虛擬仿真在小型水壩工程中的應(yīng)用研究

張開(kāi)源

【摘要】虛擬仿真在建筑工程中的實(shí)際應(yīng)用和逐漸普及有所突破，用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感較強(qiáng)的虛擬場(chǎng)景，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬是虛擬仿真領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。本文在小型水壩工程仿真研究和分析的基礎(chǔ)上，利用三維制作軟件，實(shí)現(xiàn)了高度真實(shí)感的水壩場(chǎng)景及水壩排水動(dòng)態(tài)模擬。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 小型水壩 三維建模技術(shù) 動(dòng)態(tài)顯示

【Abstract】The virtual simulation has increasingly gained practical application and outstanding breakthrough in hydraulic engineering； one of the most challenging studies is computer?generated virtual scene with dynamic simulation. The paper takes advanced theories and results into consideration from many different relating fields， and gives an intuitive virtual and dynamic display for the drainage process and scene simulation of the dam by using three?dimensional production software.

【Keywords】Virtual simulation； Small-scale dam； Three?dimensional modeling techniques； Dynamic display

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）04-0221-02

引言

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)提供了較為直觀的人機(jī)界面，在小型水利工程中的應(yīng)用也得到相應(yīng)的發(fā)展，小型水壩三維模型既有靜態(tài)模型也有運(yùn)動(dòng)模型，在場(chǎng)景模擬時(shí)，不僅要對(duì)水壩工程及其環(huán)境進(jìn)行三維展示，還要對(duì)地形地貌、水壩運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬和動(dòng)態(tài)顯示。

本文結(jié)合“山區(qū)人畜飲水工程項(xiàng)目”中的小型水壩工程建設(shè)，提出虛擬仿真建模與動(dòng)畫(huà)顯示實(shí)施問(wèn)題，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)水壩進(jìn)行三維場(chǎng)景建模和工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯示進(jìn)行應(yīng)用研究和探索。

1.虛擬仿真技術(shù)

1.1虛擬仿真建模技術(shù)

虛擬仿真是在虛擬的數(shù)字空間中模擬真實(shí)世界中的事物，這就需要真實(shí)世界的事物在數(shù)字空間中的表示，于是產(chǎn)生了虛擬仿真中的建模技術(shù)。按使用方式的不同，現(xiàn)有的建模技術(shù)主要分為：幾何造型、掃描設(shè)備、基于圖像等幾種方法。

（1）幾何造型的建模技術(shù)是由專(zhuān)業(yè)人員使用專(zhuān)業(yè)軟件，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與美術(shù)方面的理論和技術(shù)，搭建出物體的三維模型。

（2）利用三維掃描儀能夠自動(dòng)構(gòu)建出物體的三維模型，并且精度非常高，它主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

（3）基于圖像的建模技術(shù)只需使用數(shù)碼相機(jī)拍攝的物體多角度下的照片，經(jīng)過(guò)自動(dòng)重構(gòu)，即可獲得物體精確的三維模型[1]。

1.2虛擬仿真技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程最早在20世紀(jì)70年代初，修建奧地利施立格混凝土壩時(shí)采用了確定性數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)纜機(jī)澆筑混凝土方案進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)踐表明，模擬的澆筑速度和進(jìn)程與實(shí)際施工情況非常吻合[2]；我國(guó)在二灘工程大壩施工組織設(shè)計(jì)中首先采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，效果較好。此后應(yīng)用范圍從輔助施工設(shè)計(jì)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維動(dòng)態(tài)顯示等方面；從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工；應(yīng)用目標(biāo)從靜態(tài)的方案優(yōu)選發(fā)展到動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)控制；從最初把仿真成果僅僅作為一種決策參考，逐漸發(fā)展為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工管理中不可缺少的技術(shù)手段[2]。

1.3開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹

本文仿真研究主要是在AutoCAD和3D Max平臺(tái)下完成的，在AutoCAD中按比例繪制元素的二維或三維模型，導(dǎo)入到3D Max中進(jìn)行處理，二維模型需根據(jù)其高度信息放樣建模，得到水壩各元素的初始化三維模型；部分元素直接在3D Max中建立三維模型。然后完成靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)顯示[3]。

