虚拟三维空间数字技术（共11篇）
虚拟三维空间数字技术 篇1
一、当前房屋土地资产管理的现状
房屋土地资产是行政事业单位中占比最大的一类固定资产。我们根据2014年资产年报统计, 在部分县市区的所有行政事业单位固定资产中, 房屋土地类资产占全部固定资产总价值的比例在70%左右, 其中还有个别的房屋土地价值登记为0。同时, 一个单位的房屋土地资产往往年代久远, 甚至比单位的历史更早, 随着单位的分合、房屋的拆建、土地的划拨, 管理人员的更替, 再加上国家在房屋土地方面政策的不断调整变化, 由此造成了产权归属不清晰、手续不完备、资料不齐全、资产数量和价值不准确、性质不统一等问题。
由于历史和体制的原因, 不少行政事业单位的房屋、土地类资产管理都是难点, 具体表现为:土地多为划拨, 没有“价值”, 没有入账;房屋及构筑物不办理竣工验收, 不及时入账, 造成财务账混乱, 账账不符、账实不符;房屋、土地未及时办理权属证明;房屋土地档案资料不全或遗失;对房屋土地的出租出借等行为缺乏有效的监督;缺乏合理配置, 占有和使用分配不均差距大, 短缺与浪费并存;由于土地房屋的特殊性, 不管是全国历次资产清查还是单位内部资产清查, 房屋土地都成了清查的“灯下黑”。
传统的资产管理信息系统虽然也对房屋土地进行管理, 但基本上都是从资产属性出发, 每一栋楼按整体一件不可分拆的固定资产进行管理。目前面临的问题要求我们必须从房屋土地的使用属性进行管理, 从每一栋楼、每一个楼层、每一个房间的使用属性进行精确管理, 因而迫切需要有针对性的房屋土地管理信息系统。
二、运用虚拟三维空间数字技术, 全面提高管理的效率与针对性
参考智慧城市的最前沿技术, 国子软件采用虚拟三维空间数字技术研究设计了房屋土地管理整体解决方案。该方案是综合应用虚拟三维数字地图、二维数字地图、CAD、物联网、移动互联网、工作流引擎等技术来实现的数字房地产综合管理系统, 实现房屋土地资源管理的图形化和信息化。
虚拟三维空间数字技术是三维空间数字房地产管理平台的技术基础。虚拟三维数字地图是连续的三维数字模型, 是将自然地形、地貌、环境、道路、建筑以及重要基础设施等自然和人文要素, 通过划分模型单元和管理对象, 进行平面、高程、结构、纹理、方位等数字化处理, 按照统一坐标无缝拼接而成的可视化三维数字模型。虚拟三维数字地图具有多维信息处理、表达和分析的特点, 能够对园区房屋、土地、环境、设施、人文进行直观、形象表达。
在进行房屋土地专项资产清查的数据基础上, 应用虚拟三维空间数字技术, 建立动态化、精细化管理工作平台, 实现房屋土地从购建、入账, 到办公用房配置管理, 到日常修缮养护、出租出借, 直到最终被处置的全生命周期管理, 单位财务、基建、资产、后勤、教务、实验室、纪检等业务部门非常方便地在虚拟三维地图或GIS上对土地房屋及基础设施的数据进行管理、预警、抽查、查询、统计、分析, 形象、直观地在地图上直接展示房屋楼栋信息、房屋土地占有使用情况, 为管理和决策提供依据。
三、完善的功能设计全面满足各类行政事业单位及不同业务的需求
系统管理对象包括土地、建筑物及其附属设施、房间、人防工程、绿化设施、职工住宅、停车场等, 系统功能几乎覆盖了所有的房屋土地管理业务活动, 包括购建、确权、分配、收费、出租出借、维修、改造、拆除、使用变动、分布、地图、展示、统计分析、账表等等。系统以信息技术为手段, 与财务管理、预算管理、资产管理相结合, 再造管理业务流程, 促进制度建设, 落实经济责任, 实现房屋土地动态化、精细化管理, 推进公用房的合理配置、适度维修维护和有效利用, 提高工作效率, 改善服务质量。
1.土地管理
加强和规范土地管理, 提高土地利用率, 确保事业发展用地需要和土地资产保值增值, 是土地管理的基本目的。依据国家有关土地管理方面的法律法规和政策, 结合土地管理的业务运行模型, 实现土地管理的信息采集、存储、处理、分析, 满足土地流程化管理的工作需求。
土地管理的主要功能有土地法规管理、土地信息维护、土地资产评估管理、土地地块分割管理、土地地图管理、土地地籍管理、土地租用管理、土地处置管理以及统计与查询。
2.房产管理
房产管理不仅仅管理整栋楼房, 而是要实现从楼栋到楼层到房间, 再到房间内的人员和资产的不同层面的全部相关信息的管理。不仅仅是实现各种数据的管理, 更是要实现空间信息的管理, 可以通过各种相关查询来统筹管理各楼栋、各房屋、各房屋内部设施、资产、人员的信息。基于虚拟三维数字地图, 以三维空间展示形式, 可以从整栋楼房形象地管理到楼层, 从楼层形象地管理到房间, 从房间形象地管理到房间内的人员和资产。与CAD技术相结合, 重点建立房间的三维空间模型, 为房间的优化使用奠定基础。从楼栋到楼层到房间, 建立详细的数据模型, 逐级细化管理。管理到各类详细信息, 如建筑面积、使用面积、供暖情况、附属设施情况, 甚至可以详细到内墙面积、外墙面积、门窗数、门窗类型等信息。
从范围来说, 管理从园区到分幢房屋到楼层到房间;从类别来说, 分类管理行政用房、科研用房、教室、食堂、宿舍、厂房、实验室、会议室、附属用房等;从功能来说, 可以管理从房屋购建、登记入账、日常使用、检修修缮、分配、出租出借、拆迁处置全生命周期。
房产管理功能设计全面, 主要有有关房产管理的法律法规、规章制度;园区信息登记和管理, 园区电子地图管理;楼栋信息的登记和管理, 包括建设、设计、施工、结构、材料、验收、图形图像等基础信息, 从设计、购建到维修维护等日常变动到拆除全生命过程信息, 附属设施管理信息, 占有、使用、收益和处置的确权信息, 可以按楼房的结构、类型、产权、当前状态、用途等分类管理每一栋房屋;由楼栋划分楼层, 进行楼层详细信息的登记和管理, 包括楼层建筑结构、使用面积、房间数量、布局、平面图等基础信息, 实现楼层图纸图像的上传和在虚拟三维数字地图的链接、标识, 由楼层划分房间, 进行房间详细信息的登记和管理, 包括结构、使用面积、布局、朝向、暖气、电源配置、性质、使用方向、平面图等基本信息, 建立房间卡片, 生成可供分配使用的房间明细, 实现房间图纸图像的上传和在虚拟三维数字地图的链接、标识;房产的查询、汇总和统计分析, 通过系统全面了解房产的家底:房屋总面积、套数和间数, 空房源等, 可以按照“房屋用途、房屋分类、房屋类型、建筑结构、坐落、状态、产权”等分类统计, 可以按照使用部门或个人分类统计。
3.办公用房分配与定额核算管理
建立楼栋、楼层、房间的空间信息模型, 方便地对现有空间进行规划分析, 优化使用, 提高办公用房利用率。按照各种职级标准建立透明的空间使用定额标准, 增强各部门控制成本的意识, 有利于建立和谐的内部关系。利用系统的空间管理模型, 更好地满足部门在空间管理方面的管理需求, 高效响应各部门对于空间分配的请求。要能够清晰地分析人均办公用房面积, 最大办公面积及最小办公面积, 根据不同级别的配置标准可分析出超标配备办公用房或低于平均水平的部门和人员, 并按标准收取或补贴费用。当某些部门申请增配新的办公区域时, 就可以有所依据进行审批, 也可以从闲置的房屋中进行合理调剂。
系统主要设计功能:有关办公用房分配与定额核算管理规章制度;根据不同性质、职级制定办公用房配置标准 (或定额参数) 和定额分配的公式, 制定对超额配置部分的收费标准;进行办公用房的全面清查, 记录各部门、人员占有使用办公用房的详细信息;办公用房房源标识和管理;对办公用房在虚拟三维数字地图标识和管理;对公房使用人员管理, 办公用房定额核算和分配;对办公用房超标配置收取费用等。
4.确权管理和档案管理
土地确权管理就是土地所有权、土地使用权和他项权利的确认、确定, 是依照法律、政策的规定确定某一范围内的土地 (或称一宗地) 的所有权、使用权的隶属关系和他项权利的内容。房屋确权管理是保障房屋所有人依法对自己的房屋享有占有、使用、收益和处分的权利, 是唯一完全的物权。同时, 也是为房地产权属登记、权属变更、转让、评估、抵押、中介服务等的产权、产籍的管理提供法定依据。主要功能有收集整理确权所需要的各种资料、文书、证书等, 系统设置有资料模板;向有关国家机关申请办理权属证明;保管权属证明, 权属证书的扫描、上传, 依法依规使用权属证明, 按规定办理权属证明的审验;对没有及时办理确权、确权即将到期等情况进行预警;建立土地档案, 实现土地档案资料的收集、整理、交接、归档、登记、保管、鉴定、利用和销毁管理;建立房产档案, 实现房产档案资料的收集、整理、交接、归档、登记、保管、鉴定、利用和销毁管理, 房产档案资料应包括合同书、房屋图纸、费用单据、声像资料、房产和土地权属文件, 等等;房产、土地的权属证书、档案的查询。
5.公房出租出借管理
对公房出租出借设计申请、审批流程管理。对于计划出租出借的公房首先要进行资产评估, 如果需要则提交主管部门和财政部门审核, 然后发布招租信息并公示, 进行公开招标。确定中标单位后签订相应合同, 对合同信息、租金收取情况进行跟踪管理, 对于快到期的合同及租金逾期等进行预警提示。主要功能:有关公房出租出借管理的规章制度;房源管理;出租出借房内资产设施登记和管理, 可支持图片照片上传;出租出借房屋的资产评估管理;出租出借的申报审批业务流程管理;招租信息发布;租赁合同管理, 租金管理, 到期合同预警提示等。
6.房屋检修修缮管理
对房屋 (包括整楼、房间) 、附属设施、职工住宅等进行定期检修和修缮的管理。对定期检修计划、过程、费用进行管理, 对装修、修缮项目、过程、费用进行管理, 对检修、修缮的申请审批业务流程进行管理。能够对进度、每阶段现场图片或视频以及检修修缮前的图片或视频、检修修缮后的图片及视频上传和管理。
通过建立完善的检修修缮流程及制度, 严格控制维修成本, 深入进行申请部门、维修建筑、维修情况的分类统计分析, 查询房屋的装修、修缮历史记录, 引入多媒体照片及视频技术使检修修缮管理更为直观, 不用到现场就能了解修缮前、修缮过程中、修缮后全程的现场情况。主要功能有检修计划管理、检修申请与审批、费用管理以及统计与查询。
