基于Virtools的虛擬全站儀測量訓練系統的設計與實現

【摘 要】使用虛擬實驗系統進行測繪類課程的教學和實踐，能夠增加實踐機會，擴展實踐環境，對學生實踐能力的培養具有重要意義，本文根據全站儀的功能和學習要求設計了虛擬全站儀測量訓練系統，并使用3DS MAX軟件進行了儀器和場景的建模，最后使用Virtools軟件進行了全站儀交互功能的實現，完成了該全站儀虛擬訓練系統的實現和發布。

【關鍵詞】Virtools；全站儀；訓練系統

一、引言

實踐課程是測繪類課程教學中非常重要的環節，學生必須有足夠的實踐練習才能充分理解理論課程的內容，但是受到實驗場地、實驗器材、外界環境等的限制，能提供給學生的實踐機會比較有限。在這種情況下，若能提供給學生一種電腦桌面類型的虛擬實驗環境和實驗器材，實現室內完成“野外作業”訓練，這種全新的實驗模式，勢必對學生實踐能力的培養模式產生新的變革。而全站儀作為測量工作中的一個主要儀器，若能實現虛擬操作的模擬，給學生增加更多的實踐機會，對學生儀器操作能力的培養將會有重要意義。

當前應用在虛擬實驗中的網絡三維技術軟件平臺主要有：VRML/X3D、Java3D、Cult3D 和 Virtools 等，其中 Virtools 以其強大的交互功能、完美的畫質渲染、簡便的操作方式和良好的網絡傳輸性能等優勢在虛擬現實領域獲得了廣泛的應用。Virtools 作為可編輯程序提供超過 500 個具有不同功能的內置 BB 模塊，而且 Virtools 腳本語言編輯功能強大，可根據需要完成所需要功能。因此本文選用Virtools軟件進行該虛擬訓練系統的實現。

二、系統設計及實現

1.總體規劃

虛擬全站儀測量訓練系統的目標為建立一個“多設備”、“多場景”、“多項目”的桌面虛擬測量實踐教學系統，提供給學生一個從最初的“設備操作練習”到最終的“實際工程演練”多層次可持續的模擬練習平臺。其功能應包含教學輔助、實習配套和項目模擬三個漸進的模塊。

教學輔助功能涵蓋教學過程中全站儀的基本功能練習，如：①認識設備②角度測量③距離測量④高程測量⑤坐標測量⑥工程放樣等；實習配套功能主要針對涉及全站儀的幾大實習進行輔助練習，如：①數字地形測量學實習②控制測量學實習③工程測量學實習等；項目模擬實訓功能則根據典型工程案例做成模擬實驗場景，以實際工程的測量方法和精度要求為標準進行模擬實訓。

2.模型的建立

三維模型是整個測量訓練系統的基礎， 模型的好壞直接影響運行的效果和場景的逼真度。本系統采用3DS MAX進行建模，用它建立的模型有很強的仿真立體效果。

（1）全站儀的三維建模

采用某品牌全站儀為原型，嚴格測量儀器尺寸后在3DS MAX中按照1：1的比例制作模型，其顏色細節等采用貼圖來顯現。

（2）典型場景的建模

能夠任意模擬典型地形，實現各種地形的全方位實踐訓練是全站儀模擬訓練系統的最大優點。測量中的典型地形和地貌有山脊、山谷、山頭、鞍部、絕壁、懸崖等，考慮安全等因素，實際測量實驗中對這些典型地形地貌測量的訓練只能在較簡單的實際地形條件下，對其中的一種或幾種典型地形進行簡單實驗，實驗的效果大打折扣，而在虛擬訓練系統中完全可以模擬出任意地形地貌進行測量實驗，實驗效果大大增強。此文中采用3DS MAX軟件進行地形地貌的建模，建模中充分考慮典型地貌，部分場景采用實際工程涉及的地形地貌進行建模，并可以在后續工作中繼續完善地形庫，使該模擬系統涵蓋更多典型地形和工程地形，給學生提供更多練習“場地”。

（3）將模型導入virtools

安裝Virtools_Max_Exporter導出插件，然后在3dmax中導出場景文件為nmo格式的文件，導出后的文件在virtools中打開，確認自己導出的場景，再次保存為cmo格式的文件。

