孫浩鵬，李 楊

（1.長春工程學院計算機技術(shù)與工程學院，長春130012；2.長春建筑學院科研處，長春130699）

0 引言

人類為了達到興利除害的目的，在天然河道上修建水利樞紐，利用水工閘門控制和調(diào)節(jié)水流，從而有效地防制洪水，以便充分利用水能資源發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚等。閘門的類型多種多樣，從使用材料看，有鋼結(jié)構(gòu)閘門、木結(jié)構(gòu)閘門、鋼筋混凝土閘門、復(fù)合材料閘門4類；從結(jié)構(gòu)特征看，有弧形閘門、平面閘門、船閘人字門、拱形閘門、扇形閘門等［1］。閘門種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作在水下，用傳統(tǒng)的動畫演示方法很難完整地描述各閘門在水下的工作方式，而實習實驗是掌握水工理論基礎(chǔ)知識、提高相關(guān)技能的一個必不可少的環(huán)節(jié)，在水工建筑物系統(tǒng)上動手操作，以驗證并進行控制系統(tǒng)設(shè)計，會取得非常好的效果，但實際系統(tǒng)需要耗費許多時間進行組裝、調(diào)試等工作，成本也比較高。因此采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將閘門在水下工作的方式展示出來，達到現(xiàn)場實習不能達到的結(jié)果，經(jīng)驗證結(jié)果清晰明確［2］。

閘門的結(jié)構(gòu)為講授的主要內(nèi)容，在課件中的首要任務(wù)就是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將不同結(jié)構(gòu)的閘門分別展示。所以在鋼閘門課件的講解過程中，需要展示不同鋼閘門的結(jié)構(gòu)、工作位置、工作方法、工作條件等。其中閘門結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)需要利用三維建模導入虛擬現(xiàn)實來實現(xiàn)；其工作位置和工作方法在虛擬現(xiàn)實中利用輸入設(shè)備進行控制，實現(xiàn)操作演示；工作條件和輔助設(shè)備的安裝和講解則是利用虛擬現(xiàn)實中的拼裝技術(shù)來實現(xiàn)的［3］。

1 鋼閘門課件模型材質(zhì)準備

幾何建模構(gòu)建的是形狀和紋理，在虛擬現(xiàn)實中應(yīng)用的模型必須經(jīng)過三維建模軟件來實現(xiàn)，實現(xiàn)的過程主要包括2個步驟，分別為建模、材質(zhì)。建模是指利用點線面的構(gòu)造方法將現(xiàn)實物體數(shù)字化建立的過程，三維軟件實現(xiàn)過程如下：（1）獲取閘門數(shù)據(jù)。根據(jù)閘門設(shè)計手冊獲得各種閘門的典型代表設(shè)計數(shù)據(jù)，按1∶1比例建立閘門邊界封閉線。封閉線可直接存為矢量圖，在任何三維軟件中均可調(diào)用。（2）規(guī)范三維軟件和虛擬現(xiàn)實接口的單位，如MAYA中的自定義單位設(shè)置：1個單位＝1cm，但在虛擬引擎中一般顯示單位比例：1個單位＝1m”，以便模型數(shù)據(jù)能以正確比例導入。（3）MAYA建模：導入新建單個封閉線，通過LOFT命令放樣得到NURBS模型，為保證虛擬現(xiàn)實場景中的正確性，通常都轉(zhuǎn)換為POLYGON導出。（4）閘門的大小參照施工圖尺寸，高度和位置嚴格參照竣工平面圖中水工建筑物的真實高度。個別不規(guī)則設(shè)備如吊耳在不影響計算結(jié)果的情況下可以參照周圍已知物的比例來做。（5）使用最接近現(xiàn)場的材質(zhì)貼圖。貼圖在保證真實清晰的前提下，數(shù)據(jù)量盡可能小。紋理的像素尺寸應(yīng)該是2N。在三維軟件中利用修改工具中的UVW貼圖坐標進行UV分解。貼圖利用虛擬現(xiàn)實軟件的材質(zhì)球來賦予物體。

2 虛擬現(xiàn)實中的實現(xiàn)方法

當模型和材質(zhì)貼圖準備完成后，虛擬現(xiàn)實軟件通常要通過以下幾個步驟完成：（1）導入模型，此時要注意導入的格式如果是FBX格式的，要確保其軸向設(shè)置為Y軸向上。（2）建立環(huán)境，首先設(shè)置地形大小并給地形賦予材質(zhì)，其次用方向燈來模擬真實的太陽照射光線，用環(huán)境球來模擬真實的天空，確定shader類型，最后調(diào)節(jié)shader來控制環(huán)境和天空的色彩。（3）建立camera，在虛擬現(xiàn)實的操控中，觀察者的第一視角，就是虛擬現(xiàn)實中“相機”。相機在虛擬現(xiàn)實中可以通過腳本和輸入設(shè)備連接在一起，通過使用者的交互來充分瀏覽與控制。例如用鍵盤來控制相機，上下鍵用于在平面上前進或者后退；翻頁鍵控制相機完成拉近和推遠操作；左右鍵控制相機完成旋轉(zhuǎn)操作；在鍵盤控制的同時，鼠標也可以參與控制，比如滾輪控制相機的水平高度等等。（4）建立控制腳本，每個可操作的物體，如啟閉機、閘門等，為達到交互目的，通過腳本語言將其與平面上的2D按鈕連接在一起，當用戶點擊按鈕時，相應(yīng)的設(shè)備就會啟動。（5）碰撞設(shè)定，碰撞一共分為3種情況，第一種是相機和物體的碰撞，為了能夠讓使用者了解水下建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，相機和某些特殊物體如大壩是可以穿透的，但是鋼閘門是重點講授內(nèi)容，所以鋼閘門是不可以穿透的。第二種是鋼閘門和地面以及大壩壩體之間的碰撞，為了保證客觀真實性，是不允許鋼閘門穿過地面和其他水工建筑物的。第三種是流體和鋼閘門的碰撞，在課件中由于水下操作鋼閘門，如進水閘門，當閘門提起時，周圍的水就會流入進入口，在虛擬現(xiàn)實中一般用粒子發(fā)射系統(tǒng)來模擬水流，當水流沖向閘門，會與閘門碰撞，在傳統(tǒng)的三維動畫中，可以直接用realflow來模擬，但是在虛擬現(xiàn)實中普遍采用粒子來模擬，如圖1所示

