隧道三维建模技术的研究-毕业论文.doc

装订线隧道三维建模技术的研究摘 要实际隧道开挖中，围岩的地质环境变化，围岩地质结构复杂性都将给施工带来不利影响。因此，在隧道工程施工过程中，弄清地下岩体的地质特征、地层结构、地质分布规律以及隧道开挖风险参数，对于安全、科学地规划隧道施工无疑至关重要。随着我国综合国力的不断增强，铁路行业突飞猛进地发展，这对铁路隧道设计、评审、施工、维护等方面都提出了更高的要求，传统的基于二维地图和实物模型的表现方式已难以满足对各方面的需要。随着计算机技术、计算机图形学、可视化和虚拟现实等技术的广泛应用，人们希望能通过更加直观的形式反映铁路隧道的实际情况，从而为方案审查人员和高层决策者提供更加直观的决策依据。所以，铁路隧道三维建模技术日益受到重视。铁路隧道围岩的复杂地质环境、地质结构都会对施工过程产生重要影响。因此，为设计人员提供更为直观的三维可视化隧道地质模型有助于其对地下岩体的地层结构、地质特征等信息进行综合考虑，提高施工效率，将隧道开挖风险尽量降低。建立隧道三维地质模型可以更为直观的方式表达专业设计人员的设计意图，同时，也为后续施工、运营、管理及维护提供了具有指导意义的途径。本文借用VC+开发平台,利用OpenGL软件接口,实现了隧道的三维仿真。通过系统运行,展示了三维地质体模型、铁路隧道的三维模型及铁路隧道内部地质剖面,能够有效实现对地质资源的数据管理、三维自动建模、三维可视化和空间分析等操作。本研究以以人为本的科学发展观的精神,对于在铁路工程建设中应用先进技术,实现科学的管理、设计,提高施工安全性等方面具有现实意义,为我们的铁路隧道工程建设进入世界先进水平做出了具有一定价值的研究。关键词：铁路隧道，三维建模，OpenGL，空间分析ABSTRACTWhile in the process of the actual tunnel excavation, the geological environment changes of the rock, the complexity geological construction of the rock will both have negative effects on the construction. Therefore, having a clear understanding of geological characteristics of underground rock, the formation, geological distribution and risk parameters of the tunnel excavation contributes a lot to safe and scientific tunnel digging. With Chinas comprehensive national strength increasing, the railway industry is developing rapidly. And the railway tunnel 3D geological modeling technology also got widely concern with a large number of railway construction. Railway tunnel 3D geological modeling, in order to further meet the researchers complex diversity of tunnel design, construction, form, construct mode, is developed based on expressions of the traditional 2D maps and mock-ups. How to achieve a 3D visual model of the geological model, tunnel model, and analysis of the geology, can not be ignored in the railway construction.In this paper, we obtain the three-dimensional simulation of the tunnel by use of the VC+ development platform and OpenGL software interface. While the system is running, the 3D railway tunnel model, it is effective for the geological resource data management, 3D automatic modeling,3Dvisualization