計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)范文

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關(guān)鍵詞 生物建模；粒子動態(tài)；動力學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2013）83-0204-02

1生物建模技術(shù)的數(shù)據(jù)源

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺系統(tǒng)從各個角度,不同路徑設(shè)置,形象地展示集聲音、粒子動畫方案的設(shè)計(jì)效果展示。使客戶可以身臨其境的在三維虛擬空間感受到方案完成后的動態(tài)效果，有利于更加清晰的規(guī)劃方案，確定方案的合理性與可行性。

針對幾何對象的設(shè)置方案和無縫編輯的生物建模技術(shù)的分類研究。

創(chuàng)建對象的幾何模型分為 stand primitie與 extended primitie兩種創(chuàng)建方式為幾何模型對象內(nèi)部所固有的有著幾何性質(zhì)的可編輯的抽象模型，它們也可以作為基礎(chǔ)模型輔助高級模型的創(chuàng)建，其精度線段細(xì)分都可以通過修改面板進(jìn)行調(diào)節(jié)。幾何模型所表現(xiàn)的屬性性質(zhì)可分為子層級，子層級內(nèi)部可以分層編輯修改，最終完成基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建工作，修改包括三維幾何體對象的基本點(diǎn)、線、面、多邊形形態(tài)的子層級，反映幾何體對象的面層級的特點(diǎn)；在三維仿真平臺系統(tǒng)應(yīng)用中體現(xiàn)要求的說明信息等。

2 三維建模的技術(shù)分類

我們通過不同的設(shè)計(jì)方案完成初步草圖的設(shè)定,以及建筑模型的平面、立面設(shè)計(jì),或是應(yīng)用圖形圖像資源庫中的標(biāo)準(zhǔn)幾何體來完成初始模型的創(chuàng)建工作。細(xì)致模型的創(chuàng)建需要通過無縫編輯的生物模型來完成,或是根據(jù)不同的造型結(jié)構(gòu),通過物體合成命令來完成建筑模型的最終創(chuàng)建工作。建筑的不同環(huán)境效果和不同材質(zhì)的劃分以模型的不同面的表現(xiàn)來區(qū)分,并根據(jù)不同的分隔面來設(shè)置不同的ID號碼,通過不同的ID號碼由系統(tǒng)來區(qū)分不同的材質(zhì)連接屬性。

目前，根據(jù)模型的分類差異，三維建模在計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域中技術(shù)上分為幾何建模類型和動態(tài)建模類型。

3 靜態(tài)三維模型庫數(shù)據(jù)的獲取

模型庫建立的難度主要在三維模型建模的精模與低模的轉(zhuǎn)化過程，在三維模型創(chuàng)建之前，首先需要數(shù)字資源的收集整理,主要包括 DWG地圖和地形的測量數(shù)據(jù)、航拍、設(shè)計(jì)圖紙、以及常用模型的數(shù)據(jù)資源等數(shù)據(jù)資料。三維仿真系統(tǒng)中建立模型資源庫,針對靜態(tài)三維模型而創(chuàng)建的,為了方便靜態(tài)模型資源的重復(fù)利用,以及方便靜態(tài)模型的資源管理和模型信息升級,因此設(shè)置模型信息分類存儲。

靜態(tài)模型資源庫大致分為以下幾類:建筑三維模型以及公共設(shè)施附屬模型：地標(biāo)性建筑模型；交通設(shè)施模型；公共模型設(shè)施；綠化植被模型；水體模型；景觀及游樂設(shè)施；模型庫資源的建立主要是由AutoCAD和3DSMAX來完成的。

在 AutoCAD中完成三維場景的平面圖創(chuàng)建后，將其導(dǎo)入3 DSMAX中，進(jìn)行地面模型的創(chuàng)建，并且分割地形、地勢，以便之后三維模型的面數(shù)與貼圖的賦予不產(chǎn)生面的軸向 UV問題。應(yīng)用3DSMAX進(jìn)行初使模型的創(chuàng)建，由于造型能力強(qiáng)，并且可以很好的與仿真軟件進(jìn)行模型的應(yīng)用導(dǎo)入，因此常用于虛擬仿真的三維建模部分，模型有很強(qiáng)的仿真立體效果。植物模型的創(chuàng)建，一般植物建模通常面數(shù)很高，也就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)量的問題，因此現(xiàn)今植物建模的各種效果展示中真正的植物模型應(yīng)用比較少，通常是應(yīng)用大量的以面為單位的植物貼圖以達(dá)到場景中需要的視覺效果，尤其是應(yīng)用通道透明貼圖。三維模型創(chuàng)建完成后,通過三維仿真資源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和操作的。

三維模型資源庫將模型分為：高精度模型、中精度模型、低精度模型,方便三維仿真場景中對于近景、中景、遠(yuǎn)景的不同需求,當(dāng)攝影機(jī)跟隨路徑約束到視圖遠(yuǎn)景時,所顯示的模型為低精度模型,如此可以大量的節(jié)省場景中模型的計(jì)算量,以達(dá)到實(shí)時交互的刷新頻率要求; 當(dāng)攝影機(jī)跟隨路徑約束到視圖近景時,所顯示的模型為高精度模型, 保證了實(shí)時交互,對三維場景中的近景模型的高精度的視覺要求。三維場景數(shù)據(jù)庫的模型資源表現(xiàn)了真實(shí)環(huán)境中的建筑模型合并到虛擬三維場景中的細(xì)節(jié)效果反應(yīng)，包括三維場景中的天空作為一個球天模型的環(huán)境貼圖對建筑模型群體的色彩影響。

4 粒子動態(tài)現(xiàn)象的建模

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在虛擬環(huán)境中,創(chuàng)建靜態(tài)的三維幾何體模型的交互效果顯示，對于實(shí)時仿真來說是無法滿足用戶的視覺顯示效果要求的，三維物體的性質(zhì)還涉及動態(tài)模型的應(yīng)用,從三維物體運(yùn)動的位置改變、以及物體之間的相互碰撞、三維模型的角度捕獲、物體的縮放變形、以及三維模型的子層集表面變形等等。我們以視圖坐標(biāo)為中心，以運(yùn)動的物體自身坐標(biāo)進(jìn)行軸向的運(yùn)動變化。三維場景中的每個對象都有一個自身坐標(biāo)，物體可以以自身為軸向進(jìn)行運(yùn)動，這樣的坐標(biāo)稱為自身坐標(biāo)系統(tǒng)。這個坐標(biāo)系統(tǒng)的位置隨物體的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放而改變。通過關(guān)鍵幀的設(shè)置,完成需要的動態(tài)模型創(chuàng)建。

針對三維場景還有一個世界坐標(biāo)，場景中的所有建筑模型都遵從于這個世界坐標(biāo)。通常動態(tài)現(xiàn)象建模應(yīng)用粒子系統(tǒng)，以及動力學(xué)系統(tǒng)，表現(xiàn)水景、云霧、風(fēng)、火焰等，水體模型建造在地形變化中起著重要的作用，同時是建筑表現(xiàn)效果的重要內(nèi)容，場景實(shí)時渲染的要求，通常應(yīng)用粒子系統(tǒng)完成水景動態(tài)特效后輸出動態(tài)文件，再將其以貼圖紋理的方式附予場景中的建立好的面片中。虛擬對象 reactor的空間綁定,這是配合粒子系統(tǒng)的動力學(xué)系統(tǒng),屬于物理建模方式,通過對于虛擬物體的空間綁定,確定 reactor的質(zhì)量、重量、摩擦力、慣性,以及物體的反彈參數(shù)值等等，這些特性與三維建模及其虛擬仿真平臺結(jié)合起來，形成一個虛擬模型空間。

5 結(jié)論

三維場景中的物理建模涉及到動力學(xué)系統(tǒng),是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中比較高層次的模型創(chuàng)建，因?yàn)樗枰锢韺W(xué)中動力學(xué)和重力系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，涉及到動力學(xué)系統(tǒng)中力的作用問題，主要是三維模型的重力、摩擦力、反彈值。

除了人機(jī)交互中相互作用的系統(tǒng)程序應(yīng)用外,還有在計(jì)算機(jī)模擬三維仿真系統(tǒng)平臺中所呈現(xiàn)的粒子系統(tǒng)和動力學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)建粒子系統(tǒng)的動畫運(yùn)動行為模型。使得虛擬仿真系統(tǒng)平臺可以自主性控制，也就是設(shè)定場景的動態(tài)信息后,用戶不與之交互,指三維物體的活動變化以及周圍環(huán)境和其它運(yùn)動實(shí)體模型之間的動態(tài)關(guān)系，比如風(fēng)效、雨景特效等，它們不受用戶的輸入控制（也就是說用戶不與之交互）。

參考文獻(xiàn)

[1]曾金發(fā).虛擬現(xiàn)實(shí)復(fù)雜場景生成簡化和優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 南京理工大學(xué)，2004.

[2]張文君.城市規(guī)劃中虛擬現(xiàn)實(shí)景觀設(shè)計(jì)及其應(yīng)用展望[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005(35).

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[關(guān)鍵字]三維仿真 城市規(guī)劃 城市仿真技術(shù)

[中圖分類號] TU984 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2013）-5-295-1

1 三維仿真技術(shù)的概述

三維仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，以模擬的方式為使用者創(chuàng)造一個實(shí)時反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真環(huán)境中，獲得一種身臨其境的感受。例如《韶關(guān)市城市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)》，利用地理信息系統(tǒng)、三維空間建模、遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)，以數(shù)字地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)以及三維城市要素模型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在三維虛擬空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)局部的規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)方案與區(qū)域景觀的實(shí)時、多方案綜合分析與決策。

2 三維仿真在城市規(guī)劃中應(yīng)用的意義

2.1 提供可視化功能支持

三維仿真技術(shù)可以依靠相關(guān)的軟件進(jìn)行輔助操作，對城市規(guī)劃方案和規(guī)劃過程進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠提供可視化的支持，能適當(dāng)?shù)膶σ?guī)劃的對象進(jìn)行高度、方向、顏色等方案篩選和比較，使得規(guī)劃的決策更為科學(xué)、合理、直觀。同時，相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)輔助圖，三維仿真技術(shù)擁有更強(qiáng)的決策和設(shè)計(jì)功能，可以降低規(guī)劃決策的失誤率，規(guī)避設(shè)計(jì)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。如，2006年9月，人民大會堂公映的大型傳奇史詩影片《圓明園》，通過先進(jìn)三維仿真技術(shù)，將“圓明園”真實(shí)的再現(xiàn)在世界人們的眼中。

2.2 多樣化的數(shù)據(jù)服務(wù)

利用三維仿真技術(shù)進(jìn)行三維模擬和三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以利用三維仿真系統(tǒng)查詢相對對象的信息資料，為規(guī)劃設(shè)計(jì)者提供各城市單位或部門的信息資料。在韶關(guān)市城市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)中，在功能方面提供了三維基礎(chǔ)功能、規(guī)劃信息查詢、規(guī)劃方案評審、規(guī)劃輔助分析、規(guī)劃輔助設(shè)計(jì)、三維管網(wǎng)管理等六大功能，并利用現(xiàn)有韶關(guān)地下管線綜合管理信息系統(tǒng)和韶關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺進(jìn)行對接。

