可视化建模（共8篇）
可视化建模 篇1
摘要：管线是主要的城市基础设施之一, 管线三维建模与可视化是构建“数字城市”的重要内容。采用断面与体面三角剖分拟合方法构建弯曲管线、三连通管线的三维模型, 给出建模的方法和步骤, 以OpenGL作为三维图形应用程序接口, 实现管线三维建模及可视化。
关键词：管线,三维建模,三维可视化,三角剖分
传统二维的管理模式难以对海量的管线信息进行有效的描述和表达, 管线三维模型能直观地描述管线的三维特征及管线间的空间关系, 管线三维建模与可视化已成为数字城市可持续发展的必然。本文采用断面与体面三角剖分拟合方法构建弯曲管线、交叉管线的三维模型, 以OpenGL作为三维图形应用程序接口, 实现地下管线三维建模及可视化。
1 管线三维建模
1.1 弯曲管线建模
弯曲管线模型由起点断面、中间断面和终点断面共同构建, 可以看作首尾相连的直管线集合, 弯曲管线建模主要包括三维中心线插值、断面信息获取及弯曲管线模型构建。
1) 三维中心线插值。
依据管线断面信息及管线中心线数据构建管线的三维模型, 为使管线模型在弯曲拐点处平滑过渡, 需对弯曲管线中心线数据进行插值处理。将弯曲管线中心线拐点处进行插值拟合, 以圆弧平滑拟合代替中心线拐点。假设弯曲管线中心线上有相邻的三个点位Pi-1、Pi、Pi+1 (见图1) , 在拐点Pi处用一段圆弧Q1Q2拟合。拟合弧段Q1Q2随弯曲半径R变化, 若弯曲半径R确定, 则拟合弧段Q1Q2具有唯一的解。根据Pi-1、Pi、Pi+1的坐标确定弯管弧段Q1Q2的圆心角度值β、弧段的起始点Q1点坐标、弧段终点Q2点坐标、圆弧中心Qi点坐标、圆弧半径R等参数[9]。求得弯管中心线弧段的有关参数后, 将弧段进行m等分, 得到弯曲管线中心线弧段等分点坐标。
2) 断面信息获取。
对于断面S, 局部坐标可设以S的圆心O为坐标原点, S法线方向n为y轴, z轴与整体坐标Z轴平行, 由右手法螺旋法确定x轴。以x轴为起点沿逆时针方向将圆均分为n份, 则圆上任意点在局部坐标系下的值为
式中:R为圆半径, α=2π/n为离散点所处的夹角。
设断面S圆心的整体坐标为 (x0, y0, z0) , 断面法线向量n (局部坐标y轴) 与全局坐标三个轴的夹角为l、m、n。则 S 上离散点的全局坐标 (X, Y, Z) 为
当m=±1时
当m≠±1时
3) 弯曲管线模型构建。
弯曲管线模型的断面数据是一系列连续的断面数据集合, 在相邻两个断面之间采用体面三角剖分拟合的方法构造管线三维表面模型。对任意两个相邻断面S1、S2, 在每个断面圆上可均匀取n个离散点。相邻断面S1、S2之间构成一个类直管线三维模型, 则S1断面上的2个离散点与S2断面上相应的两个离散点在轴线上构成一个空间四边形, 按一定的顺序规则把该空间四边形剖分为2个三角形。循环顺序获取相邻断面数据信息, 每对相邻断面之间都采用类似方法进行体面三角剖分拟合, 直至弯曲管线体面被剖分拟合构建出准确的弯曲管线三维模型。
1.2 三连通管线建模
三连通管线建模是管网建模中较为复杂的建模。三连通管线模型构建与直管线、弯曲管线的区别主要体现在局部坐标系的建立、交叉点处断面位置的确定、三连通管线建模。
1) 局部坐标系的建立。 设连通管线交叉点P处3个支管为PP0、PP1、PP2, 管线半径为R (见图2) 。为了建立三连通管线模型, 需要在不同的计算情况下选择不同的局部坐标系。任意支管口到交叉点所构成的边PPi的向量
2) 连通交叉点处断面位置的确定及断面信息获取。 计算支管口到交叉点构成边PPi的距离
计算相邻两个支管之间的夹角的余弦值
为使连通交叉点处断面不相互交叉, 比较αi的计算值, 取得αi中的最小值αmin, 则交叉点域值L=R/tan (αmin/2) 。通过L值和局部坐标系变换就可以计算得到连通交叉点各个断面的中心点P3、P4、P5空间位置。
准确获取连通交叉点处各个断面的空间位置之后, 建立该断面处的局部坐标系, 可以采用弯曲管线建模中的断面信息获取方法得到连通交叉点处断面信息。
3) 三连通管线建模。 各支管模型的构建:各支管模型的构建相对较为简单, 从各支管口起搜寻与之相对应的断面数据, 采用由断面数据构建直管线三维模型的方法来构建各支管三维模型。
连通交叉点处模型的构建:搜寻所有的断面信息, 查找到连通交叉点处所有的断面, 并按一定方向 (逆时针或顺时针) 对其排序。相邻两个断面间, 按一定的规则搜寻断面上对应的点, 并把这些对应点连接起来, 再进行体面三角剖分拟合构建交叉点模型。
连通交叉点处顶底面的处理:搜索连通交叉点处各断面数据中的断面数据的顶点和底点, 连同交叉中心点的 (X, Y, Z) , 对顶底面进行三角拟合剖分。
1.3 管件三维建模
管件是管网的重要构成部分, 管线通过不同类型的管件相互连接构成复杂的城市管线系统, 管件三维建模是管线三维建模的组成部分。各类管件实体可以看作由主管、辅管及其他相应的数据参数组成, 因此, 可以通过主管管线实体和辅管管线实体进行求差、并、交运算来获取真实的管件三维模型 (见图3) , 并以3DS文件格式存储实体模型。
应用管件连接不同管径的管线时, 读取相应的管件实体模型, 可以通过对管件实体模型的平移、旋转、缩放方法来实现。
2 管线三维可视化
由于不同管线的空间数据和属性数据存在一定差异, 需要设计不同数据结构, 建立不同管线数据库。为管线建模、空间分析、查询提供相应的断面数据参数和基础源数据。按本文提出的管线三维建模方法, 采用Access2000作为后台主要的数据库, 利用ADO技术进行对数据库的操作, 使用Visual C++6.0程序开发语言和OpenGL三维图形应用程序接口作为主要的开发工具, 采用断面与体面三角剖分拟合方法, 实现弯曲管线、三联通管线三维建模 (见图4、图5) 及隐去三角形边线后得到的效果图 (见图6) 。可以看出, 采用断面与体面三角剖分拟合建模方法在管线截面、管线弯曲、管线连通上的处理均能达到良好的可视化效果, 且适于快速构模与显示, 为城市管线三维建模和可视化提供新的方法和思路。
3 结束语
管线三维建模和可视化是城市三维管线信息系统中重要内容, 管线三维建模算法的优劣直接关系到系统运行速度和仿真效果, 同时也影响三维缩放、平移、空间分析和查询效果。建立城市三维管线信息系统, 有利于全面反映城市管线的分布状况, 便于管线的维护、检测, 实现管线信息从无序到有序化管理。城市管线信息作为数字城市基础地理信息的重要组成部分, 为城市的施工建设提供准确、现实的资料, 为科学管理提供辅助决策的依据。
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可视化建模 篇2
