三维虚拟投影系统（共11篇）
三维虚拟投影系统 篇1
0 引言
全息投影是近期非常流行的技术, 它采用全息膜配合投影展示产品, 提供了丰富的全息影像, 可以在玻璃、亚克力等材质上成像, 将装饰性、实用性融为一体, 成为现在一种前沿的市场推广手段。2008年美国CNN电视台首次在总统大选的报道中应用了全息投影技术, 动用了35部高清摄像机, 从各角度同时对主持人进行拍摄, 拍摄的图像数据传输到20台电脑中进行合成处理, 最终通过高清投影仪实现全息人像的真实再现。全息投影技术是通过在空气或特殊镜片上形成立体影像, 是全息摄影术的逆向展示, 可以从任何角度观看全息影像的不同侧面。目前市场上可实现的全系投影从技术上分为四种: (1) 空气投影。美国麻省的一名29岁研究生发明了一种空气投影技术, 可以在气流墙上投影图像, 并且使其具备交互功能。这一技术灵感来源于海市蜃楼原理, 将图像投射在大片的水蒸气上, 由于组成水蒸气的水分子震动不均衡, 可以形成立体感很强的全息图像。 (2) 激光束投影。日本公司研制了一种利用激光束来投射实体的全息影像投射方法。这一方法主要利用了氧气和氮气在空气中散开时, 两者混合成的气体变成灼热的物质, 并在空气中通过不断的小爆炸形成全息图像。 (3) 美国南加利福尼亚大学的研究人员研制了一种360度全息显示屏, 将图像投影在高速旋转的镜子上, 从而实现全息影像。 (4) 雾幕立体成像系统。雾幕立体成像, 也被称为雾屏成像, 通过镭射光借助空气中的微粒, 在空气中成像, 使用雾化设备产生人工喷雾墙, 利用这层水雾墙代替传统的投影屏, 结合空气动力学制造出能产生平面雾气的屏幕, 再将投影仪投射喷雾墙上形成全息图像。
1 系统总体设计
全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示, 本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感, 全息投影技术是真正呈现3D的影像, 可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。产品系统是由三维显示系统、计算机多媒体系统、控制系统所组成。下图1为系统流程框图。
1.1 三维显示系统
三维立体显示系统提供了良好的沉浸式虚拟场景。在虚拟现实应用中用以显示实时的虚拟现实仿真应用程序, 该系统通常主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分, 三维显示系统在360度全息投影技术中完成活动三维立体视频的在场景造型上的再现, 使立体影像与周围的人造景观背景有比较“真实”的结合。下图2为成像系统图。
1.2 计算机多媒体系统
多媒体计算机系统是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来, 对音频信号、视频信号的获取、生成、存储、处理、回收和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。具有同步性, 集成性, 交互性, 综合性等特征。在360度全息投影技术中, 计算机多媒体系统利用先进的多媒体技术和计算机控制技术, 可以实现大的场景、复杂的生产流水线、大型产品等的逼真展示。
1.3 控制系统
控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。在360度全息投影技术中, 控制系统完成活动模型控制、电源控制、播放控制等。
2 视频制作
本系统不可或缺的便是在视频制作上, 因此为了视频的精彩呈现, 选择基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max以及视频处理软件Adobe After Effects。
3DSMax在应用范围方面, 广泛应用于广告、影视、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏以及辅助教学等领域。该软件的突出特点:1) 基于PC系统的低配置要求;2) 安装插件 (plugins) 可提供3DSMax所没有的功能 (以及增强原本的功能;3) 强大的角色 (Character) 动画制作能力;4) 可堆叠的建模步骤, 使制作模型有非常大的弹性。
AE的全称是After Effects, 一个影视后期特效合成及设计软件。AE软件可以帮助您高效且精确地创建无数种引人注目的动态图形和震撼人心的视觉效果。利用与其他Adobe软件无与伦比的紧密集成和高度灵活的2D和3D合成, 以及数百种预设的效果和动画, 增添令人耳目一新的效果。
3 电路模块控制设计
3.1 单片机STC15W408AS
STC15W408AS是STC生产的一款高速、可靠、抗强干扰的新一代单片机, 内置晶振及复位电路, 减少最小系统的外围电路、PCB板面积及设计成本。另外此芯片资源丰富, 功能强大, 符合本设计要求。本设计使用三路PWM为LED驱动电路提供PWM输入信号, 通过SPI控制ESP8266无线通信模块的数据收发。
3.2 ESP8266无线WIFI模块
本设计采用ESP8266无线WIFI模块控制视频的播放、暂停、停止。
3.2.1 ESP8266简介
ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi Fi透传模块, 拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术, 专为移动设备和物联网应用设计, 可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上, 进行互联网或局域网通信, 实现联网功能。
ESP8266封装方式多样, 天线可支持板载PCB天线, IPEX接口和邮票孔接口三种形式;
ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。
3.2.2 ESP8266主要功能
ESP8266可以实现的主要功能包括:串口透传, PWM调控, GPIO控制。
3.2.3 ESP8266内部结构
ESP8266高度片内集成, 包括天线开关balun、电源管理转换器, 因此仅需极少的外部电路, 且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。下图3为ESP8266结构图。
3.3 人机界面软件程序设计
三维虚拟投影系统的控制程序设计流程图如下图4所示, 其主要包括:
3.3.1 系统初始化
在系统初始化程序中, 主要完成对各模块的启动处理, 其中包括:显示屏进入播放界面、无线模块ESP8266启动。
3.3.2 检测系统状态
系统初始化以后, 开始检测wifi模块, 并且检测视频播放状态, 一切正常后, 等待进入系统启动状态。
3.3.3 启动任务
检测系统状态正常后, 开始检测触摸屏是否有事件发生, 即用户是否对触摸屏操作, 如果有那么系统开始发送相应的指令到视频控制, 从而实现智能播放停止的功能, 如果没有系统保持待机功能。
4 结论
通过把物理学光学技术、三维动画技术、物联网技术和嵌入式技术融合, 应用于投影技术中, 不仅突破了传统声、光、电局限, 将美轮美奂的画面带到观众面前, 给人一种虚拟与现实并存的双重世界感觉, 给人们带来新的视觉享受。而且还克服以大屏幕为主的传统展示方式的缺点, 体现了融合展示及互动展示。本设计尺寸灵活、成像清晰度高、安装便捷、形式新颖、内容多样, 适用于虚拟样机、生物医学以及建筑视景与城市规划、地震及消防演练仿真、军事模拟战场、电子对抗、航空航天模拟等领域, 具有较高的推广与应用价值。
参考文献
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[6]卢晓丽.计算机网络技术[M].机械工业出版社, 2012.
