重慶港集裝箱碼頭三維模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

重慶港集裝箱碼頭三維模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

以重慶港集裝箱碼頭為實(shí)例，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法和技術(shù)，混合使用Auto CAD、3Ds MAX、Photoshop、Premiere的技術(shù)集成，開(kāi)發(fā)出了集裝箱碼頭的三維可視化仿真系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程，并對(duì)系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，系統(tǒng)虛擬的動(dòng)畫模擬可以為集裝箱碼頭的運(yùn)營(yíng)管理提供決策依據(jù)。

集裝箱碼頭;建模方法;設(shè)計(jì)流程;Auto CAD;3Ds MAX

港口結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資大，生產(chǎn)過(guò)程中的隨機(jī)因素多，其建設(shè)周期也很長(zhǎng)。因此，港口的合理規(guī)劃具有重大意義，但難度也較大，如果將港口三維可視化仿真系統(tǒng)應(yīng)用于港口建設(shè)中，定量分析泊位利用率是否合理，設(shè)施及設(shè)備的配置是否恰當(dāng)，碼頭裝卸工藝流程設(shè)計(jì)是否科學(xué)，必將有著極大的實(shí)際作用。

重慶港作為長(zhǎng)江上游集裝箱主樞紐港，正在向港口自動(dòng)化，船舶大型化，港口設(shè)備重載化方向發(fā)展。以減少船舶在港停留時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)率，提高港口在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力。港口三維可視化仿真系統(tǒng)作為一種虛擬設(shè)計(jì)工具，可用作港口規(guī)劃方案評(píng)價(jià)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也可模擬港口的生產(chǎn)過(guò)程，為港口的科學(xué)有序管理提供決策參考依據(jù)。

1 建模方法

1.1 建模方法比較

現(xiàn)有的建模技術(shù)按使用方式的不同可以分為:基于掃描設(shè)備的建模方法、基于圖像的建模方法以及基于幾何造型的建模方法。掃描設(shè)備如專業(yè)的三維掃描儀，雖然可以達(dá)到很高的建模精度，但其設(shè)備費(fèi)用非常昂貴，操作步驟繁雜，使得它無(wú)法得到很好的推廣。另外，這種方法也只能得到物體表面的幾何信息，對(duì)于表面紋理卻無(wú)法自動(dòng)獲得［1］。針對(duì)這些問(wèn)題，專家們將計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了基于圖像的建模技術(shù)。這種技術(shù)是使用普通的數(shù)碼相機(jī)拍攝物體在多個(gè)角度下的照片，經(jīng)過(guò)自動(dòng)重構(gòu)技術(shù)，獲得物體精確的三維模型。但這種方法在處理表面紋理時(shí)，對(duì)于不規(guī)則物體來(lái)說(shuō)，效果不理想。另外對(duì)于物體表面存在凹陷的細(xì)節(jié)，在表面輪廓中無(wú)法體現(xiàn)，將會(huì)失去部分三維模型信息。且存在圖像匹配困難，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，立體感不強(qiáng)，效果不理想等缺點(diǎn)［2］。

1.2 建模方法選擇

選擇幾何造型的建模方法，主要有3種:線框模型、表面模型、實(shí)體模型。線框模型只用頂點(diǎn)和棱邊來(lái)表示物體，因此只有“線”的概念。如果顯示效果要求不高，由于線框模型簡(jiǎn)單、方便，所以得到較廣泛的應(yīng)用。這種方法表示物體的外觀很難，應(yīng)用范圍受到限制。表面模型相對(duì)于線框模型來(lái)說(shuō)引入了“面”的概念。表面模型是用參數(shù)化的細(xì)分面片來(lái)逼近真實(shí)物體的表面，因此可以很好地表現(xiàn)物體的外觀輪廓。相對(duì)于上述的線模型和面模型，實(shí)體模型引入了“體”的概念，在構(gòu)建物體表面的同時(shí)，深入到物體內(nèi)部，從而形成物體的“體模型”。

面模型和體模型以其優(yōu)秀的視覺(jué)效果被廣泛應(yīng)用，且有很好的建模工具。本系統(tǒng)選用了Auto CAD和3Ds MAX建模工具，采用基于幾何建模的面模型和體模型對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了重慶港集裝箱碼頭的三維模型搭建［3］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

