重慶港集裝箱碼頭三維模擬系統設計

葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

重慶港集裝箱碼頭三維模擬系統設計

葉榮波，杜廷娜，劉明維，王多垠

(重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

以重慶港集裝箱碼頭為實例，利用虛擬現實的方法和技術，混合使用Auto CAD、3Ds MAX、Photoshop、Premiere的技術集成，開發出了集裝箱碼頭的三維可視化仿真系統。介紹了系統的設計方法，系統的構成和工作流程，并對系統中用到的關鍵技術進行了分析研究，系統虛擬的動畫模擬可以為集裝箱碼頭的運營管理提供決策依據。

集裝箱碼頭;建模方法;設計流程;Auto CAD;3Ds MAX

港口結構復雜、投資大，生產過程中的隨機因素多，其建設周期也很長。因此，港口的合理規劃具有重大意義，但難度也較大，如果將港口三維可視化仿真系統應用于港口建設中，定量分析泊位利用率是否合理，設施及設備的配置是否恰當，碼頭裝卸工藝流程設計是否科學，必將有著極大的實際作用。

重慶港作為長江上游集裝箱主樞紐港，正在向港口自動化，船舶大型化，港口設備重載化方向發展。以減少船舶在港停留時間，降低生產成本，提高設備利用率和生產率，提高港口在市場中的競爭能力。港口三維可視化仿真系統作為一種虛擬設計工具，可用作港口規劃方案評價，降低設計風險。同時也可模擬港口的生產過程，為港口的科學有序管理提供決策參考依據。

1 建模方法

1.1 建模方法比較

現有的建模技術按使用方式的不同可以分為:基于掃描設備的建模方法、基于圖像的建模方法以及基于幾何造型的建模方法。掃描設備如專業的三維掃描儀，雖然可以達到很高的建模精度，但其設備費用非常昂貴，操作步驟繁雜，使得它無法得到很好的推廣。另外，這種方法也只能得到物體表面的幾何信息，對于表面紋理卻無法自動獲得［1］。針對這些問題，專家們將計算機視覺領域與計算機圖形學的知識結合起來，實現了基于圖像的建模技術。這種技術是使用普通的數碼相機拍攝物體在多個角度下的照片，經過自動重構技術，獲得物體精確的三維模型。但這種方法在處理表面紋理時，對于不規則物體來說，效果不理想。另外對于物體表面存在凹陷的細節，在表面輪廓中無法體現，將會失去部分三維模型信息。且存在圖像匹配困難，存儲數據量大，立體感不強，效果不理想等缺點［2］。

1.2 建模方法選擇

選擇幾何造型的建模方法，主要有3種:線框模型、表面模型、實體模型。線框模型只用頂點和棱邊來表示物體，因此只有“線”的概念。如果顯示效果要求不高，由于線框模型簡單、方便，所以得到較廣泛的應用。這種方法表示物體的外觀很難，應用范圍受到限制。表面模型相對于線框模型來說引入了“面”的概念。表面模型是用參數化的細分面片來逼近真實物體的表面，因此可以很好地表現物體的外觀輪廓。相對于上述的線模型和面模型，實體模型引入了“體”的概念，在構建物體表面的同時，深入到物體內部，從而形成物體的“體模型”。

面模型和體模型以其優秀的視覺效果被廣泛應用，且有很好的建模工具。本系統選用了Auto CAD和3Ds MAX建模工具，采用基于幾何建模的面模型和體模型對場景進行優化，實現了重慶港集裝箱碼頭的三維模型搭建［3］。

2 系統總體設計

重慶港集裝箱碼頭三維可視化仿真系統主要由軟件和硬件2大部分組成。

2.1 軟 件

Auto CAD和3Ds MAX是最常用的三維建模軟件。Auto CAD是目前全球市場占有率最高的計算機輔助設計軟件，廣泛應用于各個行業。3Ds MAX是享譽三維動畫制作專業的優秀軟件，具有強大的三維造型及動畫制作功能，且開放性良好，應用領域非常廣泛［4］。在港口三維動畫制作過程中要處理大量的圖形圖像素材，Photoshop是首選軟件，相對同類軟件，Photoshop具有功能強大，簡單易用的優點。當各個部分三維模型和動畫制作完成后，選用Premiere作為后期合成軟件。

2.2 硬 件

硬件最好采用高性能配置的PC機，建議最低配置為:CPU主頻2 G以上，內存2 G以上，獨立顯卡，顯存512 M以上，硬盤250 G。

2.3 工作流程

在重慶港集裝箱碼頭三維可視化方針系統開發過程中，對港口建筑及其它場景采用幾何建模的方法，設計流程如圖1。

3 模型分析與創建

3.1 辦公區域

辦公區域有5棟建筑以及周邊環境和公路。整個港區涉及的三維立體很多，房屋建筑以建立表面模型為主，這樣可減少數據量，同時要考慮到每種軟件之間模型的組織結構不同。例如，在Auto CAD中建立了一個平面，而在3Ds MAX中這個平面就不再是平面而是控制平面的線。這就需要選擇部分形體的建模是在Auto CAD中進行還是在3Ds MAX中進行。這部分有噴水池小景，噴水效果采用了3Ds MAX的粒子系統。在制作噴水池時，可供選擇的粒子噴射類型有很多種:PF Source、噴射、雪、暴風雪、粒子云、粒子陣列、超級噴射。在此場景中選擇了利用超級噴射類型創建粒子系統。創建了超級噴射粒子類型之后需要給粒子施加一個虛擬的重力，不然粒子會“一飛沖天”，這需要用到3Ds MAX中對自然界模擬的重力，調整重力大小時一定要小心謹慎，因為對于這個參數一點點的加或減都會對粒子運動軌跡產生很大的影響，所以對于敏感參數的調節一定要耐心仔細。要使得噴水效果逼真，還要調整攝像機鏡頭的運動模糊參數，所謂的粒子是一個一個的小球(小三角形，小長方體等)要使這些小形體看起來像水，這就需要打開攝像機鏡頭的運動模糊功能，讓粒子在運動過程中有模糊“拖尾”的效果，粒子形體、運動、特效等設置完成后，還要給粒子給定水的材質。這樣能讓這些粒子更具有水的靈動性，讓整體畫面更真實［5］。這部分模型見圖2和圖3。

