数字化三维图形技术（共11篇）
数字化三维图形技术 篇1
近年来, 随着我国虚拟现实技术的越发成熟, 越来越多的场所与领域开始对其进行全面利用, 从而实现自然方式和虚拟环境的相互操作, 改变以往“身临其境”的需要, 对于景区宣传、建筑群导向以及公共场所游览等工作具有非常大的意义, 属于现代信息技术不可或缺的一个重要组成部分。而在现实工作上, 设计人员需要利用图像图形等技术构建三维模型, 从而实现虚拟场景。本文主要从三维建模技术、通过图形实现建模、通过图像实现虚拟建模以及图形与图像的混合建模等技术层面进行思索, 希望通过浅陋的办法为相关人员的三维建模提供一份参考办法。
三维建模技术
随着计算机信息技术的成熟发展, 人们不再满足于以往平面所显现的图像, 由此在三维空间上利用三维建模技术提高现实中的人、物以及各种形态的逼真性, 为用户提供一种“身临其境”技术环境也就成为目前以及未来一段时间图像成形的发展方向。在实际操作上, 工作人员把现实中的人物进行建模与模拟时, 一般要从三维空间上进行综合性的考虑, 从而全面掌握事物的具体形态、色彩、材料以及运动状态等属性, 进而实现3D再现模式。从技术层面来讲, 这些都离不开实体事物的图形图像处理工作与对其模型进行合理建模。
在进行三维建模工作时, 其技术的核心内容是从实体的三维空间出发, 全面掌握其信息属性后构造出立体模型, 特别是在几何模型的形成上, 然后通过计算机建模软件或者计算机编程, 对实体模型的图形进行显示, 最后进行相关操作与处理。而为了掌握实体的三维空间信息属性, 可以通过相应的算法, 并利用计算机所提供的程序, 对于实体三维空间的特征点所具体存在的空间位置进行建立, 然后在二维图像所提供的对应点坐标的定量关系进行建立, 最后得出实体三维空间表面的任意点坐标值。而工作人员对以上操作完成后, 得到实体的具体形状、尺寸以及坐标等相关几何属性后, 就可以进行构模的操作步骤, 实现三维几何模型的构建工作。
通过图形进行建模的相关办法
通过图形进行建模的办法, 其在实际运用上主要通过计算机的图形学原理, 从几何图形的相关性质上进行三维建模, 属于较为传统与成熟的三维模型构建办法。
1. 一般过程
对二维图形进行构建是实现图形建模工作的基本前提, 从我国目前在几何模型绘制与构建的实际情况来看, CAD软件系统虽然较为传统, 在部分功能实现上有所限制, 但是依然受到工作人员的欢迎, 基本可以完成相关图形的绘制工作与三维图形的有效转化工作。而构建完成后的二维图形, 就可以通过Extrude、Bevel、Bevel Profile、Lathe以及Lattice等软件的编辑修改器, 把所构建的二维图形进行三维几何体的有效转化。
2.CAD软件在图形转化与三维建模中的实际应用
通过图形所实现的三维建模工作, 其一般要求是对机械或者建筑产品进行全面设计, 从而形成直观图, 便于其他设计工作的参考。从CAD技术的运用上可以知道, 其具有强大的绘图与转化能力, 可以有效实现产品设计的型面分析工作、装配干涉的分析工作、工作强度的分析工作以及机构运动效率的分析工作等, 为机械设备与建筑的设计与开发工作提供参考, 有效缩短设计时间, 更快占领市场。
通过图像实现虚拟建模的办法
1. 实现过程
通过图像实现建模后, 将可以避免三维几何的限制。在一般情况下, 通过摄像头所成形的离散图像或者视频图像都可以作为基础, 而通过有效的技术处理工作后, 同样可以形成逼真的景观图像。然后再通过相关空间模型, 将摄影出来的全景平面图像进行虚拟化, 形成三维空间。最后运用相关的软件操作办法, 就可以对场景进行三维空间角度的观察, 特别要指明的是, 这些操作过程即使在普通计算机上也可以实现, 因此特别的便利。与此同时, 由于全景生成技术在利用上, 主要通过图像处理手段实现三维空间模型的构建, 因此掌握其主内容后就可以满足实景虚拟要求。
2. 基本方法
著名视觉经典教授Pollefeys等人在对图像三维建模进行研究后, 提出了由多幅图像进行处理的技术, 其主要基于同一物体所对应的几个不同的对应点信息中提取出物体外形的轮廓信息。而这些信息主要有5个部分有效组成, 一是匹配与抽取特征点;二是对相机的定标;三是重投影图像的生成;四是对立体像的位置进行校正;五是对曲面的散乱点进行构建。另外, 在对立体视觉的模型进行构建的过程中, 一般要从基本原理上进行不断完善, 其具体的内容有, 从两幅图像上对实物的所对应的点进行确认, 而这部分所对应的点, 其实际上就是实物表面上的同一个, 只不过在完成投影后所形成的位置不同。而掌握物体同一点投影后形成不同的位置后, 一般就可以熟悉相机内部与外部的相关参数, 并可以基于两张图像的同一投影点上, 对每两个相互的对应点画出其直线, 而这部分的直线在确定后, 就可以从三维空间上对其交点进行确认, 而所确认的这个点, 其就属于三维空间场景中, 实物所应对某个点的三维坐标。
3.性能分析
通过图像实现三维建模时, 其优点较为显现, 主要有以下几个方面。一是对于漫游效果与所需的具体处理时间, 主要受到图像画面分辨率的影响;二是对于所需要的图像, 不但可以拍摄形成, 还可以利用计算机生成, 当然二者也可以结合使用;三是真实度较高, 更加有利于用户感受“身临其境”;四是在进行具体操作工作时, 其所要求处理数据量较小, 因此一般计算机就可以完成, 具有较强的实用性。
通过图形与图像混合使用实现建模在产品设计上的应用
1.图像定位
图像定位, 主要指的是对相关产品进行设计时, 把其外在形状的具体特征定位到产品表面的应有的位置。而在二维空间建模工作上, 相关的定位手段较为荣誉。例如, 设定图像的原点为0 1 (0, 0) , 那么所要设计的产品, 其表面点所对应的映射点就是0 p (x, y, z) 。如 (图1) 所示。
2.物体表面形态细节度量
对于工业产品来说, 其外在形态属于客观存在的物理存量, 不但有图案的明显特征, 还带有形貌特征。而相对来说, 光学结构对于设计产品的图案视觉效果与质感具有重要的影响, 而表面形貌则体现着产品图案表面所拥有的几何层次, 在产品功能设计的过程中影响较大。例如, 对于一个零件的表面光滑程度、波纹的细腻度、形状的规则程度、沟槽、凹坑和凸台的形状等, 其主要受到产品表面图案与形貌的共同影响。另外, 产品形貌与图案还存在着相互影响的关系, 主要体现在, 形貌本身属于一种图案, 其同样影响到产品设计表面的光学效果, 而不同的形貌, 其光泽与反射率同样存在差别, 因此不同产品感观存在着差异;另外, 图案的差异性可以改变形貌的具体特征, 从而为外形提高优秀的仿真效果。
3. 特征描述
特征描述就是在产品的表面信息图像和零件的形状之间建立联系, 从而生成有生产意义的产品模型, 图像和图形相融合的描述方式为:{关联实体:图像中的几何形状;关联表面:产品的表面面片;图像定位参数:产品映射图像的定位点和位置;图像数据:产品外观属性的相关数据如分辨率、大小、I (r, c) 等;映射变换:把图像嵌入到产品外形的指定位置的相关转化函数;检测参数:描述产品表面加工所需要的参数, 如颜色、纹理、精确度等;加工描述:得出产品的形貌方式}。
结语
综上所述, 以图形图像所完成的三维建模对计算机空间模拟具有重要的意义, 在实际的运用上, 设计人员要根据不同要求选用不同工作办法, 从而科学有效的完成三维模拟工作, 为用户提供更为逼真与流畅的体验, 实现更多用户对于“亲临其境”的要求, 让先进科技更能为人类生活水平的提高做出实际贡献。
数字化三维图形技术 篇2
3.1利用三维数字化技术设计陶瓷产品
陶瓷产品的造型与设计注重产品曲面的弧度，因此在设计之中需要有严格的曲线率控制，传统的陶瓷产品，例如茶壶(图2)、茶杯等艺术工艺品在设计创造中多依赖手工艺人的技术和经验，通过肉眼观察来塑造陶瓷工艺品的曲面曲线，尽管茶壶等工艺产品的曲面设计难度不大，但是为了展现出陶瓷茶壶工艺品的艺术性就必须创造出具有最优化曲面和舒适度的艺术工艺品.利用三位数字化技术对陶瓷茶壶工艺品进行设计，能够有效的减少茶壶曲面率差错，在计算曲面率数据中得到更准确数值，这比单纯依靠肉眼进行判断要准确很多.要想实现茶壶曲面精准设计，可以选择具有曲面计算功能的绘制工具，在实践中设计人员常用Rhino软件来进行茶壶的造型设计工作.借助Rhino软件可以先进行简单的框架设计，绘制出简单的茶壶模型，然后利用软件功能进行造型的分析和评价，再进一步优化茶壶造型设计.茶壶分为两个部分，即由壶盖、壶身组成，壶身上又从左到右依次分为壶嘴、壶肚、壶把，所以总体来看茶壶在设计时要着重从四个节点入手.在使用Rhino软件时，应当先从整体着眼，把握这四个部件的具体规格，在设计过程中更加注重每两个相连部件之间的数据，利用曲线工具、圆弧工具琢磨连接处，保证茶壶的四个部分能够组成协调的一体模型.
3.2利用三维数字化技术设计琉璃产品
在三维数字化技术中，3D打印技术成为各方设计人员重点关注的内容，国际上已经有人开始利用这种3D打印技术制成工艺产品.3D打印技术将三维数字化设计功能和工艺制造功能结合，能够在设计图纸定型后直接“打印”出立体产品.尽管3D打印技术刚刚兴起，但是已经引发了几轮热潮，目前在服饰行业、首饰行业、工艺产品行业中已经有设计人员利用这种技术制作出成品，当然由于3D打印技术还只是出于初级阶段，对于一些产品并不能直接利用相应的材料进行“打印”，只能以替代性材料来提前“打印”产品[3].对于琉璃艺术产品而言，当前的3D技术已经可以实现脱蜡铸造玻璃，因而在利用三维数字化技术设计琉璃工艺产品时，能够借助3D打印技术完成琉璃工艺产品.传统的脱蜡铸造玻璃过程，需要经过一系列复杂的处理环节，而使用三维数字化技术进行玻璃的设计与“打印”，可以节省许多步骤，
3.3利用三维数字化技术设计湘绣产品
我国刺绣艺术产品可以说是传统艺术产品的突出代表，刺绣的种类有许多，本文主要讨论的是湘绣艺术.传统湘绣需要绣工手工制作，手工湘绣在制作前也会绘制出效果图，但是由于手工绘制图与实际的刺绣图案存在较大不同，实际上也会影响湘绣的设计和制作效果.对此，运用三维数字化技术，采用具有多项功能的设计软件，可以在屏幕上设计出湘绣艺术产品模型，利用三维数字化技术创造的湘绣模型与人们最终制作出的艺术成品具有极高的相似性，若要提前观察湘绣艺术产品的制作效果就可以通过设计模型进行预览.并且在预览中对模型进行纠错和改进，当湘绣产品的规格尺寸出现问题时，可以直接利用修改软件进行改正[4].例如，在设计湘绣作品《牡丹》时，共需要绘制4朵牡丹花，每朵牡丹花的标准色都有细微差别，利用三维数字化软件Rhino先将牡丹花的造型设计出来，然后利用分类功能绘制牡丹花的用色图表.牡丹花花色偏艳丽，多为粉红色，所以选取的主色调为粉色，在设计期间可以在模型上标明每朵花的主色型号，这样可以避免在成品制作过程中出现混淆.一幅湘绣绣稿，除了图案设计以外，最重要的就是绣线颜色和绣线类型，湘绣绣线有许多不同分类，如果在设计之中没有精准把握好绣线的分类，容易在绣制过程中引发失误.所以现代湘绣艺术产品在设计上会借助三维数字化技术提前做好效果图，标明重要组成部分的基础数据，可以提高湘绣工艺产品的制作水平.结论：综上，三维数字化技术在传统工艺美术中的应用具有重要的意义和作用.在新的时代背景下，传统工艺美术行业应当加快引入三维数字化技术，促进传统工艺设计手段与现代化的设计技术相结合.相信未来三维数字化技术会更加成熟，3D打印技术也可以在传统工艺美术行业中大放异彩，提高产品的制造效率和质量.
