水电站枢纽虚拟环境的实现

赵 艳，范少华，张惠林

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



水电站枢纽虚拟环境的实现

赵 艳，范少华，张惠林

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文主要介绍了水电站枢纽布置及其周围地理环境的虚拟环境的实现方法及最后实现的功能。利用AutoCAD从工程图纸中抽取较为精确的模型数据，输入3DS中，在3DS中逐步调整各种模型的材料属性，使之接近真实物体。最后，将3DS模型数据和材料属性转化成能使用的格式。

水电站；枢纽；地理环境；虚拟环境；模型数据

0 前 言

虚拟现实作为一种科学可视化方法，是当今计算机最热门的技术之一，使人们可以将任何想象的环境虚拟现实，以最自然的动作与这种虚拟现实进行交流。目前，虚拟现实技术已在各行各业中广泛应用(虚拟现实教学系统、远程诊断、汽车制造设计等等)，实现了水电站枢纽布置及其周围地理环境的虚拟环境，使得用户能够运用小小的鼠标突破物理、空间、时间的限制，充分领略水电站大坝的雄伟风姿，轻松徜徉于大坝的任意一个部位。本文主要阐述了从另一种常用硬软件环境的实现方法及拱坝虚拟环境系统的功能实现。

1 拱坝虚拟环境的实现

1.1 虚拟现实(Virtual Reality)

虚拟现实是利用计算机将客观世界的局部仿造出来，并且允许用户利用自然的动作与这个仿造的局部世界进行交互，产生身临其境的感觉。“虚拟”指的是利用虚拟现实技术所产生的局部世界是虚构的，而“现实”说明对于进入这一虚构的局部世界的人来说，在感觉上是进入了现实世界。虚拟现实的系统组成见图1。

图1 虚拟现实的系统组成

一个基本的虚拟现实系统由以下几个部分组成：

虚拟环境：由虚拟环境发生器产生；且可让使用者通过传感器件和作用器件与之交流，这种交流使用户全身心进入这一环境(即浸入，immersion)；所以虚拟环境向人们提供了一种新型的人机界面。

传感器件：它是被用来将虚拟环境中的物体的形象、动作、声音、力反馈等进行转换，使人能够获得视觉、听觉、触觉等多方面的感觉，这些感觉和他在实际环境中经历的一致。

作用器件：被用来将人的一些约定动作(如走动、转动、手势等)变成作用信息，让虚拟环境(最终是让虚拟环境发生器)有所察觉。

人：人通过传感器件感受虚拟环境的存在，又通过作用器件去影响虚拟环境，使其作出相应的变化。

虚拟环境发生器：产生使用者所需要的虚拟环境；且能通过作用器件传来的作用信息，了解使用者的位置和动作，并对已产生的虚拟环境作出相应的修改。虚拟环境发生器包括PC级的虚拟环境发生器、工作站级的虚拟环境发生器、高度并行的虚拟环境发生器、基于Client/Server的虚拟环境发生器。

虚拟环境主要有三个特征：沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、构想(Imagination)。它以仿真方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形世界，使用户直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。

1.2 虚拟环境的实现

1.2.1 系统结构

考虑到硬件设备状况，选用了Silicon Graphics Inc. 的Indigo2机型。Indigo2在该开发阶段是一种高性能图形工作站，采用Mips 250MHz主频CPU R4000；具有两个PP1象素管道处理器，提供混合、深度和抖动；一个GE11几何图形/图象发生器；一个RE4光栅发生器，能作120M/Sec象素填充。虚拟环境系统框图见图2。

图2 系统框图

1.2.2 三维模型的建立

一个对象的三维空间模型一般以面来表示。每个面由三个顶点(Vertex〕按右手法则组成，保证其每个面的法向量朝外。在三维显示时，光照效果需由法向量来生成。如一个四面体，可按如下定义来生成(见图3)。

图3 四面体

物体的材料属性则由 散射光谱(Diffuse Color〕、周围光谱(Ambient Color)、反射光谱(Specular Col-

or)、发射光谱(Emissive Color)、透明度(Transparency〕和光泽度(Shininess)组成，除透明度和光泽度由一个数值表示外，其余均由R G B三数表示属性。如某一种玻璃状物体可定义如下格式。

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 }

水电站枢纽布置的三维模型列表如图4。

图4所示的枢纽布置模型十分复杂，数量较多，必须使用专门的建模工具方可展开工作。选择了AutoDesk公司的Auto CAD 和 3D Studio。利用Au-toCAD从工程图纸中抽取较为精确的模型数据，输入3DS中，在3DS中逐步调整各种模型的材料属性，使之接近真实物体。最后，将3DS模型数据和材料属性转化成我们所能使用的格式。图5展示了大坝的三维空间模型。

