CATIA V5环境下水电工程三维可视化仿真场景中的应用研究

李小帅，万 军，黄艳芳，陈 敏

CATIA V5环境下水电工程三维可视化仿真场景中的应用研究

李小帅a，万 军b，黄艳芳a，陈 敏a

（水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院a.工程数字仿真中心；b.武汉市长为高新技术有限责任公司，武汉 430010）

在水电工程三维可视化仿真场景实现过程中，针对水电工程的设计特点与视觉特征，提出CG知识库的概念，并以CATIA与3DSMAX软件为应用平台，从环节分解、要素分类、建立方法、关键问题等方面探讨了水电工程三维参数化模型库与三维网格模型库、材质库等CG知识库的实现思路及采用的主要技术，并阐述了通过CG知识库的运用，可快速搭建三维可视化仿真场景，缩短同类项目的制作周期，提高应用自动化的程度。

水电工程；三维可视化；CG知识库；模型；材质与灯光；CATIA；3DSMAX

1 研究背景

随着计算机三维可视化仿真技术的日益成熟，在水电工程勘测设计、施工建设、运行管理等阶段对水电工程仿真模拟的视觉效果与实现速度的要求也越来越高，无论是基于三维模型的虚拟现实系统产品，还是三维动画等产品，都需要搭建三维可视化仿真场景，在搭建过程中，涉及模型、材质、灯光、动态粒子等关键要素的运用与处理问题，要素本身的质量决定着场景视觉效果的真实程度，要素实现的快慢又决定着场景搭建的速度。

CG（Computer Graphics）是计算机图形学的简称，CG研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG，搭建三维可视化仿真场景过程中的要素实现都可以归于CG技术应用范畴。

为了快速并高质量地建立三维可视化仿真场景，针对水电工程的设计特点与视觉特征，通过对三维设计软件CATIA与三维制作软件3DSMAX的相关功能的摸索，建立解决问题的方法，对关键要素进行创建获取、整理、归纳分类，并以一定的形式与标准放置在特定的文件或数据库中构成CG知识库。通过对CG知识库的实现与应用，可将技术运用过程中所产生的包含经验知识的要素按分类添加至库中，为技术人员快速搭建三维场景提供资源与指导，使得以往项目的设计与制作经验在新产品实现中能够得以传递与重用。

2 软件平台

CATIA V5是集成应用软件包，其功能覆盖产品设计的各个方面：计算机辅助设计、计算机辅助工程分析、计算机辅助制造。CATIA V5具有强大的知识工程和参数化建模的功能，并结合了显示知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化，隐式的经验知识变成显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。用户可以运用CATIA V5的知识工程模块，自定义地建立知识库，从而参数化地驱动三维模型。

3DSMAX是一款三维动画渲染与制作软件，不仅具有较好的三维网格模型绘制与编辑功能，而且在视觉要素的表现上也具有强大的功能与良好的操作界面。从材质、灯光、粒子系统等要素的实现来看，其软件各要素编辑管理器给用户提供丰富的参数调节选项，视觉要素可以充分地依照用户意图进行实现，而且针对3DSMAX的插件众多，普通用户几乎不需要利用3DSMAX Script脚本进行二次开发，就可以找到所需要的插件进行应用。

3 三维可视化仿真场景搭建过程中的CG知识库

水利工程三维可视化仿真场景从实现流程上有以下环节：①依据工程设计、地形等高线测量数据分别建立枢纽建筑物三维模型、施工布置配套工程三维模型、三维地形模型；②对枢纽建筑物、施工布置配套工程等三维模型与三维地形模型进行合理拼接，构建三维几何模型总体场景；③依据三维几何模型在真实环境或相似真实环境中的视觉特征，分别模拟相对应的材质；④依据自然界中的光影视觉特征，在三维场景或渲染镜头中模拟各种光影关系，比如自然阳光、阴雨天的光线、夜光、室内光等光影环境；⑤对水电工程各种水流态进行模拟；⑥对各工程自然条件下的植被进行模拟等。

环节实现中可概括为2类操作：一是三维几何模型的建立；二是视觉元素的赋予。通过建立CG知识库，可持续提高这2类操作的实现速度与质量，其过程与关系如图1所示，虚线框里为本CG知识库具体内容。

对于三维几何模型的实现，建立基于CATIA的枢纽建筑物三维参数模型库与基于3DSMAX的施工布置三维网格模型库；对于视觉元素的实现，建立基于3DSMAX环境的材质库、水流态库，同时对全局环境光应用灯光脚本插件E-light的阵列、统一设置光影参数等功能进行快速模拟，对自然植被通过树木插件快速生成。

