序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇三維仿真論文范文，愿它們成為您寫作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

1改革的重點(diǎn)與具體措施

1．1教學(xué)方法三維可視化為了解決大學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中理解困難和前沿性的科研促教中缺乏實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證的教學(xué)問(wèn)題［3］，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將物理建模思想應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)三維可視化仿真，使復(fù)雜、抽象、煩瑣的理論模型變得直觀、具體、明了．例如:針對(duì)“空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”課程中的光學(xué)天線設(shè)計(jì)及光傳輸、激光雷達(dá)成像和光子晶體光纖光傳輸?shù)冗M(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)可視化仿真．在對(duì)前沿性的科研促教中缺乏實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證的情況下，擬采用理論建模與仿真驗(yàn)證方法來(lái)實(shí)現(xiàn)．

1．2創(chuàng)新實(shí)踐自主化為了解決自主創(chuàng)新實(shí)踐能力訓(xùn)練不足的教學(xué)問(wèn)題［4］，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將光通信、微波光子學(xué)等交叉學(xué)科前沿技術(shù)與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合，構(gòu)建了“空間光通信”開放式創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，建設(shè)了綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型的開放式專業(yè)實(shí)驗(yàn)室．依托開放式創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，開展了大學(xué)生自主研究型學(xué)習(xí)，著力加強(qiáng)大學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)［5，6］．加強(qiáng)科研促教，拓展創(chuàng)新思維，在“985高?！贝髮W(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃支持下，實(shí)施了創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目40余項(xiàng)．依托科研項(xiàng)目把學(xué)生帶到學(xué)術(shù)前沿，進(jìn)行了形式多樣的學(xué)術(shù)研討:教授、副教授、博士、碩士、本科生分別定期做主題報(bào)告、分組討論、網(wǎng)上論壇、參加國(guó)際國(guó)內(nèi)會(huì)議和暑期夏令營(yíng)等方式促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，形成良好的學(xué)術(shù)氛圍．學(xué)生在開放式專業(yè)實(shí)驗(yàn)室里自主進(jìn)行理論建模、仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)撰寫學(xué)術(shù)論文等，開展了大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式．

1．3多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)體系為了解決傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式缺乏對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐、仿真設(shè)計(jì)與課程論文等環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)的教學(xué)問(wèn)題［7，8］，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將理論考試和平時(shí)成績(jī)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)操作與自主創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合，理論建模仿真與課程論文相結(jié)合，構(gòu)成了多元化的評(píng)價(jià)體系．例如:把理論考試成績(jī)所占的比例下調(diào)到60%，而課程論文的比例上升到40%，通過(guò)創(chuàng)新項(xiàng)目和課程論文等方式評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí);通過(guò)課程論文答辯方式，依據(jù)“假設(shè)的合理性、建模的創(chuàng)新性、結(jié)果的準(zhǔn)確性、表達(dá)的清晰性”進(jìn)行綜合評(píng)定，實(shí)現(xiàn)從應(yīng)試教育到素質(zhì)教育的觀念性轉(zhuǎn)變．引領(lǐng)學(xué)生朝著有利于自身全面發(fā)展的方向努力．

1．5開放式教學(xué)資源建設(shè)為了解決傳統(tǒng)教學(xué)資源不足的問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)了師資隊(duì)伍的建設(shè)，進(jìn)行了廣泛的國(guó)際、國(guó)內(nèi)教學(xué)研討和學(xué)術(shù)交流．重點(diǎn)建設(shè)了豐富的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)課程含教學(xué)錄相、典型實(shí)例、創(chuàng)新設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)教案、經(jīng)典物理問(wèn)題、及在線實(shí)踐編程等模塊;適時(shí)引入在線答疑、網(wǎng)絡(luò)論壇及現(xiàn)場(chǎng)演示與討論等交互式教學(xué)形式，形成了模塊化、交互式、開放式教學(xué)資源平臺(tái)．

2改革與實(shí)踐的探索

實(shí)例1大學(xué)生在牛頓式光學(xué)天線系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)(圖1)上做的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:圖2為接收光斑實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖3為利用光束質(zhì)量診斷儀器測(cè)試光斑．通過(guò)三維可視化仿真，使復(fù)雜、抽象、煩瑣的空間光通信系統(tǒng)中的激光傳輸理論模型變得直觀、具體、明了，解決大學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中理解困難的教學(xué)問(wèn)題(大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目)。例如:老師們課堂上在講解光子晶體的應(yīng)用———布拉格光纖光傳輸特性時(shí)，就采用了仿真驗(yàn)證手段．通過(guò)詳細(xì)舉例以此來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生啟迪思維、大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)、勇于實(shí)踐．以下是學(xué)生們根據(jù)題目的要求，在老師的指導(dǎo)下做的部分仿真結(jié)果圖．實(shí)例2等周期結(jié)構(gòu)的布拉格光纖仿真(見(jiàn)圖4—圖6)．實(shí)例3空間光通信系統(tǒng)激光傳輸特性仿真(見(jiàn)圖7—圖8)．實(shí)例4波動(dòng)方程的(動(dòng)態(tài))三維可視化(見(jiàn)圖9)．圖9波動(dòng)方程(動(dòng)態(tài))三維可視化圖形實(shí)例5平面波用柱面波形式展開(見(jiàn)圖10)．圖10平面波展開為柱面波仿真結(jié)果圖形以上是具有代表性的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．“缺陷的光子晶體在偏振分束器等光學(xué)器件中的應(yīng)用”(大學(xué)生參與者:黃鶴、劉天驕、陳逸舟)被學(xué)校推薦為2010年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目;“推帚式激光雷達(dá)三維成像創(chuàng)新設(shè)計(jì)”(大學(xué)生參與者:謝國(guó)洋、顧大超、童磊)被學(xué)校推薦為2011年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目．通過(guò)這種創(chuàng)新事例，能很好地鍛煉和培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)造能力，大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新欲望和學(xué)習(xí)興趣．