三维虚拟投影系统 篇2
关键词：当代艺术理论论文,文艺理论论文发表,文学理论论文投稿
素描作为艺术设计专业的基础课程，在传统的课程教学中，学生要想更好的观察和绘画，需要控制好灯光、明暗等因素。用虚拟现实方法构建的场景能够更轻松的进行交互控制进而成为学生素描教学中重要的观察手段。作者在虚拟现实技术应用的基础上开发的的素描学习系统，能起到丰富教学手段、改进教学方法和提高教学效率的作用。
介绍
虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的，简称VR技术。Virtual是虚拟的意思，Reality是真实的意思，合并起来就是虚拟现实。这一词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代提出的，也称灵境技术或人工环境，国内也有人译为“灵境”或“幻真”。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身历其境的沉侵感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。随着虚拟现实技术的发展，做为一种新的管理方法和技术，虚拟系统在项目管理进程中正发挥着越来越重要的作用。首先，由于硬件设备投入非常昂贵，虚拟系统通常被用于那些在现实生活中比较危险的教学活动诸如军事、医疗、工程等等。随着技术的更新和发展，在基础教学中，越来越多人使用虚拟现实技术来讲授科学、物理、艺术等等学科。
虚拟现实技术长期以来被用于教育和培训工作。Hratman进一步的使用虚拟现实环境来检测学生的空间认知能力。Park et al发现虚拟现实技术制作的地图能够进一步提高学生的空间想象能力。美国芝加哥大学的电子可视化实验室和交互计算环境实验室设计出了一个名为“美妙(NICE)”的儿童教育作品，它是“叙述性、身历其境感、合作互动环境”的简称，其宗旨是“让我们在虚拟世界里一起学习和成长”。因此，我们非常有必要开发一个教育系统，它能够帮助教师减少教学压力。同时这个教学系统还能够提高学生的学习积极性，激发学生的学习动力，给学生提供一种直观的交互学习环境，进而能很好的完成我们的最终教育目标。
研究目的在传统的素描教学中，有很多相互影响的因素。教师通常需要去发现并纠正学生的种
种问题，这会增加教师的工作量。同时因为学生经常被动的接收建议，这也会降低他们主动发现问题的能力。为了有效的解决上述问题，我们研究应用3D虚拟现实技术开发了此款交互式素描学习系统。
在本次研究中，我们希望通过开发素描学习系统最终达到下列研究目标：
(1)通过应用素描学习系统的实时交互技术，有效减少教师的教学压力，也能够在一定程度上弥补中学美术教师短缺的问题。
(2)通过展现素描学习系统的趣味性和交互教育功能，能够有效的吸引学生的注意力，提高学生的学习积极性。
(3)素描学习系统的在线学习功能能打破时间和空间的限制，同时虚拟现实技术在空间、阴影、材质表现等方法具有很大的优势，这些都能有效弥补传统媒体在互动交流方面的不足。
系统构建
本系统由以下三部分组成：
1.第一部分：模型
根据课程目标和课程内容的需求，为了训练学生基础的素描造型能力，我们通常将各种各样的物体细分成一个个基本的单元。这些虚拟模型通常由平面和曲面构成。例如圆锥体、球体、圆柱体是由曲面构成的三维物体，而正方体、四棱锥、六棱柱是由平面构成的三维物体。众所周知，这两类物体是最基本的几何体。使用几何体的目的在于将复杂的物体分解成简单基本单元，比如人头就可以看做是由球体、圆柱体、长方体等基本单元构成的复杂对象。
学生依靠所学到的经验，将真实生活的物体分解成简单的几何体并进行重构。这种训练可以增强学生在素描绘画中的观察和分析能力。
2.第二部分：构建虚拟现实交互操作环境
为了顺应在线学习的新趋势，我们可以将素描学习系统开发成网络学习的平台，学生可以通过因特网或局域网进行在线学习，它可以弥补传统学习方法在时间和空间方面的不足。我们希望通过消除学生在自然观察过程中所遇到的各种相互干扰的因素，同时给学生提供互动的学习环境，以此提高学生的学习积极性。
我们所开发的系统属于桌面虚拟现实系统，这套人机交互系统的硬件设备是屏幕、鼠标、键盘。在软件方面，虚拟现实技术能特供特殊的空间概念，实时三维图片的灯光/阴影计算功能、纹理贴图计算功能能够为素描教学提供一种非常真实的交互学习环境。
3.第三部分：纸质练习
三维虚拟投影系统 篇3
关键词：三维全景；虚拟校园漫游；生成和运用；研究分析
l 三维全景的含义和用途
三维全景全称为三维全景漫游技术，其核心正是三维全景图像。通过利用拍摄设备所获得的多张360度和180度的照片，拼接为一张图像，从而构成一个全景空间。与传统的二维场景相比，其具有多个优点：一是真实感强。二是互动性强。观众可以凭借自己的喜好进行随意操作。三是文件体积小，方便传输，对丁硬件的要求也不是太高。对丁学校来说，近年来，虚拟校园漫游系统的开发和运用就被提上了日程。而整个系统的构建的关键和基础，则是三维全景的牛成，其能够将众多360度拍摄的照片组合成为一个全景图像，然后再通过一些软件和插件，在计算机、于机等媒体上予以真实的还原。而且观看者还可以根据自己的喜好，进行上下左右、前后远近的调整，获得一种身临其境之感。所以从这个角度来说，没有三维全景，也就没有虚拟校同漫游系统的牛成，发挥着关键的基础性作用。
2 虚拟校园漫游系统中三维全景的生成和运用
2.1 图像采集
图像是三维全景牛成的原始素材，一般来说，图像的获得包含两种形式。第一种是运用全景相机拍摄。全景相机可以直接获得全景图像，免去了后续制作的麻烦，但是其弊端也是显而易见的，即全景相机本身是十分昂贵的，拍摄成本较高，所以一般很少使用。第二种是采用普通相机拍摄。可以将普通的照相机或摄像机架设在一个可以水平选装的支架上，然后进行转动拍摄。所拍摄出来的照片是有一定重合部分的，所以需要在电脑上利用软件进行拼接处理。因为普通照相机和摄像机的价格相对低廉，所以这也是当下主流的图像采集方式。例如，可以运用多个鱼眼镜头，分别拍摄建筑物、雕塑等立方体上下左右前后的六个面，然后再将安装了鱼眼镜头的相机同定在支架上，进行背景的拍摄，每旋转90度拍一张。之所以采用这方式，是因为180度的鱼眼镜头拍摄出的照片没有重叠区域，很容易让后期的拼接处理出现偏差，而每隔90度拍摄一张，就可以将其和鱼眼拍摄照片进行比对，更加方便与后期的制作。在获得了带有重叠区域的图像素材之后，因为每一幅图片坐标不同，所以为了获得统一化的效果，必须将其统一到同一个坐标体系中。对此通常采用球面投影和柱面投影的方式。球面投影是将多幅图像拼接投射到一个球面上，获得图像像素点在空间中的方位信息。其对于图像素材本身并没有什么特殊的要求，所以是一种广为采用的方式。柱式投影可以视为是球面投影的变形，其将准备拼接的图像投射在一个网柱体上，与球面投影相比，其在获得空间方位信息的同时，还能够快速地去除重复的信息。经过上述处理后，整个三维全景图的骨架也就搭设完毕了。
2.2 图像拼接
因为全景照相机的价格较为昂贵，所以在图像采集过程中，还是多采用普通相机拍摄加后期拼接处理的方式为主。其根本原理是将众多图像汇集在一起，然后删除掉其重叠部分，使之成为了一个新的整体。其中的关键就在丁重叠位置和区域的查找。如果查找的不准确，就会出现重复表现和遗漏表现的结果，也就难以称为是全景图了。且因为在具体的拍摄过程中，受到硬件本身和具体环境的影响，使得最终的图片效果还以做到百分百精确，经常出现一些平移、扭曲、变形、色彩等情况，这也再一次凸显出了图像拼接的重要性。一般来说，图像拼接包含两种方式，即区域拼接和特征拼接。区域拼接是对面面灰度信息的运用，以此来作为特征和区分，但是涉及层面众多。特征拼接则是针对图像的点、线、面、轮廓等特征进行匹配，因为是一种点对点的处理，所以运算量较小，也是当下一种主流的处理方式。在具体拼接方法上，第一种是帧到帧的合成。又被称为是静态图像拼接技术。其能够以批量的形式将所有的图像变换为同一个坐标体系，然后利用不同的时空滤波器进行拼接。既可以是自动获得，也可由设计者于动选择。第二种是帧到图像合成。鉴丁帧到帧的组合很容易小现累积误差，所以一些设计者对帧到图像的方式进行了尝试，也就是动态拼接技术，其将图像帧和拼接图像放置到同一个坐标体系内进行处理，既减少了累积误差的出现，而且在一些运动场景的表现时，往往有着更加出色的效果。第三种是拼接图像到帧的合成。其可以视为是帧到图像合成的反运用。是以帧图像的坐标体系为标准，让拼接图像与之相配准，所以也更加适用丁一些视频传输和动态图像拼接。第四种是拼接图像到拼接图像的合成。还是为了避免帧图像所出现的误差，所以设计者们探索出了拼接图像到拼接图像的合成，其将图像按照一定的特点和规则进行分段，先形成子图像，然后再将子图像进行组合，可谓是一种误差小且方便快捷的方式。当所有的全景地图制作完毕之后，则要进一步将其转换为Flash格式，对此Pan02vr是一个十分得力的T具，可以将全部素材都输入到该软件中，然后选择球面或柱式投影，最终牛成高质量的Flash。
2.3漫游发布
制作三维全景的最终日的是整个漫游系统的牛成，所以要将主要景点、建筑物、硬件设施等组合成单个节点的三维全景图，以实现单个场景的交互式漫游。其优势在丁能够全面、快速而流畅的实现自动和于动漫游控制。而制作方也可以将整个系统整合在一个网页下，放置在校同网站中，再辅以百度地图等工具，实现从宏观到局部的全面展示。最后，为了获得更好的使用感受，也需要定期对整个系统的界面进行优化，以达到互动性强、特色鲜明的日的。具体来说，系统的整体风格是要与学校整体形象相一致，比如校同建筑物的色彩、学校一些宣传材料中常用到的图案和背景等，使浏览者不看名字，就能够凭借印象和感觉知道这是哪一所学校，使学校的特色得到最大化的彰显。除此之外，也应该在整个系统中适当加入一些音乐和音效。一些优美的轻音乐能够增强浏览者的身临其境之感，从单纯的视觉感受变为了视听合一。而一些音效的加入，如转入下一节点时发出的美妙声响等，则能够让人感受到一种人性化关怀。