7.职工住宅管理
对单位的房改房、集资房、人才房、公寓房、周转房等进行使用管理, 包括房源、价格评估、评分排队、申请审批、分配或销售或出租、调换、合同、收费、物业、设施、货币化补贴等方面。可从“房屋和住户”的不同角度实现全方位和可分类的精细管理, 可以对住户的各类物业收费进行管理。
通过设置评分标准、住房标准、租金收取参数、朝向调节率、楼层调解率、售房公式、货币化补贴公式等系列参数, 按照职位、职称、级别、年限等因素设置评分标准, 对职工评分排队, 进行职工住宅 (如房改房、集资房、人才房、公寓房、周转房等) 进行分配。对住房的货币化补贴实行管理, 管理内容包括货币化人员登记、年度预算、年度决算。对单位售房管理, 管理内容包括分户价格表、售房、产权办理申请、申请审核、产权移交、房产证管理。
8.其他方面
对房屋附属设施、土地附属设施、构筑物进行管理。房屋附属设施包括电梯、空调、安防设备、照明设备、消防设备、监控设备、综合布线、弱电系统、给排水设备等。土地附属设施指土地上的构筑物及与土地联成一体的城市基础设施, 如道路、沟渠、管道等。
对单位内部的绿地、园林景观、一般绿化植物、名贵植物树木进行管理, 实现对绿化的管理和对外展示。对绿化工程进行管理, 根据单位整体格局和实际情况, 制定单位园区绿化美化的长远规划。
停车场管理, 提供一个可视化、便捷化的管理工具;通过数字地图系统, 对停车需求趋势进行预测, 为停车设施的布局规划和停车政策的制定提供定量依据。能够实现车位在线申请与审批、使用管理、合同管理、产权管理、收费管理、停车场地图展示、查询与统计等。
借助移动互联网开发有关事项申请、审批、房屋清查、出租出借检查等功能的移动终端版本, 提高办公效率, 突破办公的地域和时间限制。
四、结束语
行政事业单位的房屋土地资产是行政事业单位行使职权的重要物质基础, 管好用好这些资产是行政事业部门自身、财政部门、行政主管部门的客观要求;新的信息技术如虚拟三维空间数字技术、GIS技术、移动互联网也为进一步提高房屋土地管理提供了技术支持, 依托新的信息技术解决房屋土地管理中的问题也成为必然。国子软件公司以虚拟三维空间数字技术为基础开发的房屋土地管理系统, 是对传统资产管理系统的突破, 提供了一个全新的动态化、精细化、可视化对房屋土地资产进行全生命周期、全业务事项管理的技术手段, 有助于进一步提高大型行政事业单位房屋土地资产的管理水平和服务水平。
摘要：部分行政事业单位房屋土地资产存在产权归属不清晰、手续不完备、资料信息不齐全、管理手段落后等现象, 造成资产收益缺乏监督、分配不均、短缺与浪费并存等问题。国子软件公司采用虚拟三维空间数字技术设计开发的房屋土地管理系统, 功能涵盖了购建、入账、确权、分配、定额管理、日常使用、修缮改造、出租出借、合同管理、收费、评估、处置、数字地图、清查、预警、统计分析等等, 支持业务审批服务, 是对行政事业单位房屋土地管理的有益探索。
关键词：房屋土地,管理信息系统,虚拟三维空间数字技术,GIS
参考文献
[1].World Bank.Frame work of Disclosure in PublicPrivate Partnership Projects.http://pubdocs.worldbank.org/pubdocs/publicdoc/2015/11/773541448296707678/Disclosure-in-PPPs-Framework.pdf, 2015-11-24.
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虚拟三维空间数字技术 篇2
1面临的问题
当今汽车设计制造技术飞速发展，焊装工艺技术作为轿车白车身生产的重要技术，其发展同样面临升级换代。以往传统的二维手工进行焊装工艺规划的模式已经无法适应数字化时代汽车白车身生产的需求。同时随着汽车市场竞争的加剧，如何利用构建焊装工艺规划体系实现白车身的高质量、高效率、低成本制造，实现效益最大化，都需要我们开拓思路、寻求有效的方法与手段。而数字化虚拟制造技术的发展，为白车身焊装工艺规划实现跨越式发展提供了全新的解决方案。
2解决方案
基于行业技术发展方向及公司自身发展需求，某企业依托西门子公司的Process De-signer (简称PD) 软件建立了数字化焊装工艺规划平台体系，为白车身焊装工艺规划实现数字化、三维化、标准化、协同化的发展提供了整体解决方案，实现了主机厂和供应商协调利用该平台对白车身的制造过程进行规划设计、模拟仿真，实现信息共享、传递与发布，实现了规划制造过程的可视化、系统化和智能化。
在焊装项目运行过程中通过建立逼真的虚拟现场环境，对整个焊装工厂、焊装生产线和单个生产工位的每个操作、工作内容、工装设备等进行整体工艺规划与协同管理，并综合利用各种管理工具实现焊装工艺过程的优化。
3实施过程
在焊装项目启动前期，主机厂利用Pro-cess Designer软件平台进行焊装项目前期的数字化焊装工艺规划，这个阶段规划内容主要进行整体工艺方案与线体工位布局的分析与验证，确定产品工艺分配、采购设备的数量与种类、焊接工艺、人员、电气控制形式、工艺布局等项内容，实现对项目技术方案、设备构成、成本预算等的综合规划，为项目招标做好技术准备。
主机厂利用PD文件作为招标介质进行焊装项目的公开招标，供应商同样要利用PD软件平台进行设备及项目总体报价，整个过程均实现了统一的全数字化的数据交换。
焊装项目招标完成后，进入焊装项目的设计制造正式启动阶段。根据主机厂的技术任务要求进行焊装项目的`详细工艺规划，这个阶段同样需利用Process Designer数字化工艺规划平台系统来开展工作。进行焊装详细工艺规划的工作目标是要结合开发车型的生产纲领、节拍、自动化程度、投资预算等对白车身的上件工艺顺序、焊点分配、节拍计算、工艺设备布局、物流等方面进行分析和验证，同时利用Process Simu-late、 Robcad、 Plant Simulation 等仿真软件平台对生产线、工装设备、机器人等进行详细的模拟仿真、验证、优化，以满足焊装制造工艺的可行性，优化生产线工艺布局，优化产品物流传递，实现焊装高效率生产及高品质制造。
建立完整的焊装数字化虚拟制造体系要完成以下内容：
(1)软件平台架构的建立
主机厂以及配套供应商首先要完成软件平台架构的建立，按照工艺规划技术人员比例配置相应的工艺规划及仿真软件，组建数字化工艺规划及仿真团队，开展相应的软件技术培训。
(2) 数值化工艺规划标准建立
建立企业数字化工艺规划标准，对数据结构、资源命名规则、图标表示、数据存放层级管理等进行定制，形成企业标准。
(3)建立焊装工艺资源数据库模型
主机厂以及配套供应商根据自身发展的要求，建立了自己的焊装工装资源库和操作资源库，这是完成下一步数字化焊装工艺规划工作的前提和基础。建立完善的焊装资源数据库，才能进行工位与生产线的2D和3D布局，才能进行焊接工艺的模拟与仿真，才能进行焊装投资成本分析。
(4)开展数字化工艺规划软件应用导航项目
利用真实项目进行导航式项目应用实践。体系构建之初需选择技术实力较强的软件供应商进行技术培训与导航陪伴。利用已完成的焊装项目或新的焊装工程项目，对焊装规划及仿真人员进行数字化工艺规划导航培训，辅助规划员一步一步掌握焊装项目工艺规划的操作过程，真正在实践中学会利用数字化手段进行工艺规划的技能。
在导航过程中，利用Process Designer软件体系进行焊装产品的工艺分配，进行焊点的工艺分配、进行焊接设备的选型、进行生产线的形式选择与三维布局、对生产线及操作进行节拍分析，同时配合应用Process Simulate软件模块对焊接工艺及布局进行优化与验证，包括对机器人可达性、干涉碰撞的验证。通过以上的仿真检验，可以对焊装工艺规划方案中的焊接设备的选择、夹具设计、生产线布局、是否合理、生产纲领节拍能否满足要求等进行优化改进。
规划工作后期通过输出机器人的仿真验证结果，利用RCS接口生成离线程序，输入到实际机器人控制器中，现场调试过程中仅需要微调即可实现机器人的示教，可大大缩短了现场安装调试时间。
(5)建立虚拟试生产实验体系
当下汽车企业都面临着:如何降低新车开发成本、提高整车质量，缩短产品推出周期的挑战。数字仿真技术已经在实际工程项目实施中扮演了重要的角色。
通过建立虚拟试生产技术智能实验室，配备相应的软件与硬件设备，即可系统的开展柔性生产线数字化工艺规划、机器人模拟仿真与电气自动化控制编程调试技术的集成应用，实现数字化规划、三维设计、模拟仿真、电气编程调试虚拟化全流程的纵向技术联通。实现工装生产线产品的虚拟试生产技术应用，缩短产品设计到生产的转化的时问，提高产品的可靠性与成功率，缩短制造调试周期，满足多品种、多车型智能化、自动化、高柔性生产的需要。
虚拟制造技术正逐步成为汽车焊装装备企业的核心技术，对提升焊装制造技术水平有重大的推动作用。
(6)进行软件应用二次开发，提高规划仿真效率
企业建立了数字化虚拟制造技术平台后，要积极重视根据企业自身需求进行客制化的二次开发工作。例如一汽大众在新捷达招标过程中率先运用了数字化规划系统，并进行了招投标报价模块的定制化开发，利用该报价模块系统生成工装、工位、生产线投资列表，在工装设备调整过程中，其成本分析系统自动更新，输出与其相对应的数据。对于工位中的每一个部件，都会根据以往的投资数据给出一个准确的数值，系统会自动生成该工位的所有工装投资和所在生产线的所有工装投资。由于投资分析的准确性，对于供应商的报价，起到了极好的监控作用。
每个企业以及不同专业，对虚拟制造技术平台的需求是多样化的，只有配合二次开发才能更好的推进软件体系的应用效果不断提升，提高规划、仿真、报价、评审、输出等项工作的效率。
4对企业专业技术发展带来的益处
Process Designer数字化工艺规划软件体系是按照虚拟制造的原理开发的系统，它为企业规划制造的数字化提供了从设计、工艺、制造、装配、分析等全过程的仿真，是企业实现虚拟制造的强有力的工具。为企业缩短新产品新车型的上市时问、降低开发成本、优化规划设计方案、提高生产效率和产品质量的提高重要支撑。