and spatial analysis, the building of 3D visualization railway tunnel model demonstrate the design intent of the engineering staff, provide a valuable guiding significance on the subsequent construction, management, operation and have high practical value.KEY WORDS: Railway tunnel,3D modeling, OpenGL, Spatial analysis目 录 目录摘 要1第一章 绪论31.1研究背景及意义31.2国内外研究现状41.2.1国外研究现状41.2.2国内研究现状51.3研究内容6第二章 隧道三维建模的理论基础72.1非均匀有理B样条方法72.2黄金分割法82.2.1单峰函数82.3三维显示技术102.3.1坐标系统112.3.2 OpenGL变换112.3.3 OpenGL光照132.3.4 OpenGL纹理贴图14第三章 隧道三维仿真建模163.1隧道三维仿真系统场景的建模原则163.2隧道建模分析173.3隧道模型结构分析17第四章 隧道三维模型设计及内部计算194.1隧道模型建构194.2隧道内部计算214.2.1隧道横断面的若干计算214.2.2隧道横断面的曲线逼近234.3隧道头（尾）计算264.3.1隧道头（尾）斜断面的计算264.3.2连拱隧道洞口倒角圆弧计算27第五章 隧道裁剪算法研究295.1裁剪算法295.1.1裁剪的原理295.1.2二维线段的裁剪295.1.3多边形的裁剪315.2Weiler-Atherton 裁剪算法315.2.1Weiler-Atherton 裁剪算法的基本方法315.2.2Weiler-Atherton 裁剪算法的不足335.3对Weiler-Atherton裁剪算法的改进335.3.1算法的数据结构335.3.2裁剪前的预处理335.3.3特殊点处理355.3.4改进算法执行流程365.3.5改进算法的优势37结论38致谢39参考文献39第一章 绪论1.1研究背景及意义随着人类文明的发展，现代工程技术也不断进步，位于地下的隧道已广泛受到交通领域专业人员重视，隧道以其明显的优势被应用在山区铁路修建过程中以克服高程障碍。它既能使线路顺直，避免无谓的展延，缩短线路；又可使线路坡度变小，改善运营条件，提高运力，节省财力。目前我国铁路隧道无论在数量上，还是在总长度上均已处于世界领先地位。随着我国经济的持续发展，综合国力不断增强，高新技术不断发展以及国内不断扩大内需的实际需要，我国铁路隧道发展前景广阔，同时铁路隧道发展也是我国西部大开发战略和发展沿海经济的迫切需要此外，近年来随着高速铁路在我国的兴起，其要求线路短、坡度小的现实更加大了铁路隧道项目的建设力度。因此，对铁路隧道涉及相关技术研究的需求迫在眉睫。随着交通建设事业的发展，铁路隧道设计形式繁多，建设形式、构造越发复杂多样，这使设计、审评、施工、维护等工作都受到了严峻考验，基于二维地图和实物模型的传统表现方式很难满足日益复杂的形势。铁路工程地质研究者们希望通过计算机技术，开发一个以基础地质数据信息为基础，应用计算机与网络技术、数据库管理技术、信息可视化技术和虚拟现实技术等的三维地质建模与可视化系统。通过地质信息管理、三维地质建模和三维可视化等计算机技术实现铁路工程建设区段的三维空间工程地质研究分析，拟以解决铁路工程建设中存在的复杂地质结构问题和不良地质体的风险预测评价问题，为深入了解铁路工程建设区段的三维空间地质结构、不良地质体的风险预测、决策建设工程的设计方案提供科学可靠的工程地质依据和风险预测评价。计算机仿真技术(Computer Simulation Technology)是指利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统(尤其是复杂系统)的重要工具。近年来，随着系统科学研究的深入以及控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展，已使计算机仿真技术成为一门新兴的学科。信息处理技术的突飞猛进，更使得计算机仿真技术得到迅猛发展。三维仿真系统使用计算机仿真技术，通过模拟施工作业现场的设备、环境等关键要素，创建仿真场景，并以此为平台，直观的进行作业现场的危险点分析和控制措施布置，解决了以往平面显示对复杂的环境进行安全措施及危险点的分析情况等反应不全面的问题，为检修方案的制定，安全措施的布置，人员的分工安排等提供一个逼真的模拟现场，方便施工管理人员和技术人员进行施工前的技术交底、班前会的召开，能够为工作人员提供一个三维的仿真现场，使其身临其境，是现场工作的较好的应用软件。