基于OGRE的母线虚拟现实三维建模技术的应用与研究

I 摘 要 母线槽在现代化工业厂房的高低压配电系统中扮演着非常重要的角色，以往国内外母线槽厂家基本都是通过手工方式完成母线槽系统的设计和绘制，其过程繁琐、效率低下且容易出错。施耐德（广州）母线有限公司委托华南理工大学开发了一套母线槽设计系统，便于快捷高效准确地完成母线槽的三维设计。目前该软件系统已经在香港地区及越南、菲律宾、澳大利亚等多个国家实施，取得了良好的效果。但是，该软件只是由设计人员根据建筑平面图（包含母线槽安装现场的各种建筑物、电气设备等数据）进行母线槽的三维设计，不能在设计过程中显示母线槽周围的工作环境，无 法表现出母线槽和建筑物及周边电气设备等之间的关系，对设计人员要求较高，尤其当遇到母线槽之间相互交错和遮挡等复杂情况时，更是要求设计人员具备足够的空间想象能力。以上问题的存在，很大程度上影响了设计效率和准确性。 论文以 施耐德 母线槽设计系统为背景，以该系统设计的某厂房母线槽布线图为应用实例，借助 件开发平台，对母线槽虚拟现实三维建模技术进行了研究，成功实现了一套具有较高实时性、较好交互性、较强真实感的母线槽布线虚拟现实系统。该系统在展现母线槽三维空间走向的同时亦可表现出母线槽系统和建筑物及周边电气设备等 之间的关系， 使得母线槽设计变得直观、方便 ，从而大幅度提高了设计效率和准确性。 论文首先指出了当前基于 拟现实三维建模存在的问题以及本文基于拟现实三维建模框架的优点。 紧接着，对实现三维建模框架所需的各种关键技术进行了研究，包括 型和虚拟现实模型的数据交互研究、任意平面多边形三角剖分算法研究、进程通信及 据读写技术研究、 动态建模及实体表面材质附着技术研究等。然后，在研究了各种关键技术的基础上，论文提出了一种用于辅助母线槽三维布线设计的桌面型虚拟现实系 统的解决方案，为具有类似功 能的虚拟现实系统的实现提供了良好的技术支持和借鉴途径。最后，在以上 研究基础之上，本文亦尝试将 拟现实三维建模技术用于城市规划辅助决策系统之中，以某小区的总体规划方案为应用实例，对城市规划辅助决策系统中的三维建模过程进行了初步探索，取得了令人满意的效果。 关键词 ： 母线槽； 虚拟现实 ； 三维建模 ； a in of at to by of it To in a 3D to a At in of to to a 3D a on on of On is in an of as D of It of of d of of of of on of a of of is a A of of D to at of 3d 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 文的研究背景、目的和意义 . 1 拟现实综述 . 3 念 . 3 统分类 . 3 键技术 . 4 用领域 . 4 内外虚拟现实三维建模技术研究现状 . 5 文的框架 . 8 章小结 . 8 第二章 基于 拟现实三维建模关键技术研究 . 9 于 拟现实三维建模系统框架 . 9 介 . 9 前基于 拟现实三维建模存在的问题 . 10 文基于 拟现实三维建模的框架介绍 . 11 文实现三维建模框架的关键技术 . 12 型和虚拟现实模型的数据交互研究 . 12 介 . 12 读取数据的实现过程 . 13 意平面多 边形三角剖分算法研究 . 17 于 现三角剖分 . 17 介 . 17 发环境的构建 . 17 三角剖分的实现 . 17 于 现三角剖分 . 19 论基础 . 19 V 法流程 . 20 种三角剖分算法的比较 . 22 程通信及 据读写技术研究 . 25 程与进程通信 . 25 文进程通信的方法 . 27 制及其使用 . 28 动态建模及实体表面材质附着技术研究 . 