三维虚拟现实仿真模拟系统的应用 篇4
化工过程的模型技术是以化学工程、自动控制、反应动力学、化工热力学等机理为基础的机理模型技术。过程动态仿真模拟系统(OTS)实质上是借助于计算机的计算能力，用数学模型代替实际生产装置，并高度仿真实际DCS操作系统。其工艺过程操作与响应、控制系统操作与响应、操作员界面、工艺流程画面、键盘、联锁响应、操作方式、整个过程变量的动态响应趋势均与实际过程一致，实际工厂操作系统示意图如图1所示。仿真系统示意图如图2所示。
2 三维仿真的定义
三维虚拟现实仿真，就是利用计算机技术和科学计算模型，模拟实际过程的各种现象、操作行为和各种响应。随着计算机技术的不断进步，仿真技术已经深入到了国民生产的各行各业之中。仿真系统按行业分类：在军事上有作战仿真和军事武器仿真;航空航天有飞行器模拟仿真;船舶和交通运输行业有驾驶模拟器仿真;电力系统有电厂、电站和输变电设备等的仿真;建筑行业有建筑仿真;石化、钢铁、煤炭行业有过程工业的工艺模拟仿真;城市公共系统和社会事件仿真。
3 过程仿真和三维仿真的实现
过程工艺模型的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司(HKD)开发的过程动态仿真软件平台GPRES。三维虚拟现实模型的开发采用HKD开发的过程动态仿真软件平台VESSA，以在辽化加氢裂化装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础。控制系统模型采用与该装置实际DCS系统一致的算法。
模型的开发以化学工程机理为基础，以辽化加氢裂化装置的设计数据和生产数据为依据。主要建模措施：过程单元设备模型，以化学工程原理和设备设计数据为基础建模;过程热力学模型，依托ASPEN PLUS软件的热力学方法和数据库建模;反应器模型，借鉴专利商技术和辽化提供的相关资料和数据。
以加氢裂化反应器为例，措施为：
⑴考虑多种加氢反应：
加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、加氢脱氧反应、烷烃加氢裂化反应、烯烃加氢裂化反应、二烯烃加氢裂化反应、芳烃加氢裂化反应。
⑵基于反应动力学方程：
式中，PFi为指前因子;CAi为催化活性因子;FR为进料影响;Ei为反应活化能;PPH2为氢气分压;Ci为反应物浓度因子。
⑶考虑多种反应影响因素：
原料组成、催化剂活性、反应温度、反应压力、空速、氢油比、反应热等。
上述措施保证工艺模型具有较高精度(与设计数据对比在仪表量程范围±3%内)。
建立三维模型主要工作有：开发3D引擎(采用VC++，OpenGL等底层开发工具和开发环境);第三方建模工具和自己研发的建模工具相结合(3Dmax,Multigen Creator,AutoCAD,PhotoShop等);模块式设计(使系统易于扩充和维护管理);面向对象建模(增强系统的可修改性和可维护性);与工艺过程模型的接口等。
4 三维虚拟现实仿真的技术创新点
本项目为辽化与HKD合作开发，首次在辽化将虚拟现实技术用于仿真培训系统，在OTS中增加了对生产巡检的培训功能。
传统的OTS技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+平面的仿现场操作界面。这个路线主要用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训。应用虚拟现实的技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+三维虚拟现实的仿现场操作界面。这个路线除了能用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训外，还侧重装置现场操作的培训，如巡检、对动设备的现场操作等，在企业实际生产中尤其重要。
本项目将新兴的三维场景模拟技术与成熟的过程动态模型技术相结合，通过构建高精度、大范围、多层次、多职能的模型，形成一体化、逼真度、可以人机互动的大型仿真软件系统。该系统相对于传统OTS的特点是增加“3D场景+人机互动”功能，是对加氢裂化装置动态仿真的最新研究成果。
5 实现三维虚拟现实仿真的基本步骤
(1）技术准备阶段：
了解熟悉工艺流程，完成和确定仿真系统的总体设计。
(2）模型开发阶段：
根据技术资料，完成工艺模型开发、三维虚拟现实现场仿真、模型集成和测试、建立评分系统等工作。
(3）预验收（PRE FAT）阶段：
做仿真系统性能测试、ATP模型测试程序编写、技术文件编写等。
(4）出厂验收（FAT）阶段：
辽化人员在HKD对整个仿真系统验收测试，包括硬件、系统配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等。
(5）现场验收和交货（SAT）阶段：
HKD派人员在辽化安装本项目OTS系统;辽化人员对整个仿真系统现场验收，测试主要内容有硬件和FAT中要求修改的内容是否已修改正确、系统的配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等;之后系统交付使用，开始培训。
6 三维虚拟现实仿真的功能
三维虚拟现实仿真具有以下特性：
(1）实时性：
加载了三维模型以后，整个仿真系统能达到流畅，帧速率不低于24;在预案演练操作过程中，对场景中的设备的干预，应该达到实时性。
(2）可靠性：
系统运行过程中，没有出现非硬件问题的异常退出。
(3）逼真性：
事故模拟基于装置提供的事故处理资料，提高了逼真度和应用性，使应急预案的演练过程和真实的演练接近。
三维虚拟现实仿真功能包括：三维图形显示(装置区总貌、三维人物、三维特效、预案步骤显示);实时和可交互;网络演练;生产巡检功能;预案演练逻辑控制等。
三维虚拟现实仿真和实际生产情况的对比如图3所示。
7 三维虚拟现实仿真的实际效果
辽化公司在系统投运后安排了5次、近40名相关人员在仿真系统上做演练和培训。普遍认为这种虚拟现实的仿真形式很新颖，仿真的逼真度高，实效性较好。主要体现在：
⑴准确性：
过程工艺模型的精度较高，主要变量值与稳态值在仪表量程±3%的误差范围内;动态变化的趋势与实际过程相符合。
⑵逼真性：
对生产实际场景的虚拟现实模拟与实际比较相一致，声响效果的模拟也接近实际。例如，仿真系统按照实际开工方案一倍速度运行，从气密到完全开工正常需要7天时间，与装置实际生产基本一致。
⑶多样性：
增加了装置生产巡检的培训和事故预案的考核功能，满足装置全员的培训需求。
⑷实施性：
仿真的对象是厂区的装置、现场阀门和现场仪表，系统的交互功能让使用者能够对装置进行操作，有同于实际操作一样的感觉，人机互动良好。
⑸趣味性：
采用三维立体化的界面，结合演练的脚本，使操作演练如同做计算机“游戏”，增强了安全操作培训的趣味，有较强的吸引力。
⑹知识性：
仿真系统内容丰富，包涵了多领域的知识。
⑺方便性：
人机界面接近实际，学习人员很容易上手。系统有视频演播、指导练习、操作考评等多种使用方式，方便不同层次的人员使用。
8 结语
经过一年多的使用，该三维虚拟现实仿真模拟系统虚拟现实的仿真效果较好，满足装置全员的培训需求，特别有利于实际操作的培训。
参考文献
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立交桥三维虚拟场景漫游 篇5
关键词 立交桥 三维 虚拟场景
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A
1 项目学术价值
该项目是立交桥三维虚拟场景建模与指定路径的实时漫游，基于图像的绘制技术，应用三维视景仿真建模软件（MultiGen Creator）和三维实时仿真软件（MultiGen Vega）对场景建模和路径漫游，相对于传统的基于多边形绘制技术具有更加简单的三维建模工作，同时使场景更加真实，图形生成速度更快。利用高性能的计算机、计算机图形学及纹理技术，对立交桥场景建模和路径的实时漫游，使计算机图形学、计算机视觉、虚拟实时漫游等理论知识得到深入和完善。对立交桥虚拟场景建模的研究者具有一定的参考价值。
2 应用价值
应用领域：三维车载导航、城市规划、城市信息化交通网络、游戏、桥梁设计、电影等虚拟场景，通过虚拟技术实现，减少了人力、物力、财力等直接的损失。在现实生活中，可以应用到基于二维电子地图的车载系统，提供一个交互式的高逼真的虚拟场景，有效解决了司机们在复杂道路交叉口面对简单的路径引导无能为力的现状。同时对立交桥桥面维护进行场景虚拟，大大减少了政府的财务支出。
3 具体研究
3.1 研究目标
利用微型计算机设计出立交桥三维虚拟场景漫游仿真软件，实现对立交桥三维虚拟场景建模和路径的实时漫游。
3.2 研究内容
（1）对现实中，某座立交桥的设计方式的简单分析；（2）对这座立交桥上的各个路线的简单分析；（3）建立立交桥三维虚拟模型，分别对四个桥面段建模；（4）对立交桥周围部分环境的建模，包括树木、标志性性建筑等；（5）基于道路中心线的指定路径实时漫游实现。
3.3 研究方法
（1）基于计算机图形学，应用MultiGen Creator，建立基于图像绘制的立交桥场景模型，对直线桥面段、下坡弯道桥面段、平直下坡桥面段、平直弯道桥面段四个模型的建立；（2）为了增加立交桥三维虚拟的逼真性，对立交桥周围部分景物场景建模，树木、建筑物；（3）对立交桥上车辆各个路线的分析，建立汽车在立交桥上指定路径的实时漫游；（4）最后对立交桥虚拟漫游软件测试，保证其的逼真性和稳定性。
