虛擬現實技術在結構工程中的應用與研究

婁 健 康

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

虛擬現實技術在結構工程中的應用與研究

婁 健 康

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

以某結構工程虛擬現實仿真系統的應用與研究為課題，融合紋理映射學、計算機圖形學、虛擬現實等多個交叉學科的先進理論技術，探討了基于Quest3D引擎的虛擬現實技術及解決實際問題的方案，并制作出該結構工程虛擬現實三維可視化仿真系統，有利于設計人員在虛擬建筑物內漫游，驗證自己設計的建筑物是否合適。

結構工程，虛擬現實系統，Quest3D

0 引言

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現的高新技術。VR是一項綜合集成技術，生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者，通過適當裝置對虛擬世界進行體驗和交互[1，2]。在現代結構規劃中，結構的整體效果越來越多的被設計人員考慮。結構設計的好壞已經不是從建筑物本身去評判，需要綜合考慮建筑在整個建筑群中的位置、高度、色調，以及城市綠地等一些可供休閑的場所。利用虛擬現實進行結構規劃設計，在結構設計階段就能以可視的、動態的方式全方位展示建筑物所處的地理環境、建筑物外貌和各種附屬設施，可以讓設計人員在虛擬建筑物內漫游，驗證自己設計的建筑物是否合適。城市規劃對于展示城市規劃、宣傳城市建設、提升城市形象、幫助有關人員作出決策，有著巨大的促進作用[3]。

本文利用虛擬現實技術對某工程進行設計和開發，結合工程動畫實現結構工程中的水利樞紐部分施工新工藝的動畫瀏覽、漫游及人機交互功能。

1 虛擬現實技術

1.1 虛擬現實簡介

虛擬現實技術綜合利用計算機系統的各種顯示器和控制接口設備，在計算機上完成擁有人機交互功能的虛擬環境[4，5]。該技術具有三個特征[6]：沉浸性，是指用戶在開發者創建的虛擬環境中獲得身臨其境的沉浸感;交互性，是指用戶可以與多種傳感器和多維化信息環境發生人機交互;構想性，是指用戶可以沉浸于高仿真的虛擬環境中并與系統進行人機交互，并在此基礎上對認識產生質的飛躍從而產生新的構想。

1.2 Quest3D虛擬平臺相對于其他開發引擎的優勢

基于Quest3D平臺的虛擬現實平臺與其他平臺比，能在可視化的編輯環境中與開發者進行互動，在編譯通道邏輯的過程中隨時查看系統運行結果。擁有強大、可視化工作流程，可以處理二維、三維圖形、聲音文件、網絡文件、數據庫文件、人機交互，它是虛擬現實中設計軟件的巨擘。使用Quest3D，用戶可以輕松建構出滿足系統要求的實時三維互動世界[7]。

1.3 Quest3D編程技術

普通編程：在通道編輯器的通道編輯面板中按照Quest3D規則進行通道編輯，采用節點編程法集成虛擬系統，節點通道運行順序是從上到下從左到右。分為以下三種：

1)三維模型渲染模塊的編程，實現模型在Quest3D中實時渲染，主要由相機模塊、模型模塊、燈光模塊組成。

2)界面制作模塊的編程。

3)附屬功能模塊的編程，在系統中加入工程動畫、人文資料、圖片資料、聲音等信息時。

面向對象編程：Quest3D引入了兩個與之相關的界面元素OO Editor和Interface視窗，使用Quest3D自帶的節點、通道和邏輯規則在OO Editor中通過添加接口和類的方式將復雜的普通編程簡化。

2 工程應用

2.1 工程概況

某結構工程特色是其水利樞紐工程建造在市區內，水利樞紐由土石壩、泄洪閘、電站廠房等三大部分組成。土石壩部分的最大壩高是16.5 m，水庫總庫容4.59億m3，電站裝機三臺，總裝機容量為7萬kW。此外該工程還具有基于曲面流線組織設計的采用金屬板和玻璃構件外裝飾材料的大型文體中心、商務商業中心和東區居住區中心等。

