基于Multigen Creator的橋梁三維建模方法研究

李慎剛

（邯濟鐵路擴能改造工程建設指揮部， 聊城 252000）

基于Multigen Creator的橋梁三維建模方法研究

李慎剛

（邯濟鐵路擴能改造工程建設指揮部， 聊城 252000）

鐵路橋梁的三維可視化為橋梁設計人員提供了交流平臺，為技術人員對橋梁的管理維護提供決策支持。本文通過分析橋梁的三維數據模型和結構特征，基于Multigen Creator提出了鐵路橋梁三維建模的方法，并以橋梁為例展現鐵路橋梁三維實例。

鐵路橋梁；三維建模；Multigen Creator

近年來，高速鐵路的快速發展推進了鐵路信息系統的全面應用，如鐵路運輸管理信息系統、調度指揮管理信息系統、網絡訂票等得到了廣泛應用。特別是當前鐵路部門所使用的信息系統在文本信息的處理方面起到了較好的效果，解決了諸多問題，在鐵路運營中起著重要的作用。但是信息系統在空間數據的處理和顯示方面仍存在一些問題:在鐵路建設中設計方無法將建筑方案通過圖形化的方式直觀展現給施工方，這就為雙方的交互帶來了諸多困難，難以做到有效的溝通，為后期的建設埋下了潛在隱患。因此，創建三維、可視化、可實時交互的工具來表達鐵路空間數據是很有必要的。

1 三維可視化技術的研究現狀

虛擬現實（VR，Virtual Reality）是利用電腦技術呈現一個可視化的三維虛擬環境。本文對鐵路建設中橋梁的三維可視化是虛擬現實在鐵路領域的一種具體應用。VR 技術最早是由 Ivan E. Sutherland 提出的，在已有圖形圖像的基礎上，構建三維模型對現實環境進行模擬，并通過人機交互對模擬環境進行調整，這就是最早的虛擬現實技術，也為后代虛擬現實的研究奠定了基礎。

我國在數字地面模型（DTM）領域的研究中，一般是針對不同的研究方向提出若干的改進方法和優化算法，如并行性DTM處理、基于網格的 DTM劃 分 算 法 等[1]。 如 今 國 內 外 在 DTM 道 路 設 計、 地貌分析、區域污染等方面已有不少成功的應用案例，對 DTM 在鐵路方面的應用起到積極的借鑒作用。

就地質結構而言，我國的地勢起伏較大，擁有眾多的丘陵和山脈，因此在鐵路設計中涉及的隧道和橋梁結構多，國外的軟件在用于設計我國鐵路線路時會受到較多限制。國內學者針對這些問題做了諸多理論研究[2]，蔣紅斐利用 3DMax 和 AutoCAD提出了鐵路的三維可視化模型，還有人將 GIS、路基和地形三維模型進行融合，提出了綜合三維可視化 方 法[3]。 然 而 國 內 的 研 究 更 注 重 理 論 算 法 方 面 的研 究[4]， 其 在 應 用 過 程 中 仍 與 實 際 情 況 存 在 著 一 定的差距，本文將從實踐的角度對鐵路橋梁的三維可視化進行探討和研究。

2 橋梁結構和三維數據模型

為橋梁建模前需對其結構進行拆分，以方便各個子結構的存儲和修改，也利于在設計相似橋梁結構時可以最大限度的實現子結構的復用。

如圖1所示，大多數的橋梁可以拆分成上部結構、下部結構和附屬結構3個部分。而上部結構又可以拆分為橋跨和支座兩個子結構；下部結構可以拆分為橋墩、橋臺和墩臺3個子結構；附屬結構則包含諸多內容，如欄桿、照明等。

圖1 橋梁結構圖

橋梁的諸多部件一般是由規則的構件組成，而這些構件可由若干參數進行調節，因此為這些參數建模就成為橋梁三維設計的關鍵。如橋墩，可由寬和高描述，這兩個參數就成為橋墩三維化顯示的關鍵要素。