圖1 港口三維模型設計流程Fig.1 Design workflow of port three－dimensional model

圖2 辦公區域Fig.2 The regional office

3.2 碼頭前沿

碼頭前沿有10個泊位。這部分立體主要有高樁、岸橋、路燈、江面、集裝箱及船舶，涉及的立體類型較多。因此，在建模時大量運用到二維陣列功能，以及配合不同視圖，進行三維陣列，以此同時，在同一形體大量出現時，應該將其做成一個塊，并以插入塊的方式進行陣列復制，這樣可以大大減少文件大小。對于江面的制作，考慮到Auto CAD在曲面建模方面的缺陷，因此在Auto CAD中，只給定江面的位置，而具體的水流表面的處理就放在3Ds MAX中進行建模，用3Ds MAX就能很容易的控制水面的凹凸感和相位變化。特別要注意的是江面以及江面與周圍山體的銜接處，為了接近自然狀態，可在兩者之間采用霧化處理效果，這樣使得連接更逼真。這部分模型見圖4。

圖3 噴水池Fig.3 The fountain

圖4 碼頭前沿Fig.4 The dock

3.3 堆場后方

堆場主要有集裝箱、道路(汽車道和火車道)、龍門吊及起重小車、綠化帶和路燈。其中值得注意的是插入塊功能的優勢。運用插入塊的功能可大大減少大量重復的模型在計算機內存中占用的問題，運用此功能，場景中所有同樣的模型只占用一個塊的空間，這樣可以減小文件大小，提高顯示速度［6］。比如，大量的集裝箱，龍門吊，小車以及欄桿。這部分的動畫主要注意將各臺龍門吊的動作設置為不同步的方式，這樣顯得自然生動，見圖5。

3.4 拆裝箱庫

拆裝箱庫形體較單一，只有樣式相同的庫房式建筑和道路，見圖6。

3.5 出港道路

出港道路主要是公路與橋梁。橋梁是雙塔斜拉橋，涉及橋塔、橋墩、橋面、欄桿和鋼索，以及其他細節，制作較復雜。對于鋼索，這里可以取一捷徑，在Auto CAD中畫的各種線，導入到3Ds MAX中后有2種處理，一種是以線為軸線自動生成圓柱體;另外一種是以線為基準自動生成長方體，因此在Auto CAD中建模時只需要畫一根線確定好線的位置、長短、角度等來代替鋼索，而不需要建圓柱體的模型。在畫好的線導入到3Ds MAX后，選擇線生成圓柱體的方式，讓3Ds MAX自動建模，這樣既可以減少文件大小又可以節約很多時間，見圖7。

圖7 出港道路Fig.7 The road departure

4 結論

三維建模技術在計算機軟硬件、光學等技術與設備的不斷發展與促進下，已經得到快速的發展［7］。在建模時也更趨向于使用簡單的設備和過程，來滿足不同應用層次的需求。三維建模技術研究，應該由現在不斷追求具有更高精度、看起來更加真實的靜態模型，發展向未來能夠模擬現實世界各個對象間交互作用的動態模型，進而更加有效地輔助人們探索事物發展規律的研究［8］。計算機三維建模及動畫制作技術在港口建設中的應用，為人們提供了具有真實感的三維視覺模型，以便在工程設計階段即可在計算機上看到工程的未來景象，借助計算機三維模型可以對方案進行可視化分析和評價，檢驗設計方案是否科學合理。另外，還可以利用三維動畫技術和虛擬現實技術來模擬施工進度，施工工藝，從而評價施工方案的合理性，為設計者和決策者提供指導和決策依據。

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［7］欒悉道，應龍，文軍，等.三維建模技術研究進展［J］.計算機科學，2008，35(2):208-210，229.

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QIU Jian-xiong，ZHAO Yue-long，YANG Rui-yuan.The review of modeling and rendering technology based on image［J］.Journal of Small Miniature Computer Systems，2004，25(5):908-912.

Container Dock Simulation System of Three-dimension Visualization in Chongqing

YE Rong-bo，DU Ting-na，LIU Ming-wei，WANG Duo-yin
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Taking container terminal in Chongqing Port as an example，the three-dimensional visualization system of container terminal was developed based on virtual reality methods and techniques and application of AutoCAD，3DSMAX，Photoshop，Premiere of technology integration.The design method of the system was introduced;the system composition and workflow，and key technologies were analyzed;the system virtual animation provided a basis for operation and management of container terminal.

container terminal;modeling method;design flow;Auto CAD;3Ds MAX

TP39

A

1674-0696(2011)03-0445-03

2010-10-21;

2010-12-11

重慶市教委科學技術研究資助項目(KJ060413)

葉榮波(1987-)，男，四川涼山人，碩士研究生，主要從事水利水電工程方面的研究。E-mail:tingnadu@163.com。