CATIA V5環境下水電工程三維可視化仿真場景中的應用研究

李小帥，萬 軍，黃艷芳，陳 敏

CATIA V5環境下水電工程三維可視化仿真場景中的應用研究

李小帥a，萬 軍b，黃艷芳a，陳 敏a

（水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院a.工程數字仿真中心；b.武漢市長為高新技術有限責任公司，武漢 430010）

在水電工程三維可視化仿真場景實現過程中，針對水電工程的設計特點與視覺特征，提出CG知識庫的概念，并以CATIA與3DSMAX軟件為應用平臺，從環節分解、要素分類、建立方法、關鍵問題等方面探討了水電工程三維參數化模型庫與三維網格模型庫、材質庫等CG知識庫的實現思路及采用的主要技術，并闡述了通過CG知識庫的運用，可快速搭建三維可視化仿真場景，縮短同類項目的制作周期，提高應用自動化的程度。

水電工程；三維可視化；CG知識庫；模型；材質與燈光；CATIA；3DSMAX

1 研究背景

隨著計算機三維可視化仿真技術的日益成熟，在水電工程勘測設計、施工建設、運行管理等階段對水電工程仿真模擬的視覺效果與實現速度的要求也越來越高，無論是基于三維模型的虛擬現實系統產品，還是三維動畫等產品，都需要搭建三維可視化仿真場景，在搭建過程中，涉及模型、材質、燈光、動態粒子等關鍵要素的運用與處理問題，要素本身的質量決定著場景視覺效果的真實程度，要素實現的快慢又決定著場景搭建的速度。

CG（Computer Graphics）是計算機圖形學的簡稱，CG研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。國際上習慣將利用計算機技術進行視覺設計和生產的領域通稱為CG，搭建三維可視化仿真場景過程中的要素實現都可以歸于CG技術應用范疇。

為了快速并高質量地建立三維可視化仿真場景，針對水電工程的設計特點與視覺特征，通過對三維設計軟件CATIA與三維制作軟件3DSMAX的相關功能的摸索，建立解決問題的方法，對關鍵要素進行創建獲取、整理、歸納分類，并以一定的形式與標準放置在特定的文件或數據庫中構成CG知識庫。通過對CG知識庫的實現與應用，可將技術運用過程中所產生的包含經驗知識的要素按分類添加至庫中，為技術人員快速搭建三維場景提供資源與指導，使得以往項目的設計與制作經驗在新產品實現中能夠得以傳遞與重用。

2 軟件平臺

CATIA V5是集成應用軟件包，其功能覆蓋產品設計的各個方面：計算機輔助設計、計算機輔助工程分析、計算機輔助制造。CATIA V5具有強大的知識工程和參數化建模的功能，并結合了顯示知識規則的優點，可在設計過程中交互式捕捉設計意圖，定義產品的性能和變化，隱式的經驗知識變成顯式的專用知識，提高了設計的自動化程度，降低了設計錯誤的風險。用戶可以運用CATIA V5的知識工程模塊，自定義地建立知識庫，從而參數化地驅動三維模型。

3DSMAX是一款三維動畫渲染與制作軟件，不僅具有較好的三維網格模型繪制與編輯功能，而且在視覺要素的表現上也具有強大的功能與良好的操作界面。從材質、燈光、粒子系統等要素的實現來看，其軟件各要素編輯管理器給用戶提供豐富的參數調節選項，視覺要素可以充分地依照用戶意圖進行實現，而且針對3DSMAX的插件眾多，普通用戶幾乎不需要利用3DSMAX Script腳本進行二次開發，就可以找到所需要的插件進行應用。

3 三維可視化仿真場景搭建過程中的CG知識庫

水利工程三維可視化仿真場景從實現流程上有以下環節：①依據工程設計、地形等高線測量數據分別建立樞紐建筑物三維模型、施工布置配套工程三維模型、三維地形模型；②對樞紐建筑物、施工布置配套工程等三維模型與三維地形模型進行合理拼接，構建三維幾何模型總體場景；③依據三維幾何模型在真實環境或相似真實環境中的視覺特征，分別模擬相對應的材質；④依據自然界中的光影視覺特征，在三維場景或渲染鏡頭中模擬各種光影關系，比如自然陽光、陰雨天的光線、夜光、室內光等光影環境；⑤對水電工程各種水流態進行模擬；⑥對各工程自然條件下的植被進行模擬等。

環節實現中可概括為2類操作：一是三維幾何模型的建立；二是視覺元素的賦予。通過建立CG知識庫，可持續提高這2類操作的實現速度與質量，其過程與關系如圖1所示，虛線框里為本CG知識庫具體內容。

