)據(jù)的采集

在建模之前需要對實體的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集的精確度決定了后期模型與實體的一致程度。數(shù)據(jù)采集的方法分為 3 種:（1）采用人工現(xiàn)場勘探，對實體進(jìn)行測量 ；（2）利用衛(wèi)星圖形數(shù)據(jù) ；（3）獲取實體設(shè)計時的工程圖紙。第（2）、（3）種獲取數(shù)據(jù)的成本較低，但可能會和實際情況存在一定的偏差，因此需要同第（1）種方法相結(jié)合，以獲取較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

3.2 橋梁模型的分割

為使所設(shè)計的模型能夠最大程度的復(fù)用，將橋梁分割成構(gòu)件化的部件后，對每個小的部件逐一使用 Multigen Creator進(jìn)行建模，并將建模的部件統(tǒng)一存儲到模型數(shù)據(jù)庫中，便于以后的檢索和使用。

3.3 橋梁模型的整合

對各個部件的模型進(jìn)行整合，Multigen Creator提供了 3 套方案。（1）拷貝法，該方法首先選擇橋梁的主要部件將其固定，然后選擇其它部件將其添加到主要部件中，再對其它部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后與主要部件進(jìn)行拼接。（2）對象實例化法，該方法僅對模型創(chuàng)建副本，模型中的各個部件僅是一個指針型的對象，該指針指向數(shù)據(jù)庫中的某個實例，在使用時進(jìn)行調(diào)用。此類方案的優(yōu)點是能夠節(jié)省較大的存儲空間，并對對象做出及時的處理。（3）模型本身是一個副本，模型中的各個部件也是指針型對象，該指針做指向的對象是外部的數(shù)據(jù)，即指向了其它模型數(shù)據(jù)庫中的實例。此方案進(jìn)一步節(jié)省了存儲空間，但同時也受到了外部模型的限制。

3.4 優(yōu)化三維模型

在得到橋梁的完整模型后需要對其進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以便于人機(jī)交互的過程中能夠提高操作性能。對于模型的優(yōu)化主要有以下幾個方面:（1）數(shù)據(jù)庫調(diào)整，對數(shù)據(jù)庫層次進(jìn)行調(diào)整，盡量降低層次的復(fù)雜度；（2）模型部件調(diào)整，橋梁的部件可能會用多邊形進(jìn)行描述，而多邊形的操作會對模型的操作帶來較大的性能影響，因此減少多邊形部件，對多邊形部件填充紋理進(jìn)行簡化，可以對性能起到較大的優(yōu)化效果；（3）邊界調(diào)整，從整體對模型劃定界線以圈定各個部分的組成可以優(yōu)化模型的操作性能 ；（4）運用裁剪面，所謂裁剪面是用來界定可視范圍內(nèi)最遠(yuǎn)和最近的平面，幫助使用者在顯示過程中加載部分的平面以提高模型操作的性能。

通過各種優(yōu)化技術(shù)的綜合使用，既能保證三維模型顯示的真實性，又能最大程度地增強(qiáng)人機(jī)交互過程中對三維模型的可操作性。

4 基于Multigen Creator 的橋梁三維建模實例

本文選用了涵橋這一數(shù)據(jù)量稍小的橋梁作為實例，使用 Multigen Creator進(jìn)行建模。

4.1 橋梁數(shù)據(jù)采集

為獲取真實的數(shù)據(jù)首先需要到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機(jī)為其拍照獲取框架，所獲得的橋梁圖片如圖2所示。為使建模的橋梁數(shù)據(jù)盡可能的精確，還采用了人工現(xiàn)場勘測的方法獲取數(shù)據(jù)。

