重庆港集装箱码头三维模拟系统设计

叶荣波，杜廷娜，刘明维，王多垠

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

重庆港集装箱码头三维模拟系统设计

叶荣波，杜廷娜，刘明维，王多垠

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

以重庆港集装箱码头为实例，利用虚拟现实的方法和技术，混合使用Auto CAD、3Ds MAX、Photoshop、Premiere的技术集成，开发出了集装箱码头的三维可视化仿真系统。介绍了系统的设计方法，系统的构成和工作流程，并对系统中用到的关键技术进行了分析研究，系统虚拟的动画模拟可以为集装箱码头的运营管理提供决策依据。

集装箱码头;建模方法;设计流程;Auto CAD;3Ds MAX

港口结构复杂、投资大，生产过程中的随机因素多，其建设周期也很长。因此，港口的合理规划具有重大意义，但难度也较大，如果将港口三维可视化仿真系统应用于港口建设中，定量分析泊位利用率是否合理，设施及设备的配置是否恰当，码头装卸工艺流程设计是否科学，必将有着极大的实际作用。

重庆港作为长江上游集装箱主枢纽港，正在向港口自动化，船舶大型化，港口设备重载化方向发展。以减少船舶在港停留时间，降低生产成本，提高设备利用率和生产率，提高港口在市场中的竞争能力。港口三维可视化仿真系统作为一种虚拟设计工具，可用作港口规划方案评价，降低设计风险。同时也可模拟港口的生产过程，为港口的科学有序管理提供决策参考依据。

1 建模方法

1.1 建模方法比较

现有的建模技术按使用方式的不同可以分为:基于扫描设备的建模方法、基于图像的建模方法以及基于几何造型的建模方法。扫描设备如专业的三维扫描仪，虽然可以达到很高的建模精度，但其设备费用非常昂贵，操作步骤繁杂，使得它无法得到很好的推广。另外，这种方法也只能得到物体表面的几何信息，对于表面纹理却无法自动获得［1］。针对这些问题，专家们将计算机视觉领域与计算机图形学的知识结合起来，实现了基于图像的建模技术。这种技术是使用普通的数码相机拍摄物体在多个角度下的照片，经过自动重构技术，获得物体精确的三维模型。但这种方法在处理表面纹理时，对于不规则物体来说，效果不理想。另外对于物体表面存在凹陷的细节，在表面轮廓中无法体现，将会失去部分三维模型信息。且存在图像匹配困难，存储数据量大，立体感不强，效果不理想等缺点［2］。

1.2 建模方法选择

选择几何造型的建模方法，主要有3种:线框模型、表面模型、实体模型。线框模型只用顶点和棱边来表示物体，因此只有“线”的概念。如果显示效果要求不高，由于线框模型简单、方便，所以得到较广泛的应用。这种方法表示物体的外观很难，应用范围受到限制。表面模型相对于线框模型来说引入了“面”的概念。表面模型是用参数化的细分面片来逼近真实物体的表面，因此可以很好地表现物体的外观轮廓。相对于上述的线模型和面模型，实体模型引入了“体”的概念，在构建物体表面的同时，深入到物体内部，从而形成物体的“体模型”。

面模型和体模型以其优秀的视觉效果被广泛应用，且有很好的建模工具。本系统选用了Auto CAD和3Ds MAX建模工具，采用基于几何建模的面模型和体模型对场景进行优化，实现了重庆港集装箱码头的三维模型搭建［3］。

2 系统总体设计

重庆港集装箱码头三维可视化仿真系统主要由软件和硬件2大部分组成。

2.1 软 件

Auto CAD和3Ds MAX是最常用的三维建模软件。Auto CAD是目前全球市场占有率最高的计算机辅助设计软件，广泛应用于各个行业。3Ds MAX是享誉三维动画制作专业的优秀软件，具有强大的三维造型及动画制作功能，且开放性良好，应用领域非常广泛［4］。在港口三维动画制作过程中要处理大量的图形图像素材，Photoshop是首选软件，相对同类软件，Photoshop具有功能强大，简单易用的优点。当各个部分三维模型和动画制作完成后，选用Premiere作为后期合成软件。

