基于三維仿真的階梯教室視線設(shè)計(jì)方法的研究與實(shí)現(xiàn)

吳 潔 魏斌峰

(1、江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013;2、江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，江西 南昌 330088)

0 引言

仿真技術(shù)廣泛使用在各領(lǐng)域，引起了人們的熱切關(guān)注。它利用了計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境的方法實(shí)現(xiàn)多源信息融合的交互方式，借助各種傳感設(shè)備達(dá)到在計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備中模擬真實(shí)場景的目的。目前，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。

在計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)方面，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展也使得計(jì)算機(jī)在輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得不斷深入，而三維仿真技術(shù)的成熟，必然引起一場計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)的偉大技術(shù)革命。

隨著近年來CAD技術(shù)的發(fā)展和普及，已經(jīng)使得效果圖在很大程度上得到了普及。然而，效果圖只是展示平面、靜態(tài)的視覺體驗(yàn)，更無法提供交互的感覺，是一個(gè)靜態(tài)的環(huán)境。觀察者的視覺角度單一，也很被動(dòng)，也很難獲得豐富的信息。和其他用于觀看黑板的公共建筑相同，階梯教室也要求學(xué)生觀看黑板的視線不會(huì)被遮擋，要有良好的視覺效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章的主要內(nèi)容就是在理論基礎(chǔ)之上完成一個(gè)用于階梯教室視線分析、優(yōu)化及座位自動(dòng)排布的應(yīng)用程序，將理論成果應(yīng)用到實(shí)踐。本系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)部分:

1.1 學(xué)生坐席的視線分析

⑴基于用戶(建筑設(shè)計(jì)師)提供的需求，結(jié)合已有的視線分析資料(階梯教室設(shè)計(jì)與講臺(tái)技術(shù)研究所提供)，構(gòu)建面向?qū)W生視線效果的分析計(jì)算模型，此模型是此軟件的核心功能。

⑵根據(jù)編輯后的三維場景三維模型、講臺(tái)的相關(guān)數(shù)據(jù)、指定的學(xué)生坐席座椅，基于視線分析計(jì)算模型，自動(dòng)分析指定位置的視線情況(判斷是否有遮擋、遮擋率等)。提供多種視線分析功能，并提供不同視線分析的結(jié)果比較。如基于射線法的視線分析、基于深度圖的視線分析等。

⑶根據(jù)所得數(shù)據(jù)，對(duì)所有的待分析的學(xué)生座位進(jìn)行批量的視線分析，并保存分析結(jié)果。

⑷由階梯教室設(shè)計(jì)和講臺(tái)技術(shù)研究所得到的分析過程中的定量和變量。實(shí)現(xiàn)簡單的變量調(diào)整，人機(jī)交互功能。

1.2 學(xué)生座位視線優(yōu)化

⑴基于視線分析所得到的結(jié)果，聯(lián)系當(dāng)前階梯教室學(xué)生座位的實(shí)際情況，構(gòu)建成為減小學(xué)生席視線遮擋率的優(yōu)化模型。

⑵根據(jù)優(yōu)化模型計(jì)算出合適的視線升起C值，根據(jù)此值對(duì)場景中的所有座位進(jìn)行視線優(yōu)化，并在三維模擬場景中展示優(yōu)化結(jié)果。

⑶提供優(yōu)化前后的遮擋率以及座位視覺效果等級(jí)劃分的對(duì)比。

1.3 階梯教室座位的智能排布

⑴基于輸入約束值的智能排布功能。

⑵支持智能排布不同座位的排列方式。

⑶支持手動(dòng)調(diào)整排布結(jié)果。

⑷三維展示及保存排布的結(jié)果。

系統(tǒng)的需求分析實(shí)體關(guān)系圖如圖1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)實(shí)體關(guān)系圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本章分為三部分，分別介紹階梯教室學(xué)生的視線分析、優(yōu)化及座位排布的實(shí)現(xiàn)。

2.1 階梯教室視線分析的實(shí)現(xiàn)

在階梯教室的三維模擬場景中，通過鼠標(biāo)獲取的方法選擇某個(gè)座位進(jìn)行視線分析。從選中的座位的人眼位置向黑板下沿位置的細(xì)分點(diǎn)發(fā)射一組射線，每條射線分別在場景中的物體(學(xué)生和建筑物)進(jìn)行求交運(yùn)算，如果運(yùn)算結(jié)果返回交點(diǎn)，則改變當(dāng)前射線的顏色(無遮擋為綠色，有遮擋為紅色)，表示該學(xué)生在此射線方向上的視線位置存在遮擋。在系統(tǒng)界面的右上角使用HUD顯示當(dāng)前座位的視線狀況的參數(shù)。

