基于OpenGL的涵洞三維可視化系統(tǒng)的研究

王功琰，王子茹

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，越來越多的公路和水利工程項目需要開展，而涵洞作為公路工程和水利工程中的重要附屬建筑物，在其設(shè)計上已改變了傳統(tǒng)的手工設(shè)計方法，實現(xiàn)了二維計算機輔助設(shè)計(CAD)。但是并沒有改變設(shè)計成果不直觀的狀況。計算機科學(xué)可視化技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計者和決策者提供了可視化仿真模型，以便在工程設(shè)計階段就能看到建成后的工程情景［1］。所以，工程設(shè)計成果三維可視化技術(shù)日益受到工程界的重視。文獻［2］提出了以AutoCAD為圖形平臺，引入道路信息模型(RIM)概念，采用ObjectARX技術(shù)開發(fā)了三維涵洞設(shè)計CAD。文獻［3］研究了三維隧道CAD系統(tǒng)，設(shè)計中采用了三維可視化技術(shù)，實現(xiàn)了隧道洞門的三維動態(tài)交互式設(shè)計功能。國外關(guān)于涵洞三維可視化的研究主要是作為道路工程中的附屬物來研究，缺乏針對性，同時其設(shè)計思路不適應(yīng)我國的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計習(xí)慣，而二次開發(fā)工作也僅限于系統(tǒng)的外圍開發(fā)，很難涉及到系統(tǒng)的內(nèi)核。

由于涵洞工程自身的特點，目前三維可視化研究的并不多?；谶@樣一種現(xiàn)實背景，本文提出基于OpenGL的涵洞三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MFC應(yīng)用框架，采用OpenGL三維圖形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［4］(SL191－2008)完成洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計、驗算校核以及三維配筋，實現(xiàn)設(shè)計成果可視化表達，旨在為涵洞三維設(shè)計提供新方法和途徑。

1 基于OpenGL的涵洞三維可視化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總框架

根據(jù)該系統(tǒng)的功能將其分成三大模塊:參數(shù)化建模模塊、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊、自動繪圖模塊，每一模塊下設(shè)有二級菜單。系統(tǒng)總框架如圖1所示，系統(tǒng)總界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總框架

圖2 系統(tǒng)總界面

每一模塊的功能如下:

1.1.1 參數(shù)化模塊

功能:通過交互式輸入?yún)?shù)完成涵洞的三維建模。

本系統(tǒng)建模數(shù)據(jù)完全依據(jù)實際工程中工程布置和水力設(shè)計形成的二維平面尺寸，即依據(jù)設(shè)計流量、進出口水深來確定洞身斷面尺寸。圖3為蓋板涵參數(shù)化輸入對話框。

1.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊

功能:輸入基本參數(shù)完成荷載、內(nèi)力、配筋、校核等自動計算。

該模塊計算依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191－2008)、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等相關(guān)規(guī)范編制［4－5］，其中包括荷載計算、內(nèi)力計算、配筋計算、校核驗算等。圖4為單孔蓋板涵的內(nèi)力計算簡圖。

圖3 參數(shù)化輸入對話框

圖4 單孔蓋板涵洞計算簡圖

洞身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算:進行正截面受彎承載能力極限狀態(tài)計算，計算步驟如下:

(1)計算截面矩抵抗系數(shù)αs。

(2)根據(jù)αs值計算受壓區(qū)相對高度ξ。

(3)如果ξ值不能滿足使用條件ξ≤ξb，則需要加大截面尺寸或提高混凝土強度等級重新計算;如果滿足使用條件則按式(3)計算受拉鋼筋面積As。

式中:As為縱向受拉鋼筋面積(mm2);fy為普通鋼筋抗拉強度設(shè)計值(N/mm2)。

經(jīng)過計算和校核后自動實現(xiàn)三維配筋，并結(jié)合三維線框模型完成三維顯示。結(jié)構(gòu)設(shè)計對話框如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)計算對話框