思维可视化是指以图示或图示组合的方式，将原本不可见的思维路径及思维方法呈现出来，其本质是隐性思维显性化的过程。思维可视化可将知识间的逻辑关系、潜在的思维过程和方法清晰地呈现出来，将内在思维和外显信息的交互过程显现出来，从而促进学生对知识的深层理解和灵活应用。
地理学关注人与环境在特定地点和位置的相互作用关系。区域地理主要包括区域地理特征、区域差异、区域间的联系、区域可持续发展四大主题。引导学生认识区域特征、区域间差异、区域间联系、区域可持续发展显然是区域地理教学的重心所在。在高中区域地理教学中可以区域地理特征为中心，以“地理事物的空间差异和空间联系”为逻辑主线，教会学生认知区域的方法，使其学会以地理视角思考和解决问题。
一、知识建模――明确地理特征内涵，建构地理特征认知结构
知识建模是对知识的重组与加工，是面向知识管理的有意义建构，是知识的结构化、体系化过程，可帮助他人正确地重构、记忆和应用知识，以实现知识价值最大化。知识建模是思维建模的基础。
地理特征主要体现“它在哪里，它是什么样子”这两个问题。地理特征包括区域地理特征与地理要素特征。从方法论意义看，认识区域特征应从自然地理特征与人文地理特征着手。认识区域的自然地理和人文地理特征，有其基本的认知路线，教给学生认识区域的方法，要求教师能将这种认知路线归纳整理出来，并通过适当教学方式渗透给学生，建立区域特征的认知结构（图1）。
某一区域自然地理特征认知，主要从该区域的地理位置、地形、气候、水文、植被、土壤等自然要素着手；某一区域人文地理特征的认识，主要从人口与城市、产业活动（农业、工业、交通等）、环境问题等人文要素着手。
区域的地理位置、地形、气候、河流特征等有其基本的认知路线可以遵循，在此基础上建构其认知结构。如区域地形特征可从地形类型构成、地形分布状况、地势（包括海拔、倾斜状况、起伏状况等）、特殊地貌等角度着手；区域气候特征可从气候类型构成、气候空间分布、冷热干湿性质（气温、降水特征）等角度着手。
区域经济地理特征认知结构的建构也有其认知的一般思路。如区域农业特点包括农业类型与结构、主要农作物、主要农业分布地区、农业耕作方式和耕作制度、农业生产特点（包括农业经营方式、农业现代化水平、商品率和劳动生产率等）、农业地位等；区域工业特点包括工业类型与结构、主要工业产品、工业分布、工业特点（包括发达程度、技术水平、市场的对外依赖度等）等；区域交通特点包括主要交通方式、交通线路密度、交通线路布局、主要线路和港口、枢纽分布等。人口、城市的分布特点可从位置、数量与密度、分布形态等方面入手。
在地理特征认知结构的建构过程中，应认真辨析和明确一些基本概念的内涵与外延，区分相近、相对的、上下位概念，如光照、热量与温度，地形、地貌与地势的差异等，构建以概念群为中心的地理特征认知结构，对知识进行重组与加工，使知识条理化、结构化、系统化。
二、思维建模――建构地理事物空间联系，归纳区域地理特征
思维建模是通过思维建模工具（如思维导图、概念图等）和方法将内在的思维方式、思维过程等建立动态的、结构化的不同思维模型，并进行可视化表征的认知过程与方法。
思维建模将内在思维和外显信息交互过程显现出来，将潜在的地理思维过程外显化、可视化，建立地理知识之间的本质联系而不是知识表层的记忆。通过思维建模把教学的焦点从“知识层”深入到“思维层”，把关注点从知识本身转到知识背后的思维上，“知识”不再是教学的主要目标而成为训练和发展学生有效思考能力的载体，促进学生对地理知识的深层理解，从而实现“把未知转化为已知，用已知解决未知”的转变。
地理事物的空间联系主要体现为“它为什么在那里”、“它产生什么作用”、“怎样使其有利于人类和自然环境”等问题。建构地理事物空间联系有助于教师居高临下地驾驭地理教学内容，融会贯通地组织地理教学内容，增强地理教学的针对性。
如“干旱”、“冷湿”、“暖湿”、“高寒”分别是我国西北地区、东北地区、南方地区、青藏地区的典型地理特征，教学中可以这些典型的区域特征为中心开展探究式教学，以归纳、分析地理要素特征，建构地理要素间空间联系，并探寻区域可持续发展方向（图
2、图3）。
构建地理要素间空间联系，可以紧紧围绕“定桩、扯线、结网”的方法进行思维建构。
（1）定桩：抓住主导（关键）因素，突出区域特征。在区域特征中找出最具本质或最具特色的特征，并以此寻找主导因素，以其在学生大脑中形成该区域地理特征的牢固记忆节点。如北美洲三大南北纵列带的地形，中南半岛山河相间、纵列分布的山河大势，澳大利亚半环状的气候分布，西亚油多水少的特征等。
（2）扯线：把握地理要素间联系，形成多条思维链。在构建地理要素空间联系时，要结合自然、人文地理原理与规律，运用整体性和差异性思维综合地分析区域特征。如依据某地的地理位置、地形特征，分析该地的气候特征，根据气候进而分析其植被与土壤特征；依据某地的地形、气候特征分析河流特征与水旱灾害；依据某地的地形、气候特征分析农业特点等。
（3）结网：在知识“节点”和“链条”基础上形成思维网络。通过思维建模归纳区域特征，寻找地理事物的空间联系，从而简化知识，搭建逻辑结构，形成知识网络，深化思维联系，让学生学会分析区域。
三、认知方式建模――学会认知地理事物，用地理视角思考问题
地理视角指地理现象的分布格局及其空间关系，是分析和处理及解决地理问题的根本想法，是对地理规律的理性认识，是人们用于反映地理事物和现象本质的模式和思想方法。
教学中教师通过长时期地进行地理特征认知结构的知识建模和地理事物空间联系的思维建模的教学，潜移默化地影响学生，使学生能以正确的认知方式（图4）认识区域，学会用地理视角思考问题，从知识之间的关联中认识其本质，并使学生的地理知识系统化、结构化。
学生面对一个陌生的地理事物和现象，能够结合“空间、相互作用、时间动态”三个独特的地理视角提出“它在哪里，它是什么样子，它为什么在那里，它是什么时候发生的，以及它产生什么作用”等一连串问题并进行资料的搜集与分析，是学生形成其地理视角所不可或缺的过程。
总之，区域地理教学要通过建构地理特征的知识结构、地理要素的空间联系、揭示地理知识的价值，让知识可生成、可管理、可迁移，并最终建构地理认知方式，培养学生以地理视角看事物的习惯。
参考文献：
可视化建模 篇3
文章本文以云南省东川某矿山为例,根据该矿区的地面环境特征和实体类型,利用ArcEngine、ADO和三维建模技术,动态建立矿山地面场景三维模型,实现三维模型的可视化。
1 矿山地面环境特征与实体类型
矿区地面环境是指矿区所处的地理位置以及与此相联系的各种自然条件和社会经济条件的总和。矿区的地面环境是由矿区所处的地理位置决定的,因位置的不同具有不同的特点。首先具有城镇化特点,在规模较大的矿区,矿区的工人在这里常年居住下来,慢慢的发展成一个小城镇;其次具有农村特点,分布于农村的矿区具有人口较少,居住分散,交通条件差,森林、水体、农用土地、水资源等自然资源丰富等特点。