30 态建模技术研究 . 30 景结构体系 介绍 . 30 景元素（ 结构体系 . 31 态建模的过程 . 31 体表面材质附着技术研究 . 34 章小结 . 35 第三章 三维建模在施耐德母线槽设计系统的应用 . 36 耐德母线槽设计系统简介 . 36 统实现的功能 . 36 统运行环境的规定 . 36 统图形约定 . 36 维建模的详细实现过程 . 36 模流程图 . 37 模数据结构的定义 . 38 程中读取厂房建模数据 . 43 分厂房数据实现三角剖分 . 45 模数据的转化 . 46 模数据的串行化操作 . 47 维建模进程中实现三维建模 . 49 用实例全过程展示 . 55 章小结 . 57 第四章 三维建模在城市规划辅助决策系统的应用 . 58 维建模的实现过程 . 58 建模数据结构的定义 . 58 维建模进程中实现三维建模 . 58 用实例全过程展示 . 59 章小结 . 60 结论与展望 . 62 全文总结 . 62 前景展望及进一步研究方向 . 63 参考文献 . 64 攻读学位期间发表的论文 . 69 致 谢 . 70 第一章 绪论 1 第一章 绪论 文的研究背景 、目的和意义 在世界经济全球化的进程中， 中国是 加工业环节比较集中的地区 之一 ，世界上很多的大生产制造企业 在中国设立了现代化的工厂。 这些 工业厂房的机电管线系统 1通常包括 如下各种子系统： 1. 高低压配电系统 23； 2. 给排水系统 ； 3. 室内电气照明系统；4. 防雷接地系统； 5. 通风空调系统 ； 6. 动力（电力）配电系统 ； 7. 消防自动报警及消防栓、自动喷淋系统； 8. 工艺管道系统 ； 9. 弱电 (控及电信 )系统 ； 10. 污水处理系统、废气处理系统 4。此类 高 自动化程度 的工业厂房具有 管线系统 复杂 繁多的特点 ，给厂房设计带来了很大的困难 。 在 工业厂房 各个子系统中， 高低压配电系统 尤为重要 ， 其机电管线布置复杂、交叉繁多，如果在设计时缺乏空间 的 合理分配，必定会造成现场施工中管 线布置方面的冲突，导致安装高度过低 或过高 ，给 日后的 安装 维修带来 极 大困难并 留下安全隐患 4。 因此，在施工前绘制合理的机电管线综合布置图并做好相关的控制工作，可 有效地控制好 电缆桥架 、管道、 设备 等在空间的排列，保证施工的 美观性 、 可行性 及生产使用中的实用性4。 在高低压配电系统中， 母线槽 5演着非常重要的角色 。 它 是现代电力传输设备 ，遍布于 工矿企业 和 高层建筑 的输配电系统中。 母线槽在大电流 输配电 系统 中，用于 低压配电屏以及重型负载 与 电力变压器 的连接，具有 经济省时 、使用方便、 安装迅速 、安全可靠等特点 8， 其功能类似于电缆，其安装形式类似于空间管道，近年来 取 替了传统的电缆， 被广泛 应 用 在 高层建筑和工业 厂房 中 。 对于母线槽厂家而言 ，如果 母线槽 设计 效率提高，设计周期 缩短 ， 会 在 很 大程度上提高母线槽 生产 厂家竞标时 的地位。以往国内外 母线槽系统的设计基本都是 通过 手工方式完成， 影响了 设计效率 的 提高 9。其设计步骤如图 1示。 其中，步骤 2、 3、 4 在设计过程中非常关键。由人工设计并绘制母线槽走向图是一项繁杂且 细致的工作，因为走向图是空间平行投影图， 在 绘制过程中 要 考虑母线槽之间的相互遮挡和 其 比例大小 ，特别在 绘制和修改 三维图形时 相当麻烦，很容易 出现图形 失真和出错 的情况。此外，绘制过程中还要 考虑母线槽零线 ( )所在 的面，在整条 母线槽 中如果有一段零线面出错，会导致接线错误，带来严重后果。 