2.小型水壩建模

2.1小型水壩概述

小型水壩是指水壩垂直高度（從地基處算起）小于或等于15米，且總儲(chǔ)水量不超過(guò)300萬(wàn)立方米的水壩。壩體結(jié)構(gòu)一般由壩體核心墻、閘閥、溢洪道、內(nèi)外邊坡等組成，閘閥控制用水的開(kāi)閉。小型水壩壩體一般為土質(zhì)壩體，其核心墻是壩體的主要構(gòu)成部分，內(nèi)邊坡夯實(shí)后一般采用混凝土預(yù)制砼硬化，外邊坡植草皮護(hù)坡或低矮值被。壩體截面圖如圖1所示。

2.2三維建模概述

建模是三維場(chǎng)景制作中的重要環(huán)節(jié)，建模方式的選擇依賴(lài)于現(xiàn)實(shí)模型的結(jié)構(gòu)及形狀，建模方式主要有多邊形建模、放樣建模、Nurbs建模等三種類(lèi)型。

（1）多邊形建模是較為傳統(tǒng)和經(jīng)典的建模方式，它由多個(gè)三角形和四邊形面互相連接起來(lái)，每個(gè)面都有自己的尺寸和法線（即方向），通過(guò)精確排列和聯(lián)結(jié)這些面，可以建立由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的物體模型。

（2）放樣建模是截面圖形在一段路徑上形成的軌跡，即二維到三維的轉(zhuǎn)化。

（3）NURBS建模是采用圖形學(xué)中生成光滑曲線的一種經(jīng)典數(shù)學(xué)方法來(lái)構(gòu)建三維模型的，它可以提供光滑的更接近輪廓的曲面，并使網(wǎng)格在編輯時(shí)保持相對(duì)較低的細(xì)節(jié)。

2.3三維模型建立

模型的建立主要是地形和建筑物的建模，如地形、壩體、壩體建筑、植被建模等。建模過(guò)程包括地形處理、建立建筑物基本三維模型、模型的其他要素處理、重點(diǎn)水工建筑物建模四個(gè)方面。

（1）地形建模，這種不規(guī)則地形建模方式主要有三種：一是平面添加噪波的隨機(jī)建模方式，其隨機(jī)性決定該方式不適合建立給定形狀的山體模型；二是使用NURBS曲面中的CV曲面，得到類(lèi)似真實(shí)的山峰、山谷等地形；三是根據(jù)地形的幾何參數(shù)提取等高線信息，然后根據(jù)各等高線的高度值在三維空間中放置其高度，最后使用地形工具制作地形模型。本文采用第三種方式完成地形表面建模。

（2）壩體建模，先繪制壩體的橫截面多邊形，然后添加擠出修改器，設(shè)置擠出參數(shù)得到壩體模型。

（3）水面建模是使用平面、網(wǎng)格、噪波等功能，設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水面模型的建立，它們的原理是采用數(shù)學(xué)運(yùn)算模型生成指定參數(shù)的三維表面。

（4）閘閥建模，采用多邊形方法建立模型。

如圖2所示的閘閥模型。

（5）水流建模，根據(jù)閘閥開(kāi)啟、水水流速這兩個(gè)參數(shù)數(shù)使用粒子系統(tǒng)進(jìn)行建模。

（6）其它元素如溢洪道、壩頂碎石料、閘閥混凝土砼基礎(chǔ)、地表植被等，采用多邊形、放樣等方法建立模型。

3.靜態(tài)仿真

任何物體都有各自的表面特征，它們的質(zhì)感、顏色是虛擬仿真的一個(gè)難點(diǎn)，用材質(zhì)、貼圖和燈光，可以制作出逼真的物體表面。

3.1材質(zhì)與貼圖

所謂材質(zhì)，是指模型表面特性，它決定了著色時(shí)的顏色、光亮程度、自發(fā)光度及不透明度等。指定到材質(zhì)上的圖形稱(chēng)為貼圖，使用多種貼圖方法能把簡(jiǎn)單的模型變成豐富的場(chǎng)景畫(huà)面。