4 创新点
基于图像绘制技术构建三维的立交桥仿真模型，使得虚拟场景更具逼真性、交互性。利用微型计算机将现实与虚拟结合起来，对立交桥及其周围环境进行完美仿真。同时在微型计算机中将成果生成软件，并应用于汽车导航系统当中，弥补了汽车导航系统在立交桥复杂路口的不足之处。
5 特色
该项目是计算机图形学与计算机视觉的结合，一方面能促进这两门交叉学科理论知识的深入发展和完善，另外，该项目使虚拟场景在美观的基础上更具逼真，在仿真领域取得了新的突破。
6 关键技术
第一、基于图像绘制技术的三维立交桥及其周围环境的建模；第二、应用三维视景仿真建模软件（Multi Creator）对立交桥场景模拟中直线桥面段、下坡弯道桥面段、平直下坡桥面段、平直弯道桥面段四个模型的建立；第三、桥面建模当中要求桥面两端的参考线为共面平行或交错平行，因此在建立交桥面参考线时使用创建平行线的工具来保证参考线的绝对平行；第四、两段桥面连接时，为了保证桥面之间的圆滑过渡要求，第一桥面段的出口坡度参数与第二桥面段的入口坡度参数一致；第五、在绘制过程中的纹理技术、动态生成视点替用特效技术和处理技术；第六、应用三维实时仿真软件（MultiGen Vega）对指定路径的实时漫游的具体实现，包括创建立交桥对象、添加汽车场景、设置碰撞检测、设置运动方式、创建角色对象、设置角色对象运动方式、设置漫游路径、设置路线导航器、指定漫游路径实现路径的实时漫游；第七、后期的绘制、渲染、检测及维护。
7 实验方案和技术路线
（1）查阅相关资料，全面的了解和认识计算机图形学、计算机视觉、基于图像绘制的技术等理论知识，收集立交桥的设计方式、立交桥上各个路线等相关资料，进一步对立交桥的场景模型、其周围环境的场（下转第32页）（上接第30页）景模型、指定路径的实时漫游进行深刻的理论探讨研究；在认真理解基于图像绘制方法的基础上，研究如何更简单、逼真、美观的建立出各个场景的三维虚拟模型。
（2）应用三维视景仿真建模软件（MultiGen Creator）对立交桥场景模型建立，分四个模块：直线桥面段、下坡弯道桥面段、平直下坡桥面段、平直弯道桥面段四个模型的建立。
（3）基于图像绘制技术，应用三维实时仿真软件（MultiGen Vega）通过创建立交桥对象、添加场景、设置碰撞检测、设置运动方式、创建角色对象、设置角色对象运动方式、设置漫游路径、设置路线导航器、指定漫游路径实现路径的实时漫游。
（4）利用VC++软件系统设计和实现，在绘制过程中使用纹理映射技术进行场景渲染，动态生成视点替用特效技术和混色处理技术增强真实感同时又提高仿真的实时性。
8 国内外研究现状分析
当今社会经济快速发展，城市人口越来越多，交通压力越来越大，立交桥在城市交通中发挥着重要的作用。随着虚拟技术的发展，基于图像绘制的场景建模和实时漫游，是目前虚拟场景漫游设计的主流技术。虚拟漫游技术已广泛应用于各个领域，如虚拟校园系统，建筑领域尤其是对房屋、桥梁的虚拟漫游，但对立交桥的虚拟漫游是近来的热点，有较强的应用价值。
参考文献
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[5] 孙铁红.焦永和.与二维电子地图互响应的虚拟三维场景生成[J].计算机仿真.2005.22（12）：162-166.
三维虚拟投影系统 篇6
随着人们生活水平的提高, 人们对于生活质量越来越关注, 因此越来越多的人对旅游开始热衷起来, 成为一种新的追求文化享受的时尚和热点。随着计算机技术、网络技术的不断发展和成熟, 虚拟现实技术逐渐应用于旅游业, 将互联网作为景区的重要宣传平台, 让更多的人了解景区的旅游信息, 吸引更多的游客到景区游玩, 成为拉动地区经济的主要手段之一。三维虚拟技术为景区的展示做出了很大的贡献, 能够让游客身临其境的感受景区风光。
另外, 景区中有大量的古建筑, 这些都是我们灿烂的文化, 有着举足轻重的地位, 并且许多已经成为举世瞩目的文化遗产。因此, 对于景区景观以及建筑的还原是世界各国非常关注重视的问题。利用很多实地所采集的照片、摄像和文字等资料, 采取虚拟现实的相关技术手段, 真实重现景区的人文地貌, 为政府部门对景区规划管理和世界遗产文化的保护提供了最直观的手段, 进而也为景区的新的旅游线开发建设、景区的生态管理与和异地宣传推广等许多方面发挥重要作用[1]。
本文利用的现代技术对天水市两大景区进行三维虚拟展示, 不仅可以向游客展示景区风光, 还意味着对于景区各种景观的真实还原。
1 研究对象及技术路线
1.1 研究对象
天水是甘肃省的旅游大市, 境内有闻名遐迩的麦积山风景区, 千年古刹南郭寺等一批旅游胜地。为了更好的展示和保护风景名胜, 我们建成了天水市风景名胜三维展示系统。
“麦积山石窟”作为中国四大石窟之一, 形状奇特, 孤峰崛起, 犹如麦垛, 因此得名, 山高142米, 现存洞窟194个, 其中有从4世纪到19世纪以来的历代泥塑、石雕7200余件, 壁画1300多平方米。麦积山石窟地处秦岭山脉, 地形复杂、山势险峻, 我们采用最先进的测绘技术, 将传统的三维建模、移动车载三维激光扫描测量技术、静态激光扫描测量技术相结合, 对山体进行1:1的复原, 将山体、石雕佛像和栈道等实体真实再现还原, 保持与现实的一致。
南郭寺, 又为陇右第一名刹, 始建于“春秋晚期”, 距今1600多年, 是省级文物保护单位。全寺的建筑物, 有殿宇、禅堂、楼轩、亭阁、牌坊等计二十八座, 八十余间, 占地面积为2.67万平方米。人世沧桑而文物犹存, “南郭寺”正门的楼牌经一段台阶踏步入寺院。首座牌坊式山门, 中国政协副主席, 中国佛教学会会长赵母初先生题写的“南郭寺”大字匾额。前院有天王殿, 后院有大雄宝殿、钟鼓楼、禅林院、关圣殿、杜少陵祠、北流泉等建筑名胜。另有两棵2500年的春秋古柏, 被称为稀世珍宝。
1.2 技术路线
本文从基础地理数据出发, 不仅包括对于地形数据的整理, 还有对于景区所涉及到的建筑物、树木等地物的模型建立, 最后将地形模型与建筑模型集成到Skyline中进行空间分析应用。
2 基于skyline基础数据集成
2.1 skyline软件介绍
Skyline Globe系列软件是一套基于网络的三维地理信息系统平台。用户可以利用航空和卫星影像、地形高程数据和其他的二、三维地理空间和属性数据, 创建自定义的虚拟现实三维可视化场景, 进行浏览、查询、分析和网络发布, 并开放所有的API, 不论是在网络环境还是单机应用, 用户能够根据自身的业务需求开发定制功能, 建立个性化的三维地理信息系统。Skyline Globe系列软件通过Terra Builder、Terra Explorer和Terra Gate三个系列产品各司其职, 简便而有序的实现了三维场景创建、展示和网络发布功能[2]。
Terra Explorer系列产品, 除浏览三维地形之外, 进行编辑、分析、标注等操作, 可以根据用户需求定制三维景观场景;Terra Gate系列产品用来满足Skyline的3D技术客户端和服务器的数据传输需求。Terra Gate能够将地形、特征或地图数据传输到Terra Explorer客户端和WFS/WMS客户端, 在Terra Explorer用户之间提供协作会话功能并提高网站整合能力。
2.2 数字高程模型
数字高程模型 (Digital Elevation Model, 简称DEM) 是地形表面形态属性的数字表达, 是带有空间位置属性和地形属性特征的数字描述。DEM的是一定区域范围内规则格网点的平面坐标 (x, y) 及其高程 (z) 的数据集[3]。
2.3 数字正射影像
数字正射影像图 (Digital Orthoimaga Map, Orthophoto Map简称DOM) 是根据影像自动匹配所产生的数字地面高程数据 (或其他方法产生的数字高程数据) 对扫描的航片影像数据逐个像元进行投影差改正、经自动镶嵌、裁切后所产生的一定区域内的影像数据。
3 三维虚拟仿真系统
3.1 数据获取
三维场景数据:通过无人机航拍优于0.1米的航空影像数据, 通过内业空三加密制作正射影像图DOM和数字高程模型DEM, 再利用Terra Builder平台生成三维大场景地形地貌;
三维建筑物模型:以1:500地形图和实地拍摄照片为基础, 利用3DMax建模软件, 建设高精度三维建筑物模型;麦积山山体建模:利用STONEX X300脉冲式静态三维激光扫描仪扫描麦积山山体, 获得麦积山三维点云数据, 对点云数据进行处理生产山体TIN模型, 再讲山体纹理贴图附着到TIN从而得到1:1的高精度麦积山山体模型。
3.2 软件平台
基于Skyline Pro6.5三维地理信息平台开发“三维虚拟仿真系统”, 将三维场景数据、三维建筑物模型和麦积山山体建模整合到该平台下, 实现了漫游、定位、查询等功能。
3.3 系统应用
基于Skyline的三维景观建立需要将利用Terra Builder对遥感影像、地面高程以及矢量数据等进行融合, 生成一个具有较高精度并且含有地理坐标的.MPT文件即地形数据文件。将已经生成的三维地形数据和三维模型数据导入Terra Explorer Pro中, 生成三维景观据.FLY文件, 并且进行打包压缩, 生成最终三维景观。
4 小结
本研究对天水市麦积山和南郭寺两大景区进行三维虚拟系统的研究, 利用基础地理数据进行三维建模, 逼真的还原了景区面貌, 基于skyline软件对数据进行整合, 实现了数字景区的三维显示、场景漫游、视觉仿真等效果。随着人们生活质量的提高, 旅游产业越来越受到大家的青睐, 各个地区都在想法设法宣传自己景区的特点, 利用三维虚拟旅游系统对景区进行宣传, 将对旅游业的发展有很大的促进作用。
参考文献
[1]张占龙, 罗辞勇, 何为.虚拟现实技术概述[J].计算机仿真, 2005, 3 (4) :21-24.