数字化虚拟制造技术的推广应用，克服了以往白车身焊装生产线工艺规划没有统一的规划平台的弊端，改变了以往依靠人工手段二维规划为主、工艺规划人员之问难以协同工作的局面。现在同一焊装项目所涉及的各条生产线、自动区域，工艺规划、机械设计、电气控制、输送设计、物流规划、机器人仿真等相关技术人员可以依托统一的技术平台，共享规划资源进行工艺规划验证与布局优化，极大地便了项目技术交流与研讨，对项目规划质量和效率提升起到极大的推动作用。
5结束语
三维虚拟城市景观建模技术研究 篇3
关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML
所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。
1 虚拟三维城市模型系统数据
CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。
2城市园林景观三维可视化应用
2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。
2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。
3 三维虚拟城市景观专题模型
3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。
3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。
3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。
3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。
3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。
nlc202309012353
3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。
3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。
4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项
4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。
4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。
参考文献：
[1] 李庆军.三维模型及可视化技术在城市景观应用研究[D].中国建筑，2009.（11）.
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[4] 刘凯成.虚拟城市三维景观构建技术研究.城市建筑，2008.（2）.
三维虚拟数字化校园技术实现研究 篇4
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
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虚拟三维空间数字技术 篇5
基于 multisim 的虚拟仿真软件在数字电子技术 教学中的应用 孙晓艳
(无锡职业技术学院工业中心 , 江苏 无锡 214121 摘要 :虚拟教学和虚拟实验是未来高等教育中最具优势、最具发展潜力的一项技术 , 尤其是在高职院校进一步加强网络基础建设、数字 化建设以及信息化教学的背景下 , 借助基于 multisim 的虚拟仿真软件有利于教师不断完善教学内容 , 提高教学效果 , 开发学生的创造潜 力。就这一软件在数字电子技术课程中辅助电子技术理论教学、补充实验设备不足、提高课程设计质量、渗透素质教育等方面作了有益 地研究与探索。
关键词 :虚拟实验;multisim;数字电子技术 中图分类号 :G642.0 文献标识码 :A 文章编号 :1672-545X(200711-0152-03 “数字电子技术” 是电子、通信、计算机、机电等类专业的 重要基础课。长期以来 , 课程的主要任务一直强调数字集成电 路内部电路的设计方法与分析方法的研究 , 与高职专业更注重 学生掌握各种数字集成电路器件的外部特性与实际应用的培 养目标相违背。因此 , 如何从高职教育的特点出发 , 紧跟数字技 术的发展 , 搞好课程的教学改革 , 提高教学质量 , 是教学中一个 十分重要的课题。按照这种思路 , 在教学中引入基于 multisim 的虚拟仿真软件 , 本文就这一软件在数字电子技术课程
中辅助 电子技术理论教学、补充实验设备不足、提高课程设计质量、渗 透素质教育等方面作了有益地研究与探索。
1基于 multisim 的虚拟实验系统的特点
虚拟实验是一种用虚拟仪器、设备代替传统的实验仪器和 实验设备进行实验 , 对实验结果的性能和实验过程中产生的 “虚拟电路或设备” 进行预测和评价 , 从而缩短实验操作时间和 设计周期 , 降低实验成本的技术。
在数字电子技术课程中实现虚拟实验的关键技术是必须 有一套交互性强、开放度高、易操作的设计软件。虽然实现这一 功能的软件很多 , 但考虑到高职数字电子技术课程教学内容 多 , 学时紧的特点 , 选用了加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的电路仿真与绘制软件 M ultisim , 其具有以下特点 :(1 采用直观的图形界面创建电路 :在计算机屏幕上模仿 真实实验室的工作台 , 绘制电路图需要的元器件、电路仿真需 要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;(2 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似 , 可以实时显示测量结果。
(3 软件带有丰富的电路元件库 , 提供多种电路分析方法。(4 作为设计工具 , 可以同其他流行的电路分析、设计和制
板软件交换数据。
(5 还是一个优秀的电子技术训练工具 , 利用它提供的虚 拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验 , 仿真电 路的实际运行情况 , 熟悉常用电子仪器测量方法。
随着高校网络基础建设、数字化、信息化建设的步伐 , 学生 对 M ultisim 软 件 的 运 行 环 境 Windows98/2000/xp 等 都 很 熟 悉 , 因此学生已具备学习和使用 multisim 的基础知识。
2数字电子技术课程教学的现状
目前在全国范围内开展的示范院校的建设过程 , 正是推进
高职教育教学改革发展、催人奋进的一种机制。因此 , 在数字电 子技术课程的设置、整合、内容的精选和组织教学方面应坚持 “两个相适应” 为原则 , 即课程的设置与岗位技术应用能力或实 物操作能力培养相适应 , 深度与大专层次的高等技术应用型人 才相适应。理论知识突出必备的基础和应用性 , 不刻意强调系 统性而侧重适用性和针对性;不强调繁杂的理论推导而侧重应 用能力的培养 , 取得了较好的教学效果 , 但也发现学生在学习过程中存在以下问题 :(1 理论教学过程中 “教学练” 有待加强 在理论教学中 , 如果
“教” 只是传统意义上的老师在黑板上 一味灌输知识那种填鸭式的教学 , 在教学的全过程中教师就很 难充分调动学生的主动性 , 突出受教育者的积极参与 , 按照传 统的教法 , 往往大半学期过去了 , 学生只知道各种数字器件的 名称和内部电路原理 , 但不清楚学了有什么用 ? 更不知道如何 用这些器件组成数字电路系统。因为缺乏一个 “练” 的平台 , 这 里的 “学” 也仅仅是学会老师所教的知识 , 而更重要的学习的方 法 , 自学能力的提高 , 学生独立思考能力和创新能力的培养却 存在一定程度的缺失。
152 《装备制造技术》 2007年第 11期(2 实验教学有待加强
在数字电子技术实验教学中 , 传统的教学方法是要求学生 完成某一典型电路的验证 , 其内容、步骤、电路、仪器等都是事 先安排好的 , 学生只须按照实验指导书安排的顺序就能完成实 验 , 或者即便学生有不同的思路 , 但因受实验条件限制也无法 开展实验。这样造成的结果是限制了实验内容和形式的丰富多 彩 , 通过实验
学生虽然能够学会一些仪器的使用和操作技能 , 但这样的实验结果和实验报告往往是千篇一律、大同小异 , 不 能真正提高学生分析问题、解决问题的能力 , 也难以激发他们 的求知欲和创新精神。
(3 课程设计时学生的设计思想很难达成
在传统数字电子技术课程设计中 , 要耗费很多时间来分析 和搭建电路 , 然后用相应的测试仪器进行测量 , 这样设计开发 时间长、效率低 , 一旦出错 , 往往要重新更换元器件 , 参数修改 也不方便 , 不利于设计者高效完成设计思想。
针对以上情况 , 数字电子技术课程改革以课堂和教师为中 心的传统教学组织形式 , 根据高职数字电子技术课程的特点 , 在教学过程中引入 M ultisim 软件 , 把学生的理论知识学习、实 践能力培养和综合素质提高三者紧密结合起来。
3基于 multisim 的虚拟实验系统在数字电子技术教 学中的应用研究 在数字电子技术课程中引入 multisim 的理论基础是建构 主义学习理论 , 建构主义认为 , 知识不是通过教师传授得到 , 而 是学习者在一定的情景即社会文化背景下 , 借助其他人(包括 教师和学习伙伴 的帮助 , 利用必要的学习资料 , 通过人际间的 协作活动而实现的主动构建知识意义的过程。“情景”、“ 协作” “会话”、“ 意义建构” 是学习环境中的四大要素。