3改革的實(shí)施成果

該課程未實(shí)行教學(xué)改革以前，我們實(shí)行的是傳統(tǒng)教學(xué)模式(理論教學(xué)+筆試成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī))，教學(xué)成果不理想．自從2009年本教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了對(duì)“空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)研究型改革與實(shí)踐的探索以來(lái)，特別是加強(qiáng)了針對(duì)“空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”課程中的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)及《數(shù)學(xué)物理方法與仿真》、《光學(xué)天線設(shè)計(jì)》、《空間光通信創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》3本教材的重點(diǎn)建設(shè)．建立了1個(gè)基于大學(xué)生創(chuàng)新基地的空間光通信工程技術(shù)研究中心;并依托這個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，開展了一系列的教學(xué)和科研項(xiàng)目．1)研發(fā)了十余個(gè)綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，例如:“卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)的光傳輸特性分析實(shí)驗(yàn)”、“光纖損耗與光纖耦合實(shí)驗(yàn)”、“激光準(zhǔn)直與多波長(zhǎng)光學(xué)天線傳輸實(shí)驗(yàn)”、“無(wú)線激光大氣通信實(shí)驗(yàn)”等;2)2012年數(shù)學(xué)物理方法、三維可視化仿真及創(chuàng)新實(shí)踐的“三位一體”教學(xué)模式改革獲電子科技大學(xué)教學(xué)改革成果一等獎(jiǎng);3)教改項(xiàng)目:2009年“數(shù)學(xué)物理方法”教學(xué)研究與精品課程建設(shè)”，2010年“數(shù)學(xué)物理方法精品課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與改革”;4)團(tuán)隊(duì)教師指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目40余項(xiàng)，指導(dǎo)大學(xué)生40余篇(SCI收錄6篇);5)開展了一系列高水平的科研項(xiàng)目，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目3項(xiàng)以及橫向建設(shè)項(xiàng)目等;6)2011年建設(shè)了電子科技大學(xué)第一座2．0kW單晶硅太陽(yáng)能發(fā)電站，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，以作為大學(xué)生新能源創(chuàng)新課題教學(xué)示范所用．7)發(fā)表教研論文20余篇、科研論文100余篇．取得了顯著的教學(xué)成果，形成了交叉性學(xué)科前沿與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式．(教改前后對(duì)比情況見(jiàn)表1)．

4結(jié)論

篇(2)

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程；三維可視化；彈道仿真；顏色映射

中圖分類號(hào)：TP302.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3823-03

彈道仿真是彈道導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)及彈道設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，許多學(xué)者在進(jìn)行彈道仿真時(shí)往往注重的是彈道的數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行二維的平面彈道演示。由于彈道導(dǎo)彈飛行過(guò)程中受到各種因素的干擾，尤其是對(duì)于遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，導(dǎo)彈的飛行軌跡會(huì)偏離預(yù)先設(shè)計(jì)的彈道平面，實(shí)際的彈道軌跡為三維的空間曲線，因此有必要研究彈道的三維仿真，以給出更加直觀及逼真的彈道演示效果。

對(duì)于遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，由于其射程往往達(dá)到幾千公里，進(jìn)行三維彈道仿真時(shí)應(yīng)考慮畫出完整的三維地球，在三維地球的基礎(chǔ)上繪制三維彈道曲線。制作三維地球模型，常見(jiàn)的方法是紋理映射，即將一幅世界地圖圖片作為紋理映射到一個(gè)三維圓球體上[1]，這樣制作的地球比較清晰美觀，但有兩個(gè)弊端，一是由于世界地圖圖片包含的大量顏色信息數(shù)據(jù)，在進(jìn)行三維彈道飛行軌跡演示時(shí)對(duì)電腦硬件的圖形顯示效果要求較高，二是缺乏立體感。本文考慮利用地球高程數(shù)據(jù)制作三維地球，在此基礎(chǔ)上據(jù)通過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換將彈道坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換到地心大地直角坐標(biāo)系中，從而繪制出三維彈道曲線。利用地球高程數(shù)據(jù)制作的三維地球模型立體感較好，且數(shù)據(jù)量不大，非常適合一般的彈道仿真及演示。

1 地球高程數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM），是數(shù)字地形模型（digital terrain model，簡(jiǎn)稱DTM）的一個(gè)分支[2]。數(shù)字高程模型是描述地表起伏形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)模型，由地面規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)的高程值構(gòu)成的矩陣，形成柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，用以記錄大地表面不同坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）的相應(yīng)高程（z），并可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三維分析和顯示。

2 三維地球的繪制

3 三維彈道曲線的繪制

4 仿真實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于地球高程數(shù)據(jù)的三維地球模型的制作方法，并在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，繪制出了三維地球模型，并通過(guò)坐標(biāo)變化將彈道位置參數(shù)轉(zhuǎn)化為地心大地直角坐標(biāo)，從而在三維彩色地球的基礎(chǔ)上，繪制出了三維彈道曲線，實(shí)現(xiàn)了三維彈道仿真，立體感及真實(shí)感較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)方式較簡(jiǎn)單，為彈道仿真提供了一種有效手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王斌.基于OpenGL的三維數(shù)字地球儀研制與開發(fā)[C].西安：西北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

篇(3)

Abstract: The project of underfeed winder is introduced in this paper, important bottom roller is calculated and designed, the whole three-D model machine is constructed by UG, the simulation of winder process is realized by 3DSMAX.

關(guān)鍵詞：復(fù)卷機(jī)；底輥；三維造型；仿真

Key words: rewind paper machine；bottom paper axis；three-D modeling，simulation

中圖分類號(hào)：TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2011）28-0034-02

0 引言

復(fù)卷機(jī)是一種造紙專用設(shè)備，其用途是將造紙機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的紙卷（稱為原紙卷）進(jìn)行復(fù)卷，復(fù)卷成成品紙出廠。在復(fù)卷過(guò)程中，紙幅從退紙卷上引出，繞過(guò)導(dǎo)紙輥、張力輥、舒展輥，通過(guò)固定位置的縱切機(jī)構(gòu)，從機(jī)臺(tái)下面送入紙幅使其繞過(guò)前底輥，然后卷在卷紙軸上。復(fù)卷是紙張生產(chǎn)中的最后一道工序，因復(fù)卷所出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，再?zèng)]有糾正和補(bǔ)救的機(jī)會(huì)了。在復(fù)卷機(jī)的幾個(gè)組成部分中，雙底輥系統(tǒng)尤為重要，它們對(duì)成品紙的質(zhì)量有著重要影響。雙底輥支撐著紙卷，其動(dòng)平衡性能影響著紙卷兩端的平整度，底輥上溝槽的設(shè)計(jì)，對(duì)成品紙無(wú)皺痕有決定影響。本論文選擇流行的下引紙雙輥無(wú)軸復(fù)卷機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象。

1 總體方案設(shè)計(jì)

