基于三維建模的虛擬測量實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

周新邵 楊 武 殷智慧 張 強(qiáng)

（1.湖南城市學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.湖南科技大學(xué) 地理信息湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

1 引 言

隨著IT技術(shù)和計算機(jī)圖像顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。知識更新周期的縮短以及知識量成幾何倍數(shù)的增長，亟需更高效的學(xué)習(xí)方法，為虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了理論需求[1]；而計算機(jī)軟硬件技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開展虛擬實(shí)驗(yàn)提供了良好的技術(shù)支撐[2]。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是指利用計算機(jī)軟硬件資源，開發(fā)出虛擬實(shí)驗(yàn)場景以及實(shí)驗(yàn)所需要的虛擬實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[3]，其具有：透明性、資源共享性、互動操作性、可擴(kuò)展性、安全性等功能特點(diǎn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)的概念自1989年美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫（William Wolf）教授首次提出以來的20多年中，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究：美國聯(lián)邦政府在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)域建造了各自的虛擬實(shí)驗(yàn)室，開展了一系列探索性研究并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[4]；德國魯爾大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個有關(guān)控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)；清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)；浙江大學(xué)CAD&CGL國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一個虛擬實(shí)驗(yàn)室，采用層面疊加的繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺，同時還提供了方便的交互工具[5]；吉林大學(xué)的汽車動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了車身的虛擬設(shè)計與制造[6]。

我國人口眾多，實(shí)驗(yàn)資源價格昂貴，數(shù)量有限[1]，而虛擬實(shí)驗(yàn)只要借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)便能達(dá)到相同的目的，所以具有較好的應(yīng)用前景[7]。本文提出以3DS MAX和VRML技術(shù)為支撐，通過構(gòu)建水準(zhǔn)儀虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，添加錨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的交互性，證明通過該種方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（VRML）

VRML是一種基于www的具有一定規(guī)范的描述性格式語言。其最早出現(xiàn)在1994的瑞士日內(nèi)瓦W3會議上[8]，是一種描述因特網(wǎng)上交互式三維多媒體的標(biāo)準(zhǔn)文件格式[9]，是與多媒體通訊、因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域密切相關(guān)的技術(shù)。

VRML作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體網(wǎng)絡(luò)程序語言，可以在網(wǎng)絡(luò)上穿件逼真的三維場景，使虛擬世界的真實(shí)性和交互性得到更充分的體現(xiàn)。其基本原理是用文本信息描述三維場景在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，利用三維圖形生成技術(shù)在本地機(jī)上利用多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，由VRML瀏覽器解譯生成逼真三維虛擬場景[10]。

但是，VRML在構(gòu)造三維場景需要較多的規(guī)范數(shù)據(jù)，對于構(gòu)建復(fù)雜物體的三維模型時難度較大[11]，為了能高效快捷的建立復(fù)雜物體的三維模型，可以借用3Dsmax強(qiáng)大的三維建模功能來彌補(bǔ)VRML在建立復(fù)雜三維模型中的不足，因此VRML與3Dsmax相結(jié)合既能高效快速的建立復(fù)雜三維模型，又能保持良好的動態(tài)交互效果。

2.2 三維建模軟件3DS MAX

3DS MAX是Discreet公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級的CG（Computer Graphics）制作被SGI圖形工作站所壟斷。3Dsmax與Windows NT組合的出現(xiàn)極大的降低了CG制作的門檻[12]。

3DS Max 2013的新技術(shù)可以在短時間內(nèi)制作出出色的高品質(zhì)的模型紋理、角色動畫和圖像。建模與紋理等高性能工具集可快速呈現(xiàn)出栩栩如生的場景。3DS MAX和VRML有機(jī)結(jié)合，選擇合適的建模方法能夠構(gòu)建逼真、美觀的模型，使其更好的融入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，開發(fā)出更高規(guī)格的虛擬實(shí)驗(yàn)。

