淺析三維動畫技術在線路工程設計中的應用

馬躍 天津中德應用技術大學

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

一、三維動畫技術的現狀及發展趨勢

隨著三維動畫技術的成熟，許多人提出運用三維動畫技術進行路線設計，簡言之就是用三維的設計方法去檢驗三維的公路產品，盡管這樣的提議是一次重大變革，但是在實際應用中仍然出現了眾多問題，例如數據冗雜，功能單一。現階段主要通過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，無法實時查詢所經區域的地形信息；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，不利于對模型數據的訪問。目前相對比較成熟的公路三維建模方法是實體建模方法，以數字地面模型(DTM)為基礎,根據路線平面、縱斷面建立公路填方和挖方實體,在此基礎上進行布爾運算，該方法原理簡明,易于開發實現。

目前，公路仿真技術正在向著多角度、集成化、一體化的方向發展。三維設計思想已經逐漸進入公路設計領域，但是由于種種因素，三維動畫技術并未在公路設計中發揮巨大的作用，影響了公路路線設計質量。鑒于此，相關的研究人員已經著手進行技術的改革，減少不必要的程序，使得相關的程序更加的合理科學，隨著技術的進一步發展，三維動畫技術必將取代傳統的二維路線設計方法，得到更加廣泛的應用。

二、CARD/1 設計軟件分析

目前緯地三維動畫CAD 系統可實現三種路線三維效果，但是效果不佳，只能實現單向、單視角、單路線的固定模式。而CARD/1 路線設計軟件除了能完成緯地三維動畫CAD 系統的效果，還能實現公路三維動態可視動畫。CARD/1 設計軟件的實現過程包括以下三個階段：第一階段是地形圖數據準備階段，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字模型；第二個階段是設計階段，按照軸線設計→縱斷面設計→編輯橫斷面開發文件→橫斷面戴帽子步驟進行；最后一個階段是三維動態檢驗階段，按照編輯動畫建立文件→行駛模擬→結果檢查步驟進行。根據前人的研究和實踐分析，CARD/1 的在設計軟件實現過程中具有無需進行數據交換，保證了設計精度，同步顯示三維動畫，可以調整行車方向，視點高度，對設計結果可以進行修改等優點，特別適合在山區公路設計中進行推廣。缺點主要表現在對設計人員的編寫程序能力要求較高，前期主要是德語版，接下來實現了英語版，但是由于語言障礙，應用的廣泛性收到了影響。

三、CARD/1 三維動畫設計數據準備

地形圖是三維動畫設計的基礎，現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 系統管理是首要任務。以光柵圖數據為例，當其進入CARD/1 系統管理，軟件會讀入需要的格式數據，接下來轉換為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。對于地形圖數據的讀入和處理主要按照地形圖數據的讀入→地形圖處理→數字地面模型的建立→數據檢查順序進行。接下來是平面線形設計，CARD/1 是以地形圖數據庫作為勘測數據的中樞，可以輔助工程師實時放樣設計線位單元，在數據導入之后，便可以開始路線平面的軸線設計工作。在接下來是縱斷面拉坡設計，縱斷面設計主要通過地面線、設計線、控制點和視距檢查四個功能實現設計，其中設計線實現了各類相關信息同屏顯示、交互設計過程數據精確、數圖互動顯示，配合鍵盤輸入、靈活多樣的設計方法和設計工具、及時地精確信息查詢等功能。最后是橫斷面戴帽子設計，在該環境下，系統實現了自動化程序，這些命令序列可以適應各種類型橫斷面線設計的需求。具有功能自行滾動成長、功能強大的橫斷面開發環境和簡單易學的橫斷面開發語言等優點。從步驟上看，首先是橫斷面開發命令，例如POINT 可以給出絕對坐標來產生一個點，RPOINT 命令可以設計一個點，SLOPE 命令設計相對于上一個點的新點，SHOULDER命令設計固定坡度，SWALE 命令設計一個由4 點組成的邊溝，也會用 到DITCH、EMBANKMENT、SEMBANKMENT、ROUND 和SUBGRADE 等命令。

四、結語

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