图1 CG知识库应用流程Fig.1 The application process of CG know ledge base

4 三维模型库的建立

在水利工程三维可视化仿真场景中，对三维几何模型的建立，采用2种方法，分别为三维参数化建模与三维网格建模。本库根据场景中对模型的重要程度与精准度要求，对要求高的模型，比如枢纽建筑物的表现是相对重点，包括大坝建筑物、电站建筑物、通航建筑物，采用三维参数化的思路通过CATIA软件建模；对要求一般的模型，比如施工布置配套工程等模型，包括混凝土生产系统、砂石加工系统、施工机械设备等，采用三维网格化的思路通过3DSMAX等软件建模。

4.1 三维参数化建模

三维参数化建模的基本思想是以约束来表达产品模型的形状特征，通过从模型中获取一些主要的定形、定位或装配尺寸作为自定义变量，修改这些变量的同时由一些公式计算出并变动其他相关尺寸，从而方便地创建一系列形状相似的模型。这种用尺寸驱动、修改图形的功能为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段，能够满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。

4.2 基于CATIA三维参数模型库的创建流程与使用

本库通过CATIA软件的参数化功能及其知识工程技术，通过各种参数、规则、方程及其关系表达式约束等方式，将设计内容关联到一起构建三维参数化模型，将关键控制性参数以自定义变量的形式提取并存储成EXCEL文件，并以一定的文件组织结构，通过CATIA Catalog目录编辑器构建三维参数模型库。用户对于建立同种类型的水工结构模型，可以根据库浏览器预览三维参数模型库的树状结构，逐级选择查找需要的参数模型标准件，找到需要的标准件后，双击该标准件，选取参考点、线、面等元素，修改EXCEL参数驱动表，即可生成该尺寸标准件的三维模型并调入CATIA系统，完成标准件实例化工作，达到对所需三维模型的快速获取，实现设计经验和知识的重用和积累。建库主要流程见图2。总的来说，参数、规则、方程及其关系表达式约束是模型的关键所在，灵活的参数管理是参数化模型的根本。部分成果有：建立了双曲拱坝基本体形参数模型，见图3，重力坝典型坝段剖面参数提取，见图4，地下厂房整体装配参数模型，见图5。

图2 基于CATIA三维参数模型库的创建基本流程Fig.2 The basic process of establishing 3-D parametric model base by CATIA

图3 双曲拱坝基本体型参数模型Fig.3 The basic shape parametric model of double curvature arch dam

图4 重力坝典型坝段剖面参数提取Fig.4 Parameter extraction of typical section of gravity dam

图5 地下厂房整体参数模型Fig.5 The whole parametric model ofunderground powerhouse

4.3 三维网格建模

三维网格建模是基于点线面等网格编辑与处理的方式而进行，模型数据以三角网形态所呈现。三维网格模型相对于三维参数模型而言，其建模过程不涉及参数化，不具备参数驱动功能，对模型可通过点线面等相关编辑工具进行更改。

对于三维参数模型与三维网格模型，前者可以消除参数化等关联信息，只保留最终形体结果，将三维参数模型网格化转换为后者，逆向则不成立，如图6。

图6 三维参数模型与网格模型的转换关系Fig.6 The conversion relationship between 3-D parametricmodel and grid model

4.4 基于3DSMAX三维网格模型库的创建流程

基于3DSMAX三维网格模型建立过程为：首先将二维CAD设计图纸进行简化，保留必要的点线面等二维信息，导入三维制作软件3DSMAX中；再通过3DSMAX模型绘制与编辑等功能，建立1∶1比例关系的三维网格模型。

对于所建立的施工配套工程三维网格模型，同时赋予基础材质，具体包括混凝土生产系统、砂石加工系统、机电安装基地、机械汽车停放场、金结拼装厂、砂石加工系统、施工水厂、施工营地等三维网格模型，可以通过3DSMAX层管理器进行归类管理，形成以文件名检索的层次结构目录，并与对应模型进行关联，构成三维网格模型库，用户可方便地根据层名称进行查找并调用，然后根据当前配套工程的CAD平面布置图等数据，将所调用的模型进行简单的调整，比如放大缩小、移动放置等操作，就可完成当前配套工程的三维模型的布置。如图7所示为从层管理器调用混凝土生产系统三维网格模型。

图7 从层管理器调用混凝土生产系统三维网格模型Fig.7 The 3-D grid model of production system calling concrete from layer manager

