趙 艷，范少華，張惠林

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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水電站樞紐虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

趙 艷，范少華，張惠林

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文主要介紹了水電站樞紐布置及其周圍地理環(huán)境的虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法及最后實(shí)現(xiàn)的功能。利用AutoCAD從工程圖紙中抽取較為精確的模型數(shù)據(jù)，輸入3DS中，在3DS中逐步調(diào)整各種模型的材料屬性，使之接近真實(shí)物體。最后，將3DS模型數(shù)據(jù)和材料屬性轉(zhuǎn)化成能使用的格式。

水電站；樞紐；地理環(huán)境；虛擬環(huán)境；模型數(shù)據(jù)

0 前 言

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種科學(xué)可視化方法，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)最熱門的技術(shù)之一，使人們可以將任何想象的環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)，以最自然的動作與這種虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行交流。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用(虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷、汽車制造設(shè)計(jì)等等)，實(shí)現(xiàn)了水電站樞紐布置及其周圍地理環(huán)境的虛擬環(huán)境，使得用戶能夠運(yùn)用小小的鼠標(biāo)突破物理、空間、時(shí)間的限制，充分領(lǐng)略水電站大壩的雄偉風(fēng)姿，輕松徜徉于大壩的任意一個部位。本文主要闡述了從另一種常用硬軟件環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法及拱壩虛擬環(huán)境系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

1 拱壩虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)將客觀世界的局部仿造出來，并且允許用戶利用自然的動作與這個仿造的局部世界進(jìn)行交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺。“虛擬”指的是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所產(chǎn)生的局部世界是虛構(gòu)的，而“現(xiàn)實(shí)”說明對于進(jìn)入這一虛構(gòu)的局部世界的人來說，在感覺上是進(jìn)入了現(xiàn)實(shí)世界。虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)組成

一個基本的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由以下幾個部分組成：

虛擬環(huán)境：由虛擬環(huán)境發(fā)生器產(chǎn)生；且可讓使用者通過傳感器件和作用器件與之交流，這種交流使用戶全身心進(jìn)入這一環(huán)境(即浸入，immersion)；所以虛擬環(huán)境向人們提供了一種新型的人機(jī)界面。

傳感器件：它是被用來將虛擬環(huán)境中的物體的形象、動作、聲音、力反饋等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使人能夠獲得視覺、聽覺、觸覺等多方面的感覺，這些感覺和他在實(shí)際環(huán)境中經(jīng)歷的一致。

作用器件：被用來將人的一些約定動作(如走動、轉(zhuǎn)動、手勢等)變成作用信息，讓虛擬環(huán)境(最終是讓虛擬環(huán)境發(fā)生器)有所察覺。

人：人通過傳感器件感受虛擬環(huán)境的存在，又通過作用器件去影響虛擬環(huán)境，使其作出相應(yīng)的變化。

虛擬環(huán)境發(fā)生器：產(chǎn)生使用者所需要的虛擬環(huán)境；且能通過作用器件傳來的作用信息，了解使用者的位置和動作，并對已產(chǎn)生的虛擬環(huán)境作出相應(yīng)的修改。虛擬環(huán)境發(fā)生器包括PC級的虛擬環(huán)境發(fā)生器、工作站級的虛擬環(huán)境發(fā)生器、高度并行的虛擬環(huán)境發(fā)生器、基于Client/Server的虛擬環(huán)境發(fā)生器。

虛擬環(huán)境主要有三個特征：沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、構(gòu)想(Imagination)。它以仿真方式給用戶創(chuàng)造一個實(shí)時(shí)反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖形世界，使用戶直接參與和探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化。

1.2 虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到硬件設(shè)備狀況，選用了Silicon Graphics Inc. 的Indigo2機(jī)型。Indigo2在該開發(fā)階段是一種高性能圖形工作站，采用Mips 250MHz主頻CPU R4000；具有兩個PP1象素管道處理器，提供混合、深度和抖動；一個GE11幾何圖形/圖象發(fā)生器；一個RE4光柵發(fā)生器，能作120M/Sec象素填充。虛擬環(huán)境系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)框圖

1.2.2 三維模型的建立

一個對象的三維空間模型一般以面來表示。每個面由三個頂點(diǎn)(Vertex〕按右手法則組成，保證其每個面的法向量朝外。在三維顯示時(shí)，光照效果需由法向量來生成。如一個四面體，可按如下定義來生成(見圖3)。

圖3 四面體

物體的材料屬性則由 散射光譜(Diffuse Color〕、周圍光譜(Ambient Color)、反射光譜(Specular Col-

or)、發(fā)射光譜(Emissive Color)、透明度(Transparency〕和光澤度(Shininess)組成，除透明度和光澤度由一個數(shù)值表示外，其余均由R G B三數(shù)表示屬性。如某一種玻璃狀物體可定義如下格式。

Material Glass {

ambientColor 0.187 0.155 0

diffuseColor 0.552 0.748 0

specularColor 0.861 0.861 0.861

emissiveColor 0 0 0

shininess 0.939

transparency 0.345 }

水電站樞紐布置的三維模型列表如圖4。

圖4所示的樞紐布置模型十分復(fù)雜，數(shù)量較多，必須使用專門的建模工具方可展開工作。選擇了AutoDesk公司的Auto CAD 和 3D Studio。利用Au-toCAD從工程圖紙中抽取較為精確的模型數(shù)據(jù)，輸入3DS中，在3DS中逐步調(diào)整各種模型的材料屬性，使之接近真實(shí)物體。最后，將3DS模型數(shù)據(jù)和材料屬性轉(zhuǎn)化成我們所能使用的格式。圖5展示了大壩的三維空間模型。

