虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究

婁 健 康

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州 450003)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究

婁 健 康

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州 450003)

以某結(jié)構(gòu)工程虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與研究為課題，融合紋理映射學(xué)、計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實等多個交叉學(xué)科的先進理論技術(shù)，探討了基于Quest3D引擎的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及解決實際問題的方案，并制作出該結(jié)構(gòu)工程虛擬現(xiàn)實三維可視化仿真系統(tǒng)，有利于設(shè)計人員在虛擬建筑物內(nèi)漫游，驗證自己設(shè)計的建筑物是否合適。

結(jié)構(gòu)工程，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，Quest3D

0 引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)。VR是一項綜合集成技術(shù)，生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者，通過適當(dāng)裝置對虛擬世界進行體驗和交互[1，2]。在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)規(guī)劃中，結(jié)構(gòu)的整體效果越來越多的被設(shè)計人員考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞已經(jīng)不是從建筑物本身去評判，需要綜合考慮建筑在整個建筑群中的位置、高度、色調(diào)，以及城市綠地等一些可供休閑的場所。利用虛擬現(xiàn)實進行結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就能以可視的、動態(tài)的方式全方位展示建筑物所處的地理環(huán)境、建筑物外貌和各種附屬設(shè)施，可以讓設(shè)計人員在虛擬建筑物內(nèi)漫游，驗證自己設(shè)計的建筑物是否合適。城市規(guī)劃對于展示城市規(guī)劃、宣傳城市建設(shè)、提升城市形象、幫助有關(guān)人員作出決策，有著巨大的促進作用[3]。

本文利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對某工程進行設(shè)計和開發(fā)，結(jié)合工程動畫實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程中的水利樞紐部分施工新工藝的動畫瀏覽、漫游及人機交互功能。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合利用計算機系統(tǒng)的各種顯示器和控制接口設(shè)備，在計算機上完成擁有人機交互功能的虛擬環(huán)境[4，5]。該技術(shù)具有三個特征[6]：沉浸性，是指用戶在開發(fā)者創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中獲得身臨其境的沉浸感;交互性，是指用戶可以與多種傳感器和多維化信息環(huán)境發(fā)生人機交互;構(gòu)想性，是指用戶可以沉浸于高仿真的虛擬環(huán)境中并與系統(tǒng)進行人機交互，并在此基礎(chǔ)上對認(rèn)識產(chǎn)生質(zhì)的飛躍從而產(chǎn)生新的構(gòu)想。

1.2 Quest3D虛擬平臺相對于其他開發(fā)引擎的優(yōu)勢

基于Quest3D平臺的虛擬現(xiàn)實平臺與其他平臺比，能在可視化的編輯環(huán)境中與開發(fā)者進行互動，在編譯通道邏輯的過程中隨時查看系統(tǒng)運行結(jié)果。擁有強大、可視化工作流程，可以處理二維、三維圖形、聲音文件、網(wǎng)絡(luò)文件、數(shù)據(jù)庫文件、人機交互，它是虛擬現(xiàn)實中設(shè)計軟件的巨擘。使用Quest3D，用戶可以輕松建構(gòu)出滿足系統(tǒng)要求的實時三維互動世界[7]。

1.3 Quest3D編程技術(shù)

普通編程：在通道編輯器的通道編輯面板中按照Quest3D規(guī)則進行通道編輯，采用節(jié)點編程法集成虛擬系統(tǒng)，節(jié)點通道運行順序是從上到下從左到右。分為以下三種：

1)三維模型渲染模塊的編程，實現(xiàn)模型在Quest3D中實時渲染，主要由相機模塊、模型模塊、燈光模塊組成。

2)界面制作模塊的編程。

3)附屬功能模塊的編程，在系統(tǒng)中加入工程動畫、人文資料、圖片資料、聲音等信息時。

面向?qū)ο缶幊蹋篞uest3D引入了兩個與之相關(guān)的界面元素OO Editor和Interface視窗，使用Quest3D自帶的節(jié)點、通道和邏輯規(guī)則在OO Editor中通過添加接口和類的方式將復(fù)雜的普通編程簡化。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某結(jié)構(gòu)工程特色是其水利樞紐工程建造在市區(qū)內(nèi)，水利樞紐由土石壩、泄洪閘、電站廠房等三大部分組成。土石壩部分的最大壩高是16.5 m，水庫總庫容4.59億m3，電站裝機三臺，總裝機容量為7萬kW。此外該工程還具有基于曲面流線組織設(shè)計的采用金屬板和玻璃構(gòu)件外裝飾材料的大型文體中心、商務(wù)商業(yè)中心和東區(qū)居住區(qū)中心等。

