三维可视化建模技术（通用7篇）
三维可视化建模技术 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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三维可视化建模技术 篇2
南昌航空大学航空制造工程学院
摘要：为了更好的应用计算机三维建模技术，本文讲述了计算机三维建模的含义，描述了三维建模的发展历史，说明了三维曲面建模和三维实体建模的主要方法与应用、数据交换接口、三维建模技术的发展趋势。关键字：三维建模技术 1 引言
为了能够在计算机环境下更逼真地模拟现实世界的人和物及其运动形态, 必须在三维空间系统中利用已有的三维建模技术 ,精确地描绘这些事物以实现三维物体的真实再现 ,进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。对现实世界的事物进行建模和模拟,就是根据研究的目标和重点, 在三维空间中对其形状、色彩、材质、光照、运动等属性进行研究 ,以达到 3D 再现的过程。因而, 对三维实体的图形图像处理及其模型建模研究显得尤为必要。2三维建模技术的定义、发展历史
三维建模技术是研究在计算机上进行空间形体的表达、存储和处理的技术，在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，CAD技术 才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术等。线框模型：20世纪60年代末开始研究线框和多边形构造三维实体，这样的模型被人称为线框模型。三维物体是由他的全部顶点以及边的集合来描述。曲面模型：曲面模型是在线框模型的数据结构基础上，增加可形成立体面的各相关数据后构成的。
实体造型技术：实体模型在表面看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型；但实体模型上如果挖一个孔，就会自动生产一个新的表面，同时自动识别内部和外部；实体模型可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。
特征参数化技术：参数化造型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。
三维可视化建模技术 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
参考文献
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三维可视化建模技术 篇4
随着地理信息技术以及计算机制图学的迅速发展,地学信息图谱理论也在不断的发展和完善,本文通过研究三维动态地学信息图谱系统,探索如何把三维动态可视化技术应用到地学信息图谱中,并且从理论、系统框架和实现方法等方面进行研究.
作 者：陈媛媛 翟亮 CHEN Yuan-yuan ZHAI Liang 作者单位：陈媛媛,CHEN Yuan-yuan(洛阳师范学院计算机科学系,河南洛阳,471022)
翟亮,ZHAI Liang(武汉大学资源与环境科学学院,武汉,430079)
三维可视化建模技术 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
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三维可视化建模技术 篇6
随着我国经济的发展, 城市进展化的加速, 城市地下空间的开发和利用越来越受到人们的关注。然而, 由于受到空间、地层等多种因素的影响, 地下工程的施工建设往往复杂缓慢, 且对于安全施工、变形预测等要求更高。如果将三维建模技术引入地下工程, 实现施工过程的三维可视化, 就可实时展现地下施工进程, 再结合相关实测数据, 就可以对现场的施工状况进行监控预测和指导, 将有力促进地下工程的建设发展。
2. Open GL三维建模技术
三维建模指通过三维图形可视化技术、数据处理等建立可用的三维模型, 使人们可以在三维图形世界里直接去具有形体的信息进行交互式操作。三维模型是具有三维特性的边和面所构成的三维图形对象。目前三维建模主要有三种技术方式, 一是直接使用3DMAX等三维模型制作软件建立模型, 二是直接利用GIS的二维线划数据及其高度属性建立三维模型, 三是利用数字摄影测量技术、激光扫描技术建立三维模型[1]。
Open GL技术是目前最主要的2D/3D图形API, 是独立于视窗操作系统或其它操作系统的、与硬件无关的软件接口, 可以在不同的平台间进行移植。作为图形的底层图形库, Open GL没有提供几何实体图元, 不能直接用以描述场景, 但通过一些转换程序, 可以将Auto CAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成Open GL的顶点数组。Open GL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外, 还提供了复杂的三维物体 (球、锥、多面体、茶壶等) 以及复杂曲线和曲面绘制函数[2]。在虚拟现实领域有很广泛的应用空间。
3. 顶管施工监控可视化
顶管施工技术是一种非开挖敷设管线的施工技术, 目前国内常采用大推力的千斤顶直接将预制套管压入土层后, 再在管内采用人工或机械掏挖土、清除余土来安装管道[3]。这种不开挖的地下施工方式, 受不可预见因素影响较多, 管道中心线、高程常产生偏差, 影响工程质量和工期, 甚至造成事故。因此, 正常情况下, 管子每顶进一段就要进行测量高程和中线一次, 当高程和中线方向发生误差时, 需要及时校正。考虑使用Open GL三维建模技术对顶管顶进过程实现三维可视化。
3.1 建立顶管三维模型
