水電站樞紐虛擬環境的實現

趙 艷，范少華，張惠林

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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水電站樞紐虛擬環境的實現

趙 艷，范少華，張惠林

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文主要介紹了水電站樞紐布置及其周圍地理環境的虛擬環境的實現方法及最后實現的功能。利用AutoCAD從工程圖紙中抽取較為精確的模型數據，輸入3DS中，在3DS中逐步調整各種模型的材料屬性，使之接近真實物體。最后，將3DS模型數據和材料屬性轉化成能使用的格式。

水電站；樞紐；地理環境；虛擬環境；模型數據

0 前 言

虛擬現實作為一種科學可視化方法，是當今計算機最熱門的技術之一，使人們可以將任何想象的環境虛擬現實，以最自然的動作與這種虛擬現實進行交流。目前，虛擬現實技術已在各行各業中廣泛應用(虛擬現實教學系統、遠程診斷、汽車制造設計等等)，實現了水電站樞紐布置及其周圍地理環境的虛擬環境，使得用戶能夠運用小小的鼠標突破物理、空間、時間的限制，充分領略水電站大壩的雄偉風姿，輕松徜徉于大壩的任意一個部位。本文主要闡述了從另一種常用硬軟件環境的實現方法及拱壩虛擬環境系統的功能實現。

1 拱壩虛擬環境的實現

1.1 虛擬現實(Virtual Reality)

虛擬現實是利用計算機將客觀世界的局部仿造出來，并且允許用戶利用自然的動作與這個仿造的局部世界進行交互，產生身臨其境的感覺。“虛擬”指的是利用虛擬現實技術所產生的局部世界是虛構的，而“現實”說明對于進入這一虛構的局部世界的人來說，在感覺上是進入了現實世界。虛擬現實的系統組成見圖1。

圖1 虛擬現實的系統組成

一個基本的虛擬現實系統由以下幾個部分組成：

虛擬環境：由虛擬環境發生器產生；且可讓使用者通過傳感器件和作用器件與之交流，這種交流使用戶全身心進入這一環境(即浸入，immersion)；所以虛擬環境向人們提供了一種新型的人機界面。

傳感器件：它是被用來將虛擬環境中的物體的形象、動作、聲音、力反饋等進行轉換，使人能夠獲得視覺、聽覺、觸覺等多方面的感覺，這些感覺和他在實際環境中經歷的一致。

作用器件：被用來將人的一些約定動作(如走動、轉動、手勢等)變成作用信息，讓虛擬環境(最終是讓虛擬環境發生器)有所察覺。

人：人通過傳感器件感受虛擬環境的存在，又通過作用器件去影響虛擬環境，使其作出相應的變化。

虛擬環境發生器：產生使用者所需要的虛擬環境；且能通過作用器件傳來的作用信息，了解使用者的位置和動作，并對已產生的虛擬環境作出相應的修改。虛擬環境發生器包括PC級的虛擬環境發生器、工作站級的虛擬環境發生器、高度并行的虛擬環境發生器、基于Client/Server的虛擬環境發生器。

虛擬環境主要有三個特征：沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、構想(Imagination)。它以仿真方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形世界，使用戶直接參與和探索仿真對象在所處環境中的作用與變化。

1.2 虛擬環境的實現

1.2.1 系統結構

考慮到硬件設備狀況，選用了Silicon Graphics Inc. 的Indigo2機型。Indigo2在該開發階段是一種高性能圖形工作站，采用Mips 250MHz主頻CPU R4000；具有兩個PP1象素管道處理器，提供混合、深度和抖動；一個GE11幾何圖形/圖象發生器；一個RE4光柵發生器，能作120M/Sec象素填充。虛擬環境系統框圖見圖2。

圖2 系統框圖

1.2.2 三維模型的建立

一個對象的三維空間模型一般以面來表示。每個面由三個頂點(Vertex〕按右手法則組成，保證其每個面的法向量朝外。在三維顯示時，光照效果需由法向量來生成。如一個四面體，可按如下定義來生成(見圖3)。

圖3 四面體

物體的材料屬性則由 散射光譜(Diffuse Color〕、周圍光譜(Ambient Color)、反射光譜(Specular Col-

or)、發射光譜(Emissive Color)、透明度(Transparency〕和光澤度(Shininess)組成，除透明度和光澤度由一個數值表示外，其余均由R G B三數表示屬性。如某一種玻璃狀物體可定義如下格式。