2.3 提高規(guī)劃項(xiàng)目的管理效率

通過制作項(xiàng)目模型或者提供靜態(tài)的三維效果圖來展示項(xiàng)目的整體規(guī)劃過程，這具有很大的局限性，無法完成規(guī)劃對象的修改和管理。城市三維仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)一個可操作的三維仿真系統(tǒng)，為開發(fā)機(jī)構(gòu)或城市規(guī)劃單位提供高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)和視覺質(zhì)量。在需要修改或增減項(xiàng)目工程的過程中，可以直接導(dǎo)入或更新相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可以及時作出方案調(diào)整和實(shí)施，提高規(guī)劃項(xiàng)目的整體管理質(zhì)量和效率。

3 仿真技術(shù)在城市規(guī)劃的應(yīng)用

3.1 城市總體規(guī)劃的應(yīng)用

城市總體規(guī)劃設(shè)計(jì)主要包括三個部分：城市戰(zhàn)略研究規(guī)劃、城市總體規(guī)劃和城市分區(qū)規(guī)劃。在這個階段，城市規(guī)劃者需要把握城市的整個規(guī)劃方向和城市發(fā)展動向，整合城市規(guī)劃中的各種信息資源和數(shù)據(jù)資料，為城市的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)做出詳盡、科學(xué)、直觀的規(guī)劃方案。仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對城市自然地貌現(xiàn)狀進(jìn)行還原再現(xiàn)，而將仿真技術(shù)運(yùn)用到城市總體規(guī)劃之中，可以對整個城市實(shí)現(xiàn)自然地貌的仿真模型再現(xiàn)，為城市設(shè)計(jì)者提供科學(xué)的、直觀的城市地貌現(xiàn)狀。同時，仿真技術(shù)可為依據(jù)城市總體現(xiàn)狀進(jìn)行三維模擬和三維模型動態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)可視化的視覺效果。例如，廣州亞運(yùn)村設(shè)計(jì)競賽方案三維評審系統(tǒng)就是一個三維仿真技術(shù)在城市規(guī)劃應(yīng)用領(lǐng)域的新嘗試。

3.2 城市景觀設(shè)計(jì)的應(yīng)用

城市景觀設(shè)計(jì)反映城市的整體風(fēng)貌，城市的整體風(fēng)貌依靠科學(xué)的環(huán)境資源布局來實(shí)現(xiàn)。利用仿真技術(shù)對城市景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)和環(huán)境模擬，可以對城市建筑的空間形態(tài)、建筑形式、城市天際線、城市景觀、城市色彩等多方面進(jìn)行綜合考慮，做出更為準(zhǔn)確的、直觀的設(shè)計(jì)方案。仿真技術(shù)的應(yīng)用有助于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)者進(jìn)行多功能技能操作，從整體上把握城市空間形態(tài)的展示要點(diǎn)和亮點(diǎn)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出城市的整體風(fēng)貌和城市特色之處。同時，仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)際景觀設(shè)計(jì)的環(huán)境模擬，創(chuàng)造一個實(shí)時反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖形界面，將設(shè)計(jì)的內(nèi)容和效果展示在大眾面前，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓大眾和客戶有一種身臨其境的感受。對于城市規(guī)劃評審、公示、展覽、規(guī)劃項(xiàng)目的宣傳及招商引資等各方面都有著重要的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 城市土地規(guī)劃現(xiàn)狀研究

城市規(guī)劃需要把握整個城市土地利用的決策動向，就需要對城市土地利用現(xiàn)狀信息資料進(jìn)行完整的把握，所以城市土地利用現(xiàn)狀信息資料尤為重要。規(guī)劃設(shè)計(jì)者可以依靠當(dāng)?shù)氐暮娇招l(wèi)星影像、DEM 高程數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，構(gòu)建仿真三維模型，通過三維模型，可以更廣泛的了解和把握整個城市的土地利用范圍、現(xiàn)狀以及城市周邊的概況，對城市的整體信息資料的掌握和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的確定有著重要意義。仿真技術(shù)還可以通過模擬建筑物的日照陰影走向和計(jì)算陰影面積來研究建筑物的高度對周邊建筑物的日照的影響等，通過三維空間環(huán)境下的實(shí)時建筑物模型置換、建筑物紋理置換、建筑物高度調(diào)整等功能，來進(jìn)行城市土地利用現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的篩選。如，韶關(guān)城市規(guī)劃三維輔助決策支持系統(tǒng)提供了日照分析功能，更好的展示了建筑物日照效果。

4 小結(jié)

城市規(guī)劃是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多層次、多整合的形式來實(shí)現(xiàn)對城市的總體規(guī)劃。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維仿真作為重要的輔助設(shè)計(jì)形式，以其高效設(shè)計(jì)和可視化功能，在城市規(guī)劃領(lǐng)域中廣泛運(yùn)用。三維仿真技術(shù)可以通過模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得城市規(guī)劃部門、項(xiàng)目開發(fā)商和公眾都能感受到一種身臨其境的視覺體驗(yàn)，三維仿真運(yùn)用到城市規(guī)劃中是一個重要的決策，也是一種具有非常可觀的前景應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]余明，過靜君.三維仿真虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J]，測繪科學(xué)， 2009， 13： 52-54.

篇3

關(guān)鍵詞 三維動畫；仿真；風(fēng)洞試驗(yàn)

中圖分類號 TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-（2013）011-0139-01

1 三維動畫及仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，計(jì)算方法發(fā)生了巨大的變化。計(jì)算機(jī)軟件將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到工程實(shí)踐上去，有效的提高了工程實(shí)踐的效益。原來系統(tǒng)分析主要依靠的根軌跡和伯德圖已經(jīng)不常使用。2004年以來仿真和建立數(shù)學(xué)模型的技術(shù)被大量應(yīng)用在研究生的研究工作中，替代了大量的實(shí)驗(yàn)，并大量的。仿真技術(shù)也大量的應(yīng)用在航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，未來國內(nèi)航空業(yè)對仿真技術(shù)的要求更高。仿真技術(shù)應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是主要的需求。建立飛機(jī)各系統(tǒng)各分系統(tǒng)的模型用機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)和改進(jìn)有很大的吸引力。而為建立模型使用的工具技術(shù)的進(jìn)步，將是未來發(fā)展的主題。其中模型建立的方法也是研究的熱點(diǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)在模型的建立已經(jīng)不是過去微分方程所能解決的了。模型的建立已經(jīng)涉及到所有的數(shù)學(xué)方法、復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。例如面向飛機(jī)外型飛機(jī)空氣動力模型的建立；飛機(jī)尾旋模型；計(jì)算機(jī)上的數(shù)字風(fēng)洞試驗(yàn)；各類場的模型。面向?qū)ο蟮娘w機(jī)整體的模型將仿真的內(nèi)容擴(kuò)大到飛機(jī)的全壽命周期。虛擬產(chǎn)品的生產(chǎn)將成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始仿真就將對未來為航空工業(yè)提供有力的支持。模型的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)化將使仿真模型作為航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和使用的重要的工具。使用分布式的仿真系統(tǒng)將是未來的主流，計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)不是主要的問題。仿真支撐軟件將由管理型向服務(wù)型轉(zhuǎn)化，模型就向魚入水一樣在支撐軟件的服務(wù)下運(yùn)行。

2 國內(nèi)外差距分析

我國和世界其他國家在仿真技術(shù)方面的差距主要有以下幾個方面：

首先是模型基礎(chǔ)方面：國外對于仿真技術(shù)都是建立在完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的模型，模型是對客觀事物充分的理解基礎(chǔ)之上才可能進(jìn)行給出的，以往歷年來的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在模型建立中起到了核心的作用，所以，模型是具備知識產(chǎn)權(quán)的重要組成部分，由于社會的發(fā)展，知識產(chǎn)權(quán)的越來越受到重視，因此模型所占的比例也逐漸提升。我國，對于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)相對較差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不充足，因此很多時候在沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下經(jīng)常用計(jì)算的來的數(shù)據(jù)代替，因而造成模型的準(zhǔn)確性下降，效果比較差。

其次是軟件基礎(chǔ)方面：國外的軟件都是比較成型的系統(tǒng)軟件，模型的建立需要提高效率，最近幾年面向方塊圖的模型建立軟件以及面向傳遞函數(shù)的模型建立軟件。可以快速的建立一般系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真。國內(nèi)基本沒有能力開發(fā)此類軟件。大多數(shù)人只會使用部分軟件。

最后國外通過技術(shù)創(chuàng)新建立大量的模型作為產(chǎn)品，逐步成為虛擬產(chǎn)業(yè)，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。國內(nèi)目前總是處于跟蹤狀態(tài)，沒有將“制造”模型作為新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)來支持。

3 三維動畫及仿真技術(shù)在飛機(jī)的研制生產(chǎn)及訓(xùn)練試飛中的應(yīng)用

仿真技術(shù)主要可以用于：使用培訓(xùn)過程，如各類操作模擬器、飛行模擬器、軟件使用培訓(xùn)教材；使用管理過程，如使用操作設(shè)備中的軟件、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、航行調(diào)度系統(tǒng)軟件等；使用維修過程，如遠(yuǎn)程維修，離線故障仿真，使用壽命延長與管理；服務(wù)過程，為下級用戶提供各類虛擬服務(wù)。

3.1 在某型飛機(jī)研制中的利用

目前在所有的飛機(jī)研究中，都有工作方真實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持。包括武器、綜合導(dǎo)航顯視系統(tǒng)、radar、航電、飛機(jī)操控系統(tǒng)、飛機(jī)動力。與方真理論研究不同的地方是，系統(tǒng)特性分析過程；操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制性分析與建模。巨系統(tǒng)組成接口分辨過程；在系統(tǒng)分辨過程中產(chǎn)生各種模擬信息。加工工藝過程研究；加工方真與研究、裝配方真與研究。研究制造認(rèn)證；虛構(gòu)制造過程控制與認(rèn)證、技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證、研究效果驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)輔助研究在產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)管理方面有效的提高了效率。虛擬樣機(jī)為研究人員與工廠的工程技術(shù)人員提供一個相互溝通的前期平臺，二者可以共同的對研究出的飛機(jī)進(jìn)行探討，研究人員可以在討論的工程中，可以聽取工程技術(shù)人員的合理化建議，發(fā)現(xiàn)研究中的漏洞并迅速的進(jìn)行改正，實(shí)現(xiàn)真正意義上的研究與生產(chǎn)的并行，縮短飛機(jī)的研制周期，從而不斷完善飛機(jī)的要求，研究出指標(biāo)更先進(jìn)的新一代飛機(jī)。這些方真系統(tǒng)有些是采用純電腦方真，更多的是采用分實(shí)物方真。而且方真采用的實(shí)物或電腦模型是可以根據(jù)要求進(jìn)行交換的。以往新機(jī)型的研究，工作人員都是在圖上手工進(jìn)行研制，研制靈活性小，既不直觀，又費(fèi)時費(fèi)力，工作效率極低。工作人員采用電腦系統(tǒng)輔助研究與開發(fā)各系統(tǒng)與分系統(tǒng)，比較無計(jì)算機(jī)輔助研究，工作效率可以提高數(shù)倍以上。對于研究過程的系統(tǒng)特性分析過程，在系統(tǒng)沒有制造出來之前，就希望對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、操縱性進(jìn)行分析。以便得到更優(yōu)良的研究，否則需要大量的替代研究與返工。計(jì)算機(jī)方真技術(shù)正在用于各類制造過程；電子線路CAD、機(jī)械CAD，可靠性、維修性、保障性建模與分析。生產(chǎn)制造階段，在生產(chǎn)人員的技術(shù)培訓(xùn)過程；生產(chǎn)過程的管理；裝配、部件檢驗(yàn)過程；模擬標(biāo)準(zhǔn)樣件；軟件部件生產(chǎn)過程能夠利用計(jì)算機(jī)方真技術(shù)提供高的制造效率，改進(jìn)制造工藝。制造進(jìn)度的管理、制造過程的顯示、操作的界面。加工、成品檢驗(yàn)過程；如產(chǎn)生檢查需要的信息、檢查環(huán)境、顯示生產(chǎn)進(jìn)度。模擬標(biāo)準(zhǔn)樣件；對某些不易打開、解開的樣件進(jìn)行模擬。為了使客戶了解成品，采用模擬技術(shù)介紹和展示裝備是極其重要的，特別是展示。客戶還可以利用方真技術(shù)檢驗(yàn)裝備使用過程和使用成果，尤其是一些不宜實(shí)際操作演示的樣品。