下引紙整體方案布局如圖1所示。

其中各部分功能如下：①退紙架。退紙架的主要作用是支承開卷紙軸，開卷紙軸在退紙架支座上由一液壓驅(qū)動(dòng)夾緊裝置固定；②導(dǎo)紙輥。導(dǎo)紙輥裝置包括導(dǎo)紙輥、導(dǎo)紙輥軸承及軸承座、壓紙帶裝置、導(dǎo)紙輥傳動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)連接裝置；③舒展輥?；⌒屋伿嬲寡b置由弧形輥主體、弧形輥軸承座和弧形輥調(diào)節(jié)裝置組成，用在分切和卷取前舒展紙幅；④縱切裝置。縱切裝置由上刀裝置、底刀裝置、以及上刀和底刀位置調(diào)整裝置組成；⑤引紙裝置。引紙裝置由氣動(dòng)領(lǐng)紙引導(dǎo)裝置、底輥引紙裝置和氣動(dòng)壓紙板組成；⑥底輥裝置。底輥裝置包括前后底輥、軸承、底輥傳動(dòng)電機(jī)、減速器和底輥氣動(dòng)制動(dòng)器組成；⑦推紙裝置。推紙裝置用于在復(fù)卷完成后，將紙卷推出到接紙臺(tái)上。由擺臂、同步軸、推紙輥和驅(qū)動(dòng)液壓缸組成；⑧壓紙輥裝置由壓紙輥、壓紙輥軸承、壓紙輥橫梁裝置（同步軸）、氣動(dòng)壓紙輥安全銷、壓紙輥線壓控壓液壓缸以及同步齒條等組成；⑨卸紙裝置：紙卷復(fù)卷完成，將紙卷慢慢放下。

2 復(fù)卷機(jī)底輥的設(shè)計(jì)

底輥的主要工作任務(wù)是為了支承紙卷，初步設(shè)計(jì)，底輥具有悶頭、軸頭、輥體和軸承、聯(lián)軸器等組成，裝配后輥體校動(dòng)平衡，以適應(yīng)在復(fù)卷機(jī)機(jī)架上高速回轉(zhuǎn)的需要等組成，裝配后輥體還應(yīng)做動(dòng)平衡校正。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨寶林．下引紙3900mm復(fù)卷機(jī)的設(shè)計(jì)改造與安裝．上海造紙，2008，39（1）：26-28．

[2]應(yīng)華，熊曉萍，姜春．UG NX 5.0機(jī)械設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008-3．

篇(4)

1 評(píng)定對(duì)象

國(guó)內(nèi)高校在讀全日制研究生（包括碩士研究生和博士研究生）.獎(jiǎng)學(xué)金面向國(guó)內(nèi)高校的全部對(duì)口專業(yè)，平等對(duì)待.

2 獎(jiǎng)學(xué)金額度

每年在全國(guó)高校評(píng)選出10名使用LMS Virtual.Lab三維多領(lǐng)域仿真平臺(tái)進(jìn)行課題研究的優(yōu)秀在讀研究生，給予每人5 000元的獎(jiǎng)學(xué)金資助.

3 評(píng)定條件

(1)參評(píng)學(xué)生在讀期間的學(xué)年平均成績(jī)優(yōu)秀，無(wú)不及格科目.

(2)用LMS Virtual.Lab進(jìn)行研究生畢業(yè)論文相關(guān)的課題研究，且課題內(nèi)容具有實(shí)際工程背景支持，最好結(jié)合實(shí)際橫向項(xiàng)目的合作課題.

(3)命題能推動(dòng)行業(yè)核心技術(shù)進(jìn)步或具有明顯創(chuàng)新研究?jī)r(jià)值.

(4)領(lǐng)域包含但不限于汽車、航空航天、船舶、兵器、交通、能源、通信、電子、化工、工程機(jī)械、家用電器、輕工業(yè)、醫(yī)藥和IT等.

(5)論文完成后應(yīng)署名LMS高校獎(jiǎng)學(xué)金資助支持，并共享論文電子版.

(6)優(yōu)先考慮LMS Virtual.Lab的高校正式用戶.

4 申請(qǐng)流程

符合條件的學(xué)生請(qǐng)?jiān)谡n題開題階段與LMS聯(lián)絡(luò)，并進(jìn)行意向溝通：

(1)對(duì)符合評(píng)審條件的申請(qǐng)人，需填寫“LMS Virtual.Lab高校獎(jiǎng)學(xué)金申請(qǐng)表”(下載地址為：省略/download.asp?id=1F540652-C116-4BD7-8AD7-1291255DFEDC)，并必須經(jīng)負(fù)責(zé)導(dǎo)師簽字確認(rèn)和學(xué)校認(rèn)可.

(2)LMS會(huì)盡快與申請(qǐng)人確認(rèn)，并根據(jù)書面材料組織評(píng)審.

(3)按照評(píng)審程序的規(guī)定公布評(píng)審結(jié)果并發(fā)放獎(jiǎng)學(xué)金.

5 評(píng)審程序

(1)具體評(píng)定工作由LMS負(fù)責(zé)，組織LMS公司專業(yè)技術(shù)人員和行業(yè)專家組成動(dòng)態(tài)評(píng)定小組，進(jìn)行綜合評(píng)審.

(2)鑒于論文完成后學(xué)生將畢業(yè)離校，該獎(jiǎng)學(xué)金將在課題開題階段即進(jìn)行初評(píng)，并在課題中期報(bào)告通過(guò)后進(jìn)行復(fù)評(píng)，以確保課題的進(jìn)展和質(zhì)量.資助的最終依據(jù)是開題報(bào)告和中期報(bào)告，但建議申請(qǐng)人提前或隨時(shí)通過(guò)電話、E-mail和面談等形式與評(píng)定小組進(jìn)行充分溝通.

(3)該獎(jiǎng)學(xué)金申請(qǐng)盡量在正式開題之前即向LMS提交，最遲需在開題報(bào)告完成后1～2個(gè)月內(nèi)提交.初評(píng)和復(fù)評(píng)結(jié)果將在LMS官方網(wǎng)站公布，并于每年秋季的LMS用戶大會(huì)根據(jù)復(fù)評(píng)結(jié)果統(tǒng)一發(fā)放該獎(jiǎng)學(xué)金.

(4)針對(duì)碩士研究生和博士研究生的論文差異進(jìn)行適度把握，原則上碩士5篇、博士5篇，但暫不做硬性區(qū)分，即名額之間可作適度調(diào)劑.

(5)對(duì)所有入選的在讀學(xué)生，LMS將采用租或借等形式給予最新版本LMS Virtual.Lab軟件的友情贊助支持，并歡迎獲獎(jiǎng)學(xué)生畢業(yè)后加入LMS公司.