随着国民经济的发展，特别是社会主义市场经济的发展，对交通运输的需求明显增长，高速公路的建设越来越多，隧道是高速公路不可缺少的重要组成部分。数字公路的兴起，研究开发一种快速三维可视化仿真方法实现公路及其隧道的可视化具有相当重要的意义。 基于以上分析，本文针对铁路工程建设的需要，以三维地质建模项目为依托，对长大铁路地质隧道的三维地质建模与可视化系统中的隧道虚拟开挖和风险预警进行了研究，使得铁路工程地质研究者们在进行工程地质研究时能够直观地了解到施工地段地下围岩的地质构造和存在的自然风险，为工程设计施工提供了地质依据。1.2国内外研究现状三维地质建模，就是将地质，测井，地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起，应用计算机技术，在三维环境下将空间信息、地质信息等结合图形可视化软件等工具，生成三维定量模型。1.2.1国外研究现状二十世纪六十年代以后，伴随着地理信息系统的出现，逐步形成了地质建模和地形可视化的概念。长期以来，地质建模和可视化一直受到各国科学家的重视，并且从九十年代起有了迅速的发展。1992 年国际勘探地球物理学家协会和欧洲勘探地球物理学家协会成立了SEG/EAEG3D 建模委员会，展开了3D建模工程（SEM）。1996-1999 年在英国 Leeds、新西兰Otago、英国 Bristot、美国弗吉尼亚州Fredericsburg 分别举行了地质计算机会议，其内容包括地质建模、地形模拟和地形可视化。1997年国际数学地质会议在巴塞罗那召开。会议上，Graeme Bonham-Carter等强调了地质材质3D 重建、地质建模及地形可视化的重要性。在诸多研究中，国外学者在三维地质体建模和可视化研究方面已取得一些重要的成果：（1）Bak（1989），Smith（1989）提出了地学信息的三维表示方法；（2）Raper J.F.（1989）提出了一些地学三维模型；（3）Pugandliarbaugh（1992）、Hamiltonand Jones（1992）、Turner（1992） 和 Houlding（1994）提供了一系列2D 和3D 的地质建模方法，运用计算机技术，将空间信息数据管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、图形可视化等工具结合起来，进行地质建模和可视化。以Simon WHoulding 为代表，三维地学建模：地质特征描述的计算机技术一书中充分反映了他的研究成果。近年来，国外在面向对象软件设计的影响下，基于组件式三维地质模型 （Com3DsGMS）软件系统的研究发展迅速，如 Intergraph 称该公司已经进入组件式 GIS 的时代，在Jupite计划中，正在移植和开发多种组件式的GIS。ESRI在组件式GIS方面也作了新的探索。GISMapInfo公司也不示弱，投入巨资开发MapX，其发展前景良好。1.2.2国内研究现状国内在地质建模和地形可视化方面并不如发达国家研究的那么早，国内应用普及率尚还不高。但我国地理形势复杂，地质构造多样，很多工作才刚刚起步，数据模型尚处于探索和尝试阶段。从1992年开始，北京大学开展三维地质空间信息系统研究计划(Geological Spatial Information System，GSIS) 建立了供地质信息分享、数据处理分析处理、辅助科学研究和教学的信息系统；唐中实等分析了当前实现三维地形可视化的主要方法；李青元、曹代勇等提出了五种可视化地质模型来显示地层模型，包括三维景观方式、切面方式、透视三维景观方式、掀盖三维景观方式和等高线方式；黄地龙等将人机交互技术、计算机图形图像技术及工程地质信息数据库管理实现复杂岩体结构可视化技术引入进来，很大程度上扩展了人们对复杂岩体结构空间的认识；李建华、边馥苓等提出了单元分解表示方法(CE)、构造实体几何法(CSG)和边界表示法(B-Reps)等数据建模思想，并给出了可视化方案的实现，验证了其在工程地质领域内应用的合理性；郑小武等将传统的层序地层分析方法与三维可视化技术相结合，研究油田复杂的层序地层关系；程朋根、刘少华、袭健雅丨等人提出了基于似三棱柱体元模型，研究了矢量与栅格集成的面向对象的三维数据模型；詹振炎等利用CAD(Computer Aided Design)建立三维模型，利用3DSMAX等图形处理软件对模型进行后期处理，完成铁路的三维可视；吕希奎等提出了能够满足險道三维建模快速性、多样性和交互性要求的，基于参数化建模的隨道三维建模；中国地质大学的吴信才、朱良峰等借助MAPGIS-TDE强大的可视化开发平台，开发研制了集地质数据管理、二维地质分析、地质断面处理、地质结构建模和地质属性建模等5大功能模块的三维建模系统。在地质应用软件方面，国内不单吸收国外技术，还致力于可视化技术软件开发。