3.2 在飛行訓(xùn)練中的應(yīng)用

由于費(fèi)用問題，節(jié)約成本提升訓(xùn)練效果考慮，我國訓(xùn)練模擬所用的設(shè)備也有很大程度的提升。絕大多數(shù)復(fù)雜的新裝備都有使用訓(xùn)練模擬設(shè)備。在軍隊(duì)和地方各航空學(xué)校都建立了飛行模擬訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，配有各類教練飛機(jī)的訓(xùn)練模擬器。

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【關(guān)鍵詞】城市仿真；應(yīng)用系統(tǒng)；城市規(guī)劃

一、引言

BillGates認(rèn)為：“在當(dāng)今世界，一座城市如果不跟蹤最新觀念，將技術(shù)運(yùn)用到極限，明天它就可能成為一座鬼城。”近年來，伴隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化潮流已是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，建立在城市信息化平臺上的虛擬銀行、虛擬商務(wù)、虛擬政府、虛擬學(xué)校、虛擬影劇院、虛擬旅游、虛擬醫(yī)院等已紛紛出現(xiàn)。由于城市的各個子系統(tǒng)都可以在計(jì)算機(jī)中直觀地發(fā)映出來,從而可以很方便地對城市的物流、人流、信息流進(jìn)行集中而有效的控制和管理。所以，如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代城市本身的數(shù)字化，是城市管理者、規(guī)劃部門、企業(yè)、城市居民所共同關(guān)心的問題，而城市仿真技術(shù)作為數(shù)字城市的支撐技術(shù)之一，也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

二、城市仿真技術(shù)簡介

2.1什么是城市仿真

城市仿真(UrbanSimulation)對大多數(shù)人來說，還是一個比較陌生的概念。簡單來說，“城市仿真”就是將“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。近幾年，城市仿真在國內(nèi)外已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，其前所未有的人機(jī)交互性、真實(shí)建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性，都是傳統(tǒng)方式所無法比擬的。

2.2與傳統(tǒng)方法的比較

傳統(tǒng)的規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)方法基本包括以下4種：人工手繪、建筑微縮模型、建筑效果圖和三維動畫。其中，人工手繪（或非真實(shí)渲染-NPR）只是偶爾作為點(diǎn)綴用在早期的概念設(shè)計(jì)中。建筑效果圖、三維動畫、建筑微縮模型是目前廣泛采用的三種方式。由于其市場的成熟，單做其中某一個或幾個方面即可支撐一個中型公司(100人以下)的發(fā)展。

這三種方法雖然流行，但它們各自的不足還是很明顯的。制作建筑微縮模型需要經(jīng)過大比例尺縮小，因此只能獲得建筑的鳥瞰形象，無法以正常人的視角來感受建筑空間，無法獲得在未來建筑中人的真正感受；常用的效果圖表現(xiàn)也只能提供靜態(tài)局部的視覺體驗(yàn)；三維動畫雖然有較強(qiáng)的動態(tài)三維表現(xiàn)力，但不具備實(shí)時的交互性，人是被動的，而且對方案的修改以及觀察路線的變化需要重新計(jì)算，幾天甚至幾周后才能看到結(jié)果。

而在城市仿真應(yīng)用中，人們能夠在一個虛擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對未來的建筑或城區(qū)進(jìn)行身臨其境的全方位的審視：可以從任意角度、距離和精細(xì)程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種運(yùn)動模式，如：行走、駕駛、飛翔等，并可以自由控制瀏覽的路線。而且，在漫游過程中，還可以實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)方案、多種環(huán)境效果的實(shí)時切換比較。這是傳統(tǒng)的建筑效果圖和預(yù)渲染回放的三維動畫所無法達(dá)到的。

2.3城市仿真技術(shù)的重點(diǎn)

1、在一定軟硬件的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)建盡可能真實(shí)的場景

在城市仿真中，場景的真實(shí)感是最為關(guān)鍵的一個因素。而如前面已提到過的，由于實(shí)時三維渲染的要求及硬件顯示能力的限制，場景的復(fù)雜程度不能太高。同時，由于實(shí)時仿真技術(shù)的限制，一些比較費(fèi)時的渲染選項(xiàng)，如動態(tài)陰影、Bumpmap等實(shí)現(xiàn)起來還有一定困難。這些都會直接影響場景的真實(shí)感。

在硬件渲染能力的限制下，為創(chuàng)建盡可能真實(shí)的場景，一方面需要發(fā)掘各種軟件的功能，進(jìn)行優(yōu)化組合；另一方面，要發(fā)展更為高級的算法，如程序幾何（ProceduralGeometry）和分形算法（FractalMathematics）。

但“發(fā)展算法”不是一件簡單的事，非個人所能為，只能是由某家公司開發(fā)出相應(yīng)的軟件，我們再來應(yīng)用。所以，從一般的制作者而言，要創(chuàng)建真實(shí)場景還是在于充分利用各種已存在的軟件工具。從實(shí)際的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，主要有以下幾種軟件：

l實(shí)時三維模型創(chuàng)建軟件：MultigenCreator；

l紋理處理軟件：Photoshop

l實(shí)時場景管理/驅(qū)動軟件：Vega

l輔助軟件：

建模方面可以用3DsMax/Maya輔助，Maya有免費(fèi)的flt文件(MultigenCreator格式文件)輸入/輸出插件,3DsMax則要通過OkinoPolytrans軟件來進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；

在三維紋理貼圖方面，可用DeepPaint3D和DeepUV輔助；

在燈光效果貼圖方面，可用Lightscape；

AutoCAD用于接收用戶原始DWG文件，預(yù)覽并輸出DXF。

在項(xiàng)目之初，就要詳細(xì)規(guī)劃、分配任務(wù)，根據(jù)任務(wù)思考如何充分利用上述各種軟件達(dá)到最終效果。除了從這幾個方面著手以外，我們所能期待的就只能是計(jì)算機(jī)硬件顯卡能力的迅速提高了。

2、在三維漫游的基礎(chǔ)之上，開拓新功能

不滿足于僅僅簡單的三維場景漫游，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行人機(jī)互動效果的開發(fā)，并和用戶應(yīng)用緊密結(jié)合，如在Vega/VC下開發(fā)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)擊查詢、三維/二維結(jié)合、多媒體結(jié)合、3DGIS(地理信息系統(tǒng))等。

三、城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)與城市規(guī)劃

由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一。從總體規(guī)劃到城市設(shè)計(jì)，在規(guī)劃的各個階段，通過對現(xiàn)狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實(shí)時景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），為改善人居生活環(huán)境，以及形成各具特色的城市風(fēng)格提供了強(qiáng)有力的支持。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)者、城市建設(shè)管理者以及公眾，在城市規(guī)劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規(guī)劃最終成功的前提。城市仿真技術(shù)為這種合作提供了理想的橋梁，運(yùn)用城市仿真技術(shù)建立的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)能夠使政府規(guī)劃部門、項(xiàng)目開發(fā)商、工程人員及公眾在一個統(tǒng)一的平臺上，可從任意角度，實(shí)時互動真實(shí)地看到規(guī)劃效果，更好地掌握城市的形態(tài)和理解規(guī)劃師的設(shè)計(jì)意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規(guī)劃更有機(jī)的組成部分，公眾的參與也能真正得以實(shí)現(xiàn)。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達(dá)到的。

3.1城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案評估、領(lǐng)導(dǎo)決策、規(guī)劃審批、市民公示、宣傳展示及招商等各方面。

3.2城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)

l仿真的虛擬環(huán)境:

類似于時下流行的三維動畫，同樣是通過強(qiáng)大的三維建模技術(shù)建立逼真的三維場景，對規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行真實(shí)的“再現(xiàn)”。但是城市仿真技術(shù)建立的虛擬環(huán)境是由基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴(yán)格遵循工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)；而傳統(tǒng)動畫的三維場景則是由動畫制作人員根據(jù)資料或想象繪制而成，與真實(shí)的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，嚴(yán)格意義上來說屬于一種演示作品。

l多方式、運(yùn)動中感受城市空間：

在城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)中，可以全方位,多種樣式（步行、驅(qū)車、飛行、UFO等）,完全由用戶自由控制在場景中漫游。城市仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的三維動畫最根本的區(qū)別就是：傳統(tǒng)動畫的觀察路徑都是預(yù)先設(shè)定好的，用戶只能按照事先設(shè)定的路徑瀏覽場景；而城市仿真技術(shù)可以由用戶在三維場景中任意漫游，人機(jī)交互，甚至還可以使用專用的頭盔把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身臨其境的錯覺。這樣一來，很多不易察覺的設(shè)計(jì)缺陷能夠輕易地被發(fā)現(xiàn)，減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項(xiàng)目的評估質(zhì)量。

l實(shí)時多方案比較：

運(yùn)用城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意的進(jìn)行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質(zhì)、顏色，改變綠化密度，……所看即所得，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)即可，而不需要象傳統(tǒng)三維動畫那樣，每做一次修改都需要對場景進(jìn)行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖通過城市仿真技術(shù)實(shí)時的反映出來，用戶可以做出很全面的對比，并且城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可以很快捷、方便的隨著方案的變化而作出調(diào)整，輔助用戶作出決定。從而大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量，提高了方案設(shè)計(jì)和修正的效率，也節(jié)省了大量的資金。

l三維空間信息交流：

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強(qiáng)烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以通過其數(shù)據(jù)接口與GIS信息相結(jié)合，從而可以在實(shí)時的虛擬環(huán)境中隨時獲取項(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)、報(bào)批、管理等需要。此外，城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)還可以與網(wǎng)絡(luò)信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對三維空間數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程操作。

3.3城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的功用

一套完善的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)能夠很好的展示城市規(guī)劃、宣傳城市建設(shè)、提升城市形象。系統(tǒng)根據(jù)城市的當(dāng)前狀況和對城市的未來規(guī)劃，將城市的過去、現(xiàn)在和將來任意時間的情況展示在規(guī)劃設(shè)計(jì)者、政府決策者、投資開發(fā)者和普通市民面前。系統(tǒng)首先根據(jù)城市的當(dāng)前狀況和對城市的規(guī)劃資料完成城市的設(shè)計(jì)，然后該系統(tǒng)的交互控制軟件可以幫助使用者從不同角度遍歷城市的各個部分，幫助有關(guān)人員作出決策。

提高項(xiàng)目管理能力和效率

規(guī)劃部門使用城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，可以使方案評估更為準(zhǔn)確、公正和快捷。另外，如果系統(tǒng)中需要增加新的項(xiàng)目，或其中的項(xiàng)目遇到方案修改，可以隨時導(dǎo)入或更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，并且可供日后存檔，極大地方便了政府規(guī)劃管理部門的管理工作，提高了效率，節(jié)省了成本。

