三維視景仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

三維視景仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

萬家堡水庫表現(xiàn)山西省萬家寨引水工程是世界著名專家認為的“最具挑戰(zhàn)的節(jié)水全球項目”。該項目位于山西省西北部，位于山西省和蒙古交界處的黃河萬家寨水庫，南至太原，北至大同，全長449.16公里。主航道、南主線、連接段和北主干道是緩解太原、大同及其周邊地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水短缺的生命工程。由于引黃工程具有線路長、分布廣、系統(tǒng)復雜、交通不便等特點,通過采用視景仿真技術構建三維視景仿真系統(tǒng)可以更好的對工程進行全方位展示和可視化管理。1重要建筑物模擬該系統(tǒng)要求通過視景仿真技術對工程全線重要水工建筑物(如取水口、泵站、輸水管道、閥室、水廠、調(diào)度中心等)、重要設備(水泵、減壓閥、機電設備等)、重要系統(tǒng)(如自動化系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等)進行三維可視化模擬,使用戶不用到工程現(xiàn)場就可以身臨其境的對工程的全線或感興趣的重要建筑物進行漫游和信息查詢,并可通過三維動畫演示的形式對重要設備進行模擬拆分、組裝、運行,對重要系統(tǒng)的組成、布置、原理進行形象展示,以便對其進行了解和認知。另外,通過在視景仿真系統(tǒng)中引入以音、視頻為特征的多媒體技術,結合三維虛擬場景,系統(tǒng)需對工程背景、工程概況、工程建設及其所產(chǎn)生的經(jīng)濟社會效益進行闡述,使系統(tǒng)的完整性得到進一步加強,以滿足向不同層次人員進行工程介紹、展示和培訓的要求。2可視化仿真技術在工程管理建設中的應用該系統(tǒng)作為引黃工程數(shù)字化信息平臺的重要組成部分,是建設數(shù)字引黃工程的主要技術基礎工作之一,為工程結構、工程特征、工程管理提供數(shù)據(jù)可視化仿真系統(tǒng),其建設的主要目的是為管理者提供一個基于視景仿真技術的工程可視化環(huán)境和管理平臺,以滿足向不同層次人員進行工程介紹、展示和培訓的要求,適應工程管理現(xiàn)代化、數(shù)字化和可視化的要求。3場景資源要素該系統(tǒng)主要包括場景資源和場景驅動兩大部分。場景資源是系統(tǒng)需要展示的場景素材庫,系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于場景驅動對場景資源進行高效有序的管理來完成。3.1設備模型創(chuàng)建場景資源主要包括地形地貌模型、水工建筑模型、設備模型及其它模型等場景三維模型文件以及文本、圖片、音視頻等系統(tǒng)其它資源文件,其實現(xiàn)工具及過程如圖1所示。場景三維模型文件主要包括地形地貌模型、水工建筑模型、設備模型及其它模型等。地形地貌模型覆蓋工程所在的山西省西北部近2萬平方公里的地域,利用該區(qū)域的1:50000精度的DEM(DigitalElevationModels,數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)、10米分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)和地理特征矢量數(shù)據(jù)通過專業(yè)地形地貌軟件TerraVista實現(xiàn)。水工建筑模型主要包括萬家寨取水口、五級泵站(總干一級、總干二級、總干三級、南干一級以及南干二級泵站)、頭馬營出水口、汾河水庫、連接段三座減壓閥室、太原市呼延水廠和引黃調(diào)度中心等;設備模型主要包括各級泵站內(nèi)部電機層、電纜層、水泵層、繼保室和監(jiān)控室以及減壓閥室和調(diào)度中心所有的關鍵設備等;其它模型主要包括場景輔助模型、為系統(tǒng)提供交互操作的工程平面布置、工程縱剖面及工程微縮電子沙盤等三維模型。