由中国科学院、同济大学及胜利油田联合研制了复杂地质体深度成像软件(Complex Geologic object Depth Imaging Software，CGOD)，它提出了一种有效的方法使利用AVS (Advanced Visual Systems)软件实现不同应用程序的集成成为可能；天津大学钟登华教授开发研制了VisualGeo，即水利水电工程地质建模与分析系统，其思想是建立在NURBS曲面构模技术上，用它拟合具有复杂构造的地质曲面，该系统在溪洛渡、龙滩、白鹤滩等大型水利水电工程中得以应用：华北油田的KDSYS系统具有使用界面友好灵活，适应我国独特的地质情况。但国内软件缺乏系统的设计和统一管理，行业标准化低，普适性低。1.3研究内容本文的研究思路为：首先对隧道三维仿真系统建模的理论基础做一个介绍；明确仿真系统的建模原则及评价标准，针对不同的隧道类型，对隧道的具体部分构造进行建模分析；其次分析隧道的横断面及其数据结构，并介绍隧道的绘制方法。然后把隧道分为隧道内部和隧道头(尾)两部分，来详细介绍隧道模型设计时一些主要的计算。接着分析隧道横通道的数学模型，利用OpenGL绘图函数，绘出隧道的通道门及其横通道。最后简要分析隧道三维模型仿真设计中的若干技术应用。第二章 隧道三维建模的理论基础本章将对隧道三维仿真系统建模的理论基础做一个介绍，主要有有理B样条方法、黄金分割法和真实感图形技术。这些理论的应用，确保了隧道三维仿真模型创建的可行性和准确性。2.1非均匀有理B样条方法非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline)方法，简称NURBS方法，采用分子分母分别是分段参数多项式与分段多项式函数的分式表示，是有理的。一条k次NURBS曲线可表示为一分段有理多项式矢函数其中称为权或权因子(weights)，分别与控制顶点相联系。首末权因子，其余，为防止分母为零、保留凸包性质及曲线不致因权因子而退化为一点，顺序k个权因子不能同时为零。称为控制顶点，顺序连成曲线的控制多边形。是由节点矢量按如下递推公式决定的k次规范B样条基函数。1，若=0， 其他=规定 对于NURBS开曲线，常将两端节点的重复度取为k+1，即，。且在大多数实际应用里，端节点值分别取为0与1。因此，有曲线定义域= 。特殊地，当n=k时，k次NURBS曲线就称为k次有理贝齐尔曲线。k次NURBS曲线的节点矢量中两端节点重复度取成k+ 1就使得曲线具有同次有理贝齐尔曲线的端点几何性质。如果权因子，曲线首末端点分别就是控制多边形首末顶点，曲线在首末端点处分别与控制多边形首末边相切。NURBS曲线的几何性质：（1）局部性；（2）变差减少性（VD性质）；（3）凸包性；（4）在仿射与透视变换下的不变性；（5）在曲线定义域内有与有理基函数同样的可微性，也可称为参数连续性；（6）若某个权因子等于零，则相应那个控制顶点对曲线没有影响；（7）若，则，当 ，其他（8）非有理与有理贝齐尔曲线和非有理B样条曲线是NURBS曲线的特殊情况。2.2黄金分割法2.2.1单峰函数定义：设是区间上的一元函数，是在上的极小点，且对任意的，有（a） 当时，；（b） 当时，。则称是单峰函数。性质：通过计算区间内两个不同点的函数值，就可以确定一个包含极小点的子区间。定理：设是区间上的一元函数，是在上的极小点。任取点，则有（a） 如果，则；（b） 如果，则。2.2.2黄金分割法思想：通过选取试探点使包含极小点的区间不断缩短，直到区间长度小到一定程度，此时区间上各点的函数值均接近极小值。下面推导黄金分割法的计算公式。设在区间上单峰，极小点。假设进行第k次迭代前，取，规定。计算和，分两种情况：（1） 若，则令，；（2） 若，则令，。要确定和，要求其满足以下两个条件：（1） （2.1）（2）每次迭代区间长度缩短比率相同，即 （2.2）由式(2.1)与(2.2)可得： （2.3） （2.4）下面介绍值的确定。通过确定的值，使上一次迭代剩余的迭代点恰与下一次迭代的一个迭代点重合，从而减少算法的计算量。（a） 设在第k次迭代时有，则有。在第k+1次迭代时选取，则由(2.4)式有 如果令，则，因此不必重新计算。（b） 若在第k次迭代时有，同理可得。黄金分割算法步骤：（1） 给定初始区间，精度要求。令 ， 计算与，并令k=1。（2） 若，停止，且。否则，当时，转（3）；当时，转（4）。（3） 令，计算，令k=k+1，转（2）。（4） 令，计算，令k=k+1，转（2）。 黄金分割法的迭代效果：经过第k次迭代后所得区间长度为初始区间长度的。黄金分割法适用于区间上的任何单峰函数求极小值问题。对函数要求“单峰”外不作其他要求，甚至可以不连续。因此，这种方法的适应面相当广。2.3三维显示技术铁路隧道的三维可视化是三维地形生成的重要组成部分，能使铁路隧道三维模型直观、形象、逼真、交互地显示在电脑屏幕上。现阶段在国际领域通用性较好的有三类可视化软件：(1)可视化的开发子程序库；(2)专用可视化工具；(3)通用可视化系统。