下面以基于 multisim 的虚拟实验系统在数字电子技术教 学中的具体应用为例说明 :(1 有助于创建丰富的学习情景及 “教学练” 相结合 情景是建构主义学习环境的首要内容 , 情境设计是创造与 所学知识和技能主题相关的 , 能促进与支持学生学习的尽可能 真实的环境 , 为学生自主学习创造条件。数字电子技术是一门 实践性较强的课程 , 在教学中要创设 “情景” 一般只是采用课堂 演示实验 , 但通常在高职院校中可能会遇到实验仪器匮乏、电 路受温度等环境影响大等困扰 , 造成失真或仪
器精度直接影响 教学效果等情况 , 而利用 multisim 软件实际电路作为一种真实 表现电路工作状态的开放灵活的示教手段 , 把实验室和课堂有 机地融为一体 , 则解决了上述种种问题。
例如 , 在讲典型集成计数器芯片这一节课内容时 , 利用工 业中心的资源优势 , 将理论教学选在配备了 multisim 软件的机 房里进行。首先由教师将实训项目 “计数显示器” 引入 , 并利用 计算机模拟真实实验室的工作台 , 让学生观察实验结果如图 1所示 , 该实训电路的功能是对输入脉冲的个数(0~9 进行递增 计数 , 并通过译码显示电路将所计的脉冲数显示出来 , 并提出 问题 :74HC161芯片的功能是什么 ? 为什么称之为计数器 ? 学 生带着问题听老师讲解电路原理 , 使其认识到掌握相关知识和 技能是完成项目制作本身的需求 , 而不是教师对学生的刻意要 求 , 以达到在学生头脑中产生主动建构的过程。
在给学生时间自己练习的过程中 , 为了完成这个项目学生 必须先去查手册 , 了解计数器、译码器、数码管、与非门等器件 的管脚连接和功能表 , 虽然他们此时还不能理解功能表 , 通过 实训项目的制作和测试 , 学生就能很容易地弄清楚这些器件的 功能和每个管脚的作用。与此同时还学会了查手册 , 如何通过 查手册获得数字电路器件的使用方法 , 这对数字电路设计制作 者来说是十分有用的技能。另外 , 在教学内容上和习题中安排 了许多诸如同类芯片如何级连 ? 如何进行功能扩展 ? 如何用通 用计数器构成任意进制计数器等等这样一些在实际工作中十 分有用的技巧和方法 , 同时通过机房各机联网的优势 , 创造一 个互动的能相互促进共同提高的协作环境 , 构建学生与学生之 间 , 学生与老师之间的语言沟通渠道。让学生共同来参与分析、训练 , 在整堂课中 “讲学练” 相结合 , 取得了较好的教学效果。
图 1计数显示器 图 2模拟面板布线
(2 有助于加强实验教学效果和提高实验设施利用率 高职教育不是造就学术精英 , 而是以适应生产、建设、管 理、服务第一线需要的高素质技术应用型人才为培养目标。因 此在培养过程中 , 必须重视实践能力的培养 , 重视职业经验和 职业技
能的获得 , 实验教学是高职教育的主体教学方式之一。实验通常包括实验前的预习, 实验的组织 , 实验报告的撰
153 Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007 写三个环节 , 在传统实验教学中由于普遍存在实验内容多、上 课人数多、资金和仪器套数不足、实验课教师人数紧缺、实验课 课时又十分有限等问题 , 而实验前由于学生看不到仪器 , 不能 实际进行仪器操作 , 只能看讲义预习, 因此往往在真正的实验 过程中赶时间测数据 , 难以做到深入理解实验方法 , 更不能进 行深入的实验研究。
multisim 软件功能强大 , 几乎能够仿真所有的数字电子技 术实验 , 在这样一个生动活泼、形象逼真的学习环境中预习后 , 再到实验室进行实验时 , 一些注意事项、实验原理、仪器使用方 法等由于已经基本掌握 , 这就大大提高了实验效率。特别是一 些设计性实验 , 学生在实验前利用 multisim 提供的实验平台 , 自己设计好实验方案和实验步骤进行仿真 , 可以很好地避免盲 目操作 , 拓展了学生的思维发展空间。更为重要的是仿真实验 的引入突破了时间和空间的限制 , 使实验场地不再局限于传统 意义的实验室 , 网络机房、EDA 实验室甚至宿舍都可以用来进 行实验 , 做到一机多用 , 一室多用 , 学生利用校园网或互联网还 可随时随地上网进行预习、实验、讨论和提交实验报告 , 从而大 大提高了实验设施的利用率。
(3 有助于学生创新能力的培养
高职毕业生上岗后的主要工作是解决生产过程中的各种 技术问题 , 从事诸如工艺革新、技术改造、事故处理、质量监测、设法降低成本和消耗、提高生产效率等工作 , 这就要求学生的 实践能力不能仅仅停留于操作阶段 , 要具有较强的分析判断能
力 , 要有解决实际问题的综合能力与手段 , 还要有在技术应用 性层面上一定的规划、设计、开发能力和创新能力 , 为此 , 高职 教育将课程设计与创新课程作为实践教学的重要内容。
由于有些实验设备昂贵 , 特别是较为先进的实验设备 , 许 多学校资金不足难以购买 , 这种设施无法在课程设计中给学生 提供探究学习的场景 , 因此创新精神、能力、素质等的培养无从 谈起。但随着科学技术日新月异 , 新产品换代周期日趋短暂 , 职 业的分化与复合成为必然 , 产生了许多与高新技术直接有关的
新的职业岗位 , 这些岗位 , 需要大量技术应用型人才。作为将来 要在这类岗位解决生产、技术、工艺、管理等一系列问题的高职 学生 , 在校期间 , 又必须了解专业技术未来发展方向 , 熟悉并掌 握岗位所需的关键技术。为此 , 高职教育要将与未来职业岗位 相关的新技术、新工艺、新材料、新设备等引入实践教学 , 按照 更高的职业资格要求 , 按照生产实际的规范等对学生进行培养 与训练。仿真软件的引入使学生既掌握了一种新的电子电路设 计软件 , 又掌握了一门新型的实验分析方法 , 尤其利用 multi-sim 作为课程设计实物制作前的设计分析工具 , 能充分发挥学
生的主观能动性和创造性 , 并按照可持续发展的思路为学生储 备一定的理论知识和实践技能 , 达到用先进、高新、超前的实用 技术培养、训练学生的目的。如果和 PCB 软件模块 Ultiboard 配 合使用 , 可以完成电路原理图输入、电路分析、仿真、制作印刷 电路板全套自动化工序 , 对培养学生的工程实践的观点大有裨 益 , 图 2为该软件在面板上模拟布线。
4结论
基于 multisim 的虚拟实验系统有利于教师不断完善教学 内容 , 提高教学效果 , 使学生在掌握基础知识外 , 适当引入科学 技术发展新成就 , 在学生自身能力基础上
有效地发挥其主观能 动性 , 开发了学生的创造潜力 , 但它只能辅助数字电路教学 , 而 不能代替理论和实验教学 , 并且由于许多因素的限制 , 还需要 在今后的实际教学中扬长避短 , 不断完善。
参考文献 : [1][2][3]The Application of Visual Simulate Software in Digital Electricity Technology Teaching Based Software M ultisim SUN Xiao-yan(Industrial Center of Wuxi Institute of Technology , Wuxi Jiangsu 214121, China Abstract :Visual teaching and visual experiment is one of the most advantaged and potential technologies in the future higher educations, es-pecially in the time that higher vocational college.In order to strengthen the basic network infrastructure, digital construction and information teaching , it is very useful to improve teachers ’ teaching contents, offer good teachings effects and develop students ’ creative potential by us-ing the simulate software M ultisimto.The software has widely used in the digital electricity technology course such as assisting electricity theo-ry teaching, supplying the lack of experiment equipment, developing the quality of curriculum design and penetrating quality education, all that have been researched beneficially.Key words :visual experiment;M ultisim;digital electricity technology 李 洋.EDA 技术使用教程 [M ].北京 :机械工业出版社 ,2004.于 枫 , 张建新 , 王秀成.电子系统仿真分析教程 [M ].北京 :科学出
虚拟现实，用数字技术诠释生产力 篇6
与之类似的场景已经无数次地被科幻电影导演们搬上银幕。但是从今天起，如果再有科幻电影运用这样的桥段，那么我们可以毫不犹豫地认为，这个电影的导演已经落伍了。因为，这类应用已经实实在在地来到我们的身边，而不再是科学幻想。
IT技术植入工业设计
这类将使用者所见以三维立体呈现出来的技术被称为虚拟现实（Virtual Reality）。利用信息技术，虚拟现实可以逼真地描绘出视、听和嗅觉，并允许使用者以更自然的方式与虚拟世界进行交互。虚拟现实融合了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示以及网络并行处理等多种技术门类，是IT技术发展的一个综合体。
