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    虛擬現(xiàn)實可視化技術在橋梁工程中的開發(fā)與應用
    
                                  
                    
    作者：建筑鋼結構網(wǎng)    					
    
					時間：2009-12-22 20:26:20					[收藏]
    
               
    
                
    				
    				
    

               
    
               
      
				摘 要：將虛擬現(xiàn)實可視化技術進行開發(fā)，引入到實際鋼結構橋梁中，深入研究大型復雜鋼結構橋梁整個施工過程的仿真，對不同施工組織設計進行優(yōu)化組合，具有可操作性強、人機交互功能。為我國大型鋼結構橋梁的施工組織設計提供科學的理論方法，并對先進技術手段進行虛擬預演。提供橋梁從設計、制作、安裝全過程的動態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實模型和工程動畫，指導工程施工和方案優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟效益和科學進步意義，是虛擬現(xiàn)實在橋梁建設中創(chuàng)新性應用。
      
    關鍵詞：虛擬現(xiàn)實 鋼結構工程 橋梁 動畫 預演 漫游
      

      
1 引言
      
    隨著計算機技術的迅速發(fā)展，工程界各種專業(yè)性軟件的普及、應用,結構內(nèi)力計算、施工圖繪制逐步實現(xiàn)計算機代替人工繪制，極大地提高了生產(chǎn)效率。但是平面模式的結構施工圖紙,其在表現(xiàn)形式上的局限性是顯而易見的,只能面對專業(yè)的工程技術人員,復雜的線條和文字標注以及表格,極易出現(xiàn)識圖錯誤,例如,在橋梁結構中幾千個不同部位桿件尺寸等。應用AUTODESK-CIVIL3D、3D Max等軟件雖然能實現(xiàn)三維模型表現(xiàn)和工程結構構件內(nèi)部構造的描述，但在顯示器觀察時只能展示結構的一個角度或一個側面。
      
    在以往為了實現(xiàn)對構件內(nèi)部結構進行深入觀察，主要采用瀏覽動畫的方式,但這種動畫的可操作性、人機交互性較差,無法直觀描述構件的細部情況，對施工過程的受力變形情況更是難以表現(xiàn)出來。因此，如何實現(xiàn)真正意義上的三維建筑結構表現(xiàn)形式、模擬結構受力變形[1]是現(xiàn)代工程設計表現(xiàn)的一個新議題。通過虛擬現(xiàn)實技術結合到橋梁工程中，人們可以自由地與虛擬環(huán)境中的場景對象交互，產(chǎn)生了一種身臨其境的感覺，從而為橋梁的設計者、施工者與決策者提供了可視化的決策工具。
      

      
2.虛擬現(xiàn)實的概念及現(xiàn)狀
      
    2.1概念
      
    虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術。VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者，通過適當裝置自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。
      
概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術思想上有了質(zhì)的飛躍。 
      
    2.2虛擬現(xiàn)實的關鍵特征
      
    虛擬現(xiàn)實的關鍵特征[2]是：
      
    （1）沉浸感（Immersion）
      
    又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，所達到的最高境界就是：環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。 
      
    （2）交互性（Interactivity）
      
    指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。 
      
    （3）構想性（Imagination）
      
    強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 
      
    2.3虛擬現(xiàn)實的分類
      
    虛擬現(xiàn)實技術是通過一些特殊的外部設備來實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實技術可分為：
      
    (1)被動式虛擬現(xiàn)實 ：在三維環(huán)境中為用戶提供一個封閉的過程，行進路程和觀察對象由軟件嚴格、獨立地控制，用戶除了退出會話外，沒有其它控制權。
      
    (2)查詢式虛擬現(xiàn)實 ：提供一個通過三維環(huán)境時，為用戶指出地形圖，參與者可以選擇路程和觀察，但不能再有其它與三維場景的交互作用。
      
    (3)交互式虛擬現(xiàn)實 ：提供一個通過三維環(huán)境時用戶指出的行程。另外，三維環(huán)境還是虛擬實體反應并作用到行為的參與者。
      
    2.4虛擬現(xiàn)實發(fā)展現(xiàn)狀
      
    從1994年Vrml規(guī)范問世到2000年實現(xiàn)Vrml,再到X3D的轉換,虛擬技術有了很大的發(fā)展。X3D 整合了正在發(fā)展的Xml和Java等先進技術,實現(xiàn)了參數(shù)化和可視化計算。許多大型的圖形圖像處理軟件如3D Studio Max ,Director中,都集成了基本的虛擬技術。目前,在國內(nèi)外出現(xiàn)的一些專業(yè)開發(fā)虛擬現(xiàn)實制作軟件的公司及虛擬軟件已經(jīng)相當成熟和完善，極大地推進了虛擬技術的發(fā)展、普及及應用。
      
