利用Cult3D技術(shù)虛擬實(shí)現(xiàn)飛機(jī)增雨機(jī)載新設(shè)備的應(yīng)用與展望

楊增梓 陳祺 張建輝

摘要 Cult3D作為窗口型軟件環(huán)境下的虛擬實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，以及其使用簡(jiǎn)捷、應(yīng)用廣泛、效果精美的特點(diǎn)，被眾多展示系統(tǒng)所采用。應(yīng)用三維軟件將機(jī)載設(shè)備按實(shí)際結(jié)構(gòu)與尺寸建模，實(shí)現(xiàn)仿真互動(dòng)，足不出戶就可以學(xué)習(xí)、了解、操作和展示增雨作業(yè)新設(shè)備的原理及應(yīng)用。Cult3D的跨平臺(tái)特點(diǎn)，方便展示在不同的平臺(tái)，結(jié)合工作需要，并對(duì)未來展示與應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 3D建模；虛擬實(shí)現(xiàn)；Cult3D；飛機(jī)機(jī)載增雨作業(yè)；新設(shè)備；應(yīng)用

中圖分類號(hào) P481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）09-0226-03

Abstract As the virtual reality platform in the window software environment，Cult3D is used in more and more show software because of its easy usage，extensive，application and exquisite effects. An virtual designed model on the Cult3D platform was introduced according to the actual structure and size of the airborne device. Users can learn and understand the principle and application of the new airborne rain enhancement device. Meanwhile by the Cult3D cross-platform feature，this software could be ported to other platform，also according to need of the work，the exhibition and application in the future was prospected.

Key words 3D modeling；virtual reality；Cult3D；aircraft artificial precipitation；new equipment；application

虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新綜合信息技術(shù)，它融合了多種計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)速的提高，在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)3D物品互動(dòng)展示和操作已成為現(xiàn)實(shí)，用計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境對(duì)現(xiàn)實(shí)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行仿真，用戶可以進(jìn)入這個(gè)環(huán)境，可以控制瀏覽方向，并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行人機(jī)交互。瀏覽者只需用鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，就可以對(duì)頁面中的逼真物體模型進(jìn)行全方位的觀看，還可以對(duì)物體進(jìn)行拉近、拉遠(yuǎn)、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、互動(dòng)操作等，讓瀏覽者能夠真實(shí)地感受到物體的相關(guān)屬性，現(xiàn)在多用于電子商務(wù)和產(chǎn)品展示中，目前少數(shù)發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)、軍事等多方領(lǐng)域已開始廣泛使用這種高新技術(shù)，并取得顯著的綜合效益。

目前，虛擬實(shí)現(xiàn)（Web3D）技術(shù)發(fā)展已有許多種，最主要的幾種已廣泛應(yīng)用于網(wǎng)上3D展示，Cult3D脫穎而出，Cult3D是Cycore公司開發(fā)的一種3D網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種跨平臺(tái)的3D渲染引擎，有高效的壓縮技術(shù)，使用戶通過因特網(wǎng)訪問Cult3D內(nèi)容，文件量小，傳播速度快，可通過普通撥號(hào)上網(wǎng)的用戶完全可以接受，Cult3D是眾多Web3D中最友好的，輕松開發(fā)出具有交互功能的Cult3D對(duì)象。它作為窗口型軟件環(huán)境下的虛擬實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，其主要目的是在網(wǎng)頁上建立互動(dòng)的三維模型。這種互動(dòng)的三維模型與3D或2D軟件制作的平面圖或視頻動(dòng)畫有著本質(zhì)的區(qū)別：一是它具有自由的視點(diǎn)，Cult3D不再滿足于一個(gè)固定的角度來展示作品，而是把對(duì)作品的欣賞權(quán)完全交給使用者；二是具有強(qiáng)大的交互能力，人不僅可以通過鼠標(biāo)直接對(duì)三維模型進(jìn)行交互操作，而且可以通過健盤控制三維模型的動(dòng)作或控制攝像機(jī)導(dǎo)航[1]。它的另一個(gè)特點(diǎn)是可以作為元素（控件插件）插入PC編程平臺(tái)，將這一技術(shù)移置到Office、Authorware，使用效果非常好。設(shè)計(jì)制作出的甘肅省人影新設(shè)備互展示系統(tǒng)得到各位同行和專家的好評(píng)。圖1為Cult3D的工作流程。