第二类和第三类软件，都不需要编程。但第二类由于其对特殊领域的专用性使其灵活性低；第三类是通用性较好的基于数据流的开放性软件，但模块的限制使其难以应用于众多领域，如AVS和IRIS Explorer等。第一类是需要进行编程的面向开发的可视化工具，具有良好的灵活性，如OpenGL(Open Graphics Library，开放式图形库)、Direct3D、AVS/Express 开发版等。对于复杂的地质体，第一类可视化工具较为合适。由于部分可编程软件的编程是一个比较复杂的过程，对程序员的编程能力要求较高，综合考虑各方面，我们选择OpenGL作为铁路隧道三维地质建模工具，很大程度上减轻了三维模型重现的难度。2.3.1坐标系统坐标系统是将三维物体和二维数据关联起来的唯一纽带，在物体所在空间中定义一个世界坐标系以数字化三维物体，其也称为全局坐标系。它是一个右手笛卡尔坐标系统，全局坐标系是恒定不变的。为了便于对操作对象的描述，OpenGL定义了局部坐标系，即以所描述的物体中心为坐标原点。它是左手坐标系，物体可以围绕局部坐标系进行旋转、平移等操作。另外，计算机要需要将一个二维直角坐标系定义在显示屏上，把处理后的模型体现于显示器，称这个二维直角坐标系为屏幕坐标系，取平行于屏幕边缘的方向为其坐标轴方向，取左下角为坐标原点。2.3.2 OpenGL变换我们知道，在真实世界中，物体都是以三维形式呈现的。三维立体怎样才能以二维形式在计算机中呈现，OpenGL提供的变换方式解决了的这个问题。类似于用照相机拍照一样，相机要将美好景物定格在照片上，首先必须对准景物，然后调整景物到适当位置，接下来调整镜头选好焦距，最后冲洗底片，决定照片大小。同理，将三维物体显示在二维屏幕上也同样需要经过视点变换(Viewing Transformation)、模型变换(Modeling Transformation)、投影变换(Projection Transformation)及视口变换(Viewport Transformation)等步骤。由前所述，三维图形的显示过程如图2.1所示。在OpenGL中，各种变换的实现是通过矩阵运算来转换的，也就是说，一旦发出一个变换指令，该指令就会产生一个4x4阶的变换矩阵，并令这个矩阵与当前矩阵相乘，从而产生一个新的当前矩阵。值得注意的是，在OpenGL编程中，指令发出的次序和实际的变换次序正好相反。下面详细介绍图2.1中的各类变换功能。图2. 1 OpenGL中的三维物体在屏幕上显示过程（1） 视点变换，VTVT变换确定了场景中三维物体的视点位置和方向，在视点坐标系中进行。默认情况下，坐标系的原点被当作视点，即与物体模型缺省的位置相同。可见，为了避免物体模型和相机重叠，进行视点变换是必须的。执行视点变换的命令和执行物体模型变换的命令是相同。以照相为例，相机等同于视点，拍照时既可移动相机，也可移动物体来对准物体模型。也就是说，进行视点变换与进行物体模型变换具有一致作用，两者的命令也是相同的。进行变换时，我们必须将两者综合考虑。视点的变换除了用模型转换命令执行外，OpenGL图形库中的实用库也提供了 gluLookAt ()函数来定义视点矩阵，并用它乘以当前矩阵。一般，视点变换在模型变换之前进行，便于模型转换率先对物体发生作用，模型变换和视点变换一起构成模型视景矩阵。（2）模型变换，MTMT变换主要为了在全局坐标系中对物体模型实施旋转、平移、缩放和反射三种。初始状态下，物体模型的中心选取在坐标系的中心处。三种模型变换函数分别为：旋转变换，平移变换，缩放、反射变换。（3）投影变换，PTPT变换主要是定义视景体，就像选择相机镜头，保留需要的部分，裁掉视景体外多余的部分。PT变换分为透视投影和正射投影两种。透视投影视景体如一个被切掉上下底的棱锥(即棱台)，类似于在现实生活中观察事物，越远的物体显得越小，即物体近大远小。如观察一条笔直的马路,，边界在很远处近似于交汇于一点。OpenGL有两个透视投影函数：glFrustum ()与glPerspective ()，虽然两个函数参数有所不同，但其作用都是创建一个透视视景体，生成透视投影矩阵，并与当前矩阵相乘。其形成的透视投影模型如图2.2所示。图2. 2 OpenGL的透视投影模型正射投影，其作用就是创建一个平行视景体，即长方体空间区域，生成一个正射投影矩阵并与当前矩阵相乘。正射投影与透视投影最大的区别就是物体距离视点的远近不影响投影后物体的大小，如图2.3所示。图2. 3 OpenGL的正投影模式2.3.3 OpenGL光照OpenGL光照很大程度上决定了三维图形绘制的逼真性和真实感，光照可以模拟明暗或浓淡效果，少了光照，虚拟世界就少了了层次感、立体感和缤纷的色彩。光照模型可以运算可视面的颜色或亮度，通过渐变处理逼真地模拟现实世界中的光线和物体表面的性质。通常情况下，高的逼真度是以复杂的光照模型和大批的计算为代价的。因此，设计时要对精度和代价充分考虑。