《隧道及地下工程信息化技术与应用》课件 第八章 隧道及地下工程三维可视化技术与应用

第八章隧道及地下工程三维可视化技术与应用东南大学土木工程学院《隧道及地下工程信息化技术与应用》内容提纲三维可视化技术概述1可视化理论与技术2虚拟现实技术3增强现实技术和空间定位技术48.1三维可视化技术概述主要依赖静态图纸与说明，信息分散且联系松散。难以适应现代工程规模与复杂度的增长，信息传播效率低，形成“信息孤岛”。传统模式局限数据集成可视化VR虚拟仿真AR虚实融合隧道及地下工程信息表达是指工程项目在其全寿命周期内根据实际采集、加密、传递、分析等需求，将工程信息表示成计算机可识别的且独立于任何特定计算机系统通用形式的过程。是在计算机软硬件技术的发展基础上，利用数据实时获取技术、图形图像模拟技术、虚拟仿真技术等，运用三维虚拟可视化技术表现出全场景、多通道、可交互场景中的对象专题信息。三维可视化技术内容提纲三维可视化技术概述1可视化理论与技术2虚拟现实技术3增强现实技术和空间定位技术48.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知记忆感知记忆：主动注意过程短时记忆：被动注意过程长时记忆：周期性训练/联想存储8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知注意力机制主动注意过程在认知科学中，由于信息处理的瓶颈，人类会选择性地关注所有信息的一部分，同时忽略其他可见的信息。蓝色圆圈中识别出红色圆圈红色正方形中识别出红色圆圈8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知注意力机制被动注意过程在认知科学中，由于信息处理的瓶颈，人类会选择性地关注所有信息的一部分，同时忽略其他可见的信息。被动注意过程8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知格式塔理论视觉感知举例描述人类视觉感知系统如何组织视觉数据，表明图像的整体不是各组成部分的简单求和，往往具有更深层次的含义，为可视化设计奠定了理论基础。视觉感知：对象与背景分离8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知格式塔理论的原则对象与背景分离的原则视觉感知：对象与背景分离8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知格式塔理论的原则邻近原则邻近原则8.2可视化理论与技术8.2.1人体视觉感知格式塔理论的原则闭合原则闭合原则相似原则相似原则8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化概念信息可视化InformationVisualization抽象数据的可视化表达科学可视化ScientificVisualization数据与物理空间关系密切，展示科学实验或自然界本质现象基于人的视觉感知原理，利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，再进行交互处理的理论、方法和技术。8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化表达流程预处理和数据变换预处理和数据变换8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化表达流程视觉映射图形元素特征图形元素图形元素特征被感知的准确性8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化表达流程视觉映射色标用于表达有序数据集8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化表达流程生成视图生成视图8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化设计效果新颖、充实、高效、美感数据可视化表达原则图像选择视觉完整性数据水墨比美学效果均匀利用视觉空间8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化数据可视化设计效果新颖、充实、高效、美感数据可视化表达原则图像选择视觉完整性数据水墨比美学效果视觉可视化之简洁美8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化简单的数据可视化方法单变量数据可视化双变量数据可视化三变量数据可视化多变量数据可视化单变量数据可视化单点散点图柱状图8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化简单的数据可视化方法单变量数据可视化双变量数据可视化三变量数据可视化多变量数据可视化双变量数据可视化8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化简单的数据可视化方法单变量数据可视化双变量数据可视化三变量数据可视化多变量数据可视化三变量数据可视化二维散点图+面积属性二维散点图+颜色属性8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化简单的数据可视化方法单变量数据可视化双变量数据可视化三变量数据可视化多变量数据可视化多变量数据可视化平行坐标法散点图矩阵8.2可视化理论与技术8.2.2数据可视化可视化评估功能有效性功率可用性实用性8.2可视化理论与技术8.2.3可视化技术Web图形技术二维Web图形技术VML——一种XML语言用于绘制矢量图形。SVG——可缩放矢量图形，基于可扩展标记语言，描述二维矢量图形的一种开放图形标准。8.2可视化理论与技术8.2.3可视化技术Web图形技术三维Web图形技术VRML——互联网3D图形的开放标准。