關(guān)于VR技術(shù)的城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)應(yīng)用探索

張 磊

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

0 前言

VR 技術(shù)（Virtual Reality）是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)這一概念最早提出是在20 世紀(jì)80 年代初，主要是講人們以計(jì)算機(jī)及最新傳感技術(shù)作為輔助，創(chuàng)造出的一種人機(jī)交互方式。而利用VR 技術(shù)進(jìn)行城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)，便可實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中根據(jù)需求生成新的“部件”與“設(shè)備”，從而避免了在軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)中因購(gòu)置設(shè)施、設(shè)備而耗費(fèi)的大量資金。

1 VR 技術(shù)的開(kāi)發(fā)分析

VR 技術(shù)本質(zhì)是關(guān)于計(jì)算機(jī)與應(yīng)用者之間通信的一種技術(shù)，從廣義上來(lái)看，VR 技術(shù)幾乎可用于支持任何人類活動(dòng)，也就是說(shuō)其可以應(yīng)用在任何領(lǐng)域，但在實(shí)際應(yīng)用中，VR 技術(shù)也會(huì)因?yàn)橛布O(shè)備的不同而受到一定程度的限制。通過(guò)VR 技術(shù)，可以為用戶創(chuàng)設(shè)一個(gè)身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)空間，通過(guò)建立三維立體的、計(jì)算機(jī)生成的替代物，用戶可以在這個(gè)環(huán)境中任意移動(dòng)自己想移動(dòng)的物體。VR 技術(shù)也可將流程模型與物理空間模型相聯(lián)接，創(chuàng)造出用戶在實(shí)際生活中可能會(huì)遇到的任何場(chǎng)景，以此來(lái)滿足用戶需求，為用戶帶來(lái)高靈活性、快速、經(jīng)濟(jì)的程序構(gòu)造與配置[1]。

2 VR 技術(shù)在城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)的應(yīng)用

2.1 仿真開(kāi)發(fā)工具分析

VR 技術(shù)中的虛擬開(kāi)發(fā)工具主要包括Java 3D、Umlty 3D、Clnema 4D，其中Java 3D 屬于java 語(yǔ)言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一組應(yīng)用編程的接口（API），其是在OpenGL 的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。

（1）實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)Java 3D 所提供的API，基于網(wǎng)頁(yè)下，編寫(xiě)出城市地面軌道交通工程中所需的三維動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件等。Java 3D 對(duì)虛擬場(chǎng)景具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)控制能力，在應(yīng)用于軌道交通工程時(shí)，可將3D 模型利用導(dǎo)入器導(dǎo)入到Java 3D 中，便可應(yīng)用該技術(shù)對(duì)其進(jìn)行可視化操作。

（2）Umlty 3D 可看作是一個(gè)游戲引擎，也可看作是一個(gè)多平臺(tái)的動(dòng)畫(huà)開(kāi)發(fā)工具，Umlty 3D 所具有的簡(jiǎn)單、生成效果好、開(kāi)發(fā)周期短、上手快等特點(diǎn)，也使其在城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用非常廣泛。利用Umlty 3D 技術(shù)，可以在一個(gè)統(tǒng)一的編輯器中創(chuàng)建相關(guān)項(xiàng)目，并很方便的完成類似游戲場(chǎng)景般的特效，在軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)中，便可通過(guò)Umlty 3D 技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D 模型的導(dǎo)入，從而達(dá)到編輯模擬機(jī)械設(shè)備、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)、操作人員的目的[2]。

（3）Cinema 4D 屬于VR 開(kāi)發(fā)工具中最重要的一項(xiàng)，其完整的包含有建模、渲染、動(dòng)畫(huà)、粒子、角色等模塊，為3D 仿真創(chuàng)作提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、完整的平臺(tái)。Cinema 4D 不僅具有軟件運(yùn)行穩(wěn)定，兼容性良好等特點(diǎn)，還具有強(qiáng)大的3D 建模功能，使初學(xué)者都可以快速的上手使用。

2.2 仿真開(kāi)發(fā)流程分析

將VR 技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)中時(shí)，主要是通過(guò)以下流程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1：

