虛擬實(shí)景技術(shù)在管道展示中的應(yīng)用

趙均

摘要：為實(shí)現(xiàn)綠色施工，在已知管道數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用3Dmax建立了地下管網(wǎng)模型，通過Virtools發(fā)布到IE瀏覽器。對(duì)實(shí)施過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：3Dmax；Virtools；二叉樹

DOIDOI：10.11907/rjdk.143759

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）001013402

0 引言

以前，地下管網(wǎng)的隱蔽工程資料由傳統(tǒng)的二維CAD圖完成，根據(jù)要求的起、止點(diǎn)，窨井的坐標(biāo)和管頂標(biāo)高等參數(shù)控制施工，在復(fù)雜環(huán)境下，這種施工方法不利于節(jié)約材料，增大了返工的幾率，土方開挖還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境設(shè)施產(chǎn)生破壞。三維模型可以直觀顯示管道的地下形態(tài)和走向，以及管道和周圍設(shè)施之間的空間距離，減少人為主觀臆斷猜想，從而全面、系統(tǒng)地安排施工。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)完整的虛擬實(shí)景開發(fā)架構(gòu)如圖1所示，本次應(yīng)用只使用“建模軟件”、“虛擬實(shí)景開發(fā)平臺(tái)”、“虛擬實(shí)景”、“Web瀏覽器”部分。采用3Dmax建模軟件，根據(jù)擬裝設(shè)備材料信息，建立3D模型。在VirtoolsDev中，把開發(fā)好的虛擬三維交互系統(tǒng)，通過File菜單/Create Web Page生成為VMO網(wǎng)頁格式的文件，進(jìn)入三維虛擬系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行瀏覽操作。安裝Virtools Web Player瀏覽器，在桌面交互計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行VMO文件，網(wǎng)絡(luò)瀏覽是通過Html調(diào)用VMO文件超鏈接方式實(shí)現(xiàn)的[1]。

圖1 虛擬實(shí)境開發(fā)架構(gòu)

2 三維建模

2.1 創(chuàng)建幾何模型

建模主要有以下4個(gè)步驟：拆分建筑物單元、構(gòu)建主體建筑、具體細(xì)節(jié)的構(gòu)造和處理、粘貼紋理。在擬安裝管線的結(jié)構(gòu)上，分解管道構(gòu)成管件，建立閥門、法蘭、伸縮管等復(fù)雜管件庫，以方便后續(xù)直接調(diào)用。管溝內(nèi)按照管道坐標(biāo)控制管件走向和高度，放置管件模型到相應(yīng)位置。管溝外建筑物可采用形體合并建模方法，以地面為參考面，按照位置要求放置相應(yīng)建筑物。

具體操作應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①3Dmax制作的所有模型以及材質(zhì)的命名都應(yīng)該使用英文字母、數(shù)字，而且名字的長度要盡量控制在20個(gè)字符以內(nèi)；②3Dmax模型制作完成后要根據(jù)建模對(duì)象的復(fù)雜程度，選擇一個(gè)或者多個(gè)組合導(dǎo)出生成3dm格式模型文件，如閥門是多個(gè)異形體的組合；③每個(gè)模型導(dǎo)出后在文本中記錄其平移坐標(biāo)。

2.2 紋理貼圖

建筑物紋理圖片直接取自相應(yīng)建筑物分辨率較高的數(shù)碼照片，并使用CAD或其它相應(yīng)軟件對(duì)紋理圖片進(jìn)行校正，然后再使用PhotoShop進(jìn)行處理，使之符合貼圖要求。將建筑物各表面貼上對(duì)應(yīng)紋理，一個(gè)三維模型就建立了。常用金屬管道屬性設(shè)置見表1。