OpenGL模拟光源是通过假定分解发射出的光为(LR，LG，LB)三个分量，当光照射到某个表面时，材质颜色为(MR，MG，MB)，则此表面反射光的红、绿、蓝分量是(LR*MR，LG * MG，LB * MB)。一般来说，OpenGL光照模型中的光分为：镜面光(Specular Light)、环境光(Ambient Light)、发射光(Emitted Light)、漫射光(Diffuse Light)四种。镜面光是从一定方向发出并朝另一方向反射出去。环境光是由光源发出并通过环境散射的不特定方向的光。被环境光所照射的表面将光源发出的光向各个方向均匀地反射。发射光，即辐射光，是不被任何光源干扰也不会干扰场景中其他物体的直接来自于物体本身的光。在OpenGL中，反射光能够增加物体的亮度。漫射光，来自特定方向，亮度与视点位置无关。当漫射光垂直于物体时，比倾斜状态下更明亮。在明确了光照模型后，要向场景中添加光照需要4个步骤(如图2.4)：图2. 4 OpenGL光照处理步驟（1） 计算物体每个顶点的法向量。物体相对光源的指向是由法线确定的。（2） 创建所有的光源并对其进行选择、定位。（3） 确定一种光照模型,创建模型并设置计算光照的视点坐标,环境光由光照模型定义。（4） 定义场景中物体的材质属性。OpenGL中要求必须明确指出光照有效与否。无效的情况下,OpenGL只对当前顶点映射当前的颜色,省去光源、法向等复杂计算,图形缺乏真实感。应先调用函数glEnable(GLLIGHTING)来启动光照使其有效。反之，要使光照无效,则调用glDisable(GLLIGHTING)来关闭当前光照。2.3.4 OpenGL纹理贴图真实世界中，物体的表面都有各种纹理，想要真实地绘制三维物体，在光照处理基础上，还应显示其纹理，使物体表现得更加真实。OpenGL中纹理是颜色、亮度等数据的简单矩阵阵列。纹理映射的方法在计算机图形学中运用甚广，不同于仅表示景物形状的传统方法的是纹理映射利用图像对物体表面的微观细节进行表达，提高真实感。此外，采用纹理映射在很大程度上简化了建模的复杂程度，比如，可以用拍下的建筑外观图片贴在长方体模型表面表示一栋建筑，省去了对建筑具体门窗的建模。通俗地说，纹理就是图片，纹理贴图技术就是把纹理图片贴到物体对应的表面上，展现出希望的图案、颜色和凹凸感等。概括地说，纹理贴图操作包括(如图2.5):对纹理的定义、控制、说明方式、定义坐标等。图2. 5 OpenGL纹理贴图步骤定义纹理有两种方法：连续法和离散法，离散法较常用，用函数glTexImage2D ()来实现。对纹理的控制主要是纹理过滤。纹理映射的过程实际上是从纹理图像空间映射到帧缓冲图像空间的过程，必然需要重构纹理图像，此时纹理图像单元和屏幕像素单元的大小往往不能够一对一匹配，会造成图像的失真此时就需要纹理过滤。OpenGL纹理过滤函数：Void glTexParameterifv(GLenum target，GLenum pname, TYPE param)；进行纹理贴图时，可以直接将纹理图像贴到物体上替代原色，也可与原色融合。OpenGL用于纹理贴图方式的函数为：Void glTexEnvif v(GLenum target，GLenum pname，TYPE param)；在OpenGL中，许多信息是由顶点传递的，同样，每个顶点也应赋予一个纹理坐标，以确定纹理单元的分配及纹理元素的映射方式。OpenGL定义纹理坐标的函数为：Void glTexCoord1234 sifdv(TYPE coords)。第三章 隧道三维仿真建模3.1隧道三维仿真系统场景的建模原则三维场景建模是虚拟环境的重要环节，是虚拟环境软件开发不可缺少的组成部分。三维建模的目的在于利用各种不同的信息源，构造出满足系统目标的模型，它与已知现实世界对象的信息集合相对应。人脑中的物体形貌在真实空间再现出来的过程，就是三维建模的过程.三维模型的信息源描述如下图所示：图3. 1建模信息描述图建模技术大致可以分为两类：几何建模和行为建模。几何建模处理物体的几何和形状表示，及研究图形数据结构等基本问题，不考虑物体的运动情况。而行为建模又称为运动控制，用来描述物体的运动行为特征。没有行为的物体或是对用户交互没有任何反映的对象，在虚拟环境中是没有意义的，因此我们要建立的是两种建模技术有机结合的虚拟环境。对于隧道三维场景的建模，行驶于路线上的车辆属于行为建模。三维建模的一般评价标准：（1）精确度。是指模型表示现实物体的精确程度。在建立模型时，我们期望的所有模型都是精确的，但从系统和显示角度来看，这种完全的精确是不可能或是没有必要的。一般情况下：我们所需要的精确度取决于模型应用本身，模型的精确度越高，数据量就越大，越不利于实时的速度显示。（2）显示速度。在应用开发的过程中，我们往往希望行为建模的模型实时显示的速度越快越好。（3）易用性。在实际应用中，所需要创建的模型往往是比较复杂的，建模过程中：应在尽可能精确表现模型的前提下，创建一个比较容易的好的模型，以利于我们的建模计算。