参考文献：
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〔2〕董春波.三维数字化造型在雕塑艺术中的运用研究[D].武汉纺织大学,.
〔3〕侯可新.论三位数字化技术在传统工艺美术传承与创新中的优势———以湖南传统工艺美术为例[J].艺术科技,(11):36-39.
基于航测的数字城市三维建模技术 篇3
关键词：航测;数字城市;三维建模
引言：三维模型由于其在城市规划、地籍管理、旅游、交通及环境仿真等领域显示出了巨大的潜力，已成为众多领域研究的热点。三维模型是以三维的手法进行建模，模拟出一个三维的建筑场景效果。规划者可以模拟在数字场景中任意游走驰骋、飞行缩放，达到一种惟妙惟肖、变化多姿的动态视觉效果。利用数码航摄仪进行数字航空摄影，获取以满足大比例尺成图要求的影像资料;以测区已有的控制点为依据、进行像片控制测量;空三加密获取内业测图所需要的方位元素和加密点坐标;数据采集按内业立体模型定位采集，应保证数据的完整性、正确性，不应断缺、遗漏、移位。此类采集数据经过外业人员现场定性定位调绘，内业缩檐，房屋矫正及加注楼层信息和新增建筑物尺寸编辑等。获得精确的三维DLG数据。
虚拟三维数字实际上就是三维景观的可视化，它易于解译，这是具有大地坐标的三维景观，能确定对象间的空间关系，在事件发生前模拟或者预演，更易于决策，不需要到实地去就可以到真实的环境中浏览。基于航测的数字城市建模主要有两类：一是基于机载摄影测量系统。它是通过立体像对来实现测区三维景观的真实重现，其优点是可快速重建测区范围内所有建筑三维模型、地形地貌三维景观。二是基于近景摄影测量三维建模技术。该技术从三维信息获取的速度、可靠性及灵活性上来说，能够满足绝大多数的实际需求。但是，其效果在很大程度上依赖于三维建模算法的设计，而且算法大都比较复杂，需要较多的计算资源。
在目前的虚拟三维现实系统中，三维建模基本都是采用DEM和DOM叠加获得三维模型，主要是由于DEM和DOM获取方法的不同而有所区别，对于大面积的区域，如果要求精度不高，我们可以采用卫星遥感影像和通过立体采集的DEM;而对于精度要求较高的区域，需采用摄影测量的方法获取DEM和DOM，该方法生成的产品精度高，但成本也较高;随着激光雷达技术（Lidar）和高分辨率卫星影像的出现，我们可以直接利用Lidar直接获取DEM，该方法是一种新型的获取三维模型的方法，它通过发射大量的激光束，得到模型表面的“点云”，再使用专门的软件由“点云”生成三维模型，该方法简单、测量速度快，且具有实时处理能力，在获取DEM的同时，我们可以同步获取影像图，该方法是目前最快也是精度最高的获取DEM和DOM的方法，但使用LIDAR的费用也是最高的，适合于对精度要求非常的项目的建模，主要还是城市等地物相对密集区，不适合采用常规方法进行测量。随着高分辨率传感器的出现，通过QuickBird、WorldView Ⅰ、WorldView Ⅱ等卫星获取高分辨率的影像以及立体像对，也能满足1：5000比例尺的要求。随着测绘新技术和计算机技术的快速发展，建模方法也会越来越多，对不同的需求，应采用不同的建模方法。
一般通过地形测量和航空摄影测量分别获取地物的各点、线、面的平面和高度空间坐标，再利用航测的立体像对采集地物的高度和顶部结构，结合实地采集纹理，采用建模平台生产模型。一般量测实景三维精度一般在分米级，具有技术成熟、精度较高、成本较高、仪器设备可与常规测量工程共用等特点，是目前“数字城市”地理空间框架建设三维建模部分用得较多的方式.通过地形测量或大分辨率影像获取地物的平面空间位置，通过楼层数结合推断的层高估算建筑等地物高度，再根据实地采集的照片修改地物的细部结构和高度，形成位置、大小、高度相对正确的模型成果。分析应用展示三维的精度一般为米级，有技术要求不高，建模效率高，成本适中的特点，现多用在部分源数据缺乏，投入有限，主要用于展示、一般分析、搜索、定位的“数字城市”建设项目中，为政府和民众提供较完整，较真实，能跑动，直观的数据参考.找准不同城市的三维模型生产的精度定位，首先要根据开展三维模型建设城市的自身情况，从用处、用法、经费、数据基础、后期升级几方面进行调研和评估，再结合软件、硬件、网络等条件，完成精度的分析和定位，再根据精度定位制定数据标准和工作方案.
通过全数字航测工作站对三维实景立体模型进一步编辑，能够得到每一景立体模型的衍生数字化成果产品：数字高程地表模型（DEM）、数字正摄影像（DOM）。航测人员将每一景立体模型的数字高程地表模型、数字正摄影像进行分幅拼接，获得架空输电线路全线的大场景数字高程地表模型、数字正摄影像图数据。将二者配准、叠加，最终创建线路全线大场景立体实景模型。
基于全数字航测工作站的三维线路实景漫游平台，将大场景立体模型于线路全线坐标数据进行叠合，产生三维实景架空线路漫游模型。在三维实景架空线路漫游模型中，线路上的各个铁塔被建模，以实物的形象架设在大场景地理模型上。设计人员可以通过调整视线角度、视角高度等参数，360°地观看每个铁搭在三维实景环境中的真实架设情况。此外，三维线路实景漫游平台提供线路实景漫游功能。通过设置漫游的飞行高度和相机视线角度，漫游平台会自动按线路路径逐塔位的漫游飞行，使线路设计人员对全线路的塔杆整体排位、架设情况进行一次可视化、近距离的实景观看。三维实景漫游功能将线路设计成果由二维的平面图纸变为了三维的实景观看，使得设计成果更为直观具体。设计人员结合三维漫游中的实景观看情况，可以对线路的最终设计成果进行整体的感知。如遇到与设计初衷不一致的塔杆塔位，可以进行进一步的细部改线微调。
外业调绘对地形图的精度和属性有着最直接的关系，调绘人员持初编图到实地按规范、图示、技术设计书的要求，对图上地物逐一定性，对摄影后新增地物进行补测，其中包括对电信及相关设施的调查，其设施的定位可采用GPS，定位或全站仪定位。另一部分包括对地名、小区名称、单位名称、道路名称、河流名称及流向、管线性质及输送方向、境界归属、独立地物、的判定、植被种类的区分等加以补调。房檐的改正时关系到整图精度的一项硬指标，因采集时所测房屋的外轮廓，所以要求调绘人员对每一房屋的房檐都要到实地量测，确保地物的平面精度符合规范要求。利用立体采集的三维数据及外业调绘的资料，根据技术设计书要求进行标准地形图的处理工作，包括对各个要素相对关系的处理，对外业调绘各项数据进行编辑处理，对各种属性的参加，数据分层，线型编码，线条接缝，数据接边等项工作的处理，在整个地形图编辑过程中。地物编辑时一项相当重要的一个环节，要处理好各地物间要素的点、面、线关系，面状要素要封闭（如房屋、湖泊、水库等），线状要素要连续（如铁路、河流），线状要素要相交（如相同属性或不同属性），端点要严格相交到同一点，不能悬挂。
总结：基于航测的数字城市三维建模是以立体测量三维建模为主要工作内容，建模要求模型结构完整、平面和高程精度高、重点道路和市中心区域模型效果精美。最终建模成果可配置于三维地理信息平台上，用于展示及辅助决策，未来成果的应用将延伸到地下管线、数字城管、规划等，初步构建以三维仿真为技术基石，城市综合管理为目标的数字虚拟城市。
参考文献：
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[2]黄群，王锦超，徐忠明.VirtuoZo-AAT空三加密中的应用技巧[J].电力勘察设计，2010（3）.
[3]汤坚.特高压架空输电线路二三维交互优化选线技术的研究与系统设计[J].电网技术，2012（24）.