尽管矿区空间现象复杂多样,形态变化各异,但从空间对象几何特征的复杂程度看,可以分为点对象、线对象、面对象和体对象[5,6]。点对象是指不考虑其形状和面积的实体,矿区地面场景的点对象包括路灯、路标、站牌、井、钻孔孔口位置等[7];线对象包括道路和铁路的中心线等;面对象包括草地、河流、湖泊、运动场等;体对象包括选煤厂、煤仓、居民楼、厂房、办公楼等。
2 地面三维场景构模算法
2.1 面的构模算法
面由线段和区构成,其建模算法如图1示,道路面的中线为ABCD,由属性生成区域M1P1O1N1N2O2P2M2。该区域生成的过程为:M1M2垂直于AB,已知面宽度为w,则M1A=w/2,P1P2是角ABC的角平分线。
2.2 体的构模算法
体的建立较为复杂,以长方体建筑物的构模算法为例,图2中的点A(xa,ya,z1)和点B(xb,yb,z1)是建筑物的底部矩形对角线上的两顶点。L为建筑物的长度,H为建筑物的高度。
如图1在XOY平面lAB与x坐标轴的夹角θ可由lAB的斜率求出,α可由它是直角三角形ABC内的一个角求出。线段AP是C点距A点在x轴方向的增量△x,线段CP是C点距A点在y轴方向的增量△y,它们间的关系为:
因此C点的坐标为:
利用CD点的中点即AB点的中点和已知C点坐标的条件可以求出D点的坐标。
以上是长方体底面A、B、C、D四个点的坐标,长方体顶面的另外四个的坐标就是在这四个点的基础上,x和y坐标一致,z坐标均加建筑物高度H。
3 矿山地面对象三维建模
3.1 点和线的建模
点状对象是零维对象,用具有三元组(x,y,z)特征的空间几何点表示。点对象中,路灯、井、钻孔孔口位置等均具有x、y、z坐标值和具有描叙该点对象其他属性。线状对象是一维对象,一条线段有起点和终点,由多条线段组成弧段。矿山地面线对象中道路中心线,具有长度、道路名称、道路等级等用于描叙该对象的属性。点和线的构模思路都是将点/线符号化,如树是将点状符号用三维树来表示的,线状模型道路是将线状符号用道路纹理图片表示,这些符号的大小可根据需要来设置。
3.2 面建模
面对象是二维对象,用于描叙块状具有一定面积的实体。建模时,将加载矢量数据的矢量图层符号化,用图片填充的方式添加纹理。以草地的建立为例,首先要在三维场景中加载草地矢量数据和TIN数据并创建ISurface接口对象,将Tin图层中的数据集赋给lSurface对象;接着扩展矢量图层的3D属性,获取I3DProPerties接口对象,设置矢量图层的基高为TIN表面,应用三维属性到矢量图层,使图层有3D显示效果,将图层叠加在TIN表面;最后利用对矢量图层符号化的方法,采用图片填充的方式添加纹理(图3和图4)[8]。
3.3 体建模
体对象是三维对象,它是由一系列的面对象,根据一定的空间关系构成的封闭区域。建模时,首先要根据已知建筑物的外形参数,得出建筑物的各个顶点坐标,用这些顶点构建选煤厂各个面;然后由这些面构成建筑物的三维模型;最后设置纹理图片路径和名称以及建立点用于控制纹理贴图位置,从而对建筑物三维模型进行纹理映射。以选煤厂为例介绍体模型的建立方法。文章是采用ArcEngine中的Multipath三维数据模型来建模。
Multipath三维数据模型是由一系列的有序三维点构成三维平面,然后由这些平面构成三维体,它包括3种最常用的三维表面类型:三角条带(Triangle Strip)、三角扇(Triangle Fan)和组环(Rings)[9]。用Multipath建模可以体现出建筑物的纹理,我们用矿区特有的洗煤厂来说明建模的过程。首先读取选煤厂的数据库表中选煤厂的外形参数数据和纹理数据,用IGeometryMaterial接口提供的TextureImage,可以通过设置图象文件名称及路径来加载纹理图片;接着用IGeometryMaterialList接口将纹理放入纹理列表中,计算选煤厂外形参数数据得出选煤厂顶点的坐标值,用IGeneralMultiPatchCreator接口创建带有纹理的Multipatch对象(初始化Multipatch对象的参数包括构成Multipatch对象的6个三维平面、纹理贴图点数、纹理列表),用选煤厂各顶点、表示纹理位置的点、纹理图片、面的类型构建这6个三维平面;最后利用ArcEngine二次开发技术,将Multipatch三维数据模型在SceneControl中可视化表达。图5和图6分别是该方法建立的选煤厂和煤仓。
4 实例分析
云南矿产资源丰富,尤其是铜矿资源,储量在排在全国前列,以东川某矿区为典型区进行地面场景三维建模[10]。系统数据来源主要为矿区基础空间数据、矿区图件、属性数据、遥感影像、多媒体数据、纹理照片。基础空间数据主要为矿区1:1万地形图、1:1万矿区工业广场平面图,遥感影像数据为研究区内高分辨率快鸟卫星遥感影像图。纹理照片为研究人员拍摄的矿区建筑物、道路等的照片,属性数据主要是各种实体的属性特征数据。运用ArcEngine、C#、ADO等组件对象,以Multipath为三维数据模型,采用上述的方法对云南东川某矿的地面建筑物进行建模,其中对建筑物数据的录入模块,通过窗口界面将建筑物在地面投影对角线顶点的X、Y、Z坐标值、建筑物的高度、建筑物各个面的纹理贴图数据采集到相应数据表中(图7),从而实现地面场景的三维建模和虚拟仿真(图8)。
5 结语
采用面向对象技术,结合ArcEngine和ADO开发组件,构建了矿区地面各种点、线、面、体的实体的模型,实现整个矿区的地面场景三维建模和可视化,并以云南东川某矿区为例,实现了该矿区地面场景的快速建模型。
摘要：文章根据矿区的地面环境特征和实体类型,将矿区地面实体分成点、线、面、体四个部分,以ArcEngine为开发平台、Multipath为三维数据模型,动态建立矿区地面三维场景。云南东川某矿的地面场景的三维建模结果表明,该方法具有较高的精度和逼真性。
关键词：矿区地面场景,三维建模,可视化,GIS技术
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可视化建模 篇4
1 统一建模语言UML
UML(Unified Modeling Language)统一建模语言,是一种面向对象建模的可视化建模语言[3]。UML目前被广泛应用在包括程序、文档等在内的软件系统开发的各个阶段。UML拥有众多的视图模型来描述RUP模型。如在商业建模和需求工作流阶段,可以采用用例图(Use Case Diagram)、活动图(Activity Diagram)和业务类图(Business Class Diagram)实现;在分析和设计工作流阶段,可以采用实现类图(Implementation Class Diagram)、顺序图(Sequence Diagram)和协作图(Collaboration Diagram)实现。该文介绍的应用部分中,主要结合核心过程工作流进行系统分析和设计。