[2]北京东方道迩信息技术有限责任公司.Skyline数字规划管理信息平台解决方案[Z].2010, 5.
三维虚拟投影系统 篇7
关键词：数字管道,DEM,DOM,航测遥感,虚拟现实
1 引言
随着数字地球、数字城市基础框架的实施, 为了满足信息化时代的要求, 数字油田应运而生, 数字油田的实施对油田的勘探、规划、设计、施工等都显得尤为重要, 尤其是随着GPS技术、摄影测量技术、遥感技术以及激光雷达技术等测绘新技术的高速发展, 这些新技术都为数字油田的建设提供了有力地支撑, 数字油田建设中的一个重要内容就是空间地理信息的可视化, 虚拟三维数字管道是其中内容之一, 虚拟三维数字管道就是通过虚拟现实技术模拟真实管道周围的地形地貌, 并可以漫游实现管道的实时查询。虚拟三维数字管道就是信息化的管道, 是一个完整的管道信息模型。它把有关管道上每一点的所有信息, 按地理坐标加以整理, 然后构成整条管道的信息模型。通过它可以快速、形象、完整地了解管道上任何一点及任何方面的信息。但必须要有三维模型, 要建立三维模型必须要有D E M和D O M。
本文主要研究通过航测遥感技术获取D E M和D O M, D E M主要获取管道周边地形的高程信息, D O M主要获取地形的纹理信息, 最后通过D E M与D O M叠加使所建立的三维模型具有立体、多角度可视化的效果, 为虚拟三维数字管道模型的建立奠定基础。
虚拟三维数字管道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。
2 三维数字管道模型的建立
虚拟三维数字管道就是建立真实管道地形环境的三维模型, 并可以顺着不同的方向和角度更详细的了解管道周边的地物和地形地貌, 方便施工、规划以及应急事件的处理等, 虚拟三维数字管道系统对数字油田建设有着重要的意义。三维数字管道模型的建立主要需要数字高程模型和数字正射影像图。
目前, 数字高程模型的获取方法主要有四种:野外人工测量、立体摄影测量和激光雷达 (L I D A R) 。综合分析上述三种D E M获取方法, 野外人工测量效率太低, 不适宜采集大面积的DEM数据;立体摄影测量是目前用得最普遍的获取D E M的方法, 它适用于对D E M精度要求较高的, 而且又采用摄影测量方法进行测量的项目;LIDAR能快速获取高精度的D E M, 但成本也相当高。
数字正射影像图的获取方法目前还只能通过航空摄影测量和遥感的方式获取。数字正射影像图是带有地理坐标的影像, 它不同于普通的像片, 是经过辐射纠正和几何纠正后得到从中心投影向正射投影转变的影像。
三维数字管道模型建立采用的是相同坐标系下数字高程模型 (DEM) 和正射影像图 (DOM) 叠加的方法, 对于不同精度要求
的项目, 我们可以采用航空摄影测量、遥感以及机载L I D A R的方式获取D E M和D O M。
对于长距离的管道工程, 由于要求的精度较高, 且一般都需要出数字线划图, 只有采用航空摄影测量的方法才能达到测绘大比例尺地形图的要求, 我们就可以充分利用航空摄影测量能得到的一系列信息量更丰富的产品。通过采集的线划图, 我们可以得到DEM信息, 同样也可以生成正射影像图。
随着高分辨率传感器的发展, 通过QuickBird、WorldViewⅠ、WorldViewⅡ等高分辨率的卫星遥感影像, 经过几何纠正和图像处理后得到精度较高的地形纹理信息, 然后通过卫星遥感影像的立体像对在数字摄影测量系统上采集, 获取D E M信息, 我们也可以直接从测绘局购买相应区域的D E M, 这种方法比较适合大面积的区域的三维建模, 但目前DEM的精度已经能达到1:5000的要求, 对精度要求不高的项目可以采用。
近几年来, 三维激光扫描技术快速发展, 克服了传统航空摄影测量高程精度较差的缺点, 通过机载LIDAR进行航空摄影测量, 能快速获取高精度的DEM数据, 同时拍摄影像, 这种方法精度非常高, 速度也非常快, 特别适合于地物相对较多的城市的三维建模, 但这种方法费用也相对较高。
通过上述方法得到D E M和D O M后, 使用ERDAS遥感图像处理软件的VirtualGIS功能模块能快速建立三维数字管道周围地形的三维可视化模型, 并使人们能在真实的虚拟地理环境中进行交互处理, 显示和查询多层栅格图像、矢量图形和注记数据。
如图1所示。
在AutoCAD或MicroStation中按管线中线桩绘制管线走向图, 通过ArcGIS或者ERDAS转换成ERDAS能识别的ArcCoverage文件, 管线的中线桩号转换成Annotation文件。通过VirtualGIS加载数字高程模型, 设置投影信息, 同时加载正射影像图, 这样就能显示管线周边的地形地貌, 为了显示管线走向及转点号, 加载管线走向图的Arc Coverage文件和中线桩号的Annotation文件。在VirtualGIS中设置管线漫游的路径、观察的视角、背景颜色等。在这个虚拟三维数字管道系统中, 我们可以从任意视角进行观察, 还可以读取坐标信息等, 通过这个虚拟三维数字管道系统, 可以对洪水淹没以及地质灾害等进行分析, 对后期管线的规划、设计、维护以及数字油田的建立都非常有意义。
3 结语
在目前的虚拟三维现实系统中, 三维建模基本都是采用D E M和D O M叠加获得三维模型, 主要是由于D E M和D O M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D E M;而对于精度要求较高的区域, 需采用摄影测量的方法获取D E M和D O M, 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L i d a r直接获取D E M, 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D E M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D E M和D O M的方法, 但使用L I D A R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、WorldViewⅠ、WorldViewⅡ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。
参考文献
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[2]谭兵.基于遥感影像的地形三维重建技术的研究[D].解放军信息工程大学, 2001年.
