面向虛擬現(xiàn)實的水工鋼閘門應用方法研究

孫浩鵬，李 楊

（1.長春工程學院計算機技術與工程學院，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，有鋼結構閘門、木結構閘門、鋼筋混凝土閘門、復合材料閘門4類；從結構特征看，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，結構復雜且工作在水下，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知識、提高相關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、調試等工作，成本也比較高。因此采用虛擬現(xiàn)實技術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果，經(jīng)驗證結果清晰明確［2］。

閘門的結構為講授的主要內容，在課件中的首要任務就是通過虛擬現(xiàn)實技術將不同結構的閘門分別展示。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構、工作位置、工作方法、工作條件等。其中閘門結構的表現(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)實中利用輸入設備進行控制，實現(xiàn)操作演示；工作條件和輔助設備的安裝和講解則是利用虛擬現(xiàn)實中的拼裝技術來實現(xiàn)的［3］。

1 鋼閘門課件模型材質準備

幾何建模構建的是形狀和紋理，在虛擬現(xiàn)實中應用的模型必須經(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。建模是指利用點線面的構造方法將現(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)閘門設計手冊獲得各種閘門的典型代表設計數(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)則設備如吊耳在不影響計算結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，要確保其軸向設置為Y軸向上。（2）建立環(huán)境，首先設置地形大小并給地形賦予材質，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，相應的設備就會啟動。（5）碰撞設定，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部結構，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升起和落下，所以其旋轉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軸心重合，軸心到面板的距離為R，在設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軸心為包圍盒軸心，旋轉復制的角度＝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，構成完整的重建曲面模型［8］，連續(xù)的曲面重構公式如下：

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造邊界，結果如圖3所示。

圖3 弧形閘門的復合碰撞包圍盒

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 結語

通過利用虛擬現(xiàn)實技術，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，這是復合碰撞包圍盒的弊端。

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