圖1 粒子系統(tǒng)模擬水流

3 技術(shù)難點與解決方案

在整個制作過程中，粒子和鋼閘門的碰撞是最難控制的，在普通的虛擬引擎中均有層次碰撞包圍盒的概念，其中目前最常用的為AABB包圍盒［4］和OBB包圍盒［5－6］，其中 AABB也叫軸向包圍盒，雖然它的緊密型不如其他類型的包圍盒，但是其構(gòu)造方便和相交測試簡單的特性使得它一直沿用至今。在水下，產(chǎn)生主要碰撞的是粒子系統(tǒng)和鋼閘門，但是由于鋼閘門有多種形態(tài)，如弧形鋼閘門等，不能簡單地利用一個碰撞包圍盒來代替鋼閘門。對于平板鋼閘門來說直接將碰撞包圍盒將其包裹住即可。對于弧形鋼閘門，如果用單一的碰撞包圍盒，包圍盒與物體邊界會有大量空間，效果非常不真實，如圖2所示。

圖2 弧形閘門的單一碰撞包圍盒

如果用物體本身的網(wǎng)格來作為碰撞物體，計算量非常大導致整體運行速度下降［7］，所以提出復(fù)合碰撞包圍盒的思路對此進行運算。以弧形鋼閘門為例，首先將弧形的鋼閘門進行分解，由于在建模時鋼閘門的前面板為了和背面的筋板良好地契合，在多邊形的分段上基本是按照設(shè)計手冊上筋板的數(shù)量分段的。鋼閘門的啟閉是通過啟閉機帶動旋轉(zhuǎn)升起和落下，所以其旋轉(zhuǎn)軸心正是前面板的軸心，首先得到弧形面板的水平筋板數(shù)量，并將單個筋板的迎水面寬度設(shè)定一個方形包圍盒A，已知A的高度為H。將此包圍盒群組后軸心與面板的旋轉(zhuǎn)軸心重合，軸心到面板的距離為R，在設(shè)計手冊中查到鋼閘門的面板弧長為L，可得到當前鋼閘門的角度γ＝L＊360／C，包圍盒的個數(shù)＝L／H，而包圍盒的放置則以面板的旋轉(zhuǎn)軸心為包圍盒軸心，旋轉(zhuǎn)復(fù)制的角度＝γ／（L／H），計算得到的最后包圍盒效果如圖2所示。由于鋼閘門葉片表面的復(fù)雜性和多樣性，重建的曲面模型不可能由一個曲面擬合，而是由一些子曲面按一定的約束條件組成，構(gòu)成完整的重建曲面模型［8］，連續(xù)的曲面重構(gòu)公式如下：

式中：Pi（P）為葉片曲面幾何模型；Tk為Ck（p）約束所容許的誤差。

通過分別測試OBB包圍盒在分解后的局部葉片上效果，分解得越多，效果越真實，但是對計算機的消耗也越大，經(jīng)過測試，分解成5個部分時效果良好，此時的粒子可以采用粒子構(gòu)造邊界，結(jié)果如圖3所示。

圖3 弧形閘門的復(fù)合碰撞包圍盒

4 測試數(shù)據(jù)

經(jīng)測試，在cpu為酷睿I5雙核筆記本電腦上，粒子系統(tǒng)在復(fù)合包圍盒的情況下碰撞效果良好，數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

與PAL制式的播放速度標準24f／s對比，單一碰撞包圍盒在這點上占很大優(yōu)勢，所以大壩的壩體和地面統(tǒng)一采用單一碰撞包圍盒來處理，對系統(tǒng)的運行基本不產(chǎn)生負擔，但是對于弧形或者其他形狀的物體，粒子碰撞會消耗大量的時間，所以利用復(fù)合碰撞包圍盒的方法雖然有極小量的“穿幫”現(xiàn)象，但在運行時間上大大提高的運行速度使得整體運行狀態(tài)良好。

5 結(jié)語

通過利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，突破傳統(tǒng)的動畫演示方式，可以實現(xiàn)任意角度的觀測。同時利用輸入設(shè)備，使用者可以任意拆解鋼閘門的零部件。當選擇水下虛擬系統(tǒng)時，又可以模擬人在水下觀測并可以任意操作鋼閘門的運行。對于粒子系統(tǒng)和鋼閘門的碰撞提出了復(fù)合包圍盒的碰撞方法，對于弧形鋼閘門等非平面閘門有非常好的效果和運算速度，但是當閘門的開閉速度過快時仍然有極少量粒子穿透閘門，這是復(fù)合碰撞包圍盒的弊端。

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