虛擬仿真在小型水壩工程中的應用研究

張開源

【摘要】虛擬仿真在建筑工程中的實際應用和逐漸普及有所突破，用計算機生成真實感較強的虛擬場景，并進行動態模擬是虛擬仿真領域的重要研究內容之一。本文在小型水壩工程仿真研究和分析的基礎上，利用三維制作軟件，實現了高度真實感的水壩場景及水壩排水動態模擬。

【關鍵詞】虛擬仿真 小型水壩 三維建模技術 動態顯示

【Abstract】The virtual simulation has increasingly gained practical application and outstanding breakthrough in hydraulic engineering； one of the most challenging studies is computer?generated virtual scene with dynamic simulation. The paper takes advanced theories and results into consideration from many different relating fields， and gives an intuitive virtual and dynamic display for the drainage process and scene simulation of the dam by using three?dimensional production software.

【Keywords】Virtual simulation； Small-scale dam； Three?dimensional modeling techniques； Dynamic display

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）04-0221-02

引言

計算機虛擬仿真技術提供了較為直觀的人機界面，在小型水利工程中的應用也得到相應的發展，小型水壩三維模型既有靜態模型也有運動模型，在場景模擬時，不僅要對水壩工程及其環境進行三維展示，還要對地形地貌、水壩運行過程進行模擬和動態顯示。

本文結合“山區人畜飲水工程項目”中的小型水壩工程建設，提出虛擬仿真建模與動畫顯示實施問題，在查閱相關文獻的基礎上，對水壩進行三維場景建模和工作過程的動態顯示進行應用研究和探索。

1.虛擬仿真技術

1.1虛擬仿真建模技術

虛擬仿真是在虛擬的數字空間中模擬真實世界中的事物，這就需要真實世界的事物在數字空間中的表示，于是產生了虛擬仿真中的建模技術。按使用方式的不同，現有的建模技術主要分為：幾何造型、掃描設備、基于圖像等幾種方法。

（1）幾何造型的建模技術是由專業人員使用專業軟件，結合計算機圖形學與美術方面的理論和技術，搭建出物體的三維模型。

（2）利用三維掃描儀能夠自動構建出物體的三維模型，并且精度非常高，它主要應用于醫學等專業領域。

（3）基于圖像的建模技術只需使用數碼相機拍攝的物體多角度下的照片，經過自動重構，即可獲得物體精確的三維模型[1]。

1.2虛擬仿真技術在水利工程建設中的應用

計算機虛擬仿真技術應用于水利工程最早在20世紀70年代初，修建奧地利施立格混凝土壩時采用了確定性數字模擬技術對纜機澆筑混凝土方案進行優選，實踐表明，模擬的澆筑速度和進程與實際施工情況非常吻合[2]；我國在二灘工程大壩施工組織設計中首先采用虛擬現實技術，效果較好。此后應用范圍從輔助施工設計擴展到結構設計、三維動態顯示等方面；從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工；應用目標從靜態的方案優選發展到動態的實時控制；從最初把仿真成果僅僅作為一種決策參考，逐漸發展為工程規劃、設計和施工管理中不可缺少的技術手段[2]。

1.3開發環境介紹

本文仿真研究主要是在AutoCAD和3D Max平臺下完成的，在AutoCAD中按比例繪制元素的二維或三維模型，導入到3D Max中進行處理，二維模型需根據其高度信息放樣建模，得到水壩各元素的初始化三維模型；部分元素直接在3D Max中建立三維模型。然后完成靜態仿真和動態顯示[3]。

2.小型水壩建模

2.1小型水壩概述

小型水壩是指水壩垂直高度（從地基處算起）小于或等于15米，且總儲水量不超過300萬立方米的水壩。壩體結構一般由壩體核心墻、閘閥、溢洪道、內外邊坡等組成，閘閥控制用水的開閉。小型水壩壩體一般為土質壩體，其核心墻是壩體的主要構成部分，內邊坡夯實后一般采用混凝土預制砼硬化，外邊坡植草皮護坡或低矮值被。壩體截面圖如圖1所示。

2.2三維建模概述

建模是三維場景制作中的重要環節，建模方式的選擇依賴于現實模型的結構及形狀，建模方式主要有多邊形建模、放樣建模、Nurbs建模等三種類型。

（1）多邊形建模是較為傳統和經典的建模方式，它由多個三角形和四邊形面互相連接起來，每個面都有自己的尺寸和法線（即方向），通過精確排列和聯結這些面，可以建立由簡單到復雜的物體模型。