Material Glass {

ambientColor 0.187 0.155 0

diffuseColor 0.552 0.748 0

specularColor 0.861 0.861 0.861

emissiveColor 0 0 0

shininess 0.939

transparency 0.345 }

水電站樞紐布置的三維模型列表如圖4。

圖4所示的樞紐布置模型十分復雜，數量較多，必須使用專門的建模工具方可展開工作。選擇了AutoDesk公司的Auto CAD 和 3D Studio。利用Au-toCAD從工程圖紙中抽取較為精確的模型數據，輸入3DS中，在3DS中逐步調整各種模型的材料屬性，使之接近真實物體。最后，將3DS模型數據和材料屬性轉化成我們所能使用的格式。圖5展示了大壩的三維空間模型。

圖4 樞紐布置三維模型列表

圖5 大壩模型 Vertex：9420 Faces：17027

1.2.3 虛擬環境生成器

當有了三維數據模型后，需要依靠虛擬環境生成器來根據用戶的輸入信息，實時的生成真實世界的模擬圖象。

如果不借助商品化的VR編程工具，開發VR應用是非常困難的。需要開發者具備網絡、造型、實時多任務系統、面向對象、仿真等多方面的知識。利用SGI公司的Performance進行編程。在 SGI平臺運行的Performance庫，是專門用于虛擬環境、視覺仿真的一個高性能的圖形庫。Performance面向硬件結構，能提供多通道的高解析度(1 280×1 024)輸出，支持多個CPU。能根據硬件配置，自動調整選擇最佳運行狀態，以產生每秒30幀的光滑畫面輸出，支持第三方廠家的數據文件。利用Performance庫，編制了應用程序Simulator。Simulator的結構框圖見圖6。

圖6 虛擬環境發生程序的結構框圖

由于大壩模型組成部分眾多(如圖4所示)，若將全部模型調入，數據量巨大，運行速度慢，視覺感官不甚流暢，所以我們提供了可選擇性地調入所需三維模型的功能，用戶可根據需要調入模型，例如，用戶可只調入大壩的模塊，而無須將地下廠房和地形模塊調入。另外，考慮到用戶在復雜繁多的虛擬環境中漫游容易迷失方向，又特意編制一程序與虛擬環境發生程序進行通訊，建立數據通道，實時取得用戶視點的當前三維位置，并在虛擬環境界面旁邊生成一個俯視的平面示意圖。大壩的虛擬現實系統如圖7所示。

2 虛擬環境實現的功能

在系統中，因受到設備的限制，可采用大屏幕作為圖象輸出設備，用鼠標作為輸入設備，系統的交互手段較為簡單。用戶利用鼠標與虛擬環境進行交互，通過鼠標控制漫游方向及速度，另外，還可通過從菜單中設置運動方式改變交互方式。

根據運動規律，模擬人在虛擬環境中的運動情況，提供了三種運動模式：跟蹤(Track)、行走(Drive)、飛行(Fly)。

(1)跟蹤(Track)，根據鼠標的狀態可以任意移動、翻轉對象。用戶的視點在對象外部。

(2)行走(Drive)，模擬人在地面的行走狀態。一般被限制在離地面0.5 m，如果小于這個數值，會引發碰撞，反彈回去。這種狀態下，用戶可以任意前進、后退、加速、轉彎。能得到真實物理世界無法得到的感受。

(3)飛行(Fly)，模擬飛行狀態。系統捕捉鼠標狀態，用以形成飛行的路徑、方向、加速度等。碰撞測試打開后，如碰到任何物體，都會被反彈。若碰撞測試關閉，則產生“穿墻”的效果。這種狀態下，能體會到虛擬環境無法比擬的感受。

用戶可利用這三種方式輕松游覽于水電站樞紐環境中。其中，跟蹤可以用鼠標任意移動、翻轉對象(用戶的視點在對象外部)；行走模擬人在地面的行走狀態；飛行可以設置碰撞模式，碰撞模式若開啟，則會有反彈效果，碰撞模式若關閉則為可穿墻狀態，用戶可穿越障礙物任意飛翔進行漫游。

圖7 水利樞紐的虛擬現實系統

3 結 語

虛擬環境作為計算機技術發展的前沿之一，目前已大量應用于化工、航天、制造業、娛樂業等領域。初步實現的水電站大壩虛擬環境，直觀形象的再現了水電站樞紐的雄偉氣勢，對于今后其它大壩的設計施工都有著很好的輔助作用，可以給設計人員以明了直觀的啟示，清楚自己的設計思路，加快設計過程，減小設計周期，節約開支和投入。

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[3] Suzuki S.Graph-based Vectorization Method for Line Patterns[R].Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，1991.

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2016-02-23

趙艷(1980-)，女，山東蘭陵人，碩士，高級工程師，從事水工結構設計工作。

TV7,TP391.9

B

1003-9805(2016)04-0039-04