    近年來，隨著計算機硬件、軟件技術的發(fā)展，虛擬技術在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實軟件領域也是比較長足的發(fā)展，推出的軟件有了VRP-SDK ，Converse 3D等，特別是VRP-SDK軟件包為客戶提供了VRP的內(nèi)核接口，更方便對其進行開發(fā)。
      
    2.5虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）
      
    VRML空間不僅僅是場景的建立，還應該包括環(huán)境中各個對象屬性與行為的定義，甚至將對象的表情，動作等都可反映出來，新的技術正不斷完善它的功能。  
      
VRML語言的優(yōu)點：
      
    (1)平臺無關性 ：VRML語言建立在三維虛擬實驗場景的優(yōu)勢在于其可以非常方便的生成三維幾何實體，也具有平臺無關性的特點。
      
    (2)C/S的工作模式 ：VRML的訪問方式是基于客戶/服務器模式的。其中服務器提供VRML文件所支持的資源（圖象視頻、聲音等），客戶端通過網(wǎng)絡下載希望訪問的文件。并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式的訪問該文件的虛擬境界。
      
    (3) 實時3D圖形渲染 ：實時3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。這一特性使VRML建模和實時訪問更明確地隔離開， VRML不同于其他3D建模動畫，它具有交互性。
      
    (4) 網(wǎng)絡傳輸容易 ：VRML適合于計算機網(wǎng)絡的傳輸，并不要求有很高的網(wǎng)絡傳輸帶寬，而且圖形生成的工作放在要求不高的客戶機上。由于VRML可以在低帶寬異構網(wǎng)絡環(huán)境中實時進行三維信息的遠程傳輸和遠程指令的接受，而且對三維圖形生成的計算機性能要求不高，所以，用它來構筑分布式虛擬環(huán)境具有低代價集約化的特點。
      
    (5) VRML具有可伸縮性 ：首先對VRML瀏覽器來說，從理論上講，應能處理由數(shù)億個對象組成的分布在Internet上的境界。其次，VRML境界可以相對于網(wǎng)絡性能而伸縮，可用于不同類型的網(wǎng)絡連接中。
      

      
3.虛擬現(xiàn)實技術在橋梁工程中的開發(fā)和應用
      
    Vb6.0作為一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言結合VRP平臺，開發(fā)的面向橋梁工程可視化仿真系統(tǒng)界面（以下簡稱VBB-VRP)，集合了計算機圖像學、數(shù)據(jù)庫技術、人機交互技術于一體，實現(xiàn)了真正意義上的人機交互式的虛擬現(xiàn)實在鋼結構橋梁工程上的的具體應用。
      
    3.1 VBB-VRP操作界面介紹
      
    本系統(tǒng)是結合壩凌河特大鋼絎橋工程的需要進行開發(fā)的，它通過對虛擬現(xiàn)實模型的實時結合，實現(xiàn)虛擬模型與操作的實時、交互控制，呈現(xiàn)架設過程各構件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進度的實時查詢功能。
      
    系統(tǒng)主要由5部分組成，即VRP顯示系統(tǒng)、Treeview部分、 Listview部分、Picturebox部分、Textbox及Button鍵部分（詳見圖3.1所示）。
      
    （1）VRP顯示系統(tǒng)，為主程序提供直觀、友好的動畫場景，通過動畫展示架設過程，操作者可以隨機進行交互操作，可以進行放大、旋轉等各種控制和深入觀察。
      
    （2）Treeview部分，主程序的控制既通過它來實現(xiàn)，它是以目錄樹的形式分級顯示各架設階段，層次清楚，查詢方便，操作者可以通過該控件直觀的調(diào)用查詢?nèi)我饧茉O段各桿件截面尺寸、材料屬性、重量長度等參數(shù)；
      
    （3）Listview部分，連接數(shù)據(jù)庫部分。它的作用是進行結果輸出，通過treeview目錄樹結點的激發(fā)，把調(diào)用的結果數(shù)據(jù)在listview內(nèi)呈現(xiàn)出來。
      
    （4）Picturebox部分，為了給操作者提供更直觀的數(shù)據(jù)查詢圖片，設計中充分運用圖片提供出桁架的架設位置、控制結點的位置以及纜索和梁的截面形式。
      
    （5）Textbox和Button鍵，實現(xiàn)對主程序的操作功能和信息顯示。
      


      
    該系統(tǒng)一方面可以詳細地展現(xiàn)各施工階段每一桿件的截面尺寸、形狀、面積、長度、重量和實時施工完成百分比，以及提供詳細的施工動畫演示等，為施工單位進行梁截面的施工和校核工作提供了很大方便；二是實現(xiàn)了對橋梁計算結果數(shù)據(jù)庫化，可以任意查詢各架設過程施工控制點的計算結果，極大的方便了使用者對結果數(shù)據(jù)的調(diào)用，改變了單一的采用數(shù)據(jù)列表和圖表顯示，實現(xiàn)施工控制的自動化。
      