6 本年度申請(qǐng)截止日期

本年度申請(qǐng)截止日期為2012年6月15日，之后提交的申請(qǐng)將參與下一年度的評(píng)選.

7 聯(lián)系方式

聯(lián)系人：柳佳；聯(lián)系電話：010-84973605-406；E-mail：jia.省略.

篇(5)

關(guān)鍵詞：三維可視化; GIS; 空間數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：C37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

一、前言

目前，科學(xué)可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)蓬勃發(fā)展，并成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的三大熱門研究方向，它們的核心都是三維真實(shí)感圖形[1]，也就是三維可視化技術(shù)。三維可視化技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像圖形學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它是依靠視覺(jué)效果將數(shù)據(jù)所要表達(dá)的信息直觀顯示出來(lái)的一種最好的方法。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)對(duì)實(shí)物的空間立體感表達(dá)就比較抽象，將三維可視化技術(shù)引入GIS領(lǐng)域中可以動(dòng)態(tài)地、形象地、多視角地、多層次地、如實(shí)逼真地描繪地球科學(xué)中的客觀現(xiàn)象。如通常所見(jiàn)的地形三維可視化、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、數(shù)字社區(qū)和虛擬城市等。本文結(jié)合在GIS中的應(yīng)用介紹三維可視化開發(fā)的基本方法。

二、 三維可視化GIS關(guān)鍵技術(shù)

三維可視化技術(shù)可以簡(jiǎn)單的分解為三種技術(shù)的結(jié)合:可視化、三維和GIS。下面分析了可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、體視化技術(shù)、三維技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

1、可視化技術(shù)

可視化，也稱為科學(xué)計(jì)算可視化(Visualization in Scientific Computer),它是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形和圖像處理技術(shù)，把科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視的、能幫助科學(xué)家理解的信息，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。GIS可視化技術(shù)是目前信息領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，它通過(guò)強(qiáng)大的、有效的地圖系統(tǒng)將復(fù)雜的空間和屬性數(shù)抓以地理的形式進(jìn)行描述，具有界面風(fēng)格人性化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了文本、圖形和圖像信息相結(jié)合的定位、查詢、檢索模式信息表達(dá)形象化、自觀化操作簡(jiǎn)單便利等特點(diǎn)[2]。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是一個(gè)由圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人機(jī)對(duì)話技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用高性能、高度集成的計(jì)算機(jī)硬、軟件及各類先進(jìn)的傳感器，去創(chuàng)造一個(gè)使參與者處于一個(gè)三維視覺(jué)、聽覺(jué)和觸覺(jué)的環(huán)境，具有完善的交互作用能力、能幫助和啟發(fā)進(jìn)入虛擬境界的參與者的構(gòu)思的信息環(huán)境。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的人機(jī)對(duì)話上具，同虛擬環(huán)境中的物體交互操作，使用戶仿佛置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境之中，使參與者足不出戶就能身處異景，如遙遠(yuǎn)的太空、海洋深處、甚至是微觀世界。

3、體視化技術(shù)

三維體可視化技術(shù)是真正的三維。它是由完全的三維空間體數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，可以對(duì)模型切割來(lái)獲取內(nèi)部信息。它是每一個(gè)空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)三個(gè)方向，x, y, z，也就是在一個(gè)空間坐標(biāo)上放置每一個(gè)屬性點(diǎn)，可以由關(guān)系V = .f (x, y, z)表示，V表示空間點(diǎn)的屬性值，x, y, z分別表示空間坐標(biāo)[3]。

空間三維實(shí)體的可視化，即體視化主要是處理和分析各種體數(shù)據(jù)，并對(duì)這些體數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、操作和顯示，其目的是讓人們更清楚地認(rèn)識(shí)蘊(yùn)含于體數(shù)據(jù)之中的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。體數(shù)據(jù)可以看成是在有限空間中的一種或多種物理屬性的一組離散采樣，它可以表示成:ƒ(x)，x ∈Rn；{x}是n維空間的采樣點(diǎn)的集合，因此也有人把體數(shù)據(jù)成為數(shù)據(jù)集。

4、 三維技術(shù)

三維立體顯示的出發(fā)點(diǎn)是運(yùn)用三維立體透視技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)將真實(shí)世界的三維坐標(biāo)變換成計(jì)算機(jī)坐標(biāo)，通過(guò)光學(xué)和電子學(xué)處理，模仿真實(shí)的世界并顯示在屏幕上。三維技術(shù)廣泛應(yīng)用在資源環(huán)境模型、地形模擬、CAD輔助設(shè)計(jì)、影視特技、廣告設(shè)計(jì)等方面。它具有可視化程度高、表現(xiàn)形式靈活多樣、動(dòng)態(tài)感和真實(shí)感強(qiáng)、資料更新方便等優(yōu)點(diǎn)。

三、 三維可視化算法

直接體繪制技術(shù)具有能夠產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的整體圖象，包括每一細(xì)節(jié)，并具有圖象質(zhì)量高，便于并行處理等優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前科學(xué)計(jì)算可視化中有吸引力的重要研究課題之一。鑒于直接體繪制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，下面重點(diǎn)介紹了光線投射法，移動(dòng)立方體法以及Z-Buffer消隱算法[4]。

1、光線投射算法

光線投射算法是目前使用最廣泛的體繪制方法之一。對(duì)于圖像平面上的每一象素，從視點(diǎn)投射出一穿過(guò)該象素的視線，該視線穿過(guò)體數(shù)據(jù)空間，算法直接利用該視線上的采樣值計(jì)算該象素的光強(qiáng)。其過(guò)程包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理；數(shù)據(jù)值分類；重新采樣；圖象合成。

2、移動(dòng)立方體法

移動(dòng)立方體法(Marching Cubes算法)是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)等值面生成的經(jīng)典算法，是體素單元內(nèi)等值面抽取技術(shù)的代表。與光線投射法不同，移動(dòng)立方體法屬于表面擬合算法之一。

移動(dòng)立方體法基本思想為：首先逐個(gè)體素依次處理，找出該等值面經(jīng)過(guò)體素的位置，求出該體素內(nèi)的等值面并計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，以便繪制出等值面。等值面的定義如下：

{(x, y, z)| s (x, y, z) = c0}，c0是常數(shù)。其中s(x, y, z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyz

ai (i=0, 1,..., 7)為常數(shù)，它們由體素的八個(gè)角點(diǎn)值唯一決定。

該算法中，體素是一邏輯上的立方體，由相鄰層上的各四個(gè)象素組成立方體上的八個(gè)頂點(diǎn)。算法以掃描線方式逐個(gè)處理數(shù)據(jù)場(chǎng)中每一立方體體素，求出每一體素內(nèi)包含的等值面，由此生成整個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的等值面。

