崔權(quán)維

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。該技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用，是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有著質(zhì)的飛躍。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷飛躍，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟，范圍越來越廣泛。近幾年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交互漫游系統(tǒng)方面的發(fā)展?jié)摿薮螅绕涫窃诖髨鼍叭S交互漫游方面的應(yīng)用。場景中模型的精確程度、交互程度、漫游的速度一直是人們研究的重點(diǎn)。國家和自治區(qū)大力開發(fā)新疆風(fēng)能資源，達(dá)坂城作為新疆重要的風(fēng)場之一，在風(fēng)電場建設(shè)的投資中，機(jī)組設(shè)備約占70%，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化、降低工程造價(jià)是風(fēng)電場大規(guī)模發(fā)展的需要［1］。風(fēng)機(jī)虛擬樣機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境的研究將大大提高風(fēng)機(jī)制造企業(yè)設(shè)計(jì)水平、降低施工費(fèi)用，為新疆乃至全國有效利用風(fēng)能資源做出貢獻(xiàn)。因此有必要對(duì)達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電場的交互場景漫游進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場模型建立

達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場模型包括:旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)、靜止的風(fēng)機(jī)、戈壁、樹木、雪山、高速公路、奔馳的小車等。

1.1 建立風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

系統(tǒng)中主要觀察與交互的是風(fēng)機(jī)模型，通過幾何模型建立虛擬場景的模型時(shí)會(huì)更加真實(shí)細(xì)致，同時(shí)用戶與三維場景中虛擬模型進(jìn)行交互更加便捷，在碰撞檢測時(shí)更加精確;通過實(shí)際測量的尺寸和設(shè)計(jì)圖紙來建立實(shí)體模型，即可創(chuàng)建虛擬場景中的真實(shí)模型。建模中需要的工作量很大，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求較高，模型越真實(shí)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間就越大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建模技術(shù)也越來越強(qiáng)大，幾何建模技術(shù)的缺點(diǎn)也越來越不明顯了［2］。本文采用幾何模型技術(shù)建立精確的風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，首先采用UG建立風(fēng)機(jī)的葉片、整流罩、輪轂、主軸、艙體、塔架等零部件。通過UG模型導(dǎo)出兩種類型風(fēng)機(jī)的STL文件，一種為整體的所有零部件都存在的風(fēng)機(jī)模型，另一種為只有外殼的風(fēng)機(jī)模型。將兩種模型分別導(dǎo)入3Dmax軟件中，重新構(gòu)造風(fēng)機(jī)的實(shí)體模型，不經(jīng)過優(yōu)化的模型占用存儲(chǔ)空間為6.34 M，優(yōu)化后的模型占用存儲(chǔ)空間為1.52 M。

1.2 建立天空、地貌、樹木和雪山模型

天空、地貌、樹木和雪山采用圖像繪制方法［3］進(jìn)行建模，通過數(shù)碼相機(jī)采集實(shí)地照片，通過圖像處理功能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和優(yōu)化，生成逼真的場景平面全景圖，然后選擇合適的空間模型把生成的全景圖布置到虛擬場景空間，從而實(shí)現(xiàn)全方位三維場景漫游的效果。針對(duì)天空的建模，本系統(tǒng)應(yīng)用半球法在3Dmax中進(jìn)行建模，數(shù)碼相機(jī)拍攝達(dá)坂城天空的圖片，進(jìn)行貼圖等處理。

對(duì)已有的文獻(xiàn)資料和研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，將當(dāng)前主要3D樹木建模方法劃分為3類:基于規(guī)則、基于草圖和基于圖像的建模方法，但是針對(duì)本系統(tǒng)中需要精簡面片減少存儲(chǔ)空間［4］。精簡模型個(gè)數(shù)的方法主要是將具有相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并。精簡面數(shù)有多種方式，包括在建模時(shí)降低截面段數(shù)、刪除模型之間的重疊面、用十字面片表現(xiàn)樹木體現(xiàn)復(fù)雜模型［5］。達(dá)坂城風(fēng)場中的虛擬樹木采用十字面片法進(jìn)行模型建立，效果如圖1所示，首先用相機(jī)拍攝真實(shí)達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電場中的樹木;其次采用Photoshop軟件對(duì)拍攝的照片進(jìn)行處理生成.tif文件;最后在3Dmax軟件中設(shè)置面片夾角大于45°角使用雙面貼圖處理，調(diào)整視角最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)景中樹木真實(shí)的建模。地貌的模型建立使用UVW貼圖方式，將物體的三維坐標(biāo)XYZ與目標(biāo)二維位圖的U、V坐標(biāo)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，調(diào)整U、V坐標(biāo)參數(shù)對(duì)原始圖片進(jìn)行平鋪［6］，此系統(tǒng)是模擬戈壁的土地效果，建立土地的材質(zhì)設(shè)置和其他模型有些不同，在材質(zhì)編輯器中需要編輯兩個(gè)地形材質(zhì)球，采用混合基本參數(shù)設(shè)定，在轉(zhuǎn)換區(qū)域上部設(shè)置值為0.75，下部設(shè)置值為0.25;其余設(shè)置選擇默認(rèn)狀態(tài)，這樣大面積的土地效果不會(huì)失真，效果會(huì)更加真實(shí)些。制作效果如圖2所示。

