武江瑞 錢建新 成新民

（1.湖州師范學(xué)院 浙江省湖州市 313000 2.湖州市特種設(shè)備檢測研究院 浙江省湖州市 313000）

1 引言

伴隨著當(dāng)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，壓力管道廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中,如傳統(tǒng)化工、電力、冶金等[1]。室外壓力管道自建設(shè)以來，一直采用人工檢測手繪圖紙方式對(duì)管線進(jìn)行管理，圖紙經(jīng)過長時(shí)間的使用會(huì)出現(xiàn)損壞遺失等情況，對(duì)室外壓力管道的管理帶來重重阻礙。室外壓力管道直觀有效的管理是當(dāng)前所面臨的急需解決的問題，采用三維的管網(wǎng)管理方式相比傳統(tǒng)二維方式直觀性更強(qiáng)，可以從不同的方位重建物體，具有較強(qiáng)的逼真度和立體度，是解決這種矛盾的有效方式[2-3]。國內(nèi)近年來對(duì)管網(wǎng)三維模型的研究方向，主要還停留在基于三維建模軟件例如Blender、Catia 等，采用手工或者半手工的方式對(duì)管線進(jìn)行建模[4]。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與三維可視化技術(shù)的發(fā)展，城市室外壓力管網(wǎng)的科學(xué)管理具有了更加高效的方式[5-6]。

本文基于Three.js 在瀏覽器端對(duì)室外壓力管道三維模型進(jìn)行展示，通過對(duì)三維管線結(jié)構(gòu)和模型的分析，對(duì)管線進(jìn)行簡化剖分，采用數(shù)學(xué)類方法繪制，設(shè)置管線材質(zhì)和著色，實(shí)現(xiàn)完整的室外壓力管道三維管網(wǎng)模型，利用該方法生成的三維管網(wǎng)具有較好的逼真效果，且相較于傳統(tǒng)方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建模。

2 室外壓力管道三維管網(wǎng)的建模設(shè)計(jì)

2.1 直管段模型設(shè)計(jì)

室外壓力管道截面一般為圓，在三維模型建立過程中選擇圓柱體代表管段，管段三維數(shù)據(jù)由管線截面圓心P，管線半徑R，以及管線空間方向θ 來計(jì)算得到管線離散點(diǎn)坐標(biāo)。一般管線截面以xoy面作為參考面，采用正多邊形擬合，在實(shí)際擬合中，等分值k 越大，擬合效果越好，我們將管線分為16 等分，如圖1所示。

圖1：管線截面擬合圓示例（十六邊形）

p 為圓心，pl 為擬合圓上的頂點(diǎn)，2π/16 為等分角，管線方向角為θ，首先求出頂點(diǎn)pl 的坐標(biāo)，如式（1）：

2.2 管點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

通過對(duì)管線切分，設(shè)置斷點(diǎn)，從而使室外壓力管道三維模型中僅包含直管段和管點(diǎn)，簡化室外壓力管道三維管網(wǎng)模型。管點(diǎn)模型又包含簡單拐點(diǎn)模型和復(fù)雜拐點(diǎn)模型（三連通，四連通），分別對(duì)管點(diǎn)建立三維模型，完成管點(diǎn)繪制。

2.2.1 簡單拐點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

由獲取到的圓心坐標(biāo)，弧度圓半徑r，可以求得弧線的擬合點(diǎn)s1坐標(biāo)，以s1和s2坐標(biāo)點(diǎn)為圓心，管道半徑R 為半徑，可以求得兩個(gè)截面圓的坐標(biāo)，確定好坐標(biāo)相連的初始方向，將以s1和s2為圓心的截面圓上的坐標(biāo)兩兩相連，完成彎管段的繪制。

