王妙婷

(陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院 經(jīng)濟與金融管理學院， 咸陽 712000))

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)開始被廣泛的應用在各個領(lǐng)域，并引領(lǐng)者現(xiàn)代人們的生活。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為信息技術(shù)應用的一個重要方面，具有沉浸性、體驗性和漫游性等特點，從而受到各方面的重視。如伍朝輝(2016)結(jié)合虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢[1]，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到交通方面，通過應用極大提高了交通規(guī)劃的效率。與此同時，對建筑設計來講，如何提高建筑規(guī)劃設計的效率，并通過這種虛擬的方式對設計效果進行修改，是當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑領(lǐng)域應用的關(guān)鍵。但是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)來講，單純的虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然可以產(chǎn)生沉浸感，但是在實際的展示過程中，很難達到人們滿意的結(jié)果。對此，人們提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到建筑設計中，如肖健(2016)則提出了在建筑設計領(lǐng)域中應用OpenGL虛擬仿真的價值和意義[2]；黃珍[3]、朱耀麟[4]等則給出了虛擬仿真軟件在建筑中應用的實例，從而為當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用提供了借鑒。本文結(jié)合上述的需求，提出一種基于OpenGL軟件的建筑虛擬仿真展示平臺，并對該平臺進行了詳細的闡述和設計。

1 系統(tǒng)設計原則

結(jié)合虛擬建筑展示的相關(guān)要求，同時根據(jù)系統(tǒng)設計的目的，在對本系統(tǒng)的設計中主要依據(jù)以下幾個原則：

第一，真實性。作為對建筑物的一種虛擬展示，在對本系統(tǒng)的設計中，對各種建筑實體模型和建筑虛擬環(huán)境的構(gòu)建都要與實際的建筑環(huán)境有較好的相似性，從而使得用戶在進入到該平臺的時候，能夠身臨其境。因此，在對該虛擬平臺進行構(gòu)建的過程中，要盡量保證建筑場景的真實感。

第二，實用性。在對平臺的設計中，界面要友好，同時各種功能操作方便，同時對硬件各方面的要求要低，以此更好的支持建筑設計、施工等的利用。

第三，系統(tǒng)設計需要預留功能擴展接口，進而方便對系統(tǒng)進行二次開發(fā)。對此，本系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，引入OpenGL開發(fā)軟件和C#語言，并借助.NET體系完成對類的繼承和重新，進而實現(xiàn)對不同功能的擴展。

第四，協(xié)作性?？紤]到該系統(tǒng)使用的不同角色，在對該系統(tǒng)進行設計的過程中，則需要采用多用戶協(xié)作管理的方式，包括遠程訪問數(shù)據(jù)庫和不同的使用權(quán)限等。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 系統(tǒng)功能設計

在對該平臺進行設計的過程中，需要為用戶提供建筑虛擬環(huán)境創(chuàng)建、虛擬場景管理、場景交互等。因此，結(jié)合該設計的目標，將該系統(tǒng)整體功能設計為如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設計

在虛擬場景的創(chuàng)建模塊中，主要包括3d文件導入、真實感模型、虛擬環(huán)境創(chuàng)建等功能。而在3D模型導入階段，主要是導入外部的建筑三維立體模型。真實感模型主要對構(gòu)建的三維立體模型的材質(zhì)、透明度和紋理等進行設置，進而完成對虛擬仿真模型的渲染。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建主要是對建筑設計或者是施工中的場景進行構(gòu)建，包括走廊、施工場地、天空等等一系列環(huán)境的模擬；

虛擬場景管理模塊則主要包括虛擬場景的渲染、漫游控制等。其中渲染控制主要是對部分試題的仿真數(shù)據(jù)的模式進行選擇，進而根據(jù)其中的參數(shù)對環(huán)境進行不同方式的渲染。比如在設計中需要設計下雨天氣下的建筑施工環(huán)境，則需要設置不同的天氣參數(shù)。而在漫游控制中還包括視角控制和動態(tài)虛擬控制。視角控制是對三維坐標視角進行實時轉(zhuǎn)換、縮放等，而動態(tài)虛擬控制則對構(gòu)建的工序、吊塔等進行控制。

虛擬場景的交互主要是獲取相應的仿真數(shù)據(jù)，并對場景進行控制和信息交換；

數(shù)據(jù)管理部分主要是對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進行管理，從而更好的對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行維護；