首先建立顶管三维模型。本文以圆柱体管道为例描述顶管三维模型的建模算法。如图1-1所示, 给出圆柱体管道中心线的观测点形成的二维曲线图, 其中的观测节点已按顺序标出。
对于直管, 根据过第一个节点 (如图1所示, P1点) 的横切圆的圆心和圆柱的半径, 可求得该横切圆上的n个点 (如图2所示, 点P11, P12, P13, …, P1n) 坐标, 如果能求出过下一节点横切圆上的n个点坐标, 再依次连接四点绘制四边形, 则可绘制出圆柱的表面, 而过下一节点 (点P2) 的横切圆的边缘点坐标的求法如下:如图2所示, 四边形P1, P2, P21, P11中, 已知P1, P11, P12三点的坐标, 那么P21点的坐标很容易求出, 如式 (1) 所示。
对于弯管, 弯管道后一节点圆边缘上的点坐标, 可以依据已知等腰梯形三个顶点坐标, 利用第四个点坐标的来求解:已知点P2, P3, P21的坐标, 要求得点P31的坐标, 可由向量P2P3和P2P21根据向量积公式求得角的值, 因此可以求得等腰梯形的顶边长L21—31, 因为等腰梯形上下边平行, 由向量P2P3可求向量P21P31, 又已知点P21坐标和P21及P31的距离L21—31, 即可求得点P31坐标, 依次类推可求得过节点圆切面边缘上的点坐标。
为了获取顶管状态, 必须建立隧道中线、底板高程偏差的函数模型并按照一定的技术措施, 使隧道管道中线、底板高程偏差在规范规定的限差范围内。
如图3所示, 假设弧AB为隧道顶管设计的中线, 可看成中线的理论值;P为实测隧道顶管中线的中桩点, 由于测量及施工误差, P点不可能正好位于设计中线上, 它距中线的垂距为dp;lp为横断方向垂足点距线路单元起点A的弧长 (桩号) 。
显然, 在给定顶管中线形状参数和坐标系参数后, 只要给出一组dp和lp, 即可惟一确定中线附近的一个坐标点P;反之, 若给出一个坐标点P的一组坐标 (Xp, Yp) , 则必然惟一对应一组 (dp, lp) 。dp求解可以采用统一法。以下给出统一法[4]的数学模型。
由于通过坐标点P的法线只有一条, 这实质阐明了点P的法线与曲线元的交点是惟一确定的。因为曲线元上点的坐标与法线方位都仅与该点至起点A的弧长有关, 因此用趋近原理必然能求得lp值, 从而最终确定点。具体计算过程如下:
由式 (2) 求得弧长lp的初值
式 (2) 中, 表示起点A的方位角
以d1代替下式中的l, 可求得曲线元上一点P1的坐标 (Xp1, Yp1) , 即可得到P1在曲线元上的位置
式 (3) 中, 表示起点A的方位角, 表示终点B的方位角; , 表示终点B的曲率KB与起点A的曲率KA之差;lS为曲线元长度; 表示曲线元的左偏和右偏; 表示第i个节点的方位角;m为积分区间等分数n的半数, 。
由上一步得到P1的坐标, 再由下式求得P点到P1点法线的垂距d2
以 ( ) 作为l的新值, 即由式 (3) 又可求得线元上更接近点的新点P2的坐标 (Xp2, Yp2) , 用Xp2, Yp2及 ( ) 分别代替式 (2-14) 中的Xp1, Yp1及d1, 又可求得P点至P2点法线的垂距d3。如果 mm, 则 ;否则重复上述过程直至mm, 则有。
由l P依式 (3) 可算得 , 则P与间的距离, 即垂距d P由式 (4) 算得:
由此可求得实际施工中线与设计好的中线的偏差值的大小, 将此值与规范允许值进行比较, 可得出管道中线偏差情况, 为进一步的预报和进行相应的修正提供了数据支持。
根据设计中线的点的高程, 并与实测相应点的高程值进行对比分析, 确定底板高程的偏差量。通过测量, 我们可以得知P点的坐标和高程值, 依据上述求中线偏差计算模型, 我们可求得P点对应于中线上的点的坐标, 进而依据设计中线的函数模型, 求得的高程值, 将两点的高程值进行比较, 即可知道底板高程是否有偏差和偏差值。
3.2 建立Geodatabase数据库
需要建立数据库对顶管顶点的观测坐标进行实时的存储与读取。Geodatabase数据库本质上是一种空间数据和属性数据的存储机制, 其中有许多专门的存储结构, 用来存储要素-要素集, 属性-属性间的关联以及要素间的关联[5, 6]。由于其具有内置的属性有效性规则、高级的数据存储选项以及为灵活地赋予GIS数据集要素以自然行为的能力, 所以我们就可以选择这种数据模型。
Geodatabase数据库模型如图3所示。该模型将数据库分成基础地理要素集、栅格数据集和属性数据三部分。其中基础地理要素集中包含有控制点、建筑物、道路、水系等矢量基础地理数据要素类。数字高程模型 (DEM) 和遥感影像等栅格数据以栅格数据集形式存在。属性数据则设计成表格 (Table) 的形式。
3.3 建立Open GL可视化模块
使用Open GL工具[7, 8]建立顶进分析模块, 将实地测得的顶管数据存储进数据库并实时更新, 通过可视化显示, 可以看到施工的进度情况。使用以上方法对某地下工程顶管顶进贯通过程进行可视化显示, 效果如图4, 5, 6, 7所示。其中左侧上部分为贯通过程中实际贯通中心线的一端与设计中心线的偏差值, 左侧下部分是另一端的偏差值显示, 右侧为贯通三维动态显示窗口, 该三维图形随着贯通过程数据的载入而动态变化。
4. 结语
由图4至图7可见, 使用Open GL建模可以较好地显示顶管顶进贯通过程, 将其与原先设计好的轨迹进行比较, 即可得知施工过程中的管道是否有偏差以及偏差的大小, 从而预测并指导下一步的施工工作, 控制减小偏差。
参考文献
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三维可视化建模技术 篇7
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。
参考文献
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