1 AgI發(fā)生爐

1.1 原理與建立模型

AgI發(fā)生爐由控制儀和發(fā)生器組成，控制儀主要控制發(fā)生器點(diǎn)火、噴燃液及供發(fā)生器控制電路、電源等組成；發(fā)生器內(nèi)部由控制噴液裝置和電路與控制點(diǎn)火電路裝置，外部由發(fā)生器貯液箱、點(diǎn)火針（靜電發(fā)生）、加液孔、放液孔及加液漏斗組成。AgI發(fā)生爐增雨作業(yè)流程（圖2）所示，發(fā)生爐作業(yè)分地面準(zhǔn)備、作業(yè)段、作業(yè)完成3個(gè)階段；根據(jù)以上特點(diǎn)，在建模時(shí)由于內(nèi)部電路控制部份及相應(yīng)裝置是不可見的，不可操作部分，建模時(shí)盡可能簡(jiǎn)化，以減少文件大小，可見部分是加液蓋、放液蓋、點(diǎn)火針、加液漏斗及發(fā)生器主體外觀，根據(jù)實(shí)物外觀及相關(guān)尺寸和圖片資料在3DMAX下建模，設(shè)置精確貼圖和材質(zhì)，保持模型與實(shí)物的真實(shí)完整性，輸出發(fā)生器.c3d文件，同時(shí)可反復(fù)預(yù)覽修改，反復(fù)調(diào)整，直到與實(shí)物接近。

1.2 建立互動(dòng)

將所生成的發(fā)生器.c3d文件在Cult3d Designer5中進(jìn)行互動(dòng)操作設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)生器而言，在建模過程中所存在的層次關(guān)系（父子關(guān)系）及作標(biāo)系統(tǒng)在Cult3D中得到繼承，在Scene Graph窗口中可見，對(duì)發(fā)生器互動(dòng)主要加入一些Actions，發(fā)生器主體加入按鼠標(biāo)左鍵響應(yīng)Acrball行為，這樣可對(duì)整個(gè)發(fā)生器進(jìn)行拉近拉遠(yuǎn)、放大縮小隨意旋轉(zhuǎn)觀看發(fā)生器的各部位及結(jié)構(gòu)。對(duì)發(fā)生器加液蓋漏斗分別按鼠標(biāo)左鍵響應(yīng)Translation XYZ和Translation Y的位移行為，取得合理的位移值，完成加液操作過程，最后完成其他設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)試輸出發(fā)生器.co二進(jìn)制編碼文件直接在各平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)觀看（圖3）。

2 液氮播灑裝置及操作

2.1 原理與建模

液氮播灑裝制根據(jù)液氮容器內(nèi)外氣壓差的原理完成在作業(yè)中施放液氮，作業(yè)過程中插入銅管自動(dòng)虹吸，飛機(jī)飛行的高度越高氣壓差越大，施放流速提高，液氮施放一般在云中或云上近云處施放，一般在4 500～5 500 m高空進(jìn)行，操作人員可操作的設(shè)施主要有木賽子、貯液罐、木蓋、銅管、塑料軟管等組成，建模時(shí)，有3D系統(tǒng)中調(diào)出銅制材質(zhì)、木蓋與木塞子用木材質(zhì)，塑料軟管屬半透明，調(diào)到合適的透明度，將對(duì)應(yīng)材質(zhì)賦于各相應(yīng)物件。工作及操作流程是選接好塑料軟管、銅管與飛機(jī)上施放接頭對(duì)接后，取開木賽子，插入銅管，實(shí)施作業(yè)。在建模時(shí)設(shè)定銅管、蓋子、塑料軟管為位移動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)插入貯液罐的操作過程，確定合適的幀數(shù)以控制相應(yīng)的時(shí)間段，最后輸出播灑裝置.c3d文件[2-5]。

2.2 建立互動(dòng)

在Cult3D Designer中調(diào)入播灑裝置.c3d編程，Cult3D所有的交互（Intoractions）行為包括播放聲音、放映動(dòng)畫和URL連接等，甚至可以編寫JAVA代碼實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動(dòng)畫控制。對(duì)播灑裝置主體加入Acrball行為，對(duì)木塞子加放Translation Y位移行為，對(duì)銅管、蓋子、塑料軟管加入播放動(dòng)畫行為，最后生成播灑裝置.co文件，以便進(jìn)一步編程和觀看（圖4）。

3 機(jī)載溫濕儀、PMS粒子探測(cè)儀虛擬實(shí)現(xiàn)

機(jī)載PMS粒子探測(cè)儀、機(jī)載溫濕儀的虛擬實(shí)現(xiàn)，由于可操作部分都在機(jī)內(nèi)微機(jī)中自動(dòng)采集，其安裝都是一次性安裝好的，建模后在Cult3D對(duì)其實(shí)施交互，對(duì)兩設(shè)備模型加入Acrball行為以實(shí)現(xiàn)對(duì)其外觀的展示，工作中PMS粒子探測(cè)儀采集各類尺度的雨滴、冰晶、粒子等相關(guān)的資料，存入計(jì)算機(jī)硬盤以供分析之用，溫濕儀測(cè)得實(shí)時(shí)溫度、濕度、飛行高度、飛行速度、GPS時(shí)間等要素存盤，PMS粒子探側(cè)儀和溫濕儀的虛擬實(shí)現(xiàn)如圖5、6所示[6-10]。