在虚拟现实发展的基础上，又随之诞生了名为增强现实（Augmented Reality）的概念。与虚拟现实着重用户在虚拟世界的沉浸感不同，增强现实主要强调将所创造的虚拟物体与真实世界结合，而并不隔断人与真实世界的联系。现在大热的谷歌眼镜（Google Glasses），就是增强现实的一种体现。数据显示，到2016年预计全球增强现实领域相关产品的市场规模将达到51.5亿美元，5年间的年复合增长率为95.3%。
近年来，随着相关技术的逐渐成熟，增强现实和虚拟现实技术的应用日益广泛。特别是在工业设计、工业制造领域，这两类技术发挥了巨大的作用。
最早让虚拟现实技术大显身手的，是在交通工具设计方面。大名鼎鼎的波音777客机在设计阶段就采用了虚拟现实技术，实现了无图纸设计和制造。借此，波音的工程师们可以在产品的设计阶段，就徜徉于这台飞机之中，审视各方面的设计，并随时从300多万块零部件中调取任意一个进行修改。甚至于，在虚拟现实技术的帮助下，飞机制造公司还可以对产品的性能进行物理仿真、动力仿真，并借此测试产品的可靠性。
与之相比，在设计707客机时，波音公司花费50万美元搭建1：1客舱模型的做法就显得不是那么经济实惠了。有数据显示，使用虚拟现实技术设计飞机座舱，可以使设计周期从两年缩短到两个半月。
除了在设计中应用虚拟现实技术以外，波音公司也在将增强现实技术引入产品制造之中。在波音计算机服务研究和技术组的研究成果中，就包含了利用增强现实技术进行飞机内部电力线缆连接以及装配适配器的部分。通过这一研究，一个从没受过相关培训的工人也可以胜任相关工作。显而易见，这节省了大量的培训经费。
如何与工业整合
虚拟现实和增强现实技术为产品设计和制造过程提供了更为贴近实际的仿真环境，业内普遍认为，采用这两项技术能够有效提高效率，控制产品上市的时间和成本，增强企业的竞争力。这一点在当今应用模式快速变化的社会中极为重要。
目前来看，这两项技术大多被应用于产品的造型和装配设计中。在产品设计上，虚拟现实技术能够提供极为接近真实物品的形状、外观，甚至是材质表现，并可以实现即改即现的效果。这不仅降低了设计的复杂度，同时也节省了时间和金钱。
而从装配上，虚拟现实可以灵活对产品进行组装、分解和构造展现，解决了传统制造中的一个大难题：零件不匹配。这种预先的虚拟检验过程，避免了不必要的浪费。这一部分内容在工业领域非常重要，以至于还出现了一个专有的名词——虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）。借助虚拟装配设计系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对产品进行装配检验。虚拟装配设计技术包含了多种基础技术，除了虚拟现实技术以外，还包括CAD技术、仿真技术、高级可视化技术、装配制造工艺及工具开发等，
目前，在虚拟现实和增强现实技术与工业、制造业结合的领域，德国和美国表现得非常积极。德国帕德博恩大学、Heinz Nixdorf研究所、亚琛工大、Fraunhofer和慕尼黑工大研究所等德国高校和科研部门很早就已经设立了相关的科研项目。同时，包括博世、空中客车、宝马、大众等知名企业也都在就此进行投资。这些德国高校和企业在这方面一直保持着紧密的合作关系。
在美国，麻省理工大学专门成立了图象导航外科手术室，哥伦比亚大学则拥有自己的图形和用户交互实验室。目前在虚拟现实和增强现实业界盛行的一款名为ARToolkit的快速开发开源软件，也来自于美国人的实验室项目。
目前，除了ARToolkit以外，虚拟现实领域还拥有着自己的通用编程语言VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）。可以说，这个领域的技术根基已经非常成熟。
通过对虚拟现实和增强现实技术的运用，企业不仅可以在工业设计和制造的初期构造起廉价的数字模型，对产品进行分析和改进，而且还能够获得产品运行的模拟实验数据（包括装配流程、装配轨迹、装配公差、零件特性数据、零件方向等）。利用这些数据，企业可以对产品的生产流程、工艺机械进行规划。即使在百密一疏的情况下出现问题，利用虚拟现实技术，企业也能更好对问题进行回溯、拆解和逆向。
经过以上这些流程，企业能够更加合理有效地安排产品的生产计划，减少库存。目前来看，在工业领域，尽管虚拟现实技术还存在着人机交互性不足、与CAD系统数据接口不统一、产生数据量过大等问题，但是瑕不掩瑜，从长远来看，这一技术已经成为工业生产中的必然组成元素。
通过对虚拟现实和增强现实技术的运用，企业不仅可以在工业设计和制造的初期构造起廉价的数字模型，对产品进行分析和改进，而且还能够获得产品运行的模拟实验数据。利用这些数据，企业可以对产品的生产流程、工艺机械进行规划。
虚拟三维空间数字技术 篇7
1. 古建筑保护的意义
中国传统建筑是我国古代文明的重要组成部分, 它展示了不同时期政治经济文化等方面的发展成果。
近些年来, 古建筑遭到了不同程度的破坏, 一部分是自然因素导致, 但更多的是展示时受到人为的破坏, 这让古建筑的发扬与传承遭受到了空前的危机。
古建筑的保护, 最直接的方法就是进行测绘。辽南地区古建筑众多, 例如大连市即有观音阁、朝阳寺、响水观、普化寺、一洞天和法华寺等十大古建筑。古建筑反映了地区建筑形态发展历程, 具有极高的历史研究价值和专业教育意义。然而其现状却不容乐观, 时长日久加上维护失当, 古建筑亟待修缮保护。
2. 计算机建模技术的推进
(1) 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是近些年来新兴的一项测绘技术。该技术通过获取实体表面三维点数据, 即点云数据, 通过对点云的操作实现三维物体的数字化建模。三维激光扫描技术对实体的破坏小、速度快、精度高, 已经在各个领域得到了一定的应用。
欧美等国家在激光扫描领域的应用时间较长, 目前已经完成了许多优秀作品。美国斯坦福大学, 华盛顿大学以及cyberware公司合作, 利用三维激光扫描技术完成了“数字化米开朗基罗”项目。另外一些研究机构利用该技术在逆向工程, 工业生产, 数字城市等领域也有一定的突破。
相比之下, 我国三维激光扫描技术起步较晚, 但也取得了一定的成果, 在古建筑保护方面表现如下:
北京建筑大学对故宫太和殿的大木结构进行了三维测绘并建立数字模型, 实现了故宫这一全国重点文物保护单位的数字化测绘及建模的突破。
清华大学城市规划设计研究院利用三维激光扫描仪, 实现了圆明园碧澜桥残余构件的三维扫描, 并通过计算机模拟计算等技术制定了组合复原方案, 这一尝试为古建筑的保护与复原做出了重要尝试。
武汉大学李必君等人通过建筑物的三维扫描提取点云特征进行研究, 最终利用特征线实现了建筑物的数字化建模。
总之, 三维激光扫描技术在我国的应用正在稳步发展, 对文化发展, 尤其是古建筑的保护与研究有着重要意义。
(2) 虚拟现实技术
除了三维激光扫描技术, 一些经济较为发达的国家在文化遗产保护工作方面应用了其他的先进技术, 其中, 虚拟现实技术作为数字化手段是一个应用前景十分不错的技术。
在中国, 这一技术在古建筑保护方面已经有了许多优秀的研究案例。
浙江大学开发了虚拟故宫漫游系统, 为我们真实展示了故宫三大殿等的概貌。
综上所述, 三维激光扫描技术以及虚拟现实技术在古建筑保护方面已经取得了很好的发展, 应用到辽南古建筑保护中有很好的发展前景。
二、研究方法
1. 资料查阅扩充和选题方向的重新认识阶段
学习辽南古建筑的历史文脉, 形成过程, 材料构造等方面知识。整理资料成图文模式, 并形成较为规模化、体系化的电子版资料。
2. 实地考察测绘
实地考察古建筑实体。学习三维激光扫描仪器的使用, 初次体验实体建筑转化为虚拟点云的过程。
3. 计算机建模的应用和实体建筑数据的再次统计
模模对比与转化, 进行反复的上机操作。三维点云数据导入软件中, 进行后续的处理与加工, 通过捕捉点直接绘制生成几何体。
三、古建筑调研及数据获取与预处理
1. 对于古建筑的建构要先建立在搜集资料的基础上, 对于大连旅顺原关东总督府建筑, 笔者进行大量搜集相关档案和图文资料, 整理出如下历史建筑概况。
2. 实地考察基地情况, 进行多组照片不同角度的拍摄整理, 分工合作对该建筑进行测量。先用卷尺、激光测s距仪等工具测量内部长宽高, 绘制平面、剖面和内部细部测稿。
接下来利用激光三维扫描仪对立面及其外部细部进行测绘并处理数据, 以电子格式存储在SD卡中。
在整理数据过程中, 激光三维扫描仪的两个弊端——其一是根据其测绘原理产生。多组激光测距数据的电脑快速合成。光线有沿直线传播的特性, 而扫描仪的位置在同一立面扫描过程中不能发生移动, 所以产生了由于树木、人员等障碍物以及建筑立面自身凹凸的遮挡发生的点云盲区。在这样的盲区里, 没有精确的数据, 只能通过测绘者个人经验和实际照片结合进行绘制整理。其二则为激光三维扫描仪自身的技术因素, 在处理数据时有一定的时间局限性, 关东府立面点云数据共13组, 每组平均耗时约30分钟。
接下来, 对测绘结果进行校核统计。一方面将测稿和对应数据以及现场照片等资料, 在Auto CAD软件平台上进行绘制, 生成了平面、剖面和内部细部, 此次的绘制精确到毫米。另一方面对得到的电子数据后续的处理与加工, 在点云数据的基础上, 在Auto CAD平台上, 进行删减、蒙描, 或通过捕捉点直接绘制生成立面及其细部。
四、古建筑三维重建与虚拟展示
通过对点云数据的处理, 进一步进行古建筑三维重建, 对获得的模型进行多方位修复。接着将生成的模型导入sketch up中进行进一步的材质编辑。
在最后的虚拟现实展示中, 笔者利用了光辉城市—smart+计划提供的插件进行虚拟漫游, 通过在smart+平台上进行虚拟漫游可以得到常规的漫游视频, 再利用软件将此视频转化为支持vr格式的全景视频, 通过佩戴虚拟现实头盔即可近距离体验古建筑的魅力。
