淺析三維動畫技術(shù)在線路工程設(shè)計中的應(yīng)用

馬躍 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學

現(xiàn)階段，我國正處于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展期，公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止2014 年，我國高速公路里程已經(jīng)達到10.6 萬公里，成為世界第一。大量的事實表明公路的設(shè)計和規(guī)劃對公路的使用質(zhì)量和運營效益有巨大的影響，特別是在我國地貌環(huán)境復雜，部分山地公路是“用錢堆出來的”，造價成本極其高。近年來，隨著三維動畫技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)被廣泛應(yīng)用到公路設(shè)計中，進行平、縱、橫綜合設(shè)計，對工程項目的實施有著至關(guān)重要的指導價值，只有優(yōu)秀的公路設(shè)計，才能更好的為國民經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，獲取更大的社會經(jīng)濟效益。

一、三維動畫技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著三維動畫技術(shù)的成熟，許多人提出運用三維動畫技術(shù)進行路線設(shè)計，簡言之就是用三維的設(shè)計方法去檢驗三維的公路產(chǎn)品，盡管這樣的提議是一次重大變革，但是在實際應(yīng)用中仍然出現(xiàn)了眾多問題，例如數(shù)據(jù)冗雜，功能單一?，F(xiàn)階段主要通過AUTOCAD 和3DMAX軟件確定路徑，進行渲染，這種方法視點比較固定，無法進行全方位觀察；也存在路徑和放映速度固定，播放過程中，無法實時查詢所經(jīng)區(qū)域的地形信息；同時線框模型無法對公路地形特征信息進行存儲，動畫渲染工作量巨大，不利于對模型數(shù)據(jù)的訪問。目前相對比較成熟的公路三維建模方法是實體建模方法，以數(shù)字地面模型(DTM)為基礎(chǔ),根據(jù)路線平面、縱斷面建立公路填方和挖方實體,在此基礎(chǔ)上進行布爾運算，該方法原理簡明,易于開發(fā)實現(xiàn)。

目前，公路仿真技術(shù)正在向著多角度、集成化、一體化的方向發(fā)展。三維設(shè)計思想已經(jīng)逐漸進入公路設(shè)計領(lǐng)域，但是由于種種因素，三維動畫技術(shù)并未在公路設(shè)計中發(fā)揮巨大的作用，影響了公路路線設(shè)計質(zhì)量。鑒于此，相關(guān)的研究人員已經(jīng)著手進行技術(shù)的改革，減少不必要的程序，使得相關(guān)的程序更加的合理科學，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，三維動畫技術(shù)必將取代傳統(tǒng)的二維路線設(shè)計方法，得到更加廣泛的應(yīng)用。

二、CARD/1 設(shè)計軟件分析

目前緯地三維動畫CAD 系統(tǒng)可實現(xiàn)三種路線三維效果，但是效果不佳，只能實現(xiàn)單向、單視角、單路線的固定模式。而CARD/1 路線設(shè)計軟件除了能完成緯地三維動畫CAD 系統(tǒng)的效果，還能實現(xiàn)公路三維動態(tài)可視動畫。CARD/1 設(shè)計軟件的實現(xiàn)過程包括以下三個階段：第一階段是地形圖數(shù)據(jù)準備階段，首先對矢量地形圖進行接口，同時對光柵地形圖進行讀入和處理以及光柵圖矢量化進而對地形圖輸入/輸出，接著對地形圖處理并建立數(shù)字模型；第二個階段是設(shè)計階段，按照軸線設(shè)計→縱斷面設(shè)計→編輯橫斷面開發(fā)文件→橫斷面戴帽子步驟進行；最后一個階段是三維動態(tài)檢驗階段，按照編輯動畫建立文件→行駛模擬→結(jié)果檢查步驟進行。根據(jù)前人的研究和實踐分析，CARD/1 的在設(shè)計軟件實現(xiàn)過程中具有無需進行數(shù)據(jù)交換，保證了設(shè)計精度，同步顯示三維動畫，可以調(diào)整行車方向，視點高度，對設(shè)計結(jié)果可以進行修改等優(yōu)點，特別適合在山區(qū)公路設(shè)計中進行推廣。缺點主要表現(xiàn)在對設(shè)計人員的編寫程序能力要求較高，前期主要是德語版，接下來實現(xiàn)了英語版，但是由于語言障礙，應(yīng)用的廣泛性收到了影響。

三、CARD/1 三維動畫設(shè)計數(shù)據(jù)準備

地形圖是三維動畫設(shè)計的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的地形圖類型一般包括3D矢量、2D 矢量和光柵，地形圖導入CARD/1 系統(tǒng)管理是首要任務(wù)。以光柵圖數(shù)據(jù)為例，當其進入CARD/1 系統(tǒng)管理，軟件會讀入需要的格式數(shù)據(jù)，接下來轉(zhuǎn)換為RAL 文件存儲，然后將光柵圖拼接起來進行切邊等操作。如果要得到3D 地形圖，還需要對光柵圖進行矢量化。對于地形圖數(shù)據(jù)的讀入和處理主要按照地形圖數(shù)據(jù)的讀入→地形圖處理→數(shù)字地面模型的建立→數(shù)據(jù)檢查順序進行。接下來是平面線形設(shè)計，CARD/1 是以地形圖數(shù)據(jù)庫作為勘測數(shù)據(jù)的中樞，可以輔助工程師實時放樣設(shè)計線位單元，在數(shù)據(jù)導入之后，便可以開始路線平面的軸線設(shè)計工作。在接下來是縱斷面拉坡設(shè)計，縱斷面設(shè)計主要通過地面線、設(shè)計線、控制點和視距檢查四個功能實現(xiàn)設(shè)計，其中設(shè)計線實現(xiàn)了各類相關(guān)信息同屏顯示、交互設(shè)計過程數(shù)據(jù)精確、數(shù)圖互動顯示，配合鍵盤輸入、靈活多樣的設(shè)計方法和設(shè)計工具、及時地精確信息查詢等功能。最后是橫斷面戴帽子設(shè)計，在該環(huán)境下，系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化程序，這些命令序列可以適應(yīng)各種類型橫斷面線設(shè)計的需求。具有功能自行滾動成長、功能強大的橫斷面開發(fā)環(huán)境和簡單易學的橫斷面開發(fā)語言等優(yōu)點。從步驟上看，首先是橫斷面開發(fā)命令，例如POINT 可以給出絕對坐標來產(chǎn)生一個點，RPOINT 命令可以設(shè)計一個點，SLOPE 命令設(shè)計相對于上一個點的新點，SHOULDER命令設(shè)計固定坡度，SWALE 命令設(shè)計一個由4 點組成的邊溝，也會用 到DITCH、EMBANKMENT、SEMBANKMENT、ROUND 和SUBGRADE 等命令。

四、結(jié)語

三維動畫技術(shù)在線路工程設(shè)計中的應(yīng)用是一項相對復雜的系統(tǒng)問題，前人在具體的案例研究中也分析了CARD/1 三維動畫內(nèi)部開發(fā)命令集以及三維動畫行駛模擬的實現(xiàn)過程，說明了視圖輸出的方法。盡管三維動畫技術(shù)在線路工程設(shè)計應(yīng)用中面臨眾多障礙，但是三維動畫技術(shù)可以節(jié)省工程造價 ，使得公路線路的設(shè)計更為科學合理，因此需要得到交通部門和相關(guān)學者的重視，進一步提升現(xiàn)有技術(shù)。