基于虚拟现实仿真技术的测绘仪器模型设计开发

马春艳，徐传阳，沈成虎，李框宇

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454003;2.有色金属华东地质勘查局，江苏 南京210000）

一、引 言

目前，我国高校的测绘类及其相关本科专业讲授的第一门专业课是“测量学”，水准仪、经纬仪、全站仪、GPS等常规测量仪器的结构、使用方法和测量过程是其重点内容。在理论教学过程中，教师只能通过简单的教学课件与简短的仪器操作介绍［1］，而针对光学、电子仪器的内部结构、原理等则无法现场拆开学习，这使初学者很难理解和记忆。随着学生学习手段和方式的发展，计算机和网络已成为测量专业现场教学的有力补充［2］。

虚拟现实具有3个最突出的特征:① 沉浸感:让用户作为主角存在于合成的境界中，有一种身临其境的感觉;② 交互性:用户能主动与虚拟境界中的物体进行实时交互，计算机则能在较短时间内响应用户的输入并立即改变虚拟场景的状态;③构想性:以夸大的形式反映设计者的思想，多维信息系统具有身临其境的真实感和超越现实的虚拟性，使用者能够沉浸其中，显示出其实用性和先进性。虚拟仪器是20世纪90年代由美国国家仪器公司最早提出的新概念。所谓虚拟仪器，是指在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户在操作计算机的同时也在使用一台专门的电子仪器［3-4］。虚拟仪器目前正在向功能综合化的多功能虚拟仪库、高精度、高可靠性、操作方便、一键完成所需功能的方向发展。虚拟现实技术为高校教学和实验的发展带来了新的契机。

本文利用3ds Max强大的三维虚拟物体模型动画功能［5］，从仪器结构和基本测量原理入手，以水准仪模型为例，模拟仿真水准测量过程，实现了虚拟仪器的人机对话。虚拟测绘仪器是测量实验网络化、开放化的基础，通过虚拟测绘仪器可使抽象的概念形象化，枯燥的内容趣味化、开放化，能够收到良好的学习效果，可对实验室管理开放和资源共享的实施提供保障［6］。

二、水准仪及其模型制作

1.水准仪结构及测量原理

水准仪由望远镜、物镜、目镜、圆水准器、瞄准器等零部件组成［7］(如图1所示)，其主要功能是提供一条水平视线。在水准测量中，当视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

进行普通水准测量时，选定一条闭合水准路线，确定起始点及水准路线的前进方向。首先在起始点和第1个待定点分别立水准尺，在距该两点大致等距离处安置仪器，分别观测，得后视读数和前视读数，计算第1个测站的实测高差;将仪器搬至第1点、第2点中间设站观测，求出第2个测站的实测高差;依次测出其余测站的实测高差。根据各测站的实测高差，计算水准路线的高差闭合差，并检查其是否超限，然后对闭合差进行分配，推算各个待定点的高程。水准仪广泛应用于国家控制三、四等水准测量，地形测量，工程测量和矿山测量中。

图1 水准仪结构图

2.水准仪模型制作

应用3ds Max首先基于水准仪各部件的几何模型进行多边形的编辑处理制作，然后根据各部件大小比例进行调整，最后组合成为水准仪。

（1）镜身模型的制作

打开3ds Max软件，首先在透视图中画一个长方体，长、宽、高比例依实体设置，点击右键把它转换成可编辑多边形。选择编辑对象边，然后对它的长、宽、高线段分别夹线，即采用连接工具，使用NURMS命令进行光滑处理。在对多边形一边的顶端进行处理时，应用点编辑对象使它向内收缩。在前视图中创建一个圆柱体，参考长方体调节其半径和高，同样将其转换成可编辑图形，对高进行分段处理，分成若干段;对面进行添加材质处理，使其保持一致。如图2所示。

图2 水准仪镜身模型图

（2）镜头的制作

在前视图中画一个圆柱体，调节它的半径使其比镜身半径稍小。点击右键将它转换成可编辑多边形，选择面编辑对象，点击一端的圆面，将它删除。切换到边界编辑对象，选择制作出的边界，选择缩放命令，按住shift键，分别鼠标向里稍微缩放复制、沿高方向移动复制。如图3所示。