3、Z-Buffer消隱算法

從一個(gè)視點(diǎn)去觀察一個(gè)三維物體，必然只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面，而其余部分則被這些可見(jiàn)部分遮擋住。如果觀察的是若千個(gè)三維物體，則物體之間還可能彼此遮擋而部分不可見(jiàn)。因此，如果想有真實(shí)感地顯示三維物體，必須在視點(diǎn)確定之后，將對(duì)象表面上不可見(jiàn)的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法，稱為消隱算法。

Z-Buffer算法的步驟如下：(1)初始化，幀緩沖器CB置成背景的光強(qiáng)或顏色，Z緩沖器ZB置成最小z值；(2)對(duì)多邊形P，計(jì)算它在點(diǎn)(I,j)處的深度值z(mì)ij；(3) zij>ZB(i,j)，則ZB(i,j) =zij, CB(i,j)二多邊形P的顏色；(4)對(duì)每個(gè)多邊形重復(fù)(2), (3)兩步，最終在CB中存放的就是消隱后的圖形。

四、三維可視化GIS實(shí)體的表達(dá)和三維數(shù)據(jù)的可視化

對(duì)于三維地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和二維地理信息系統(tǒng)有一定的差別，因此在數(shù)據(jù)實(shí)體的表達(dá)上，也有三維地理實(shí)體的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者李清泉等人提出了以下表達(dá)建筑物和地形的三維信息[5]：地形被表達(dá)為數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地形模型(DTM)；建筑、構(gòu)筑物等用實(shí)體(CSG)和邊界表示(B-rep)。每種不同的表達(dá)方式都有各自的特點(diǎn)，根據(jù)不同的口的和不同的要求而定。在國(guó)內(nèi)，地形數(shù)據(jù)的表達(dá)普遍采用的是DEM和DOM匹配，生成地形圖；建筑物通常以2.5維的形式存在，之后進(jìn)行紋理貼圖。

DTM是描述地表單元空間位置的和地形屬性分布的有序集合，是定義于二維區(qū)域之上的一個(gè)有限向的向量系列。它以離散分布的平面點(diǎn)來(lái)模擬連續(xù)分布的地形，通過(guò)存貯在介質(zhì)上的大量的地面點(diǎn)空間坐標(biāo)和地形屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)字形式來(lái)描述地形地貌。它隨用途不同具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但一般均可變換成為規(guī)格點(diǎn)組成的柵格數(shù)據(jù)形式。

DEM通常用地表規(guī)則網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示。在GIS中，DEM是建立三維地形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他的地形要素可由DEM直接或間接導(dǎo)出，成為“派生數(shù)據(jù)”，如坡度、坡向。DEM主要有三種表示模型:規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型(Triangulated Irregular Network，TIN)。

由于三維幾何表示能提供物體的幾何描述，使空間物體可用計(jì)算機(jī)來(lái)存貯、處理、顯示。物體3D表示可以有多種方法，大致分為基于體表示和基于面表示兩大類，其中，具有代表性的是結(jié)構(gòu)實(shí)體表示(Constructed Solid Geometry, CSG)和邊界表示(Boundary representation, B-rep)方法。CSG方法在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中應(yīng)用廣泛，它通過(guò)預(yù)定義的模型單兀來(lái)表示空間物體，這些單元具有規(guī)則的形狀，如:立方體、圓柱體、圓錐體等，單元間的關(guān)系主要是布爾操作。CSG方法的優(yōu)點(diǎn)是模型關(guān)系簡(jiǎn)單，便于顯示和數(shù)據(jù)更新，缺點(diǎn)是空間分析難以進(jìn)行:而B-rep表示方法，可以通過(guò)對(duì)構(gòu)成物體邊界的點(diǎn)、線、面和體四種類型兀素的精確描述，即能夠精確表示物體幾何位置以及兀素間的拓?fù)潢P(guān)系，雖然B-rep方法適于空間操作和分析，但存儲(chǔ)空間占用多，計(jì)算速度較慢。

五、三維可視化在GIS中的應(yīng)用

目前在社會(huì)的各行各業(yè)中，地理信息三維可視化系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用[6]：

1.城市：地理信息三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用于城市建設(shè)的很多領(lǐng)域，如大樓的建筑結(jié)構(gòu)和住戶管理、空氣污染與流動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、地下水源污染監(jiān)測(cè)、地下管線的規(guī)劃與管理等。

2.環(huán)境：二十一世紀(jì)全社會(huì)都更加重視環(huán)境保護(hù)，地理信息三維可視化系統(tǒng)可以表達(dá)大上、地面、地下多層次的環(huán)境狀況，更好地模擬真實(shí)三維環(huán)境，幫助人們更好的管理與治理環(huán)境。

3.地質(zhì)：地質(zhì)是資源、礦山、環(huán)境等眾多學(xué)科與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。地理信息、三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用于表達(dá)復(fù)雜的三維地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)(如地層界面、不整合面、斷層等不規(guī)則的面狀構(gòu)造)，表達(dá)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如層理、紋理、走向、孔隙度、孔隙連通方向等微細(xì)的內(nèi)部構(gòu)造)以及巖體內(nèi)部物質(zhì)的分布狀況。

4.礦山：在礦山領(lǐng)域，地理信息三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用于表現(xiàn)礦體及圍巖形態(tài)，表達(dá)巷道、采礦工作面形態(tài)，表達(dá)礦井風(fēng)流狀況、瓦斯?jié)舛?、地?chǎng)應(yīng)力等三維現(xiàn)象，如果再加上各種知識(shí)庫(kù)、專家系統(tǒng)，還可支持三維環(huán)境下的工程管理與決策。

5.海洋：二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋的研究與管理在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中將占據(jù)越來(lái)越重要的位置。海洋在不同深度的含鹽量、水溫、壓力、水流方向都是不同的，地理信息三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用于表達(dá)海洋世界，可以幫助人們更好地研究與開發(fā)海洋。

6.氣象：地理信息三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用于反映不同高度上氣流、氣壓、大氣成分的變化情況。

六、結(jié)束語(yǔ)

目前，三維可視化地理信息系統(tǒng)的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)三維可視化技術(shù)的發(fā)展和地理科學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)等研究三維空間特征的深入，三維可視化地理信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)已成為地理信息系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重要方面和今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 和平鴿工作室編著.OpenGL高級(jí)編程與可視化系統(tǒng)開發(fā)(高級(jí)編程篇).北京:中國(guó)水利水電出版社，2003年1月第一版.