在OSG中，osgUtil::LineSegmentIntersector繼承自于osgUtil::Intersector類，用于檢測所指定線段與模擬場景中圖形之間的相交情況，并向程序源碼提供了查詢相交測試結(jié)果的函數(shù)。該類使用兩個(gè)osg::Vec3作為線段的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，本程序中的osgUtil::LineSegmentIntersector(pStart，pEndMS)，pStart和pEndMS就是兩個(gè)osg::Vec3類型的三維空間點(diǎn)坐標(biāo)。使用viewer-＞getSceneData()-＞accept(_iv)設(shè)置參與相交檢測的模擬物體，本系統(tǒng)中使用的是場景中的所有模擬物體。然后，整個(gè)for循環(huán)遍歷所有視線，完成一組視線的遮擋檢測。如圖2-1所示。

圖2-1 視線分析

2.2 階梯教室視線優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

在階梯教室視線分析的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生席視線產(chǎn)生嚴(yán)重遮擋的階梯教室進(jìn)行座位排布優(yōu)化。

在手動(dòng)優(yōu)化過程中，首先要做的就是要獲取當(dāng)前模擬場景中階梯教室的類型，也就是判斷是否存在橫向的走道;第二步則是要針對(duì)不同類型的階梯教室選擇不同的優(yōu)化方法來計(jì)算得到優(yōu)化后的座位位置;第三步:設(shè)置用于控制座位排布范圍的約束條件;第四步則是在三維模擬場景中重置階梯教室中所有座位的位置，使得優(yōu)化后的結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)的展現(xiàn);第五步要對(duì)優(yōu)化后的座位重新進(jìn)行視線分析;第六步對(duì)照優(yōu)化前后的遮擋率或者合格座位占座位總數(shù)的百分比。如果建筑設(shè)計(jì)師對(duì)優(yōu)化的結(jié)果滿意，那么進(jìn)行第七步，輸出優(yōu)化結(jié)果，最后優(yōu)化完成。如果建筑設(shè)計(jì)師對(duì)優(yōu)化結(jié)果并不滿意，那么返回至第二步，調(diào)整約束條件，重復(fù)整個(gè)過程直到滿意。

而自動(dòng)優(yōu)化過程，則采用“先計(jì)算，再調(diào)整”的方法進(jìn)行優(yōu)化。先針對(duì)當(dāng)前模擬階梯教室選取合適的C值，根據(jù)C值計(jì)算出理想狀態(tài)下的座位高度，在這基礎(chǔ)上再根據(jù)約束條件對(duì)座位位置進(jìn)行調(diào)整，并不斷重復(fù)這個(gè)過程，直到得到所有座位遮擋率之和最小的一種排布方式。這時(shí)重置模擬場景中座位位置并進(jìn)行視線分析，然后對(duì)比優(yōu)化前后的變化，輸出優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化過程如圖2-2所示。

圖2-2 優(yōu)化過程

優(yōu)化后的階梯教室視線分析結(jié)果如圖2-3所示。

圖2-3 優(yōu)化后展示圖

2.3 階梯教室座位排布的實(shí)現(xiàn)

本文采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法將階梯教室坐席排布的關(guān)鍵部分參數(shù)化，通過在軟件對(duì)話框中輸入關(guān)鍵參數(shù)的方式完成整個(gè)階梯教室的坐席排布。教室的各項(xiàng)參數(shù)，輸入完成后使用Qt的消息觸發(fā)機(jī)制，將所獲得的參數(shù)傳給函數(shù)seatArrange()，該函數(shù)根據(jù)獲得的參數(shù)進(jìn)行座位排布。排布過程中使用三角形數(shù)解法計(jì)算每一排的視線升起值，利用for循環(huán)迭代所有排數(shù)，完成三維虛擬場景中的座位排布。排布結(jié)果如圖2-4所示。

圖2-4 排布結(jié)果三維效果圖

3 總結(jié)

本文介紹了階梯教室視線仿真分析優(yōu)化及智能排布系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能的實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的視線設(shè)計(jì)方法，該方法更便捷直觀、更逼真、更可靠。通過數(shù)據(jù)模擬獲得建筑的最佳數(shù)據(jù)量。

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