2 RUP中可视化建模应用实例
当前,“以消费者为中心”的新住宅文化,在房地产发展日趋理性化的今天,已经悄然兴起。适合现代人居住观念的物业管理已越来越被广大业主所接受,与此同时,物业管理的市场化、规模化、集约化进程,进一步扩大了物业公司的管理结构。采用传统的物业管理模式,已经无法解决因成本控制、内部沟通、管理难度增加而带来的问题。物业管理领域迫切需要一种能利用网络来传输信息,实现资源共享的物业信息管理系统。这种新型的物业管理系统,它以传统社区服务为基础,以社区局域网为依托,以因特网为纽带。该文以它为例,介绍如何使用RUP和UML可视化建模的开发过程。
2.1 需求分析建模
需求分析是软件开发的第一步,其主要任务是识别系统参与者,确立系统边界[4]。经过对物业管理信息系统进行详细的调查分析,确定了其功能性需求。系统用户主要有四类,分别是业主、物管人员、系统管理员和财务人员。业主经登录后可查看住房信息、新闻与公告信息、公共设施信息、投诉信息、欠费信息、车位使用信息以及报修信息等。并可进行发布业主投诉、业主报修功能。物业管理人员主要完成物业公司的日常工作,包括住房管理、业主信息管理、业主报修管理、业主投诉管理、停车位管理、访客管理等。财务人员主要进行小区业主的收费管理。对业主每年、每月产生的水费、电费、气费、物业费等进行系统化的录入和统计,生成每户的费用信息,便于业主及时交费和查询。系统管理员实现对系统公告、新闻和员工信息管理等功能。
1)建立用例图
在角色分析的基础上,可以得到系统的用例模型。从前面的分析中得知,物业管理信息系统的参与者有业主、物管人员、系统时钟和管理员。每个参与者都可以有相应的用例图。限于篇幅,此处只给出物业管理的用例图,如图1所示。
2)建立活动图
活动图是用来描述系统内部的动态关系[5],用来反映业务用例的具体处理流程。对于稍微复杂的用例,从活动图中可以进一步来确认系统子用例。此处以业主报修活动为例,其活动图如图2所示。
2.2 分析和设计建模
分析与设计工作流的功能是将需求转换为未来系统的设计,分析和设计的结果是一个设计模型和一个可选的分析模型。设计模型是源代码的抽象,它由设计类和一些描述组成。设计类反映了系统的静态结构,而描述则是体现类的对象如何协同工作实现用例功能。在UML中,可以用类图来实现设计类,顺序图来实现描述的功能。
1)建立类图
类图是用来描述系统的静态模型的,它定义系统中的类的内部结构及类之间的关系[6]。类有5种,分别是实体类、接口类、控制类、数据访问类和配置类[7]。根据RUP中基于用例驱动的思想,为每个用例设计其类图。限于篇幅,此处以物管人员的统计汇总为例,给出其类图,如图3所示。
2)建立顺序图
系统的静态模型类图建立后,可以用顺序图为其建立动态模型。顺序图显示多个对象如何按时间的顺序进行交互的细节,而对象间的交互通过发送各种消息进行。此处以业主缴费为例,其顺序图如图4所示。
2.3 实现与测试
本阶段主要完成代码编写和系统测试工作。在设计阶段产生的UML类图和顺序图,成为编写代码的重要依据。借助于ROSE或JUDE建模工具生成Java代码,包括类、属性、操作、关系、组件等。以代码框架为基础,程序员可以完成每个类操作的具体代码,系统前台设计人员设计图形用户界面。在系统测试前,UML模型继续在使用,根据需求分析和设计中产生的用例图和顺序图来设计测试用例,以检验每一个用例的功能是否已经实现。
3 结束语
RUP与传统的面向过程开发方法有很大的不同,它通过四个阶段和九个工作流来实现整个系统的开发过程。RUP的核心观念体现了当今面向对象软件开发的规律,借助于UML建模工具,真正实现了以需求为中心、以用例驱动为导向的开发模式。RUP与UML可视化建模工具的结合,进一步提高了软件的开发效率,对于大型软件项目的开发、协调开发团队之间的合作具有积极和深远的意义。
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可视化建模 篇5
巡航导弹作为一种远程精确制导的高技术武器装备, 已成为以“非接触远程精确打击”为主要特点的新作战思想的重要支柱, 它的出现使战争变得更加复杂。某巡航导弹 (Tomahawk cruise missile) 是一种长程, 全天候, 具有短翼, 以次音速巡航飞行的导弹。1970年由通用动力公司推出服役。某巡航导弹设计上是一种中到远距离, 低空飞行, 并且以模组化设计, 能够自陆地, 船舰, 空中与水面下发射。
本文正是以导弹的攻防作为研究背景, 探讨了在计算机建模中导弹和战场环境的模型建立并得到仿真的战场地形, 为虚拟仿真在军事对抗中的应用提供了参考。
2、Multigen Creator简介
Multigen Creator是Multigen—Paradigm公司的业界领先的软件工具集, 用于产生高优化, 高精度的事实3D内容, 用在视景仿真、交互式游戏、城市仿真和其他的应用。Multigen Creator是一个功能强大、交互的三维模型。Creator强大的建模功能可为众多不同类型的图像生成器提供建模系统及工具, OpenFlight格式在实时三维领域中成为最流行的图像生成格式, 并成为实景仿真领域事实上的行业标准。利用Creator交互式、直观的用户界面进行多边形建模和纹理贴图, 能够很快生成一个高逼真的模型, 并且所创建的三维模型能够在实时过程中随意进行优化。Creator提供的转换工具能够将多种CAD, 3D或动画软件转换成Creator所支持的Open Flight格式。
3、导弹、炮阵及战场环境的Creator建模
3.1导弹的建模
“某”导弹模型的创建过程, 步骤如下:
(1) 在Creator中单击菜单栏上的File/New命令建立一个文件夹zhanfu.flt,
(2) 打开Info/preferences面板, 点击“Flight Tab”按钮, 将默认的单位设置为“Meters”, 所有单位都变为米, 如图1所示。
(3) 先创建某的弹头部。在Object模式下, 选择Face面板中的Ellipsoid按钮 (导弹直径0.52m, 头部长度为0.4m) 设置相关参数, 如图2所示。
(4) 在选择Mod Geom中的Slice命令对生成的椭圆进行切割, 留下其中的一个作为导弹的头部。