5 视觉元素及库的建立

5.1 材质、贴图、灯光的运用关系

材质构成是用于描述材质视觉和光学上的属性，如表达对象如何反射和传播光线，一般包括颜色构成、高光控制、自发光和不透明性，且3DSMAX中的材质中可以嵌套材质，可用于模拟更为复杂的真实效果。

在3DSMAX中，贴图为材质的子级，主要用于模拟对象质地、提供纹理图案、反射、折射等其他效果，依靠各种类型的贴图，可以模拟出千变万化的材质。高超的贴图技术是制作仿真材质的关键，也是决定最后渲染效果的关键。

同时，制作材质时不但要了解对象本身的物质属性，还要了解一些受光特性。灯光照射到对象表面的强度，主要包括灯光强度、入射角度、距离这3点因素，决定了材质颜色显示的强度，因此对象最后渲染的效果是通过其表面材质和受光情况共同决定。

5.2 基于3DSMAX的材质库创建流程

水电工程材质制作主要包括对枢纽建筑物与施工布置配套工程的模拟，还包括对自然地貌与水流态等对象的模拟。

本材质库首先确定了一个统一的光源，以白天日光特点的光影环境为标准来建立全局照明光源参数体系，在此基础上，再制作材质。为了增强场景的真实程度，制作时首先要仔细观察对象的视觉特点，然后应当尽量将各对象材质的参数属性与实际对象设置相似，经过反复调节与渲染测试，最终达到逼真质感效果。

关于材质的调节和建库管理，3DSMAX提供了Material Editor（材质编辑器）和Material／Map Browser（材质／贴图浏览管理器）。材质编辑器结合各类程序贴图用于创建、调节材质，并最终将其指定到场景中；材质／贴图浏览器用于建库管理并供用户从库中调用所需的材质，如图8为材质库创建基本流程。

图8 材质库创建基本流程Fig.8 The application process ofmaterial base

5.3 复杂材质的构成

对于水电工程地表的仿真模拟，是材质制作较为复杂的单元。本库对地表材质的模拟主要分为浓密丛林型与高山峡谷型2大类。

以浓密丛林型的地貌材质实现为例，其仿真图主要由3DSMAX材质种类中的混合（blend）材质、顶底（top／bottom）材质、贴图种类中的噪波（noise）贴图、位图（bitmap）贴图以及顶点颜色（vertex color）贴图等综合调节而成。图9为浓密丛林型的地貌材质层级分解示意。

下面对其中材质与贴图的关键技法做简述。

图9 浓密丛林型的地貌材质层级分解图Fig.9 Hierarchical decom position of dense-jungle landform material

通过观察并分析浓密丛林型山体地表的特点，将其分为2个部分进行模拟，分别为沿河岸消落带的材质模拟与根据地形坡度分布而产生变化的山体地表的材质模拟。其中的实现过程涵盖2个关键点：

第1个关键点是对沿河岸消落带与山体地表的区域划分与融合。

通过混合（blend）型材质将2种不同的材质指定并融合在地形网格表面上，同时对三维地形网格模型添加顶点画笔（vertex paint）编辑工具，并根据三维网格地形的实际情况进行顶点灰度（明暗度）通道手工绘制，绘制完毕后在混合（blend）材质中的指定顶点颜色（vertex Colors）贴图，就可将所绘制的地形顶点灰度通道作为mask蒙板，完成对2种材质的区域划分与融合。见图9中的“顶点灰度通道的绘制”分图，白色区域为消落带材质，黑色区域为山体地表材质，介于黑白之间的灰度渐变区域为山体地表材质与消落带材质混合的过渡地带。

第2个关键点是对于山体地表的材质模拟。

由于山体（三维网格地形）是起伏不平的，平缓地带与陡峭地带的地表在视觉上区别较大，就需要根据地形坡度分布而产生变化的山体地表区域进行区分与过渡融合。方法为：通过顶底（top／bottom）型材质，为对象指定顶与底2种不同的材质，对象的顶表面是法线指向上部的表面，底表面是法线指向下部的表面，根据场景对象的自身坐标来确定“顶”与“底”。位于顶部的材质为“绿草混合”blend型材质，用于模拟低坡度平缓地表；位于底部的材质为“岩石与沙土”blend型材质，用于模拟高坡度陡峭地表，中间交界处可通过调节它们所占据的比例与融合度，产生浸润（过渡融合）效果。

5.4 渲染结果实例

应用3DSMAX树木插件，可以结合地势的起伏，快速布置树木的种类、大小变化、区域分布等，完成自然地貌的模拟。如图10为浓密丛林型地形地貌下的某水电工程三维场景渲染最终效果。