對于三維幾何模型的實現，建立基于CATIA的樞紐建筑物三維參數模型庫與基于3DSMAX的施工布置三維網格模型庫；對于視覺元素的實現，建立基于3DSMAX環境的材質庫、水流態庫，同時對全局環境光應用燈光腳本插件E-light的陣列、統一設置光影參數等功能進行快速模擬，對自然植被通過樹木插件快速生成。

圖1 CG知識庫應用流程Fig.1 The application process of CG know ledge base

4 三維模型庫的建立

在水利工程三維可視化仿真場景中，對三維幾何模型的建立，采用2種方法，分別為三維參數化建模與三維網格建模。本庫根據場景中對模型的重要程度與精準度要求，對要求高的模型，比如樞紐建筑物的表現是相對重點，包括大壩建筑物、電站建筑物、通航建筑物，采用三維參數化的思路通過CATIA軟件建模；對要求一般的模型，比如施工布置配套工程等模型，包括混凝土生產系統、砂石加工系統、施工機械設備等，采用三維網格化的思路通過3DSMAX等軟件建模。

4.1 三維參數化建模

三維參數化建模的基本思想是以約束來表達產品模型的形狀特征，通過從模型中獲取一些主要的定形、定位或裝配尺寸作為自定義變量，修改這些變量的同時由一些公式計算出并變動其他相關尺寸，從而方便地創建一系列形狀相似的模型。這種用尺寸驅動、修改圖形的功能為初始產品設計、產品建模、修改系列產品設計提供了有效的手段，能夠滿足設計具有相同或相近幾何拓撲結構的工程系列產品及相關工藝裝備的需要。

4.2 基于CATIA三維參數模型庫的創建流程與使用

本庫通過CATIA軟件的參數化功能及其知識工程技術，通過各種參數、規則、方程及其關系表達式約束等方式，將設計內容關聯到一起構建三維參數化模型，將關鍵控制性參數以自定義變量的形式提取并存儲成EXCEL文件，并以一定的文件組織結構，通過CATIA Catalog目錄編輯器構建三維參數模型庫。用戶對于建立同種類型的水工結構模型，可以根據庫瀏覽器預覽三維參數模型庫的樹狀結構，逐級選擇查找需要的參數模型標準件，找到需要的標準件后，雙擊該標準件，選取參考點、線、面等元素，修改EXCEL參數驅動表，即可生成該尺寸標準件的三維模型并調入CATIA系統，完成標準件實例化工作，達到對所需三維模型的快速獲取，實現設計經驗和知識的重用和積累。建庫主要流程見圖2。總的來說，參數、規則、方程及其關系表達式約束是模型的關鍵所在，靈活的參數管理是參數化模型的根本。部分成果有：建立了雙曲拱壩基本體形參數模型，見圖3，重力壩典型壩段剖面參數提取，見圖4，地下廠房整體裝配參數模型，見圖5。

圖2 基于CATIA三維參數模型庫的創建基本流程Fig.2 The basic process of establishing 3-D parametric model base by CATIA

圖3 雙曲拱壩基本體型參數模型Fig.3 The basic shape parametric model of double curvature arch dam

圖4 重力壩典型壩段剖面參數提取Fig.4 Parameter extraction of typical section of gravity dam

圖5 地下廠房整體參數模型Fig.5 The whole parametric model ofunderground powerhouse

4.3 三維網格建模

三維網格建模是基于點線面等網格編輯與處理的方式而進行，模型數據以三角網形態所呈現。三維網格模型相對于三維參數模型而言，其建模過程不涉及參數化，不具備參數驅動功能，對模型可通過點線面等相關編輯工具進行更改。

對于三維參數模型與三維網格模型，前者可以消除參數化等關聯信息，只保留最終形體結果，將三維參數模型網格化轉換為后者，逆向則不成立，如圖6。

圖6 三維參數模型與網格模型的轉換關系Fig.6 The conversion relationship between 3-D parametricmodel and grid model

4.4 基于3DSMAX三維網格模型庫的創建流程

基于3DSMAX三維網格模型建立過程為：首先將二維CAD設計圖紙進行簡化，保留必要的點線面等二維信息，導入三維制作軟件3DSMAX中；再通過3DSMAX模型繪制與編輯等功能，建立1∶1比例關系的三維網格模型。

對于所建立的施工配套工程三維網格模型，同時賦予基礎材質，具體包括混凝土生產系統、砂石加工系統、機電安裝基地、機械汽車停放場、金結拼裝廠、砂石加工系統、施工水廠、施工營地等三維網格模型，可以通過3DSMAX層管理器進行歸類管理，形成以文件名檢索的層次結構目錄，并與對應模型進行關聯，構成三維網格模型庫，用戶可方便地根據層名稱進行查找并調用，然后根據當前配套工程的CAD平面布置圖等數據，將所調用的模型進行簡單的調整，比如放大縮小、移動放置等操作，就可完成當前配套工程的三維模型的布置。如圖7所示為從層管理器調用混凝土生產系統三維網格模型。