总 之 ，手工设计并绘制母线槽时 过程繁琐、 容易出错、 效率低、周期长，阻碍了母线槽生产 厂家 生产 效率的进华南理工大学工程硕士学位论文 2 一步提高 8。随着计算机技术日新月异的 发展， 术不断成熟，被广泛应用在各个生产领域。 图形技术对提高母线槽设计质量，避免设计错误，减少手工绘图时的繁琐细节 工作， 提高设计效率，具有非常重要的现实意义 。 图 1线槽设计步骤 9 目前国内外一些先进的母线槽厂家开始采用 制母线槽三维走向示意图，以代替以往的手工绘制，他们与高校展开合作，委 托高校开发出母线 槽 设计系统，便于他们方便高效地完成母线 槽 的三维设计。 施耐德（广州）母线有限公司委托华南理工大学开发了一套母线 槽 设计系统。 目前该软件已经在香港地区，越南、菲律宾、澳大利亚等多 个国家实施，取得了良好的效果。 但是 ， 该软件只是由设计人员根 据 建筑 平面图 （包含母线槽安装现场的各种建筑 物、电气设备等 数据） 进行母线 槽 的三维设计， 不能在设计过程中显示母线 槽 周围的工作环境， 无法表现出母线 槽 和建筑物及周边电气设备等之间的关系 ， 对设计人员要求较高 ， 尤其是遇到母线槽之间相互交错和遮挡等复杂情况时 ，更是 要求设计人员具备足够的空间想象能力 9 。 以上问题的存在，很大程度上影响了设计 效率 和 准确性 。如果能够将 母线 槽 和周边建筑及设备以 三维 的方式表现出来，并使设计者通过键盘、鼠标等设备实现三维场景的平移、旋转、缩放等操作，这无疑会给设计人员的设计提供极大的参考，从而能够大幅度 降低设计难度， 提高设计效率 和准确性 。 本文以 施耐德 母线 槽 设计 系统为背景，以该系统设计的 某厂房母线槽布线图 为应用实例，借助 件开发平台， 对 母线 槽 虚拟现实三维建模技术进行了研究， 成功实现了一套具有较高实时性、较好交互性、较强真实感的母线 槽 布线虚拟现实系统 ，对于解 决上述问题起到了良 好的实践效果。 在此研究基础之上，本文 亦尝试将 拟现实三维建模技术用于城市规划 空间展示与辅助决策系统 之中 ， 取得了令人满意的效果。 第一章 绪论 3 城市规划 10是一门历史悠久的学科，在 术尚未成熟以前城市规划行业常用抽象的概念表示丰富的内容，比如说用 剖视图 、 平面图 等 二维 图形组成一些特定的符号以表示三维立体建筑，用 文本 及 简单的图形 来描述复杂的场景 11。 由于二维图形及语言描述存在效果不直观、空间关系不明确、指标计算枯燥等缺点，城市规划部门在审批决定时很难对设计方案 做出 客观准确的判断 ，进而影响到审批的效率及设计方案的质量。随着 术 的发展和专业理念的提升，越来越多的规划部门 开始探索并尝试用 三维图形模式 来 进行辅助决策。然而，技术的进步尚赶不上理念的提升，由于缺乏相应的软件， “ 三维 图形 模式 ” 像 刚出生不久的婴儿 一样 蹒跚而行 。 本文以某小区的总体规划方案为应用实例， 对 城市规划辅助决策系统中的三维建模过程进行了初步探索 ，在解决 传统的二维规划审批时规划效果不直观、指 标计算枯燥和空间关系不明确等问题 上有了 较大进展 ，从而为城市规划管理决策提供客观准确的依据，为决策者 做出 科学决策奠定了基础 。 拟现实综述 念 虚拟现实 (213，简称 利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感 官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维 空间内的事物 14。 虚拟现实技术 15，是一种高 效地模拟人在自然环境中视、听、动等 各种 行为的高级人机交互技术 16， 是 90 年代 综合计算机图形技术、 传感器技术 、 多媒体技术 、 人工智能 、 并行实时计算技术 、 模拟 仿真技术等 学科而发展起来的计算机领域的最新技术 17，被专家学者们公认为是 21 世纪可能促使社会发生巨大变化的几大技术之一 16。 