三維仿真技術(shù)在鐵路培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓 龍

（呼和浩特鐵路局 信息技術(shù)所，助理工程師，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路設(shè)備的安全更加引人關(guān)注，同時(shí)，鐵路新線大量建設(shè)和新職人員不斷增加，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修時(shí)間緊迫、現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)施演練等因素，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的業(yè)務(wù)水平以及設(shè)備維修能力提出更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備維護(hù)和橋修的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，提高作業(yè)人員處理故障的效率，開發(fā)一套基于熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)、掌握常見故障處理方法、規(guī)范作業(yè)流程的三維仿真系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 三維仿真技術(shù)介紹

三維仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR）的一部分，是一種創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)〔1〕。它通過對(duì)實(shí)體進(jìn)行三維計(jì)算和圖形處理而構(gòu)成三維數(shù)字模型，編制到計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，并利用三維引擎將模型進(jìn)行一定的組織和再現(xiàn)，使用戶體驗(yàn)到身臨其境的感覺，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。三維仿真技術(shù)研究已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，并隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及三維Web技術(shù)的發(fā)展，其表現(xiàn)形式更加真實(shí)、直觀、生動(dòng)〔2〕。三維技術(shù)廣泛應(yīng)用在資源環(huán)境模型、地形模擬、CAD輔助設(shè)計(jì)、影視特技、廣告設(shè)計(jì)等方面。它具有可視化程度高、表現(xiàn)形式靈活多樣、動(dòng)態(tài)感和真實(shí)感強(qiáng)、資料更新方便等優(yōu)點(diǎn)，還可以應(yīng)用于政府輔助決策、防洪減災(zāi)、地形勘查與野外作業(yè)設(shè)計(jì)、水電、建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與選址、環(huán)境評(píng)估、城市與社區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、房屋裝修設(shè)計(jì)、旅游景點(diǎn)規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、生物、大氣及軍事等各個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)與圖形、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字產(chǎn)品三維化已經(jīng)成為當(dāng)今信息產(chǎn)品的一大趨勢(shì)〔3〕。

三維仿真技術(shù)，通常與圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻、音頻技術(shù)、光學(xué)電子學(xué)處理技術(shù)一同應(yīng)用于各種仿真模擬系統(tǒng)的開發(fā)當(dāng)中。三維模型的建立包括設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)形狀、紋理效果、光照效果、相關(guān)位置、整體環(huán)境效果等〔4〕。應(yīng)用三維引擎將模型按照實(shí)體的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行可視化模擬再現(xiàn)，也可以通過數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔以及其他虛擬現(xiàn)實(shí)硬件，提供全新的交互方法。

2 三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，應(yīng)用三維仿真技術(shù)開發(fā)鐵路培訓(xùn)系統(tǒng)，通過建立設(shè)備模型，依據(jù)實(shí)際作業(yè)辦法，詳細(xì)演示設(shè)備結(jié)構(gòu)、日常維護(hù)方法、常見故障處理等內(nèi)容，形成一套集學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試3種模式的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 系統(tǒng)3種模式登錄窗口

2.1 學(xué)習(xí)模式 該模式以音頻、視頻、解說等方法對(duì)設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程、檢修方法進(jìn)行說明，主要讓職工了解設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，并提供設(shè)備的拆裝過程，可以對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行全方位的觀察。學(xué)習(xí)模式以解說的方式引導(dǎo)培訓(xùn)人員按照標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方法，對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常的維護(hù)和檢修。如學(xué)習(xí)色燈信號(hào)機(jī)檢修時(shí)登錄窗口見圖2所示。

圖2 色燈信號(hào)機(jī)檢修登錄窗口

2.2 練習(xí)模式 練習(xí)模式為培訓(xùn)人員提供虛擬的操作體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提高職工實(shí)踐動(dòng)手操作能力，按照學(xué)習(xí)模式的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行規(guī)范的操作，對(duì)每一步操作都會(huì)有語(yǔ)音提示，如果操作錯(cuò)誤，會(huì)及時(shí)提示進(jìn)行更正，幫助職工掌握標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方法。TDCS故障處理模塊練習(xí)見圖3所示。

圖3 TDCS故障處理模塊練習(xí)

2.3 考試模式 考試模式作為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)、練習(xí)效果和培訓(xùn)質(zhì)量的考核方法，將標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程的每一步依據(jù)各自的重要性和安全性劃分為相應(yīng)的分?jǐn)?shù)值，職工在沒有任何提示的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有的維護(hù)檢修項(xiàng)目，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)人員的操作是否正確給出最后的得分，并記錄在職工培訓(xùn)教育考核中。

3 設(shè)備模型建立

本系統(tǒng)采用3dsMax對(duì)設(shè)備進(jìn)行三維建模、圖片渲染以及動(dòng)畫制作。3dsMax是Autodesk公司推出的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，具有性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、對(duì)硬件系統(tǒng)的要求相對(duì)較低等特點(diǎn)。該軟件提供建模、動(dòng)畫制作等工具，廣泛應(yīng)用于電影電視后期特效、游戲、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、多媒體制作與輔助教學(xué)等領(lǐng)域。

3.1 建模步驟 采用3dsMax建立模型的過程基本按照以下4個(gè)步驟進(jìn)行：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。由于本系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，模型主要為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，操作流程為標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方法，因此在前期準(zhǔn)備工作中，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行全方位的圖片采集，盡可能多的獲取設(shè)備的幾何參數(shù)以及特征。并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程錄制教學(xué)視頻，為系統(tǒng)開發(fā)者提供制作依據(jù)。