三维虚拟投影系统 篇8
战储物资是部队平战时卫勤保障的重要物资基础,因此加强战储物资管理是各级战备规范化建设的重要内容[1]。近年来,随着部队信息化建设的不断深入,数字化战储物资管理系统也得到了较为广泛的应用。当前战储物资管理以二维架构型信息化系统为主,如基于J2EE架构的战储物资管理系统[2,3]、野战医疗所战备库房信息化管理系统[4,5]、基于客户端/服务器(Client/Server,C/S)架构的部队仓库管理系统[6]以及基于浏览器/服务器(Browser/Server,B/S)架构的部队仓库管理系统[7]等。这些系统的应用规范了战储物资的库存管理,提高了管理效率,使其管理更加科学合理。然而,由于这些系统均为传统的二维软件系统,在实际应用中仍存在仓储数据管理需依赖电子表单,物资查找、更新和维护不方便,手工作业多等问题,已无法满足战储物资管理智能化、精细化的要求,迫切需要研发一个融仓储三维管理、数据准确、实时统计、智能报损于一体的浏览方便、显示直观、真实感强、可靠安全的三维战储物资管理系统。
本研究依托于虚拟现实技术对战储物资及仓库进行三维建模,建立虚拟仓库,从而施行漫游控制及物资的虚拟抽组推演,进而实现战储物资仓库虚拟场景下的可视化管理,达到战储物资管理精确直观、便捷高效的目标,提升卫勤保障效能。
1 总体设计思路
虚拟现实(virtual reality,VR)技术是利用计算机模拟出一个虚拟的3D空间世界,让使用者如同在现实中一样,能以不同的视角去观察3D空间内的事物[8,9]。将虚拟现实技术应用于软件设计平台,可大大提升系统应用的直观性,提高效率。本系统通过虚拟现实技术模拟设计出一个与现实等比例的虚拟三维战储物资仓库,使用户能以与现实中一样的多维视角进行全方位的漫游浏览,身临其境,直观深入地了解仓库的全面信息并进行管理操作。系统主要分为三维物资仓库、漫游管理、虚拟抽组3个模块,分别实现战储物资的展示、操作及推演功能。系统构成如图1所示。
2 系统功能及设计实现
2.1 三维物资仓库模块
2.1.1 主要功能
三维物资仓库模块的主要功能为从全局到细节,全方位虚拟再现战储物资及存储环境。该模块主要由战储物资模型及仓库环境模型这2个部分组成。战储物资模型支持对虚拟战储物资的全视角观察、操作、拆解、出入库等功能,便于用户了解战储物资装备的性能及状态,并进行相应的管理操作。仓库环境模型直观展示了战储物资仓库的全貌,可使用户一目了然地观察仓库的全景信息。
2.1.2 实现步骤
该模块主要通过对战储物资及仓库环境建模这2个步骤来实现。
对战储物资建模,主要是将战储物资分为装备、药材、生活物资这三大类,并依据其类型特点,使用目前应用较为广泛的三维建模、渲染制作软件———3D Max作为建模工具,采取基于几何模型的实时建模与动态显示技术进行创建。其主要操作步骤包括:(1)数据准备,采集战储物资的基础数据信息;(2)利用三维空间信息勾勒外轮廓线;(3)构造三维模型;(4)采用合适纹理和质地进行贴图;(5)合成处理。
对仓库环境的建模,主要采用实例化技术及可见性计算场景分割技术对三维场景进行搭建。同时通过设置灯光,烘托场景气氛。最后进行后期合成渲染,模拟出三维战储物资仓库,使场景最终达到逼真的效果。
2.2 漫游管理模块
2.2.1 主要功能
场景漫游是虚拟现实场景的一个重要特色,也是虚拟现实技术作为一种新媒体形式的一个主要优势。通过该模块,用户可以在场景空间中自由漫游,并通过控制摄像头的摆动位置来获取相应视角,以获得物资仓库的信息。同时,战储物资的位置,战储药材的品规、品量等信息与数据库同步互联,用户在虚拟场景中便可通过名称匹配、药品品规选择等多种方式快速查找、精准定位物资,实时进行操作管理。对于品质、品量不符合要求的物资,系统还设置了高亮红色预警功能,便于用户及时发现并处理。
2.2.2 实现步骤
该模块的主要实现步骤可分为漫游设计及数据库构建。
漫游设计主要是利用编程语句实现视点转换、场景平移,同时控制3D模型进行虚拟战储物资的推近、拉远、旋转、移动等交互操作,使用户能自主在虚拟战储物资仓库中漫游。其主要步骤为:(1)建立统一的坐标系,在坐标系中确定物资的空间定位信息;(2)设置虚拟摄像机,实现用户对视角的移动控制、视点的交互浏览;(3)碰撞检测,着重解决在某一时刻进行场景信息获取时场景中物体所处空间的重叠问题。
数据库构建采用微软提供的Access数据库作为系统后台数据库,实现数据库管理和维护操作功能。主要建立边界表、场景表、物品表、物品模型表和预警表,同时将数据库中的记录与虚拟物资三维模型及其位置、品量、品质对应且动态关联,以实现双向数据库管理和维护操作功能。
2.3 虚拟抽组模块
2.3.1 主要功能
部队机动卫勤力量在接受任务时,需根据任务的性质、大小灵活抽组。运用虚拟抽组的方式,可改变以往仅依靠表单抽组的单一模式,从而根据方案需要实时灵活地调配抽组物资。在该模块中,用户可根据预设方案或抽组计划,以保障组为单位,在虚拟仓库中实现物资的模拟抽组,并依托虚拟物资模型,进行物资的保障推演;再通过虚拟装车、仿真抽组流程,真实地再现抽组过程,修正抽组计划中的不足,进而提高应急反应能力。
2.3.2 实现步骤
虚拟推演主要是运用Unity Technologies公司开发的Unity3D引擎,依托其Mecanim动画系统,采用C#语言编程,建立抽组方案字典,虚拟拾取三维模型并进行选定抽组操作,在空间及时间上对抽组全过程进行推演。具体步骤为:(1)模型导入;(2)动画控制器的制作,模拟拉动、装车等抽组过程;(3)封装合成。
3 系统测试
为评估系统效能,我们应用软件工程的方法对系统的稳定性及流畅性进行测试。系统测试环境为Windows 7操作系统;Intel(R)Core(TM)i7 2.67 GB中央处理器;4 GB内存;Ge Force GTX 750显卡。
3.1 稳定性测试
系统联机持续运行200 h,性能稳定,期间无系统内存溢出或进程崩溃等不良事件发生。在系统运行过程中对战储物资进行出入库操作,并实时将系统模型库中的三维模型记录与数据库中的数据记录相比对,结果显示数据一致准确,可靠性高。
3.2 流畅性测试
采用离散事件仿真软件Flexsim对虚拟抽组的全过程进行仿真推演测试,仿真流程图如图2所示。经过测试运行,系统引擎的帧频为62.5帧/s,运行顺畅,抽组流程清晰。
4 应用效果
虚拟三维战储物资仓库系统在我院本部及所属临床部进行了推广应用。该系统可视直观、数据准确、智能方便,提高了战储物资管理的智能化水平,运行效果图如图3所示。
4.1 可视直观
该系统直观展示了战储物资仓库的全貌,通过精确的实例比例设定及细节展示,使用户无需到仓库现场,即可获得与现实场景中一样的操作体验。
4.2 数据准确
虚拟三维战储物资仓库中展示的模型数量与现实仓库的实际存储量在数据库中使用同一表单,确保了数据一致性,便于用户准确掌握仓库中的实时物资存储量。同时系统也预设了与其他数据库的接口,可实时导入导出仓储数据,数据管理方便。
4.3 智能方便
改变了战储物资的二维单调的表单管理模式,用户在仓库中漫游选取,即可简便迅捷地对物资进行管理。同时,品质、品量不合要求的物品,在三维虚拟库房中能高亮红色显示,及时预警。
5 结语
虚拟现实技术作为一项综合性新兴技术,在各个领域特别是军事仿真等方面,有着广阔的应用前景[10]。本文采用虚拟现实技术,对战储物资及仓库三维建模,在构建虚拟战储物资仓库的基础上,进行漫游控制及物资的虚拟抽组推演,解决了传统仓库管理系统智能化、精细化程度不高的问题,实现了战储物资仓库全方位的可视化管理,将进一步促进部队卫勤保障力的提高。
参考文献
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三维虚拟投影系统 篇9
为保证变电站安全可靠地运行,对变电站工作人员进行接近实际操作情况的培训,以减少各种人为操作事故是非常必要的[1,2,3]。目前的各类培训系统,大多以文字、接线图、数字图表或简单的漫游方式进行实际系统的仿真,无法逼真地模拟人与设备的实时交互功能,培训过程的真实度不够[4,5,6,7,8,9]。文献[10-13]实现了三维仿真及动态操作,但由于只是场景、设备的变化,场景中没有“人”的操作,沉浸感不够。
本文采用虚拟现实技术和虚拟人技术构建的三维变电站仿真培训系统具有明显的优越性。在该系统中,不仅对变电站的各个设备,如主变、断路器、隔离开关等,进行了三维建模,还加入了设备状态的变化,定义了各类虚拟人行为,实现了通过虚拟变电站操作人员在三维场景中完成设备巡检、倒闸操作等。系统中的虚拟人是决策任务的实际执行者,其通过接收受训人员的指令来仿真实际的操作过程;受训人员是变电站操作中的决策者,其在虚拟变电站中进行巡视和形势评估,做出决策,发布各种指令来控制虚拟人的行为。受训人员能在没有任何危险的情况下,高效地模拟变电站运行中的各种操作,这大为加强了学员的直观感受,增强了培训效果。