4 VB中編程

完成了各儀器設(shè)備的虛擬實(shí)現(xiàn)，作為元素通過相應(yīng)控件插入到VB中進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，完成了甘肅省人工影響天氣新設(shè)備展示系統(tǒng)，主界面見圖7。隨著儀器設(shè)備的引進(jìn)和進(jìn)一步升級(jí)，展示系統(tǒng)將進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，現(xiàn)階段完成了AgI發(fā)生爐、液氮裝置、機(jī)載溫濕儀、機(jī)載PMS、焰彈氣球增雪過程、發(fā)生器控制儀、高炮、火箭、移動(dòng)雷達(dá)、雙通道微波等。同時(shí)，設(shè)計(jì)制作完成的人影機(jī)載設(shè)備網(wǎng)上發(fā)布，實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上互動(dòng)學(xué)習(xí)。

5 Cult3D應(yīng)用展望

Cult3D虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，比如，虛擬實(shí)現(xiàn)建筑物的展示和參觀、虛擬實(shí)現(xiàn)手術(shù)培訓(xùn)、虛擬實(shí)現(xiàn)模擬飛機(jī)飛行等，結(jié)合甘肅省人工影響天氣辦公室人工影響天氣工作之需要將更進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)該于日常科研業(yè)務(wù)和展示工作中。

5.1 人影虛擬參觀系統(tǒng)

利用Cult3D提供的虛擬參觀，模擬高1.8 m的人的步長(zhǎng)與視角進(jìn)入場(chǎng)景建筑物中，利用3D工具設(shè)計(jì)好合理尺寸的模型，有展板，包括文字、圖象、影像等資料，也包括設(shè)計(jì)真實(shí)的實(shí)物放置在合理的位置，在場(chǎng)景中設(shè)置燈光和方便行走的路徑通道，參觀者只需在電腦前，利用鍵盤虛擬步行進(jìn)入這個(gè)場(chǎng)景里，用鍵盤或鼠標(biāo)簡(jiǎn)單地前行、后退和轉(zhuǎn)彎，遇到墻面或建筑物阻擋就停止，就像一個(gè)人不能穿越墻面，Cult3D系統(tǒng)自動(dòng)感知。建成這樣一個(gè)虛擬參觀系統(tǒng)，節(jié)省大量的人力、物力和資金，人性化、綠色環(huán)保，大大提高了工作效率。

5.2 祁連山山脈虛擬仿真行走觀看系統(tǒng)

結(jié)合正將進(jìn)行的甘肅河西祁連山二期增雨雪的探測(cè)與研究工程，為了更好地了解祁連山山脈的實(shí)際情況，應(yīng)用Cult3D建成仿真系統(tǒng)，首先用3D技術(shù)建成祁連山山脈模型，利用該地區(qū)的等高資料，結(jié)合衛(wèi)星遙感和先進(jìn)的建模手段，建成完整的祁連山山脈的模型，包括雪線、河流、植被等，如同一個(gè)沙盤，但其不同于沙盤，可仿真進(jìn)入到祁連山里行走觀看、參觀考察，同樣，參觀者只坐在電腦前通過鍵盤和鼠標(biāo)操作完成[11-15]。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 蘇威洲.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維互動(dòng)：ult3D[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2] 程永軍.用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)“沉侵”式網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境[J].中國電化教學(xué)，2002（4）：58.

[3] 鄧文新.Web3D技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用與研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2002（4）：36.

[4] 越野車.Web3D探密[J].網(wǎng)迷（增刊1），2001：101.

[6] 鳴澗.走進(jìn)3D夢(mèng)幻網(wǎng)（2）[N].中國電腦教育報(bào)，2002-07-10（18）.

[7] 李師賢，李文軍，周曉聰.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[8] 王鵬云，潘在桃，徐寶新，等.中尺度業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)試驗(yàn)數(shù)值模式系統(tǒng)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1992，3（3）：257-265.

[9] 王有毅，岳淑蘭.甘肅省地面氣象測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)查詢與演示系統(tǒng)[J].干旱氣象，2008，26（3）：76-81.

[10] 王遂纏，李照榮，付雙喜，等.西北地區(qū)冰雹監(jiān)測(cè)、預(yù)警及防雹指揮業(yè)務(wù)系統(tǒng)[J].干旱氣象，2007，25（5）：80-84.

[11] 吳學(xué)毅.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：21-30.

[12] 胡友彬.網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：10-13.

[13] 于鵬，丁喜剛.網(wǎng)絡(luò)綜合布線技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：25-30.

[14] 越騰任，劉國斌，孫江宏.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程典型案例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：56-60.

[15] 陳俊良，黎連業(yè).計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成與方案實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：120-123.