1.1.3 自動繪圖模塊

功能:在MFC應(yīng)用程序框架的視類CCulvert-View中來完成三維模型和三維配筋的繪制、更新、旋轉(zhuǎn)、縮放等。

本系統(tǒng)任何物體的繪制都在View類Render-Scene()中完成的，為了方便管理和識別，特別添加對應(yīng)的繪制函數(shù)如DrawSlabculvert()、DrawSteel()來分別繪制蓋板涵洞模型和三維鋼筋。

1.2 三維可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.2.1 基于MFC的OpenGL應(yīng)用程序框架

VC++是一個目前功能最為強大的程序開發(fā)平臺之一。利用MFC程序框架進行應(yīng)用程序設(shè)計，是VC++最有效、最強大的部分。利用VC++中AppWizard工具生成一個基于單文檔的應(yīng)用程序框架，并設(shè)置OpenGL圖形繪制環(huán)境［6］，創(chuàng)建三維動態(tài)空間。

(1)首先將需要的GLUT頭文件，DLL和Lib文件拷貝至相應(yīng)文件夾，并將glut32.dll和 glut.dll放到所創(chuàng)建的應(yīng)用程序的運行目錄下。

圖6 加入鏈接庫文件

(2)創(chuàng)建一個MFC SDI應(yīng)用程序，命名為Culvert，并在項目屬性中加入所需要鏈接的庫文件，如圖6所示。(3)設(shè)置窗口風(fēng)格、建立像素格式和繪制上下文，實現(xiàn)初始化 OpenGL，在 InitializeOpenGL()中創(chuàng)建一個設(shè)備上下文(DC)，為這個DC選擇一個像素格式，創(chuàng)建和這個DC相關(guān)的繪制上下文(RC)，然后選擇這個RC。這個函數(shù)會調(diào)用SetupPixelFormat()來建立像素格式。

(4)設(shè)置視口和視錐，基本操作包括設(shè)置視口，選擇投影矩陣，設(shè)置模型視圖矩陣［7］。最后設(shè)置繪制場景，包括清空緩存、繪制場景、Flush渲染流水線，若設(shè)置了雙緩沖，則交換前后臺緩沖區(qū)。

至此便完成了三維動態(tài)空間的創(chuàng)建。

1.2.2 圖元的繪制與編輯

在OpenGL中，所有幾何圖元最終都是由這些圖元的頂點(vertex)來描述的。使用glVertex*()函數(shù)來指定頂點。同時可以在調(diào)用函數(shù)之前，可以為所指定的頂點指定顏色、法線方向、邊界標(biāo)志、紋理坐標(biāo)等。這些頂點連同頂點信息將被組合成圖元。

為了使可視化模塊提供的視圖變換、投影變換、裁剪變換、視區(qū)變換等功能，實現(xiàn)動態(tài)視圖，從而可以變換屏幕上圖形的顯示方式，更清楚地表現(xiàn)三維模型的物理和幾何特性。在OpenGL中要實現(xiàn)這些功能就要利用矩陣操作來實現(xiàn)的。常用的矩陣函數(shù)包括glPushMatrix()、glPopMatrix()等，前者保存當(dāng)前矩陣，后者拋出當(dāng)前矩陣。

1.2.3 數(shù)據(jù)交互式輸入

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互式輸入，VC++中通過Do-DataExchange(CDataExchange* pDX)完成對話框類和對話框控件的數(shù)據(jù)交換，如圖7所示。MFC提供了類CDataExchange來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換(DDX)，該類還提供數(shù)據(jù)有效機制(DDV)。調(diào)用UpdateData(TRUE)時，將數(shù)據(jù)從控件傳遞給相應(yīng)的關(guān)聯(lián)成員變量，調(diào)用UpdateData(FALSE)時，將數(shù)據(jù)從成員變量返回到相應(yīng)控件中［8］。

圖7 成員變量與控件的數(shù)據(jù)交換

1.2.4 圖像處理技術(shù)

(1)顏色

OpenGL所執(zhí)行的所有計算(涉及OpenGL函數(shù)、狀態(tài)信息和參數(shù)值)就是確定將要在窗口中繪制的每個像素的最終顏色［9］。在彩色計算機屏幕上，硬件裝置使屏幕上的每個像素發(fā)射不同數(shù)量的紅、綠、藍。這幾種顏色的數(shù)量分別被稱為R、G和B值。R、G和 B值的范圍從0.0(無)到1.0(完全強度)。

