阮志敏 , 馬科富, 唐菲菲

(1.招商局公路信息技術(shù)(重慶)有限公司，重慶 400067； 2.成都西山居世游科技有限公司，成都 610041；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進，連接各城市和城鎮(zhèn)間的公路工程建設(shè)成為國家關(guān)注的重點之一，這為我國公路建設(shè)帶來了新的發(fā)展機遇，同時也給公路工程勘測、設(shè)計和施工帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)的公路設(shè)計成果均為紙質(zhì)文件，傳統(tǒng)方式存在表達不夠全面、細節(jié)及真實情況無法動態(tài)展現(xiàn)、精準程度不夠、設(shè)計過程中的問題不易發(fā)現(xiàn)等問題。

現(xiàn)代科技的發(fā)展尤其是智能感知技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，促使電子沙盤技術(shù)朝多樣化、智能化和藝術(shù)化的趨勢發(fā)展。新一代電子沙盤以傳統(tǒng)沙盤模型為基礎(chǔ)，融合了當(dāng)前先進的自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計算機圖形圖像處理技術(shù)，能夠準確地處理好各種數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建一個真實感強的電子沙盤[3-6]。電子沙盤系統(tǒng)的核心成為人與地理環(huán)境的場景鏡像及虛擬交互。目前，主流電子沙盤構(gòu)建方法以公路設(shè)計軟件如Autodesk InfraWorks、Bentley LumenRT、DPX及三維地理信息軟件如CityMaker、Supermap、ArcGIS等平臺為基礎(chǔ)[7-8]，結(jié)合公路設(shè)計過程，融合設(shè)計及地形資料，綜合體現(xiàn)未來實施后的效果。盡管該類軟件在構(gòu)建效率及準確性上具有充分優(yōu)勢，但在光線環(huán)境的影響表達、模型細膩程度、動態(tài)配景模型、碰撞反饋、視角切換、沉浸式體驗等方面略遜一籌。

為此，本文將采用游戲引擎實現(xiàn)三維場景構(gòu)建和模擬技術(shù)[9]，為充分利用游戲引擎精細逼真的沉浸式場景，采用UE4引擎導(dǎo)入道路模型，經(jīng)過材質(zhì)渲染后道路及場景更加真實，同時制作真實地形，其地形貼圖質(zhì)量更好，真實性更高，交互能力更強，并具有世界組合、LOD渲染等功能，對大地形的管理與渲染更為方便，在成果展現(xiàn)細膩程度、交互體驗上更有優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計流程

公路工程電子沙盤制作過程歷經(jīng)數(shù)據(jù)準備、地形導(dǎo)入、模型制作和成果輸出等階段，如圖1所示。項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地形高程數(shù)據(jù)、DXF文件、貼圖數(shù)據(jù)等。沙盤制作時，首先須檢查地形的真實性、公路模型的完整性以及貼圖的正確性；其次預(yù)處理數(shù)據(jù)、計算UE4場景坐標(biāo)和真實坐標(biāo)系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系，并導(dǎo)入UE4引擎，生成地形和公路模型；最后，配合UE4引擎的世界組合功能，便可輕松搭建并管理超大地形場景。

圖1 公路工程電子沙盤流程

1.2 功能設(shè)計

電子沙盤的功能設(shè)計是要實現(xiàn)公路工程的成果融合和設(shè)計指標(biāo)的模擬，同時具備量算和一定的地形分析功能，如距離、面積、體積的量算和通視、剖面、淹沒的分析[10-12]，旨在實現(xiàn)地形信息檢索(查詢?nèi)我饽车氐牡乩碜鴺?biāo)和海拔高度)、行駛模擬(交通工具在公路上的行駛模擬)、地物詳細表示(反映和實地一樣的地表形態(tài)，植被、道路、橋梁、隧道、居民地)等功能，如圖2所示。