提高公眾參與度和部門協(xié)同作業(yè)

由于城市仿真技術(shù)打破了專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間的溝通障礙，使得各部門能夠在統(tǒng)一的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)平臺下進(jìn)行交流，能更好的理解設(shè)計(jì)方的思路和各方的意見，能更快的找到問題、達(dá)成共識和解決一些設(shè)計(jì)中存在的缺陷。

提高方案設(shè)計(jì)和修正的效率

通過城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，改變用地布局，改變建筑高度，改變綠化密度，改變外立面的顏色……所看即所得，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)就可以輕松實(shí)現(xiàn)，大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量。

提高展示和城市形象宣傳的效果

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的沉浸感和交互性不但能夠讓用戶獲得身臨其境的體驗(yàn)，同時還能隨時獲取項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。對于公眾關(guān)心的大型規(guī)劃項(xiàng)目，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)過程中，城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可以將現(xiàn)有的方案導(dǎo)出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項(xiàng)目中來。當(dāng)項(xiàng)目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進(jìn)一步提高項(xiàng)目的宣傳展示效果。

四、結(jié)語

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關(guān)鍵詞 三維技術(shù)分類應(yīng)用

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）15-0121-02

三維技術(shù)是21世紀(jì)興起的計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用三維通過在平面二維系中又加入了一個方向向量構(gòu)成的空間系三維技術(shù)，使圖片或影像看起來有立體感的圖像處理和制作的技術(shù)。它可以更好地在虛擬世界中詮釋真實(shí)世界中的類似光影、毛發(fā)、粒子等自然現(xiàn)象，從而達(dá)到更加逼真、真實(shí)的效果。通過三維技術(shù)，設(shè)計(jì)者要做的只是對模型、材質(zhì)貼圖、燈光處理等內(nèi)容進(jìn)行精細(xì)化處理，之后想要的三維效果就會自動的由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出來（稱之為“渲染”），從而使圖像制作過程更加迅速，且效果更好。

三維技術(shù)作為信息時代的高科技產(chǎn)物，和許多其他高新技術(shù)一樣，最初都是源自于軍事應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)日趨先進(jìn)和完善，以及個人電腦的普及，從20世紀(jì)80年代開始，三維技術(shù)得以走進(jìn)尋常百姓家，進(jìn)入21世紀(jì)至今，電影電視業(yè)、動漫產(chǎn)業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)業(yè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)業(yè)、建筑業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、廣告業(yè)等無不被三維技術(shù)包圍，生活中隨處可見應(yīng)用到了三維技術(shù)的產(chǎn)品。三維動畫、三維特效、3D廣告等產(chǎn)品更是蜂擁而起，迅速的占領(lǐng)了市場。由于三維技術(shù)所特有的先進(jìn)性、便捷性，目前三維技術(shù)已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，所以我們所處的時代已經(jīng)離不開三維技術(shù)了。

1 三維技術(shù)的分類

目前根據(jù)三維技術(shù)的應(yīng)用范圍和方向，其類別大致分為三類：三維仿真技術(shù)、三維全景技術(shù)和三維立體技術(shù)。

1.1 三維仿真技術(shù)

三維仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的一個逼真的，具有視、聽、觸、味等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可以通過其自然技能使用各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用的一種技術(shù)。三維仿真技術(shù)因?yàn)楸普娴呐R場環(huán)境，主要應(yīng)用在飛行培訓(xùn)、城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)制造等方面，能節(jié)省很多開銷，達(dá)到更高的效率。

目前在行業(yè)中三維仿真有很多的名稱比如虛擬仿真、工程仿真、立體仿真等等，具體的就是根據(jù)這個技術(shù)的應(yīng)用而有不同的名字，并且還有很多項(xiàng)目和三維仿真的技術(shù)是相似的。三維仿真可以讓我們體驗(yàn)到很多在其他技術(shù)中體驗(yàn)不到的感覺。

1.2 三維全景技術(shù)

三維全景技術(shù)是目前迅速發(fā)展并逐步流行的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分支，可以廣泛的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)三維業(yè)務(wù)方面，也適用于網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)領(lǐng)域。它是利用實(shí)景照片建立虛擬環(huán)境，按照實(shí)景拍攝數(shù)字化保存圖像合成生成場景的模式來完成虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建，全景也稱為全景攝影或虛擬實(shí)景，是基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

三維全景技術(shù)具有以下幾個特點(diǎn)。

1）必須要實(shí)地拍攝，照片要是真實(shí)場景的三維展現(xiàn)。

2）要有一定的交互性，用戶可以通過鼠標(biāo)或鍵盤選擇自己的視角，并且對場景能任意放大和縮小，可以如親臨現(xiàn)場般進(jìn)行環(huán)視、俯瞰和仰視等視角效果。

3）不需要單獨(dú)下載插件，只需一個小小的java程序做支持，自動下載后就可以在網(wǎng)上觀看，或者也可以使用類似quick time這樣的播放器直接觀看，利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1.3 三維立體技術(shù)

三維立體技術(shù)是利用先進(jìn)的數(shù)字圖像合成技術(shù)制作神奇的三維立體效果，只需選擇一些清晰的平面照片或底片將其掃描到電腦里，然后通過電腦直接利用專業(yè)的三維制圖軟件進(jìn)行配圖和數(shù)字處理，再用高精度彩噴機(jī)打印出來，最后用冷裱機(jī)裝裱即可。制作完成后，觀賞者從視覺上會感覺圖像的層次分明色彩鮮艷，具有很強(qiáng)的視覺沖擊力，給人留下深刻的印象，具有很高的藝術(shù)欣賞價(jià)值。

三維立體技術(shù)的應(yīng)用范圍包括：1）攝影行業(yè)；2）廣告行業(yè)；3）旅游行業(yè)；4）印刷行業(yè)；5）展覽展示設(shè)計(jì)；6）酒店、賓館、公共場所、居家裝飾等裝飾設(shè)計(jì)；7）煙、酒類等高檔產(chǎn)品或禮品的包裝、防偽標(biāo)設(shè)計(jì)等。

2 三維技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

基于三維技術(shù)的分類和特點(diǎn)，目前三維技術(shù)在以下三個領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用是非常迅速且效果顯著的，它們是三維動畫、三維地圖和三維虛擬。

2.1 三維動畫

三維動畫又稱3D動畫，是近年來隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。三維動畫利用相應(yīng)的軟件在計(jì)算機(jī)中建立起了一個虛擬的世界，制作者可以在這個虛擬的世界中按照要表現(xiàn)的對象的形狀、尺寸建立模型以及場景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的軌跡的運(yùn)動、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動和其他動畫參數(shù)的運(yùn)動，最后按照要求為模型配上特定的材質(zhì)，加上合適的燈光效果。所有的設(shè)計(jì)完成后就可以讓計(jì)算機(jī)自動運(yùn)算，生成最終的畫面效果。三維動畫技術(shù)模擬真實(shí)物體的方式，以及其精確性、真實(shí)性和無限的可操作性，使其被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、娛樂等諸多領(lǐng)域，尤其是在制作廣告和電影電視劇的特效（如爆炸、煙霧、下雨、光效等）、特技（撞車、變形、虛幻場景或角色等）、產(chǎn)品展示、片頭效果等方面，更是受到了眾多商家和客戶的歡迎。

目前在三維動畫制作領(lǐng)域主要有以下的常用制作軟件有：SoftImage、Lightwave 3D、Renderman、Maya、3DS MAX、Poser。其中Maya和3DS MAX兩個軟件是應(yīng)用最廣的，受到很多三維動畫設(shè)計(jì)者的喜愛。從功能上看，Maya比較適合三維人物的設(shè)計(jì)，面3DS MAX在場景和建筑制作方面更有優(yōu)勢。

2.2 三維地圖

三維地圖，就是以三維電子地圖數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，按照一定比例對現(xiàn)實(shí)世界或其中一部分的一個或多個方面的三維、抽象的描述，其形象性、功能性遠(yuǎn)強(qiáng)于二維電子地圖，再結(jié)合發(fā)展迅速的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和豐富的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源，就形成了簡單易用的三維地圖。它不僅通過直觀的地理實(shí)景模擬表現(xiàn)方式，為用戶提供地圖查詢、出行導(dǎo)航等地圖檢索功能，同時還集成了生活資訊、電子政務(wù)、電子商務(wù)、虛擬社區(qū)、出行導(dǎo)航等一系列服務(wù)。

三維地圖還可以為政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、商家企業(yè)提供宣傳互動的快速通道，并以全新的人性化界面表現(xiàn)，為人們的日常生活、網(wǎng)上辦事和網(wǎng)絡(luò)娛樂等活動提供便捷的解決方案，從而生動真實(shí)地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上數(shù)字城市，讓人們真正感受到自己生活在一個信息化的時代里。可以說，三維地圖成為了互聯(lián)網(wǎng)時代業(yè)務(wù)發(fā)展的新的亮點(diǎn)。

2.3 三維虛擬

三維虛擬將三維仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真模型的建立和實(shí)驗(yàn)的模擬，使仿真的過程和結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)圖象化、可視化，使仿真的系統(tǒng)具有了三維、實(shí)時交互、屬性提取等特征。目前比較成熟的三維虛擬的設(shè)計(jì)是利用沉浸式的三維顯示系統(tǒng)和裝有傳感器的手套，在伴有虛擬的聲音和感觸下，使受訓(xùn)人員沉浸在一種非常逼真的專為訓(xùn)練而設(shè)置的環(huán)境中，可滿足多種科目訓(xùn)練的需要；還有頭盔顯示器可以將演練者大腦與計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬世界連通的輸入/輸出裝置，主要有雙目顯示器和跟蹤系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)手套作為連接演練者雙手和大腦與計(jì)算機(jī)創(chuàng)造虛擬世界的輸入/輸出裝置，具有6個自由度的位置傳感器。這是一種使演練者不是被動地觀察人工環(huán)境，而是與之交互作用的高級計(jì)算機(jī)模擬。

三維虛擬的應(yīng)用范圍很廣，包括：建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、地產(chǎn)演示、場館展示、安全管控、緊急疏散、場景救援、CG行業(yè)、互動廣告、三維產(chǎn)品展示、工業(yè)仿真、工控仿真、設(shè)備管理、虛擬裝配、文物保護(hù)、古跡復(fù)原、場景模擬、交通行業(yè)、道路橋梁規(guī)劃設(shè)計(jì)、城市交通仿真、鐵道系統(tǒng)仿真、軍事領(lǐng)域、電子沙盤，虛擬戰(zhàn)場、運(yùn)維操縱、教育教學(xué)、立體教學(xué)、醫(yī)療手術(shù)。

3 結(jié)論

我相信未來的時代環(huán)境對三維技術(shù)的發(fā)展將越來越有利。當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入一個全新的三維數(shù)字時代，我們國家也已經(jīng)在各地都設(shè)立了數(shù)字基地、數(shù)字城市。中國完全有可能形成一個有中國特色的、擁有大客戶的三維技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的龐大市場。在未來的一段時間內(nèi)，在三維技術(shù)上將形成自己的優(yōu)勢，并具備相當(dāng)強(qiáng)的國際競爭力。

基金項(xiàng)目

武漢市屬高校數(shù)字城市專業(yè)重點(diǎn)實(shí)訓(xùn)基地資助項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

[1]盧正剛.三維技術(shù)在中國的應(yīng)用探索[N].中國文化報(bào)，2006-1-27.