3.虛擬現實功能實現

（1）界面設計

根據真實模擬，操作便利的原則，操作界面設計為三部分顯示，左邊大窗口為場景窗口，模擬的測量場景和全站儀、棱鏡的虛擬影像將出現在此窗口中，可在此窗口中觀察地形，根據地形指揮棱鏡移動，并指揮全站儀進行大致瞄準，右邊上部小窗口為目鏡觀察窗，此窗口中模擬全站儀目鏡中的影像，可在大致瞄準后在此窗口中根據十字絲和目標的相對位置進行全站儀的微調，在此過程中通過鍵盤模擬現實中微動螺旋的功能，最終使十字絲精確瞄準目標，右邊下部小窗口為全站儀鍵盤操作和數據顯示窗口，在此窗口中模擬全站儀的操作面板和顯示屏幕，此面板的操作和數據顯示的功能和格式與被模擬的真實全站儀完全相同，在精確瞄準目標后，可在此窗口中進行相應的測量和記錄，完全模擬真實全站儀瞄準目標后的操作過程，達到身臨其境的感覺，最終實現全站儀操作的模擬訓練。

（2）交互功能的實現

要實現該系統的模擬訓練功能，必須能夠使使用者像操作真實的全站儀一樣與虛擬儀器進行交互操作。全站儀的基本交互操作主要包括操作望遠鏡分別繞縱軸和橫軸的旋轉，精確瞄準目標，操作儀器面板依不同的測量程序完成測量。全站儀需要實現的功能主要包括水平角度和豎直角度測量、斜距和平距測量、懸高測量、坐標測量、工程放樣、面積測量等，其中所有的功能都源于角度和距離的測量，測得角度和距離后，其他功能即可通過計算實現，因此本文主要介紹角度和距離測量的實現方法。Virtools中三維場景交互主要通過對三維要素的觸發，完成人與三維場景的互動，可以通過 Virtools 自帶的BB，如 Mouse Waiter、2D Picking、Key Waiter、Key Event，switch on key等實現。

①橫軸縱軸轉動的實現

全站儀測量過程中的儀器運轉主要為繞橫軸和縱軸的旋轉運動，為使虛擬全站儀能夠真實的動起來，使用virtools中的rotate BB來實現，并通過key waiter BB或者switch on key BB來實現用鍵盤控制旋轉的方向，通過按鍵次數或按鍵時間來控制旋轉角度。為實現操作儀器直接的旋轉和通過微動螺旋的旋轉，必須設置兩種Rotate旋轉角度參數，本文中設置旋轉角度分別為1和0.01，若想使儀器的旋轉更加流暢和便捷，還可增加過渡參數，并可進一步將角度細化，使瞄準動作更加的精準。

②瞄準目標的實現

全站儀測量中，首先要能精確瞄準目標，為模擬真實全站儀瞄準目標的效果，在該模擬系統中用與全站儀物鏡綁定的第一人稱相機來實現精確瞄準功能，或可以將一個攝像機設為望遠鏡的子對象，將兩者的中心位置精確對準，在攝像機的設置面板中調整攝像機的視野，使其達到放大影像的效果，然后給攝影機添加additional view BB，將其位置設置在屏幕的適當位置。這樣就實現了在屏幕小窗口中顯示望遠鏡目鏡影像的效果，加入一個透明的十字絲顯示后，即可實現棱鏡的精確瞄準。

③角度測量的實現

Virtools中無法直接獲得儀器旋轉的角度，為實現角度測量，先使用op BB來獲得歐拉角，然后繼續用op BB中的get y函數和get z函數來獲得在水平方向和豎直方向旋轉的角度，然后使用calculator BB來實現弧度與度分秒的轉換。

④距離測量的實現

距離測量采用virtools中的op BB來實現，采用op中的get distance函數可以獲得儀器和棱鏡間的斜距，然后和前面獲得的豎直角度一起使用calculator BB即可計算出兩者之間的平距。

三、結論

本文根據全站儀的功能和學習要求設計了虛擬全站儀測量訓練系統，并通過3DS MAX軟件和Virtools軟件完成了該系統的實現和發布，應用于測量課程的教學和實踐效果良好。

【參考文獻】

[1]王式太，殷敏.虛擬現實技術在測量實踐教學中的應用探討.測繪與空間地理信息.2012（1）：222～224

[2]楊雪，闞寶朋，劉英杰.基于Virtools的大學物理網絡三維虛擬實驗的開發[J].實驗技術與管理，2009，26（4）：62-65

[3]楊琳，朱元昌，邸彥強.基于Virtools的光電經緯儀成像系統仿真，彈箭與制導學報，2012，32（5）：193-198

[4]丁帆，胡小強.基于Virtools的實驗教學應用與研究，科技廣場，2012：32-34

（作者單位：廣西桂林理工大學博文管理學院；

廣西桂林理工大學測繪地理信息學院）

注：①2010年新世紀廣西高等教育教學改革工程項目：《虛擬現實技術在測量實踐課程中的應用研究與實踐》，項目編號2010JGA103。

②2010年新世紀廣西高等教育教學改革工程項目：《獨立學院土木工程專業實踐教學體系研究與拓展》，項目編號2010JGZ046。

③廣西高等學校特色專業及課程一體化建設項目立項（項目編號：GXTSZY232）