2.2 硬 件

硬件最好采用高性能配置的PC机，建议最低配置为:CPU主频2 G以上，内存2 G以上，独立显卡，显存512 M以上，硬盘250 G。

2.3 工作流程

在重庆港集装箱码头三维可视化方针系统开发过程中，对港口建筑及其它场景采用几何建模的方法，设计流程如图1。

3 模型分析与创建

3.1 办公区域

办公区域有5栋建筑以及周边环境和公路。整个港区涉及的三维立体很多，房屋建筑以建立表面模型为主，这样可减少数据量，同时要考虑到每种软件之间模型的组织结构不同。例如，在Auto CAD中建立了一个平面，而在3Ds MAX中这个平面就不再是平面而是控制平面的线。这就需要选择部分形体的建模是在Auto CAD中进行还是在3Ds MAX中进行。这部分有喷水池小景，喷水效果采用了3Ds MAX的粒子系统。在制作喷水池时，可供选择的粒子喷射类型有很多种:PF Source、喷射、雪、暴风雪、粒子云、粒子阵列、超级喷射。在此场景中选择了利用超级喷射类型创建粒子系统。创建了超级喷射粒子类型之后需要给粒子施加一个虚拟的重力，不然粒子会“一飞冲天”，这需要用到3Ds MAX中对自然界模拟的重力，调整重力大小时一定要小心谨慎，因为对于这个参数一点点的加或减都会对粒子运动轨迹产生很大的影响，所以对于敏感参数的调节一定要耐心仔细。要使得喷水效果逼真，还要调整摄像机镜头的运动模糊参数，所谓的粒子是一个一个的小球(小三角形，小长方体等)要使这些小形体看起来像水，这就需要打开摄像机镜头的运动模糊功能，让粒子在运动过程中有模糊“拖尾”的效果，粒子形体、运动、特效等设置完成后，还要给粒子给定水的材质。这样能让这些粒子更具有水的灵动性，让整体画面更真实［5］。这部分模型见图2和图3。

图1 港口三维模型设计流程Fig.1 Design workflow of port three－dimensional model

图2 办公区域Fig.2 The regional office

3.2 码头前沿

码头前沿有10个泊位。这部分立体主要有高桩、岸桥、路灯、江面、集装箱及船舶，涉及的立体类型较多。因此，在建模时大量运用到二维阵列功能，以及配合不同视图，进行三维阵列，以此同时，在同一形体大量出现时，应该将其做成一个块，并以插入块的方式进行阵列复制，这样可以大大减少文件大小。对于江面的制作，考虑到Auto CAD在曲面建模方面的缺陷，因此在Auto CAD中，只给定江面的位置，而具体的水流表面的处理就放在3Ds MAX中进行建模，用3Ds MAX就能很容易的控制水面的凹凸感和相位变化。特别要注意的是江面以及江面与周围山体的衔接处，为了接近自然状态，可在两者之间采用雾化处理效果，这样使得连接更逼真。这部分模型见图4。

图3 喷水池Fig.3 The fountain

图4 码头前沿Fig.4 The dock

3.3 堆场后方

堆场主要有集装箱、道路(汽车道和火车道)、龙门吊及起重小车、绿化带和路灯。其中值得注意的是插入块功能的优势。运用插入块的功能可大大减少大量重复的模型在计算机内存中占用的问题，运用此功能，场景中所有同样的模型只占用一个块的空间，这样可以减小文件大小，提高显示速度［6］。比如，大量的集装箱，龙门吊，小车以及栏杆。这部分的动画主要注意将各台龙门吊的动作设置为不同步的方式，这样显得自然生动，见图5。