篇6

關(guān)鍵詞：可視化仿真GIS地下洞室群施工導(dǎo)截流大壩施工總布置

一、研究背景

水利水電工程往往規(guī)模大、投資多、施工難度大，因而在工程設(shè)計(jì)和管理過程中，確定合理的施工方法，優(yōu)化選擇施工機(jī)械及配套組合，制訂切合實(shí)際的施工進(jìn)度計(jì)劃，高效簡便地對施工信息進(jìn)行管理，直觀形象地反映復(fù)雜施工過程，對于確保工程建設(shè)如期完成和降低工程造價(jià)都是至關(guān)重要的。為達(dá)到上述目的，除了在施工組織設(shè)計(jì)中要充分考慮工程特點(diǎn)和具體施工各種條件外，若能在事先對工程施工的運(yùn)行發(fā)展過程和施工中各項(xiàng)活動的協(xié)調(diào)關(guān)系等狀況進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)，將對工程施工組織計(jì)劃的正確決策提供可靠的依據(jù)。可視化仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展正好適應(yīng)了這種客觀需要，它為解決施工中上述問題開辟了新的途徑。

國外從20世紀(jì)70年代開始提出循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)（CYCLONE），至今已發(fā)展了一系列的工程仿真應(yīng)用軟件，但這些研究成果及仿真軟件主要應(yīng)用于土木工程施工如高層建筑施工、土石方工程等。20世紀(jì)80年代初，天津大學(xué)率先在全國開展水利水電工程施工過程仿真方法研究，在近20年的發(fā)展中取得了大量開拓性的成果和社會效益。近年來，又在推動水利水電工程設(shè)計(jì)和管理向可視化、數(shù)字化方向發(fā)展方面做了大量研究工作。借助于計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和工程科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展，重點(diǎn)研究了三維動態(tài)可視化仿真理論與方法及其在水利水電工程中的應(yīng)用，獲得了一系列富有創(chuàng)新性的理論方法與應(yīng)用研究成果。

在開展可視化仿真及其在水利水電工程中的應(yīng)用研究工作中，存在以下三個關(guān)鍵技術(shù)問題：

1．可視化技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù)結(jié)合的途徑

建立基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)框架，將可視化技術(shù)與系統(tǒng)仿真的各個環(huán)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)仿真建模可視化、仿真計(jì)算可視化、仿真結(jié)果可視化。

2．可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用問題

根據(jù)水利水電工程的特點(diǎn)和實(shí)際需要，將可視化仿真技術(shù)與具體的工程問題相結(jié)合，提出可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中應(yīng)用的具體途徑。

3．可視化仿真軟件的通用化問題

水利水電工程施工系統(tǒng)仿真軟件的通用化不僅是關(guān)鍵技術(shù)問題之一，而且是推廣應(yīng)用的前提。

二、基于GIS的三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)

1．可視化仿真涵義

可視化仿真（VisualSimulationVS）是計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)和系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合后形成的一種新型仿真技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是采用圖形或圖像方式對仿真計(jì)算過程的跟蹤、駕馭和結(jié)果的后處理，同時實(shí)現(xiàn)仿真軟件界面的可視化，具有迅速、高效、直觀、形象的建模特點(diǎn)。使用可視化技術(shù)以后，系統(tǒng)的子模塊用形象的圖形來表示，并可通過鼠標(biāo)在屏幕上直觀形象的操作，就可以完成整個仿真任務(wù)。一般可視化仿真包含三個重要的環(huán)節(jié)，即仿真計(jì)算過程可視化、仿真結(jié)果可視化、仿真建模過程的可視化。

2．全過程動態(tài)仿真理論與方法

全過程動態(tài)仿真理論融合了面向?qū)ο蟮膱D形輔助建模、動態(tài)仿真、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析與優(yōu)化、動態(tài)演示、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，把整個施工過程作為一個整體，對施工全過程進(jìn)行跟蹤模擬。

全過程動態(tài)仿真理論的特點(diǎn)就是體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的思想。它是針對整個水利水電工程施工系統(tǒng)進(jìn)行的，所有的優(yōu)化及調(diào)配目標(biāo)是使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，而不是局部達(dá)到最優(yōu)。它把整個施工過程作為一個大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)中各個單項(xiàng)工程之間、各個工作面之間相互影響、相互制約的關(guān)系，分析整體的施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度等關(guān)鍵問題，獲得更為真實(shí)的施工情況，從而達(dá)到為施工組織設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)的目的。仿真流程圖見圖1。

3．面向?qū)ο蟮膱D形輔助仿真建模技術(shù)

仿真是一種基于模型的活動，建模是仿真過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)。如何能夠?qū)崿F(xiàn)簡化而又靈活的建模過程是仿真研究的重要課題。

面向?qū)ο蠓椒ǖ膽?yīng)用使建模過程變得自然直觀，用戶可以把被仿真系統(tǒng)的各種活動都看成對象，并根據(jù)這些對象的類屬關(guān)系和本身特性直接構(gòu)造仿真模型。這種建模過程十分類似于人類所習(xí)慣的對客觀世界中事件分類的思維過程，所以使仿真用戶感到由物理模型到計(jì)算機(jī)模型的過渡非常自然。面向?qū)ο蠓椒ǖ睦^承性，使仿真系統(tǒng)十分容易擴(kuò)充。同時，利用對象類層次結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以達(dá)到最高的代碼重用率。

在系統(tǒng)仿真中應(yīng)用圖形技術(shù)，能夠描述許多用語言難以表達(dá)的信息，圖形輔助建模就是利用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制系統(tǒng)模型或用模型庫中已有的系統(tǒng)元件拼合系統(tǒng)模型。

面向?qū)ο蟮膱D形輔助建模的基礎(chǔ)是系統(tǒng)的可分性，即認(rèn)為系統(tǒng)是由子系統(tǒng)組成的，而子系統(tǒng)又可分解成更原始的子系統(tǒng)。由于這種性質(zhì)的存在，構(gòu)造模型的方式是通過連接組成系統(tǒng)模型的成分模型（子模型）來建造總體模型。對于一個復(fù)雜的施工系統(tǒng)而言，按施工系統(tǒng)的層次性，可將其分解為相對簡單和獨(dú)立的子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系和影響可在子系統(tǒng)模型間設(shè)置相應(yīng)耦合接口而加以協(xié)調(diào)，這樣可將各個子模型拼接起來而構(gòu)成整體系統(tǒng)模型。施工系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律通過施工系統(tǒng)模型中各實(shí)體的屬性與狀態(tài)的變化來反映和體現(xiàn)。根據(jù)上述，便形成了面向?qū)ο蟮膱D形輔助仿真建模思想。

4．基于GIS的較全面的仿真三維動態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法

（1）數(shù)字地形模型建立

地表數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModelDTM）是整個工程施工三維數(shù)字模型的重要組成部分，這里既是所有工程建筑物布置及施工活動的場所，也是施工過程中地形動態(tài)填挖的受體。水利水電工程一般均建在地形起伏較大的高原和山區(qū)，因此施工區(qū)地表DTM采用TIN模型來實(shí)現(xiàn)。建立工程地表DTM由地形等高線原始數(shù)據(jù)按一定的算法生成TIN模型。

（2）動態(tài)實(shí)體參數(shù)化數(shù)字建模

按照實(shí)體對象的屬性，可將其分別用點(diǎn)、線、面、體等四類圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。動態(tài)實(shí)體的數(shù)字模型尚需反映其屬性信息，幾何圖形與其屬性的一一對應(yīng)關(guān)系建立可利用GIS的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時為反映工程施工的動態(tài)過程，在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中除了描述幾何特征及屬性外，還體現(xiàn)時間特征。

實(shí)體建模若采用參數(shù)化建模方法，可大大簡化建模過程。參數(shù)化實(shí)體建模是一種通過相關(guān)幾何關(guān)系組合一系列用參數(shù)控制的特征部件而構(gòu)造整個幾何結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。整個建模過程可描述成一組特征部件的組裝過程，而每個部件都由一些關(guān)鍵的參數(shù)來定義。

（3）地形動態(tài)填挖

地形填挖表現(xiàn)為DTM模型的修改，實(shí)質(zhì)上是對地形TIN模型進(jìn)行操作。即用足夠大的開挖（填筑）初始形體面轉(zhuǎn)化的TIN模型，與地形TIN兩者生成相交邊界，再從地形TIN上沿相交線切去填挖初始形體面所包含的地形區(qū)域，同時從填挖形體TIN模型中以相交線為邊界切去多余的開挖（填筑）邊坡區(qū)域，最后把兩個修正后的TIN合并構(gòu)成一個經(jīng)填挖后的地形DTM。在填挖計(jì)算過程中可同時得到填挖區(qū)域表面積與填挖體的工程量。

5．基于GIS的三維動態(tài)演示方法

基于GIS的三維動態(tài)演示是對任意時刻系統(tǒng)仿真面貌的再現(xiàn)，它反映了仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)場的動態(tài)變化過程。利用仿真模塊得到工程系統(tǒng)的動態(tài)信息，包括時間、建筑物幾何形狀及其屬性等，生成工程施工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)某一動態(tài)變化單元i對應(yīng)的圖元（施工、水位單元等）任意時刻t的面貌Vi（t），則t時刻的工程整體面貌可表示為V（t）＝Σvi（t），n為總的圖元數(shù)。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在動態(tài)施工過程中，包含時間信息的圖元的幾何形狀，它隨時間的變化而變化。把工程施工任意時刻的整體面貌貯存在圖形庫中，并與其一一對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體數(shù)據(jù)及相對應(yīng)的屬性信息，不斷更新繪圖變量和屬性變量賦值，同時不斷刷新屏幕顯示。這樣就實(shí)現(xiàn)了整體工程施工過程的三維面貌及相應(yīng)信息的動態(tài)顯示。

6．基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GIS系統(tǒng)仿真的可視化表現(xiàn)在建模過程中利用GIS的信息可視化采集，以及在仿真可視化操作過程中利用GIS的動態(tài)信息可視化表達(dá)。由于GIS特有的空間信息組織機(jī)制，使得其實(shí)現(xiàn)這些功能有著先天的優(yōu)勢。同時，在可視化仿真系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)顯示的圖像交互控制仿真的各個階段，直到對所模擬的現(xiàn)象獲得理解與洞察。在這一過程中，用戶可以通過系統(tǒng)提供的操作界面隨著可視化仿真系統(tǒng)反饋的結(jié)果來同步保持交互對仿真過程的控制。

圖2表示的是一個基于GIS的系統(tǒng)交互式可視化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系統(tǒng)仿真中結(jié)合的具體環(huán)節(jié)，以及用戶控制仿真進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)手段。

三、可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用研究

1．復(fù)雜地下洞室群施工動態(tài)可視化仿真與優(yōu)化方法研究

地下廠房系統(tǒng)施工開挖量大，施工強(qiáng)度高，施工條件復(fù)雜，是一個極其復(fù)雜的過程。由于工序的作業(yè)時間的隨機(jī)性，容易產(chǎn)生隨機(jī)排隊(duì)現(xiàn)象而影響其他作業(yè)；由于地下洞室系統(tǒng)縱橫交錯，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合與相互干擾錯綜復(fù)雜；在安排各個洞室施工先后順序及隧洞施工順序時，需要考慮對工程的總工期、圍巖穩(wěn)定、通風(fēng)散煙條件、施工強(qiáng)度以及交通運(yùn)輸?shù)葐栴}的影響。各個洞室施工在時間、空間上的邏輯關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)橫道圖難以直觀地揭示其復(fù)雜的時空關(guān)系。因而僅靠設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)的方法分析計(jì)算，難以確定合理的施工機(jī)械設(shè)備配套方案、制定合理的施工進(jìn)度計(jì)劃和施工組織設(shè)計(jì)方案，難以全面、快速、準(zhǔn)確地掌握施工全過程。