具體操作應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①制作3Dmax模型時(shí)，材質(zhì)圖片完成后要轉(zhuǎn)換為dds格式，并且使用dds格式的圖片做最后的紋理圖片；②3Dmax模型的材質(zhì)圖片大小必須是2n，也就是說材質(zhì)圖片的邊長必須是16、32、64、128、256、512、1 024……；③3Dmax模型導(dǎo)出后必須使用3dm-viewer進(jìn)行查看，檢查紋理是否完整，并保證導(dǎo)出正確模型；④導(dǎo)出的3dm格式模型文件要和相對(duì)應(yīng)的紋理圖片保存在同一個(gè)文件夾內(nèi)，文件夾命名必須使用英文字母，該文件夾禁止出現(xiàn)子文件夾。

2.3 烘焙技術(shù)

在建模過程中，如果用面片數(shù)量的增加來換取微觀細(xì)致的表面結(jié)構(gòu)，會(huì)增大系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。3Dmax的Rende ring to Texture渲染到紋理的模塊功能，即常說的Texture Baking貼圖烘焙技術(shù)，通過貼圖模擬表面紋理幾何結(jié)構(gòu)，是一種有效改善三維模型真實(shí)性的措施，能夠避免在三維模型搭建中用過多的面數(shù)來表示每個(gè)細(xì)節(jié)，降低了模型的復(fù)雜度[1]。

紋理圖越大渲染的效果就越好，烘焙紋理的大小直接影響最終效果。但紋理過大，對(duì)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源消耗就大，渲染速度也很慢。因此，在地下管網(wǎng)系統(tǒng)中，需要有計(jì)劃地進(jìn)行烘焙設(shè)置。對(duì)于施工中的新設(shè)備、新工藝、新材料，新型管件應(yīng)優(yōu)先考慮使用較大紋理尺寸，管材可以適當(dāng)降低烘焙時(shí)的紋理尺寸，這樣可節(jié)約有限的系統(tǒng)資源，從而獲得高效的烘焙效果。

3 Virtools重要功能

3.1 場景管理

地下管線屬于隱蔽工程，展示工程時(shí)需要采用視域剪裁、遮擋面剔除等手段，隱藏不需關(guān)注的地面信息，如房屋、橋梁、花壇、管溝上方路面等；保留重要節(jié)點(diǎn)指示標(biāo)識(shí)，方便快速定位查找；采用橋梁、大型建筑等遮擋指示標(biāo)識(shí)，花壇、房屋等地面建筑，地下管線等分層隱藏按鈕。

3.2 碰撞檢測

虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游時(shí)，以攝像機(jī)作為觀測視角。由于攝像機(jī)的移動(dòng)，攝像機(jī)和管道可能發(fā)生碰撞，為保持環(huán)境的真實(shí)性，需要及時(shí)檢測到這些碰撞，并計(jì)算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新繪制結(jié)果。為增強(qiáng)虛擬場景的沉浸感和真實(shí)感，定義在管溝內(nèi)自由漫游時(shí)，不可穿越管道和溝壁。

在虛擬場景中，兩個(gè)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)物體將要發(fā)生碰撞時(shí)，可以采用球形包圍盒檢測法來進(jìn)行檢測，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，采取相應(yīng)措施以避免碰撞。首先用參數(shù)操作Get Distance獲取物體Object1和物體Object2的半徑之和，用功能模塊Test來檢測它們之間的距離是否小于兩個(gè)物體的半徑之和；如果小于，則用功能模塊Object Slider來讓它們彼此滑動(dòng)，從而避免碰撞[2]。

3.3 漫游路徑

自動(dòng)漫游是讓用戶在設(shè)計(jì)好的路線上觀察建筑物。在關(guān)鍵點(diǎn)、設(shè)計(jì)精彩的位置或是寓意深刻的景觀作適當(dāng)停留，并加入聲音向客戶說明，以吸引客戶注意力。相機(jī)將沿著預(yù)設(shè)路徑移動(dòng)，不需要人工干涉，從而全面瀏覽場景[3]。