(5) 在Object模式下, 选择Face命令面板中的Cylinder按钮并设置一些相关数据 (弹体长5.25m, 单体直径0.52m) , 创建导弹的弹体部分。
(6) 制作导弹进气口:选择Face工具箱中的Polygon Toll命令, 在图中分别点击 (0, 0.2) , (0.2, 0.2) , (0.7, 0) 确定, 用Wall工具将绘制的平面升起20cm。
将绘制的零件拼装, 完成最后的导弹模型。首先将zhanfu节点设置为父节点, 在选择feixingyi节点, 点击Eyepoint Menu命令中的Bottom, 将视角调整到飞行翼的底部。在Maneuver工具箱中选择Put命令, 分别对Origin、Alignment、Third Point三点进行选择, 然后在弹体上为相应的位置进行粘贴, 将飞行翼粘贴到弹体上。再点击feixingyi节点, 使用Duplicate工具箱中的Duplicate命令, 弹出Duplicate对话框, 选择From Point命令点击OK, 复制出一个新的飞行翼及相应的feixingyi节点。在View/Grid Controls视窗中点击按钮调整网格位置。选择新的feixingyi节点, 使用Modleom中的Mirror命令进行镜像。
尾翼的粘贴与飞行翼的粘贴过程相似, 选择Put命令, 分别对Origin、Alignment、Third Point三点进行选择。然后在弹尾上为三点选择相应的位置进行粘贴, 粘贴后的尾翼。
导弹的尾翼是4个呈十字, 因此使用将粘贴好的尾翼用Duplicate命令复制。选择复制的节点“weiyi”, 点击Maneuver工具箱中的Rotate About Point按钮, 弹出对话框。在Rotate About Point对话框中center选择网格中心, angle调整为90点击OK, 复制的尾翼移到其相应的位置。
打开纹理工具箱, 单击3点映射工具按钮弹出的映射工具窗口。设置Origin、Alignment、Third Point三个参考点。完成导弹模型。
3.2高炮的建模
95式自行弹炮合一系统采用了坦克底盘, 上装一个单人炮塔, 炮塔上装备了4门25m m机关炮和4枚“发射后不管”防空导弹。在炮塔两边较低位置处各安装了4个电控烟雾发射榴弹器用以自我保护。机关炮和导弹安装在炮塔外侧。炮塔顶部装有一台CLC-1型脉冲多普勒探测雷达, 最大搜索距离11公里, 据称对武装直升机和低空飞行的飞机有着极强的探测能力。在行军时, 雷达天线可以可以折起倒向前方以减小车身的高度。
首先是基于Creator对95式高炮系统模型的建立, 主要分底盘、炮塔及雷达三部分来建模。在建好高炮模型后, 要对其进行DOF (自由度, Degree-of-Freedom) 节点进行设置, 然后对模型进行纹理映射等处理, 使所建模型更具有真实感, 如下图所示。
3.3战场环境建模的实现
地形可视化仿真应用是一个复杂的系统工程, 从最初确定仿真目标、评估运行平台图形处理能力到最后的仿真系统发布, 中间要经过原始数据的采集、整理和加工、不同数据格式的转换、处理和整合, 三维地形建模数据库的创建、试验和优化、仿真应用程序的设计、调试和测试等许多中间过程。而三维地形模型数据库的创建有是其核心内容, 事实上从最底层看, 三维地形数据库就是一个多边形的集合, 这些多边形能够近似表示部分地球表面状况。
对于一定的地形范围来说, 建立一个组织有序、效率较高、实用性强的地形数据库可以说是一个反复实验的过程,
4、结语
随着信息技术的飞速发展, 三维可视化仿真技术的应用越来越广泛。而由于“最先进”的技术最先在军事上使用, 所以可视化仿真建模技术越来越多的运用在军事领域。无论是日常的模拟军事训练还是对于未来国防建设、国防科技、武器装备的研制等方面, 直观的仿真建模技术将会发挥越来越重要的作用。
摘要：随着信息技术的飞速发展, 三维可视化仿真技术的应用越来越广泛。Creator是一种实时可视化三维建模软件系统, 是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。应用三维建模软件Multigen Creator建立了模仿导弹、飞机、作战地形等的三维模型。在此基础上, 应用Creator实现模拟高炮拦截导弹的建模。
关键词：Creator,导弹拦截,地形建模
参考文献
[1]王乘, 周均清, 李利军.Creator可视化仿真建模技术.2005.TP.552.
[2]王瑞良.“战斧式”巡航导弹.飞航导弹.2003, 8.
[3]罗秋鹏, 高晓光, 杨建国.空战三维视景仿真设计与实现.电光与控制, 2008, 15 (10) :33-36.
可视化建模 篇6
本文基于Arc Map平台针对围堰溃决下游河道洪水进行可视化研究,在溃堰洪水数值模拟基础上,建立河道水面栅格数据模型耦合地形栅格数据模型进行空间分析及可视化表征,构建溃堰风险可视化模型,为优选导流方案及工程安全管理提供高效的技术支撑。
1 溃堰洪水风险可视化模型
1.1 基于Arc Map溃堰洪水风险可视化模型
基于Arc Map溃堰洪水风险可视化模型分析洪水水面和库区地面的空间位置关系以及分析结果的可视化表征,分为两个模块,空间数据分析及分析结果可视化表征。溃堰洪水风险可视化模型如图1所示。
在空间数据分析模块中,关键的两类数据是水面栅格数据和地面栅格数据,两者统一在空间数据存储结构上,以规则的阵列数据组织表示空间地物分布,以二维数字矩阵分析法作为空间运算的数学基础。建立库区地形栅格数据模型,确定基准坐标系统,配准数据位置,对重叠覆盖区域进行空间位置分析,以数学矩阵运算规则求解库区淹没水深,进而运算库区重叠范围内水深值,建立以水深为属性量值的栅格数据模型,确定栅格数据模型最佳分辨率,模拟淹没水深场。空间数据分析是溃堰洪水风险可视化的关键和基础。
可视化表征包括库区数字地形可视化及淹没水深场可视化,两者对属性量值差异的表达要求不同,数字地形可视化要求渐变表达地形高程分布差异,可直接给不同的地类赋以相应的编码,通过地物属性码与相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化。而淹没水深场可视化要求在一个较窄水深变化区间分级表现水深分布情况,先进行等深线勾画,以等深线为依据将水深场属性量值划分若干级别,用隔断色彩匹配不同数值范围,反映淹没水深场的定量差异。
1.2 基于Arc Map溃堰洪水风险可视化模型构建
1.2.1 溃堰洪水数据
溃堰洪水演进基本问题是水力要素随时间和空间的演变规律,鉴于溃堰洪水流量远比常规河流入流量大,忽略侧向入流影响,溃堰水流一维非恒定流控制方程:
式中:Sf为摩阻坡降;Sx为底坡正弦值;V为水流行进速度;x为河道沿程距离;Q为断面流量。