重慶港集裝箱碼頭三維可視化仿真系統(tǒng)主要由軟件和硬件2大部分組成。

2.1 軟 件

Auto CAD和3Ds MAX是最常用的三維建模軟件。Auto CAD是目前全球市場(chǎng)占有率最高的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。3Ds MAX是享譽(yù)三維動(dòng)畫制作專業(yè)的優(yōu)秀軟件，具有強(qiáng)大的三維造型及動(dòng)畫制作功能，且開(kāi)放性良好，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛［4］。在港口三維動(dòng)畫制作過(guò)程中要處理大量的圖形圖像素材，Photoshop是首選軟件，相對(duì)同類軟件，Photoshop具有功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)各個(gè)部分三維模型和動(dòng)畫制作完成后，選用Premiere作為后期合成軟件。

2.2 硬 件

硬件最好采用高性能配置的PC機(jī)，建議最低配置為:CPU主頻2 G以上，內(nèi)存2 G以上，獨(dú)立顯卡，顯存512 M以上，硬盤250 G。

2.3 工作流程

在重慶港集裝箱碼頭三維可視化方針系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)港口建筑及其它場(chǎng)景采用幾何建模的方法，設(shè)計(jì)流程如圖1。

3 模型分析與創(chuàng)建

3.1 辦公區(qū)域

辦公區(qū)域有5棟建筑以及周邊環(huán)境和公路。整個(gè)港區(qū)涉及的三維立體很多，房屋建筑以建立表面模型為主，這樣可減少數(shù)據(jù)量，同時(shí)要考慮到每種軟件之間模型的組織結(jié)構(gòu)不同。例如，在Auto CAD中建立了一個(gè)平面，而在3Ds MAX中這個(gè)平面就不再是平面而是控制平面的線。這就需要選擇部分形體的建模是在Auto CAD中進(jìn)行還是在3Ds MAX中進(jìn)行。這部分有噴水池小景，噴水效果采用了3Ds MAX的粒子系統(tǒng)。在制作噴水池時(shí)，可供選擇的粒子噴射類型有很多種:PF Source、噴射、雪、暴風(fēng)雪、粒子云、粒子陣列、超級(jí)噴射。在此場(chǎng)景中選擇了利用超級(jí)噴射類型創(chuàng)建粒子系統(tǒng)。創(chuàng)建了超級(jí)噴射粒子類型之后需要給粒子施加一個(gè)虛擬的重力，不然粒子會(huì)“一飛沖天”，這需要用到3Ds MAX中對(duì)自然界模擬的重力，調(diào)整重力大小時(shí)一定要小心謹(jǐn)慎，因?yàn)閷?duì)于這個(gè)參數(shù)一點(diǎn)點(diǎn)的加或減都會(huì)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生很大的影響，所以對(duì)于敏感參數(shù)的調(diào)節(jié)一定要耐心仔細(xì)。要使得噴水效果逼真，還要調(diào)整攝像機(jī)鏡頭的運(yùn)動(dòng)模糊參數(shù)，所謂的粒子是一個(gè)一個(gè)的小球(小三角形，小長(zhǎng)方體等)要使這些小形體看起來(lái)像水，這就需要打開(kāi)攝像機(jī)鏡頭的運(yùn)動(dòng)模糊功能，讓粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有模糊“拖尾”的效果，粒子形體、運(yùn)動(dòng)、特效等設(shè)置完成后，還要給粒子給定水的材質(zhì)。這樣能讓這些粒子更具有水的靈動(dòng)性，讓整體畫面更真實(shí)［5］。這部分模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 港口三維模型設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design workflow of port three－dimensional model

圖2 辦公區(qū)域Fig.2 The regional office

3.2 碼頭前沿

碼頭前沿有10個(gè)泊位。這部分立體主要有高樁、岸橋、路燈、江面、集裝箱及船舶，涉及的立體類型較多。因此，在建模時(shí)大量運(yùn)用到二維陣列功能，以及配合不同視圖，進(jìn)行三維陣列，以此同時(shí)，在同一形體大量出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該將其做成一個(gè)塊，并以插入塊的方式進(jìn)行陣列復(fù)制，這樣可以大大減少文件大小。對(duì)于江面的制作，考慮到Auto CAD在曲面建模方面的缺陷，因此在Auto CAD中，只給定江面的位置，而具體的水流表面的處理就放在3Ds MAX中進(jìn)行建模，用3Ds MAX就能很容易的控制水面的凹凸感和相位變化。特別要注意的是江面以及江面與周圍山體的銜接處，為了接近自然狀態(tài)，可在兩者之間采用霧化處理效果，這樣使得連接更逼真。這部分模型見(jiàn)圖4。