2.2.2 復(fù)雜拐點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

變徑拐點(diǎn)建模：在實(shí)際布設(shè)管線中，存在一種管徑不同卻相連的情況，由于需要不同的管徑流量，在大口徑的地方轉(zhuǎn)變?yōu)樾】趶?，這個(gè)銜接的模塊為變徑拐點(diǎn)。建模方式上擬采用在不同管徑截面中利用圓臺(tái)銜接，細(xì)管徑的截面為圓臺(tái)頂部截面，粗管徑的截面為圓臺(tái)底部截面，將兩個(gè)截面上的坐標(biāo)兩兩相連即可完成變徑拐點(diǎn)的建模。如圖3所示。

圖3：變徑拐點(diǎn)建模圖例

四通拐點(diǎn)建模：計(jì)算橢圓上的坐標(biāo)，如圖4所示，建立局部坐標(biāo)系，由管線半徑R 和四個(gè)管線截面的中心點(diǎn)坐標(biāo)，可以求得坐標(biāo)原點(diǎn)O。

圖4：四通拐點(diǎn)建模圖例

利用4 公式求得四個(gè)管道圓截面的坐標(biāo)，將圓截面的坐標(biāo)點(diǎn)與橢圓截面的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)相連，橢圓截面的坐標(biāo)需滿足與圓截面x 軸方向一致，且Y 軸方向分量值相等，從而完成四通拐點(diǎn)的建模。

三通T 型拐點(diǎn)建模：與四通拐點(diǎn)類似，但y 軸方向分量取正值，即可實(shí)現(xiàn)三通T 型拐點(diǎn)建模，如圖5所示。

圖5：三通拐點(diǎn)建模圖例

3 室外壓力管道三維管網(wǎng)的可視化實(shí)現(xiàn)

管道繪制采用模擬的壓力管道三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芫W(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器中，通過管點(diǎn)標(biāo)記值，調(diào)用相應(yīng)的建模方法，完成管道繪制，繪制流程為將數(shù)據(jù)加載存入數(shù)據(jù)集，遍歷數(shù)據(jù)集，判斷管徑變化情況，管徑發(fā)生變化則獲取數(shù)據(jù)集里的數(shù)據(jù)，并清空原始數(shù)據(jù)集，繪制變徑前的管段。根據(jù)管點(diǎn)的標(biāo)記值繪制非變徑區(qū)域的管段，若標(biāo)記值為一，則為直管段繪制，調(diào)用直管段繪制方式；標(biāo)記值為二，則為彎管拐點(diǎn)，調(diào)用彎管的繪制方式；若標(biāo)記值為三，調(diào)用三通點(diǎn)的繪制方式；若標(biāo)記值為四，完成四通點(diǎn)的繪制。變徑點(diǎn)處調(diào)用變徑管道的繪制方式完成。管徑若沒有發(fā)生變化，則按照管點(diǎn)標(biāo)記值繪制完成。

Three.js 主要組件包含場景、相機(jī)、渲染器、光源和物體[7-8]。創(chuàng)建場景，通過三維空間的觀察者相機(jī)將室外壓力管道三維模型添加至場景中，并設(shè)置光源顯示管線材質(zhì)和陰影，調(diào)用渲染器完成渲染，實(shí)現(xiàn)了室外壓力管道的三維可視化，運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6：室外壓力管道三維圖

在渲染過程中，室外壓力管道的三維可視化過程運(yùn)行流暢，模型精細(xì)程度較高，實(shí)現(xiàn)了管道的圓滑過渡。實(shí)驗(yàn)證明，管道的三維建模方式是有效可行的。

4 結(jié)語

室外壓力管道三維可視化是管網(wǎng)管理的重要環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)信息共享，為城市壓力管道的規(guī)劃、管理和建設(shè)提供不可或缺的基礎(chǔ)信息資料。本文通過對(duì)管點(diǎn)和管段三維建模分析，基于Three.js 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室外壓力管道的三維可視化，且建模過程自動(dòng)化，精細(xì)度更高，同時(shí)能夠滿足在瀏覽器端三維跨平臺(tái)應(yīng)用需求。