[2] 鄭琦.吳剛.朱莉等.可視化技術(shù)在MIS中的應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)仿真.2005.4. 第22卷第4期.

[3] 何全軍.三維可視化技術(shù)在地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文.2004.

[4] 繆海嵐.面向地學(xué)應(yīng)用的三維GIS可視化技術(shù)研究.福州大學(xué)碩士學(xué)位論文.2002.

篇(6)

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字校園；虛擬漫游；三維仿真建模

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，得到了高度的發(fā)展。通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可通過(guò)圖形設(shè)備向設(shè)計(jì)者展示，并可模擬，允許設(shè)計(jì)者作出修改。而現(xiàn)階段的二維、三維的表現(xiàn)方式，只能傳遞建筑物的部分信息，并且只能提供單一尺度的建筑物信息，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可展示一棟活生生的虛擬建筑物，使人產(chǎn)生身臨其境之感，用戶在虛擬建筑中進(jìn)行漫游、人機(jī)交互，大大提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

一、什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

從廣義上講，只要是通過(guò)三維模型實(shí)現(xiàn)一些人機(jī)交互操作就可以稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕缍ㄊ侵竿ㄟ^(guò)對(duì)三維模型的操作、定義，然后應(yīng)用于相應(yīng)場(chǎng)景中，并賦予該模型功能性的表現(xiàn)。以一個(gè)汽車的3d模型為例，在汽車的三維模型出來(lái)以后，可讓用戶對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行選擇，比如是運(yùn)行在城市還是鄉(xiāng)村，然后還能讓用戶為汽車模型編寫動(dòng)作腳本，定義汽車是按某條線路在跑還是有人來(lái)操作。也就是說(shuō)，只有在同時(shí)具備了產(chǎn)品、場(chǎng)景、腳本這三項(xiàng)要素時(shí)，才是真正完整的“虛擬現(xiàn)實(shí)”虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）也稱虛擬實(shí)境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)的特征

（1）多感知性所謂多感知，是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)，甚至包括味覺(jué)、嗅覺(jué)等感知。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。

（2）交互性，指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)到物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

（3）構(gòu)想性，強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

（4）浸沒(méi)感又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來(lái)是真的，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺(jué)都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是人與計(jì)算機(jī)的通信技術(shù)，它幾乎可以支持任何人類活動(dòng)，適用于任何領(lǐng)域。

（1）虛擬教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者和教學(xué)者提供了豐富的學(xué)習(xí)資源以及選擇學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)方式的機(jī)會(huì)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教師和學(xué)生一起經(jīng)歷虛擬環(huán)境，觀察一些關(guān)鍵性問(wèn)題，還能讓學(xué)生自己“進(jìn)入其中”進(jìn)行詳細(xì)觀察，大大提高了學(xué)生的理解能力和掌握能力。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以根據(jù)需要隨時(shí)生成各種“虛擬”新的設(shè)備，教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練能夠及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程。

（3）虛擬仿真校園。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，可為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，通過(guò)交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，對(duì)各個(gè)終端提供開放的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教育，還可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益等等。

（4）虛擬漫游技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)上應(yīng)用體現(xiàn)。虛擬漫游技術(shù)不但能夠給用戶帶來(lái)強(qiáng)烈、逼真的感官?zèng)_擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以通過(guò)其數(shù)據(jù)接口在實(shí)時(shí)的虛擬環(huán)境中隨時(shí)獲取項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資料，方便大型復(fù)雜工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、投標(biāo)等，有利于設(shè)計(jì)與管理人員對(duì)各種規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與方案評(píng)審。

首先，它有利于設(shè)計(jì)者規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。用戶在三維場(chǎng)景中任意漫游，人機(jī)交互，這樣很多不易察覺(jué)的設(shè)計(jì)缺陷能夠輕易地被發(fā)現(xiàn)，有利于設(shè)計(jì)者規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

其次，它有利于加快設(shè)計(jì)速度。設(shè)計(jì)者既可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，很輕松隨意的進(jìn)行修改，改變建筑內(nèi)外立面的材質(zhì)、顏色、設(shè)置光源性質(zhì)、燈光強(qiáng)度、改變綠化密度等，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)即可。

再次，有利于快捷的傳播。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)和多媒體中，方便快捷的傳播產(chǎn)品信息。最后，它有利于用戶真正參加到項(xiàng)目設(shè)計(jì)中來(lái)。讓用戶真正的參與到項(xiàng)目中來(lái)，第一人稱行走相機(jī)以眼睛的角度查看一個(gè)場(chǎng)景，并允許用戶自由行走。由于這種方式非常接近現(xiàn)實(shí)世界，因此這種類型的相機(jī)提供了一種沉浸式的體驗(yàn)。因而能增加我們?cè)诮ㄖ沃械某两泻蜆?gòu)想性。

總之，虛擬建筑漫游系統(tǒng)所體現(xiàn)的直觀性、交互性以及多方位的信息等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)的平面圖紙和實(shí)體模型所無(wú)法比擬的。相信隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷完善，虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑設(shè)計(jì)上的應(yīng)用將具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

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論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 礦山軟件 虛擬礦山

論文摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，將其應(yīng)用于礦山建 設(shè)逐漸成為礦山研究熱點(diǎn)之一 。應(yīng)用虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成三維的 “虛擬礦山”，直觀地顯示礦山的地質(zhì)情況和巷道分布情況，可向設(shè)計(jì)者、審查者、公眾展示…個(gè)三維的、動(dòng)態(tài)的礦山。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)、技術(shù)改造及生產(chǎn)中具有重要作用。

0 引 言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (VR——Virtual Reality) 的不斷發(fā)展。將其應(yīng)用于礦山建設(shè)逐漸成為礦山研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為信息科學(xué)的新興學(xué)科 出現(xiàn) ，并 以其特 有的優(yōu) 勢(shì)被迅 速運(yùn)用于各行各業(yè) 。