    3.2 VBB-VRP的應用實例
      
    壩陵河大橋是目前國內(nèi)首座跨徑超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋（見圖3.2），工程規(guī)模較大、建設條件復雜、技術難度高。大橋主纜橫橋向間距為28.0m，吊索順橋向間距為10.8m，主跨1088m，是“中國第一，世界第七”的大跨徑鋼桁加勁梁懸索橋[3]。
      


      
    3.2.1 VBB-VRP系統(tǒng)概況
      
    在模型建立時考慮施工需要，坐標系的選用采用以東西方向為坐標軸的X軸方向，西方向為坐標軸的正方向，南北方向為坐標軸的Y軸方向，南方向為坐標軸的正方向，（見示意圖3.3（a））豎直方向為Z軸方向，其中X的零點在壩陵河大橋東索塔軸線，Z方向坐標采用設計圖紙所給出的坐標，見示意圖3.3（b）。
      


      


      
    纜索和桁架梁截面參數(shù)的查詢、校核也是施工中一項重要工作，因此，程序中對各施工段梁的截面形式和參數(shù)也進行了匯總，其中纜索截面為圓形，桁架梁的截面為箱形和工字形，分別見圖3.4所示。
      
    坐標控制點為每架設段桁架的控制點如圖3.5所示，每架設段取點16個，其中角點8個，球形鉸支座位置處8個，整跨鋼桁架橋控制點為808個，經(jīng)各架設段計算之后，數(shù)據(jù)總計為12016組坐標，通過數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實模型進行動態(tài)鏈接。
      


      


      
    3.2.2 VBB-VRP系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
      
    項目中應用虛擬現(xiàn)實和三維可視化仿真技術為國內(nèi)最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設過程提供了安裝全過程的動態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實模型和動畫。把整個工程作為一個大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)工程中各個單項工程之間的相互影響、相互制約、及整體的施工進度、施工強度、流程程度等關鍵問題，獲得更為真實的施工情況，在虛擬模型中充分進行模擬預演，從而達到為施工組織提供科學的依據(jù)和措施。
      
    通過所設計的VBB-VRP平臺，實現(xiàn)圖像與操作的實時、交互控制，實現(xiàn)了架設過程各構件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進度的實時查詢功能以及施工動畫的演示，并實現(xiàn)對橋梁的施工過程隨時多角度細致查看和準確查詢（界面截圖見圖3.6-3.8），把現(xiàn)代化施工管理的做到“圖像化”、“具體化”和“簡單化”。
      


      


      


      
    同時，該平臺的建立還對對確定合理可行的施工方案提供技術保證， 對提高生產(chǎn)效率具有的現(xiàn)實意義包括：
      
    (1) 橋梁施工方案的選擇和優(yōu)化。以往的橋梁工程施工方法及施工組織選擇和優(yōu)化主要是建立在施工經(jīng)驗的基礎上，存在一定局限性，同時，橋梁工程施工具有不可重復性。使用該平臺的虛擬現(xiàn)實技術將可以直觀、科學地展示不同施工方法的效果，可以定性地完成施工方案的對比，有助于施工方案的選擇和優(yōu)化，實現(xiàn)真正最優(yōu)施工。
      
    (2)施工技術的革新和新技術的引入， 使施工模擬技術一方面能使廣大施工技術人員低成本地試驗施工新工藝和革新思路，有助于充分發(fā)揮創(chuàng)造性。同時能真實地展示新技術的成效，縮短橋梁行業(yè)新技術的引入期和推廣期，降低新技術、新工藝的試驗風險。
      
    虛擬現(xiàn)實與可視化仿真計算及顯示方法已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼結構橋梁設計、施工優(yōu)先考慮的手段。隨著工程規(guī)模的不斷擴大，人們對現(xiàn)代的橋梁工程設計理論、制作工藝、施工組織設計將提出更高的要求。
      

      
4.結論
      
    將虛擬現(xiàn)實技術引入到鋼結構橋梁建設中，深入研究大型復雜鋼結構橋梁整個施工過程對不同施工組織設計進行優(yōu)化，具有可操作性強、人機交互功能，為我國大型鋼結構橋梁的施工組織設計提供科學的理論方法和先進技術手段，指導工程施工和方案優(yōu)化，具有很好的經(jīng)濟價值和科學進步意義，是虛擬現(xiàn)實與可視化仿真技術在鋼橋梁建設中創(chuàng)新性應用。
      

      

      
參考文獻：
      
    1.姜華，魏群，焦?jié)瑖辣? 梁腹板開圓孔鋼框架的抗震性能分析[J]. 河南理工大學學報. Vo1.27,2008
      
    2. 魏群，邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應用[J]，新世紀水利工程科技前沿，天津大學出版社，2005
      
    3. 魏群，彭成山，姜華，嚴斌等. 鋼桁梁架設過程仿真技術（報告）.華北水利水電學院鋼結構與工程研究所.2007.3
      
          
		  
      				
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