（3）物镜的制作

在前视图中画一个圆柱体，在修改器中修改它的一些参数，把它转化成可编辑对象。选择面编辑对象，选择两个圆面并删除;选择边界编辑对象，选择圆的边界，使用缩放命令。接着切换到面，在圆柱面上用间隔的方式选择选择30个面，它们之间间隔一个面，选择挤压命令，对所选择的面进行向外挤压处理，自动调节挤压量(如图4所示)。切换到边，分别在高的两端对圆柱的高进行夹线处理。最后使用NURMS命令细分光滑，添加黑色的材质。目镜的制作同物镜。

图3 水准仪镜头效果图

图4 水准仪物镜模型图

（4）瞄准器的制作

在前视图中画一个圆柱，调节它的半径和高度，使其高度与半径的比相对较大，记下此时的高与半径。在前视图中再创建一个圆柱体，调节它的参数，使其边数为3。如图5所示，移动两个物体使三角柱的三角形内接于圆柱面中，并且三角柱两端都露出来。将上述各部件组合起来即制作好了水准仪的模型，如图6所示。

图5 瞄准器的制作界面

图6 水准仪模型全图

三、水准测量的动画模拟

在影片剪辑中，将“停止”和“播放”按钮拖入舞台，分别将它们放在名为停止和播放的两个图层里面。单击播放按钮的第一帧，点击“动作-按钮”弹出动作帧面板［8］;然后单击“播放”按钮，加入代码，如图7所示。

图7 水准虚拟测量制作效果图

将影片剪辑拖入场景中，并将场景大小设置为1200像素×700像素。新建一个“背景”图层，使用“文件→导入→导入到舞台”功能，选择一张背景图导入到舞台，通过改变套索工具的阈值，不断用套索工具对导入舞台的图片进行编辑，最后将修改后的图形转换为图形元件，点击“文件→保存”。按Ctrl+Enter测试动画，如图8所示。利用虚拟现实技术可构造各种虚拟的测绘实验仪器、标本、模型，即通过应用程序将计算机与功能硬件结合起来，从而把计算机强大的运算、存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能、高精度、可灵活组合并带有通信功能的技术平台［9］。针对客观存在的各种测绘实验仪器、标本、模型，分别建立其相应的虚拟体。这些虚拟体除了具备客观真实体本身特点外，还具备真实体不具备的优点，如不存在损坏现象、易更新等。待各种虚拟仪器建立完后，可建立每个实体实验室相应的虚拟实验室，将虚拟仪器放在虚拟实验室内，建立内部联系，形成一个完善的虚拟实验室，进而完成各种先进的虚拟实验。

图8 水准测量动画模拟成果图

四、结束语

本文分析了实验室测量仪器的结构零部件和测量步骤，运用3ds Max制作了水准仪的三维模型和零件模型，并渲染输出了仪器三维虚拟模型;分析了水准测量的施测步骤，将仪器模型导入实际场景中，编制出虚拟测量步骤的动画过程;对测绘仪器及其测量过程进行三维模拟，实现了对测绘仪器模型的三维可视化操作、分析，使测绘仪器模型实现自动化、智能化、可视化，达到了深度开放实验室的目的。本文可为高等学校的虚拟测量实验室建设和实践提供参考。

［1］ 马春艳，梁翠英，张文清，等.测绘工程专业“四维渗透式”实践教学改革研究［J］.测绘通报，2013(2):106-109.

［2］ 骆旭佳.基于虚拟现实仿真技术的全站仪模拟操作系统的研制［D］.合肥:合肥工业大学，2010.

［3］ 路亚峰，陈义军，温新岐，等.虚拟仪器技术研究现状与展望［J］.国外电子测量技术，2010，29(11):35-37.

［4］ 邱龙辉，叶琳.工程图学虚拟测绘模型系统的设计［J］.工程图学学报，2007(6):147-151.

［5］ 龙马工作室.新编3ds Max 9三维动画创作——从入门到精通［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［6］ 周祖德，陈幼平.虚拟现实与虚拟制造［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2005.

［7］ 高井祥.测量学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2010:15.

［8］ 王新志，柯福阳，赵显富.基于Visual C#的全站仪与Windows Mobile通信技术［J］.测绘通报，2012(7):91-94.

［9］ 孙贤斌，尹杰，肖本林，等.“测量学”教学动画软件研制［J］.测绘通报，2009(2):75-78.