圖2 涵橋現(xiàn)場采集圖

4.2 橋梁模型各部分三維化

將框架進(jìn)行拆分，對所拆分的子部分逐一設(shè)立參數(shù)將其三維數(shù)字化。下面以箱梁為例，說明橋梁所分割出的子部件的三維建模方法。如前所述，在設(shè)計橋梁的三維模型時應(yīng)盡可能的考慮以后的重用，使得所分割的子部分可用于其它橋梁的構(gòu)件，而箱梁作為各種橋梁都要用的部件，非常適合于分割開來單獨建模。在箱梁的建模過程中，采用了“以直代曲”的思想，將曲線劃分成若干條支線，則縱橋向的曲線就變成由若干直線組成的集合體。而此集合體也正好符合二叉樹的表達(dá)方式，可使用中間節(jié)點存放運算符，使用葉節(jié)點存放運算數(shù)。圖3給出了箱梁的模型表示，其中上圖為參數(shù)化后的箱梁橫截面圖，下圖為一段梁體的頂點編號圖。設(shè)計人員在設(shè)計的過程中根據(jù)得到的數(shù)據(jù)控制橫截面參數(shù)和近似梁曲線坐標(biāo)，通過計算可得頂點的空間坐標(biāo)，以備在與其它部件拼裝時能夠找到對應(yīng)的接合點。

圖3 箱梁橫截面的參數(shù)及其頂點編號

4.3 橋梁部分模型的整合

將各子部分整合在一起形成完整的橋梁模型。在鐵路橋梁的設(shè)計中，橋梁需以鐵路的中軸線為定位標(biāo)準(zhǔn)，即鐵路線應(yīng)設(shè)計在橋梁的中間位置，對應(yīng)的可將鐵路中軸的第一個節(jié)點作為模型的原點，以此定義其后模型部件的坐標(biāo)。部件的定位又分為水平定位和切定位。水平定位是指與鐵路中軸線平行的部件的定位，如梁、護(hù)欄、溝槽等部件，這些部件的定位可以原點為起始，根據(jù)偏移量對其進(jìn)行平行后移即可。切定位是指與鐵路中軸線垂直的部件的定位，如橋墩和橋臺等部件，這些部件不僅需要水平方向的平移，還需要定位其高度上的平移，甚至還需計算器旋轉(zhuǎn)量（如橋梁牽引線）。

4.4 橋梁效果圖

在整合后的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行顏色和紋理的調(diào)整和設(shè)置，得到最終橋梁三維視覺圖，如圖4所示。

圖4 橋梁的三維模型效果

5 結(jié)束語

本文分析了鐵路橋梁三維建模的意義，提出了采用 Multigen Creator 對橋梁進(jìn)行三維建模的一般方法和步驟，最后以涵橋為例論述了三維建模的過程，對今后類似的鐵路橋梁三維建模工作提供一定的參考和幫助。

[1] 魏永勇 . 多層 DEM 建模及其在地層可視化中的應(yīng)用研究 [J].工礦自動化，2011（1）：9-12.

[2]王寶山，馮雪松，毛保華 . 鐵路車站三維視景生成方法 [J].中國鐵道科學(xué)，2012，33（4）：99-104.

[3]扈春霞 . 斜拉橋三維可視化的研究 [D].大連 ：大連理工大學(xué)，2008.

[4] 閔 陽 . 數(shù)字鐵路系統(tǒng)中三維可視化的研究 [J].鐵道勘測與設(shè)計，2010（4）：16.

責(zé)任編輯 陳 蓉

3D modeling of railway bridge based on Multigen Creator

LI Shengang
( Hanji Revamping/Expansion of Railway Project Construction Headquarters, Liaocheng 252000, China )

Three-dimensional visualization of railway bridge provided a exchange platform for designers, and also assisted decision support for technicians’ management and maintenance. By analyzing the characteristics of threedimensional data model and structural of bridges, this article proposed three-dimensional modeling methods for railway bridge based on Multigen Creator, and an example was showed to illustrate the method.

railway bridge; three-dimensional modeling; Multigen Creator

U242.5 ∶ TP39

：A

1005-8451（2015）01-0004-04

2014-08-29

李慎剛，高級工程師。