如圖1 流程所示，首先，應(yīng)用三維建模軟件Cinema 4D，建立起虛擬的城市地面軌道交通結(jié)構(gòu)模型，并以FBX 格式將其保存。其次，利用uvw 貼圖方法，對(duì)已保存的三維模型進(jìn)行渲染，并將渲染好的模型通過(guò)導(dǎo)入U(xiǎn)mlty 3D，進(jìn)行場(chǎng)景虛擬。再次，應(yīng)用控制設(shè)置軟件Java 3D，根據(jù)自己需求對(duì)虛擬設(shè)備、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)、操作人員等進(jìn)行控制，并編譯生成可執(zhí)行性軟件。

2.3 仿真開(kāi)發(fā)的功能與實(shí)現(xiàn)

在基于VR 技術(shù)的城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，通過(guò)建立虛擬構(gòu)件模型、響應(yīng)用戶操作，從而達(dá)到對(duì)鋼軌、道床、軌枕、道岔等軌道交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)3D 顯示的效果。此外，在VR 技術(shù)的充分應(yīng)用下，所有形成的軌道交通結(jié)構(gòu)3D 顯示圖，均可配以主要的參數(shù)與技術(shù)要點(diǎn)的文字介紹，以供用戶在實(shí)際使用時(shí)得到全面、透徹的了解。除了該技術(shù)對(duì)用戶的使用帶來(lái)了多方面益處外，VR 技術(shù)下的城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)，其功能與實(shí)現(xiàn)還體現(xiàn)在如下方面：

（1）大量三維模型與紋理數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，可以為城市地面軌道交通建設(shè)時(shí)地質(zhì)選線難決策的問(wèn)題提供解決措施，從而合理的進(jìn)行換乘樞紐交通組織設(shè)計(jì)，保障軌道網(wǎng)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高乘客在使用軌道交通時(shí)的快速性、便捷性與舒適性。（2）該仿真技術(shù)可以更加直觀的將軌道交通線路與沿線周邊環(huán)境融合在一起，展示出清晰、精準(zhǔn)、高仿真的畫(huà)面，使人在觀看時(shí)一目了然，印象深刻，如身臨其境。（3）利用VR 技術(shù)，將城市地面軌道交通的平面、縱面圖與三維動(dòng)畫(huà)完美結(jié)合，做成平、縱、剖三度空間實(shí)時(shí)同步的仿真動(dòng)畫(huà)效果，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，更加直觀的表現(xiàn)出軌道交通的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)理念[3]。

基于VR 技術(shù)應(yīng)用的城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)，軌道交通的三維可交互式虛擬，人機(jī)互動(dòng)式軌道交通結(jié)構(gòu)，主要如圖2、圖3 所示。

圖2 城市地面軌道交通的虛擬效果圖

圖3 城市地面軌道交通的虛擬效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

從當(dāng)前形勢(shì)來(lái)看，我國(guó)城市地面軌道交通工程設(shè)計(jì)與規(guī)劃還存在有一定的限制，這是由于城市地面軌道交通的涉及面廣、工程龐大，實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)很難給相關(guān)人員提供所需場(chǎng)景。基于這種情況，將VR技術(shù)應(yīng)用于城市地面軌道交通工程仿真開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，便也成了必然趨勢(shì)，通過(guò)VR 技術(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)地面軌道交通工程領(lǐng)域常見(jiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維模型、互動(dòng)式地面施工技術(shù)的三維虛擬，使用戶能夠反復(fù)練習(xí)、認(rèn)知軌道結(jié)構(gòu)地面施工工藝，最終提高自身的專業(yè)技能水平。

［1］尹力明,劉俊艷,程佳.車載信號(hào)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)用半實(shí)物仿真平臺(tái)[J].城市軌道交通研究,2011,4(4)：126-127.

［2］黃曉梅.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通工程投標(biāo)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2011,13(6)：11-12.

［3］王延龍,吳強(qiáng).某軌道交通裝備公司數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化整體的實(shí)施[J].天津科技,2014,8(4)：25-26.