水工建筑模型、設備模型及其它模型主要借助工程實景照片、效果圖、示意圖或布置圖等文件作為參考,利用photoshop進行紋理創(chuàng)建和建模軟件MultiGenCreator逐一對場景對象進行幾何建模和紋理貼圖來完成構建。場景中所有的三維模型數(shù)據(jù)均采用工業(yè)標準OpenFlight(*.flt)格式,該格式是一個分層的數(shù)據(jù)結構,通過使用幾何體(Geometry)、層次(Hierarchy)結構和屬性(Attribute)來描述和組織三維對象,可以在驅動程序中對層次結構進行訪問和操作。為了使建好的水工建筑模型準確、無縫的整合到地形地貌模型中,在進行地形地貌模型生成時,需要在地理特征矢量數(shù)據(jù)中對水工建筑所在位置進行標記,當?shù)匦蔚孛材Ｐ蜕赏戤吅?將對應的水工建筑模型通過手工加載到標記位置點,并需對周邊的環(huán)境進行適當?shù)男薷?。為了滿足了視景仿真系統(tǒng)實時性、逼真性和低耗性的要求,在保證不影響系統(tǒng)效果的前提下,在建模時我們采用了細節(jié)層次技術、實例化、外部引用和多種紋理等技術對場景進行了優(yōu)化,刪除了冗余的多邊形,并對OpenFlight數(shù)據(jù)庫層次結構進行了調(diào)整和合理組織。系統(tǒng)其它資源主要包括文本、圖片和音視頻等文件,其中,文本為工程沿線所有水工建筑提供詳細的信息查詢顯示內(nèi)容;圖片為系統(tǒng)圖形化界面、泵站、設備等水工建筑提供顯示素材;音視頻素材分別通過CoolEdit或AdobePremiere進行編輯處理后為系統(tǒng)提供聲音和視頻圖像,可以極大豐富系統(tǒng)表現(xiàn)內(nèi)容和表現(xiàn)方式,增強系統(tǒng)的表現(xiàn)力。3.2系統(tǒng)實現(xiàn)與實現(xiàn)該系統(tǒng)場景驅動以VC++6.0為系統(tǒng)開發(fā)平臺,采用雙線程機制進行系統(tǒng)初始化和運行,場景漫游與管理利用OpenGVSSDK提供的API實現(xiàn),圖形化界面繪制和視頻圖像在場景中的顯示基于OpenGL實現(xiàn),視頻圖像的獲取和音頻文件的播放管理分別通過WindowsMultimediaSDK中的VideoforWindows和MultimediaAudio實現(xiàn),場景多通道基于socket實現(xiàn)的廣播式網(wǎng)絡通訊來完成,系統(tǒng)驅動開發(fā)工具如圖2所示。為了全方位、多角度展示工程全貌和工程特點,該系統(tǒng)采用虛實結合的手法,充分運用視景仿真技術和多媒體技術,采用圖形化操作界面,并將視頻、音頻、圖表、操作界面和三維虛擬場景等多種表現(xiàn)形態(tài)有機的融合在一起,極大的豐富了視景系統(tǒng)的表現(xiàn)內(nèi)容和表現(xiàn)手段,增強了系統(tǒng)的交互性和可操作性,主要實現(xiàn)的系統(tǒng)功能有:3.2.1y軸旋轉控制基于OpenGVSSDK,系統(tǒng)實現(xiàn)了手動漫游、快速定位和單路徑/多路徑自動漫游等實時漫游功能。手動漫游功能的實現(xiàn)主要利用鼠標指針在屏幕視窗上的二維位置坐標(x,y)及其左右鍵狀態(tài)(leftstate,rightstate)通過一定的映射關系映射到三維場景的空間位置坐標(x,y,z)上。通過映射關系,二維指針坐標x,y軸分別映射到三維空間坐標x,z軸,三維空間中的y軸坐標通過鼠標左右鍵控制,當左鍵/右鍵按下時,y值增加/減少。視點繞y軸旋轉控制通過指針在屏幕x軸的運動方向決定,即當指針從屏幕自左向右運動時,視點順時針旋轉;反之視點則逆時針旋轉。為了增強操作人員對場景漫游的可控性,系統(tǒng)采用了鍵盤與鼠標相結合的控制模式,即只有在按下某鍵的同時移動鼠標或按下左右鍵才能完成場景手動漫游?？焖俣ㄎ还δ艿膶崿F(xiàn)通過在程序中設置目標對象的觀察位置和角度并響應用戶輸入事件來實現(xiàn),該系統(tǒng)實現(xiàn)了工程中所有重要水工建筑、設備的快速定位,極大方便系統(tǒng)操作人員對場景進行快速定位和漫游。