X3D——基于XML格式，转为互联网设计的三维图像标记语言，VRML新版本。WebGL——3D绘图协议，浏览器里展示3D场景和模型，导航及数据视觉化。 Three.js（WebGL封装的3D库）8.2可视化理论与技术8.2.3可视化技术Web图形技术Three.JS地铁车站导航模型建筑监测模型8.2可视化理论与技术8.2.3可视化技术VBA技术在CAD软件中利用VBA技术实现工程数据可视化。利用VBA技术实现隧道有限元模型可视化内容提纲三维可视化技术概述1可视化理论与技术2虚拟现实技术3增强现实技术和空间定位技术48.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）是指采用三维计算机图形技术、多媒体技术、网络技术、仿真及传感等，并融合图像、声音、动作行为等多源信息的仿真模拟系统，使用户沉浸在三维动态视景中，且能与系统进行感知交互，并对用户的输入进行实时响应，具有交互性、动态性、多感知性、实时性等特征。8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念虚拟现实技术的主要特征：多感知性（Multi-Sensory）浸没感（Immersion）交互性（Interactivity）构想性（Imagination）主要的研究内容：动态环境建模实时三维图形生成技术立体显示和传感器技术应用系统开发工具系统集成技术8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念场景-静态物体8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念动态物体（定义DOF-DegreeOfFreedom）8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念环境-灯光、雾（Fog）等8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念观察者(Observer)及运动模型(MotionModel)8.3虚拟现实技术8.3.1虚拟现实技术基本概念碰撞检测浏览路径LOD（LevelOfDetail)8.3虚拟现实技术8.3.2虚拟现实软件虚拟现实软件SGIOpenGLPerformerMultigen-Paradigm公司的Creator及Vega软件（现:Presagis公司）Dassault公司的VirtoolsQuantum3D公司的OpenGVSAVS/ExpressUnity3D内容提纲三维可视化技术概述1可视化理论与技术2虚拟现实技术3增强现实技术和空间定位技术48.4增强现实技术和空间定位技术8.4.1增强现实技术基本概念增强现实技术（AugmentedReality，简称AR）指通过与计算机相连接的光学透视式头盔显示器或配有各种成像原件的眼镜等，让虚拟物体能够叠加到真实场景上，使它们一起出现在使用者的视场中，目的是将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体。增强现实8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.2空间定位技术空间定位技术一直是增强现实的关键技术之一。灵活准确的将虚拟场景与真实场景叠加，才能将真实与虚拟合成，得到增强现实的场景，使得参与者得到很好的现场感体验。GPS空间定位激光雷达超宽带定位（UWB：Ultrawideband）WiFi常见的空间定位技术RFID技术惯性导航视觉定位8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例隧道火灾逃生试验融合隧道内虚拟火灾场景和热感、嗅觉等真实感受，真正做到虚实结合、增强体验。主体设备实验舱主体结构采用一个半封闭的空间形式，四周采用透明材质维护而成，顶部留出一个天窗，用于实验舱与外界的空气交换。虚拟现实的视景仿真设备，主要包含运动捕捉系统和头显设备，实验人员站在运动捕捉系统上，头戴头显设备，进行虚拟火灾逃生。实验舱四周，设置温度模拟盒，提供热感等增强体验效果。设置数据采集仪，温度和空气质量传感器用于采集实验舱的环境参数，穿戴式心率传感器，用于采集实验人员的体征参数。8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例虚拟现实头显子单元（HTCVive）运动捕捉系统-全向跑步机Omni8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例温度模拟子系统8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例软件平台火灾逃生实验管理平台基于iS3开发，在模块划分中，该管理系统主要分为两个部分，其一是虚拟现实交互表达的实现模块，其二是实验采集数据的存储和表达模块。8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例试验简介隧道结构场景建模隧道平面及三维模型隧道内细节建模8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例隧道火灾场景构建隧道火灾场景火焰和烟雾气模拟，采用Unity的粒子系统进行模拟构建，由于一维蔓延温度及竖向温度不是很大，因此可以采用理想状态方程，并利用Boussinesq假设，即有试验简介8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例隧道火灾场景构建试验简介不同阶段烟雾扩散模拟图0s25s8.4增强现实技术和空间定位技术8.4.3增强现实技术应用案例实验人员实验人员6人（2名女生，4名男生），平均年