图10 浓密丛林型地貌模拟渲染效果Fig.10 The simulated rendering effects of dense-jungle land form

以航空影像与三维相机所拍摄出的地形陡立面地貌照片为3DSMAX的bitmap贴图，并调用材质库子库——水流态库中预设的粒子系统，根据工程设计中的泄洪抛物线等数据来调节参数，模拟泄洪。如图11为高山峡谷型地形地貌下的某水电工程三维场景泄洪渲染最终效果。

图11 基于航片的高山峡谷型地貌渲染效果Fig.11 The rendering effects of high-canyon landform based on air photos

6 其他关键应用技术问题

6.1 快速布光

对于全局光的模拟，可以通过在3DSMAX中运行脚本插件E-light来快速布置灯光群，E-light的应用原理为：通过设置半球表面网格点的阵列密度来确定每个灯光的位置，1个网格点对应1个灯光，形成入射角度、距离并按阵列规律均匀分布且覆盖三维整体场景的灯光群，对于灯光群的光影参数可以统一调节，经过渲染测试达到理想的全局环境光源效果。通过E-light的应用，就不需要对每个灯光的位置与参数进行逐一调节，节省了布光时间。

6.2 贴图烘焙技术

对于包括模型、材质、灯光等要素已经调制完毕的三维场景，可以将三维网格模型对象在场景中的渲染结果，通过3DSMAX中的贴图烘焙技术进行预处理，将场景中的各类材质、光照信息渲染成与模型对象各个面相对应的bitmap贴图，达到模型的光照信息和模型原有的材质信息相融合的目的，然后再把带有渲染结果信息的bitmap贴图“烘焙”回场景中的模型对象上。

对于基于三维场景的交互式系统来说，运行过程中需要实时计算光照信息，采用经过贴图烘焙后的三维场景数据，可以不再进行费时的光照计算，不仅在一定程度上提高了系统的运行效率，而且模拟效果得到很大的改善，使得交互式系统的场景漫游视觉效果更加接近3DSMAX直接渲染的结果。

7 结论与展望

本文针对水电工程三维可视化仿真场景的搭建，概述了CG知识库的建立思路以及运用过程中所涉及的主要技术。技术人员通过运用CG知识库，检索并调用其中所需的要素，经过调节和组合，可快速搭建三维可视化仿真场景，并已在缅甸道耶坎水电站、重庆小南海水电站、金沙江乌东德水电站、金沙江金沙水电站、嘉陵江亭子口水利枢纽、乌江彭水水电站等项目中得以应用，缩短了同类项目的制作周期，取得了良好的成果。

下一步工作，对目前的施工布置配套工程通过三维参数化建模的思路，归入三维参数模型库；对枢纽建筑物三维参数化模型库中的设计参数体系等进一步优化，并编制各模型的参数使用说明等，更好地达到通用的目的；对目前基本文件级的材质库，随着材质的不断丰富，面对海量数据时通过二次开发建立基于特征级检索技术的材质库，加强检索的针对性，不断提高应用自动化的程度。

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（编辑：王 慰）

Application of CG Know ledge Base to 3-D Visual Simulation of Hydropower Project by Software CATIA V5

LIXiao-shuai1，WAN Jun2，HUANG Yan-fang1，CHEN Min2
（1.Engineering Digital Simulation Center，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Changwei Advanced Technology Co.，Ltd.，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design，and Research，Wuhan 430010，China）

In the 3-D visualized simulation of hydropower project，the CG（Computer Graph）knowledge base is employed in line with the designing characteristics and visual features.With software CATIA and 3DSMAX as the application platform，ideas of the implementation and main technologies of CG knowledge bases inclusive of 3-D parametric model base，3-D grid model base，and material base of hydropower projects are discussed.The details such as link decomposition，elements classification，model-establishingmethods，and key issues are also explored.Through the application of CG knowledge base，the 3-D visualized simulation scene could be built rapidly，the production cycle of similar project can be shortened，and the level of application automation can be improved.

hydropower engineering；3-D visualization；CG knowledge base；model；material and light；CATIA；3DSMAX

TP391.9

A

1001－5485（2012）12－0113－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.023 2012，29（12）：113－118

2012－07－20；

2012－09－14

国家大坝安全工程技术研究中心项目“大坝三维协同设计系统”（2011NDS019）

李小帅（1982－），男，安徽阜阳人，工程师，硕士，主要从事水电工程三维可视化仿真、三维协同设计的研究与应用工作，（电话）13995679062（电子信箱）lixiaoshuai＠cjwsjy.com.cn。