采用6点Abbott隐式差分格式离散化处理,模拟溃堰洪水演进过程获取沿程河道溃堰洪水水位数据。模拟计算初值条件采用围堰设计标准洪水,包括洪峰流量及初始水深。
1.2.2 栅格数据模型
空间数据(如水面线,等高线等)以矢量结构储存,以三维方式建立水面及地面矢量数据模型(TIN)。矢量模型包含高程、坡度等信息,用于处理在不同位置上多种数据复合分析十分复杂。因此为精简显示信息加快运算速度,将矢量模型转化为以高程为属性的水面及地面栅格数据模型(Grid)。栅格数据结构组织以规则的阵列来表示空间地物或现象分布:
式中:Gf为淹没水深场栅格数据模型;Gg、Gw分别为库区地面栅格数据模型、水面栅格数据模型;aij、bij为各栅格数据模型像元属性值;L表示栅格数据模型运算函数。栅格数据空间分析以二维数字矩阵分析法为基础,具有相同输入像元的两个或多个栅格数据逐单元按照关系函数运算,淹没水深场是对水面栅格模型和地面栅格数据模型空间位置分析后的成果。
淹没水深场栅格数据模型具有与地面栅格数据模型相同分辨率,是以量化和近似离散数据模拟逼近面状分布对象,对栅格表面进行反距离插值[12]以生成连续且规则的栅格面。设平面上分布N个离散点(Xi,Yi,Zi)其中(i=0,1,2,…,n):
式中:Z为待估计值;Zi为第i个样本的属性量值;di为各离散点至待插值点的距离;参数p为距离的方次,取值1.0~6.0之间,本模型取值2.0。
1.2.3 栅格模型最佳分辨率
水面栅格模型和库区地形栅格模型位置匹配具有相同的分辨率。选取合适的分辨率既可使生成的栅格如实反映和描述地貌地形特征,又可避免引入新误差。栅格模型最佳分辨率的研究成果较多。本文采用杨勤科等[13]提出基于地貌学原理,以读取基础数据所有信息和有效表达地貌特征为目标,利用多种栅格坡度均方差-栅格尺寸曲线关系,结合对插值栅格上地貌特征的分析,确定最佳栅格模型分辨率。简单满足为两个条件:与原生等高线吻合,如实反映地形特征;不能因分辨率过高出现沿等高线方向的明显纹理特征。
1.2.4 淹没水深场分级
淹没水深场栅格面上根据浅点相近原则[14]划定等深线,依据等深线确定水深分级等深线,分级等深线将淹没水深场分成不同等级的淹没水深区域。
1.2.5 对象符号化
空间分析结果可视化表征关键环节是对象符号化。据拓扑映射原理,设x∈A∈X是三维空间X中制图区域A内的制图物体,存在从三维空间X到地球椭球面S的映射f:X→S和地球椭球面S到制图者的认知结构Y的映射g:S→Y以及从制图者的认知结构Y到二维平面Z映射q:Y→Z。x在f,g,q三重拓扑映射下的平面像qgf(x)∈qgf(Z)Z称为制图对象x的地图符号化[15]。
溃堰洪水风险可视化模型分类分级及具象化,包括Gf、Gg;两者对于量值差异可视化表达要求不同,数字地形Gg符号化较为常规,可直接采用国家地形图图示标准中的地理要素分类及编码,直接给不同的地类赋以相应的编码,通过地物属性码与相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化表达,如图2所示。
淹没水深场Gf可视化表征要求较窄水深变化区间表现水深分布情况,在轮廓线(等深线)范围内配置不同的面状符号,面状地图符号由边界线和边界线内填充图形组成。在1∶M比例尺条件下,面状地图符号描述如下:
式中:P为面状地图符号;M为符号比例尺;qgf为符号生成函数;L为符号边界线;F为符号边界线内所有填充图形。
式中:F为面状地图符号边界内的所有填充图形;Xi,Xk为构成面状地图符号边界线内的填充图形;R为面状地图符号边界线内填充图形Xi,Xk之间的位置依赖关系;Yj为面状地图符号填充图形的描述信息的属性。
符合上述条件P为制图物体x依比例面状地图符号,按照水深分布形状确定P基本形状,以P颜色区分属性量值,明确淹没区域间的水深定量差异,表达不同区域的水深分布。
2 工程实例
2.1 基础资料
2.1.1 工程概况
拉哇水电站是金沙江上游13级开发方案中第8级,上游为叶巴滩水电站,下游为巴塘水电站。设计方案推荐坝型为混凝土面板堆石坝,最大坝高234.00 m,装机容量2 000 MW,水库正常蓄水位2 702.00 m,相应库容19.93亿m3,属Ⅰ等大(1)型工程。经综合分析,拉哇水电站施工导流初拟一次拦断河床、隧洞导流方式,使用土石类围堰全年挡水,有两种备选修筑方案:30年一遇挡水标准和50年一遇挡水标准,需对两种修筑标准下的溃决洪水进行研究,制作溃堰洪水淹没风险图,为后续风险分析及优选导流方案提供技术支撑。围堰修筑结构图3所示。
2.1.2 下游河道地形数据
拉哇水电站库区数字地形图等高距为5 m,比例尺为1∶5 000。下游河道处于高山峡谷中,沿岸地形陡峻,河谷断面呈“V”型,蓄洪量小,洪水期水位变化剧烈。库区河道几处较大堆积体如图4示,有出现滑坡的可能,确定为典型断面,需要表达出水深等信息。
堰址至下游巴塘坝址(洪水研究边界)共19 km,本次研究初拟50个断面,根据不同地形变化条件适当增减,最终确定56个计算断面,采集各断面地理位置信息,构建下游河槽地形数字模型。
2.1.3 溃堰洪水河槽沿程水面数据
经溃堰洪水演算,得到两种挡水标准下的围堰漫顶溃决后河槽剖面洪水沿程最高水面线(如图5示)。
2.2 溃堰洪水风险图
参照参考文献[13]中典型丘陵地区数字地形图(比例尺为1∶1万,等高距5 m)提出拉哇电站库区栅格数据模型初始分辨率为2.5 m。经合理性验证,最终确定栅格模型最佳分辨率为1m。建立水面栅格数据模型,耦合库区地形栅格数据模型空间分析,对分析成果可视化表征,编制溃堰洪水风险图(如图6、图7示)。
图6、图7中显示2种不同挡水标准围堰溃决对下游库区影响,即溃堰洪水发生下游河道淹没范围及水深分布情况:洪水淹没区域呈狭长带状分布,呈现从河道岸坡往河槽轴线方向颜色加深,水深逐渐变大现象,反映山区河流溃堰洪水集中河槽分布特点;对比两幅图,50年一遇的洪水风险图要比30年一遇的洪水风险图中洪水淹没范围及最大淹没水深区域面积大,也说明50年一遇挡水标准围堰比30年一遇挡水标准围堰堰顶高程高,堰前库容水量要大的特点。
3 结语
可视化建模 篇7
1 Surpac Vision软件的主要特点
1.1 三维图形系统。
Surpac Vision包括了整套三维立体的块体建模工具, 自动绘图功能可以三维方式创建图形, 也可以从旋转的二维图形中得到, 用户可以多角度观察图形。
1.2 二次开发。
Surpac Vision软件中宏命令/脚本语言是整个功能系统的基础, 以Surpac Vision为开发基础, 用户可以开发自己的应用程序, 脚本语言是公共的TCL语言。
1.3 资源共享。