權(quán)限管理主要對不同的使用權(quán)限進行劃分，進而讓系統(tǒng)各歸其位，不同角色擁有不同的功能。

2.2 整體架構(gòu)設計

根據(jù)上述的功能模塊，將該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設計，如圖2所示。

3 系統(tǒng)部分功能實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

OpenGL(Open Graphics Library)，是一個可靈活調(diào)用的開放式底層圖形庫，具有非常強大的功能，并被廣泛的應用在三維圖像跨平臺編程接口中[5-6]。在OpenGL軟件中，擁有獨立的操作窗口，并結(jié)合其應用程序，可靈活的在各種操作平臺上進行移植。與此同時，OpenGL軟件可與Visual C++接口連接，bi進實現(xiàn)相關(guān)的計算和圖形算法，以確保算法運行的可靠性和穩(wěn)定性。正是由于OpenGL軟件自身的優(yōu)勢，使得其被廣泛的用在三維演示系統(tǒng)接口的編程之中。OpenGL工作原理如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

圖3 OpenGL軟件工作流程

在圖3中可以看出，客戶端程序首先從OpenGL中調(diào)用不同的文件函數(shù)，包括glu32.dll、opengl32.dll，然后在將請求傳遞給Win32 DDI，最后通過驅(qū)動程序?qū)⑻摂M仿真結(jié)果顯示出來。在本文的實現(xiàn)中，用戶通過調(diào)用OpenGL客戶端，然后與服務器進行交互，并通過其中的調(diào)用文件完成對虛擬建筑的仿真模擬。

3.2 3D文件導入

在實際的三維圖形程序構(gòu)建中，考慮到OpenGL的建模功能不齊全，所以在對三維建筑模型進行設計的過程中，需要借助相應的三維軟件進行建模，進而更好的實現(xiàn)對虛擬常見的搭建。對此對比當前的三維軟件，本文則提出一種采用3dMAX對三維建筑模型進行構(gòu)建[7-13]。具體則是將構(gòu)建的帶3dMAX的三維模型文件導入到OpenGL中，從而減少了傳統(tǒng)OpenGL軟件構(gòu)建三維模型的工作量。

3.3 3D動畫顯示和渲染

在完成3D文件的導入之后，還需要對三維立體模型進行模擬，進而實現(xiàn)動畫。在本文系統(tǒng)中，則引入OpenGL雙緩存技術(shù)完成對動畫的顯示[14-16]。即當前臺在緩存顯示畫面的時候后臺緩存則生成下一幀的畫面，而當畫面在生成以后，通過交換緩沖的方式，將畫面展示出來。與此同時，前臺緩存開始進入到下一幀畫面的生成。由此通過上述步驟的反復循環(huán)，完成對畫面的連續(xù)性展示。上述的過程，如圖4所示。

在圖4中看出，程序首先是啟動動畫畫面，然后顯示建筑虛擬仿真開始和結(jié)束的時間；其次，判斷開始時間和結(jié)束時間，如開始時間Ts大于結(jié)束時間Es，那么動畫結(jié)束，反之則繼續(xù)；第三，對每個實體動畫進行判斷，如果Ts大于Es，那么此時動畫畫面不變換，并等待下一幀動畫，如果小于，在判斷動畫是否已經(jīng)結(jié)束，如果沒有結(jié)束，那么計算相應的變換矩陣，并結(jié)合該變化矩陣對模型進行渲染，如結(jié)束，則乘以最后的變換矩陣，并讓模型處在最后的這個坐標位置當中；第四，計算插值系數(shù)n，并根據(jù)插值系數(shù)計算變換矩陣，從而更好的變化不同的模型位置；第五，根據(jù)現(xiàn)實列表進行實體繪制，并使用auxSwapBuffers(void)命令，對新位置的模型進行生成；第六，對下一輪的實體模型進行繪制和顯示，并每間隔一定時間重新進行繪制和顯示。在第二幀完成后的每幀開始時，將開始時間設定為Ts+=alterTime，并繼續(xù)進行第二步循環(huán)。

圖4 基于OpenGL的動畫生成流程圖

4 界面展示

通過上述的設計，模擬建筑天氣參數(shù)為夜晚，進而可以得到動畫界面，如圖5所示。

5 總結(jié)

通過上述的設計可以看出，通過3dmax三維建模軟件的建模，然后將3dmax文件導入到OpenGL，并通過OpenGL的渲染，實現(xiàn)了對不同場景下的建筑虛擬環(huán)境的構(gòu)建，進而通過這種動畫的場面，為人們提供了一種具有沉浸感和真實性的建筑環(huán)境，以此更好的提高了建筑設計和施工的效率，為當前信息技術(shù)在建筑領(lǐng)域的靈活應用提供了新的參考。

圖5 虛擬夜間建筑場景