数字化三维图形技术 篇4
运行信息全景化是中国构建智能电网调度技术支持系统的目标之一。其目的在于能够从时间、空间、业务等多个层面和多个维度,实现调度生产各环节的全景监视、智能告警,实现电网运行、分析结果的全面整合、数据共享和多角度可视化展示,使电网调度人员能够全面、快速、准确、直观地掌握电网的运行状况。
在信息的收集、管理和展示等方面,现有的系统往往是通过一维或者二维、孤立的数据方式来表现。提高电网管理运行、设备在线监控等方面的信息化程度,实现可视化智能决策、可视化预防控制、可视化异常和事故识别以及可视化调度操作和可视化电网运行分析等功能,就必须以互动计算机为核心,提供动态、多维度、立体化、全方位的三维电力设备信息,并与市政、地理、地貌、气象等环境信息相结合。
而以往对三维电力信息建模的研究大多集中在电网地理信息系统(GIS)[1,2],电力企业培训[3],电厂和变电站的漫游、设计规划,电网的可视化分析和管理[4,5,6]等方面。这些研究普遍存在以下问题:
1)大多针对特定功能或特定系统,不同系统或厂商所使用的标准和方法各异,因此难以进行有效的信息沟通和共享。
2)这些针对电力系统的三维可视化应用,往往只是利用三维图像作为可视化展示的手段,而缺乏对三维信息源的搜集、管理和分析,难以实现三维电网信息的管理和数据挖掘,无法更好地融入设备全生命周期管理中。
3)往往只能展示出设备故障的表象,而难以为故障诊断等深层应用提供详细、直观的三维状态信息。
因此,构造一个通用、全息的电力设备三维模型,不论是对三维可视化展示还是对电力设备的信息管理,都有着重要的意义。
本文在面向对象理论的基础上,结合面向对象的三维(OO3D)模型和电力系统公共信息模型(CIM),通过对CIM的扩展,提出了一种面向对象的三维CIM(object-oriented common information model in three-dimension,OCIM3D),并结合变压器三维建模给出了OCIM3D建模实例。
1 面向对象的三维模型
针对面向地理的三维空间建模,Zlatanovaa[7]和史文中[8]等人在地理模型的基础上,根据面向对象的理论提出了OO3D模型[7,8],该模型可应用于数字城市的可视化,具有可处理复杂对象、支持细节层次(LOD)模型和快速可视化等优点。
1.1OO3D概念模型
为描述一个三维对象,OO3D模型首先抽象出节点(Node)、线段(Seg)、三角形(Tri)3类基本空间对象,如图1所示。
如图1所示,节点可以通过坐标(x,y,z)的空间位置来表示;线段具有2个节点,包含了2个节点对象(Node1,Node2);由3个节点构成顶点的三角形则表示为(Node1,Node2,Node3)。
抽象了这3类基本空间对象后,基于它们的三维空间目标抽象描述如图2所示。
抽象几何和抽象属性构成2个抽象基类。抽象几何派生出图2中的节点、线段和三角形3个子类;抽象属性派生出颜色、纹理等子类。每个子类有自己的行为和方法,如移动、旋转复制、删除等1~n个几何操作,并继承对应抽象基类中的基本特征。抽象几何和属性相关联构成完备的空间对象,从而派生出点(Point)、线(Line)、面(Surface)、体(Volume)4个子类。
使用上述3类基本对象作为基本元素,根据面向对象的方法和空间拓扑理论定义的相关条件[7],可以得到OO3D模型的概念模型,如图3所示。
1.2OO3D逻辑模型
为了便于模型对象数据的管理和空间分析、可视化以及数据管理,需要一个合适的逻辑模型,通过逻辑模型对概念模型进行数学描述。根据提出的三维目标的概念模型可以得出:任意复杂的三维体对象可以由几个简单体对象聚合而成;体对象则是面对象的聚合;面由三角形聚合而成;三角形由3条线段构成;线段则由点构成。通过上面的步骤,任意一个节点在空间中对应了唯一的三维坐标(x0,y0,z0)。根据条件,可以清楚地知道组成设备的体、面、三角形、节点、线段等之间的空间层次关系。
在概念模型和空间层次关系的基础上,通过面向对象的方法,可以定义逻辑模型内各基本单元之间的依赖关系和约束条件,形成OO3D逻辑模型。
1.3OO3D模型的形式化描述
根据上述模型,建模对象可以通过数学模型进行形式化的描述。形式化描述是基于提出的数学模型基础上的一种抽象的数学描述形式,它是空间三维对象模型建立和系统开发的理论基础。以上述模型为例,对象的数学模型的形式化描述可以简单地表达为:
Complex Volume Object={Vol1,Vol2,…,Voln}
Volumei={Surface1,Surface2,…,Surfacen}
Surfacei={Triangle1,Triangle2,…,Trianglen}
Trianglei={Node1,Node2,…,Noden}
Texture={Texture1,Texture2,…,Texturen}
Texturei={Texturei,Surfacej}
通过上述形式化描述,复杂的体对象可以通过数学模型的方式表述出来。
2OCIM3D
CIM提供了一种用对象类和属性及它们之间的关系来表示电力系统资源的标准方法[9],能够描述电力企业的所有主要对象,特别是与电力运行有关的对象。通过使用统一建模语言(UML)表达方法,将CIM定义成一组包。CIM中的每一个包包含1个或多个类图,用图形方式展示该包中的所有类及它们之间的关系。然后根据类的属性及与其他类的关系,用文字形式定义各个类。
OCIM3D是在CIM基础上,通过可缩放矢量图形(SVG)的扩展,建立OO3D模型,实现对电力设备CIM的三维拓展,最终形成基于三维信息的CIM。
在3类基本空间对象的基础上,首先需要构造抽象几何类和抽象属性类。抽象几何类派生出图4中所示的节点、线段和三角形3个子类;抽象属性类派生出图5中所示材质(Material)、颜色(Color)、纹理(Texture)等子类。
每个子类有自己的行为和特征,如坐标、位置关系、编号等,并继承对应抽象基类中的基本特征。抽象几何和属性相关联构成完备的空间目标,如图6所示。从而派生出点、线、面、体4个子类。空间目标在建模中被例化成一系列实际对象,如线路节点、电力线路、墙壁或地面以及电力设备设施。
在OO3D扩展包的基础上,OCIM3D可以构造出复杂的点、线、面模型,进一步可聚合形成基本的体模型,而体模型之间则可进一步组合形成现实世界中的三维对象模型。
OO3D扩展包是根据OO3D的建模方法,在了解组成三维目标的元素及其相互间的空间拓扑关系基础上,以点、线、三角形3类基本空间对象作为三维空间目标模型中的基本元素最终形成对象的三维信息模型。
针对不同对象,OCIM3D将首先定义显示对象的属性(点、线、面、体)。例如,针对设备设施等,主要拆分成多个简单体,针对地面、墙面等的显示主要是通过面来表现,而针对线缆则通过线段来表现。
OO3D包除了包括点、线、面、体的基本属性,还包括颜色、纹理、材质等抽象属性,其基本结构如图7所示。
其中,体模型由面模型的集合(Surface1,Surface2,…)构成;面模型则由三角形模型的集合(Tri1,Tri2,…)构成;线段模型的集合(Seg1,Seg2,…)构成三角形模型;两点(Node1,Node2)构成线段模型。另外,在基本的节点单元中,通过相对坐标(x0+X,y0+Y,z0+Z)对其进行定义,其目的在于实现对三维模型的边界约束、定位查询等。
3OCIM3D变压器建模
3.1OCIM3D的三维表述过程
为了在计算机中对变压器等电力设备进行三维空间的真实表达,需要对该设备进行三维建模。与以往电力设备CIM相比,三维模型对于三维对象的操作、管理、分析以及可视化的基础是三维对象的模型化。
对电力设备的三维对象进行抽象表达是三维模型化的基础,其抽象表达的过程如图8所示。
电力设备的几何结构模型称为物理模型。该物理模型通过定义一定的数学模型进行描述后就变成了概念模型。概念模型主要是定义一些抽象的规则,以及其需要描述的物理模型的一些属性特征、几何特征,同时还描述了各个对象之间的层次关系和组成关系。
逻辑模型是为了满足电力设备三维信息的数据管理和空间信息分析、管理以及可视化等方面的需求而定义的。逻辑模型是对象概念模型的数学描述,它定义了组成对象的点、线、面、体等基本单位之间的依赖关系和约束条件。因此,逻辑模型关系到电力设备物理模型分析的效率、数据挖掘、功能开发等方面。物理模型所具备的分析、操作、管理等一系列功能是由其对应的逻辑模型所决定的,而逻辑模型的选取则是由系统需求决定的。
对象的形式化描述是对数学模型的一种抽象的数学表述形式,在电力设备的三维概念模型和逻辑模型基础上,将点、线、面、体等基本单元用数学模型进行描述。
3.2OCIM3D物理模型
在OO3D扩展包的基础上,构造电力设备的OCIM3D,首先需要对电力设备对象进行物理模型建模。
物理模型的设计即是创建场景对象的三维模型。建模的基本思想是从整体到局部,逐步细化,先构建对象的全貌,再将其划分为各个独立的部分,按部分进行细化,最终将其划分为构成对象的基本几何体,这些基本的几何体可以通过简单步骤来实现。
细化对象的同时,还应考虑到整体结构,细致的局部实现加上协调合适的整体配合,才能得到令人满意的场景效果。
以变压器模型为例,变压器被分割成套管、油箱、绕组及芯柱、风扇冷却系统、油枕、分接头及支架等后,进而可以进一步细化为数目较多的基本三维立体:如柱体、长方体、圆锥体、球体等。将细化部件组合成变压器整体,即可得到该设备的物理模型,如附录A图A1所示。
3.3OCIM3D概念模型
针对物理模型中的每个部件,对其进行细化,构成空间目标对象。通过将空间目标拆分成点、线、三角形、面等基本单元,可以描述出该三维目标模型的概念模型。基于OCIM3D概念模型,对变压器物理模型进行结构化,并形成其整体的概念模型,如图9所示。
3.4OCIM3D逻辑模型
通过变压器概念模型对变压器三维模型的主要部件进行抽象化后,得到其各部分的组成关系,以及构成的基本空间要素。进一步,对这些基本空间要素的空间层次关系进行分析,从而得出变压器的OCIM3D逻辑模型,如图10所示。
逻辑模型中,定义了变压器各部件的三维模型内部各空间元素之间的依赖和约束关系,例如,“体”类中包括它与其他体类的空间关系、所包含表面的个数、体的类型(Vol_Type)、面对象的集合(Surface1,Surface2,…)、顶点集合(Node1,Node2,…)以及抽象属性(纹理、材质等)。对于其他空间对象子类(面,三角形,线段,节点)同样有其各自的三维属性。
3.5OCIM3D的形式化描述
最后,对上述OCIM3D进行数学模型的形式化描述。在OCIM3D逻辑模型的基础上,一个变压器的数学模型可以通过以下方式进行形式化描述:
Transform={Part1,Part2,…,Partn}
Parti={Volume1,Volume2,…,Volumen}
Voli={Surface1,Surface2,…,Surfacen}
Surfacei={Triangle1,Triangle2,…,Trianglen}
Trianglei={Node1,Node2,…,Noden}
Texure_set={Texure1,Texure2,…,Texuren}
Texurei={Texurei,Surfacej_ID}
Material_set={Material1,Material2,…,Materialn}
Materiali={Materiali,Surfacej_ID}
Color_set={Color1, Color2,…,Colorn}
Colori={Colori,Surfacej_ID}
Typeeef Struct
{Char*strTextureName;//纹理名称
double*lpNormal;//顶点的法向量数据
double*lpTex;//顶点的纹理坐标
int nMaterialID;//材质
int nColorID;//颜色
int*npVector1;//节点的ID号
int*npVector2;//节点的ID号
int*npVector3;//节点的ID号
} SURFACE_OBJ;
typedef Struct
{SURFACE_OBJ*surfaceData;//面对象的数据集合}
{VOLUME_OBJ*volumeData;//体对象的数据集合}
其中,纹理设置(Texure_set)、材质设置(Material_set)和颜色设置(Color_set)需包含所有颜色的属性,对这些属性的数据以统一的文件格式进行管理和调用。
3.6OCIM3D建模流程