圖3 噴水池Fig.3 The fountain

圖4 碼頭前沿Fig.4 The dock

3.3 堆場(chǎng)后方

堆場(chǎng)主要有集裝箱、道路(汽車道和火車道)、龍門吊及起重小車、綠化帶和路燈。其中值得注意的是插入塊功能的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用插入塊的功能可大大減少大量重復(fù)的模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中占用的問(wèn)題，運(yùn)用此功能，場(chǎng)景中所有同樣的模型只占用一個(gè)塊的空間，這樣可以減小文件大小，提高顯示速度［6］。比如，大量的集裝箱，龍門吊，小車以及欄桿。這部分的動(dòng)畫主要注意將各臺(tái)龍門吊的動(dòng)作設(shè)置為不同步的方式，這樣顯得自然生動(dòng)，見(jiàn)圖5。

3.4 拆裝箱庫(kù)

拆裝箱庫(kù)形體較單一，只有樣式相同的庫(kù)房式建筑和道路，見(jiàn)圖6。

3.5 出港道路

出港道路主要是公路與橋梁。橋梁是雙塔斜拉橋，涉及橋塔、橋墩、橋面、欄桿和鋼索，以及其他細(xì)節(jié)，制作較復(fù)雜。對(duì)于鋼索，這里可以取一捷徑，在Auto CAD中畫的各種線，導(dǎo)入到3Ds MAX中后有2種處理，一種是以線為軸線自動(dòng)生成圓柱體;另外一種是以線為基準(zhǔn)自動(dòng)生成長(zhǎng)方體，因此在Auto CAD中建模時(shí)只需要畫一根線確定好線的位置、長(zhǎng)短、角度等來(lái)代替鋼索，而不需要建圓柱體的模型。在畫好的線導(dǎo)入到3Ds MAX后，選擇線生成圓柱體的方式，讓3Ds MAX自動(dòng)建模，這樣既可以減少文件大小又可以節(jié)約很多時(shí)間，見(jiàn)圖7。

圖7 出港道路Fig.7 The road departure

4 結(jié)論

三維建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)軟硬件、光學(xué)等技術(shù)與設(shè)備的不斷發(fā)展與促進(jìn)下，已經(jīng)得到快速的發(fā)展［7］。在建模時(shí)也更趨向于使用簡(jiǎn)單的設(shè)備和過(guò)程，來(lái)滿足不同應(yīng)用層次的需求。三維建模技術(shù)研究，應(yīng)該由現(xiàn)在不斷追求具有更高精度、看起來(lái)更加真實(shí)的靜態(tài)模型，發(fā)展向未來(lái)能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界各個(gè)對(duì)象間交互作用的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而更加有效地輔助人們探索事物發(fā)展規(guī)律的研究［8］。計(jì)算機(jī)三維建模及動(dòng)畫制作技術(shù)在港口建設(shè)中的應(yīng)用，為人們提供了具有真實(shí)感的三維視覺(jué)模型，以便在工程設(shè)計(jì)階段即可在計(jì)算機(jī)上看到工程的未來(lái)景象，借助計(jì)算機(jī)三維模型可以對(duì)方案進(jìn)行可視化分析和評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否科學(xué)合理。另外，還可以利用三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬施工進(jìn)度，施工工藝，從而評(píng)價(jià)施工方案的合理性，為設(shè)計(jì)者和決策者提供指導(dǎo)和決策依據(jù)。

［1］李華，張彩明.中國(guó)圖學(xué)新進(jìn)展［M］.北京:黃河出版社，2007.

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［8］邱建雄，趙躍龍，楊瑞元.基于圖像的建模和繪制技術(shù)綜述［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2004，25(5):908-912.

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Container Dock Simulation System of Three-dimension Visualization in Chongqing

YE Rong-bo，DU Ting-na，LIU Ming-wei，WANG Duo-yin
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Taking container terminal in Chongqing Port as an example，the three-dimensional visualization system of container terminal was developed based on virtual reality methods and techniques and application of AutoCAD，3DSMAX，Photoshop，Premiere of technology integration.The design method of the system was introduced;the system composition and workflow，and key technologies were analyzed;the system virtual animation provided a basis for operation and management of container terminal.

container terminal;modeling method;design flow;Auto CAD;3Ds MAX

TP39

A

1674-0696(2011)03-0445-03

2010-10-21;

2010-12-11

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(KJ060413)

葉榮波(1987-)，男，四川涼山人，碩士研究生，主要從事水利水電工程方面的研究。E-mail:tingnadu@163.com。