虚拟实景技术在管道展示中的应用

赵均

摘要：为实现绿色施工，在已知管道数据的基础上，使用3Dmax建立了地下管网模型，通过Virtools发布到IE浏览器。对实施过程中的几个关键技术进行了阐述。

关键词：3Dmax；Virtools；二叉树

DOIDOI：10.11907/rjdk.143759

中图分类号：TP317.4

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）001013402

0 引言

以前，地下管网的隐蔽工程资料由传统的二维CAD图完成，根据要求的起、止点，窨井的坐标和管顶标高等参数控制施工，在复杂环境下，这种施工方法不利于节约材料，增大了返工的几率，土方开挖还会对周围环境设施产生破坏。三维模型可以直观显示管道的地下形态和走向，以及管道和周围设施之间的空间距离，减少人为主观臆断猜想，从而全面、系统地安排施工。

1 系统架构

一个完整的虚拟实景开发架构如图1所示，本次应用只使用“建模软件”、“虚拟实景开发平台”、“虚拟实景”、“Web浏览器”部分。采用3Dmax建模软件，根据拟装设备材料信息，建立3D模型。在VirtoolsDev中，把开发好的虚拟三维交互系统，通过File菜单/Create Web Page生成为VMO网页格式的文件，进入三维虚拟系统环境进行浏览操作。安装Virtools Web Player浏览器，在桌面交互计算机平台上运行VMO文件，网络浏览是通过Html调用VMO文件超链接方式实现的[1]。

图1 虚拟实境开发架构

2 三维建模

2.1 创建几何模型

建模主要有以下4个步骤：拆分建筑物单元、构建主体建筑、具体细节的构造和处理、粘贴纹理。在拟安装管线的结构上，分解管道构成管件，建立阀门、法兰、伸缩管等复杂管件库，以方便后续直接调用。管沟内按照管道坐标控制管件走向和高度，放置管件模型到相应位置。管沟外建筑物可采用形体合并建模方法，以地面为参考面，按照位置要求放置相应建筑物。

具体操作应注意以下几个方面：①3Dmax制作的所有模型以及材质的命名都应该使用英文字母、数字，而且名字的长度要尽量控制在20个字符以内；②3Dmax模型制作完成后要根据建模对象的复杂程度，选择一个或者多个组合导出生成3dm格式模型文件，如阀门是多个异形体的组合；③每个模型导出后在文本中记录其平移坐标。

2.2 纹理贴图

建筑物纹理图片直接取自相应建筑物分辨率较高的数码照片，并使用CAD或其它相应软件对纹理图片进行校正，然后再使用PhotoShop进行处理，使之符合贴图要求。将建筑物各表面贴上对应纹理，一个三维模型就建立了。常用金属管道属性设置见表1。

具体操作应注意以下几个方面：①制作3Dmax模型时，材质图片完成后要转换为dds格式，并且使用dds格式的图片做最后的纹理图片；②3Dmax模型的材质图片大小必须是2n，也就是说材质图片的边长必须是16、32、64、128、256、512、1 024……；③3Dmax模型导出后必须使用3dm-viewer进行查看，检查纹理是否完整，并保证导出正确模型；④导出的3dm格式模型文件要和相对应的纹理图片保存在同一个文件夹内，文件夹命名必须使用英文字母，该文件夹禁止出现子文件夹。

2.3 烘焙技术

在建模过程中，如果用面片数量的增加来换取微观细致的表面结构，会增大系统运行负荷。3Dmax的Rende ring to Texture渲染到纹理的模块功能，即常说的Texture Baking贴图烘焙技术，通过贴图模拟表面纹理几何结构，是一种有效改善三维模型真实性的措施，能够避免在三维模型搭建中用过多的面数来表示每个细节，降低了模型的复杂度[1]。

纹理图越大渲染的效果就越好，烘焙纹理的大小直接影响最终效果。但纹理过大，对计算机的系统资源消耗就大，渲染速度也很慢。因此，在地下管网系统中，需要有计划地进行烘焙设置。对于施工中的新设备、新工艺、新材料，新型管件应优先考虑使用较大纹理尺寸，管材可以适当降低烘焙时的纹理尺寸，这样可节约有限的系统资源，从而获得高效的烘焙效果。