1 仿真培训系统框架
三维变电站仿真培训系统的框架由3个部分组成,即几何建模、行为建模和场景驱动,如图1所示。首先定义变电站设备、其他物体和虚拟人的三维几何模型;然后对虚拟人和动态设备进行行为描述,制作关键帧动画;最后根据三维几何模型信息和行为信息,设计场景驱动引擎,渲染场景并读取静态模型和动态模型文件,完成场景的各类驱动功能,最终形成完整的虚拟仿真培训系统。
2 几何建模
几何建模是通过几何方式对物理或数学物体的形状进行描述。本文通过二维几何模型和三维几何模型对变电站设备和虚拟人进行表示。
2.1 变电站设备模型创建
变电站设备模型采用3ds Max软件制作。首先单独建立各种设备的模型,如隔离开关、断路器、操作箱、变压器、控制柜等;然后构建场景环境,如围墙、大门等;最后将各个设备放置到场景中,并为墙体、控制柜等贴上图片来表现真实的变电站场景。
2.2 虚拟人模型创建
虚拟人是人的各种特性(如几何、行为、感知、情感、心理和社会性等)在虚拟空间中的数字化表示,它是完全由计算机系统生成的三维图形实体,能够在虚拟世界中模拟真人的各种特征。虚拟人模型采用Poser软件制作,Poser软件具有丰富多彩的人体三维模型,免去了人体建模的繁琐工作。但利用Poser制作的虚拟人模型的面片数很多,影响了三维仿真场景的漫游速度。将Poser模型以3ds格式导入到3ds Max软件中,并对其进行简化,以提高漫游速度。虚拟人制作的具体步骤包括:利用3ds Max软件的Multi Res修改器,大幅度减少人体模型的三角面片数;利用3ds Max软件的unwrap修改器,对模型进行平面展开,并导出512×512的坐标图;将坐标图导入到Photoshop中,制作虚拟人的衣服、安全帽、鞋、脸、手等贴图;通过行为建模完成虚拟人的行为动画。虚拟人的制作流程如图2所示。
3 行为建模
虚拟人行为仿真是一种计算机动画技术,包括虚拟人体模型的构建、人的动作过程仿真、语言交流和面部表情等的仿真。本文主要研究虚拟人的人体模型构建和虚拟人各种行为的模拟。变电站场景中的虚拟人行为主要有站立、行走、蹲下以及操作变电站设备等。虚拟人的各种动作通过骨骼动画技术和关键帧技术实现。首先,利用Milk Shape 3D软件,对虚拟人进行关节驱动,通过关节的旋转和移动实现虚拟人动画,进而实现虚拟变电站场景中虚拟操作员各种动作的模拟。系统中的行为设计可归纳为操作员行为设计和设备的动作设计2部分,如表1和表2所示。操作员行为与设备动作的关系如图3所示。
4 场景的驱动
场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互,并使虚拟场景活动起来。为了实现场景的驱动,需要定义虚拟人如何在三维虚拟场景中进行行动以及虚拟环境如何发生变化。考虑该部分的复杂性,将其分解为行为控制、运动控制和路径规划3个模块。虚拟人和设备的行为和运动控制过程如图4所示。
4.1 行为控制
行为控制模块具有决策功能,它负责确定虚拟人要执行的下一个命令,并且决定虚拟人行为与其相关设备动作的对应关系,以确保虚拟人对设备操作时,相应的设备会与之交互。行为控制模块还负责实现用户的操作:当受训人员选择某种操作时,相关命令被传递给行为控制模块,它将虚拟人的行为与设备的动作发送给运动控制模块来完对成相应的动作。
4.2 运动控制
行为控制模块决定虚拟人的行为选择,而运动控制模块负责实现该行为的具体动画序列。运动控制模块利用几何模型文件、动画模型库实现场景中的动画,采用同时播放虚拟人行为的动画序列与受相应行为影响的设备的动画序列来实现对场景的动态、交互式操作。
4.3 路径规划
路径规划在虚拟人自动操作演示中是必不可少的。针对特定的演示项目,系统预先给虚拟人设置若干关键点的坐标,在虚拟人到达某关键点后自动演示某项变电站操作。
系统采用的路径规划方法只考虑了系统的X-Z平面。设虚拟人的空间位置信息为(x,y,z),取其第1维和第3维分量,将虚拟人映射到X-Z平面上,从而将虚拟人的行走简化为二维平面上的质点的运动。
下面对算法的基本步骤进行说明。
a.根据虚拟人的移动方向和虚拟人的行走步长确定虚拟人的下一位置,并与目标位置相比较。若与目标位置的距离差为零,则结束,否则执行步骤b。
b.当与目标位置的距离小于步长时,根据距离差对步长值进行修正,减小下一步的步长值。
c.返回步骤a继续执行。
5 结论
系统仿真结果分别展现了虚拟操作员的站立、行走、按按钮、扳刀闸、旋转开关和蹲下等典型行为,具有较强的真实感,较好地模拟了变电站场景和虚拟人的各种操作。
系统具有良好的交互性,强调人与虚拟环境之间的协调,具有实时、动态的特点,适用于针对变电站操作的仿真培训。
摘要：为提高变电站仿真培训系统的真实感,对变电站虚拟场景中虚拟人的行为模型进行了研究,设计出了基于虚拟人行为的三维变电站仿真培训系统。系统框架由几何建模、行为建模和场景驱动3个部分组成。几何建模部分采用二维和三维几何模型对变电站设备和虚拟人进行了表示。行为建模部分通过动画技术对虚拟人的行为和设备的行为进行了仿真。场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互,以及虚拟场景的渲染和漫游。
三维虚拟投影系统 篇10
关键词：三维场景；动画拍摄；场景构建
0 引言
现代社会，动漫产业的发展成为文化知识经济崛起中不容小觑的一员，长远来看，动漫产业终有一天将成为文化知识经济发展的顶梁柱。动漫产业的发展离不开动画制作技术同有关的动画制作软件的辅助，有了技术、软件的支持，动画才得以在原始脚本的指导下，用多个镜头进行多角度、多角度拍摄，最后将这些镜头进行编辑、汇总、剪辑，最终成为呈现在观众眼前的动画。
不同维数动画制作有其对应的制作软件。动画之作软件的应用离不开传统动画的制作逻辑。换句话说，就是动画的制作过程依旧是需要动画画师先制作手稿，或者是利用软件绘制多帧画面，然后再利用镜头，将单帧花边串联起来，成为最后的动画。这种传统的方法在人力、物力、财力和时间的投入上都比较大，一直以来都是动画制作成本居高不下的主要原因。
动画制作的技术和软件更新之后，动画的制作就比较简单。然而，由于虚拟现实技术仍然没有在动画制作领域中得到运用，所以动画制作软件单机单场景拍摄制作动画的功能也就没有得以很好地体现出来。因此，本文研究的重点就是在动画三维场景的构建和动画拍摄的现实基础上，对虚拟动画拍摄的概念进行阐述，然后将电影的拍摄技术很好地融入动画制作当中，以保障动画的观赏价值，同时对动画的制作成本起到控制的作用。除此之外，还将在此基础上对分布多机模式的动画制作的应用进行说明。
1 关于动画拍摄的阐述
动画的拍摄制作需要使用虚拟现实技术队动画中的场景进行构建，同样地，动画中的角色也是需要虚拟现实技术来进行构造。不过，要让动画中的角色按照动画剧本进行表演，这时就需要虚拟摄像机来对动画进行拍摄。把拍好的录像带进行后期的剪辑制作，这样经过处理的动画制作才能成为作品呈现在观众眼前。
按早动画拍摄制作的过程，大致可以将动画的整个拍摄分为构建虚拟场景、塑造虚拟动画人物、应用虚拟摄像机对动画进行拍摄以上三个步骤。在这三个步骤中，第一个步骤构建虚拟场景需要依照动画画师的手稿，或者是动画剧本，对动画片的场景进行构建。之后，根据现场场景的需要，对现场内的灯光进行调整。第二个步骤是塑造虚拟的动画人物，对动画人物的塑造需要从外形、衣着、声音、动作、神态等多种元素进行塑造，换句话说就是需要对动画人物的性格通过外在的表现形式将其表现出来。第三个步骤则是用虚拟设备对动画片进行拍摄。在这个过程中，动画片的制作需要对虚拟设备进行显示的模拟，这其中就包含拍摄取景、拍摄手法等方面的问题。
总的来说，动画拍摄采用虚拟拍摄的方式其优点还是很明显的。首先，虚拟动画拍摄出的画面在时间上比较连续，画面效果也比较好，观赏价值也随之被拉高。其次，虚拟拍摄多融入了电影的拍摄手法，这样一来，动画的制作比传统的方法更加的开拓；然后，对于动画制作人员来说，虚拟拍摄使其动画制作成本得到控制，动画的制作周期也得到缩短。最后，对于虚拟拍摄中所构建出来的虚拟事物是可以进行并非一次性的，在一定程度上具有学习和研究的价值。
2 构建虚拟场景
2.1 地面场景的构造
在虚拟场景的构造中，地面的设置是将虚拟场景中的地面进行初始化的过程。要将场景地面出事话，首先要将虚拟场景设置为三维坐标，并通过三维坐标网将场景的基准平面确定出来。在三维坐标中，单位坐标构建出的网格的大小就是虚拟场景中地面图的基本精度单位。然后，就可以对场景的地势进行设计，方法是通过调整网格的高度来表现地面地势的高低情况。