圖2 功能模塊設(shè)計

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本研究應(yīng)用UE4引擎結(jié)合Visual Studio.NET開發(fā)環(huán)境，采用C++開發(fā)語言，搭建開發(fā)環(huán)境及相關(guān)插件包進行開發(fā)和功能實現(xiàn)。采用World Machine工具處理地形高程數(shù)據(jù)以及建筑紋理貼圖，將地形和建筑模型導(dǎo)入UE4引擎，再利用C++解決方案實現(xiàn)規(guī)劃電子沙盤的實際功能。開發(fā)過程中使用PathFollow插件解決讀取設(shè)計路線的坐標(biāo)，生成與道路匹配的路徑軌跡，實現(xiàn)模擬駕駛功能，能夠真實地反映車輛在道路、橋梁、隧道中的行駛情況[13-14]。

2.1 地形模型制作

1) 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

將地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高程柵格圖像通用格式(HF2/HFZ)，查看并記錄此地形數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，如地形的面積、長寬比、最大高程、最低高程等，根據(jù)長寬比和面積計算出地形的實際長寬。

2) 地形處理

利用World Machine地形處理軟件新建項目，主要參數(shù)設(shè)置如下：(1) 項目的長寬設(shè)為地形計算的長寬；(2) 地形垂直規(guī)模要大于地形的最大高度且是512的倍數(shù)；(3) 分辨率建議設(shè)置為UE4推薦分辨率，導(dǎo)入UE4引擎后會調(diào)整到推薦分辨率，如表1所示。

新建File Input節(jié)點，導(dǎo)入HFZ地形文件，設(shè)置長寬為地形的長寬。新建Height Output節(jié)點連接File Input節(jié)點，導(dǎo)出指定格式RAW16高度圖。如果地形較大，可以分塊導(dǎo)出為多個高度圖來保證地形的精度。

表1 UE4推薦分辨率

3) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入

由于UE4引擎以cm為單位，真實地形以m為單位，需要保證導(dǎo)入地形與真實地形單位相同，在不同的單位尺度和高程系統(tǒng)中，要明確Z軸方向高程的對應(yīng)關(guān)系，需要確定電子沙盤與現(xiàn)實真實地形之間的比例關(guān)系。設(shè)置準確的放縮倍數(shù)后導(dǎo)入地形，添加RAW16格式高度圖文件。放縮尺度計算如式(1)：

(1)

式中：SMx、SMy、SMz均為真實準確的放縮倍數(shù)；Lx、Ly分別為高程灰度圖在X/Y方向的實際尺寸，m；Ux、Uy分別為規(guī)則格網(wǎng)X/Y方向上的尺寸推薦值，取表1的推薦參數(shù)；Hset為World Machine中設(shè)置的垂直規(guī)模。由于UE4引擎以cm為單位，真實地形以m為單位，公式中需乘以100換算單位。

UE4中設(shè)置總體分辨率為World Machine中設(shè)置的分辨率，此時會自動調(diào)整到相近的推薦分辨率。放縮倍數(shù)確定后，真實地形的坐標(biāo)與UE4坐標(biāo)可以根據(jù)固定的公式相互轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如式(2)，其中真實放縮倍數(shù)通過公式(1)中計算得到，放縮倍數(shù)是UE4實際設(shè)置的倍數(shù)，如設(shè)置值與真實放縮倍數(shù)相同，則地形與真實地形規(guī)格相同。

(2)

式中：Xu、Yu、Zu均為場景中坐標(biāo)；Xd、Yd、Zd均為真實地理坐標(biāo)；Sx、Sy、Sz均為導(dǎo)入場景中實際設(shè)置的放縮倍數(shù)。綜合公式(1)可知，若UE4設(shè)置的放縮倍數(shù)值與真實放縮倍數(shù)值相同，則場景地形與真實地形規(guī)格相同。

導(dǎo)入地形的同時，創(chuàng)建并使用地形貼圖材質(zhì)，將對應(yīng)的航片或衛(wèi)片作為表面貼圖。由于場景中單張貼圖最大只支持8 129×8 129分辨率的數(shù)據(jù)，若需要構(gòu)建更大場景，需要采用世界組合功能?？煞謮K導(dǎo)出高度圖，在一個文件夾中創(chuàng)建多個場景，每個場景導(dǎo)入一個塊地形，導(dǎo)入完成后，根據(jù)各個塊地形的位置關(guān)系，設(shè)置每個地形到正確的位置。選擇一個場景作為主場景，在軟件設(shè)置面板中勾選Enable World Composition，打開世界組合功能，將各個場景的塊地形加載到主場景。