虚拟现实技术 包括 三个 典型 的 特征： 沉浸感、想象、交互性 ， 即 以模拟 的 方式为 用户 创造一个 能够实时反映 场景 实体变化及相互作用的三维图像世界，在视、听 、触 等 各种 感知行为的逼真体验里，让 参与者 直接参与和探索虚拟对象所处环境 的作用和变化 ，仿佛置身在 一个虚拟的现实世界中 ， 产生沉浸感 (想象 (实现交互性 (18。 统分类 虚拟现实系统 19可分为四类： 1)桌面虚拟现实系统 ， 也叫 窗口中的虚拟现实。它可以通过 就能 实现 ， 所以华南理工大学工程硕士学位论文 4 成本较低 ， 功能也最简单 ， 主要 应 用于 算机辅助设计 )、 算机辅助制造 )、桌面游戏 、 建筑设计 等领域 20。 2)沉浸 式 虚拟现实系统 ， 如 采用 各种用途的体验器 ， 使人有身临其境之感 ， 各种 演示 、 培训 以及高级游戏等方面 均可用这种系统 20。 3)分布式虚拟现实系统 ， 它借助 因特网 ， 充分利用分布于各地的资源 ， 协同实现 各种虚拟的现实。它通常是 浸沉 式 虚拟现实系统的 拓展 ， 即 是把分布在不同地点 的 沉浸 式虚拟现实系统用 因特网 串连 起来 ， 共同实现某 一 种用途 。 如 因特网上多人游戏 及 美国 军用交互 模拟 仿真系统 是这种 系统 20。 4)混合 型 现实系统 ， 它 把真实 的 环境与 虚拟环境 的 结合 在一 起 ， 该系统 一 部分为 真实环境 ， 另一 部分由虚拟环境取代 ， 从而 降低 了 构 建 复杂真实环境的开销 ， 又能 实现对实际物体的 操作 ， 真正达到了亦真亦幻的境界 ， 是今后发展的方向 20。 本文研究的虚拟现实系统属于桌面虚拟现实系统。 键技术 虚拟现实涉及的关键技术主要包括 以下几个方面 ： (1) 动态 建模技术 2122 (2) 立体显示和传感器技术 (3) 实时三维图形生成技术 (4) 多种系统集成技术 (5) 应用系统开发工具 本文 仅 研究的虚拟现实 关键 技术 中的动态 建模技术 。 虚拟环境的构建 是 虚拟现实技术的重要 内容 ， 动态 建模 即指 获取实际环境 中 的三维数据 ，利用这些 数据建 立虚拟环境 的 模型， 可采用 术 (在三维数据简单并容易获取的情况下 ) 获取三维数据 ， 而在 更多的情况下 采用非接触式 的 视觉建模技术，二者 的结合能够 更 有效地提高 获取 数据的效率 18。 由于 实时 立体显示和传感器技术 、 实时三维图形 生成技术 、 多种系统集成技术 、 应用系统开发工具 等技术 与本论文无关，在此不再赘述。 用 领域 虚拟现实技术 在很多方面 都有着广泛 应用 ， 比如 机械 、 军事 、 航天 、 医疗 、 通信 、艺术 、 教育 、 建筑 等 领域。 第一章 绪论 5 面 的应用 16 虚拟现实技术在机械 中的应用主要表现在 产品 的 虚拟装配 与 虚拟制造 等 方面。 在 新产品 设计中， 零部件的 可装配性详细分析尤 为重要 。 运用 虚拟装配技术 ，可以对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，对产品模型进行评价和预测，从而做出与装配相关的工程决策 。 虚拟制造 技术 为产品 提供了虚拟的制造环境，该环境 有助于 生产厂家 发现制造中潜在的问题， 从而 根据问题 采取 相应的 预防措 施，达到产品一次性制造成功的目的。 虚拟装配与虚拟制造等技术 在 降低 产品 成本，缩短产品开发周期，增强产品的竞争力 等方面 有着显著的 效果 。 