3.4 拆装箱库

拆装箱库形体较单一，只有样式相同的库房式建筑和道路，见图6。

3.5 出港道路

出港道路主要是公路与桥梁。桥梁是双塔斜拉桥，涉及桥塔、桥墩、桥面、栏杆和钢索，以及其他细节，制作较复杂。对于钢索，这里可以取一捷径，在Auto CAD中画的各种线，导入到3Ds MAX中后有2种处理，一种是以线为轴线自动生成圆柱体;另外一种是以线为基准自动生成长方体，因此在Auto CAD中建模时只需要画一根线确定好线的位置、长短、角度等来代替钢索，而不需要建圆柱体的模型。在画好的线导入到3Ds MAX后，选择线生成圆柱体的方式，让3Ds MAX自动建模，这样既可以减少文件大小又可以节约很多时间，见图7。

图7 出港道路Fig.7 The road departure

4 结论

三维建模技术在计算机软硬件、光学等技术与设备的不断发展与促进下，已经得到快速的发展［7］。在建模时也更趋向于使用简单的设备和过程，来满足不同应用层次的需求。三维建模技术研究，应该由现在不断追求具有更高精度、看起来更加真实的静态模型，发展向未来能够模拟现实世界各个对象间交互作用的动态模型，进而更加有效地辅助人们探索事物发展规律的研究［8］。计算机三维建模及动画制作技术在港口建设中的应用，为人们提供了具有真实感的三维视觉模型，以便在工程设计阶段即可在计算机上看到工程的未来景象，借助计算机三维模型可以对方案进行可视化分析和评价，检验设计方案是否科学合理。另外，还可以利用三维动画技术和虚拟现实技术来模拟施工进度，施工工艺，从而评价施工方案的合理性，为设计者和决策者提供指导和决策依据。

［1］李华，张彩明.中国图学新进展［M］.北京:黄河出版社，2007.

［2］ 吴重光.仿真技术［M］.北京:化学工业出版社，2000.

［3］桑胜举，杨德运，马利庄，等.中国图学新进展［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［4］ 崔洪斌，李荣廷，邓飞.AutoCAD三维图形设计［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［5］陈景昌，何正国.虚拟校园中三维景物表面贴图的研究［J］.东华大学学报，2005，31(4):57-61.

CHEN Jing-chang，HE Zheng-guo.The study of surface texture about virtual campus in 3d scene［J］.Donghua University Journal，2005，31(4):57-61.

［6］ 邹玉堂，路慧彪，王跃飞.AutoCAD2008实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2008.

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LUAN Xi-dao，YING Long，WEN Jun，et al.The technology research progress of 3d modeling［J］.Journal of Computer Science，2008，35(2):208-210，229.

［8］邱建雄，赵跃龙，杨瑞元.基于图像的建模和绘制技术综述［J］.小型微型计算机系统，2004，25(5):908-912.

QIU Jian-xiong，ZHAO Yue-long，YANG Rui-yuan.The review of modeling and rendering technology based on image［J］.Journal of Small Miniature Computer Systems，2004，25(5):908-912.

Container Dock Simulation System of Three-dimension Visualization in Chongqing

YE Rong-bo，DU Ting-na，LIU Ming-wei，WANG Duo-yin
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Taking container terminal in Chongqing Port as an example，the three-dimensional visualization system of container terminal was developed based on virtual reality methods and techniques and application of AutoCAD，3DSMAX，Photoshop，Premiere of technology integration.The design method of the system was introduced;the system composition and workflow，and key technologies were analyzed;the system virtual animation provided a basis for operation and management of container terminal.

container terminal;modeling method;design flow;Auto CAD;3Ds MAX

TP39

A

1674-0696(2011)03-0445-03

2010-10-21;

2010-12-11

重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ060413)

叶荣波(1987-)，男，四川凉山人，硕士研究生，主要从事水利水电工程方面的研究。E-mail:tingnadu@163.com。