（2）放樣建模是截面圖形在一段路徑上形成的軌跡，即二維到三維的轉化。

（3）NURBS建模是采用圖形學中生成光滑曲線的一種經典數學方法來構建三維模型的，它可以提供光滑的更接近輪廓的曲面，并使網格在編輯時保持相對較低的細節。

2.3三維模型建立

模型的建立主要是地形和建筑物的建模，如地形、壩體、壩體建筑、植被建模等。建模過程包括地形處理、建立建筑物基本三維模型、模型的其他要素處理、重點水工建筑物建模四個方面。

（1）地形建模，這種不規則地形建模方式主要有三種：一是平面添加噪波的隨機建模方式，其隨機性決定該方式不適合建立給定形狀的山體模型；二是使用NURBS曲面中的CV曲面，得到類似真實的山峰、山谷等地形；三是根據地形的幾何參數提取等高線信息，然后根據各等高線的高度值在三維空間中放置其高度，最后使用地形工具制作地形模型。本文采用第三種方式完成地形表面建模。

（2）壩體建模，先繪制壩體的橫截面多邊形，然后添加擠出修改器，設置擠出參數得到壩體模型。

（3）水面建模是使用平面、網格、噪波等功能，設置參數，實現水面模型的建立，它們的原理是采用數學運算模型生成指定參數的三維表面。

（4）閘閥建模，采用多邊形方法建立模型。

如圖2所示的閘閥模型。

（5）水流建模，根據閘閥開啟、水水流速這兩個參數數使用粒子系統進行建模。

（6）其它元素如溢洪道、壩頂碎石料、閘閥混凝土砼基礎、地表植被等，采用多邊形、放樣等方法建立模型。

3.靜態仿真

任何物體都有各自的表面特征，它們的質感、顏色是虛擬仿真的一個難點，用材質、貼圖和燈光，可以制作出逼真的物體表面。

3.1材質與貼圖

所謂材質，是指模型表面特性，它決定了著色時的顏色、光亮程度、自發光度及不透明度等。指定到材質上的圖形稱為貼圖，使用多種貼圖方法能把簡單的模型變成豐富的場景畫面。

（1）壩體材質，水壩壩體需要貼圖的面有3個，每面的貼圖各不相同，這就要用到“多維/子對象材質”為其分配不同的材質。

（2）水面材質，水面模型依賴于貼圖和噪波的參數設置，單獨的水面模型是一個空白的毫無意義的三維形狀。

（3）水流材質，水流效果采用泡沫材質，這種材質和煙霧材質有點類似。使用粒子系統的變形球粒子為其定義材質。

（4）其它材質，除上述模型設置材質外，其它模型也需要設置相應的材質。

各模型指定材質后，就具有了基本的外觀造型和顏色信息，更接近仿真模型。材質的另外一個作用就是在動畫制作時，可以通過材質的變換和參數的調整制作材質動畫。

3.2燈光

燈光的主要作用是用來模擬太陽光、照明燈和環境等光源，從而營造出環境氛圍。水壩場景是一個開闊的場景，在光線的使用上考慮場景的自然真實性，所以采用泛光燈和天光進行布光。

4.動態仿真

4.1動態仿真概述

在制作動畫之前，首先要對整個運動畫面做出全面的規劃，如動畫的時間、場景安排、各元素的動作順序、動畫的動作原理做出時序規劃，并逐步細化動作。

水壩工作過程中涉及到的動畫主要包括以下三種：首先是 水壩閘閥的開啟動畫；其次是在閥門開啟時水流動畫，使用粒子系統和空間扭曲系統中的重力作用產生的水流動畫；第三是水位下降動畫，水壩的水面受空氣或水位下降的影響，會有波紋或旋渦運動而產生的水面動畫。

4.2水流粒子系統動態仿真

水流粒子動畫在需添加運動模糊，在動畫制作中，運動模糊不僅是強化動態效果的方法，也是掩蓋瑕疵的一個訣竅。雖然只要物體的運動速度足夠快，運動模糊似乎“理所當然”地會產生，但是動畫畢竟不是真實的物理場景，如果不為粒子的運動添加運動模糊，水珠是一個一個蹦出來的，與真實的物理效果大相徑庭。

4.3 渲染輸出

渲染是場景的收尾階段，在進行了建模、設計材質、添加燈光和動畫制作后，進行渲染，生成豐富多彩的圖像和動畫。如圖3所示動畫截圖。

結束語

本文暢述了虛擬仿真在水利工程建設中的應用，圍繞三維建模的技術展開探討，深入研究了水壩場景的仿真和動畫制作。在可視化上具有適用性，在水壩工程預演和編制施工組織設計中得到應用。

參考文獻：

[1]束搏，夏時洪. 實現建模技術的3種方法[N]. 計算機世界報.2007-07-09： 26（B17）.

[2]劉惠義.水利工程復雜虛擬視景建模及軟件加速技術的研究[D].河海大學，2004.

[3]張凡等.3ds max2008中文版應用教程[Z].北京：中國鐵道出版社，2008.