圖4 樞紐布置三維模型列表

圖5 大壩模型 Vertex：9420 Faces：17027

1.2.3 虛擬環(huán)境生成器

當(dāng)有了三維數(shù)據(jù)模型后，需要依靠虛擬環(huán)境生成器來根據(jù)用戶的輸入信息，實(shí)時(shí)的生成真實(shí)世界的模擬圖象。

如果不借助商品化的VR編程工具，開發(fā)VR應(yīng)用是非常困難的。需要開發(fā)者具備網(wǎng)絡(luò)、造型、實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)、面向?qū)ο?、仿真等多方面的知識。利用SGI公司的Performance進(jìn)行編程。在 SGI平臺運(yùn)行的Performance庫，是專門用于虛擬環(huán)境、視覺仿真的一個高性能的圖形庫。Performance面向硬件結(jié)構(gòu)，能提供多通道的高解析度(1 280×1 024)輸出，支持多個CPU。能根據(jù)硬件配置，自動調(diào)整選擇最佳運(yùn)行狀態(tài)，以產(chǎn)生每秒30幀的光滑畫面輸出，支持第三方廠家的數(shù)據(jù)文件。利用Performance庫，編制了應(yīng)用程序Simulator。Simulator的結(jié)構(gòu)框圖見圖6。

圖6 虛擬環(huán)境發(fā)生程序的結(jié)構(gòu)框圖

由于大壩模型組成部分眾多(如圖4所示)，若將全部模型調(diào)入，數(shù)據(jù)量巨大，運(yùn)行速度慢，視覺感官不甚流暢，所以我們提供了可選擇性地調(diào)入所需三維模型的功能，用戶可根據(jù)需要調(diào)入模型，例如，用戶可只調(diào)入大壩的模塊，而無須將地下廠房和地形模塊調(diào)入。另外，考慮到用戶在復(fù)雜繁多的虛擬環(huán)境中漫游容易迷失方向，又特意編制一程序與虛擬環(huán)境發(fā)生程序進(jìn)行通訊，建立數(shù)據(jù)通道，實(shí)時(shí)取得用戶視點(diǎn)的當(dāng)前三維位置，并在虛擬環(huán)境界面旁邊生成一個俯視的平面示意圖。大壩的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)如圖7所示。

2 虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)的功能

在系統(tǒng)中，因受到設(shè)備的限制，可采用大屏幕作為圖象輸出設(shè)備，用鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備，系統(tǒng)的交互手段較為簡單。用戶利用鼠標(biāo)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，通過鼠標(biāo)控制漫游方向及速度，另外，還可通過從菜單中設(shè)置運(yùn)動方式改變交互方式。

根據(jù)運(yùn)動規(guī)律，模擬人在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動情況，提供了三種運(yùn)動模式：跟蹤(Track)、行走(Drive)、飛行(Fly)。

(1)跟蹤(Track)，根據(jù)鼠標(biāo)的狀態(tài)可以任意移動、翻轉(zhuǎn)對象。用戶的視點(diǎn)在對象外部。

(2)行走(Drive)，模擬人在地面的行走狀態(tài)。一般被限制在離地面0.5 m，如果小于這個數(shù)值，會引發(fā)碰撞，反彈回去。這種狀態(tài)下，用戶可以任意前進(jìn)、后退、加速、轉(zhuǎn)彎。能得到真實(shí)物理世界無法得到的感受。

(3)飛行(Fly)，模擬飛行狀態(tài)。系統(tǒng)捕捉鼠標(biāo)狀態(tài)，用以形成飛行的路徑、方向、加速度等。碰撞測試打開后，如碰到任何物體，都會被反彈。若碰撞測試關(guān)閉，則產(chǎn)生“穿墻”的效果。這種狀態(tài)下，能體會到虛擬環(huán)境無法比擬的感受。

用戶可利用這三種方式輕松游覽于水電站樞紐環(huán)境中。其中，跟蹤可以用鼠標(biāo)任意移動、翻轉(zhuǎn)對象(用戶的視點(diǎn)在對象外部)；行走模擬人在地面的行走狀態(tài)；飛行可以設(shè)置碰撞模式，碰撞模式若開啟，則會有反彈效果，碰撞模式若關(guān)閉則為可穿墻狀態(tài)，用戶可穿越障礙物任意飛翔進(jìn)行漫游。

圖7 水利樞紐的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

3 結(jié) 語

虛擬環(huán)境作為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的前沿之一，目前已大量應(yīng)用于化工、航天、制造業(yè)、娛樂業(yè)等領(lǐng)域。初步實(shí)現(xiàn)的水電站大壩虛擬環(huán)境，直觀形象的再現(xiàn)了水電站樞紐的雄偉氣勢，對于今后其它大壩的設(shè)計(jì)施工都有著很好的輔助作用，可以給設(shè)計(jì)人員以明了直觀的啟示，清楚自己的設(shè)計(jì)思路，加快設(shè)計(jì)過程，減小設(shè)計(jì)周期，節(jié)約開支和投入。

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2016-02-23

趙艷(1980-)，女，山東蘭陵人，碩士，高級工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TV7,TP391.9

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1003-9805(2016)04-0039-04