（1）壩體材質(zhì)，水壩壩體需要貼圖的面有3個(gè)，每面的貼圖各不相同，這就要用到“多維/子對(duì)象材質(zhì)”為其分配不同的材質(zhì)。

（2）水面材質(zhì)，水面模型依賴(lài)于貼圖和噪波的參數(shù)設(shè)置，單獨(dú)的水面模型是一個(gè)空白的毫無(wú)意義的三維形狀。

（3）水流材質(zhì)，水流效果采用泡沫材質(zhì)，這種材質(zhì)和煙霧材質(zhì)有點(diǎn)類(lèi)似。使用粒子系統(tǒng)的變形球粒子為其定義材質(zhì)。

（4）其它材質(zhì)，除上述模型設(shè)置材質(zhì)外，其它模型也需要設(shè)置相應(yīng)的材質(zhì)。

各模型指定材質(zhì)后，就具有了基本的外觀造型和顏色信息，更接近仿真模型。材質(zhì)的另外一個(gè)作用就是在動(dòng)畫(huà)制作時(shí)，可以通過(guò)材質(zhì)的變換和參數(shù)的調(diào)整制作材質(zhì)動(dòng)畫(huà)。

3.2燈光

燈光的主要作用是用來(lái)模擬太陽(yáng)光、照明燈和環(huán)境等光源，從而營(yíng)造出環(huán)境氛圍。水壩場(chǎng)景是一個(gè)開(kāi)闊的場(chǎng)景，在光線的使用上考慮場(chǎng)景的自然真實(shí)性，所以采用泛光燈和天光進(jìn)行布光。

4.動(dòng)態(tài)仿真

4.1動(dòng)態(tài)仿真概述

在制作動(dòng)畫(huà)之前，首先要對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)畫(huà)面做出全面的規(guī)劃，如動(dòng)畫(huà)的時(shí)間、場(chǎng)景安排、各元素的動(dòng)作順序、動(dòng)畫(huà)的動(dòng)作原理做出時(shí)序規(guī)劃，并逐步細(xì)化動(dòng)作。

水壩工作過(guò)程中涉及到的動(dòng)畫(huà)主要包括以下三種：首先是 水壩閘閥的開(kāi)啟動(dòng)畫(huà)；其次是在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)水流動(dòng)畫(huà)，使用粒子系統(tǒng)和空間扭曲系統(tǒng)中的重力作用產(chǎn)生的水流動(dòng)畫(huà)；第三是水位下降動(dòng)畫(huà)，水壩的水面受空氣或水位下降的影響，會(huì)有波紋或旋渦運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的水面動(dòng)畫(huà)。

4.2水流粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

水流粒子動(dòng)畫(huà)在需添加運(yùn)動(dòng)模糊，在動(dòng)畫(huà)制作中，運(yùn)動(dòng)模糊不僅是強(qiáng)化動(dòng)態(tài)效果的方法，也是掩蓋瑕疵的一個(gè)訣竅。雖然只要物體的運(yùn)動(dòng)速度足夠快，運(yùn)動(dòng)模糊似乎“理所當(dāng)然”地會(huì)產(chǎn)生，但是動(dòng)畫(huà)畢竟不是真實(shí)的物理場(chǎng)景，如果不為粒子的運(yùn)動(dòng)添加運(yùn)動(dòng)模糊，水珠是一個(gè)一個(gè)蹦出來(lái)的，與真實(shí)的物理效果大相徑庭。

4.3 渲染輸出

渲染是場(chǎng)景的收尾階段，在進(jìn)行了建模、設(shè)計(jì)材質(zhì)、添加燈光和動(dòng)畫(huà)制作后，進(jìn)行渲染，生成豐富多彩的圖像和動(dòng)畫(huà)。如圖3所示動(dòng)畫(huà)截圖。

結(jié)束語(yǔ)

本文暢述了虛擬仿真在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用，圍繞三維建模的技術(shù)展開(kāi)探討，深入研究了水壩場(chǎng)景的仿真和動(dòng)畫(huà)制作。在可視化上具有適用性，在水壩工程預(yù)演和編制施工組織設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

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