应用 16 近年来 ， 虚拟现实技术的 发展 ， 使得军事演习在概念 和方法上有了新的飞跃 ， 武器系统的性能 可通过建立虚拟战场完成 检验和评估 。 在军事 方面 ， 虚拟现实主要 有以下四方面 的应用 ： 一是 进行单兵 的 模拟训练 ； 二是 构建虚拟 的 战场环境； 三是 建立“虚拟战场” ， 使参战双方 都 处 于其中，进行指挥 训练 ； 四 是 进行各 军兵种 的 联合演习 。 应用 16 虚拟现实技术在医疗中的应用大体 上分为两类。一类是虚拟人体， 即 数字化人体，通过 人体模型 的展示医生更容易了解人体的结构 和功能。另一类是虚拟手术系统，可用于指导 人体 手术的进行。 学者在上世纪 90 年代初， 成功 研制 了一台基于两个 作站的虚拟外科手术训练器，用于 腹部 及 腿部 外科手术模拟。这种虚拟环境包括 虚拟的人体 器官 模型 、虚拟的外科工具 (如 手术钳 、注射器、 手术刀 等 )以及 虚拟的手术灯与手术台 等。借助于头盔显示器和 数据手套 等设备 ，用户可以对虚拟的人体模型进行 模拟 手术。 应用 16 在建筑设计方面 ， 设计师 们可以不受条件的 约 束 ， 在虚拟的世界里任意创作、观察和修改设计的 建筑 ， 比较 各种 建筑设计 形式 的 优劣 ， 得到最理想最满意的设计作品， 而不像从 前那样 仅靠 头脑去 想象。 这样大大提高了 建筑设计工作效率及 表现的直观性。 内外 虚拟现实三维建模技术 研究 现状 目前国内外研究的虚拟现实系统按照虚拟场景的构造方法来区分，主要有以下三种建模方法： 图形的 虚拟 建模法 23 24 基于图形的 虚拟 建模法 实质上是借助 现有的三维建模软件，对虚拟实体和虚拟环境华南理工大学工程硕士学位论文 6 的 整体 外观进行 人工 手动 建模。它基于 计算机图形学 ，首先真实场景 抽象 化 ，用多边形构建虚拟场景 的三维模型，并建立虚拟环境下 的 材质模型 和 光照 ， 然后 对 纹理映射及控制参数 进行 设定，最后在输出设备上实时渲染绘制视景的画面， 并 通过软件控制观察者的 视角、位置， 完成整个场景的漫游 。 该建模法 的优点 如下 : 1） 用户可方便地与场景中 的 虚拟对象进行交互，以及 直接获得场景 对象 相关 的深度信息； 2） 虚拟对象因为 大部分 具有 对应 精确的几何模型 ， 因而 场景 比较精细、逼真 ； 3） 实现虚物实化。 即便是 在规划设计 的 阶段 ，只要有 了 相关 的 设计 图纸，按照对应 尺寸 与 比例 就 可以构建出场景 。 该建模法存在如下 不足： 1） 对场景进行详细建模 工作量大 、太过烦琐 。模型存在着真实性与实时性之间的矛盾。简化 的 模型数据量小 ，虚拟场景有较好实时性，但真实感差，而精细复杂的模型数据量大，直接影响 虚拟场景 实时性； 2） 还没有较好的动态建模方法， 可 扩展性差。模型一旦 在三维造型软件里完成建立就基本固定下来，在输入虚拟场景后 不能对模型本身实时修改； 3） 场景 复杂度、 逼真度受到制约。因 为虚拟场景的真实感 建立在几何物体表面材质的光照模型 之 上，场景 的复杂度、 逼真度越高，对计算机 软 硬件要求 也越 高。 图 像 的虚拟建模法 23 25 基于图像的 虚拟 建模法 是一种 不依赖 于 几何建模的方法 。 基于图像建模技术的数据基础是通过 摄像机 得到 的连续视频 或 照相机 得到 的离散图像 ， 该技术 经过图像 的 处理 来生成真实 全景图像，然后根据 空间模 型将 场 景图像组织成 虚拟 的 实景空间， 使用者 在这个空间中能够实现 近视、远视 、 环视、仰视 等操作， 达到 全方位观测 场景的效果。 目前基于图像的虚拟建模中应用较广泛的关键技术 是 全景图的生成技术 26。