（4）广泛性。是指要尽可能的扩大它所能表示的物体的范围，相似类型的模型，尽可能用数量少的模型创建来。3.2隧道建模分析隧道可分为如下三种类型：独立单洞：独立一个洞的隧道设置形式；独立双洞：并行双洞之间的距离较大，在隧道设计施工中不必考虑双洞相互影响的隧道设置形式；连拱隧道：并行双洞之间无中夹岩柱，拱部衬砌结构通过中柱相连接的隧道设置形式。在建模设计时，独立双洞和连拱双洞都可看做是两个单洞，分别绘制。对隧道洞设计分析如下：（1）为提高图形显示的速度，对隧道采用分段显示（即按某一特定步长每次只绘制视野范围内可见部分）；（2）隧道划分为隧道头、隧道尾、普通隧道段和通道段，分别进行绘制；（3）隧道在绘制时以隧道顶部为界，分左右两侧绘制；（4）基于隧道内部有不同图案的因素，对左右两侧隧道按比例分三部分绘制，每部分分别使用不同的纹理，使隧道仿真效果更加逼真。3.3隧道模型结构分析根据参数化建模技术，将隧道分为隧道内部、隧道洞门和隧道横通道三部分，对隧道建模具体分析如下：（1）隧道内部横断面曲线：隧道横断面曲线以隧道内台阶上部为界，可分为上部圆弧曲线和下部曲线。上部圆弧曲线是由三段不同半径的圆弧组合而成，在组合点处圆弧两两连续。下部曲线由直线段和该断面处路面的竖曲线组成。（2）隧道洞口：隧道洞口设计主要分为洞口斜断面、洞口端墙、洞口护墙以及连拱隧道洞口的倒角圆弧四部分。洞口斜断面是过一个直断面底部和另一个直断面顶部的半椭圆形曲线，无法通过数据库的提供的基本数据直接得到，需要进行求交计算。隧道洞口为端墙式时，需计算洞口挡墙（与隧道洞口位于同一平面的一个多边形），独立单洞和独立双洞的端墙相同，是只包含一个隧道洞口的斜断面，而连拱双洞的端墙则是包含左右两个隧道洞口以及两隧道之间倒角圆弧的斜断面。削竹式隧道洞口的护墙是以隊道的一个斜断面向上延伸的一个平面，而端墙式洞口的护墙平面是以端墙为基础向上延伸的一个平面。（3）隧道横通道：独立双洞和连拱双洞中都不可避免的会出现横通道。横通道按功能可分为人行横通道和车行横通道，横通道洞口是直线圆弧直线的一个组合曲线。（4）考虑到整个隧道仿真系统的显示速度，减少当前视野段内模型的数据计算量，需对隧道进行分段显示。我们将详细分析三维隧道模型的各部分构造，有机布置结合，实现隧道的三维仿真。具体实现流程如下：图3. 2 隧道仿真系统实现流程第四章 隧道三维模型设计及内部计算随着经济的发展,高速公路的建设日新月异。隧道作为高速公路不可缺少的一部分,也一直备受的关注。如果在施工前,可实现公路隧道的三维虚拟展示以及反馈等功能,将大大提高交通运输的管理效率。隧道三维模型的建立对于隧道施工具有重要的指导意义,可以使决策人得到更直观、更有效的决策信息。4.1隧道模型建构工程上,为了利于施工,在相应区域做的位置标志称为桩号。隧道的绘制是按照施工图纸给定的桩号进行的。公路隧道横断面一般为半圆形或半椭圆形,是由三个不同半径的圆弧、拼接而成（当为半圆形时)。隧道标准断面如下图：图4. 1 隧道标准断面公路隧道横断面的类型,是指隧道起拱线以上圆弧段的形状。为减少建模的复杂程度以及计算的重复度,我们把公路隧道断面都看作是半椭圆形,而半圆形只是半椭圆形的一种特殊情况。隧道数据存储结构如下：首先存储隧道的起始桩号和终止桩号,隧道数据表中存储结构如下表4.1。其中编号字段中1代表半椭圆形,2代表半圆形,表示该字段为空。表4. 1 隧道数据存储结构编号起始桩号终止桩号上部圆弧半径中间圆弧半径下部圆弧半径夹角12隧道的三维仿真设计，是基于VC+，运用OpenGL中的绘图函数，将离散桩号处的隧道横断面上的点依次相连绘制而成，效果如图4.2，4.3所示：图4. 2 隧道段图4. 3 隧道内部三维模型4.2隧道内部计算4.2.1隧道横断面的若干计算（1）任一桩号隧道断面基本数据的获得在隧道的计算过程中，已知隧道的起始桩号和终止桩号，考虑到数据量因素，我们往往选取符合应用的合适步长Step，则所分桩号个数为所得桩号数组为通过隧道数据表可直接得到和处的断面基本数据。设隧道断面的基本信息数据个数为m，和的断面基本数据分别为和，其中j= 0,，1，2，m-1，令参数则桩号处断面基本数据为 （2）圆弧曲线的基本计算（2.1）指定弧长处坐标的求取设圆弧的圆心坐标为，半径为R，圆弧起始点到所求点P的弧长为L，圆弧起始点与水平线的夹角为，图4. 4 圆弧示意图则圆弧L对应的圆心角为所求点P为（2.2）指定高度处弧长和坐标的求取设圆弧的圆心坐标为半径为R，所求点P与圆心的纵向差为h，圆弧起始点和圆心的纵向差为H ，圆弧起始点与水平线的夹角为，则有可得圆弧起始点与点P的夹角为则圆弧起始点到点P的弧长为（2.3）二维平面坐标到三维空间坐标的转化设平面圆弧的圆心坐标为P：,它的空间三维坐标为,沿垂直于二维平面方向上的切线方位角为，则二维坐标系中圆弧上任一点的三维坐标为（3）隧道内加宽点断面的添加由（1）知，隧道初始所分桩号数组为设加宽点桩号数组为通道门个数为l,每个通道门有左右两侧两个控制桩(通道门位于它左右两侧的控制桩内),通道门口控制桩号数组为首先确定有效的加宽点桩号(当加宽点位于隧道外、某个通道门的控制桩内或与初始所分桩号重合，则视为无效)，其个数设为n，通过如下步骤实现：第一步：令i=j=k=n=0；第二部：若满足如下三个条件：（a）（b） （c）且 则为有效的加宽点桩号，令；第三部：若iM，i+，转第二步。