通过形式化描述后,电力设备的三维信息可以完整地通过数据的方式存储到信息管理系统中,实现电力设备三维数据的生成和管理。图11简略地描述了电力设备OCIM3D建模的基本流程。
4 应用
本文以杭州电力公司某变电站110 kV/10 kV的50 MVA主变压器为物理对象,在OCIM3D的基础上,利用3ds Max等图形开发工具,构建出一个含有多维信息的虚拟电力变压器模型。其功能是:
1)设备外观展示及其电气属性的查询。该变压器模型不仅能直观地表现出该变压器的外观、结构和材质等,同时通过CIM中原有的数据信息,为相关人员提供该设备及其相关部件的电气参数、运行和检修试验等信息,如附录A图A2所示。
2)设备部件及其相关信息的查询。由于点、线、面、体是OCIM3D中的基本单元,在建模过程中,它们包含了物理对象(变压器)所有的物理信息,因此当选取变压器内的任一部件或部分时,其物理信息和电气信息也同样能展现给管理、检修人员,如附录A图A3所示。
3)设备物理信息的测量。在设备运行或检修时,相关人员不用亲临现场就能身临其境般地看到电气设备的各类信息,同时能对任意设备或部分的距离、长度、坐标等物理信息进行测量。OCIM3D变压器物理信息示意图如附录A图A4所示。
4)特定设备的查询和定位。在对目标设备进行查询和定位时,变电站或一定区域内的变压器位置信息将以节点的形式存储在数据库中。每个变压器都有其特定的名称、编号、坐标等信息,通过检索输入相应的变压器编号、名称等,对应的变压器图像及其位置坐标等三维信息也将会被展示出来,如附录A图A5所示。
OCIM3D基础上的电力设备模型,一般定义由一维的一个成员限定的分区数据为一个数据切片。数据切片适合频繁使用的多维数据集中的分区和对快速查询响应的需要。通过空间数据索引和数据分段技术,实现对电网内电力设备综合查询和海量数据搜索,对电网设备进行多分辨率、多尺度、多时空、多种类的“切片式”查询,实现对电网设备过去、现在以及将来的运行状况,按照时间、区域、电压等级、设备类型等进行海量数据搜索,进一步实现电网设备历史信息、实时信息以及规划信息动态查询和展现[10,11,12,13,14,15],如图12所示。
5 结语
在OCIM3D方法基础上通过对电力系统CIM的扩展,进行变压器的OCIM3D建模,其特点在于:
1)同时包含了CIM中原有的模型信息,能较好地融合到电力企业公用信息模型的体系和构架中。
2)能为电力设备的管理和维护提供更加完善的统计信息,同时克服了以往一维和二维信息带来的信息缺失甚至混淆,使得信息展示更为直观、交互界面更为友好、展示信息更为全面。
3)通过实时数据的更新,使模型外观及其相关电气信息能同步改变,为故障诊断、设备监控等提供直观、详尽的三维状态信息。
4)以基本的点、线、面、体为单位建模,使得建模对象具备了全面、详实的物理信息,形成了同时具备视觉效果和三维物理信息的虚拟变压器模型,使得OCIM3D能为智能电网下电力设备的全生命周期管理,远程故障诊断,电网信息的多维可视化展示,设备三维信息的访问、查询、定位,以及虚拟现实技术在电力系统中的应用提供良好的信息来源和数据支持。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
数字化三维图形技术 篇5
基于MBD的三维数字化装配工艺设计技术是现代航空数字化制造中的一门新兴学科，也是未来飞机三维装配工艺设计的发展趋势。本文介绍了该技术主要通过对DELMIA、3DVIA Composer、CAPP等工艺设计、工艺仿真软件进行客户化定制和多系统集成应用，完成基于MBD三维产品模型的工艺分离面的划分、BOM重构、工艺仿真以及三维装配指令编制等工艺设计工作，并通过生产管理系统将已完成的工艺设计信息传递到生产现场实现可视化装配，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。
MBD(Model-Based Definition)即基于模型的产品数字化定义，其特点是：产品设计不再发放传统的二维图纸，而是采用三维数字化模型作为飞机零件制造、部件装配的依据。传统的二维工艺设计模式已经不能适应全三维设计要求。随着现代计算机技术、网络技术、工艺设计软件技术的发展，以及协同平台的建立，为三维数字化装配工艺设计和并行工程奠定了基础。三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统
通过采用达索公司三维数字化装配工艺设计平台DELMIA及3DVIA Composer解决方案，构建“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。突破DELMIA二次开发及定制技术、3D制造过程仿真验证及优化技术、MBD技术、生产现场可视化技术、Windchill/DELMIA/EPCS/CAPP多系统集成技术等关键技术瓶颈，最终构建符合企业业务需求的“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。缩短飞机装配周期，提高装配质量，全面提升飞机的数字化制造能力。系统流程及集成架构如图1所示。
图1 系统流程及集成框架
系统流程及集成工作思路如下：
(1)Windchill企业数据管理系统是企业唯一合法的数据来源，管理着各种BOM信息。通过接口程序，把PBOM以XML的格式输出。
(2)通过在DELMIA DPE平台上二次开发技术，把XML格式的PBOM及产品三维数据模型调入DPE模块中进行工艺规划，并创建顶层MBOM。
(3)划分哪些工作需要在DELMIA中进行仿真验证，哪些不需要仿真验证，并将创建的顶层MBOM存到Windchill中。
(4)将需要仿真验证的装配件在DELMIA中进行详细的AO划分。
(5)在DELMIA DPM中进行装配仿真验证、人机工程仿真、资源仿真等工作。
(6)利用3DVIA Composer进行细节三维装配指令编制工作。
(7)进行DELMIA与CAPP的接口开发，使三维AO及配套表传入CAPP系统，并最终通过CAPP在Windchill进行流程审签。
(8)开发Windchill和ERP及MES的接口程序，把MBOM和AO信息传递给ERP及MES系统，实现车间现场装配可视化，指导实际生产工作。2 三维数字化装配工艺设计
三维数字化装配工艺设计是通过对飞机产品结构进行分析，在企业现有制造能力（设备、工艺技术能力、人力资源等）及产量要求的基础上，进行组件划分，制定装配流程，确定装配方案，并选择各装配环节所需要的制造资源。在三维数字化装配工艺设计系统中，工艺设计用树状结构表示，主要由产品结构树、工艺结构树、资源结构树3个分支构成，具体结构特征按企业需求进行工艺模板定制。基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计主要工作流程如图2所示。
图2 基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计流程
2.1 数据准备工作
在三维数字化装配工艺设计中所用的数据格式分为3种，CGR格式、CATIA V5模型、smgxml格式。其功能为：
CATIA V5模型：来源于产品设计部门，是工艺设计的依据和基础数据。
CCR格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于大数据量模型的仿真及DPM环境下产品结构浏览。
smgxml格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于在WKC中进行三维装配指令的三维视图编辑。smgxml格式模型转换界面如图3所示。
图3 smgxml格式模型转换界面
2.2 PBOM数据导入
将来自协同平台的XML格式的PBOM导入DELMIA的DPE中，PBOM中的零组件信息（工艺路线、批架次、工组件等）会通过程序自动关联CGR模型、CATIA V5模型、smgxml模型3种格式的数据。并导入产品模型的坐标位置信息。在DPE中构建全机或部件的PBOM结构树。数据导入流程如图4所示。
图4 PBOM数据导入 2.3 工艺分离面的划分
完成数据导人工作后，在DELMIA系统的MA(Manufacturing Assembly)中根据三维产品模型在三维数字化环境下进行全机、部组件工艺分离面的划分，结合PBOM结构树确定各工艺装配部件、组合件需要装配的组件及零件项目，构建工艺部件、组件模型结构。在MA中进行工艺分离面划分如图5所示。
图5 MA中进行工艺分离面划分
2.4 全机或部件装配工艺仿真
针对工艺分离面划分结果在DPM中进行全机及部件级工艺仿真，验证工艺分离面划分的合理性，并进行优化。
2.5 部件装配方案的设计
在工艺分离面划分优化的基础上，在DPE的PROCESS结构树上对各工艺部件进行装配流程设计，划分下一级组件装配单元，确定在各组件装配的零组件项目，构建顶层MBOM结构树，关联来自工艺部件的组件装配工艺模型。确定装配工艺基准和装配定位方法，并规划各组件之间的装配流程。
2.6 部、组件装配AO的确定
在部、组件划分的基础上，依据分配到部、组件项目的装配工艺模型在DPE的PROCESS结构树上进一步进行部、组件装配过程设计，确定各部、组件所属零组件的装配顺序，规划完成装配的AO项目，编制AO号，关联每本AO需要装配的零组件项目。
2.7 工装订货单的编制及工装设计
工艺部门依据工艺设计内容提出装配工装、夹具、刀具的订货技术要求。工装部门根据订货技术要求，设计装配型架、地面设备、专用工、刀、量具的三维数模。2.8 工装数据的导入
将来自于企业协同平台的工装等资源三维模型数据分别以CATIA V5模型和格式导入DELMIA系统，建立资源结构树，并分别关联到PROCESS工艺设计结构树上的部组件装配项目上。
2.9 详细工艺设计
在三维数字化环境下确定该装配工艺过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，进行AO下工步的详细设计，完成本装配过程的工步规划设计，并将产品零组件和工步关联。选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等一系列的制造资源，并将工装与工位关联。依据产品连接定义分配该过程所需要的标准件，形成用于指导生产的AO装配信息。
2.10 部、组件装配仿真
产品及资源三维模型在工步上关联后，依据AO内容及设计好的装配工艺流程，在DPM中通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧等操作进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并显示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。同时通过对产品装配和拆卸过程进行三维动态仿真，可以验证每个零件按工艺设计的装配顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的合理性。对于开敞性、可视性、可达性、可操作性较差的部位可以将标准人体的三维模型放人虚拟装配环境中进行人机工程仿真，模拟操作者的操作过程以便发现操作空间大小是否满足装配需要，操作者身体或肢体能否到达装配位置、是否看得见等问题。仿真结果通过仿真报告提交产品设计、工装设计等部门进行优化。
2.11 三维装配指令编制
通过部、组件装配仿寞，对产品、工装、AO内容及装配顺序等进行优化后，依据优化后的工艺设计结果进入DELMIA的WKC(Work Instruction Composer)中进行各工步三维可视化视图设计，将每个工步所要表达的工艺信息通过三维轻量化视图表达，包括标准件信息、装配尺寸标注、制孔要求、定位要求、工装使用要求，其形式如图6所示。
图6 WKC中三维可视化文件编制 现场可视化技术应用
3.1 现场可视化文件输出、管理
由于采用MBD技术以后，生产现场不再发放二维图纸，为了满足装配生产需要，中航工业陕飞采取了利用装配仿真视频、AO和三维工步视图指导现场装配作业的解决方案，具体方法是将在DPE中完成的部组件工艺规划、设计内容提取到CAPP中的AO模板中，包括AO内容页、辅材配套表、标准件配套表、零件配套表等文档信息，同时输出DPM中部组件的仿真视频和WKC中的三维工步视图，通过Windchill协同制造平台进行审签发放和管理。
3.2 现场可视化应用