基于上述問題，提出了復(fù)雜地下廠房施工系統(tǒng)可視化仿真理論方法，并研制開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件ESAS，其基本構(gòu)成見圖3。通過地下洞室群施工全過程動態(tài)仿真，可以對施工過程進(jìn)行定量計(jì)算與分析，進(jìn)行多方案的比較和優(yōu)化，直到得出滿意方案。

2．水利水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真方法研究

水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)和管理過程，往往需要涉及大量的數(shù)據(jù)及圖形信息，如壩區(qū)的水文、地形、地質(zhì)資料以及樞紐設(shè)計(jì)、施工場地布置和施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)等各種數(shù)據(jù)及圖紙。高效、簡便地對這些信息進(jìn)行管理，是提高設(shè)計(jì)效率及施工管理水平的關(guān)鍵之一。同時，施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)是施工組織設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，對不同的導(dǎo)流方案很難進(jìn)行直觀的比較，所以實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)流形象直觀的表達(dá)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，提出水利水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真理論與方法，并實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)截流可視化信息管理與三維動態(tài)演示系統(tǒng)CDMIS。此系統(tǒng)充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析與處理能力，建立三維施工導(dǎo)截流場地布置模型，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可視化的信息查詢及管理等功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中信息的可視化管理，同時實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)截流三維動態(tài)演示。水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)（CDMIS）結(jié)構(gòu)圖見圖4。

3．混凝土壩施工過程三維動態(tài)可視化仿真與優(yōu)化方法研究

混凝土壩施工，考慮到溫度、應(yīng)力、澆筑機(jī)械設(shè)備布置和澆筑能力等因素的影響，需將混凝土壩體按一定的原則進(jìn)行分縫分塊澆筑。由于混凝土壩澆筑量大，澆筑塊數(shù)以千、萬計(jì)，澆筑塊之間的施工約束條件十分復(fù)雜，這就給安排澆筑順序和進(jìn)度帶來極大閑難，使人工安排澆筑塊、澆筑順序幾乎成為不可能。目前在制定混凝土壩施工組織計(jì)劃時，傳統(tǒng)的方法是憑經(jīng)驗(yàn)用類比的方法按月升高若干澆筑層和混凝土澆筑強(qiáng)度等指標(biāo)來控制施工計(jì)劃的進(jìn)程。這種方法由于缺乏系統(tǒng)的定量計(jì)算分析，在論證施工各階段的筑壩進(jìn)度以及各混凝土壩段升高過程是否能滿足大壩施工各方面的要求時總感到論據(jù)不足。

隨著計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是系統(tǒng)仿真技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行中的推廣應(yīng)用，使得有可能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對混凝上壩施工的動態(tài)過程的仿真實(shí)驗(yàn)。事先擬定不同的混凝土壩施工方案，并對施工動態(tài)過程進(jìn)行仿真，可預(yù)測不同施工方案下混凝土施工進(jìn)程的各項(xiàng)定量指標(biāo)，這對制定合理的混凝土壩施工進(jìn)度計(jì)劃將提供科學(xué)可靠的決策依據(jù)。在充分考慮各種澆筑施工影響因素的情況下，建立混凝土壩施工系統(tǒng)的數(shù)學(xué)邏輯模型，并在此模型基礎(chǔ)上編制計(jì)算機(jī)仿真軟件。通過選取各種可能的機(jī)械配套方案及輸入不同的施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行大壩施工過程的仿真計(jì)算，可得到最優(yōu)機(jī)械配套的數(shù)量、機(jī)械的利用率、混凝土月澆筑強(qiáng)度、逐月累計(jì)混凝土澆筑方量過程曲線。同時還可得到相應(yīng)某施工方案下大壩澆筑施工的詳細(xì)進(jìn)度計(jì)劃、各控制階段的筑壩進(jìn)程面貌等。而且通過混凝土壩澆筑仿真還可對其不同的澆筑規(guī)則對壩體上升進(jìn)程的影響進(jìn)行分析和研究。

同時，利用基于GIS的三維動態(tài)演示系統(tǒng)來表現(xiàn)復(fù)雜混凝土壩施工過程。通過建立坐標(biāo)系，把現(xiàn)實(shí)世界的事物在計(jì)算機(jī)中對應(yīng)位置重現(xiàn)出來，建立實(shí)體的數(shù)字模型，并按照一定方式將實(shí)體與其屬性一一對應(yīng)，從而反映實(shí)體的靜態(tài)空間特征。同時利用過程信息，生成三維動畫，為描述復(fù)雜的施工過程提供可視化手段。

4．水利水電工程施工總布置三維動態(tài)可視化仿真方法研究

水利水電工程施工總布置是對工程施工場地在施工期間進(jìn)行的空間規(guī)劃。由于水利水電工程施工場地布置幾乎包括了一切地上、地下已有的、擬建的建筑物，一切為施工服務(wù)的臨時性建筑物（包括砂石加工系統(tǒng)、混凝土系統(tǒng)等），因此布置過程非常復(fù)雜。

對樞紐主要建筑物施工全過程進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各建筑物施工關(guān)系之間的協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)直觀的施工總布置形象全過程三維動態(tài)仿真，使施工場地布置隨工程進(jìn)度計(jì)劃盡可能形象、直觀、迅速地演示現(xiàn)場施工場地變化過程。不僅能直觀顯示樞紐施工組織設(shè)計(jì)的成果，而且將極大地方便工程施工總布置決策及管理。水電站施工總布置可視化仿真系統(tǒng)（CLMIS）的總體結(jié)構(gòu)見圖5。

四、結(jié)束語

可視化仿真的理論和方法包括全過程動態(tài)仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法、基于GIS的三維動態(tài)演示方法及基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)了仿真建模、仿真計(jì)算過程及成果的可視化。

篇7

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)輔助制造;機(jī)械制造

1計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在我國的現(xiàn)狀

就目前來說，我國的計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在計(jì)算機(jī)軟件的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展是非常迅速的，現(xiàn)如今使用計(jì)算機(jī)的人群逐漸擴(kuò)大，為我國的計(jì)算機(jī)市場也開辟出了新途徑，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，可以進(jìn)行圖形的修改，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和提取，由此可見，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)具有能夠幫助人們完成極其繁重的工作的能力，使我國各行各業(yè)工作上的大部分困難都迎刃而解，使上班族工作起來更加的方便和輕松。

2計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)所能應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中的層面

2．1復(fù)雜幾何圖形符號的簡化

在機(jī)械制造中，常常會有大量復(fù)雜的幾何圖形的應(yīng)用，由于這些復(fù)雜的圖形處理起來非常的繁瑣，就會浪費(fèi)大量的工作人員的時間和精力，造成在人力資源和時間上極大的浪費(fèi)現(xiàn)象，但是，當(dāng)計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造當(dāng)中之后，就能夠通過計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)來對復(fù)雜的幾何圖形進(jìn)行一個處理和運(yùn)用，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在復(fù)雜圖形上的應(yīng)用大大節(jié)省了機(jī)械制造所用的時間，在最大程度上提升了機(jī)械制造的效率。

2．2對機(jī)械制造繪圖中的應(yīng)用

在機(jī)械制造中，繪圖也是常常運(yùn)用到的一項(xiàng)工作，比如零件設(shè)計(jì)的繪圖，或是對加工物件的繪圖等等，由此可見，在機(jī)械制造中，繪圖的比例還是占據(jù)很大一部分的，但是單單憑借人工的能力來進(jìn)行零件和加工物件的操作，既不能保證零件的精準(zhǔn)性，又大大浪費(fèi)了時間和精力，因此，在機(jī)械制造的繪圖項(xiàng)目中應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，能夠有效的提升機(jī)械制造的工作效率，同時，也能夠保證機(jī)械制造出的物件具有著足夠的精確度。

2．3計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在機(jī)械制造三維造型中的應(yīng)用

在機(jī)械制造的過程中，如果僅僅利用一個平面圖進(jìn)行設(shè)計(jì)加工是不足以達(dá)到客戶所要求的標(biāo)準(zhǔn)的，因此，工作人員需要一個立體的、三維的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或者模型更明確的來對其進(jìn)行加工，三維的結(jié)構(gòu)能夠讓工作人員操作起來更加的容易和方便，而三維造型的體現(xiàn)就需要計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用，由此可見，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)可以給機(jī)械制造帶來建立三維模型的功能，從而方便操作，節(jié)省時間。

2．4計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)是一項(xiàng)擁有著非常強(qiáng)大的功能的技術(shù)，里面包含著很多項(xiàng)最基本的技術(shù)，其中最重要的就是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，仿真技術(shù)不是單獨(dú)存在的，它是在其它技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用仿真技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)中的一個研究對象利用仿真技術(shù)建立出一個與之相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使研究人員能夠更全面的對一個對象進(jìn)行研究，這種數(shù)學(xué)模型也能夠讓工作人員對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時更加方便，為機(jī)械制造的質(zhì)量帶來更直觀、更有效的證據(jù)，從而提高機(jī)械制造的質(zhì)量。

3計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和機(jī)械制造之間的聯(lián)系以及互相影響的益處

3．1計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用有助于機(jī)械制造生產(chǎn)效率的提高

在我國將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)有效地應(yīng)用在機(jī)械制造的過程當(dāng)中之后，就能夠發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)可以幫助機(jī)械制造處理一系列復(fù)雜的圖形解析以及復(fù)雜的運(yùn)算解答，當(dāng)用人們的力量解決一些比較困難的圖形和運(yùn)算過程的時候，往往會耗費(fèi)大量的時間也未必最后能夠解答出來，因此，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用就為我們解決了這個棘手的問題，同時，提高了機(jī)械制造的生產(chǎn)效率，也大大的節(jié)省了人力和物力，為機(jī)械制造帶來光明的前景。

3．2計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用有助于提高機(jī)械制造的設(shè)計(jì)質(zhì)量

當(dāng)計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)完美的應(yīng)用在機(jī)械制造中，大家就可以發(fā)覺，之前的機(jī)械制造受很多因素的影響，例如，機(jī)械零件的質(zhì)量就嚴(yán)重的影響到了機(jī)械制造最終的質(zhì)量，因此，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)能夠給機(jī)械的零件帶來更大的發(fā)展空間，可以直接在舊零件上進(jìn)行對新零件的設(shè)計(jì)和改造，從而確保所用零件的靈活性，利用這個優(yōu)勢，可以在節(jié)省很大的時間和精力的前提下，改善更多的舊零件，達(dá)到使機(jī)械制造質(zhì)量提高的目的。

3．3計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用有助于提升機(jī)械制造的安全性能

讓計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)全面應(yīng)用到機(jī)械制造當(dāng)中，能夠給機(jī)械制造帶來一系列的直接影響，例如，可以使機(jī)械制造的技術(shù)水平和對機(jī)械制造的質(zhì)量水平有大大的提升等等，其實(shí)，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用絕不僅僅如此，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)還給機(jī)械制造帶來了極大的安全保障，讓機(jī)械制造的安全性能在最大程度上提升起來，由此可見，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和機(jī)械制造是密不可分的，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)給機(jī)械制造帶來深厚的影響。