圖7 從層管理器調用混凝土生產系統三維網格模型Fig.7 The 3-D grid model of production system calling concrete from layer manager

5 視覺元素及庫的建立

5.1 材質、貼圖、燈光的運用關系

材質構成是用于描述材質視覺和光學上的屬性，如表達對象如何反射和傳播光線，一般包括顏色構成、高光控制、自發光和不透明性，且3DSMAX中的材質中可以嵌套材質，可用于模擬更為復雜的真實效果。

在3DSMAX中，貼圖為材質的子級，主要用于模擬對象質地、提供紋理圖案、反射、折射等其他效果，依靠各種類型的貼圖，可以模擬出千變萬化的材質。高超的貼圖技術是制作仿真材質的關鍵，也是決定最后渲染效果的關鍵。

同時，制作材質時不但要了解對象本身的物質屬性，還要了解一些受光特性。燈光照射到對象表面的強度，主要包括燈光強度、入射角度、距離這3點因素，決定了材質顏色顯示的強度，因此對象最后渲染的效果是通過其表面材質和受光情況共同決定。

5.2 基于3DSMAX的材質庫創建流程

水電工程材質制作主要包括對樞紐建筑物與施工布置配套工程的模擬，還包括對自然地貌與水流態等對象的模擬。

本材質庫首先確定了一個統一的光源，以白天日光特點的光影環境為標準來建立全局照明光源參數體系，在此基礎上，再制作材質。為了增強場景的真實程度，制作時首先要仔細觀察對象的視覺特點，然后應當盡量將各對象材質的參數屬性與實際對象設置相似，經過反復調節與渲染測試，最終達到逼真質感效果。

關于材質的調節和建庫管理，3DSMAX提供了Material Editor（材質編輯器）和Material／Map Browser（材質／貼圖瀏覽管理器）。材質編輯器結合各類程序貼圖用于創建、調節材質，并最終將其指定到場景中；材質／貼圖瀏覽器用于建庫管理并供用戶從庫中調用所需的材質，如圖8為材質庫創建基本流程。

圖8 材質庫創建基本流程Fig.8 The application process ofmaterial base

5.3 復雜材質的構成

對于水電工程地表的仿真模擬，是材質制作較為復雜的單元。本庫對地表材質的模擬主要分為濃密叢林型與高山峽谷型2大類。

以濃密叢林型的地貌材質實現為例，其仿真圖主要由3DSMAX材質種類中的混合（blend）材質、頂底（top／bottom）材質、貼圖種類中的噪波（noise）貼圖、位圖（bitmap）貼圖以及頂點顏色（vertex color）貼圖等綜合調節而成。圖9為濃密叢林型的地貌材質層級分解示意。

下面對其中材質與貼圖的關鍵技法做簡述。

圖9 濃密叢林型的地貌材質層級分解圖Fig.9 Hierarchical decom position of dense-jungle landform material

通過觀察并分析濃密叢林型山體地表的特點，將其分為2個部分進行模擬，分別為沿河岸消落帶的材質模擬與根據地形坡度分布而產生變化的山體地表的材質模擬。其中的實現過程涵蓋2個關鍵點：

第1個關鍵點是對沿河岸消落帶與山體地表的區域劃分與融合。

通過混合（blend）型材質將2種不同的材質指定并融合在地形網格表面上，同時對三維地形網格模型添加頂點畫筆（vertex paint）編輯工具，并根據三維網格地形的實際情況進行頂點灰度（明暗度）通道手工繪制，繪制完畢后在混合（blend）材質中的指定頂點顏色（vertex Colors）貼圖，就可將所繪制的地形頂點灰度通道作為mask蒙板，完成對2種材質的區域劃分與融合。見圖9中的“頂點灰度通道的繪制”分圖，白色區域為消落帶材質，黑色區域為山體地表材質，介于黑白之間的灰度漸變區域為山體地表材質與消落帶材質混合的過渡地帶。

第2個關鍵點是對于山體地表的材質模擬。

由于山體（三維網格地形）是起伏不平的，平緩地帶與陡峭地帶的地表在視覺上區別較大，就需要根據地形坡度分布而產生變化的山體地表區域進行區分與過渡融合。方法為：通過頂底（top／bottom）型材質，為對象指定頂與底2種不同的材質，對象的頂表面是法線指向上部的表面，底表面是法線指向下部的表面，根據場景對象的自身坐標來確定“頂”與“底”。位于頂部的材質為“綠草混合”blend型材質，用于模擬低坡度平緩地表；位于底部的材質為“巖石與沙土”blend型材質，用于模擬高坡度陡峭地表，中間交界處可通過調節它們所占據的比例與融合度，產生浸潤（過渡融合）效果。