在保證三維場景幾何分辨率滿足工程地圖比例尺的前提下，若導(dǎo)入的地形太大，為節(jié)約內(nèi)存，提升實時渲染效率，設(shè)置LOD參數(shù)，通過修改SubSection Min Component ScreenSize、Desired Max Draw Distance等屬性，使得屏幕內(nèi)容顯示更詳細，適當(dāng)調(diào)整繪制距離，實現(xiàn)提高加載及渲染速度。

2.2 交通及配景模型導(dǎo)入

準備好地形基礎(chǔ)場景后，開始搭建交通行業(yè)相關(guān)地物，主要集成道路、橋梁、隧道、交通設(shè)施、周邊配景等各類模型。

道路模型主要包含道路、橋梁、隧道等設(shè)計模型，為保證真實度，直接對接BIM設(shè)計模型。BIM設(shè)計過程是在工程設(shè)計軟件中實現(xiàn)，并轉(zhuǎn)換為通用的三維格式，在UE4場景中進行位置轉(zhuǎn)換、貼圖紋理材質(zhì)處理、碰撞屬性的設(shè)置等模型的優(yōu)化處理。與此同時，BIM所體現(xiàn)的模型信息不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象(如空間、運動行為)的狀態(tài)信息。采用AutoCAD Civil 3D、Revit和Bentley OpenRoads Designer等道路BIM設(shè)計軟件，設(shè)計道路、橋梁、隧道等模型并導(dǎo)入到UE4地形場景中，保證交通模型的真實比例，準確表達未來實際施工后的真實效果。

交通設(shè)施模型包含交通機電、交通標(biāo)志、標(biāo)牌標(biāo)線、柵欄、公交站、垃圾桶等，可采用3D Max制作或使用通用的路標(biāo)、柵欄、公交站、垃圾桶、路邊巖石等三維模型，轉(zhuǎn)為FBX格式導(dǎo)入到UE4地形場景中。

配景模型包含周邊房屋、水系、植被、路邊巖石等模型。利用UE4所提供的插件工具，如應(yīng)用SpeedTree插件制作植物模型，準備花草樹木的透明圖片(PNG或者TGA格式)作為素材，調(diào)整參數(shù)使植被分布均勻，導(dǎo)入素材圖片，為植被貼圖制作一些法線高光貼圖，添加適當(dāng)風(fēng)力，模擬現(xiàn)場實際動態(tài)效果，并導(dǎo)入到UE4地形場景中。將所有模型集成，地物模型效果圖如圖3所示。

圖3 地物模型效果圖

2.3 地物信息及位置檢索實現(xiàn)

BIM對設(shè)計成果的要求不僅應(yīng)有外形尺寸，還應(yīng)有相關(guān)的屬性信息。其中地物屬性查詢和空間坐標(biāo)顯示也是必要功能，這些方面都可通過編輯關(guān)卡藍圖的方法來實現(xiàn)，如圖4所示。如實現(xiàn)地形坐標(biāo)信息檢索，可利用公式(2)計算出地形坐標(biāo)及海拔高度，查詢相應(yīng)坐標(biāo)位置的地物及信息。

圖4 空間坐標(biāo)查詢藍圖

2.4 行駛模擬實現(xiàn)

1) 數(shù)據(jù)準備

將道路上車輛行駛軌跡坐標(biāo)輸出為表格數(shù)據(jù)CSV格式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 路線軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)

2) 制作路徑

(1) 藍圖實現(xiàn)

新建結(jié)構(gòu)體，編輯結(jié)構(gòu)與表2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保持一致，導(dǎo)入CSV數(shù)據(jù)；新建繼承自Actor的藍圖類，添加SpLine組件；編輯藍圖，在藍圖構(gòu)造函數(shù)中通過Get Data Table Column as String節(jié)點讀取結(jié)構(gòu)表中的數(shù)據(jù)，并通過循環(huán)將點添加到路徑上。路徑藍圖如圖5所示。

(2) C++實現(xiàn)

新建繼承自Actor的C++類，在構(gòu)造函數(shù)中添加SpLine組件；新增函數(shù)讀取路線CSV數(shù)據(jù)至字符串中，解析字符串；調(diào)用GetCSVDataToMap函數(shù)，將返回的路徑點數(shù)組設(shè)置到車輛軌跡路徑上，并初始化路徑。

