婁 健 康

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

虛擬現(xiàn)實(shí)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(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

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

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

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)。VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者，通過(guò)適當(dāng)裝置對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)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(lái)越多的被設(shè)計(jì)人員考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞已經(jīng)不是從建筑物本身去評(píng)判，需要綜合考慮建筑在整個(gè)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(chǎng)所。利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就能以可視的、動(dòng)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(jì)人員在虛擬建筑物內(nèi)漫游，驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的建筑物是否合適。城市規(guī)劃對(duì)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(jìn)作用[3]。

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)某工程進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，結(jié)合工程動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程中的水利樞紐部分施工新工藝的動(dòng)畫(huà)瀏覽、漫游及人機(jī)交互功能。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種顯示器和控制接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上完成擁有人機(jī)交互功能的虛擬環(huán)境[4，5]。該技術(shù)具有三個(gè)特征[6]：沉浸性，是指用戶在開(kāi)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(jī)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(jìn)行人機(jī)交互，并在此基礎(chǔ)上對(duì)認(rèn)識(shí)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(tái)相對(duì)于其他開(kāi)發(fā)引擎的優(yōu)勢(shì)

基于Quest3D平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)與其他平臺(tái)比，能在可視化的編輯環(huán)境中與開(kāi)發(fā)者進(jìn)行互動(dòng)，在編譯通道邏輯的過(guò)程中隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。擁有強(qiáng)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(kù)文件、人機(jī)交互，它是虛擬現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)三維互動(dòng)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(jìn)行通道編輯，采用節(jié)點(diǎn)編程法集成虛擬系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)通道運(yùn)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(shí)現(xiàn)模型在Quest3D中實(shí)時(shí)渲染，主要由相機(jī)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(dòng)畫(huà)、人文資料、圖片資料、聲音等信息時(shí)。

面向?qū)ο缶幊蹋篞uest3D引入了兩個(gè)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(diǎn)、通道和邏輯規(guī)則在OO Editor中通過(guò)添加接口和類(lèi)的方式將復(fù)雜的普通編程簡(jiǎn)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(kù)總庫(kù)容4.59億m3，電站裝機(jī)三臺(tái)，總裝機(jī)容量為7萬(wàn)kW。此外該工程還具有基于曲面流線組織設(shè)計(jì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型點(diǎn)、線、面以及實(shí)體的不同顯示方式；實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)漫游和手動(dòng)漫游，通過(guò)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jiǎn)單方便，模擬精細(xì)；城市人文屬性的顯示；最后系統(tǒng)以對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件配置要求較低的EXE格式的執(zhí)行文件進(jìn)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(jī)渲染法，將Quest3D在基本相機(jī)渲染模式下的基本物體附上按鈕貼圖，通過(guò)通道的互相調(diào)用與連接來(lái)自制按鈕，然后調(diào)用一個(gè)ChannelSwitch開(kāi)關(guān)來(lái)完成不同按鈕貼圖的切換，實(shí)現(xiàn)按鈕觸發(fā)狀態(tài)變換，繼而通過(guò)Quest3D中的數(shù)學(xué)運(yùn)算通道Expression Value通道和Set Value通道的結(jié)合來(lái)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(gè)相對(duì)坐標(biāo)，不能精確滿足客戶對(duì)界面的需求，為了使界面更好自適應(yīng)，選用自制按鈕來(lái)制作GUI界面。

鑒于以上各個(gè)部分的子程序都是單獨(dú)編程設(shè)計(jì)的，每個(gè)子程序都可作為獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)，子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完畢后，我們需要將各個(gè)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(jí)菜單邏輯、部分二級(jí)菜單邏輯、部分三級(jí)菜單邏輯分布圖見(jiàn)圖1。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)與結(jié)構(gòu)工程相結(jié)合的意義?；赒uest3D軟件平臺(tái)，在Quest3D關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)下，采用模塊化的編程設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游模塊、場(chǎng)景模型顯示方式模塊、場(chǎng)景實(shí)時(shí)時(shí)效模塊、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工程動(dòng)畫(huà)相結(jié)合等模塊的集成。

[1] 魏 群,姜 華,彭運(yùn)動(dòng).虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)在橋梁工程中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[A].2009年全國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會(huì)論文集[C].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì),2009:7.

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

[3] 楊 旻.基于MultiGen的真實(shí)感虛擬場(chǎng)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(shí)技術(shù)概述[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,23(3):258-261.

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

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

[7] 路朝龍.Quest3D從入門(mén)到精通[M].北京：中國(guó)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

A