圖1 十字面片法建立樹木場景

圖2 3Dmax建立地面模型

本系統(tǒng)中采用的主要建模技術(shù)是基于圖像的建模技術(shù)，該技術(shù)不需建立模型，只需現(xiàn)實(shí)中真實(shí)圖像就可以生成具有真實(shí)感的合成場景，具有快速、簡單、逼真的特點(diǎn)，能快速實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化。當(dāng)然也存在局限性，實(shí)物不存在時(shí)，就不能建立虛擬場景。為了增加圖片逼真度，要采用高性能照相機(jī)和攝影裝置。

1.3 建立動(dòng)態(tài)對(duì)象

動(dòng)態(tài)對(duì)象的建立包括:轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)的葉片、行駛的小車、攝像機(jī)的移動(dòng)等。風(fēng)機(jī)傳動(dòng)部分的太陽輪和行星輪采用聯(lián)動(dòng)的幀數(shù)設(shè)置，通過葉片的旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力通過輪轂傳到主軸部分，再通過主軸傳遞給增速齒輪箱。行駛的小車中四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)加直行也在3Dmax的動(dòng)畫設(shè)置中完成的。整個(gè)場景中的全景視野追中采用兩個(gè)攝像機(jī)完成的。

2 達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場的三維可視化系統(tǒng)建立

靜態(tài)對(duì)象和動(dòng)態(tài)對(duì)象建模完成，在3Dmax中進(jìn)行其他處理，可以對(duì)多邊形添加材質(zhì)、光照、顏色、表面紋理等屬性提高景物的真實(shí)感、沉浸感［7］。包括:紋理貼圖、燈光的設(shè)置、攝像機(jī)的設(shè)置等。其中燈光的設(shè)置采用一個(gè)天光，考慮到場景規(guī)模過大所以采用三個(gè)泛光燈來避免丟失模型。

整個(gè)風(fēng)力發(fā)電場三維可視化系統(tǒng)的制作過程:①應(yīng)用photoshop處理紋理貼圖所用的素材庫和拍攝的照片;②在UG中完成風(fēng)機(jī)的精確建模，通過格式轉(zhuǎn)化在3Dmax中進(jìn)行模型優(yōu)化;③完成所有模型的建模及渲染洪培;④應(yīng)用外設(shè)輸入、輸出設(shè)備在Cyber Maker平臺(tái)中進(jìn)行交互三維顯示。

風(fēng)力發(fā)電場三維可視化的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場實(shí)現(xiàn)流程

3 達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場交互式漫游

為了在Cyber Maker平臺(tái)上進(jìn)行交互展示需要在3Dmax中導(dǎo)出達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場場景的ⅠVE文件，此文件通過在3Dmax中安裝一個(gè)OSG插件才可導(dǎo)出。Cyber Maker平臺(tái)可以兼容的文件包括ⅠVE文件和ⅠGS文件，但是ⅠGS文件相對(duì)需要存儲(chǔ)空間較大，再考慮兼容性和顯示效果ⅠVE文件要比ⅠGS文件好。在交互方面可以在Cyber Maker平臺(tái)添加輸入設(shè)備6自由度鼠標(biāo)，通過鼠標(biāo)拆裝風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的艙蓋來觀察風(fēng)機(jī)的內(nèi)部細(xì)致結(jié)構(gòu)以及齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，可以通過上下左右鍵控制漫游方向、節(jié)奏。戴上3D眼鏡便可身臨其境的感受到達(dá)坂城風(fēng)能發(fā)電場的三維場景，在環(huán)形屏幕中完全展現(xiàn)現(xiàn)場的運(yùn)作狀況與自然環(huán)境。整體效果圖如圖4所示。

圖4 Cyber Maker平臺(tái)中場景立體顯示

4 總結(jié)

通過3Dmax對(duì)整個(gè)達(dá)坂城風(fēng)場進(jìn)行靜態(tài)模型及動(dòng)態(tài)模型的建立，在該軟件中進(jìn)行模型的材質(zhì)、紋理等的一系列處理，對(duì)天空、地面、樹木等的建模過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后完成了整個(gè)達(dá)坂城風(fēng)場的全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再通過Cyber Maker平臺(tái)進(jìn)行交互漫游，可以選擇自動(dòng)漫游或者手動(dòng)漫游方式進(jìn)行交互操作，對(duì)達(dá)坂城風(fēng)場進(jìn)行細(xì)節(jié)性的觀察。

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