五、总结与展望
中国传统建筑是我国古代文明的重要组成部分, 中国传统建筑在真正意义上实现了建筑的标准化, 规范化, 而其模型数据库并没有在现在生产生活中广泛传播应用。如何让古建筑长久的展示东方文明的魅力, 为后人欣赏和学习, 是文化领域急需解决的问题。
本文针对古建筑保护的现状以及一些已经成熟的古建筑保护措施, 对大连旅顺原关东总督府进行实地测绘及三维激光扫描, 生成点云数据并整理形成古建筑的三位重建模型, 最后对其进行虚拟现实模拟。
在工作过程中, 利用先进的三维激光扫描设备, 在计算机上进行了大部分的操作, 得益于先进的点云识别技术, 我们可以在计算机上精确地还原出古建筑的风貌。
当然, 这项技术还有一些不完善的地方, 受制于现场环境, 点云数据会被树木等障碍遮挡, 随着技术的进步, 利用计算机平台以及点云数据进行的古建筑保护一定会更加完善, 人们体验古建筑也将获得更加丰富的感受。
参考文献
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虚拟三维空间数字技术 篇8
关键词：数字地球,数字城市,三维建模,GoogleEarth,KML
1 数字地球概述
“数字地球”(Digital Earth)作为一个名词,由前美国副总统戈尔于1998年1月31日在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球:认识21世纪的人类星球”的讲演中正式提出。随后,“数字地球”受到人们的普遍关注,种种迹象表明:“数字地球”时代到来了。“数字地球”,即把整个地球作为研究对象,以地理坐标为依据的、具有多分辨率和多维特征的、由海量数据组成的虚拟地球。其技术体系结构共包括五部分:1)据获取与更新子系统。2)数据处理与存储子系统。3)数据与信息传播子系统。4)应用子系统。5)标准化和其他子系统。其中,数据获取与更新子系统主要以全球定位系统(GPS)和遥感(RS)技术为依托来实现;数据处理与存储子系统主要以地理信息系统(GIS)的方式来实现。
2 数字城市概述
随着“数字地球”概念的提出,引起了近年来一系列数字化建设理念。数字城市的概念是从“数字地球”发展而来的,是数字地球在城市管理中的应用。关于数字城市的概念,目前正处在一个发展和演变的过程。以下几个数字城市的定义,就是从不同的着眼点和侧重点概括阐述了对数字城市的不同认识和理解。
2.1 数字城市是城市建设和管理数字化的终极目标
数字城市是一个三维的、可视化的城市;是综合运用地理信息系统、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术,对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。通俗一点说,数字城市就是指在城市规划建设与运营管理以及城市生产与生活中,充分利用数字化信息处理技术和网络通信技术,将城市的各种信息资源加以整合并充分利用。城市规划者和管理者可以在有准确坐标、时间和对象属性的三维虚拟城市环境中进行规划、决策和管理。
2.2 数字城市,是广义上的城市信息化
数字城市工程将通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台,整合城市信息资源、建立电子政务、电子商务、社会劳动保障等信息化社区,逐步实现全市国民经济和社会信息化,使城市在信息化时代的竞争中立于不败之地。
2.3 数字城市是“虚拟城市”,强调城市管理的技术系统
从城市规划、建设和管理的狭义角度看,数字城市可概括为“43VR”。即“地理数据4D化;地图数据三维化;规划设计VR化”。地理数据4D包括数字线划图(Digital Line Graph,DLG)、数字栅格地图(Digital Raster Graph,DRG)、数字高程模型(Digital Elevation Modal DEM)、数字正射影像图(Digital Orthophoto Map,DOM)。地图数据三维化是指地图数据由现在的二维结构转换为三维结构。规划设计VR(Virtual Reality)化是指规划设计和规划管理在4D数据、三维地图数据支撑下,将现有的二维作业对象和手段升级为三维和VR结合作业对象和手段。
2.4 数字城市,是一种新的社会经济系统
从信息社会发展的角度来认识数字城市,数字城市是指一种新的社会经济系统,通过它人们能够实现自由创造、共享文化、工业、经济、自然、环境、信息和知识,享受和谐的日常生活。它是相对目前的大规模生产和消费系统而言的,可称之为数字革命。实际意义上的数字城市建设,是指将有关城市的信息,包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等各个方面,以数字的形式进行获取、存储、管理和再现,通过对城市信息的综合分析和有效利用,为提高城市管理效率、节约资源、保护环境和城市可持续发展提供决策支持。
在实践的过程中,数字城市的理念得到了逐步完善和扩充。数字城市在现实城市的基础上构建可视化的虚拟城市,它是一种基于地球地理坐标系建立的关于城市的空间信息模型,通过信息网络将现实城市的各种信息的收集、整理、归纳、存储、分析和优化,进而对城市的各种资源、生态环境、社会环境等方面的实体和现象进行模拟、仿真、表现、分析和深入认识。利用不同技术和方法建立的虚拟城市在我国已经出现很多,多数是从底层建立地理框架,或者直接用平面模型粗略代替地形建模.其费时、费力,建设成本高。以GoogleEarth为代表的数字地球平台的出现,给此类数字工程建设提供了一条科学、高效的建设方案。
3 GoogleEarth数字地球平台
GoogleEarth数字地球平台是以高分辨率空间影像数据为基础(Quick Bird数据),以统一的坐标投影系统为框架,以开放的XML为数据交换标准,以空间数据基础设施为支撑,以三维可视化技术为手段,以分布式网络为纽带,集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的开放、共享的计算机辅助决策系统。GoogleEarth作为能够体现数字地球平的产物,是空间信息技术发展的重要成果。数字城市技术是虚拟现实技术的具体实用。虚拟现实的基础框架是基于空间位置的地理坐标框架。所以,利用数字地球平台来展示空间三维虚拟模型,搭建空间虚拟环境是新兴虚拟现实技术与空间信息技术的有力结合。基于数字地球平台开展虚拟城市的建设,有利于城市形象的展示,并对城市的进一步建设和远景规划提供了逼真的可视化平台。以数字地球平台(GoogleEarth、World Wind等)为三维展示平台,将三维模型按照标准导入到该平台上进行显示,更好地解决空间关联问题,实现了空间信息的共享。并且可以利用其强大的空间分析功能进行统计和建模分析,如面积计算、缓存区分析、最短路径分析等,也能为更科学地实现数字区域、数字旅游线路产品等研究工作提供基础和保障,具有重要的理论和现实意义。
4 虚拟城市建设
4.1 基础地理信息的获取
基础地理信息的获取是建立数字城市的前提和基础。本课题虚拟城市建设所建立的基础地理信息和建筑物等地面设施主要以数字地球平台的基础地理信息为主要内容,具体是以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据(Quick Bird数据)为底图(见图1),采用直接面向设计过程的,并与Google Earth有很好关联协作性的专业设计建模软件Google SketchUp进行三维数字化虚拟城市的建设。此软件可以直接获取GoogleEarth当前窗口遥感图像,并自动设置空间地理坐标,无需截图、方便快捷、定位准确。利用GoogleSketchUp即可直接获取当前查看。当然,也可以先建立好模型,再获取底图进行位置调节。此外,软件提供了常用建模工具的模型格式接口,可以导入多种文件类型,如dwg、dxf、3ds、dem、ddf、jPg、png、tif、bmp、tga等格式。
4.2 基于KML的地理数据表示
4.2.1 KML实现的功能
1)使用图标和标注来区分每一个地点;
2)为每一视图创建不同的视点;
3)使用屏幕或地理位置的贴图;
4)在具体地理位置使用具有特定结构的三维模型;
5)为特定种类的要素(Feature)定义显示样式;
6)为要素(Feature)指定基于简单HTML语法的描述,支持超级链接和图片嵌入;
7)使用层叠夹(Folder)对要素进行层次性的分组管理;
8)动态加载本地或远程网络地址的KML文件;
9)当GoogleEarth客户端视图变化时,自动将视图信息发送给指定的源服务器并从服务器获取相关的信息。
4.2.2 KML提供的常用的地理元素
1)Coordinates元素,即坐标序列元素,一个地理坐标对定义为:经度,纬度,高度。坐标序列的坐标对之间用以空格为分隔符。
2)Point元素,即点元素,用来编码几何点类,每一个Point元素包括一个coordinates元素,包括一个而且仅仅一个坐标对。
3)LineString元素,即折线元素,是由一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线。
4)LinearRing元素,即环元素,是一个简单的线形闭合环,是由起点坐标与终点坐标相同的一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线环。
5)Polygon元素,即多边形元素,是一个连接的平面,按面域之间的包含关系可分为无岛面域、有岛面域,其外边界由outerBoundaryIs定义,内边界由innerBoundaryls定义。
6)MultiGeometry元素,即复合对象元素,作为包含任意几何元素(点、线、面等几何图形)的容器。一个MultiGeometry元素可以包含基本的几何元素如:Point、LineString、Polygon等,甚至包括其它MultiGeometry元素。