通过装配现场可视化技术，使MBD技术在车间“落地”，它是将产品的装配仿真验证文件、三维工作指令以及工艺设计文件等工艺信息传递导入到企业的MES系统，发送到车间现场，操作人员通避现场触摸屏，在MES系统里查询产品工艺装配信息，可以直接查看三维装配指令及相关三维仿真，以更直观的方式了解产品的装配属性，理解产品的装配工艺和工艺流程，从而提高装配工作效率和准确性。
MBD技术现场具体应用过程是，首先运行MES系统，通过查询工位设备号，确认某个部件的装配工位，查看AO文件名称、文件号以及装配该部件的工艺装备，然后输入负责该部件装配工作的操作者证件号，进入该产品的具体生产信息界面，对应AO名称和文件号，查看产品的装配仿真验证动画，直观地全面了解产品的装配流程，查看三维工作指令，获取产品的定位、装配尺寸等装配信息，查看AO文件，获取产品的装配零件及详细工作内容，最终完成产品的装配，如图7所示。
图7 现场可视化 结论
通过基于MBD的三维数字化装配工艺设计及现场可视化技术应用研究及实施，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。从实施情况看三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统在数字化制造中有以下优点：
(1)实现了产品设计、工艺设计、工装设计的并行工程，缩短了产品研制周期，减少了开发成本。
(2)通过装配过程三维仿真验证，及时发现了产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地保证了产品装配的质量。
(3)通过现场可视化系统的应用，三维装配仿真通过三维数据直观地显现了装配过程，使装配操作者更容易理解装配工艺，减少了装配过程中的反复和人为差错。
(4)使工艺研制更便捷、更直观，特别在新产品研制中，通过三维数字化装配工艺设计使得工艺方案的制定、技术决策更准确、便捷。
(5)通过多个系统的集成，使设计、工艺、生产的信息可以更方便被调用，数据流通更加畅通。
(6)为企业提供了承上启下的工艺设计平台，便于在此基础上进行创新开发，为企业的质量管理、生产管理等系统提供上游工艺信息。
应用中的不足之处：
(1)目前人机仿真操作比较繁琐。
(2)装配仿真时模型作为刚性件处理，无法模拟仿真零组件变形后的装配情况，主要反映在某些钣金零件的仿真以及部组件自重引起的变形调整的仿真。
(3)目前采用的现场可视化方案虽然解决了MBD技术的现场应用，但在现场应用中由于可视化终端设备相对固定，操作者在飞机内部或距离终端设备较远的部位操作时不方便，还需研究开发便携式可视化终端设备及其数据管理方式。5 结束语
海报图形实体三维表现探究 篇6
关键词：海报 图形 实体三维
中图分类号：JO1
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2016）-03-0144-02
作为实践类的设计活动，通常情况下海报是以平面二维的形态来传递视觉信息的，这是现代海报诞生一百多年以来长期稳定的面貌特征。然而，长期以来海报以常规的平面形式来呈现，难免有时候会让受众产生视觉麻痹，这样一来就会对海报信息的传递产生一定的负面影响。随着海报的纵深发展、印刷技术的不断进步和设计师的不懈探索，海报的形态有了一些突破，不再完全局限于二维平面内，而是超越二维平面的传统形态实现实体三维。正如王序所言，设计要超越于平面，应该坚持从二维、三维、四维到五维的多维思考，保持设计的新鲜度。
海报实体三维表现在传统海报中加入了空间概念，是对惯常定势的突破，制造出了视觉上的新奇，有利于吸引受众的注意力，以此有效达到信息传达的目的。海报实体三维表现必然使得其图形的实体三维，主要体现在改变自身形成的实体三维和周围环境形成的实体三维两个方面。
一改变自身形成的实体三维
图形依附在海报的表面，当海报以二维展现时，其图形也就是平面的；而当海报以实体三维呈现时，自然其图形也就不再平面。改变自身形成的实体三维包括立体展示所产生的三维和正反表现所造成的三维。
1立体展示所产生的三维
“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，从不同的角度看同一事物，其形状是不大相同的。由于视点的改变，海报图形在我们的视觉中也会发生相应的变化，这就有可能给海报信息的传递带来一定影响。而常规的海报只考虑了受众观察海报的一般角度，海报的立体表现正好避免了平面表现因受众观看角度的不恰当所造成的不足，并充分利用这点为海报的创意服务。
例如克罗地亚设计师鲍利斯·留比希克为克罗地亚国家旅游局所设计的海报《克罗地亚，一个不同的世界》（图1），海报图形由两张不同的具有克罗地亚浓郁风情的照片所构成，将两张图片切割成若干均等条状并进行交错排列，平面展示时可以看到两个相互交织的不完整图形。但对其进行折叠并以立体的形式展现后，随着视线的移动，受众从左右两边不同的方向在富有空间感的画面中可以隐约看到两个不同的形象，当视线在左右两边分别移到特定的位置时正好可以看到两个不同的完整海报图形，这恰巧表现了海报的诉求主题。这种形式不同于普通的平面海报作品而有了新的生命力，形成强烈的视觉冲击力，给观者以新的视觉体验，且是对海报主题的巧妙阐释，因而吸引了更多人的注意。
2正反表现所造成的三维
海报的正反表现可以产生三维的海报图形，在双面分别印刷图形后，由于所用海报材料的透明特性，正反两面图形会相互穿透、重叠，这样一来就形成了单面海报图形所达不到的前后关系以及深浅层次，富有新鲜感的三维图形也就应运而生。这主要是通过海报特殊材料的运用来实现实体三维，是对传统单面海报的突破和发展，给人耳目一新的视觉感受。
例如中央美术学院设计学院年轻教师何君所设计的《中秋2000》（图2）就是这样一幅特殊的海报，其三维图形就是通过正反两面印刷所形成。海报的主题是中国大陆与台湾和平统一，画面中是一个看似完整的圆月，但再认真去看，会发现是由分别印刷于半透明纸两面的代表大陆和台湾的两个不完整圆而组成。由于纸张的作用，处在正反面上两个不完整的圆形造成了一种层次感，丰富了整个画面，正好巧妙表现了两岸同胞在这个团圆的日子里强烈期望两岸和平统一的美好愿望。
正反表现所形成的三维图形充分考虑了正反两面图形结合所产生的综合效果，又考虑了任何一面图形的独自视觉效果，两面图形密切相连且保持各自的独立性，三维中包含着二维，二维中又蕴涵着三维。正反不仅是一种表现形式，更是一种思维方法。
二周围环境形成的实体三维
任何海报都不是孤立存在的，必然存在于一定的环境当中。有时候海报与其所处的外在环境关系密切，环境不仅影响海报信息的传达，甚至有可能成为三维海报创作的必要部分，最终影响海报的视觉效果与创意。一些设计师通过挖掘海报所处环境的各要素与设计主题诉求之间的关系，巧妙利用环境为创意服务，形成了海报图形实体三维的视觉表现。“周围环境形成的实体三维包括光影关系产生的三维、发布位置造成的三维以及以真代假形成的三维。
1光影关系产生的三维
光是构成视觉感知的重要因素，没有光，什么都看不见，形等于不存在。而正是由于光线的作用，物体在空间中必然会产生影子，物象与其产生的投影两者直接呼应，这是亘古不变的自然现象。一些设计师发现了投影这种空间形式，并利用投影进行海报的创作，这正体现了海报图形的三维化视觉表现。
例如杭州平面设计师陈飞波受邀为魏氏皮影的演出所设计的宣传海报《中国影子》（图3）就是这样一幅富有创意的作品。作者以影子作为创意点，把“中国影子”四个汉字剪出来贴在透明的菲林上，并使海报的发布位置与墙面保持一定的距离，当光线透过菲林时，墙面上出现了投影效果，而这种形式正好体现了借助光影的皮影艺术特点，是对海报主题的准确诠释。
“中国影子”与其投影形成的虚实对比，彼此相生，营造出一个实体三维空间，独具东方艺术气息，完整地表达了海报主题，达到了二维海报所达不到的传达效果。实际上，“中国影子”四个字只是主题的表象，它所造成的影子才是主题的实质反映和点题之处。
2发布位置造成的三维
发布位置即海报的张贴位置，是指能够借以实现海报信息传播的物质工具。不同的海报所张贴的环境不尽相同，再加之不同的发布位置又有其自身特点，往往能产生绝然不同的视觉效果。普通的海报是将印刷成品张贴在平面的广告栏中，自然依附于海报本身的海报图形也是平面的。但当张贴位置发生了改变，特别是把它发布于非平面的环境载体时，三维图形便产生了。显然，发布位置与海报是一个紧密相关的有机整体。
例如海报（图4）就是充分利用环境载体的特点来形成三维图形的一幅海报。将其张贴在平面位置时，画面创意并不出奇。但是把它张贴于圆柱上后，且保持海报的两端首尾紧密相结时，产生了奇妙的视觉效果，让人拍案叫绝。海报由于不一样的发布位置，产生了特殊的魅力，容易被受众接受且牢记在心，达到了海报宣传的目的。
实际上，设计师在前期构思时就预想好了海报成品未来将要张贴的特殊位置，发布位置成为三维海报创作的必要部分。在进行三维海报图形创作时，要深入研究海报图形本身，也要考虑到海报未来发布位置的特点，让发布位置为海报创意服务，真正做到发布位置与图形创意的完美统一。
3以真代假引发的三维
传统的海报图形不是具体事物本身，其要素是非物质的，是从真实可见的形态中抽象出来的，是一种可以观看但不能进入的虚拟空间。而有些设计师独出心裁尝试利用海报周围的真实存在物来取代传统的二维假象图形，形成了实体三维的海报图形。这其实是对海报环境创意性地利用，环境为海报创意提供了多种可能。这些海报作品需要按照三维海报主题创意的要求，张贴在一定的环境中，海报与特定环境共同形成完整的三维海报。没有特定周围环境的参与，海报作品就不完整。
例如跆拳道海报（图5），画面极为简单，设计元素单纯，只有练习跆拳道的一个动作，创意并不明显，对受众的吸引力不够明显。但是顺着这个动作去观察它周围的环境——破碎的墙壁，仿佛把人们带到了跆拳道现场，实实在在地画面给人们心灵一种强烈的震撼，体现了跆拳道所产生的巨大力量，让人惊叹。很显然，海报的诉求点在于表现跆拳道的效果，至于能量有多大，看看破碎的墙壁就很清楚了。平面光滑的白色纸张与破碎的水泥乱石形成了强烈对比，衬托出海报的主题。实际上，真正强大的是创意的力量，只将破碎的墙壁这一常见的环境加以巧妙地利用，将之纳入创意范围，纸质海报中的人物动作与周围的乱石统一到同一画面中，从而突出了跆拳道的力量。海报画面简洁、寓意深刻，其注目度是可想而知的。
用海报所处环境中的真实存在物来替代海报的部分图形，真实存在物是海报的必不可少部分，且与海报自身的假象图形形成鲜明对比，真实存在物和二维海报本身是实体三维海报不可分割的两部分，两者是虚与实的有机统一，它们的充分结合形成了完整的三维海报图形。这种表现手法打破了原有的视觉思维，有助于海报诉求的真实度，从而给受众以身临其境的震撼。
结语
实体三维海报是基于常规二维海报所做出的突破，主要体现在改变自身形成的实体三维和周围环境形成的实体三维两个方面。平面设计师通过对海报自身特征的创新改变和海报环境元素的大胆利用，形成了海报图形的实体三维表现。实际上，二维与三维是相对的，或者说二维只是三维的一种特例而已，即二维不过是当三维图形的深度被视为0时的一种惯常表现而已，因而是可以相互转换的。
数字化三维图形技术 篇7
随着计算机性能的飞速发展,各领域的三维信息可视化已成为计算机图形技术的重要应用之一[1]。三维数据可视化显示与处理中,曲面构造、场景构建、三维映射、隐藏表面消除、光照模型设定、视图交互等,是影响可视化效果与效率的关键。计算机图形库为三维信息可视化提供了关键技术及算法,OpenGL以其跨编程语言、跨平台、高性能的特点,成为图形图像领域主流的图形库之一[2]。
三维地震勘探已成为地球物理勘探中最重要的方法,也是当前石油、天然气、煤炭等地下矿产的主要勘探技术[3]。三维地震数据的可视化是进行地震数据解释的有效手段。三维工区的场景构建与属性曲面显示是可视化的核心问题。文献[4]研究了Grid三维曲面构造与显示的算法,结合OpenGL显示技术实现了地质要素三维动态显示[4]。文献[5,5]研究了散乱点集构造三维曲面的有效算法,在3D激光扫描仪、照相测量等领域有较好应用[5,5]。文献[6]研究了利用OpenGL双缓存、显示列表技术提高三维曲面显示效率的策略[6]。此外,三维曲面的光照、采样率等也是三维数据可视化研究的关键。
论文运用三维图形技术实现三维地震数据可视化软件,解析SEGY地震数据文件,获取工区数据体、原始曲线数据、断层、剖面、属性等多种地震工区数据。
地震数据量大,一般的工区数据有几百兆甚至几G。要在三维地震工区体上有效显示有用信息,获得直观、快速的数据显示,重点要解决三维场景构建、视图交互、曲面绘制、渲染效率等关键问题。