傳統(tǒng)的礦井規(guī)劃與設(shè)計(jì)用二維圖形表達(dá)三維的地質(zhì)情況和井筒巷道的空間分布很不直觀，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的人員才能完成 ，而且需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力構(gòu)想礦產(chǎn)資源賦存情況和地質(zhì)構(gòu)造的空間分布 ；設(shè)計(jì)的井筒和巷道也是用二維圖形表示 ，給施工人員帶來(lái)很大困難，嚴(yán)重制約了設(shè)計(jì)的效率和合理性。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成三維的 “虛擬礦山”。直觀地顯示礦井地質(zhì)和巷道分布情況，便于相關(guān)人員進(jìn)行交互式的觀察 、分析和設(shè)計(jì) 。本文論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的視景建模技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)礦井規(guī)劃的可視化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及軟件簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)以自然的視、聽、觸等功能感受的三維環(huán)境，人們可以方便地對(duì)生成的 “虛擬世 界”進(jìn)行交 互式 的觀察、分析、操作和控制。它以仿真方式給用戶創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體變化與相互作用的界面，使用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境 中的作用與 變化 ，它具有多媒體信息的感知性、沉浸性 、交互性和 自主性等特點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出逼真的礦山工程環(huán)境對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值 。

為了給用戶創(chuàng)建一個(gè)能使其感到身臨其境和沉浸其中的環(huán)境，必要的條件就是根據(jù)需要能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 中逼真地顯示出客觀世界 中的一切對(duì)象：不僅要求所顯示的對(duì)象模型在外形上與真實(shí)對(duì)象酷似，而且 要求在形態(tài) 、光照 、質(zhì)感等方面十分逼真。

目前，相關(guān)軟件發(fā)展迅速、種類較多，其中常用的軟件有 MultiGen Greator、Vega、OpenGI 以及我國(guó)圖靈公司的 VRMAP、適普公司的 IMAGIS等。

1．1 模型構(gòu)建軟件

MultiGen Creator 是美國(guó) MultiGen Paradigm公司開發(fā) 的三維建模軟件，廣泛用于視景仿真、虛擬城市、模擬設(shè)計(jì) 、交互式游戲等。它在滿足實(shí)時(shí)性的前提下可生成逼真的場(chǎng)景，可進(jìn)行多邊形建模、矢量建模 和地形 生成 。它的層 次細(xì)節(jié)、多邊形篩選 、邏輯篩選 、繪圖優(yōu)先級(jí)、自由度設(shè)置等高級(jí)功能使得其數(shù)據(jù)格式 OpenFlight在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域成為流行的圖像生成格式。該軟件可接受 DXF、DEM和其它矢量格式的數(shù)據(jù)與AutoCAD和 GIS軟件結(jié)合方便。

1．2 支持視景生成的語(yǔ)言——OpenGL

應(yīng)該使用已有的商品化或標(biāo)準(zhǔn)化的圖形庫(kù)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境，其中 OpenGI(服務(wù)器)及其支持 系統(tǒng)就是這樣一種可選用的圖形生成環(huán)境。OpenGI 可按 函數(shù)庫(kù)的形式被 C語(yǔ)言調(diào)用，也可以被窗 口系統(tǒng)直接調(diào)用。OpenGI 是使用專用圖形處理軟件接 口，該接口目前由幾百個(gè)過(guò)程函數(shù)組成，用以支持用戶對(duì)高質(zhì)量三維對(duì)象的圖形和圖像進(jìn)行操作。

()penGI 指令的模型是客戶／服務(wù)器模式，即一個(gè)程序 (客戶 )提 供指 令，該 指令 由 OpenGI 解釋并處理，它直接執(zhí)行 3D及 2D圖型 的基本操作。這些操作包 括轉(zhuǎn)換矩陣、光照模 型和光線跟蹤、反混 淆方法 、z～Buf以及像 素更新 操作 等。OpenGI 也支持雙緩沖技術(shù) ，該技術(shù)提供了生成動(dòng)畫效果圖形所需要的機(jī)制 ，使所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運(yùn)動(dòng)。

1．3 視景漫游軟件

Vega是 MultiGen--Paradigm 公 司開發(fā)的應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景 、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的高性能軟件環(huán)境和開發(fā)平臺(tái)，由 Lynx圖形化用戶接 口和Vega庫(kù)組成。利用 Vega庫(kù)函數(shù)可在 Lynx中建立漫游所需要 的場(chǎng)景 、窗 口、通道 、運(yùn)動(dòng)和碰撞方式，可以定義對(duì)象的初始化參數(shù)并建立對(duì)象之間的相 互聯(lián) 系 。

2 地質(zhì)構(gòu)造情況的模擬

對(duì)于礦 山技術(shù)人員來(lái)說(shuō)地質(zhì)構(gòu)造情 況非常重要 ，如果對(duì)煤層 、巖層 、含水層 、流沙層以及斷層和褶曲等情況的推斷有偏差 ，或圖形表現(xiàn)不直觀易懂 ，則在建井或生產(chǎn)過(guò)程中就可能發(fā)生塌方、突水等事故 ，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以根據(jù)地質(zhì)體的三維分布 ，使礦井的規(guī)劃設(shè)計(jì)更加直觀方便。

綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，三維地質(zhì)體的繪制有塊段 、表面、實(shí)體和斷面建模法等。

MultiGen Creator中需要 的 曲面 數(shù) 據(jù) 是ded或 。dem 格式 ，使用 GIS軟件 Arolnfo、用插值方 法 生 成 不 規(guī) 則 三 角 網(wǎng) (TIN)，然 后 轉(zhuǎn) 成USGS DEM 格式 ，將其導(dǎo) 入 Creator就 可 以生成煤層曲面。然后，通過(guò)光照、著色 、紋理、渲染等處理三維地質(zhì)體更加逼真。

3 地形地貌及地物 的模擬

地形地貌和地物的建立需要相應(yīng) 的三維數(shù)據(jù) 。如果有研究區(qū)域的紙質(zhì)地形圖，可以用掃描數(shù)字化的方法得到平面數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D上的標(biāo)注得到高程數(shù)據(jù)；如果已有該區(qū)域的電子地圖，則可直接使用或通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換得到需要的數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有上述數(shù)據(jù)源，則需要由野外測(cè)量獲得。

地形生成與地質(zhì)曲面生成過(guò)程類似，先用ArcInfo將地形 圖上 的等高線 和高程 點(diǎn)進(jìn)行 數(shù)字化，把圖上標(biāo)注的高程值輸入到屬性表中，生成不規(guī)則三角網(wǎng) (TIN)，然后轉(zhuǎn)成 USGS DEM 格式將其導(dǎo)入 Creator生成三維地形 。

對(duì)于建筑物、道路 、圍墻 、河流 、湖泊等的建立，先用 Auto—CAD進(jìn)行數(shù)字化，得到其平面位置。將得到的 *．def文件導(dǎo)入 Creator，并與地形匹配。如果建筑物 比較規(guī)則 ，則直接將其底面按照高度拉伸為立體 ，如果建筑物造型比較復(fù)雜，則需要分成規(guī)則的幾部分進(jìn)行構(gòu)建。