3 Virtools重要功能

3.1 场景管理

地下管线属于隐蔽工程，展示工程时需要采用视域剪裁、遮挡面剔除等手段，隐藏不需关注的地面信息，如房屋、桥梁、花坛、管沟上方路面等；保留重要节点指示标识，方便快速定位查找；采用桥梁、大型建筑等遮挡指示标识，花坛、房屋等地面建筑，地下管线等分层隐藏按钮。

3.2 碰撞检测

虚拟建筑环境实时漫游时，以摄像机作为观测视角。由于摄像机的移动，摄像机和管道可能发生碰撞，为保持环境的真实性，需要及时检测到这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果。为增强虚拟场景的沉浸感和真实感，定义在管沟内自由漫游时，不可穿越管道和沟壁。

在虚拟场景中，两个不规则的运动物体将要发生碰撞时，可以采用球形包围盒检测法来进行检测，当碰撞发生时，采取相应措施以避免碰撞。首先用参数操作Get Distance获取物体Object1和物体Object2的半径之和，用功能模块Test来检测它们之间的距离是否小于两个物体的半径之和；如果小于，则用功能模块Object Slider来让它们彼此滑动，从而避免碰撞[2]。

3.3 漫游路径

自动漫游是让用户在设计好的路线上观察建筑物。在关键点、设计精彩的位置或是寓意深刻的景观作适当停留，并加入声音向客户说明，以吸引客户注意力。相机将沿着预设路径移动，不需要人工干涉，从而全面浏览场景[3]。

在自动漫游模式下，以飞行模式观察主管、支管，沿有效路径进行漫游。将区域内管线的末端阀门及关键管件简化为节点，使用二叉树算法，沿管线对每个节点遍历。为突出工艺管件的重要性，采用先序遍历的递归算法，即若二叉树非空，则依次执行如下操作：访问根结点、遍历左子树、遍历右子树。先序遍历二叉树的递归算法如下：

void PreOrder（BiTree bt）

{/*先序遍历二叉树bt*/

if （bt==NULL） return； /*递归调用的结束条件*/

Visite（bt->data）； /*访问结点的数据域*/

PreOrder（bt->lchild）； /*先序递归遍历bt的左子树*/

PreOrder（bt->rchild）； /*先序递归遍历bt的右子树*/

}

3.4 数据库连接

在采用自由漫游方式时，有时候需要了解实物具体参数，如地下管网窨井、转折点坐标，井盖、井底、沟槽和管顶等的高程，及附注管道及窨井的编号、名称、管径、管材、间距、坡度和流向。Virtools连接数据库，自由漫游实物，显示对应参数。

（1）安装SQL Server数据库。 服务器操作系统推荐使用Windows Server 2003，并安装IIS。

（2）完成数据库在ODBC数据源管理器的配置。①依次点击[开始]→[管理工具]→[数据源ODBC]项目，启动[ODBC数据源管理]的应用程序；②在[ODBC数据源管理器]中，切换选项卡至[系统DSN]；③点击[添加]按钮，打开[创建新数据源]向导；④在向导中，选择[SQL Server]项；⑤点击[完成]；⑥在[创建到SQL Server的新数据源]向导中，分别输入[名称]、[描述]、[服务器]项，并点击[下一步]按钮；⑦在向导中，选择[使用用户输入登录ID和密码的SQL Server验证]项，并在[登录ID]和[密码]中分别输入要连接数据库的账户和密码；⑧在向导中，将[更改默认的数据库为]项，设置为要访问的数据库名称；⑨其它选择默认值，点击[下一步]按钮；B10使用默认值，点击[完成]按钮。

（3）Virtools Server Controller配置。①依次点击[开始]→[3DVIA]→[Virtools Multiuser Server 5.0]→[Server Controller]的应用程序；②在对话框中点击[Setup]按钮，显示[Virtools Server Setup]对话框；③在对话框中，更改[Server address]组中的[Address]项，从列表中选择已自动识别的IP地址；④[Port]项可保持默认值；⑤在更改后，[Address]和[Port]将在Virtools中使用；⑥在[Modules]组中，双击[Virtools Server Database Module]项；⑦在[Database Module Configuration]对话框中，点击[Add Database]项，添加数据源；⑧在[机器数据源]选项卡中选择要使用的数据源；⑨点击[确定]按钮，输入数据源的登录密码；B10在[Database]列表中配置多个数据源供Virtools使用；B11点击[OK]按钮，完成添加数据源；B12在[Virtools Server Controller]对话框中，点击[Start]按钮启动服务。