Surpac Vision具有客户服务器结构, 客户就可以在世界上任何地方通过网络来使用这个软件。Surpac Vision的资源共享功能也使得不同地点的多用户可以通过网络和单一用户部门取得联系, 用户可以更方便地获得有关技术专家的技术帮助。
2 Surpac Vision软件与地理信息系统 (GIS)
GIS是反映各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性, 在计算机软件和硬件的支持下, 以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它的基础是地图可视化、数据库系统以及空间分析三者有机的结合, 其核心是利用计算机技术建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库及属性数据库的联动关系[2]。
地理信息系统 (GIS) 的基本功能包括: (1) 准备。收集、数字化、编辑数据; (2) 分析。检验数据, 数据更新, 即产生信息; (3) 管理。永久性的文字、数字式数据、地理数据的管理; (4) 显示。各种图形、报告、报表的输出或屏幕显示。
与传统的GIS软件建模软件相比具有如下优势: (1) 三维可视化矿山工程软件Surpac Vision具有传统GIS建模软件的基本功能。 (2) Surpac Vision软件比传统的GIS二次开发环境:如Arc/Info的AML语言通用语言;Map Info的Map X等, Surpac Vision软件利用TCL语言进行二次开发更简单。 (3) Surpac Vision具有结合专业实际的应用特点, 在矿山开采设计的实用性方面具有很大优势, 如钻孔编录和炮眼设计、矿坑设计、地下开采设计和掘进工程等等。 (4) 软件数据存放、管理都是采用文件方式。
3 Surpac Vision软件在地质建模中的应用
3.1 数据库表的建立。
数据库表是地质数字建模应用的基础。将原始地质编录资料转换成数据库表信息, 包括四个数据库表:钻孔 (孔口) 定位表 (Coller Table) , 钻孔测斜表 (Surey Table) , 岩性编录表 (Geology Table) , 样品分析结果表 (Sample Table) 。四个数据库表相互独立, 但均通过钻孔编号关联。数据库建立后Surpac会自动创建三个基本表Coller, Surey和translation, 这三个表是强制性的, 其中translation表是转换表, Surpac会自动创建和维护, 不需要用户导入数据。用户可以直接查看、编辑、更新数据, 对数据库进行管理。
数据库表建立的技术要求: (1) 坑道或坑探编录转化为线性编录资料, 相当于钻孔资料; (2) 数据格式采用文本或电子表格 (csv带逗号分隔) ; (3) 可以直接与许多流行的数据库相连接, 诸如Access、SQL Server、Oracle、Paradax等任何一种方式来存储和管理地质信息; (4) 建立的四个数据库表均采用英语大小写进行识别。
3.2 实体建模。
实体模型从地理信息系统角度讲属于三维数据的三角网。它用来描述三维空间的物体, 是三维模型的基础。可以快速的描述物体的轮廓、计算物体体积和表面积、任意方位的切割剖面、空间约束、体之间和体与面之间的交差运算等等。
实体模型是根据勘探线剖面中的数据化的矿体边界, 将一系列勘探线上对应矿体的剖面线连成三角网, 封闭两端或尖灭矿体, 即成矿体的三维实体模型 (见图1) 。
在Surpac Vision软件环境下, 矿体的三维实体模型实际上是由许多相互不交叉、不重叠的三角面构成。因此, 组成实体的各三角面不存在自相交、无相邻边、重复边、无效边, 否则必出现重复连接或未封闭等问题。反复验证符合约定条件后, 才能称得上有效实体, 进行实体表面积和体积计算。
进行实体建模时应注意以下几个方面的问题: (1) 同一矿体必须是统一的三角网号和统一体号; (2) 矿体形态不规则的借助辅助线连接矿体可以大大节省工作时间; (3) 所连实体不能存在开放边, 可以通过显示功能找到开放边, 借助辅助线进行实体封闭; (4) 复杂的矿体将其分解, 对贫矿、富矿、表外矿石进行分解, 降低实体的复杂程度; (5) 对CAD图件进行处理时坐标一致, 转换时注意空间位置和方向与相邻的矿体围岩方向一致。
3.3 块体建模。
在Surpac Vision软件环境中, 块体模型是块体与地质统计学相结合, 应用数学方法对品位分布进行建模, 即实现三维地学模型 (3-Dimension Geoscience Modeling, 简称3DGM) 。三维地学模型建设就是为了解决地学领域中遇到的三维问题而提出来的[3]。它实际是地质数据库的一种形式, 可以存储和操作数据, 还能修补来自数据中的信息, 这和传统的数据库有所不同, 存储的数据更像内插替换一个值, 而不是度量一个值。
块模型的组成部分是块体单元, 每一个块体单元都和一个记录相联, 这个记录以空间作为参照。通过建立块体模型可以为每个块体赋值品位、储量、岩性等地质信息, 通过为块体赋予属性来实现显示矿体品位特征、单元块体体积、密度等, 并达到建立矿体属性相关性分析的目的。
在建立块体模型的过程中, 需要建立块体约束条件, 即在一个范围内 (矿体编号、矿石化学分析元素符号、字符、固定值等) 对模型进行估值, 把其控制在圈定的矿体边界内, 实现块体与数据库中的化验数据结合的目的, 最终实现对单元块的赋值, 这样就基本建成矿体数字块体模型, 显示矿体三维空间品位的变化、富集规律。在块体模型中, 我们可以按不同的边界品位绘制任意方位的剖面图和任意中段的平面图, 也可以按不同的品位分色显示贫富矿体的分布位置和形态 (见图2) 。此外, 应用块体模型, 我们也可以分标高、分矿块、分采场、分矿石类型、分品位等级的报告矿床资源量、矿床品位、金属量, 输出相关地质储量资料, 为传统地质储量估算提供依据。
4 结论
通过Surpac Vision软件矿山企业可以建立自己的矿山原始地质资料数据库, 根据需要随时进行数据的编辑和查询, 建立三维可视化实体模型和块体模型达到对矿体的变化性进行了分析研究, 实现对矿山生产的动态管理。实现矿产的综合开发利用, 为提高矿产资源开发的社会经济消息提供了科学依据, 给企业今后的发展构建了一个综合信息平台。
参考文献
[1]李海华, 张瑞新.应用Surpac软件进行露天矿采矿工程的可视化[J].中国矿业, 2004, 13 (1) :64-65.
[2]吴立新, 张瑞新等.三维地学模拟与虚拟矿山系统[J].测绘学, 2002, 31 (1) :28-33.