4 礦山井下巷道建模

目前 ，礦山信息主要是通過(guò) CAD格式 的雙線采掘工程平面圖來(lái)表達(dá) 。首先根據(jù)采掘工程平面圖上的高程信息，利用 CAD中的三維多線段重新描繪巷道 ，同時(shí)將高程信息賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn) ，實(shí)現(xiàn)巷道的單線顯示 ，井筒和巷道設(shè)計(jì)要布置合理 ，盡量避免穿過(guò)斷層 、褶曲、含水層等不良地質(zhì)構(gòu)造，盡量減少礦井建設(shè)和生產(chǎn)地面的影響。

使用 MultiGen Creator進(jìn)行 設(shè)計(jì) ，用 圓柱體表示井簡(jiǎn) ，用半圓型截 面的柱體表示巖巷 ，然后進(jìn)行模擬生產(chǎn) ，以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中可能遇到的問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和選擇。設(shè)計(jì)方案完成后可模擬不同設(shè)備、不同開采方式的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，從而達(dá)到優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)和生產(chǎn)系統(tǒng)的目的。綜合考慮地質(zhì)和技術(shù)條件 、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等各種 因素，選擇合理的方案。

5 虛擬巷道系統(tǒng)的建立

虛擬巷道系統(tǒng)是對(duì)礦井真實(shí)巷道多分辨率的三維虛擬表示，建立的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)基于web環(huán)境下的可交互的 、真實(shí)巷道 的三維可視化表達(dá) ，用戶可以從各個(gè)角度對(duì)巷道虛擬環(huán)境進(jìn)行任意的瀏覽和觀察 ，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種交互。

5．1 礦井巷道的建模

礦井 中各種實(shí)體大多是三維實(shí)體，其表面為不規(guī)則 曲面 ，且 內(nèi)部礦體品位分布不均勻 。對(duì)于礦體的外形 ，可用一個(gè)不規(guī)則的封閉曲面來(lái)確定 。為確定礦體的范圍，要經(jīng)地表勘查 、地下勘探及推估等手段來(lái)完成。在瀏覽器上三維實(shí)體模型，可通過(guò)將現(xiàn)有的三維礦體模型中存儲(chǔ)的信息按照一定的規(guī)范轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可接受的格式得到。要在MuhiGen Creator中構(gòu)建三維礦井巷道模型，首先應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)?MuhiGenCreator中采用的坐標(biāo)系和地學(xué)中實(shí)際采用的坐標(biāo)系的含義有所不同。MultiGen Creator中采用的坐標(biāo)系為符合右手規(guī)則的空間坐標(biāo)系，是以MuhiGen Creator瀏覽器中用戶區(qū)的中 作為其坐標(biāo)系的圓心，基底坐標(biāo) 為 XOZ面，y表示高 程。其坐標(biāo)長(zhǎng)度以米為單位，標(biāo)準(zhǔn)角度以弧度為單位。因此，為使它與人們通常采用的地學(xué)坐標(biāo)系保持一致，應(yīng)將原來(lái)礦井 三維實(shí)體 的 (，Y，：)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 MuhiGen Creator坐標(biāo)系中的 (，Y，Z)。轉(zhuǎn)換后的三維實(shí)體坐標(biāo)應(yīng)滿足虛擬場(chǎng)景中所采用的局部坐標(biāo)系顯示的需要。由于礦井實(shí)體坐標(biāo)的數(shù)值一般相當(dāng)大，而實(shí)際顯示坐標(biāo)值的前幾位高位數(shù)據(jù)對(duì)圖形形狀不產(chǎn)生任何影響，因此可將地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)各分量 同時(shí)做一預(yù)選 。

5．2 虛擬巷道場(chǎng) 景的繪 制

對(duì)于規(guī)則格網(wǎng)構(gòu)成的礦山地表模型及礦井實(shí)體的頂?shù)装鍞?shù)字表面模型，可用 ElevationGrid節(jié) 點(diǎn)構(gòu)建。該節(jié)點(diǎn)能很容易有效地設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)位于局部坐標(biāo)系 X()Z平面上高低起伏的地域造型。該造型用高度值組成的標(biāo)量陣列描述，陣列指定了表面每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)上的高度 。和 z方向的柵格點(diǎn)數(shù)量可 以分 別 用 xDimension 和 zDimension 域 建 立。xSpacing和 zSpacing域值指定 了柵格行和列之間的空間。Height域的值指定了每一個(gè)柵格點(diǎn)的海拔高度，基底上的每一個(gè)柵格點(diǎn)都與 height矩陣中的一個(gè)海拔值 相對(duì)應(yīng)；colorPerVertex域指定為TRUE或 FAI SE，表示 color域 中指定 的顏 色是用到 ElevationGrid節(jié)點(diǎn)的每個(gè)頂點(diǎn)上 (TRUE)，還是應(yīng)用到每個(gè)四邊形上 (FAI SE)；此外，通過(guò)建立 solid域值，所有的海拔柵格都可以當(dāng)作實(shí)體。

對(duì)于由不同的三角面構(gòu)成的復(fù)雜地表模型，則需要用 MUI TIGEN CREATO 提供的萬(wàn)能幾何節(jié) 點(diǎn)IndexedFaceSet來(lái)創(chuàng)建，它有coord與 coordlndex兩個(gè)域 ，與 IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn) 中的兩個(gè)域類似，前者提供了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，列出了構(gòu)造面幾種所有面的坐標(biāo) 。Coordlndex域的值提供 了一張描述一張或多張面周界的列表。其中每一個(gè)值都是整型索引，并且每個(gè)索引都指定了在 coord域內(nèi)的坐標(biāo)列表中的一個(gè)坐標(biāo)。在實(shí)際的創(chuàng)建過(guò)程中，要求建立三角網(wǎng)的各個(gè)三角面按照法線方向向外的法則 。

6 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成一個(gè)逼真的礦山虛擬環(huán)境 (Virtual Environment)。這樣在礦 山設(shè)計(jì)或研究階段 ，科研人員可以置身于礦山虛擬環(huán)境下直觀審視礦山，按照設(shè)計(jì)給定的工藝方法和參數(shù) ，選擇設(shè)備及確定生產(chǎn)模式。從基建到閉坑的全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控 ，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。設(shè)計(jì)結(jié)束后，設(shè)計(jì)單位、礦山企業(yè)可向?qū)彶檎?、公眾展示一個(gè)三維和動(dòng)態(tài)的礦山?？傊摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)、技術(shù)改造 、生產(chǎn)中可廣泛應(yīng)用 。

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