用于指定物體的顏色的命令如下:

(2)光照

OpenGL計算最終顯示的場景中每個像素的顏色。這種計算工作包括:創(chuàng)建光源，激活光照和光源，以及定義物體的材質(zhì)。創(chuàng)建光源是要定義光源的特征，物體的材質(zhì)則與光源一起決定到達人眼的光的顏色。若光源顏色為(LR，LG，LB)，材質(zhì)顏色為(MR，MG，MB)，則到達人眼的顏色為(LR*MR，LG*MG，LB*MB)。

光源具有幾種屬性，例如顏色、位置和方向等。用于指定所有光源屬性的函數(shù)式glLight*()。它的3個參數(shù)確定了它所指定的是哪個光源屬性、具體的屬性以及這個屬性的預(yù)想值。依據(jù)計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，設(shè)置材質(zhì)、顏色以及光照等完成三維模型顯示和渲染。

2 工程實例

某單孔鋼筋混凝土無壓蓋板涵洞，蓋板頂面至填土頂面的最大填土高度Hd=2.0 m，填土內(nèi)摩擦角 φ =30°，洞身凈寬 B=2.0 m，凈高 H=2.0 m，蓋板厚d2=0.2 m，側(cè)墻與底板為整體式連接，底板厚d1=0.3 m，側(cè)墻為等厚d3=0.25 m。地基為密實砂類土，地下水位低于洞底無地面荷載。洞身橫剖面結(jié)構(gòu)尺寸如圖8所示。

圖8 洞身結(jié)構(gòu)尺寸

本涵洞的過水流量為5.5 m3/s，洞長10 m，按最新規(guī)范規(guī)定，相應(yīng)建筑物級別為4級。洞身混凝土強度等級采用C20。試計算洞身蓋板、側(cè)墻、底板各控制截面的內(nèi)力并進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算。

2.1 三維建模

根據(jù)所給蓋板涵各構(gòu)件的尺寸，依次交互式輸入蓋板、側(cè)墻、底板以及端墻等。圖9為三維線框模型。

圖9 三維線框模型

2.2 三維配筋

本例為鋼筋混凝土蓋板涵，蓋板、側(cè)墻及底板的內(nèi)力除彎矩外，還有軸力。由于蓋板涵洞的規(guī)模較小，彎矩值也相對較小，為簡化計算，鋼筋混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)計算時，可不考慮軸向力影響。蓋板、側(cè)墻及底板均近似按受彎構(gòu)件計算，計算結(jié)果偏于安全。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［4］(SL191－2008)分別進行正截面承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算，圖10為三維配筋圖。

最后結(jié)合OpenGL渲染技術(shù)實現(xiàn)涵洞三維模型渲染，如圖11所示。

圖10 三維配筋

圖11 三維渲染模型

3 結(jié)語

在工程設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計手段從傳統(tǒng)的手工繪圖到二維計算機輔助設(shè)計，再到三維可視化設(shè)計，無不依賴于計算機硬件的提升和可視化技術(shù)的發(fā)展。本文基于MFC應(yīng)用程序框架，采用開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，研究基于OpenGL涵洞三維可視化系統(tǒng)，通過實例實現(xiàn)了蓋板涵洞三維可視化，此項研究對涵洞前期設(shè)計的方案比選有一定應(yīng)用價值。

［1］王子茹.堤壩透視投影及圖形可視化研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［2］劉國圖，周 淼，郭騰峰.基于道路信息模型(RIM)技術(shù)的三維涵洞CAD系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.交通科技，2010，(B07):1-5.

［3］郭幼蓓，劉向陽，郭騰峰.三維隧道CAD系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用［J］.交通科技，2010，(B07):44-47.

［4］中華人民共和國水利部.SL191—2008.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［5］龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程:II［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［6］郭兆榮，李 菁，王 彥.Visual C++OpenGL應(yīng)用程序開發(fā)［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［7］安杰爾，吳文國.交互式計算機圖形學(xué):基于OpenGL的自頂向下方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［8］孫 鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［9］楊淑瑩.VC++圖像處理程序設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.