2.3 水準(zhǔn)儀

2.3.1 水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)分析。水準(zhǔn)儀是根據(jù)水準(zhǔn)測量原理測量地面點(diǎn)間高差的儀器。一臺水準(zhǔn)儀由調(diào)焦手輪，微動手輪，度盤，目鏡，物鏡，檢測按鈕，水泡反光鏡，圓氣泡，粗瞄器，腳螺旋，基座等部件構(gòu)成（如圖1）。

圖1.水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 水準(zhǔn)儀工作原理。水準(zhǔn)測量是利用一條水平視線，并借助水準(zhǔn)尺，來測定地面兩點(diǎn)間的高差，這樣就可由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程（如圖2）。四等水準(zhǔn)測量步驟為：1.將水準(zhǔn)尺立于已知高程的水準(zhǔn)點(diǎn)上作為后視，水準(zhǔn)儀置于施測路線附近合適位置，在施測路線的前進(jìn)方向上取儀器置后視大致相等的距離放置尺墊，在尺墊上豎立水準(zhǔn)尺作為前視。2.觀測員將儀器用圓水準(zhǔn)器粗平后瞄準(zhǔn)后視標(biāo)尺，用微調(diào)螺旋將水準(zhǔn)管氣泡居中，用中絲讀后視。3.掉轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)前視尺，再次將水準(zhǔn)氣泡居中，用中絲讀數(shù)，記錄并計算數(shù)據(jù)。4.重復(fù)上述步驟，直至完成整個測量工作。

圖2.水準(zhǔn)測量原理

3 模型的構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)

3.1 水準(zhǔn)儀虛擬器材的構(gòu)建

水準(zhǔn)儀虛擬實(shí)驗(yàn)器材模型的構(gòu)建參照水準(zhǔn)儀實(shí)物圖進(jìn)行，依次構(gòu)建出水準(zhǔn)儀各個部件的3Dmax模型，然后進(jìn)行有機(jī)的組合，形成完整的水準(zhǔn)儀虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?gòu)建過程中要不斷的對部件進(jìn)行組合，這樣做的目的是為了減少輸出的代碼數(shù)量。

構(gòu)建的水準(zhǔn)儀主要有以下部件：鏡身、鏡頭、物鏡、目鏡、瞄準(zhǔn)器、水平旋轉(zhuǎn)螺旋、橫軸、底盤、水平度盤、腳螺旋、基座、圓水準(zhǔn)器。

下面僅列舉鏡頭和瞄準(zhǔn)器的制作過程：

鏡頭的制作：在前視圖中畫一個圓柱體，調(diào)節(jié)它的半徑比鏡身半徑稍小。點(diǎn)擊右鍵將它轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，選擇面編輯對象，點(diǎn)擊一端的圓面，按delete鍵將它刪除，切換到邊界編輯對象，選擇剛才我們制作出的邊界，選擇縮放命令，按住shift鍵，分別鼠標(biāo)向里稍微縮放復(fù)制、沿高方向移動復(fù)制。如圖3（a）。再次沿著圓面向里縮放復(fù)制，就剩下一個小圓口時，選擇編輯器中的封口命令，打開材質(zhì)編輯器，選擇黑色材質(zhì)，拖動鼠標(biāo)添加到編輯對象，圖3（b）。

圖3.水準(zhǔn)儀鏡頭

瞄準(zhǔn)器的制作：首先，在前視圖中畫一個圓柱體，調(diào)節(jié)并記下半徑和高度。在前視圖中再創(chuàng)建一個圓柱體，調(diào)節(jié)它的參數(shù)，使它的邊數(shù)為三。如圖4（a），移動兩個物體使三角柱的三角形內(nèi)接于圓柱面中，并且三角柱兩端都露出來。選擇符合對象模式，通過波爾命令中的拾取波爾操作，使其達(dá)到相應(yīng)的效果，最后對它添加黑色的材質(zhì)，圖4（b）。

