摘要：隨著水電事業(yè)的發(fā)展和社會的不斷信息化，水電站建設(shè)周期越來越短，并逐步走向數(shù)字化。水電站廠房是水利樞紐的核心組成部分，包涵了大量的數(shù)據(jù)和信息，運用普通靜態(tài)、二維的圖表對它們進行描述，會產(chǎn)生直觀性差，其三維特征不能被充分揭示等問題。該文論述了采用四川官地水電站設(shè)計圖紙和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)為原始素材，基于3D引擎Virtools開發(fā)水電站可視化系統(tǒng)的過程和研究方法。這個系統(tǒng)實現(xiàn)了交互式的廠房漫游，用戶通過簡單的操作即能觀察到水電站地下廠房各個部分的結(jié)構(gòu)特征。

關(guān)鍵詞：可視化；Virtools；三維仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2464-03

1 3D引擎Virtools簡介

Virtools是達索公司的整合三維互動技術(shù)軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。它具備豐富的互動行為模塊能進行實時3D環(huán)境虛擬實境編輯，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機游戲、多媒體、建筑設(shè)計、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。它是一個開放的平臺，內(nèi)置500多個行為交互模塊（Building Block簡稱BB），利用這些BB組合可以定義各種場景和物體的運動方式。將BB賦予漫游場景中的Object（對象）和漫游角色Character（虛擬角色），以流程圖（在BB之間建立連接線）的方式?jīng)Q定多個BB行為交互模塊的邏輯結(jié)構(gòu)和執(zhí)行順序（順序、分支、循環(huán)），運用這種交互腳本設(shè)計實現(xiàn)可視化系統(tǒng)開發(fā)。除此之外用戶還可以運用內(nèi)置的VSL語言定義自己的算法和物體運動的方式，也還能運用Virtools SDK開發(fā)特定需要的功能BB。詳細內(nèi)容見參考文獻[1]。

2 三維模型的創(chuàng)建和效果處理

2.1 廠房三維模型的創(chuàng)建

三維模型是水電站廠房可視化系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，三維模型包含水電站廠房和廠房內(nèi)部的發(fā)電設(shè)備。由于Virtools是一套整合軟件，不是專業(yè)的建模和視覺效果處理軟件，需要借助常用的大型三維建模軟件和高效的渲染引擎進行三維模型的創(chuàng)建和視覺效果的處理，通過分析比較筆者選用Auto CAD進行水電站廠房土建部分三維模型的創(chuàng)建，選用CATIA對廠房內(nèi)部重要設(shè)備水輪發(fā)電機的三維模型進行創(chuàng)建，場景中虛擬人物模型和人物骨骼動畫應(yīng)用3Ds Max來創(chuàng)建。模型的創(chuàng)建過程在本文不詳細敘述，關(guān)于水電站三維模型的創(chuàng)建及優(yōu)化見參考文獻[2]。

2.2 模型效果處理

利用3Ds max對廠房模型各個不同的部分賦予與其相對應(yīng)的材質(zhì)和貼圖，如土建部分的墻壁、柱子、襯砌，需要調(diào)節(jié)出相應(yīng)的混凝土材質(zhì)賦予，機械設(shè)備需要調(diào)節(jié)出相應(yīng)的金屬材質(zhì)賦予，最后調(diào)節(jié)廠房模型內(nèi)部的燈光效果和渲染參數(shù)進行渲染。

3 可視化系統(tǒng)功能設(shè)置與實現(xiàn)

廠房交互漫游主要目地是模擬現(xiàn)實環(huán)境，用較少的資源消耗以適當?shù)男问奖憩F(xiàn)最真實的廠房內(nèi)部環(huán)境，讓操作人員和觀摩人員不必進入廠房就能了解到廠房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓進入過廠房的工作人員在觀摩后能更加熟悉和了解廠房的構(gòu)造。交互漫游三個基本要素為漫游場景、漫游角色、漫游視角。漫游角色在限定的漫游場景中運動，漫游視角與漫游人物綁定，漫游場景被漫游的視角投影到電腦屏幕的窗口上。

3.1 漫游角色交互控制

3.2 第一人稱視角和第三人稱視角的設(shè)計

第一人稱視角和第三人稱視角都是相對于場景中的虛擬人物來說的，第一人稱視角相當于虛擬人物的眼睛看到的影像，第三人稱視角相當于跟隨著虛擬人物的“他”看到的影像，這些視角影像是通過獲取數(shù)字模型信息進行投影變換，將三維模型投影到計算機的二維顯示屏上得到的，投影變換原理與程序算法實現(xiàn)見參考文獻[4]。在Virtools中是用兩個攝像機來表現(xiàn)這兩個視角的，第一人稱視角的攝像機放置在虛擬人物的頭部并隨著人物運動，而第三人稱攝像機則跟隨在虛擬人物的周圍并以虛擬人物為焦點。這兩個攝像機所呈現(xiàn)出的影像就分別為第一人稱視角和第三人稱視角的影像，如圖4和圖5所示。

3.3 場景漫游的實現(xiàn)

4 作品發(fā)布

基于Virtools平臺開發(fā)的三維仿真系統(tǒng)有三種發(fā)布方式。一種是直接將整個系統(tǒng)以 CMO文件格式保存，這種文件只有載入Virtools中才可以進行單機的虛擬漫游； 第二種是將整個虛擬漫游以VMO文件格式保存，同時也可以 HTML文件格式保存，這種情況下用戶只需要安裝播放插件 Virtools Web player ， 就可以進行單機的虛擬漫游，同時可以發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，方便客戶端使用；第三種是利用開發(fā)的移動打包器，將系統(tǒng)文件打包成EXE格式的可執(zhí)行文件，從而可以在任何電腦上獨立運行。

5 結(jié)束語

本文詳細介紹了利用Virtools開發(fā)水電站廠房可視化系統(tǒng)的途徑和實現(xiàn)過程。用這種方法進行水電站可視化系統(tǒng)開發(fā)可以收到開發(fā)周期短、系統(tǒng)運行流暢、沉浸較感強、廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系表達清晰明了、作品發(fā)布方便快捷等效果。因此本文對于從事水電站可視化開發(fā)的人員具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 劉明昆.三維游戲設(shè)計師寶典——Virtools開發(fā)工具篇[M].成都：四川出版集團，四川電子音像出版中心，2005.

[2] 鐘登華，周銳，劉東海.大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究[J].計算機仿真，2003，20（2）.

[3] 劉婧婧.3DS Max 模型與動畫導(dǎo)入Virtools時遇到的問題以及解決方法[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2010（7）.

[4] 吳家鑄.視景仿真技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.