2三维地震数据可视化软件及系统流程
三维地震数据可视化的核心是展示三维工区数据,在三维工区图上绘制地震数据、属性数据、标识地震勘探中的井数据、剖面信息,通过不同的数据属性直观展现勘探结果。三维工区以及工区上的层信息、剖面显示以及井标识如图1所示。
三维地震数据可视化系统以三维地震体为基础,其断层、剖面、属性数据均表示为地震体中的曲面[4]。因此,系统实现的重点问题在于三维场景构建、曲面绘制和渲染优化。软件的核心功能如图2所示。软件流程如图3所示。
文件解析:解析原始SEGY文件,生成工区信息。
数据提取:从工区中提取切片、剖面、断层等数据,作为数据处理及可视化显示的基础信息。
属性计算:对提取的数据进行计算,获得用户需要的属性数据。
场景构建:构造3D工区,设定坐标系统,初始化显示环境。
属性显示:绘制属性曲面。
3三维地震数据可视化的关键问题及实现
3.1三维地震数据工区体显示
图1中的三维场景构建基于地震数据的实际坐标,数据被划分为几十道至几万道的数据点阵。需要正确的设置场景范围并指定合适的观察点,还需要定义合理的视图变换如旋转、缩放、平移等操作。同时为了得到好的显示效果,还需要添加光照、消除锯齿、平滑边缘等。
实际的工区是规则的立方体,不同的工区坐标范围相差很大,而且众多工区并不规则。基于实际的工区坐标数据绘制场景,使用OpenGL的投影变换及视口变换呈现到窗口中。为了得到好的显示效果,需要合理设置观察点的位置及观察范围。假设场景立方体为sceneWidth,sceneHeight,sceneDepth,定义trans变量如下:
trans = max(sceneWidth, sceneHeight, sceneDepth)
假设场景中心为(s_x, s_y, s_z),窗口宽高比为aspectRatio,使用OpenGL的库函数gluPerspective设置观察范围,gluLookAt设置观察点及视线方向,伪代码如下:
gluPerspective(angle, aspectRatio, 2.5*trans, 10*trans);
gluLookAt(s_x, s_y, s_z – 5*trans, s_x, s_y, s_z, 0, 1, 0);
angle的范围在30°～45°,这样的设置保证了场景在窗口中的显示大小适中,同时也使场景不因窗口缩放而变形。
3.2基于冗余坐标填充的残缺曲面绘制
地震数据3D可视化的关键就在于残缺曲面的绘制,OpenGL提供了分格化机制以支持复杂曲面绘制,但其需要提供曲面轮廓的顶点信息以进行分格化计算,残缺度不可知的地震数据是无法获取轮廓顶点的,因此该方法不能用于地震数据的曲面绘制。当前应用较为广泛的三角划分算法在复杂曲面构造上有良好效果[4],但其处理过程复杂,若应用到地震工区这种动辄几百万个测点的大数据上必然无法实现实时显示,同时使用该方法生成的曲面是由大量散乱的三角形构成,无法使用OpenGL的优化策略(如顶点数组、显示列表等)提升渲染效率,因此该方法也不适合地震曲面绘制。
针对地震数据的特点,绘制曲面时缺失的地震道数据往往在整个工区中所占的比例比较小,而工区主体是规则的矩形,地震道也是整齐的分布在工区范围内,因此我们可以使用OpenGL的基本绘图方法如三角形带或矩形带绘制工区,遇到无效道则拒绝绘制临近的多边形。为了提高绘制效率,基于OpenGL的ALPHA测试区别有效道与无效道。
当OpenGL状态机处于RGBA模式下,alpha测试允许根据一个片段的alpha值接收或拒绝它。我们可以将有效道的alpha值设为1,无效道的值设为0,在绘制的时候启用alpha测试。无效道的坐标值理论上是可以为任意值的,因为启用了alpha测试,这些坐标都会被抛弃而不进行绘制。然而,在有效道与无效道相邻的地方,由于无效道的顶点坐标与有效道顶点坐标差距太大,会产生边界阴影,严重影响显示效果,如图4(a)所示。而如果无效道的坐标与有效道的坐标差距不大,那在做alpha测试之后就不会产生边界阴影。这些不被绘制的无效道坐标就属于冗余坐标。无效道的坐标应该与其邻近的有效道坐标值相近或差距很小,才能够有效的减少阴影。但对于每个工区,无效道的范围和数量都是未知的,无法预测哪些有效道距离当前无效道较近。
本论文考虑到工区的中心部分地震道数据出现缺失的概率很小(小于1%),采用了如下策略:从工区中间的有效道开始,逐渐向四周搜索,每当发现无效道,则将其坐标值替换为与其接近的有效道的坐标值,以消除边界阴影。
具体实现方法如下:
(1)将工区分为三部分(中心主测线,左边工区,右边工区)。
(2)遍历中心主测线,如果遇到无效道,则使用圆圈搜索法为其填充冗余坐标,最终使该条主测线上所有道的坐标都为有效值;
(3)以中心主测线为参考,分别遍历左边工区和右边工区,每当遇到无效道的时候,都使用圆圈搜索法填充冗余坐标,直到遍历完整个工区。
圆圈搜索法的目的是使无效道的坐标与邻近有效道的差值尽量小,从而尽可能减少alpha测试带来的边界阴影。该方法是以当前道为圆心,搜索邻近八个地震道的坐标值,取其平均值作为当前道的坐标;如果不存在有效道,则扩大搜索半径重复以上过程,直到找到邻近的有效道。
使用冗余坐标填充算法之后绘制的曲面有效的消除了边界阴影,实验效果图如图4(b)所示。
3.3基于OpenGL索引数组的渲染效率提升
地震数据是海量数据,一个工区动辄就是几百兆甚至几G。如此大的数据量要在普通PC机上实时显示,对渲染效率的要求是非常高的。
当绘制图形顶点数较少时,可以直接绘制各个多边形;而当顶点数增多时,渲染效率会很低,可以使用顶点数组(glArrayElement);场景更复杂时,可以使用索引数组(glDrawArrays, glDrawElement)。这两种渲染优化手段可以极大提高图形的渲染速度,但其负作用是需要额外的内存,顶点数组需要使用数组存储所有的顶点坐标及每个顶点对应的颜色值,而索引数组是在顶点数组的基础上使用的,需要数组存储顶点的调用顺序。
本文采用了索引数组以提高渲染效率。表1给出了不同大小的地震数据使用不同的绘制方式的实际运行时间。数据量单位为(主测线数*联络线数=地震道数量),时间单位为毫秒,此结果是在使用Intel i3处理器、2G内存的PC机上得到的。可以看出,使用索引数组后,图形绘制所耗费的时间及视图交互的响应时间都大幅减少。
4结果与结论
论文基于OpenGL图形库实现三维地震数据的可视化,主要解决了三维场景构建、残缺面绘制、提高渲染效率等关键问题。能够快速显示地震数据体及数据曲面。在Intel 双核处理器、2G内存的计算机上,支持的数据文件达4G,可以同时管理6个工区,最多同时显示10个属性数据窗口,对小于100万道的地震属性数据,显示时间为毫秒量级。软件部分测试图如图5所示。
参考文献
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[6]白婷,赵军等.基于OpenGL的三维曲面数据场动态显示,计算机与信息技术,2009.8
三维虚拟数字化校园技术实现研究 篇8
随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展, 以及数字地球概念的提出和广泛应用, 对现实大学校园的数字化和虚拟化, 即对虚拟校园的研究与构建也越来越多。
虚拟校园 (virtual campus) 是基于地理信息技术、虚拟现实技术、计算机网络技术等高新技术, 将校园地理信息和其他校园信息结合, 以三维可视化和虚拟现实场境界面实现校园景观、校园信息的浏览、查询, 并可上载到计算机网络, 提供远程用户访问的一个新的校园空间。
虚拟校园中所用到的地理信息技术是一项以计算机为基础的新兴技术, 围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科, 是管理和研究空间数据的技术系统, 在计算机软硬件支持下, 它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。
1 系统实现
作为一所有110 余年办学历史的老校, 信阳职业技术学院在办学规模、人才培养等方面取得了卓越的成就, 学院新校区占地2000 多亩, 为提升办学内涵, 加快学院发展, 学院拟建设虚拟数字化校园系统。系统实现分为以下六个过程:
1.1 数据收集
数据收集主要包括建筑平面图、侧面图、立面图、路和路灯等。此外, 如果追求真实感, 需要建筑物侧、立面真实照片充当材质。除以上之外还需要总平面布置图, 最后摆放模型时用于放置模型。
1.2 数据预处理
将数据导入计算机内储存, 用CAD二维软件进行处理。
1、立面图处理
只留建筑轮廓、窗户、门以及必须的参考线。标注等多余的都需要删除。
2、平面图处理
只留建筑轮廓线, 其余的全部删除。最后用PL线 (多段线) 描绘轮廓线, 并且闭合。这里也可以新建图层直接用PL线直接描绘轮廓线, 最后删除其他图层。
3、地形图处理
只留等高线, 其余的标注全部删除。
1.3 三维模型的建立
Sketchup建模的模型主要分为建筑模型、地形模型、地物模型。
1、建筑模型建模
A、在Sketchup里选择文件--导入, 文件类型选择ACAD Files, 定位到修改好的平面图位置, 选择确定。继续选择文件--导入, 定位好修改好的立面图位置, 选择确定。
B、旋转立面图, 与平面图相对位置垂直。
C、移动平面图或立面图, 使他们底面相同位置重合。
D、以平面为参考, 绘制建筑轮廓线。拉伸建筑, 高度与立面相等。
E、以立面为参考, 绘制窗户等细节模型描绘窗户等细节。
F、材质贴图, 完成作品。
2、地形模型建模
A、导入地形图
B、沿Z轴方向将等高线以一定距离平移
C、选择窗口--参数设置--扩展栏--SU地形工具栏
D、全选地形数据, 单击用等高线生成
E、选择等高线, 右键--实体信息--隐藏, 地形模型就建立好了
3、地物模型建模
地物的主体主要包括树木、花草等。
1.4 材质和贴图
模型创建完成以后, 为能够真实的再现, 需要对模型添加材质贴图。添加材质贴图的过程是选定需要添加对应材质的模型, 打开修改器列表中的UVW贴图选项, 用于调整贴图的方式、位置以及坐标等, 有助于材质正确地附着到模型上;然后打开材质编辑器, 选择材质, 获取贴图, 为模型指定材质。
1.5 编程实现
VRML本身具有一定的交互能力, 当用户只是需要一些简单而且单一的动画时, 不需要再借助其他的程序语言。但在实际情况中, 特别是在实现复杂的交互行为时, 仅仅采用VRML将难以胜任, 目前主要借助于第三方语言来补充, 如Javascript、Java等。本系统考虑采用功能强大的Java高级程序设计语言来实现。
1.6 系统发布
待系统设计全部结束之后, 应打包发布, 对应用系统进行处理, 将其制作成安装程序。在安装有.NET Framework 2.0 的Windows Server 2003 操作系统中, 通过在web服务器上配置I-IS和创建FTP远程管理账号, 可实现对系统的发布。三维数字校园效果图5 所示。
2 结束语
结合信阳职业技术学院校园规划、建设实际, 本文探讨了三维数字化校园的实现技术, 对系统进行了分析、设计和实现。虚拟现实技术与虚拟校园二者联系紧密, 相辅相成, 虚拟现实技术是虚拟校园系统的技术支持, 虚拟校园又是虚拟现实技术在教育领域的实际应用;在某些特定不能身临其境的情况下, 虚拟校园漫游系统提供了一种很好的仿真环境, 再现了真实校园的景观。用户可以进入虚拟校园中进行自由地游览, 并且在漫游的过程中进行一些交互。虚拟现实技术是当下最热门的研究方向之一, 因此对虚拟校园的研究具有相当的现实意义。
摘要：随着虚拟现实技术的不断发展, 三维虚拟校园的建设成了数字化校园建设的一项重要项目。三维虚拟校园不仅可以帮助校园的规划管理, 还可以作为学校的宣传名片, 甚至还可以进行多媒体教学, 发展虚拟教学课堂。文章就三维虚拟校园实现的关键技术进行了研究, 分别从数据收集、数据处理、三维建模、材质贴图、编程实现、Web发布等方面进行了探讨。
关键词：虚拟校园,建模,材质贴图
参考文献
[1]杨娇, 吕开云;国内外虚拟校园建设技术的比较研究[J]数字技术与应用, 2013, (5) :129-130
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[4]黄铭, 肖明虹;基于Sketch Up和Arc GIS的城市三维建模技术研究[J].测绘与空间地理信息2012 35 (8) :151-154.