5.4 渲染結果實例

應用3DSMAX樹木插件，可以結合地勢的起伏，快速布置樹木的種類、大小變化、區域分布等，完成自然地貌的模擬。如圖10為濃密叢林型地形地貌下的某水電工程三維場景渲染最終效果。

圖10 濃密叢林型地貌模擬渲染效果Fig.10 The simulated rendering effects of dense-jungle land form

以航空影像與三維相機所拍攝出的地形陡立面地貌照片為3DSMAX的bitmap貼圖，并調用材質庫子庫——水流態庫中預設的粒子系統，根據工程設計中的泄洪拋物線等數據來調節參數，模擬泄洪。如圖11為高山峽谷型地形地貌下的某水電工程三維場景泄洪渲染最終效果。

圖11 基于航片的高山峽谷型地貌渲染效果Fig.11 The rendering effects of high-canyon landform based on air photos

6 其他關鍵應用技術問題

6.1 快速布光

對于全局光的模擬，可以通過在3DSMAX中運行腳本插件E-light來快速布置燈光群，E-light的應用原理為：通過設置半球表面網格點的陣列密度來確定每個燈光的位置，1個網格點對應1個燈光，形成入射角度、距離并按陣列規律均勻分布且覆蓋三維整體場景的燈光群，對于燈光群的光影參數可以統一調節，經過渲染測試達到理想的全局環境光源效果。通過E-light的應用，就不需要對每個燈光的位置與參數進行逐一調節，節省了布光時間。

6.2 貼圖烘焙技術

對于包括模型、材質、燈光等要素已經調制完畢的三維場景，可以將三維網格模型對象在場景中的渲染結果，通過3DSMAX中的貼圖烘焙技術進行預處理，將場景中的各類材質、光照信息渲染成與模型對象各個面相對應的bitmap貼圖，達到模型的光照信息和模型原有的材質信息相融合的目的，然后再把帶有渲染結果信息的bitmap貼圖“烘焙”回場景中的模型對象上。

對于基于三維場景的交互式系統來說，運行過程中需要實時計算光照信息，采用經過貼圖烘焙后的三維場景數據，可以不再進行費時的光照計算，不僅在一定程度上提高了系統的運行效率，而且模擬效果得到很大的改善，使得交互式系統的場景漫游視覺效果更加接近3DSMAX直接渲染的結果。

7 結論與展望

本文針對水電工程三維可視化仿真場景的搭建，概述了CG知識庫的建立思路以及運用過程中所涉及的主要技術。技術人員通過運用CG知識庫，檢索并調用其中所需的要素，經過調節和組合，可快速搭建三維可視化仿真場景，并已在緬甸道耶坎水電站、重慶小南海水電站、金沙江烏東德水電站、金沙江金沙水電站、嘉陵江亭子口水利樞紐、烏江彭水水電站等項目中得以應用，縮短了同類項目的制作周期，取得了良好的成果。

下一步工作，對目前的施工布置配套工程通過三維參數化建模的思路，歸入三維參數模型庫；對樞紐建筑物三維參數化模型庫中的設計參數體系等進一步優化，并編制各模型的參數使用說明等，更好地達到通用的目的；對目前基本文件級的材質庫，隨著材質的不斷豐富，面對海量數據時通過二次開發建立基于特征級檢索技術的材質庫，加強檢索的針對性，不斷提高應用自動化的程度。

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（編輯：王 慰）

Application of CG Know ledge Base to 3-D Visual Simulation of Hydropower Project by Software CATIA V5

LIXiao-shuai1，WAN Jun2，HUANG Yan-fang1，CHEN Min2
（1.Engineering Digital Simulation Center，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Changwei Advanced Technology Co.，Ltd.，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China）

In the 3-D visualized simulation of hydropower project，the CG（Computer Graph）knowledge base is employed in line with the designing characteristics and visual features.With software CATIA and 3DSMAX as the application platform，ideas of the implementation and main technologies of CG knowledge bases inclusive of 3-D parametric model base，3-D grid model base，and material base of hydropower projects are discussed.The details such as link decomposition，elements classification，model-establishingmethods，and key issues are also explored.Through the application of CG knowledge base，the 3-D visualized simulation scene could be built rapidly，the production cycle of similar project can be shortened，and the level of application automation can be improved.

hydropower engineering；3-D visualization；CG knowledge base；model；material and light；CATIA；3DSMAX

TP391.9

A

1001－5485（2012）12－0113－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.023 2012，29（12）：113－118

2012－07－20；

2012－09－14

國家大壩安全工程技術研究中心項目“大壩三維協同設計系統”（2011NDS019）

李小帥（1982－），男，安徽阜陽人，工程師，碩士，主要從事水電工程三維可視化仿真、三維協同設計的研究與應用工作，（電話）13995679062（電子信箱）lixiaoshuai＠cjwsjy.com.cn。