否则结束。以上获得了有效的加宽点桩号数组下面把加宽点桩号添加至初始所分桩号数组中，并获得新桩号数组的断面信息。第一步：令i=0；第二步：查找得位于初始桩号数组的第j段，即；第三步：替换它邻近的前一个桩号，即；第四步：若in-1，i+，转第二步。否则返回。第五步：由线性插值的方法可得到新桩号数组的断面信息。4.2.2隧道横断面的曲线逼近设曲线的起点坐标为，终点坐标为，若为圆弧，半径为R。（1）直线用一次有理Bezier曲线表示。令，设，则对直线上任意一点P，有（2）圆弧线圆弧线对应的圆心角为：根据角的大小，对圆弧分别以二次或三次有理Bezier曲线逼近。（a）若用二次Bezier曲线逼近。令，建立直角坐标系，以的中点作为直角坐标系的原点，则在新坐标系下，。图4. 5 的圆弧设处的切线交于点，则为圆弧线的控制顶点。由可知：将式(4.1)和(4.2)代入圆弧方程可得 由Bernstein基函数的线性无关性,有一般我们取，则。故圆弧的二次有理Bezier曲线逼近方程为：（b）若用三次Bezier曲线逼近。在上述二次Bezier曲线基础上,插入新节点,则新权因子为:图4. 6 的圆弧新控制顶点为：由有理Bezier曲线的deCasteljon算法，可得圆弧的三次有理Bezier曲线逼近方程为：4.3隧道头（尾）计算4.3.1隧道头（尾）斜断面的计算通过隧道起始（终止）处直断面A和内部开始（结束）处直断面B来确定隧道头尾的斜断面。设A上任一为点，与其位置对应的B上点为，断面A的中心点为，圆弧最下面点为，断面B的最高点为。图4. 7 隧道头直断面示意图记,向量可确定平面C： （4.3）其中。确定的直线为 （4.4）将（4.4）代入（4.3），整理可得故直线（4.4）与平面（4.3）的交点为P即为与点位置对应的斜断面上的点。4.3.2连拱隧道洞口倒角圆弧计算连拱隧道洞口倒角是与隧道洞口斜断面在同一平面上的圆弧曲线，下面通过隧道洞口两直断面的圆弧来求斜倒角圆弧曲线。倒角圆弧直断面上点坐标的求取。已知圆弧两端点及它们的法线方向，求圆弧上点。图4. 8 倒角圆弧示意图过点的法向量与过点的法向量交于圆心O，则圆弧对应的弦长则圆弧的半径为弦上，任一点P对应的圆弧上的点，令则坐标为若，则若，则下面计算斜倒角圆弧曲线上的点。记与对应的另一直断面上点为，直断面圆弧中点为，与对应的另一直断面上点为，利用4.3.1中求取斜断面的方法，可得与对应的斜倒角圆弧曲线上的点。第五章 隧道裁剪算法研究建立了铁路隧道模型及三维地质模型后，应用裁剪算法对二者进行裁剪最终得到铁路隧道三维地质模型。裁剪的主要目的是分离出用户感兴趣的区域，将位于用户规定窗口内的图形进行显示、遮掩或作进一步处理。通过裁剪方法可以减少数据量，提高编辑、显示、查询、检索的速度。裁剪方法按裁剪窗口形状划分可分为一般多边形窗口、规则矩形窗口、凹多边形窗口、凸多边形窗口、三维球面窗口、圆或椭圆形窗口、椭球面窗口等，按被裁剪元素划分可分为点、线段、多边形、圆、任意曲线等。5.1裁剪算法5.1.1裁剪的原理裁剪的基本目的是判断图形元素是否在所指定的区域范围内。如在区域内，则进一步将在区域内的那一部分求出。因此裁剪处理包含两个部分的内容：（1）图形元素在区域内外的判别；（2）计算图形元素与区域边界的交点。当区域为正规的矩形时，判断图形元素与区域的关系非常简单，只要做 14次比较。即，若点 ( x , y )满足： (5.1) 则该点在所决定的矩形区域内。若式（5.1）的不等式中有一个不满足，那么该点就不可见，应裁掉。交点的计算比较费时，特别是比较复杂的曲线的交点计算更是费时。5.1.2二维线段的裁剪多边形裁剪是以线段裁剪为基础的。线段的参数形式为： (5.2) 其中，点和是线段的端点。 二维线段裁剪分为矢量裁剪法和编码裁剪法两类。 1)矢量裁剪法设窗口的四条边界为，某条待裁剪的矢量线段为，其起点和终点的 x、 y 坐标分别为(A,B)和(C,D)，如图5.1所示。线段裁剪的任务就是要找出该线段落在窗口区内或窗口边界上的起始点和终止点的坐标。矢量裁剪算法的思想是：先以(A,B)为始点进行判断或进行求交运算，所得交点坐标(x,y)保存在中，然后再把矢量倒过来，即以(C ,D)为始点，再用前面的判断及求交运算程序求得交点坐标(x ,y)，最后只输出从到(x ,y)之间的线段。图5. 1 线段与窗口2）编码裁剪法编码裁剪算法是用区域检查的办法有效地识别可以直接接收或直