圖4.水準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)器

水準(zhǔn)儀虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退囊晥D效果如圖5所示：

圖5.虛擬水準(zhǔn)儀模型四視圖

3.2 虛擬水準(zhǔn)儀代碼

從3Dmax中倒出水準(zhǔn)儀場景文件，命名為“水準(zhǔn)儀.wrl”，用VrmlPad編輯器打開：

可以看到，所構(gòu)建的水準(zhǔn)儀模型各個部件在程序中都是坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)“Trainsform”。注意，在導(dǎo)出對話框中選擇Indentation，選擇該項(xiàng)會使輸出的VRML源代碼以縮格形式編寫，便于閱讀與修改；選擇Primitives，將盡可能的將三維場景以VRML 2.0原始造型的形式輸出，這將有利于減小輸出的VRML文件的大小。

3.3 錨（Anchor）節(jié)點(diǎn)

以上構(gòu)造的水準(zhǔn)儀模型在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放操作，實(shí)現(xiàn)各角度，全方位的瀏覽，但是不具有交互功能，而我們設(shè)計虛擬實(shí)驗(yàn)的目的恰恰是使水準(zhǔn)儀具有交互功能，因此，我們需要為其添加錨節(jié)點(diǎn)[13]，錨節(jié)點(diǎn)功能類似超鏈接，當(dāng)鼠標(biāo)單擊某個部位時，可以彈出提示或是實(shí)現(xiàn)場景的跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)部件的相關(guān)操作與功能。

錨節(jié)點(diǎn)包括：Children公共域、Description公共域、bBoxsize域、bBoxCenter域、Param eter域、Url域、Container Field域和 Class域等。其具有 2個主要事件：event Out出事件和 event In入事件，出事件涉及 Param eter_changed域Description_changed域，作用是傳出參數(shù)和描述的變化；入事件的作用主要是添加或刪除children節(jié)點(diǎn)[14]。

為水平旋轉(zhuǎn)螺旋添加錨節(jié)點(diǎn)（本實(shí)驗(yàn)只對水平旋轉(zhuǎn)螺旋添加錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，其它部件錨節(jié)點(diǎn)的添加步驟相同。），當(dāng)鼠標(biāo)指向該節(jié)點(diǎn)時，出現(xiàn)提示文字“Turn Left/Turn Right”，當(dāng)鼠標(biāo)單擊時，彈出該節(jié)點(diǎn)的功能詳細(xì)描述，并實(shí)現(xiàn)螺旋的調(diào)節(jié)功能。水平旋轉(zhuǎn)螺旋插入錨節(jié)點(diǎn)以后的代碼如下：

4 結(jié)束語

借助3DS MAX軟件和VRML虛擬建模語言設(shè)計虛擬實(shí)驗(yàn)過程，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為水?zhǔn)儀的水平旋轉(zhuǎn)螺旋添加錨節(jié)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中鼠標(biāo)指向該節(jié)點(diǎn)時，彈出提示信息“Turn Left/Turn Right”，當(dāng)鼠標(biāo)單擊時觸發(fā)該事件，完成螺旋的旋轉(zhuǎn)操作。實(shí)驗(yàn)得結(jié)果表明：1.用3DS MAX構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，與VRML相結(jié)合進(jìn)行交互的虛擬實(shí)驗(yàn)方法可行。2.使用3DSMAX能夠高效快捷地建立復(fù)雜物體的三維模型，借助VRML中的錨節(jié)點(diǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對象在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的良好交互。3.基于3DS MAX和VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)方法有助于用戶更好地了解及使用實(shí)驗(yàn)器材。

文章探討了借助3DS MAX和VRML進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性。限于時間，僅對水準(zhǔn)儀進(jìn)行了三維建模，且重點(diǎn)對該儀器的水平旋轉(zhuǎn)螺旋添加錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了交互實(shí)驗(yàn)，其他功能及儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)有待于進(jìn)一步探討。隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB服務(wù)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共享平臺是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。

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