图4 枢纽布置三维模型列表

图5 大坝模型 Vertex：9420 Faces：17027

1.2.3 虚拟环境生成器

当有了三维数据模型后，需要依靠虚拟环境生成器来根据用户的输入信息，实时的生成真实世界的模拟图象。

如果不借助商品化的VR编程工具，开发VR应用是非常困难的。需要开发者具备网络、造型、实时多任务系统、面向对象、仿真等多方面的知识。利用SGI公司的Performance进行编程。在 SGI平台运行的Performance库，是专门用于虚拟环境、视觉仿真的一个高性能的图形库。Performance面向硬件结构，能提供多通道的高解析度(1 280×1 024)输出，支持多个CPU。能根据硬件配置，自动调整选择最佳运行状态，以产生每秒30帧的光滑画面输出，支持第三方厂家的数据文件。利用Performance库，编制了应用程序Simulator。Simulator的结构框图见图6。

图6 虚拟环境发生程序的结构框图

由于大坝模型组成部分众多(如图4所示)，若将全部模型调入，数据量巨大，运行速度慢，视觉感官不甚流畅，所以我们提供了可选择性地调入所需三维模型的功能，用户可根据需要调入模型，例如，用户可只调入大坝的模块，而无须将地下厂房和地形模块调入。另外，考虑到用户在复杂繁多的虚拟环境中漫游容易迷失方向，又特意编制一程序与虚拟环境发生程序进行通讯，建立数据通道，实时取得用户视点的当前三维位置，并在虚拟环境界面旁边生成一个俯视的平面示意图。大坝的虚拟现实系统如图7所示。

2 虚拟环境实现的功能

在系统中，因受到设备的限制，可采用大屏幕作为图象输出设备，用鼠标作为输入设备，系统的交互手段较为简单。用户利用鼠标与虚拟环境进行交互，通过鼠标控制漫游方向及速度，另外，还可通过从菜单中设置运动方式改变交互方式。

根据运动规律，模拟人在虚拟环境中的运动情况，提供了三种运动模式：跟踪(Track)、行走(Drive)、飞行(Fly)。

(1)跟踪(Track)，根据鼠标的状态可以任意移动、翻转对象。用户的视点在对象外部。

(2)行走(Drive)，模拟人在地面的行走状态。一般被限制在离地面0.5 m，如果小于这个数值，会引发碰撞，反弹回去。这种状态下，用户可以任意前进、后退、加速、转弯。能得到真实物理世界无法得到的感受。

(3)飞行(Fly)，模拟飞行状态。系统捕捉鼠标状态，用以形成飞行的路径、方向、加速度等。碰撞测试打开后，如碰到任何物体，都会被反弹。若碰撞测试关闭，则产生“穿墙”的效果。这种状态下，能体会到虚拟环境无法比拟的感受。

用户可利用这三种方式轻松游览于水电站枢纽环境中。其中，跟踪可以用鼠标任意移动、翻转对象(用户的视点在对象外部)；行走模拟人在地面的行走状态；飞行可以设置碰撞模式，碰撞模式若开启，则会有反弹效果，碰撞模式若关闭则为可穿墙状态，用户可穿越障碍物任意飞翔进行漫游。

图7 水利枢纽的虚拟现实系统

3 结 语

虚拟环境作为计算机技术发展的前沿之一，目前已大量应用于化工、航天、制造业、娱乐业等领域。初步实现的水电站大坝虚拟环境，直观形象的再现了水电站枢纽的雄伟气势，对于今后其它大坝的设计施工都有着很好的辅助作用，可以给设计人员以明了直观的启示，清楚自己的设计思路，加快设计过程，减小设计周期，节约开支和投入。

[1] 刘珍平,梁民,张培仁.地理图形等高线的矢量化及三维图形的生成[J].计算机应用研究，1999.

[2] T·帕夫利笛斯.计算机图形显示和图象处理的算法[M].科学出版社，1987.

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

[4] A.J.Filipski et al.Automated conversion of engineering drawings to CAD form[J].Proceedings of the IEEE, 1992:1195.

2016-02-23

赵艳(1980-)，女，山东兰陵人，硕士，高级工程师，从事水工结构设计工作。

TV7,TP391.9

B

1003-9805(2016)04-0039-04