数字化三维城市设计建模技术分析 篇9
地图是记录、显示、计算、分析地理事物空间关系的一个重要工具,是人们认识和了解环境状况的重要途径。将地图从二维发展为三维是目前很多科学家和GIS系统研发人员的重点工作之一,地形的三维可视化正是利用了计算机的计算能力和良好的图形显示能力来实现三维地图的方式。传统的地形图都是用符号来标注地形的,一般人很难看懂。随着科学技术的发展,使得传统纸质地图逐渐被数字地图取代。当前地理信息系统技术仍以二维信息为主,比较而言,三维地理信息系统技术可以使信息的表现更真实、丰富、具体,而下一代GIS技术的一个主要特点也是支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现,从二维向三维发展,从静态数据处理向动态发展,具有时序数据处理能力,因此三维地理信息系统技术与无线通信技术的结合将是未来地理信息技术发展的必然趋势,也将成为未来数字城市建设技术的必然选择。那么把上述的两种技术结合起来就形成了今天的数字三维地图。
2 三维地图的制作流程
数字三维地图的一个重要内容就是三维地图模型的建立。三维地图的制作需要使用相关软件通过对各种地图数据的分析,用软件在电脑上绘制出三维地形及建筑模型。其步骤大致分为以下几步:
1)首先以城市的建筑施工图、平面效果图为基本图,并以严格的数据精度要求进行数字化;
2)有了数字化的二维平面图以后,再建立三位数字坐标,以图纸实际尺寸比例,建立z轴方向数据;
3)在三维数字坐标中建立模型;
4)进一步细化、精化数据,设定比例精度,并以城市数字地图为背景,标识其相对方位,对模型进行美化;
5)将模型导入交互式开发工具,使地图具有交互性,并生成固定的三维视角,或可改变的三维视角游历视频;
6)进行各项动能测试,获取数据,并进行调整;
7)待功能测试完成后,将该技术一直到其他建筑,逐步完成整幅地图。
3 二、三维地物的几何建模技术
1)居民地的3维模型
在大比例尺三维电子地图中,房屋模型构造是主要工作之一。对箱体式(BOX)房屋的建模来说,建筑物可以看做屋顶面和各个铅直外墙面的组成。房基高程可以从DEM内插获得,注意房基的高程在房子轮廓线上的不同点处可能不同,应想办法使之统一。
2)高程相同的水平要素的建模
对诸如河流、水库等面状水系要素,一般来讲,其特点为有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化,其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现,保证其法向量向上。
3)道路要素的建模
一般在地图数据库中道路是一中心线给出的道路根据道路等级或实际要求不同可以分三类建模。
体状:沿道路中心线向外扩宽,生成两边线,按指定道路高度,分别生成道路侧面和顶面三角网。
面状:沿道路中心线向外扩宽,生成两边线,道路高度为0,经过三角剖分生成道路面三角网。同4。
线状:通常为单线,将原中心线上的点进行高程值内插得到三维曲线。
4)非水平面状目标的建模
这类目标主要如植被,城区内的绿化地,紧贴地表的道路等,它们一般覆盖在起伏的山头上,其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现。
5)复杂的3维目标的建模
目前,对于复杂3维实体模型的构造基本上基于3DMAX,CAD,MultiGen等商业
软件,利用其灵活的建模工具创建3维模型,并通过.3ds,.dxf,.x,.dwg等文件实现
数据的交换。这些文件中已将模型剖分为空间三角网,我们只需将这组数据以一定的比
例、角度再通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位。
6)三维地图符号的设计与建模
地图内大量分布点状目标,此类目标可以依照二维地图符号库的方法,分别建立符号模型,形成三维符号库,共三维电子地图调用。符号设计的一般原则值得探讨,用上述方法5建模。地物模型(含三维符号)与地形模型的匹配。通过DEM内插高程值获得地物基点高程或边线上若干点的高程
4 建立徐州市的数字三维地图
1)以徐州所有的建设蓝图为范本(包括建筑施工图和平面效果图),建立数字化的平面图且标注尺寸和比例,并以徐州市地图为参考背景,标明其相对方位;
2)在平面图的基础上,利用三维工具软件,如3DSMAX等建立三维立体模型,并配以精确的数据标识;
3)对立体模型进行美化,如外墙、玻璃的光影效果等等;
4)对主楼附近的景观建立模型,如树、水池、草坪和周围的道路等;
5)上述模型完成以后,视频输出,利用开发环境自带的摄像头工具进行三维视角的固定路线或者随机路线遍历;
6)将模型导入交互软件开发平台,进行交互编程;
7)在开发环境中,实现交互功能;
8)导出,形成独立的软件;
9)功能测试;
10)优化;
上传网络并设计网络浏览界面;
至此,一个相对完善的城市数字三维地图便完成了,进行一些后期的改进和改良。如图2所示。
5 结束语
当今城市的发展正在向信息化阶段迈进,信息技术正深刻的改变着人们的生活方式和社会面貌。在这种情况下,建设三维数字城市的意义不仅仅体现于一种技术的实现,更重要的是向人们展现一种新的生存方式,并使之成为城市规划、建设、管理与服务数字化工程的终极目标。
参考文献
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数字化三维图形技术 篇10
根据美国CSI/FBI连续五年的《计算机犯罪与安全调查报告》中指出,有超过85%的安全威胁来自组织内部,而其中的16%的威胁来自未授权的存取,在这一安全威胁范围内有30%到40%是由电子的泄漏造成的。从这些数据可以看出文件信息的安全显得尤为突出,目前对于防范组织内部对文件信息的泄漏出现了许多防范措施,其中突出的就是文件安全加密技术。
1 局域网加密技术的基本概念
1.1 什么是加密
消息加密是指用某种方法伪装消息以隐藏它,这个过程就称为加密,其中未加密的消息称为明文,加密的消息称为密文。
1.2 局域网加密的功能范围
一般而言局域网加密技术因其应用的范围的不同提供的功能也会不同,主要有以下几种:
(1)秘密性(Secrecy or Privacy):防止非法的用户打开明文信息。
(2)鉴别性(Authenticity):确定信息来源的合法性,也就是确定信息是从合法的发送方传送的而不是非法的用户伪造的。
(3)完整性(Integrity):确定信息没有被非法者更改、删除部分信息以及取代信息等。
(4)不可否认性(Nonrepudiation):发送方在事后不可以否认其传送过的信息。
传统的密码学只是重视消息的秘密性,但是现代的密码学往往在消息的鉴别性、完整性以及不可否认性。
2 局域网加密系统设计的主要模块
现有的透明文件局域网加密技术一部分是基于钩子技术还有一部分是基于文件系统过滤驱动技术。这两个技术在性能上来说,后者要比前者优越很多。因为钩子技术很容易造成系统的不稳定,而过滤驱动在这一方面要好很多,在很大程度上钩子局域网加密技术其实也是用户态局域网加密技术,这样很容易导致安全问题。本文在前人的基础上改进了现有的基于过滤驱动的文件局域网加密技术,采用新的津津有味加密技术可以有效地实现防止输电线路三维数字化地形图泄露的目的。新设计的方法主要分为两大部分:客户端和服务端。客户端模块的主要作用是负责用户与服务器进行交互,给终端提供身份认证等功能。客户端按操作系统的运行可分为用户态和内核态、策略配置、密钥管理、读/写操作等功能,而内核模态主要实现过滤驱动技术也是我们要讨论的重点,用户态主要是为内核模态提供加密服务的。服务端模块的主要作用是记录局域网内部人员的基本信息、给合法用户分发保存密钥信息、发布控制策略以及方便系统管理员给不同的用户分配权限,这样给组织内部提供了提供一个方便、快捷、安全、有效地管理控制中心,进而在设计的源头上就可以防止输电线路三维数字化地形图泄露。
3 输电三维数字化设计平台
3.1 平台架构设计
GIS技术和IT技术是平台的基本技术保障,利用海量数据技术和软件框架搭建方法,实现数据库建设和系统建设。平台围绕电网设计具体业务,遵循可扩展性原则设计。平台分为六个层次,分别是基础设施层、数据管理层、基础软件层、通用组件层、业务服务层及用户表现层。其中,数据管理层、通用组件层、业务层和用户表现层分离,便于扩展系统。
3.2 主要功能
根据输电线路设计流程,提供线路设计全生命周期规划、设计、分析统计、方案优化等业务相关功能。利用卫星图片、航测照片、卫星定位和全方位地形测量等手段开展线路路径优化、杆塔排位优化,以及基础、杆塔、导地线、金具绝缘子的可视化设计及优化,使线路设计更加形象直观。平台包括三大部分,如图1所示。
4 新设计局域网加密系统对于防止输电线路三维数字化地形图泄露的有效性
针对现有的技术不能够有效控制局域网内部合法的员工对输电线路三维数字化地形图泄密这一现状。分析了输电线路三维数字化地形图泄漏难以防护的主要原因是由于元加密系统存在着一些不安全性,以往的加密技术都是在应用层实现的,应用层文件加密技术实现简单,因此用户无意或有意泄漏信息难以做到有效的防护。为了改变这一现状,本文实现了局域网透明文件加密技术,透明加密技术在用户不知道的情况对用户的机密信息做了加密处理。这样即使用户将文件拷贝到局域网外部,由于文件在磁盘上是以密文形式存储的,所以在打开文件时也由于没有解密密钥而使得打开的信息是乱码。这样就可以有效的防止输电线路三维数字化地形图泄露。在设计局域网文件加密系统之前,需要对现有的文件加密技术有一个大致的了解,这样在研究的时候也不会走太多的弯路,并且还可以借鉴前人的经验。
其次本文的重点之一就是文件加密技术,但是由于是针对局域网内部的文件加密技术,所以除了需要选取性能较好的对称加密算法之外。在局域网内部为了保证通信的安全还需要用到安全套接层协议来进行信息传输。此外新的加密系统的设计实现了文件共享功能,文件共享需要实现用户的身份认证,在考虑多个认证方案之后,设计了基于椭圆曲线的双向认证协议。另外一个关键防止输电线路三维数字化地形图对外泄露的加密技术就是文件过滤驱动技术,文件过滤驱动技术是在内核层进行的,内核编程不像应用程序那样通过开发工具调用工具包就可以完成程序的开发。