2.2 系統(tǒng)模擬目標(biāo)

利用Quest3D虛擬仿真平臺，實現(xiàn)場景模型點、線、面以及實體的不同顯示方式；實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動漫游和手動漫游，通過兩種漫游方式使用戶更加深入的了解某城市的規(guī)劃概況；實現(xiàn)場景切換功能，準(zhǔn)確表達(dá)主要建筑物如土石壩、電站廠房、泄洪閘部分；實現(xiàn)實時特效功能，方便的查看城市的雨和雷電效果、霧效、晝夜交替效果；系統(tǒng)操作簡單方便，模擬精細(xì)；城市人文屬性的顯示；最后系統(tǒng)以對計算機軟硬件配置要求較低的EXE格式的執(zhí)行文件進行輸出。

2.3 系統(tǒng)界面制作

Quest3D軟件制作GUI的原理有兩種：

1)使用軟件自帶的GUI通道的Button通道，并設(shè)置Button模塊的GUISkin通道的輸入?yún)?shù)控制按鈕貼圖樣式、位置、大小、觸發(fā)狀態(tài)。

2)使用基本相機渲染法，將Quest3D在基本相機渲染模式下的基本物體附上按鈕貼圖，通過通道的互相調(diào)用與連接來自制按鈕，然后調(diào)用一個ChannelSwitch開關(guān)來完成不同按鈕貼圖的切換，實現(xiàn)按鈕觸發(fā)狀態(tài)變換，繼而通過Quest3D中的數(shù)學(xué)運算通道Expression Value通道和Set Value通道的結(jié)合來完成按鈕邏輯的集成。由于Quest3D中制作的按鈕位置坐標(biāo)是一個相對坐標(biāo)，不能精確滿足客戶對界面的需求，為了使界面更好自適應(yīng)，選用自制按鈕來制作GUI界面。

鑒于以上各個部分的子程序都是單獨編程設(shè)計的，每個子程序都可作為獨立的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)而開發(fā)，子系統(tǒng)開發(fā)完畢后，我們需要將各個子程序封裝公有化，繼而在主控制面板上根據(jù)子程序的邏輯關(guān)系集成主程序。制作好的主界面邏輯及部分一級菜單邏輯、部分二級菜單邏輯、部分三級菜單邏輯分布圖見圖1。

3 結(jié)語

本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上論述虛擬現(xiàn)實技術(shù)與結(jié)構(gòu)工程相結(jié)合的意義。基于Quest3D軟件平臺，在Quest3D關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)下，采用模塊化的編程設(shè)計來實現(xiàn)場景漫游模塊、場景模型顯示方式模塊、場景實時時效模塊、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與工程動畫相結(jié)合等模塊的集成。

[1] 魏 群,姜 華,彭運動.虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)與應(yīng)用[A].2009年全國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會論文集[C].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會,2009:7.

[2] JohnV.Virtual Reality System[M].UN:Addison Wesley Publishing Company,1995.

[3] 楊 旻.基于MultiGen的真實感虛擬場景繪制研究[D].北京：北京交通大學(xué),2007.

[4] 湯全武.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,23(3):258-261.

[5] 縣小平.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述與發(fā)展趨勢[J].福建電腦,2008(3):40,75.

[6] 巨 鵬,景興淇,王志勇,等.虛擬設(shè)計與虛擬現(xiàn)實概述[J].科技信息,2011(26):286.

[7] 路朝龍.Quest3D從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

The application of virtual reality technology in structural engineering and research

Lou Jiankang

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The subject of this paper is the application and research about the virtual reality 3D visualization simulation system, the narrative of this paper is the 3D model method which describes the big scene of the city. Finally, we make a virtual reality visualization simulation city system. So as to enhance the design personnel to wander in the virtual buildings and prove whether the buildings designed by them are suitable or not.

structural engineering, virtual reality system, Quest3D

1009-6825(2017)21-0257-02

2017-05-15

婁健康(1987- )，男，碩士，助理工程師

TP319

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