4結(jié)語

就目前來說，我國的計(jì)算機(jī)的輔助制造已經(jīng)發(fā)展得相對來說比較完善，通過對計(jì)算機(jī)輔助制造長時間的研究和開發(fā)，機(jī)械制造水平也有了顯著的提高，提高了機(jī)械制造的質(zhì)量，使機(jī)械制造中的自動化制造方面有很大的提升，降低了機(jī)械制造所用的人工勞動的時間，降低了制造機(jī)械所用到的各種原料成本，由此可見，計(jì)算機(jī)的輔助制造給機(jī)械制造帶來了潛移默化的影響，因此，我國可以通過在計(jì)算機(jī)輔助制造方面的繼續(xù)改革和完善，從而讓機(jī)械制造的前景發(fā)展的越來越好。

作者:王麗麗 單位:南昌職業(yè)學(xué)院

參考文獻(xiàn):

［1］劉銳鋒．探討計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造的結(jié)合［J］．化工管理，2015(7):194～195．

［2］王利東．機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用分析［J］．科技展望，2015(18):7～14．

篇8

郵件處理中心主要完成各種郵件的進(jìn)口接收、分揀封發(fā)、郵件發(fā)運(yùn)等處理過程，是郵政實(shí)物傳遞中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。在整個郵政功能鏈條中占有重要的地位。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用于郵件處理中心工藝方案設(shè)計(jì)，以二維或三維方式模擬郵件處理中心內(nèi)部的運(yùn)行狀況，可以更加科學(xué)、直觀地分析設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可行性。

仿真技術(shù)在郵件處理中心設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郵件處理中心使用設(shè)備較多，工藝流程復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中尤其需要考慮設(shè)備性能、設(shè)備成本、庫存容量、各部分的拓?fù)潢P(guān)系。以及不同郵件種類的輕重緩急和作業(yè)調(diào)度等多方面因素。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是對郵件處理中心工藝流程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的一個有效手段。

1　在設(shè)備選擇中的應(yīng)用

郵件處理中心的傳輸、分揀設(shè)備通常比較昂貴，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以綜合考慮設(shè)備的數(shù)量、處理能力、使用壽命和業(yè)務(wù)量等因素，在設(shè)計(jì)方案中有效地降低投資成本。

在工藝流程設(shè)計(jì)中，各設(shè)備之間的匹配也是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，例如，供包機(jī)的供包速度和包件分揀機(jī)的處理速度如果不匹配，會造成供包機(jī)的堵塞或包件分揀機(jī)的空轉(zhuǎn)。利用計(jì)算機(jī)仿真，可以把郵件處理中心的各個設(shè)備置于一個整體之中，綜合考慮包括設(shè)備成本在內(nèi)的各種因素，尋求一個既能滿足要求又能有效降低建設(shè)成本的設(shè)備選擇方案。

2　在布局規(guī)劃中的應(yīng)用

郵件處理中心是實(shí)物流動與存儲的空間，空間布局是否合理也是影響整個系統(tǒng)的重要因素。不合理的布局會造成郵件運(yùn)行距離遠(yuǎn)、繞路多等情況。在布局規(guī)劃過程中，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠以三維動態(tài)模型的方式進(jìn)行空間布局的規(guī)劃，從而設(shè)計(jì)出合理的空間布局方案。需要注意的是，在計(jì)算機(jī)仿真過程中，孤立地考慮某一部分是沒有意義的。必須在整體中考察系統(tǒng)某一部分的性能指標(biāo)，并綜合各部分的性能指標(biāo)來考慮系統(tǒng)的整體性能。

3　在存儲容量方面的應(yīng)用

郵件處理中心既是郵件的中轉(zhuǎn)地，又是郵件的暫時存儲地，因此貨位存儲容量和位置規(guī)劃是設(shè)計(jì)方案的重要內(nèi)容。例如在郵件的存儲方面，存儲區(qū)規(guī)劃不合適會造成存儲區(qū)不足或空間的浪費(fèi)；在車位數(shù)量方面，如果車位過少會影響進(jìn)口郵件的卸載或出口郵件的裝載，從而影響整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以靈活設(shè)置不同類型的存儲區(qū)、車位的容量和數(shù)量，在系統(tǒng)的整體中來考察存儲區(qū)的空間利用率和時間利用率，給出較為合理的存儲區(qū)規(guī)劃方案。

4　在生產(chǎn)調(diào)度方面的應(yīng)用

郵件處理中心作業(yè)的啟動和終止是靠郵件的狀態(tài)驅(qū)動的，但并不是來一個郵件就啟動一個作業(yè)，而是以批次為單位進(jìn)行處理，因此郵件處理中心的作業(yè)批次安排十分重要，而這是通過生產(chǎn)調(diào)度實(shí)現(xiàn)的。利用仿真技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度模擬，可以檢驗(yàn)生產(chǎn)計(jì)劃的合理性，發(fā)現(xiàn)整個流程可能存在的瓶頸，從而合理地配置人力、物力等生產(chǎn)資源，制定科學(xué)的生產(chǎn)調(diào)度方案。

郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計(jì)的步驟

計(jì)算機(jī)仿真主要包括仿真建模、仿真試驗(yàn)和仿真結(jié)果分析三部分。在實(shí)際中往往是三個部分反復(fù)進(jìn)行，根據(jù)仿真結(jié)果修改仿真模型，之后再進(jìn)行模擬，反復(fù)試驗(yàn)，從而有效地對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。對郵件處理中心工藝流程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)通常經(jīng)過以下幾個步驟。

1　問題描述

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是用模擬的方式解決設(shè)計(jì)中遇到的問題，因此要清楚地認(rèn)識目標(biāo)問題，把握關(guān)鍵，例如。分揀機(jī)的最大分揀能力達(dá)到什么水平才能滿足當(dāng)前和以后的業(yè)務(wù)量需求，系統(tǒng)中有多少輛周轉(zhuǎn)車合理，如何合理地進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度等。只有問題描述得清楚，在建立模型時才有針對性。

2　數(shù)據(jù)收集

需要收集的數(shù)據(jù)包括可控的數(shù)據(jù)和不可控的數(shù)據(jù)。例如，機(jī)器的分揀能力和傳送帶速度、郵運(yùn)計(jì)劃和機(jī)器開機(jī)時間安排等屬于可控的數(shù)據(jù)；日常的平均業(yè)務(wù)量和忙月忙日的業(yè)務(wù)量、機(jī)器的平均無故障運(yùn)行時間等屬于不可控的數(shù)據(jù)。對于不可控的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來表示。應(yīng)注意的是，相關(guān)數(shù)據(jù)的精確性直接影響著仿真模型和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的接近程度，從而影響著仿真結(jié)果的可信度。

3　建立仿真模型

建立仿真模型就是把實(shí)際郵件處理中心內(nèi)的運(yùn)作過程轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠操作和表達(dá)的抽象模型，是仿真設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。仿真建模一般包括實(shí)體建模和邏輯建模。

4　仿真試驗(yàn)

仿真模型建立之后，可以在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，模擬郵件處理中心一天、一個月、甚至一年或更長時間內(nèi)的運(yùn)行狀況，并產(chǎn)生試驗(yàn)數(shù)據(jù)。仿真試驗(yàn)時，可以把系統(tǒng)中的可調(diào)因素(如機(jī)器處理能力、傳送帶速度等)作為可變參數(shù)，把需要關(guān)注的指標(biāo)作為目標(biāo)參數(shù)(如機(jī)器利用率、存儲區(qū)的空間和時間利用率等)，反復(fù)進(jìn)行，并觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

5　仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果分析是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要參考，因?yàn)榉抡婺Ｐ褪歉鶕?jù)實(shí)際的工程流程建立起來的，只要模型建立得恰當(dāng)，能夠正確表達(dá)實(shí)際工程中的對象模型和邏輯流程，仿真結(jié)果就對工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。仿真結(jié)果可以用數(shù)據(jù)表格、直方圖、餅狀圖、曲線等直觀的方式表示，為設(shè)計(jì)者提供科學(xué)的依據(jù)。

6　仿真動畫制作

仿真動畫主要結(jié)合三維場景和仿真數(shù)據(jù)展示工程的工藝流程，可以通過視圖變換、物體跟蹤等多種方式局部或整體地展示工藝流程的過程和方案設(shè)計(jì)布局，多角度地展示設(shè)計(jì)方案。

仿真設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

目前，用于郵件處理中心和物流系統(tǒng)等比較成熟的三維仿真軟件包主要有AutoMod、ShowFIow、Quest等。在此結(jié)合AutoMod在深圳郵件處理中心工藝流程的仿真設(shè)計(jì)介紹仿真設(shè)計(jì)過程中的幾個關(guān)鍵性技術(shù)。

1　邏輯模型簡化

在建立仿真模型的過程中，只需把影響優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)特征抽象出來進(jìn)行模型的建立。在利用AutoMod進(jìn)行深圳郵件處理中心的仿真設(shè)計(jì)邏輯建模過程中，采用了“黑盒子”的思想對系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡化。“黑盒子”思想只關(guān)注一個系統(tǒng)的輸入(包括可控輸入和非可控輸入)和輸出，不關(guān)心內(nèi)部的具體操作。“黑盒子”思想根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)建立各種輸入因素的運(yùn)算關(guān)系，產(chǎn)生目標(biāo)輸出，例如對于信函分揀機(jī)，可以把機(jī)器的分揀速度等作為輸入，把機(jī)器的利用率、每天的完成量等作為考察目標(biāo)。這種模型簡化的方法能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行有效的簡化。

2　概率函數(shù)選擇

在仿真模型建立的過程中，要使根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的計(jì)算機(jī)模型既簡單又能準(zhǔn)確地表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征，必須以科學(xué)的方式對現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行表達(dá)。在對郵件處理中心進(jìn)行建模的過程中，對于不確定的因素要用相對比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)函數(shù)表示。如對深圳郵件處理中心工藝流程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時，對于機(jī)器的分揀速度采用了均勻分布概率密度函數(shù)表示；對于分揀機(jī)故障出現(xiàn)的概率采用泊松分布表示。

3　三維模型建立

建立模型時，可以借助專門的繪圖工具進(jìn)行繪圖。然后轉(zhuǎn)化為AutoMod的圖形格式，實(shí)現(xiàn)幾何形狀較為復(fù)雜三維模型的建立。

4　數(shù)據(jù)分析方法

在仿真設(shè)計(jì)過程中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果修改模型中的參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)模擬，從而找出較優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)，有效地對工藝流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。例如，在深圳郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用了AutoMod軟件包的AutoStat模塊對仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化分析。

5　高質(zhì)量動畫制作

在設(shè)計(jì)過程中，高質(zhì)量的動畫是展示工藝流程設(shè)計(jì)方案的重要手段。要使制作的動畫既流暢又能有效地展示設(shè)計(jì)方案，要注意以下幾點(diǎn)：