策略控制主要是为了减少客户端以及服务器的负荷,只对一些机密文件进行加密处理,这样就需要制定相应的控制策略。为了保证用户使用的灵活性但是又不至于给用户太多的自由度。策略控制的制定主要由服务器端根据用户的权限来为用户罗列相应的策略规则,用户根据自身需求对策略进行不同的组合,然后将选择的策略信息发送给服务器,服务器将这些信息保存在用户第一次注册时分配的空间。对于不同的用户其文件的密钥信息都会保存在服务器端的数据库内由服务器统一进行管理。当用户需要打开机密文件时,客户端的程序首先会判断文件是否机密文件,机密文件的判断主要是根据加密文件标志。当操作的是机密文件时,通信模块会首先根据用户的身份信息,同服务器做身份认证。
最后在加密理论之后就需要进行系统的设计,新的加密系统的设计实现了用户的登录局域网的权限控制,在登录的同时设置了具体的权限控制策略。对于登录系统的用户,根据其设置的控制策略进行机密文件的操作,这些对于用户而言都是透明的。除了具体的功能实现,还对关键的技术进行了详细的分析。主要设计到文件标志的设置、文件机密进程的获取以及文件缓冲处理等等。理论总是需要事实来证明的,对于提到的新的加密系统是否能够真正的做到防止输电线路三维数字化地形图泄露的谜底还是需要时间来检验的。
摘要：企业局域网作为信息共享的平台,给企业内部提供资源共享、消息传递、实现电子邮件、内部网站、企业办公自动化等应用,很大程度上提高了企业的生产效率,同时企业对局域网的依赖性也越来越强。一旦局域网瘫痪或者中断,对企业的损失也是不可估量的,这样企业局域网的安全问题也就变的日益突出。
关键词：加密,三维数字化,平台架构设计
参考文献
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集成成像三维数字重构技术研究 篇11
集成成像技术除了在显示领域中应用广泛, 应用于数字重构、测量、机器视觉等领域也能起到良好的效果[6]。由于该技术通过对三维信息进行多视角获取获得元素图像阵列, 把景物的三维信息存储在这些平面二维图像之中, 因此经过一些光线追踪计算, 原三维景物可以被准确地重构出来, 实现基于多视角三维信息的三维数字重构以及三维测量, 使其在电视技术、军事、医疗、制造业等诸多领域中获得更为广泛的应用[7]。
1 统计重构法三维物体数字重构原理
对空间三维物体进行拍摄获取了元素图像阵列后, 需要对元素图像阵列进行重构计算, 从而重现景物。然而, 传统的三维物体集成成像重构算法很多都存在算法复杂的问题, 相对简单的重构算法又对元素图像阵列中各子元素图像中同名像点的坐标精度要求非常高, 应用起来都有较大缺陷[8]。针对以上问题, 将使用统计重构的方法对三维物体进行模型重构, 分析成像误差, 即各元素图像中像点坐标偏差对重构精度的影响, 发现统计重构方法对同名像点提取精度的鲁棒性很强[9]。最后以标准量块为样品, 选取4个角点作为特征点, 设计程序进行特征点的自动匹配, 并进行重构运算, 得到重构图像中特征点的精确坐标, 与标准值相比较验证重构精度[10]。
集成成像的记录过程如图1所示, 物方空间中1个3D物点O (x0, y0, z0) 经过p×q (重构空间点对应的元素图像点在第 (p, q) 个子元素图像范围) 密接记录透镜阵列D (m, n) (透镜阵列由m×n个子透镜) 记录成像后, 在元素图像阵列像面上可以得到p×q个同名像点R (m, n) 。
假设记录透镜阵列中第 (m, n) 个子透镜的空间坐标为D (m, n) (x, y, z) = (x D (m, n) , y D (m, n) , z D (m, n) ) , 它所对应的同名像点R (m, n) 的坐标为 (x R, y R, z R) , 子透镜D (1, 1) 的空间坐标为 (x (1, 1) , y (1, 1) , z (1, 1) ) , 记录透镜阵列中子透镜在x方向上的间隔为px, 在y方向上的间隔为py, 各子透镜z坐标相同。又假设记录透镜阵列中各子透镜的焦距均为f, z方向上坐标为z1, 则由高斯公式可计算出同名像点距离记录透镜阵列的距离g, 从而可以推得记录的物点O所对应的的每个同名像点R (m, n) 的空间坐标。反之, 在已知透镜阵列D (m, n) 和同名像点R (m, n) 的空间坐标的情况下, 可以利用光线追迹的方法, 反推出所记录物点O的空间坐标。
在各点坐标准确的条件下, 其中任何2个同名像点和它们所对应的记录子透镜中心的空间坐标都可以推算出待计算空间物点O, 原理是任意2个同名像点都和待计算空间物点O组成1个三角形, 而记录子透镜的中心各处于三角形的1条边上, 它们的连线与同名像点的连线平行, 由相似三角形关系容易推算出O的坐标。在记录透镜阵列和所记录的同名像点的坐标均无误差的理想情况下, 由p×q个同名像点计算得到的S个物点O (x, y, z) 应该是完全重合的。S可由公式计算得到:S= (p×q) × (p×q-1) /2, p和q为空间点对应的元素图像点。
但是, 实际情况是几乎不可能得到没有误差的坐标, 所以得到的S个结果是有一定差异的。考虑对上述O点坐标的S个重构结果进行统计分析, 可以认为S个结果中出现频率最高的那个结果为所计算物点O的空间坐标, 依次对原景物中每一个物点重复上述分析过程, 就可以得到该景物表面所有点的空间坐标, 从而实现了对景物的三维数字重构。
2 统计重构法标准量块三维数字重构
选用长度为100 mm的标准量块作为三维物体, 进行基于统计重构方法的三维数字重构的实验验证。实验使用精度为0.5μm的二维电动平台和彩色面阵电荷耦合元件 (CCD) 构建成记录相机阵列, CCD像素为1 024×768, CCD焦距为25 mm, 将标准量块放在CCD前方800 mm的位置, 采用10 mm×10 mm的扫描间隔, 进行10×10的逐个扫描, 实验装置如图2所示。扫描相机阵列记录的10×10元素图像阵列如图3所示, 将元素图像阵列导入计算机, 用MATLAB编程读入元素图像阵列, 研究自动匹配算法, 提取每个子元素图像中标准量块的4个角点作为特征点, 编写统计重构算法的程序对4个特征点进行统计重构, 得到三维重构结果。
其中自动匹配算法的编程思路和具体步骤如下:
1) 分别读入10×10个子元素图像, 由于物体较为简单, 将彩色图像对应的三维R, G, B (R代表红色, G代表绿色, B代表蓝色) 矩阵A转换成二维灰度矩阵C, 便于后续处理。
2) 将转换成的灰度矩阵C中每个像素点替换成该像素点灰度值与其上、下、左、右四邻域内的灰度值的差值的平方和, 形成新的矩阵B, 矩阵B中的像素点表示该点在其四邻域内灰度值的变化率。观察矩阵B可以发现, 背景集中或物体集中处矩阵B像素点的值较小, 背景和物体边界以及物体中灰度突变处矩阵B像素点的值较大 (基本全为255) , 边界处形成3~4行 (或3~4列) 的大像素点。这样, 矩阵B可以方便地展现出背景和物体边界以及物体中灰度突变的像素点。
3) 对矩阵B进行扫描, 在左上、右上、左下、右下4个方向分别进行扫描, 分别找到四邻域灰度变化率突增的4个提取的特征点。为了排除子元素图像中一些噪声的干扰, 寻找四邻域灰度变化率突增的点时, 根据所选物体的几何特征进行了进一步的条件设置:对左上方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对右上方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对左下方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250, 对右下方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250。经过该设置条件, 自动匹配特征点的算法精度得到大幅改善。
实验所编程序发现, 该自动匹配算法提取出的特征点的像素位置的误差在±2个像素以内, 精度基本符合要求。整个统计重构算法的程序流程图如图4所示。
在MATLAB中运行上述程序, 得到以下结果:A, B, C, D这4个特征点的X坐标、Y坐标的频率分布图如图5所示, A, B, C, D这4个特征点的面型坐标图如图6所示。
用统计重构方法对标准量块进行三维重构后, 得到量块AB边长度为124.6 mm, CD边长度为104.2 mm, 基本符合实验要求。AB边长度偏差24.6%, CD边偏差4.2%。事实上, A, C, D这3个特征点的重构偏差是较小的, 只有B点重构偏差较大, 而且从频率分布图中可以看出, B点在被统计重构时, 正确值的频率也是比较高的。造成这种统计重构偏差的原因主要是因为所使用的自动匹配算法有一定的误差, 另外, 实验中CCD的采样精度有限 (0.2 mm) 且相机阵列的横向扫描位移较大 (达到90 mm) , 这使得相机在非正拍的时候, 量块后表面的顶点干扰了拍摄结果和同名像点的提取。所以如果使用更高精度的同名像点匹配算法, 使用采样精度较高的CCD, 以上算法的精度将能够得到提高。
验证基于统计重构方法的三维数字重构只使用了较为简单的量块作为三维物体, 而且只对少数特征点进行了提取和重构。实验结果表明, 在误差允许的范围内, 基于统计重构方法的三维数字重构在精度上可以满足要求, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。若需要重构出三维物体的所有表面物点, 只需按照上述重构特征点的方法对所有同名像点依次进行统计重构计算即可;若需要对较为复杂的三维物体进行重构, 只需使用相应的自动匹配算法, 对复杂景物中的同名像点完成自动匹配, 再按照本文所述重构特征点的方法进行统计计算, 即可完成复杂三维物体的数字重构。从理论上分析, 加上以上的实验支持, 这些需求是完全可以实现的, 但由于时间关系, 上述工作有待今后进一步完善。
3 总结
介绍了统计重构方法用于三维数字重构的基本思想, 分析了成像误差对三维重构精度的影响是非常小的, 然后以标准量块为样品验证了统计重构方法。在对标准量块进行元素图像阵列的记录后, 对得到的元素图像阵列中量块4个角点进行程序自动匹配, 用统计重构方法重构计算出标准量块的4个角点的精确坐标, 计算角点间距, 与标准值比较发现重构出的特征点坐标存在一定误差, 但在实验允许的范围之内。由此说明, 使用统计重构方法对三维物体进行三维数字重构是可行的, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。
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