2.2 系統模擬目標

利用Quest3D虛擬仿真平臺，實現場景模型點、線、面以及實體的不同顯示方式；實現對整個系統的自動漫游和手動漫游，通過兩種漫游方式使用戶更加深入的了解某城市的規劃概況；實現場景切換功能，準確表達主要建筑物如土石壩、電站廠房、泄洪閘部分；實現實時特效功能，方便的查看城市的雨和雷電效果、霧效、晝夜交替效果；系統操作簡單方便，模擬精細；城市人文屬性的顯示；最后系統以對計算機軟硬件配置要求較低的EXE格式的執行文件進行輸出。

2.3 系統界面制作

Quest3D軟件制作GUI的原理有兩種：

1)使用軟件自帶的GUI通道的Button通道，并設置Button模塊的GUISkin通道的輸入參數控制按鈕貼圖樣式、位置、大小、觸發狀態。

2)使用基本相機渲染法，將Quest3D在基本相機渲染模式下的基本物體附上按鈕貼圖，通過通道的互相調用與連接來自制按鈕，然后調用一個ChannelSwitch開關來完成不同按鈕貼圖的切換，實現按鈕觸發狀態變換，繼而通過Quest3D中的數學運算通道Expression Value通道和Set Value通道的結合來完成按鈕邏輯的集成。由于Quest3D中制作的按鈕位置坐標是一個相對坐標，不能精確滿足客戶對界面的需求，為了使界面更好自適應，選用自制按鈕來制作GUI界面。

鑒于以上各個部分的子程序都是單獨編程設計的，每個子程序都可作為獨立的虛擬現實系統而開發，子系統開發完畢后，我們需要將各個子程序封裝公有化，繼而在主控制面板上根據子程序的邏輯關系集成主程序。制作好的主界面邏輯及部分一級菜單邏輯、部分二級菜單邏輯、部分三級菜單邏輯分布圖見圖1。

3 結語

本文主要介紹了虛擬現實技術在結構工程中的應用，并在此基礎上論述虛擬現實技術與結構工程相結合的意義。基于Quest3D軟件平臺，在Quest3D關鍵技術的指導下，采用模塊化的編程設計來實現場景漫游模塊、場景模型顯示方式模塊、場景實時時效模塊、虛擬現實技術與工程動畫相結合等模塊的集成。

[1] 魏 群,姜 華,彭運動.虛擬現實可視化技術在橋梁工程中的開發與應用[A].2009年全國建筑鋼結構行業大會論文集[C].中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會,2009:7.

[2] JohnV.Virtual Reality System[M].UN:Addison Wesley Publishing Company,1995.

[3] 楊 旻.基于MultiGen的真實感虛擬場景繪制研究[D].北京：北京交通大學,2007.

[4] 湯全武.虛擬現實技術概述[J].寧夏大學學報(自然科學版),2002,23(3):258-261.

[5] 縣小平.虛擬現實技術概述與發展趨勢[J].福建電腦,2008(3):40,75.

[6] 巨 鵬,景興淇,王志勇,等.虛擬設計與虛擬現實概述[J].科技信息,2011(26):286.

[7] 路朝龍.Quest3D從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

The application of virtual reality technology in structural engineering and research

Lou Jiankang

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The subject of this paper is the application and research about the virtual reality 3D visualization simulation system, the narrative of this paper is the 3D model method which describes the big scene of the city. Finally, we make a virtual reality visualization simulation city system. So as to enhance the design personnel to wander in the virtual buildings and prove whether the buildings designed by them are suitable or not.

structural engineering, virtual reality system, Quest3D

1009-6825(2017)21-0257-02

2017-05-15

婁健康(1987- )，男，碩士，助理工程師

TP319

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