有了參數化的要素后，虛擬的橋梁為了和真實的橋梁有較好的一致性，需要按照比例進行縮放。

3 橋梁三維建模的方法

（1）將已有的二維圖片或三維模型，按照實際需求使用軟件將其轉化為合適的格式，以方便使用者操作，然而此種方法并不適用于首次建模的實體，而大多數的橋梁一般都沒有三維模型，因此，該方法不適合鐵路橋梁的三維建模。（2）在未有模型的基礎上對其進行建模，首先對建模實體進行分解，然后對各個部分進行建模（可采用 DTM 或Multigen Creator建模），最后對其進行細化即填充顏色、紋理等。

Multigen Creator 是一種三維建模軟件，它擁有針對實時應用優化的 Open Flight數據格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業選項及插件，能高效、最優化地生成實時三維（RT3D）數據庫，并與后續的實時仿真軟件緊密結合，在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時仿真領域有著領先地位。基于 Multigen Creator的建模方法如下。

3.1 三維數據的采集

在建模之前需要對實體的相關數據進行采集，數據采集的精確度決定了后期模型與實體的一致程度。數據采集的方法分為 3 種:（1）采用人工現場勘探，對實體進行測量 ；（2）利用衛星圖形數據 ；（3）獲取實體設計時的工程圖紙。第（2）、（3）種獲取數據的成本較低，但可能會和實際情況存在一定的偏差，因此需要同第（1）種方法相結合，以獲取較為精準的數據。

3.2 橋梁模型的分割

為使所設計的模型能夠最大程度的復用，將橋梁分割成構件化的部件后，對每個小的部件逐一使用 Multigen Creator進行建模，并將建模的部件統一存儲到模型數據庫中，便于以后的檢索和使用。

3.3 橋梁模型的整合

對各個部件的模型進行整合，Multigen Creator提供了 3 套方案。（1）拷貝法，該方法首先選擇橋梁的主要部件將其固定，然后選擇其它部件將其添加到主要部件中，再對其它部件進行適當的調整后與主要部件進行拼接。（2）對象實例化法，該方法僅對模型創建副本，模型中的各個部件僅是一個指針型的對象，該指針指向數據庫中的某個實例，在使用時進行調用。此類方案的優點是能夠節省較大的存儲空間，并對對象做出及時的處理。（3）模型本身是一個副本，模型中的各個部件也是指針型對象，該指針做指向的對象是外部的數據，即指向了其它模型數據庫中的實例。此方案進一步節省了存儲空間，但同時也受到了外部模型的限制。

3.4 優化三維模型

在得到橋梁的完整模型后需要對其進行調整優化，以便于人機交互的過程中能夠提高操作性能。對于模型的優化主要有以下幾個方面:（1）數據庫調整，對數據庫層次進行調整，盡量降低層次的復雜度；（2）模型部件調整，橋梁的部件可能會用多邊形進行描述，而多邊形的操作會對模型的操作帶來較大的性能影響，因此減少多邊形部件，對多邊形部件填充紋理進行簡化，可以對性能起到較大的優化效果；（3）邊界調整，從整體對模型劃定界線以圈定各個部分的組成可以優化模型的操作性能 ；（4）運用裁剪面，所謂裁剪面是用來界定可視范圍內最遠和最近的平面，幫助使用者在顯示過程中加載部分的平面以提高模型操作的性能。

通過各種優化技術的綜合使用，既能保證三維模型顯示的真實性，又能最大程度地增強人機交互過程中對三維模型的可操作性。

4 基于Multigen Creator 的橋梁三維建模實例

本文選用了涵橋這一數據量稍小的橋梁作為實例，使用 Multigen Creator進行建模。

4.1 橋梁數據采集

為獲取真實的數據首先需要到現場采集數據，用數碼相機為其拍照獲取框架，所獲得的橋梁圖片如圖2所示。為使建模的橋梁數據盡可能的精確，還采用了人工現場勘測的方法獲取數據。