地面的平滑情况的处理可以通过虚拟软件中题图工具，或者是通过对地势情况进行细微的调整。虚拟软件中的贴图工具的使用，需要在不改变原有的网格精度的情况和网格位置的情况下，将二维平面图粘贴在网格的表面。这样，将二维平面在三维空间中表现出来，利用二维贴图，把三维场景进行重现，最终让相邻网格之间的过度相对自然即可。最终可以降低虚拟场景的生成运算量，同时也让场景中的地势信息的表达更加简洁。
这种方法主要对三维场景中的网格精度要求并不高，与此同时，贴图的区域也不一定出现在拍摄画面当中。定位的调整地势就是在原有精度的网格和网格的平面位置，让网格用曲面的形式，实现网格与网格之间的过渡。这种方法更加适用于虚拟拍摄的主要区域。
2.2 场景虚拟模型
虚拟场景的模型制作是对场景中出现的物品、动物、植物、人等的模型制作，这些东西不能包括动画中的主要角色。根据场景中的构建的网格的精度、出现在场景中的事物的体积、场景地面的威力和所在的位置进行分类，可以用不同的技术进行场景模型的实现。根据不同的虚拟模型，可以应用不同的软件进行制作；对于体积小、并不是主要动画场景的实体，可以采用一个单一的面片或者是贴图的照片来进行表现，这种方式对于场景中的几何方式和面片应用都能得到控制，最终减少动画虚拟场景制作系统的运算负担。
对于场景中的地面文理设计，用拍摄贴图的方式进行动画制作。这样可以避免高度的纹理于三维场景的构建的繁杂，也减轻不必要的系统仿真开销。另外，对于远处的模型，还可以应用大面积平面题图进行制作。
3 塑造虚拟角色
塑造虚拟角色需要对动画中的角色外观、表情、动作进行塑造。角色的外观塑造上，通过虚拟软件的应用，最终完成对导入的虚拟动画拍摄场景。角色的塑造需要对角色的骨架、外观，以及模型都进行细致的、有序性的塑造。特别需要注意的是，塑造的角色主要注重对外观上的精细化塑造，对角色的外观塑造完成之后，还需要对角色的表情和动作进行系统性的设计。
动画中的人物除了外观对其影响非常大之外，角色的表情和动作其对角色有所影响。角色的表情多是反应动画角色的性格的。角色的动作设计更多的是让角色更加具有自己的特点。角色的动作涉及比较多，像是普通的站、行、坐、蹲都需要应用软件进行协调。另外，角色的动作设计上的变量涉及能够让动画的感官效果更佳，四维制作对于维动画创造更好的条件。
4 小结
本文主要对浅析虚拟动画三维场景的构建及动画拍摄的方法进行简述，最终实现虚拟现实技术与动画制作的结合。并且将电影拍摄技术融入动画虚拟拍摄中。虚拟技术在动画制作中的应用能够有效地控制动画制作的成本，同时保证动画的画面品质，也提高动画的观赏性，为动画作品提供了交流价值。接下来对于虚拟动画三维场景的构建及动画拍摄的实现研究工作，可以针对虚拟摄像设备、虚拟场景构造，以及虚拟角色塑造等方面进行探究，最终实现虚拟动画三维场景的构建及动画拍摄能够呈现出更加精致、高艺术价值的动画作品
参考文献：
[1] 郑力明，潘忻.虚拟动画三维场景的构建及动画拍摄的实现[J].计算机系统应用，2009（07）：153-157.
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[3] 高玉.动画场景设计的气氛表现研究[D].湖南师范大学，2012.
三维虚拟投影系统 篇11
北京城市轨道交通运营里程到2016年底将突破600公里,到2020年将达到1 000公里,据预计,全国范围短期内轨道交通行业技能人才供需比例为1:4,基本处于供不应求的局面,城市轨道交通行业高技术技能型人才比较短缺,出现了供需矛盾。近年来,高职院校纷纷开设城市轨道交通类专业,并且和地铁公司订单培养城市轨道交通运营管理人才以及城市轨道交通车辆(列车司机、车辆维修)、城市轨道交通供电、城市轨道交通运营、城市轨道交通控制等专业人才。
大量高职在校学生需要使用城市轨道交通类的实训系统进行学习,本文即从城市轨道交通运营管理专业出发,综合考虑培训行车调度员、行车值班员、车辆段调度员及车场调度员等岗位的需求,构建虚拟三维行车实训系统。
1 系统设计理念
为了培训行车调度员、行车值班员、车辆段调度员及车场调度员等岗位基本技能,通过三维建模技术、三维交互技术和三维引擎技术等构建出全三维行车实训系统。例如,可以包含6个典型车站、1个车辆段以及1个车场,构建出一整条线路(如图1所示)。虚拟三维行车系统采用三维建模技术和计算机仿真技术,将城市轨道交通运营场景进行高逼真度还原,场景中可包含铁路轨道、架空线路、轨旁设备、列车、车站、站台、站厅、地形、植被、桥梁、隧道、涵洞、城市标志性建筑等。该系统可与行车调度系统实时联动,培训学员进行列车正常与非正常情况演练等。
通过构建的实训系统,安全有效地进行正常与非正常行车环境的联合演练。
2 虚拟的实训系统主要功能
虚拟三维行车系统以全三维的形式展示6个典型车站、1个车辆段以及1个车场构建出的一整条线路,其场景显示由教员终端虚拟控制系统进行控制,并配合行车调度员工作站、行车值班员工作站、车辆段工作站和车场工作站,同步显示站场设备状态变化以及列车的运行情况。
2.1 查看功能
系统控制机功能—通过控制机可以实现在全三维环境下进行高空路径漫游(如图2所示)。局部车站查看,跟随列车查看,以第一人称视角进行自主漫游,设置天气等功能。列车、信号机及道岔等状态与调度系统实时联动。
车站查看功能—通过系统控制机可以快速切换到每一个车站,并实时查看车站状态,如列车停到站,屏蔽门的开闭动作等。
2.2 跟随列车观察
系统可跟随三维场景中运行列车进行查看,并可在司机视角,前视角,列车左右视角及高空视角进行切换。
2.3 自主漫游及设备联动
系统能以第一人称视角在三维场景中进行自主漫游(如图3所示),并可观察进路排通或转换道岔时相应设备的状态变化。
2.4 天气设置
系统控制机可以使场景天气实时改变,如晴、雨、雪、阴天、雾霾等,并可通过高级设置调节雨雪雾的大小。
2.5 调度系统
城轨运营调度仿真实训系统,包含中心级及车站级ATS,车辆段及车场微机联锁软件等(如图4所示)。能够使学员掌握ATS及微机联锁的基本操作,以及各终端相互配合完成正常情况下的行车组织调度和非正常情况下的故障处理。
3 虚拟实训系统使用流程和特点
3.1 正常行车演练培训流程
正常情况下,利用所构建的虚拟实训系统可以遵循如图5所示的流程。
3.2 非正常行车演练培训流程
3.3 虚拟行车系统特点
利用计算机和三维仿真技术构建出一整条线路,为学员提供了逼真的环境沉浸感,从而提高实训效率,各行车调度终端可联合进行演练,能够提高学员实际动手能力、故障处理能力以及突发事件应对能力,可以增强学员对列车运行安全正点严肃认真的态度,提高学员的职业素养。
4 系统构建设备分析
4.1 硬件组成
以包含6个典型车站、1个车辆段以及1个车场,构建出一整条线路为例说明,硬件设备主要包括各种工作站和教员、学员终端等(详见表1)。
4.2 软件功能
软件系统包括软件平台、虚拟三维行车系统、行调监控大屏终端系统、车站级ATS系统、中心级ATS系统、车辆段、车场微机联锁系统、故障处理、教员管理软件、服务器管理软件等部分。
4.2.1 软件平台
软件平台包括:虚拟仿真引擎模块、站场管理模块、数据存取模块、网络通讯模块等部分,支持三维图像实时渲染、物理碰撞检测和物理效果模拟、三维音效模拟、三维沉浸人机交互;具备对站场结构及站场设备状态进行同步、存储及显示等管理功能;能够对数据库服务器内数据进行读写;支持系统分布式部署、多角色并发任务执行;易于系统功能扩展。
4.2.2 虚拟三维行车系统
虚拟三维行车系统包括三维视景模块、三维物理模块、地形仿真模块、环境仿真模块、场景视图控制模块、场景漫游模块、轨道及轨旁设备仿真模块、运营力学仿真模块、列车动力仿真模块、列车控制仿真模块、运营/调度仿真模块、非正常仿真模块、应用拓展模块等部分。功能见表2。
4.2.3 行调监控大屏终端系统
该系统主要提供全线详细轨道图数据,显示出整个线路轨道图:显示全线列车位置、显示全线信号设备状态、显示全线屏蔽门状态、显示列车停车时间、显示全线列车车次号、显示全线轨道图。
4.2.4 车站级ATS系统、中心级ATS系统、车辆段、车场微机联锁系统
这些系统能够联合实现:对车站的监视、对车站的操作、对信号机的操作、对道岔的操作、对区段的操作、对联锁的操作、对岔心的操作、对进路的操作、报警、互联、轨道概观、系统概观、联锁、车次号操作、自动列车调度、站控、时刻表编辑、列车运行图、列车信息、录放功能、进路办理实训、信号操作实训、道岔操作实训、设备状态查看、其他操作实训等。
4.2.5 故障处理
包括处理正线故障、车辆段、车场故障等功能。
4.2.6 教员管理软件、服务器管理软件
包括控制管理系统、系统管理系统、故障设置系统、虚拟场景控制系统、电源集中管理系统、服务器存储学员账号、操作记录、故障条目等信息。
5 结束语