基于Virtools的水電站廠房可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

摘要：隨著水電事業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的不斷信息化，水電站建設(shè)周期越來(lái)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(yùn)用普通靜態(tài)、二維的圖表對(duì)它們進(jìn)行描述，會(huì)產(chǎn)生直觀性差，其三維特征不能被充分揭示等問(wèn)題。該文論述了采用四川官地水電站設(shè)計(jì)圖紙和安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為原始素材，基于3D引擎Virtools開(kāi)發(fā)水電站可視化系統(tǒng)的過(guò)程和研究方法。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交互式的廠房漫游，用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即能觀察到水電站地下廠房各個(gè)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(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）10-2464-03

1 3D引擎Virtools簡(jiǎn)介

Virtools是達(dá)索公司的整合三維互動(dòng)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(dòng)行為模塊能進(jìn)行實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)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(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。它是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，內(nèi)置500多個(gè)行為交互模塊（Building Block簡(jiǎn)稱(chēng)BB），利用這些BB組合可以定義各種場(chǎng)景和物體的運(yùn)動(dòng)方式。將BB賦予漫游場(chǎng)景中的Object（對(duì)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(gè)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(yùn)用這種交互腳本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。除此之外用戶(hù)還可以運(yùn)用內(nèi)置的VSL語(yǔ)言定義自己的算法和物體運(yùn)動(dòng)的方式，也還能運(yùn)用Virtools SDK開(kāi)發(fā)特定需要的功能BB。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)[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(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，三維模型包含水電站廠房和廠房?jī)?nèi)部的發(fā)電設(shè)備。由于Virtools是一套整合軟件，不是專(zhuān)業(yè)的建模和視覺(jué)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(jìn)行三維模型的創(chuàng)建和視覺(jué)效果的處理，通過(guò)分析比較筆者選用Auto CAD進(jìn)行水電站廠房土建部分三維模型的創(chuàng)建，選用CATIA對(duì)廠房?jī)?nèi)部重要設(shè)備水輪發(fā)電機(jī)的三維模型進(jìn)行創(chuàng)建，場(chǎng)景中虛擬人物模型和人物骨骼動(dòng)畫(huà)應(yīng)用3Ds Max來(lái)創(chuàng)建。模型的創(chuàng)建過(guò)程在本文不詳細(xì)敘述，關(guān)于水電站三維模型的創(chuàng)建及優(yōu)化見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

2.2 模型效果處理

利用3Ds max對(duì)廠房模型各個(gè)不同的部分賦予與其相對(duì)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(jī)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(jìn)行渲染。

3 可視化系統(tǒng)功能設(shè)置與實(shí)現(xiàn)

廠房交互漫游主要目地是模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，用較少的資源消耗以適當(dāng)?shù)男问奖憩F(xiàn)最真實(shí)的廠房?jī)?nèi)部環(huán)境，讓操作人員和觀摩人員不必進(jìn)入廠房就能了解到廠房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓進(jìn)入過(guò)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(gè)基本要素為漫游場(chǎng)景、漫游角色、漫游視角。漫游角色在限定的漫游場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，漫游視角與漫游人物綁定，漫游場(chǎng)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(chēng)視角和第三人稱(chēng)視角的設(shè)計(jì)

第一人稱(chēng)視角和第三人稱(chēng)視角都是相對(duì)于場(chǎng)景中的虛擬人物來(lái)說(shuō)的，第一人稱(chēng)視角相當(dāng)于虛擬人物的眼睛看到的影像，第三人稱(chēng)視角相當(dāng)于跟隨著虛擬人物的“他”看到的影像，這些視角影像是通過(guò)獲取數(shù)字模型信息進(jìn)行投影變換，將三維模型投影到計(jì)算機(jī)的二維顯示屏上得到的，投影變換原理與程序算法實(shí)現(xiàn)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。在Virtools中是用兩個(gè)攝像機(jī)來(lái)表現(xiàn)這兩個(gè)視角的，第一人稱(chēng)視角的攝像機(jī)放置在虛擬人物的頭部并隨著人物運(yùn)動(dòng)，而第三人稱(chēng)攝像機(jī)則跟隨在虛擬人物的周?chē)⒁蕴摂M人物為焦點(diǎn)。這兩個(gè)攝像機(jī)所呈現(xiàn)出的影像就分別為第一人稱(chēng)視角和第三人稱(chēng)視角的影像，如圖4和圖5所示。

3.3 場(chǎng)景漫游的實(shí)現(xiàn)

4 作品發(fā)布

基于Virtools平臺(tái)開(kāi)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(gè)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(jìn)行單機(jī)的虛擬漫游； 第二種是將整個(gè)虛擬漫游以VMO文件格式保存，同時(shí)也可以 HTML文件格式保存，這種情況下用戶(hù)只需要安裝播放插件 Virtools Web player ， 就可以進(jìn)行單機(jī)的虛擬漫游，同時(shí)可以發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，方便客戶(hù)端使用；第三種是利用開(kāi)發(fā)的移動(dòng)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(dú)立運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了利用Virtools開(kāi)發(fā)水電站廠房可視化系統(tǒng)的途徑和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。用這種方法進(jìn)行水電站可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以收到開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)運(yùn)行流暢、沉浸較感強(qiáng)、廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系表達(dá)清晰明了、作品發(fā)布方便快捷等效果。因此本文對(duì)于從事水電站可視化開(kāi)發(fā)的人員具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典——Virtools開(kāi)發(fā)工具篇[M].成都：四川出版集團(tuán)，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(jì)算機(jī)仿真，2003，20（2）.

[3] 劉婧婧.3DS Max 模型與動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入Virtools時(shí)遇到的問(wèn)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.