4.3 三维模型建立
建筑物三维模型的建立是三维可视化的重要组成部分。为了更好地展示城市内不同建筑物的外形特征,采用了直接面向设计过程并与Google Earth高分辨率Quick Bird数据影像图和具有良好交互性的软件Google SketchUp进行每个建筑物的独立建模(见图2)。
三维建模由几何建模与纹理建模两部分组成,首先对某一建筑进行分析,包括搜集目标建筑物建筑数据资料、实地考察并对其进行数码拍摄等(用作贴图材质);对图片进行处理,使其成为符合要求的贴图材质,根据得到的建筑资料对建筑物进行三维建模,然后进行建筑物表面的贴图,简单建模的过程大致分为如下步骤:
1)绘图单位选取与设置。通常的建筑单位都设定为十进制,精度设为1mm。
2)建立基准坐标系和基准面。三维空间的建模是基于二维平面基础图的拉伸。
3)简单几何体的构造。根据尺寸材料按比例进行几何建模,建立的几何模型为多边形建模类型。对于复杂的一些几何形体还采用了拆分以及合并的方法进行建模。
4)纹理贴图与场景渲染。为模型表面赋予材质、贴图。目前已经有许多自动化的建模方法,如通过生成数字影像产品并在其基础上建模,或者通过激光扫描资料进行建模,但是如何与影像配合,如何从密集的高程信息中提取规则几何要素及其他信息等方面还存在许多待解决的问题。Google SketchUp具备了3DSMax、Maya、SoftImage等多款软件建模能力及渲染能力,是直接面向设计过程的建模(见图3)。
4.4 三维模型层次细化
3D图形生成速度是虚拟现实场景,实现实时交互时能否流畅的重要影响因素之一,人机交互延迟会使访问者产生不连续和跳动感,严重影响虚拟现实的效果。本课题主要采用了细节层次LOD(Level of Detail)技术来平衡浏览速度与模型真实性两者之间的关系。所谓细节层次LOD技术就是在实时显示系统中采取的细节省略(DetailElision)技术。它的基本原理是:在不影响画面视觉效果的条件下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型,与原模型相比,每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时,采用精细模型;从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。模型越真实,相应的文件就越大,就要影响浏览器的浏览速度,耗费大量的CPU资源从而直接影响到视景的实时运行速度。而LOD技术能够解决这一问题,可以对不同的景物做出不同细致程度的刻画,比较近的景物用比较精细的描述,比较远的景物用比较粗糙的描述,分级程度完全根据浏览者与景物的相对距离而定,从而提高浏览速度。制作过程中,针对一个全细节的模型,通过顶点删除、边压缩、面片收缩等一系列技术以简化操作,生成低级LOD模型。LOD(Level of Detail)技术,根据多分辨率模型生成的时机可分为离散LOD技术和连续LOD技术。连续LOD能提供不同分辨率模型之间的平滑过渡,而且对于每个区域分辨率层次的选取是实时动态生成的,不需要象离散LOD那样需要预先生成多个多分辨率模型。因此,实时绘制时,离散LOD浪费内存资源而节省CPU资源;与此相反,连续LOD浪费CPU资源而节省内存资源。前者适用于视点跳跃性变化的应用环境下,后者适用于视点平滑变化的应用中。通过这样的处理,大大降低了场景中多边形数量,达到了大规模场景模型的实时交互漫游效果。
5 结束语
在数字城市的建设中我们以卫星影像作为数字城市的基础地理信息和建筑物三维建模的主要数据源,直接导入建模软件中进行三维建模,高效、低成本地实现了数字城市的三维虚拟建设;运用细节层次LOD技术解决了大规模场景模型的实时交互传输的速度问题;又以数字地球平台GoogleEarth作为三维可视化平台将三维模型按照交换标准导入到该平台上进行漫游显示,凭借平台上丰富的行业数据,低费用性、开放性、共享性、应用性等特征,强大的空间分析和表达功能,实现了新一代三维虚拟数字化城市的建设。进行三维虚拟建模的目的不仅仅是为了浏览,还必须与GIS系统相连接,赋予查询、分析等功能,使数字城市的功能得到进一步的扩充。
参考文献
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虚拟三维空间数字技术 篇9
中国 (哈尔滨) 森林博物馆位于东北林业大学文博楼, 是我国第一家以森林为主题的博物馆。展陈面积约11000 平方米, 投资4000余万元, 展品近千个, 展品中既有3 万年的长背鳍燕鲟化石、非洲野生动物标本、距今一万五千年以上的硅化石木, 古鱼化石和华南虎标本等, 也有原始人类生活相关的建筑、家具等。该馆运用实物、标本、图像、模型、多媒体等手段, 使参观者置身于森林美景之中。博物馆拥有很多珍贵的标本使得这里成为众多游客进行参观学习的主要地点。随着3D技术的发展, 将森林博物馆三维数字化、搭建虚拟展示平台以及做到精确的将动物标本模型按比例打印成实物标本变得非常有必要。这种做法不仅是对3D技术的科普宣传, 也对黑龙江省森林博物馆进行了的宣传, 还可以用于纪念品来纪念参观森林博物馆等用途[1]。
通过三维激光扫描技术来获取黑龙江省森林博物馆动物标本的三维点数据, 对这些三维点数据进行相关处理, 然后根据处理后建立的动物标本三维模型, 建立虚拟展示平台, 做到精确的将动物标本模型按比例打印成实物标本。既能方便展示动物标本, 又可转换成可供人拿起欣赏的小巧的三维实体标本[2]。目的是将做成的标本模型对3D技术的科普宣传, 也对黑龙江省森林博物馆进行了的宣传, 还可以用于纪念品来纪念参观森林博物馆等用途。
1.1 黑龙江省森林博物馆的动物标本的三维点云数据采集
在项目研究的过程中, 三维点数据的获取是重要的组成成分, 获取完整的符合要求的动物标本的点云数据是后续建模与应用的基础。扫描开始需要做好相关准备工作, 主要包括仪器, 人员组织, 与博物馆工作人员的协调工作等。
1.2 黑龙江省森林博物馆的动物标本的云数据处理和三维建模
基于三维激光扫描而获取的动物标本的点云数据进行三维建模一系列后续处理完成的。后续处理主要包括点云数据的预处理, 数据的配置, 点云滤波, 模型的构建, 纹理映射等。
1.3 黑龙江省森林博物馆的动物标虚拟展示平台的建立并将模型3D打印成型
将博物馆内的动物标本进行三维建模之后, 建议一个虚拟展示平台供人浏览, 并利用3D打印机将模型打印出来。
2 三维数据采集
在项目研究的过程中, 三维点数据的获取是重要的组成成分, 获取完整的符合要求的动物标本的点云数据是后续建模与应用的基础。应用扫描仪进行动物标本的点云数据获取。见图1。Cyclone软件拥有强大的点云处理的功能, 可以实现点云的扫描、拼接、去噪、提取、量测、建模及发布网页浏览[3]。利用扫描仪进行数据采集后, 将扫描到的点云数据导入Cyclone软件中, 通过靶向定位, 进行拼接。因为在扫描过程当中可能会有一些遮挡对数据产生影响, 所以要对获取的数据进行去噪处理, 去噪之后的点云数据已经完整刻画了动物标本的形状及特征, 进行存档。见图2。
3 虚拟展示平台构建
利用存档的数据, 在Cyclone中进行量测、查看或者利用第三方软件进行建模[4]。利用点云数据进行标本信息提取, 将数据导入到Cyclone的数据库中, 由于扫描过程中数据不可能十分完善, 可能会有部分遮挡, 因此获得的数据有各自的特征, 基于点云数据的不同特征, 选择不同的方式方法进行拼接, 建立模型。利用Java Web开发技术, 采用SSH框架进行虚拟展示平台的开发[5]。虚拟展示平台包括项目简介、查询、下载、上传、注册/ 登录、关于我们这六个模块。见图3。
4 结论
三维扫描作为集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术, 通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息, 可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。3D打印技术依据产品三维CAD模型, 能快速“打印”出产品原型或零部件。通过三维激光扫描森林博物馆的动植物标本, 进行三维建模, 建立虚拟展示平台, 并利用3D打印完整模型, 既可以完整保护动植物标本, 又方便进行向观众进行虚拟展示。
参考文献
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虚拟三维空间数字技术 篇10
随着高校扩建的步伐不断加快以及招生宣传的竞争, 传统的学校二维平面地图仅仅提供校园导航的简单功能, 已不能满足校园信息化的要求, 而集成校容校貌展示、招生宣传、校园信息化管理的新一代三维虚拟校园系统, 将是大势所趋, 将成为校园门户网站不可缺少的重要栏目, 对学校的对外形象宣传、招生宣传、信息化管理将产生重要的作用。
二、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (vimlal Reality, 简称VR) 又称“灵境技术”, 最早是由美国人兰尼尔 (J.artier) 提出实定义的:“用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界, 让用户可以从自己的视点出发, 利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界客体进行浏览和交互考察。”它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学, 是现代仿真技术的高级发展和突破。
虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、思维构想性的特点, 它融合了其它先进技术, 能够将现实生活中的事物对象, 以三维图像的模式呈现在计算机中, 给人以仿真真实世界的感觉。
也许你会认为虚拟化现实技术离我们的生活仍然很遥远。但目前世界上已经有很多通过虚拟现实技术开发的产品了, 虚拟现实产品一般通过网络渠道进行网上传输、宣传。比如顾客通过键盘按键或鼠标点击可实现简单对产品进行了解, 查看相关信息。有的甚至可以直接用鼠标拖拽对象, 实现真实世界的实地察看。
三、三维虚拟校园的总体设计
(一) 模型设计。
三维虚拟校园制作的首要任务就是要进行校园内所有模型的建模, 利用AUTOCAD与3DS MAX软件可实现模型设计。
(二) 材质设计。
要实现仿真设计, 所有建筑的材质需要和实地相仿, 用专业的数码相机采集校内场景, 记录各建筑的材质, 由PHOTOSHOP软件实现软件的编辑修改, 由3DSMAX软件可实现材质的设计制作。
(三) 仿真设计。
要实现在校园内行走、校园自动漫游等效果, 需用VRP软件导入3DSMAX制作的校园建筑, 再进行仿真设计。
(四) 信息管理设计。
将仿真校园与后台数据相连接, 可实现校内数据管理。
四、三维虚拟校园的技术实现
(一) 硬件部分。
高配置计算机、存储用服务器、渲染用服务器、数码高清的摄像机、录像机、照相机。
(二) 软件部分。
WINDOWS XP操作系统、AUTOCAD软件、3DS MAX软件、VRP虚拟现实的软件。
(三) 技术实施流程。
一是校园整体实地考察, 用AUTO-CAD制作校园建筑平面图。二是运用3DS MAX软件导入AUTOCAD图进行校园建筑建模。三是使用数码相机进行实地材质采集。四是利用3DS MAX软件实现各建筑的材质贴图, 并设置相关的灯光与摄影机。五是结合VRP软件实现校园三维建筑虚拟现实。六是综合运用3D建模与VRP技术实现虚拟现实的仿真设计与制作。技术实施整体流程图, 如图1所示。
(四) 技术关键及创新点。
虚拟现实技术, 不仅应用于学校, 而且能够实现广告宣传, 推动广告产业发展。实现校园数据的集中可视化展示与管理, 为基层单位提供校园地理信息服务。三维虚拟校园作为各个部门信息展示的载体, 可以直观形象地进行可视化展示。定位展示、全部校园单位的路线导引, 快速放大、缩小, 360全景等多角度三维立体展示, 提供招生展示发布、新生报到导引、学生生活服务导引功能。
虚拟现实技术在当今市场还有很大的发展空间, 目前应用的单位企业较少, 技术制作人员很少, 制作费用高昂。我们有制作虚拟空间的成功案例, 积累了丰富的经验, 对应用虚拟现实技术起到了推动作用。
五、结语
本系统运用AUTOCAD软件实现二维平面制图, 综合运用3DS MAX软件实现了校园内建筑建模、材质贴图与灯光设置, 运用VRP软件实现了校园的仿真制作。对于辅助教师管理成绩起到很大作用。
参考文献
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虚拟三维空间数字技术 篇11
我们行走在热闹都市的楼宇之中、纵横于繁华的商业中心里, 是否曾被一组雕塑或一组景观小品所吸引, 是否曾被小小的震撼过一次, 答案也许是肯定的, 但是作为建筑景观艺术的辅助——城市景观、雕塑、小品确实正越来越多的出现在我们日常的生活环境中, 影响着我们对所在环境的感受, 他们甚至是完全由计算机计算出的一组数据制出的, 也许是毫无意义的虚拟物品, 我们应该如何认识它, 如何利用好这一建筑设计中必不可少的元素, 是我论述此文的目的之所在。
二、虚拟数字化设计的发展
将许多想法数字化、虚拟化是我们设计师目前经常采用的设计手段。数字、虚拟化能将头脑中的念头在很短的时间内转化成可视的数字化图像, 它不受环境、时间、空间的限制, 可随时随地调整现有方案效果, 其实城市规划一直是全面的可视化多角度需求最为迫切的领域之一。我认为虚拟现实技术可应用于城市设计的各个方面, 并同时带来切实和可观的现实利益, 例如数字化城市管理便是近些年普及各大城市的一项尖端技术。也正是在此项技术普及的今天, 还有相当多的人们认为数字化还有相当长的路要走, 甚至是一条走不通的路。
2010年2月21日谷歌在全球范围内推行的“数字图书馆”计划引发了各国热议。日本学者山田健太对此表示, 反对谷歌将作品数字化。他认为, 不应将美国的规则强加于人, 应该尊重地区的实际情况。日本笔会的言论表现委员长、专修大学准教授山田健太反对谷歌将书面作品数字化, 18日在纽约联邦地方法院还进行了意见陈述。他在接受“共同社”采访时表示, 谷歌未经许可擅自进行数字化, 要求作者接受既成事实, “我代表对谷歌的这种做法感到担忧的日本作者陈述了意见。”如果要在日本提供相关服务, 就应该与相关人士进行协商, 在达成共识后方可推行。不应将美国的规则强加于人, 应该尊重地区的实际情况,
谈到数字化可能带来的问题, 山田健太表示, 以前都是“精英”才能写书出书。而数字时代谁都可以发送信息。手机小说的情节会依据读者反映而改变, 实现了双向互动。很多时候都不知道谁才是真正的作者、谁来为作品的质量负责, 有必要认真思考数字时代的问题。
说到这里我们不由的为此感叹, 我们的东瀛邻居对于传统的珍视和爱护, 而反衬出对于虚拟事物的极端蔑视。我国伟大哲学家老子曾说:世间事物均为“有”与“无”之统一, “有、无相生”, 而“无”为基础, “天下万物生于有, 有生于无”。其实, 笔者认为这就是朴素的辩证唯物主义观点, 不应完全否定虚拟化所带来的便利, 也不应不尊重二者存在的价值。
三、景观小品与数字雕塑
景观、雕塑在人类长期生存过程中扮演着重要的角色, 它美化了人类生活的环境, 抒发了人类对心中向往与目标的追求, 同时也是探索艺术与追求艺术的一种表现方式 (图1) , 景观小品是景观中的点睛之笔, 对空间起点缀作用。小品既具有实用功能, 又具有精神功能, 包括建筑小品——雕塑、壁画、亭台、楼阁、牌坊等;生活设施小品——座椅、电话亭、邮箱、邮筒、垃圾桶等;道路实施小品——车站牌、街灯、防护栏、道路标志等。但目前在我国景观小品常常被忽视其精神功能, 粗制滥造, 缺乏美感。其实, 景观的总体效果是通过大量的细部艺术加以体现, 好比给一个人化妆。如果他的眉毛化的不合适, 那么就会影响整体妆容。因此, 景观中的细部处理一定要做到位, 因为在大的方面相差不大的情况下, 一些细节更能体现一个城市的文化素质和审美情趣。
雕塑按使用材料可分为木雕、石雕、牙雕、骨雕、漆雕、贝雕、根雕、冰雕、泥塑、面塑、陶瓷雕塑等;另外铁艺等金属雕塑也是重要的一大类, 尤其是青铜雕塑。最新的一类就是我们前面提到的数字化雕塑, 他是新技术艺术形式的代表, 在人们日常生活中接触类别最接近的就是数字效果图、建筑效果图 (图2) 、工业产品虚拟效果图等。
可能数字雕塑被很多人尤其是专业人士认为是不入流、不艺术的创作形式, 因为其推翻了手工制作胎具、磨具、成型这样的传统创作过程, 不过从视觉上来说, 实物造型跟虚拟造型并没有什么差别, 数字雕塑介于平面绘画跟立体造型之间。绘画是平面的雕塑, 雕塑是立体的绘画。人们固有的思想可能认为数字雕塑不能像传统雕塑那样可以触摸, 所以不能算做雕塑。不过随着信息技术的进步, 机器加工设备的精度不断提高, 这样的界限会越来越模糊。就像雕刻机一样, 从过去的平面雕刻到现在的立体式雕刻 (甚至现在国外出现的立体打印机等技术) 。利用计算机数字化技术进行计算并付诸实现的雕塑造型。它是模仿现实手法对存在或不存在的物体进行雕塑。在一定程度上, 该种方式可以对创作的类型和形式进行合理的改进和研究, 由本人根据波浪数据制作的数字雕塑, 目前已经实现并落成在某滨海城市 (图3) 。在虚拟的世界中, 数字雕塑家可以使用软件对任一一个现实的或虚拟的完全基于自己想象的事物雕塑, 甚至是纯数字的模型, 可以使人更加直观的观察到数学的形态, 因为他是许多人类探索自身奥秘的最便捷手段, 例如DNA模型。
四、结语
也许在不远的将来, 景观雕塑小品艺术会进化成两种类型, 一类叫材料景观雕塑小品, 另一类就叫数字景观雕塑小品或数字景观。它们的区别就是, 在相同的材料的情况下, 一类是用传统手工的方式在材料上创作雕刻出作品, 一类是在计算机中制作出数字模型, 用计算机控制加工设备在材料上制作出作品, 或者直接存储在硬盘中随时进行动态展示。材料景观雕塑小品跟数字景观最接近的就是精确比例塑胶模型和金属雕塑 (图4) , 因为这类雕塑基本上都是先泥塑或建模然后翻模再浇注金属液或者雕刻金属磨具, 最终的成品实际上已经是通过翻模这个媒介而变成了第三方成品。数字景观道理也非常接近, 通过电脑和机器设备把虚拟造型克隆成具象成品。从这个角度来说, 数字景观就是一种新的材料雕塑, 不过是创作过程不同而已。其实只要我们在创作的过程中是真正的艺术创作和思维工作, 那么做出的作品就是艺术景观, 他的用途甚至超出了观赏的层次, 也许还会推进相关技术的进步和创造。材料雕塑制作低效但独一无二, 这就是它的价值。数字景观制作高效却可以复制, 这也是它的价值。数字景观因为不确定性所以更有艺术价值, 数字景观因为可控及确定性所以更有工艺价值。现在应用数字景观方式最接近生活的地方可能就是精确比例模型 (图5) , 以后手办树脂模型也有可能从手工制作方式转变成数字模型。不过就像材料雕塑有艺术雕塑的魅力一样, 手工也有手工的价值, 数字景观只会是一种高效的工艺之一, 它和材料雕塑的关系不是孰优孰劣, 也不是谁将会替代谁, 在未来二者是人们都可以自由选择的创作手段, 艺术家可以借此更好的发挥艺术创作, 科学家可以借此更好的表现科研成果。
摘要：本文旨在探讨城市及建筑景观中新兴起的创作形式——数字化虚拟景观设计。数字虚拟化丰富了设计师的创作手段, 同时又给创作者带来了新的灵感源泉。数字化服务于艺术景观、雕塑、小品, 艺术景观的创作给力于数字化图像, 使其赋予生命感。任何新生事物都有成长的过程, 一方面重视传统, 一方面也应给新生事物以生长空间。