按照 全景图允许察看 的空间自由度 来分 ，全景图可 以 分为 柱面全景图和 球面全景图 。 球面全景图 准 许用户对场景经纬 360 度全方位的环绕浏览 ， 而 柱面全景图只允许用户在 水平空间360 度环绕浏览 场景 。 该建模法的优点： 1） 真实感 较 强， 与通过基于图形 建模得到的虚拟现实 场景相比 ， 效果 更真实可信，第一章 绪论 7 更能使人产生身临其境的感觉； 2） 对计算机资源要求 并 不高，数据量 不大 ，实用性 强 。 3） 处理时间 及 漫游效果 独立于场景复杂度之外， 与场景内容的复杂度无关 ， 只与所产生画面分辨率有关 ； 4） 预先存储的图像既可以是 实际拍摄的照片 也可以是 计算机生成的 ， 且两者可以混用； 该建模法存在如下 不足： 1） 获得的真实 实景图像 对 照相 与摄影 等设 备 的性能要求高 ，需要很 大的存储空间保存相关图像文件 。 2） 场景中的物 体 仅 是图像中的二维对象，因而 用户要 实现与二维对象的 交互 较为困难 ； 3） 当真实的场景不存在， 或处在 设计规划 的 阶段 时 ， 不能使用这种 方法； 23 27 从国内外研究的进展情况 看，虚拟现实技术的研究会朝着基于几何模型与 图像的混合建模 法 的 方向发展。 其 基本思想是先通过 基于图像的虚拟建模法构造 出虚拟场景的环境以 获得逼真的视觉效果，同时 利用基于几何模型的虚拟建模法 构建 虚拟环境中用户 需要与之交互的实体对象 ，这样在 增加了场景真实感 的同时， 既 保证 了 实时性和 交互性，以增强了 用户的沉浸感。 尽管混合建模具有较多 优点， 但其实现在技术上存在如下困难： 1） 在虚拟光源照射下 实体模型 产生的实体亮度、阴影强度及方向 要 与 二维图像中的对象一一 准确匹配； 2） 在虚拟世界坐标系中 实体模型 的坐标位置、摆设方向 要 与 二维图像中的对象一一准确 匹配； 3） 这种虚实的无缝连接 要求 有较好的实时交互性 ，即当 用户 的位置 、 视角发生 改变 时 要能 够立刻生成新 视点图像 ， 而且 还 要求 操作实体对象后能立即 得到反馈。这些都对虚拟现实混合建模的算法提出了很高的要求。 因此，混合建模技术现在还处于探索研究阶段，还没有得到广泛应用。 综 上所述，三种建模方法各具优缺点。 对于基于图像的虚拟建模法，当真实场景不存在，或处于设计规划阶段时不能使用该法，而对于基于几何模型的虚拟建模法，即使在规划设计阶段，只要有相关的建筑图纸，按照对应比例与 尺寸就能够完成场景的构建。华南理工大学工程硕士学位论文 8 从 本文 研究的 基于施耐德 母线槽 设计系统三维建模 的过程看 ， 必须 选择基于图形的建模法 ，因为在 母线槽 空间布线的 设计 阶段，只 能产生 设计的图纸 ，不可能采集到 离散 图像 、连续视频 等基础数据。 且 随着视景建模、图形快速显示、实时交互等相关技术的发展及硬件性能的不断提高， 基于图形的虚拟建模法在虚拟现实系统中 的 应用变得 越来 越广泛。因此，本文研究 的 基于施耐德 母线槽 设计系统的三维建模 采用的是 基于图形的虚拟建模法 。 文的框架 本文 的 研究内容包括以下几个方面 ： 第一章主要介绍论文的研究背景、目的和意义 ，对虚拟现实的概念、系统分类、应用领域、关键技术、三维建模技术的国内外研究现状等进行了综述 。 第二章主要 介绍了 概念， 指出了 当前基于 拟现实三维建模存在的问题 以及本文基于 拟现实三维建模框架的优点 ，着重 研究了基于 拟现实三维建模的关键技术 ，包括 型和虚拟现实模型的数据交互研究 、 平面多边形三角剖分算法研究 、 据读写及多进程 通信方式研究、 材质脚本定义的研究等。 第三 章主要介绍 应用实例的实现