圖2 涵橋現場采集圖

4.2 橋梁模型各部分三維化

將框架進行拆分，對所拆分的子部分逐一設立參數將其三維數字化。下面以箱梁為例，說明橋梁所分割出的子部件的三維建模方法。如前所述，在設計橋梁的三維模型時應盡可能的考慮以后的重用，使得所分割的子部分可用于其它橋梁的構件，而箱梁作為各種橋梁都要用的部件，非常適合于分割開來單獨建模。在箱梁的建模過程中，采用了“以直代曲”的思想，將曲線劃分成若干條支線，則縱橋向的曲線就變成由若干直線組成的集合體。而此集合體也正好符合二叉樹的表達方式，可使用中間節點存放運算符，使用葉節點存放運算數。圖3給出了箱梁的模型表示，其中上圖為參數化后的箱梁橫截面圖，下圖為一段梁體的頂點編號圖。設計人員在設計的過程中根據得到的數據控制橫截面參數和近似梁曲線坐標，通過計算可得頂點的空間坐標，以備在與其它部件拼裝時能夠找到對應的接合點。

圖3 箱梁橫截面的參數及其頂點編號

4.3 橋梁部分模型的整合

將各子部分整合在一起形成完整的橋梁模型。在鐵路橋梁的設計中，橋梁需以鐵路的中軸線為定位標準，即鐵路線應設計在橋梁的中間位置，對應的可將鐵路中軸的第一個節點作為模型的原點，以此定義其后模型部件的坐標。部件的定位又分為水平定位和切定位。水平定位是指與鐵路中軸線平行的部件的定位，如梁、護欄、溝槽等部件，這些部件的定位可以原點為起始，根據偏移量對其進行平行后移即可。切定位是指與鐵路中軸線垂直的部件的定位，如橋墩和橋臺等部件，這些部件不僅需要水平方向的平移，還需要定位其高度上的平移，甚至還需計算器旋轉量（如橋梁牽引線）。

4.4 橋梁效果圖

在整合后的基礎上，對模型進行顏色和紋理的調整和設置，得到最終橋梁三維視覺圖，如圖4所示。

圖4 橋梁的三維模型效果

5 結束語

本文分析了鐵路橋梁三維建模的意義，提出了采用 Multigen Creator 對橋梁進行三維建模的一般方法和步驟，最后以涵橋為例論述了三維建模的過程，對今后類似的鐵路橋梁三維建模工作提供一定的參考和幫助。

[1] 魏永勇 . 多層 DEM 建模及其在地層可視化中的應用研究 [J].工礦自動化，2011（1）：9-12.

[2]王寶山，馮雪松，毛保華 . 鐵路車站三維視景生成方法 [J].中國鐵道科學，2012，33（4）：99-104.

[3]扈春霞 . 斜拉橋三維可視化的研究 [D].大連 ：大連理工大學，2008.

[4] 閔 陽 . 數字鐵路系統中三維可視化的研究 [J].鐵道勘測與設計，2010（4）：16.

責任編輯 陳 蓉

3D modeling of railway bridge based on Multigen Creator

LI Shengang
( Hanji Revamping/Expansion of Railway Project Construction Headquarters, Liaocheng 252000, China )

Three-dimensional visualization of railway bridge provided a exchange platform for designers, and also assisted decision support for technicians’ management and maintenance. By analyzing the characteristics of threedimensional data model and structural of bridges, this article proposed three-dimensional modeling methods for railway bridge based on Multigen Creator, and an example was showed to illustrate the method.

railway bridge; three-dimensional modeling; Multigen Creator

U242.5 ∶ TP39

：A

1005-8451（2015）01-0004-04

2014-08-29

李慎剛，高級工程師。