單路徑/多路徑自動漫游功能的實現(xiàn)是通過程序依次讀入單個或多個記錄有漫游位置坐標、旋轉方向、采樣點間時差和采樣總時間的路徑文件,實現(xiàn)場景自動漫游,無須人員干預,其路徑文件數(shù)據(jù)記錄的格式可以表示為(posx,posy,posz,rotx,roty,rotz,dtime,alltime)。對于多路徑漫游,路徑間的轉換方式可以根據(jù)需要采用直接跳轉或線性插值的方式實現(xiàn)視點的切換,本系統(tǒng)采用的是直接跳轉方式。3.2.2維屏幕的顯示效果分析基于三維虛擬場景,系統(tǒng)實現(xiàn)了包括泵站和涵洞等在內(nèi)的所有水工建筑、關鍵設備的實時信息查詢,可以滿足不同用戶對工程的信息查詢需求。用戶在進行場景漫游或交互操作時,可以通過鼠標指針置于感興趣的對象上,實時查詢對象的名稱、簡介及其它屬性。對于不同的信息顯示內(nèi)容,我們分別采用了基于圖片和基于文字兩種不同數(shù)據(jù)源的信息顯示方式?；趫D片的顯示方式主要適用于顯示內(nèi)容簡單的情況(如僅僅顯示對象的名稱),該顯示方式的實現(xiàn)基于寫有對象信息的透明格式圖片(如*.gif或*.rgba格式)通過紋理貼圖到OpenGL繪制的矩形面上,并以場景對象直接繪制在計算機屏幕上;而基于文字的顯示方式主要適用于顯示內(nèi)容復雜的情況,該顯示方式通過將從文本文件獲取的中英文字符信息以位圖字或筆畫字的形式加入到場景中進行實時繪制。在顯示效果方面,我們采用了兩種不同的表現(xiàn)方式,一種是顯示位置固定型,即信息始終顯示在屏幕的固定位置上,如屏幕的中上方;一種是指針跟蹤型,即信息始終以鼠標指針當前位置作為參考進行實時顯示。下面以指針跟蹤型為例(見圖3)進行說明。指針跟蹤型要求信息跟蹤指針位置進行實時顯示,參考一般菜單顯示方式,假設信息顯示框的尺寸為a*b(長×寬)個單位,首先需要將二維屏幕視窗按圖3所示劃分為A、B、C、D四個區(qū),并按如下實時判斷邏輯即可完成信息顯示:A區(qū)中信息顯示框正常顯示在指針的右下方;C區(qū)中,由于信息顯示框的寬度大于該區(qū)域在Y軸上的值,若按指針右下方顯示則會造成在Y軸方向上的信息不能完整顯示時,規(guī)定信息顯示框顯示在指針的右上方;B區(qū)中,由于信息顯示框的長度大于該區(qū)域在X軸的值,若按指針右下方顯示則會造成在X軸方向上的信息不能完整顯示時,規(guī)定信息顯示框顯示在指針的左下方;D區(qū)中,由于信息顯示框的長度和寬度分別大于該區(qū)域在X軸和Y軸的值,若按指針右下方顯示則會造成在X軸和Y軸方向上的信息不能完整顯示時,規(guī)定信息顯示框顯示在指針的左上方;系統(tǒng)實現(xiàn)的實時信息查詢與顯示效果如圖4所示。3.2.3功能2:壓力和位置顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了以工程平面布置圖和縱剖面圖為背景的三維空間交互操作,可以通過圖形化操作菜單在場景中對其進行上、下、左、右四個方向上的移動和前、后兩個方向上的縮放,可以通過鼠標指針查詢圖中的泵站、涵洞等水工建筑物獲得其詳細的文字信息,并可以通過點擊直接進入對象的下一層操作目錄,獲取更為詳盡的文字、圖片、視頻信息,并可以對其進行虛擬漫游操作等。實時交互操作功能的實現(xiàn)過程主要經(jīng)歷在模型文件中命名操作對象節(jié)點、在虛擬場景中通過碰撞檢測進行節(jié)點訪問和節(jié)點事件操作三個步驟。實時交互操作功能的實現(xiàn),增強了系統(tǒng)的交互性、靈動性和趣味性。3.2.4維展示及模型生成為了對工程關鍵設備、重要水工建筑物和重要系統(tǒng)進行拆分、組裝、運行或展示等可視化演示,系統(tǒng)采用三維動畫技術形象直觀的對其進行了三維展示,實現(xiàn)方法為:以時間為序,以演示內(nèi)容為綱,通過程序邏輯控制視點(位置和角度)、模型狀態(tài)(顯示或隱藏)、模型縮放、模型位置和模型角度的變化,模型文件的獲得通過訪問對象層次結構中節(jié)點實現(xiàn),對于需要進行位移、縮放或選裝的模型,需要對所操作的模型對象定義DOF節(jié)點。