(1)選擇關(guān)鍵的視圖，能夠展現(xiàn)工藝流程的關(guān)鍵部分；

(2)對于工藝流程中的關(guān)鍵部分，變換步長可以小一些，以詳細(xì)展現(xiàn)，而對于其他部分可以設(shè)置較長的變換步長；

(3)對系統(tǒng)中具有代表性的實(shí)體進(jìn)行全程跟蹤，具體觀察該類實(shí)體的全程運(yùn)動路線和狀態(tài)；

篇9

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)從前沿的航天、軍事領(lǐng)域開始進(jìn)入教育領(lǐng)域，并涉及高等教育的各個學(xué)科。計(jì)算機(jī)變成實(shí)驗(yàn)臺，軟件變成儀器，網(wǎng)絡(luò)變成實(shí)驗(yàn)室的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能形象生動地表現(xiàn)各個學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，有效地營造隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及顯示技術(shù)，生成三維的虛擬環(huán)境，介入者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，或者帶上頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時交互，并且能夠感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性和想象力三個基本特征。在具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以作為主角存在于虛擬環(huán)境中，對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作并從環(huán)境中得到自然的反饋，而且當(dāng)學(xué)生沉浸在多維信息空間中時，能夠主動地獲取知識，尋求解答，形成新的概念。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)決定了它在教育領(lǐng)域中的重要作用。一是避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)并降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)用品損耗；二是在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的學(xué)習(xí)效果，還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展需求“引入”新設(shè)備，不斷對新設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。三是徹底打破空間與時間的限制。總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能提高實(shí)驗(yàn)效果與效率，充分發(fā)揮教學(xué)優(yōu)勢。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)建立的三維的模擬實(shí)驗(yàn)場景中從不同的視角觀察一個實(shí)驗(yàn)對象，通過鼠標(biāo)的選擇或者拖曳操作便可完成與虛擬實(shí)驗(yàn)對象之間的交互。

（一）仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上就是數(shù)字化的仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，一個真正的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的前臺是多媒體或是虛擬化的環(huán)境，后臺是實(shí)時仿真的過程。

目前的仿真軟件很多，如EASY-T、VT-LINK3.3、SPW、Cadance、Mentor、MatLab、Protel2004、LabView、OpenGL、MultiGen等。在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)根據(jù)具體需求，選擇合適的開發(fā)工具。如何將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬化的儀器或多媒體環(huán)境有機(jī)的結(jié)合起來是虛擬實(shí)驗(yàn)室建立的關(guān)鍵和核心技術(shù)。

（二）支持技術(shù)

目前國內(nèi)外對虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)大致采用以下幾種方法：

1．使用JAVA+VRML進(jìn)行開發(fā)。Java目前已經(jīng)成為跨平臺應(yīng)用軟件開發(fā)的一種規(guī)范，主要討論對象行為。VRML是一種虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，著重于虛擬場景中對象的特征。采用JAVA+VRML混合編程是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜動態(tài)場景控制等高級交互功能的有效方法。但基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)在制作上較復(fù)雜，客戶端需要有大量的專業(yè)的設(shè)備（如頭盔、觸覺手套等），附加成本較高，并且運(yùn)行VRML對客戶端計(jì)算機(jī)的性能要求也很高。

2．使用ActiveX控件進(jìn)行開發(fā)。ActiveX技術(shù)是Microsoft為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要而將OLE技術(shù)在Internet上的重定義。在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，代碼復(fù)用性對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。可以利用VB、VC++、Delphi、Builder等任何一種支持COM規(guī)范的開發(fā)工具來進(jìn)行ActiveX控件的開發(fā)。由于ActiveX控件只能運(yùn)行在基于MicrosoftWindows的操作系統(tǒng)，因而移植性和通用性較差。

3．使用QuickTimeVR進(jìn)行開發(fā)。QuickTimeVR（簡稱QTVR）是新一代的、基于靜態(tài)圖像處理的實(shí)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。QTVR可以應(yīng)用照片、錄像或數(shù)字圖像等離散數(shù)據(jù)來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，完成三維空間及三維物體的造型，并實(shí)現(xiàn)全方位觀察。具有更高的真實(shí)感、更豐富的圖像和更鮮明的細(xì)節(jié)特征。QTVR制作簡單、周期較短、可控性也很強(qiáng)，對開發(fā)一些簡單的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的難度不大。

4．使用FLASH進(jìn)行開發(fā)。FLASH是一種基于矢量的圖形系統(tǒng)，具有短小精悍、任意縮放、兼容性良好、嵌入ActionScript腳本功能等特點(diǎn)。而且Flash中的工作組功能極為強(qiáng)大，包含一套新的工作流程，可自動更新Flash網(wǎng)站的數(shù)據(jù)驅(qū)動，從而大大節(jié)約了開發(fā)者的時間。因此，F(xiàn)lashActionScript是網(wǎng)上教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的最佳平臺。

（三）功能模塊設(shè)計(jì)

無論建設(shè)哪個學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從功能模塊上均可劃分為三個部分。

1．網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。用戶可通過網(wǎng)絡(luò)注冊個人信息并經(jīng)過驗(yàn)證后登錄虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。登錄該系統(tǒng)后學(xué)生可自主選擇將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際需要獲得相關(guān)的指導(dǎo)。

2．仿真實(shí)驗(yàn)。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)出用于測試的虛擬儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)線路或回路、實(shí)驗(yàn)元器件或構(gòu)件庫、判別實(shí)驗(yàn)效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。用戶選擇相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)以后，根據(jù)提示進(jìn)行相關(guān)的操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3．?dāng)?shù)據(jù)庫。為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)。維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息及用戶的相關(guān)權(quán)限，為仿真實(shí)驗(yàn)提供支持。

篇10

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

一、系統(tǒng)仿真技術(shù)

所謂仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學(xué)-物理效應(yīng)模型），并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究一個存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、機(jī)械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實(shí)質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強(qiáng)有力的手段和工具。因此，計(jì)算機(jī)仿真在仿真中占有越來越重要的地位。

仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對已有系統(tǒng)進(jìn)行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運(yùn)行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實(shí)時作出正確的決策；

在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運(yùn)行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計(jì)劃或決策；利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。在工程領(lǐng)域仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和訓(xùn)練過程的安全。

一般認(rèn)為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術(shù)中，一個仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型--一次仿真模型，然后再改寫成適合計(jì)算機(jī)處理的形式-仿真模型。仿真模型可以說是系統(tǒng)二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序。

仿真基本上是一種通過實(shí)驗(yàn)來求解的技術(shù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)要了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進(jìn)行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機(jī)交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境--虛擬環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支，從而也大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在建筑、教育培訓(xùn)、醫(yī)療、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用，漸已成為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，它具有以下主要特征：

（1）依托學(xué)科的高度綜合化；

（2）人的臨場化；

（3）系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化；

（4）數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩c數(shù)據(jù)處理的分布式和并行化。正是這些特征，使操作者沉浸其中，并通過多種媒體對感官的刺激，對所需解決的問題有了清晰和直觀的認(rèn)識，從而，也使模型的建立和驗(yàn)證更加方便。

三、系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環(huán)境的感知(聽覺、視覺、觸覺)隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)動畫、傳感技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬外界環(huán)境對人的感官刺激開始成為可能。事實(shí)證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真模型的建立和實(shí)驗(yàn)的模擬，使仿真的過程和結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)圖象化、可視化，使仿真的系統(tǒng)具有了三維、實(shí)時交互、屬性提取等特征，極大地促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展，同時也使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加具有生命力。

四、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來在機(jī)械、電子、水利、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

在結(jié)構(gòu)工程中，仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于如下幾個方面：

1．在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，其破壞特征和極限承載力是人們所關(guān)心的。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)雜時，人們往往求助于模型試驗(yàn)來測定其受力性能，但模型試驗(yàn)往往受到場地和設(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗(yàn)，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。若用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的試驗(yàn)，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接試驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如建筑物及構(gòu)筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車高速碰撞的檢驗(yàn)試驗(yàn)等只有采用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，分析才能大量進(jìn)行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)很快，人們在真實(shí)試驗(yàn)中只能觀察到最終結(jié)果，而不能觀察試驗(yàn)的全過程。如果采用計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機(jī)理的研究。對于長期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。在運(yùn)用傳統(tǒng)的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點(diǎn)去觀察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。

2．在巖土工程中的應(yīng)用

巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可把內(nèi)部過程展現(xiàn)出來，有很大實(shí)用價(jià)值。例如，地下工程開挖經(jīng)常會塌方冒項(xiàng)。根據(jù)地質(zhì)勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節(jié)理的走向密度，通過小型試驗(yàn)，可以確定巖體本身的力學(xué)性能及巖體夾層界面的力學(xué)特性、強(qiáng)度條件，并存入計(jì)算機(jī)中。

在數(shù)值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態(tài)下的性能與有限元相仿，而當(dāng)它失去平衡時，則在外力和重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定等問題時，可以把節(jié)理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區(qū)域及范圍，這就為支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

3.防災(zāi)工程中的應(yīng)用

長期以來，人類一直與洪水、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害進(jìn)行著堅(jiān)持不懈的斗爭。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用就更有意義。目前已有不少抗災(zāi)、防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)制作成功，例如洪水泛濫淹沒區(qū)的洪水發(fā)展過程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先存儲了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)可確定等高線，只要輸入洪水標(biāo)準(zhǔn)(如百年一遇的洪水)及預(yù)定河堤決口位置，計(jì)算機(jī)就可根據(jù)水量、流速區(qū)域面積及高程數(shù)據(jù)算出不同時刻的淹沒地區(qū)，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對防洪規(guī)劃以及遭遇洪水時指導(dǎo)人員疏散是很有作用的。又如在火災(zāi)方面，對森林火災(zāi)的蔓延，建筑物中火災(zāi)的傳播均已開發(fā)出相應(yīng)的模擬仿真系統(tǒng)，這對消防工程起到了很好的指導(dǎo)作用。

4．在模擬施工過程中的應(yīng)用

建筑施工是復(fù)雜的大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設(shè)鋼筋、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護(hù)等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關(guān)系復(fù)雜，直接影響著混凝土澆筑的進(jìn)程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題，這就需要對實(shí)際施工進(jìn)行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關(guān)系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實(shí)現(xiàn)對施工過程的模擬。現(xiàn)有的模擬只是對進(jìn)度計(jì)劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用。基于以上原因，需對施工過程建立合適的模型，以達(dá)到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運(yùn)輸澆筑系統(tǒng)的模擬仿真模型，是由運(yùn)輸子系統(tǒng)和澆注子系統(tǒng)構(gòu)成的，模型是按進(jìn)程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對應(yīng)關(guān)系，程序所要模仿的行為比較直觀、清晰。程序流程直接與模型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)相對應(yīng)。

另外，仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)，還可應(yīng)用在建筑系統(tǒng)工程管理、建筑信息管理、建筑物及構(gòu)筑物的空氣流場、空氣品質(zhì)分析等方面。

我國是一個發(fā)展中國家，有著大量繁重的基本建設(shè)任務(wù)，特別是在十五計(jì)劃綱要中，提出進(jìn)一步加強(qiáng)水利交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和西部大開發(fā)戰(zhàn)略。這一大好形勢，為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)的信息化和集成化，為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)之一，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的新紀(jì)元，其技術(shù)潛力巨大、應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

（1）汪成為、高文、王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，1997

（2）陳清來.建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想和發(fā)展.工程設(shè)計(jì)CAD及自動化，1996年，（4）

（3）張躍、張叢哲。土木工程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與展望，計(jì)算機(jī)世界，1998，（5）D版：1-3.

（4）袁耀明.從可視化到視算一體化.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1996（5）

（5）張叢哲、張躍.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).計(jì)算機(jī)世界,1998，（5）D版：5。