圖5 路徑藍圖

3) 模擬運動

(1) 藍圖實現(xiàn)

新建繼承自Actor的藍圖類；添加骨骼模型組件和PathFollow組件，在骨骼模型組件上添加交通工具模型；將模型Actor和路徑Actor添加至場景中，在PathFollow組件上設(shè)置跟隨對象為路徑Actor；根據(jù)需要設(shè)置運動速度、循環(huán)等屬性。

(2) C++實現(xiàn)

新建繼承自Actor的C++類；在構(gòu)造函數(shù)中添加骨骼模型組件和PathFollow組件，并為骨骼模型組件添加交通工具模型；重寫父類函數(shù)BeginPlay()，模擬開始時在場景中實例化一條路徑，并調(diào)用路徑Actor的Init函數(shù)初始化路徑；調(diào)用UPFPathFollowerComponent中的SetPathOwner函數(shù)，設(shè)置跟隨對象的路徑；根據(jù)需要設(shè)置速度、循環(huán)等屬性，調(diào)用Start函數(shù)開始模擬交通工具的運動狀態(tài)。

在編輯器新增動畫藍圖，為汽車模型添加動畫，實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向、切換駕駛員視角、從駕駛員的角度驗證公路的設(shè)計指標(biāo)、有無遮擋、在不同季節(jié)、不同時間點的光照環(huán)境對駕車的影響，模擬以后真實環(huán)境中的駕車體驗。

2.5 場景集成

應(yīng)用以上的研究及操作過程，集成交通行業(yè)關(guān)注的模型及功能，完成公路工程電子沙盤的構(gòu)建，所有交通相關(guān)的要素集成到場景中，將項目成品歸檔，打包導(dǎo)出可獨立運行的程序。電子沙盤效果圖如圖6所示。

圖6 電子沙盤效果圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用與評價

本文研究內(nèi)容在忠縣州屏組團交通數(shù)字模型制作項目中得到應(yīng)用，取得良好的展現(xiàn)和交互效果，具有良好的實用性，集成了交通要素各構(gòu)造物的信息，如路基、路面、橋梁、涵洞、隧道、排水系統(tǒng)、安全防護設(shè)施、綠化和交通監(jiān)控等設(shè)施，展現(xiàn)出其獨特的區(qū)位特點和交通規(guī)劃組織方案。

在傳統(tǒng)電子沙盤制作的技術(shù)路線基礎(chǔ)上，應(yīng)用具有逼真交互為特性的游戲引擎制作公路工程電子沙盤，從交互游戲的視角體現(xiàn)公路設(shè)計成果，更容易普及推廣。同時，在電子沙盤的基礎(chǔ)中，加入管理和維護單位的工作業(yè)務(wù)，融合各個部門的業(yè)務(wù)流程，可直接升級到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的信息化管理平臺，在模擬仿真與管理方面，都有很好的應(yīng)用點，較傳統(tǒng)方式更智能、更精確。該電子沙盤展現(xiàn)方式還可用于交通管理，可提高管理的效率和質(zhì)量，從而獲得更好的社會經(jīng)濟管理效益，可廣泛用于城市規(guī)劃設(shè)計及管理領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

本文將基于UE4引擎構(gòu)建公路工程電子沙盤，擴展為電子沙盤立體式、互動性、多元化的展現(xiàn)形式，將傳統(tǒng)的二維展示方式和三維靜態(tài)模型方式升級為三維動態(tài)數(shù)字虛擬模式，無論是從視覺，還是立體逼真效果，都帶來一種全新化的互動式體驗。這種創(chuàng)新服務(wù)應(yīng)用極大驗證了公路工程設(shè)計的精準度和設(shè)計效果，能夠充分動態(tài)表達設(shè)計意圖和成果。公路工程電子沙盤的應(yīng)用必將推進交通設(shè)計與管理的創(chuàng)新和發(fā)展，將科技虛擬展覽、展示形式與傳統(tǒng)的信息傳播載體相融合，在未來諸多領(lǐng)域必定都會得到升級與應(yīng)用。