可视化建模 篇8
虚拟植物 (Virtual Plants) 就是利用虚拟现实 (Virtual Reality) 技术在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程, 生成的植物是可以反映现实植物的形态结构、具有真实感的三维植物个体或群体, 并能获得植物生理生态过程和形态结构的并行过程的共同结果[1,2]。
迄今为止, 关于小麦叶片、茎秆、叶鞘形态生长特征的模拟, 已有所报道[3,4,5,6], 但关于小麦麦穗生长的模拟研究报道很少。由于小麦麦穗形态指标的难获取性和技术手段的缺乏, 使虚拟麦穗的研究大大滞后于小麦生育阶段中的其余器官。小麦麦穗的研究多侧重在生理发育上[7,8], 但都未提出可视化模型。陈国庆等人[9]构建了小麦生长过程中形态特征的可视化表达, 包括麦穗形态建成子模型 (含穗长和麦芒) 。刘晓东等人[10]根据小麦麦穗形态结构特征建立相应的控制网格对小麦麦穗进行了建模和可视化描述, 但都没有很好地考虑麦穗小穗的器官如麦芒、麦粒等的细节控制和可视化实现。
本文在总结前人研究成果并根据冬小麦麦穗生长规律, 构造描述小麦小花器官的几何模型, 在Visual C++平台上, 借助OpenGL对其进行了三维可视化模拟仿真, 这对于完善小麦生长模拟模型, 指导小麦生长的调控与管理决策有重要的理论意义和应用价值。
1 麦穗小花建模
1.1 构造麦芒
麦芒的有无、形状 (直芒、曲芒、钩芒、蟹爪芒) 、长短 (短芒、半芒、长芒) , 不同品种表现不一。本次大田实验通过观察测量后可知麦芒根部较粗, 到顶部逐渐变细, 中间还有一定的弯曲度, 因此为了增加其可视化逼真度, 采用等高线重建技术。等高线作为一种常用的地图符号用于描述和记录三维地形高程变化信息, 在计算机图形学中, 等高线重建技术是用于表达目标三维结构的一种重要技术, 用等高线进行三维重建要求目标具有在同一条等高线上各点的高程相同, 等高线不相交, 等高线是一条连续闭合曲线等特征, 而麦芒具有此特征。为此, 本文采用等高线表示麦芒某一水平截面的信息, 利用基于等高线的三维重建技术建立麦芒的三维模型, 如图1所示。
麦芒等高线数据用外径千分尺以2mm的间隔获得, 利用这些等高线数据, 可以用圆近似构建出麦芒的各个截面, 如图2所示。
在等高线1上任意设定一点C1, 如图1所示, 然后再临近的等高线2上以距离最短为原则确定的点C2, 连接C1和C2, 然后按逆时针方向在登高线1上确定点C3, 使其在矢量undefined上对角最大, 构成三角面片C1C2C3, 然后以边C2C3为矢量在等高线2上寻找对角最大的点从C4, 构成三角形C2C3C4, 依次类推, 遍历完所有等高线的数据, 便可形成麦芒表面的三角面片, 并对其进行渲染和贴图, 如图3所示。
1.2 麦粒
麦粒椭圆、卵圆居多, 还有近圆、圆筒、梭形等, 本文对椭圆型麦粒建模。经观察发现麦粒大体分两部分, 下部类似于椭球, 顶端有茸毛称作冠毛, 利用分段函数对其进行建模。麦粒的背面隆起, 相对的一面是腹面, 有腹沟, 且麦粒下端凹陷, 上端凸起, 可以利用较为成熟的凹凸纹理[11]处理技术进行建模, 将其应用于椭球变形[12]上, 以实现麦粒的几何造型, 最后将获得的模型和采集到的麦粒三维数据进行拟合, 并调整模型参数, 实现麦粒的三维可视化。
如图4所示, 中心在原点的三维椭球面参数方程P (u, w) 的分量表示[11], 即
undefined
(1)
-π/2≤u≤π/2, 0≤w ≤2π
式中 xp, yp, zp—分别为曲面上任一点 的x, y, z坐标;
rx, ry, rz—分别为椭球轴半径;
u—椭球经度角;
w—椭球纬度角。
实测表明:rx= (1/3) ry=rz。
腹沟处采用扰动函数进行建模, 设P (u, w) 表示参数表面上任意一点, 则其表面法向量可通过式 (2) 获得, 即
N=PuPw (2)
其中, Pu与Pw为参数u和w的偏导数, 为了得到扰动法向量, 可在表面点的向量方向上增加式 (3) 所示扰动函数, 即
p′ (u, w) =P (u, w) +g (u, w) n (3)
这样便可在表面法向量方向上增加凹凸效果。
经大量实验, 确定其干扰函数为
undefined (4)
在u≥π/3处, 增加顶端冠毛的处理。通过式 (1) 获得在u=π/3处椭球数据点的坐标, 以及在点 (π/2, 2π) 处的坐标, 构造三角网格。根据田间试验拍的数码照片, 对其处理, 然后分别对麦粒冠毛处和下端分别进行纹理贴图, 如图5所示。
1.3 内稃和外稃
麦粒外层包裹有内稃和外稃, 外稃常具芒, 相当于小花苞片, 要包裹住麦粒, 因此其拓补结构与麦粒一致, 在此仍采用椭球造型, 利用干扰函数进行建模。实验表明, 当式 (1) 中的rx= (1/2) ry= (1/1.3) rz, 并满足-π/2≤u≤π/2, 0≤w≤π时, 可用其构造麦粒的外颖, 结果如图6所示。
内稃用来包裹麦粒的腹沟, 薄膜状, 其中部向内弯曲, 两侧向内折叠。实验表明, 采用OpenGL提供的二维求值器可以完成内颖的建模, 如图7所示。
其控制点的坐标为
ctrlpoints[4][4][3]={{{-0.5, -1.0, 0.1}, {-0.1, -1.0, -0.1}, {0.1, -1.0, -0.1}, {0.5, -1.0, 0.1}}, {{-2.0, 1.0, 0.35}, {-0.5, 1.0, -0.35}, {0.5, 1.0, -0.35}, {2.0, 1.0, 0.35}}, {{-2.0, 3.0, 0.35}, {-0.5, 3.0, -0.35}, {0.5, 3.0, -0.35}, {2.0, 3.0, 0.35}}, {{-0.2, 5.0, 0.1}, {-0.1, 5.0, 0.0}, {0.1, 5.0, 0.0}, {0.2, 5.0, 0.1}}, }。
1.4 小花的生成
小花由麦芒、外稃、内稃以及麦粒构成, 上文已分别对小花的各器官建模, 因此调用小花的各器官模型, 外稃具芒, 相当于小花苞片, 要包裹住麦粒, 内稃用来包裹麦粒的腹沟, 按照这样的排列规则, 调整各模型坐标, 构建麦穗小花模型, 结果如图8所示。为提高模型显示速度, 采用OpenGL显示列表对其进行绘制。
2 结论
本文从虚拟小麦麦穗可视化模拟角度出发, 在总结前人研究成果并根据冬小麦麦穗生长规律, 构造了描述小麦小花器官的几何模型, 对麦穗小花主要器官的建模方法进行了研究, 提出了基于等高线的三维重建方法实现麦芒的建模;采用球面变形方程实现了麦粒以及内稃和外稃的建模。结果表明模型可控参数少, 实现容易, 可视化效果逼真。
今后应从计算机图形学角度给出光照、阴影的计算方法, 并且研究麦穗花序的排列, 实现整株小麦麦穗的可视化模拟。
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