3.2.5音視頻技術在虛擬場景中的應用隨著技術的發(fā)展和表現(xiàn)手法的多元化,作為以可視化展示為主要目的視景仿真系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅局限于三維虛擬場景的繪制、顯示和漫游,它需要借鑒其它的表現(xiàn)手法和表現(xiàn)手段來豐富系統(tǒng)的表現(xiàn)內(nèi)容和提高系統(tǒng)的表現(xiàn)力。在視景仿真系統(tǒng)中采用虛實結合的手法,充分運用多媒體技術,將視頻、音頻、圖表和三維虛擬場景等多種表現(xiàn)形態(tài)融合在一起,共同來完成對象的全方位展示,可以極大的豐富視景系統(tǒng)的表現(xiàn)內(nèi)容和表現(xiàn)手段。根據(jù)系統(tǒng)設計目標,系統(tǒng)需要工程背景、工程概況、施工過程、關鍵技術和工程效益等系統(tǒng)模塊以及重要水工建筑的實景進行有效表現(xiàn),通過以音視頻為主要特征的多媒體技術可以很好的解決這一問題。為了實現(xiàn)在虛擬場景中有機嵌入視頻播放,系統(tǒng)采用AVI(AudioVideoInterleaved)視頻作為播放原始文件,利用Win32VFW(Videoforwindow)、OpenGL基本庫和實用庫實現(xiàn)對視頻文件的圖像信息進行讀取、繪制和顯示,并通過視景實時運行模塊控制視頻播放的起始/終止幀和播放速率,其實現(xiàn)效果示意如圖5所示。在實現(xiàn)過程中,需要特別注意以下問題:1)在從AVI文件視頻流中獲得逐幀圖像信息并以R、G、B格式實時繪制在DIB設備上時,由于在Windows中存儲R、G、B顏色的順序為B、G、R,這與OpenGL讀取R、G、B顏色的順序相反,必須進行R、B顏色信息交換;2)為了提高交換速度,可以使用直接作用于硬件設備的匯編語言進行顏色交換。對于音頻實現(xiàn),系統(tǒng)采用*.wav格式的音頻作為播放原始文件,利用MultimediaAudioAPI實現(xiàn)對音頻文件的讀取,并采用基于系統(tǒng)功能模塊、基于漫游路徑和基于三維空間范圍等多種手段實現(xiàn)對音頻文件的播放管理。對于音頻與視頻、音頻與場景漫游、音頻與演示動畫實時同步問題,系統(tǒng)通過控制場景繪制幀數(shù)、基于模塊功能細分音頻文件來實現(xiàn),基本實現(xiàn)系統(tǒng)聲音、圖像實時同步,取得了較好的演示效果。3.2.6系統(tǒng)實時運行模塊為了便于系統(tǒng)操作和模塊選擇,系統(tǒng)實現(xiàn)了基于虛擬場景的圖形化操作界面,其效果如圖6所示。該圖形化界面的實現(xiàn)主要通過使用OpenGL在場景中繪制二維圖形化按鈕或菜單,通過系統(tǒng)實時運行模塊對鼠標指針是否在按鈕或菜單上發(fā)生按鍵操作而進行實時判斷,一旦程序探測到發(fā)生按鍵操作,則程序自動觸發(fā)與該按鈕或菜單對應的程序模塊進行演示?？紤]到模塊與模塊之間存在著平級或上下級的關系,該方法通過定義菜單或按鈕的不同級別來進行菜單分層控制,實現(xiàn)多級菜單繪制需要。圖形化操作界面可自定義界面尺寸、紋理、樣式、透明度和狀態(tài),為了實現(xiàn)鼠標指針在或不在其繪制區(qū)域內(nèi)的兩種不同狀態(tài)的繪制,可以通過對按鈕或菜單的紋理和透明度進行修改來實現(xiàn),增強了圖形化界面可視性和可操作性強等特點。3.2.7實現(xiàn)連續(xù)展示系統(tǒng)還實現(xiàn)了自動播放和三通道顯示等功能。自動播放功能以事先編排好的的演示方案為指導,將系統(tǒng)中不同模塊按照邏輯關系進行有機的篩選和組織,實現(xiàn)自動、無干預的連續(xù)演示,實現(xiàn)對工程連續(xù)的、有序的全方位展示。三通道顯示功能基于socket的廣播式網(wǎng)絡通訊來實現(xiàn)實時主控計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送和從控計算機的數(shù)據(jù)接收,發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)主要包括視點位置、視點角度、對象屬性(如狀態(tài)、旋轉角度、位移量等)以及用戶自定義的控制數(shù)據(jù),該項功能的實現(xiàn),拓寬了三維場景顯示視域,有助于增強系統(tǒng)的表現(xiàn)力和感染力。4