虚拟现实技术在结构工程中的应用与研究

娄 健 康

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

虚拟现实技术在结构工程中的应用与研究

娄 健 康

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

以某结构工程虚拟现实仿真系统的应用与研究为课题，融合纹理映射学、计算机图形学、虚拟现实等多个交叉学科的先进理论技术，探讨了基于Quest3D引擎的虚拟现实技术及解决实际问题的方案，并制作出该结构工程虚拟现实三维可视化仿真系统，有利于设计人员在虚拟建筑物内漫游，验证自己设计的建筑物是否合适。

结构工程，虚拟现实系统，Quest3D

0 引言

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术。VR是一项综合集成技术，生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者，通过适当装置对虚拟世界进行体验和交互[1，2]。在现代结构规划中，结构的整体效果越来越多的被设计人员考虑。结构设计的好坏已经不是从建筑物本身去评判，需要综合考虑建筑在整个建筑群中的位置、高度、色调，以及城市绿地等一些可供休闲的场所。利用虚拟现实进行结构规划设计，在结构设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境、建筑物外貌和各种附属设施，可以让设计人员在虚拟建筑物内漫游，验证自己设计的建筑物是否合适。城市规划对于展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象、帮助有关人员作出决策，有着巨大的促进作用[3]。

本文利用虚拟现实技术对某工程进行设计和开发，结合工程动画实现结构工程中的水利枢纽部分施工新工艺的动画浏览、漫游及人机交互功能。

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实简介

虚拟现实技术综合利用计算机系统的各种显示器和控制接口设备，在计算机上完成拥有人机交互功能的虚拟环境[4，5]。该技术具有三个特征[6]：沉浸性，是指用户在开发者创建的虚拟环境中获得身临其境的沉浸感;交互性，是指用户可以与多种传感器和多维化信息环境发生人机交互;构想性，是指用户可以沉浸于高仿真的虚拟环境中并与系统进行人机交互，并在此基础上对认识产生质的飞跃从而产生新的构想。

1.2 Quest3D虚拟平台相对于其他开发引擎的优势

基于Quest3D平台的虚拟现实平台与其他平台比，能在可视化的编辑环境中与开发者进行互动，在编译通道逻辑的过程中随时查看系统运行结果。拥有强大、可视化工作流程，可以处理二维、三维图形、声音文件、网络文件、数据库文件、人机交互，它是虚拟现实中设计软件的巨擘。使用Quest3D，用户可以轻松建构出满足系统要求的实时三维互动世界[7]。

1.3 Quest3D编程技术

普通编程：在通道编辑器的通道编辑面板中按照Quest3D规则进行通道编辑，采用节点编程法集成虚拟系统，节点通道运行顺序是从上到下从左到右。分为以下三种：

1)三维模型渲染模块的编程，实现模型在Quest3D中实时渲染，主要由相机模块、模型模块、灯光模块组成。

2)界面制作模块的编程。

3)附属功能模块的编程，在系统中加入工程动画、人文资料、图片资料、声音等信息时。

面向对象编程：Quest3D引入了两个与之相关的界面元素OO Editor和Interface视窗，使用Quest3D自带的节点、通道和逻辑规则在OO Editor中通过添加接口和类的方式将复杂的普通编程简化。

2 工程应用

2.1 工程概况

某结构工程特色是其水利枢纽工程建造在市区内，水利枢纽由土石坝、泄洪闸、电站厂房等三大部分组成。土石坝部分的最大坝高是16.5 m，水库总库容4.59亿m3，电站装机三台，总装机容量为7万kW。此外该工程还具有基于曲面流线组织设计的采用金属板和玻璃构件外装饰材料的大型文体中心、商务商业中心和东区居住区中心等。

2.2 系统模拟目标

利用Quest3D虚拟仿真平台，实现场景模型点、线、面以及实体的不同显示方式；实现对整个系统的自动漫游和手动漫游，通过两种漫游方式使用户更加深入的了解某城市的规划概况；实现场景切换功能，准确表达主要建筑物如土石坝、电站厂房、泄洪闸部分；实现实时特效功能，方便的查看城市的雨和雷电效果、雾效、昼夜交替效果；系统操作简单方便，模拟精细；城市人文属性的显示；最后系统以对计算机软硬件配置要求较低的EXE格式的执行文件进行输出。

2.3 系统界面制作

Quest3D软件制作GUI的原理有两种：

1)使用软件自带的GUI通道的Button通道，并设置Button模块的GUISkin通道的输入参数控制按钮贴图样式、位置、大小、触发状态。

2)使用基本相机渲染法，将Quest3D在基本相机渲染模式下的基本物体附上按钮贴图，通过通道的互相调用与连接来自制按钮，然后调用一个ChannelSwitch开关来完成不同按钮贴图的切换，实现按钮触发状态变换，继而通过Quest3D中的数学运算通道Expression Value通道和Set Value通道的结合来完成按钮逻辑的集成。由于Quest3D中制作的按钮位置坐标是一个相对坐标，不能精确满足客户对界面的需求，为了使界面更好自适应，选用自制按钮来制作GUI界面。

鉴于以上各个部分的子程序都是单独编程设计的，每个子程序都可作为独立的虚拟现实系统而开发，子系统开发完毕后，我们需要将各个子程序封装公有化，继而在主控制面板上根据子程序的逻辑关系集成主程序。制作好的主界面逻辑及部分一级菜单逻辑、部分二级菜单逻辑、部分三级菜单逻辑分布图见图1。

3 结语

本文主要介绍了虚拟现实技术在结构工程中的应用，并在此基础上论述虚拟现实技术与结构工程相结合的意义。基于Quest3D软件平台，在Quest3D关键技术的指导下，采用模块化的编程设计来实现场景漫游模块、场景模型显示方式模块、场景实时时效模块、虚拟现实技术与工程动画相结合等模块的集成。

[1] 魏 群,姜 华,彭运动.虚拟现实可视化技术在桥梁工程中的开发与应用[A].2009年全国建筑钢结构行业大会论文集[C].中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会,2009:7.

[2] JohnV.Virtual Reality System[M].UN:Addison Wesley Publishing Company,1995.

[3] 杨 旻.基于MultiGen的真实感虚拟场景绘制研究[D].北京：北京交通大学,2007.

[4] 汤全武.虚拟现实技术概述[J].宁夏大学学报(自然科学版),2002,23(3):258-261.

[5] 县小平.虚拟现实技术概述与发展趋势[J].福建电脑,2008(3):40,75.

[6] 巨 鹏,景兴淇,王志勇,等.虚拟设计与虚拟现实概述[J].科技信息,2011(26):286.

[7] 路朝龙.Quest3D从入门到精通[M].北京：中国铁道出版社，2012.

The application of virtual reality technology in structural engineering and research

Lou Jiankang

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The subject of this paper is the application and research about the virtual reality 3D visualization simulation system, the narrative of this paper is the 3D model method which describes the big scene of the city. Finally, we make a virtual reality visualization simulation city system. So as to enhance the design personnel to wander in the virtual buildings and prove whether the buildings designed by them are suitable or not.

structural engineering, virtual reality system, Quest3D

1009-6825(2017)21-0257-02

2017-05-15

娄健康(1987- )，男，硕士，助理工程师

TP319

A