2）設(shè)備結(jié)構(gòu)分析。設(shè)備結(jié)構(gòu)分析是建立模型前非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，避免后期進(jìn)行交互設(shè)計(jì)時(shí)的重復(fù)修改。首先對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真的分析和合理的分解，確定三維建模時(shí)采用的層次結(jié)構(gòu)。其次要根據(jù)各模塊的腳本，了解設(shè)備的動(dòng)作原理，確定模型的動(dòng)畫制作方法。實(shí)體照片與設(shè)備模型如圖4所示。

圖4 實(shí)體照片與模型對(duì)照

3）模型建立。在獲取了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并分析設(shè)備結(jié)構(gòu)后，通過3dsMax軟件建立設(shè)備模型，在建模過程中要按照模塊腳本需要，對(duì)有動(dòng)畫、需要拆分的模型要單獨(dú)制作。對(duì)模型進(jìn)行UV貼圖，并根據(jù)需要設(shè)置光源進(jìn)行烘焙，并制作動(dòng)畫。矮型信號(hào)機(jī)設(shè)備的模型貼圖前后如圖5所示。

圖5 矮型信號(hào)機(jī)設(shè)備模型

4）模型優(yōu)化。模型優(yōu)化是對(duì)模型進(jìn)行后期處理，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的大小、運(yùn)行速率以及對(duì)操作系統(tǒng)的環(huán)境要求。由于三維引擎在組織模型時(shí)要計(jì)算模型的個(gè)數(shù)以及三角面數(shù)，因此模型優(yōu)化通常是對(duì)模型進(jìn)行合理的合并以及刪除多余面和不可見的面，使模型的個(gè)數(shù)與面數(shù)盡量的少。

3.2 建模原則與技巧 三維模型的質(zhì)量對(duì)于虛擬仿真系統(tǒng)是十分重要的，采用良好的建模規(guī)范以及原則技巧，都將為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供有力的保障。對(duì)模型命名、貼圖文件等都要規(guī)范操作，并按照實(shí)體分類對(duì)模型分層次管理〔5〕。

1）在三維建模中，原則上模型的個(gè)數(shù)和面數(shù)越少越好，這樣有利于提高系統(tǒng)的運(yùn)行速率。因此在保證模型的可視化效果下，盡量減少模型的個(gè)數(shù)和面數(shù)。建模采用簡(jiǎn)模的方法，在滿足光滑柔和的效果條件下盡量分段數(shù)要小，也可使用曲面工具和改進(jìn)的NURBS技術(shù)制作復(fù)雜模型。多個(gè)模型以及一類模型盡量選用同一張貼圖，以便模型的塌陷和合并，以達(dá)到減少模型個(gè)數(shù)的目的。

2）在制作貼圖文件時(shí)，要盡量壓縮紋理，并采用tga的格式，貼圖文件的像素大小應(yīng)為2的N次冪，有利于模型的最優(yōu)化顯示和縮短渲染貼圖的時(shí)間，同時(shí)這樣保證實(shí)時(shí)渲染時(shí)跳幀率較低和圖像的連續(xù)性最高。

3）對(duì)顯示效果要求高的場(chǎng)景，可以通過建立復(fù)雜的模型，加入光照等特效后再渲染出效果圖，用其作為仿真模型的貼圖，制作天空盒，可以取得很好的視覺效果，信號(hào)機(jī)所在的場(chǎng)景中天空、山、樹木和圍欄是利用貼圖文件建立的。如圖6所示。

圖6 信號(hào)機(jī)場(chǎng)景

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于呼和浩特局的職工培訓(xùn)當(dāng)中，為鐵路職工培訓(xùn)提供了新方法，緩解大量新職人員入路培訓(xùn)的壓力，縮短了培訓(xùn)周期，降低了培訓(xùn)成本，提高了培訓(xùn)效率。系統(tǒng)中逼真的虛擬環(huán)境讓培訓(xùn)人員猶如身臨現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理有了更全面的認(rèn)識(shí)，并通過設(shè)備常見故障案例庫(kù)的學(xué)習(xí)，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理的能力和專業(yè)技能及業(yè)務(wù)水平。本系統(tǒng)可以方便的加入新增設(shè)備模塊，增加培訓(xùn)內(nèi)容。并可以擴(kuò)展功能，利用數(shù)據(jù)手套等交互工具對(duì)三維模型進(jìn)行體感操作，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

〔1〕余莉，王乘.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字校園三維仿真系統(tǒng)〔J〕.計(jì)算機(jī)仿真，2004，21（4）:98-101.

〔2〕劉渭潔.建立實(shí)用型三維地理信息系統(tǒng)〔J〕.中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)，1999，4（A）（1）:72-75.

〔3〕孫敏，陳軍.三維城市模型的數(shù)據(jù)獲取方法評(píng)述〔J〕.測(cè)繪通報(bào)，2000，（11）:4-6.

〔4〕余明，過靜珺.三維仿真虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用〔J〕.測(cè)繪科學(xué)，2004，29（3）:52-54.

〔5〕趙玲.基于3DMAX的模型優(yōu)化的而研究〔J〕.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，26（10）:66-68.