在自動(dòng)漫游模式下，以飛行模式觀察主管、支管，沿有效路徑進(jìn)行漫游。將區(qū)域內(nèi)管線的末端閥門及關(guān)鍵管件簡化為節(jié)點(diǎn)，使用二叉樹算法，沿管線對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)遍歷。為突出工藝管件的重要性，采用先序遍歷的遞歸算法，即若二叉樹非空，則依次執(zhí)行如下操作：訪問根結(jié)點(diǎn)、遍歷左子樹、遍歷右子樹。先序遍歷二叉樹的遞歸算法如下：

void PreOrder（BiTree bt）

{/*先序遍歷二叉樹bt*/

if （bt==NULL） return； /*遞歸調(diào)用的結(jié)束條件*/

Visite（bt->data）； /*訪問結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域*/

PreOrder（bt->lchild）； /*先序遞歸遍歷bt的左子樹*/

PreOrder（bt->rchild）； /*先序遞歸遍歷bt的右子樹*/

}

3.4 數(shù)據(jù)庫連接

在采用自由漫游方式時(shí)，有時(shí)候需要了解實(shí)物具體參數(shù)，如地下管網(wǎng)窨井、轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)，井蓋、井底、溝槽和管頂?shù)鹊母叱?，及附注管道及窨井的編?hào)、名稱、管徑、管材、間距、坡度和流向。Virtools連接數(shù)據(jù)庫，自由漫游實(shí)物，顯示對(duì)應(yīng)參數(shù)。

（1）安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫。 服務(wù)器操作系統(tǒng)推薦使用Windows Server 2003，并安裝IIS。

（2）完成數(shù)據(jù)庫在ODBC數(shù)據(jù)源管理器的配置。①依次點(diǎn)擊[開始]→[管理工具]→[數(shù)據(jù)源ODBC]項(xiàng)目，啟動(dòng)[ODBC數(shù)據(jù)源管理]的應(yīng)用程序；②在[ODBC數(shù)據(jù)源管理器]中，切換選項(xiàng)卡至[系統(tǒng)DSN]；③點(diǎn)擊[添加]按鈕，打開[創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源]向?qū)?；④在向?qū)е?，選擇[SQL Server]項(xiàng)；⑤點(diǎn)擊[完成]；⑥在[創(chuàng)建到SQL Server的新數(shù)據(jù)源]向?qū)е校謩e輸入[名稱]、[描述]、[服務(wù)器]項(xiàng)，并點(diǎn)擊[下一步]按鈕；⑦在向?qū)е?，選擇[使用用戶輸入登錄ID和密碼的SQL Server驗(yàn)證]項(xiàng)，并在[登錄ID]和[密碼]中分別輸入要連接數(shù)據(jù)庫的賬戶和密碼；⑧在向?qū)е?，將[更改默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫為]項(xiàng)，設(shè)置為要訪問的數(shù)據(jù)庫名稱；⑨其它選擇默認(rèn)值，點(diǎn)擊[下一步]按鈕；B10使用默認(rèn)值，點(diǎn)擊[完成]按鈕。

（3）Virtools Server Controller配置。①依次點(diǎn)擊[開始]→[3DVIA]→[Virtools Multiuser Server 5.0]→[Server Controller]的應(yīng)用程序；②在對(duì)話框中點(diǎn)擊[Setup]按鈕，顯示[Virtools Server Setup]對(duì)話框；③在對(duì)話框中，更改[Server address]組中的[Address]項(xiàng)，從列表中選擇已自動(dòng)識(shí)別的IP地址；④[Port]項(xiàng)可保持默認(rèn)值；⑤在更改后，[Address]和[Port]將在Virtools中使用；⑥在[Modules]組中，雙擊[Virtools Server Database Module]項(xiàng)；⑦在[Database Module Configuration]對(duì)話框中，點(diǎn)擊[Add Database]項(xiàng)，添加數(shù)據(jù)源；⑧在[機(jī)器數(shù)據(jù)源]選項(xiàng)卡中選擇要使用的數(shù)據(jù)源；⑨點(diǎn)擊[確定]按鈕，輸入數(shù)據(jù)源的登錄密碼；B10在[Database]列表中配置多個(gè)數(shù)據(jù)源供Virtools使用；B11點(diǎn)擊[OK]按鈕，完成添加數(shù)據(jù)源；B12在[Virtools Server Controller]對(duì)話框中，點(diǎn)擊[Start]按鈕啟動(dòng)服務(wù)。