（道路与铁道工程专业论文）虚拟环境铁路选线系统的景观环境建模方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，铁路在我国以迅猛的速度发展，特别是高速铁路和客运专线的大 规模建设，给选线工作者带来了机遇和挑战。传统的选线设计方法存在诸多 弊端，基于虚拟环境的铁路选线设计是目前的一个研究热点。在虚拟环境铁 路选线设计中选线环境的模拟至关重要，而景观模型的建立直接影响这个环 境模拟的逼真度。本文从选线三维环境的特殊性出发，综合利用计算机图形 学、模型数据库管理、虚拟现实、人机交互、计算机动画等理论和技术，针 对海量地形数据管理、真实感景观模型图形绘制、铁路线路景观模型建立及 模型的驱动等关键技术展开了深入的研究。并基于本文研究的方法和理论研 制了一个虚拟环境选线系统的景观环境动态仿真子系统。 本文的主要研究内容和研究成果如下： 1 、地形环境模型的海量数据组织和管理算法研究 虚拟环境选线系统景观环境建模研究的关键问题之一是研究模型和数 据结构的优化组织方法、优化实时显示算法来处理这种海量数据和高质量的 显示效果，满足选线设计的需要。在现有的计算机图形硬件性能基础上，通 过采用o r a c l e 9 i 数据库对地形数据分块存储管理，达到了海量数据处理和高 质量实时显示效果间的平衡。 2 、线路三维环境动态仿真的相关技术研究 从线路三维环境的特殊性出发，详细介绍了环境建模技术、真实感景观 模型图形绘制技术、基于几何图形的实时绘制技术、视点选择技术和基于 o p e n g l 的动画生成技术，并成功的应用于选线设计成果的三维直观表达。 3 、虚拟环境选线系统的景观环境模型的建立 采用基于o p e n g l c + + 仿真器的虚拟现实仿真机制，对虚拟环境选线系 统的景观环境模型的建立进行了分别的探讨。针对o p e n g l 的三维图形处理 功能非常强大，而对复杂实体的建模能力不足的特点，利用第三方建模工具 建立铁路线路复杂构造物模型。最后利用o p e n g l 实现了整体景观环境模型 的动画驱动。 4 、虚拟环境选线系统的景观环境动态仿真系统的研制和应用 结合西南交通大学研究的虚拟环境选线系统，开发出了一个融合上述理 论与方法于一体的景观环境动态仿真子系统，用实例验证了本文理论与方法 的正确性。 关键字：虚拟环境选线系统虚拟现实景观模型o p e n g l 三维图形 库o r a c l e 9 i 数据库 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er a i l w a yi no u rc o u n t r yd e v e l o p sa tar a p i dp a c e ，e s p e c i a l l y t h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fh i 曲一s p e e dr a i l w a ya n dp a s s e n g e rl i n eb r i n gb o 也 o p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e st ot h er a i l w a yl o c a t i o nd e s i g n e e t h et r a d i t i o n a l r a i l w a yl o c a t i o nd e s i g nm e t h o d sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e sa n dt h er a i l w a y l o c a t i o nd e s i g nb a s e do nv i r t u a le n v i r o n m e n tg r a d u a l l yb e c o m e sah o tt o p i c t h e s i m u l a t i o n o fr a i l w a yl o c a t i o nd e s i g ne n v i r o n m e n tt a k e su pav e r yi m p o r t a n t p o s i t i o n i nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n tr a i l w a yl o c a t i o nd e s i g n ，w h i l et h es c e n e m o d e lb u i l d i n gm a k e sad i r e c ti m p a c to nt h ef i d e l i t yo ft h es i m u l a t e d e n v i r o n m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t sf r o mp a r t i c u l a r i t yo f3 de n v i r o n m e n to f l o c a t i o nd e s i g n ，c o m p r e h e n s i v e l yu t i l i z a t i n gc o m p u t e rg r a p h i c s ，m o d e ld a t a b a s e m a n a g e m e n t ，v i r t u a lr e a l i t x , h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，c o m p u t e ra n i m a t i o n a n do t h e rt h e o r ya n dt e c h n o l o g yt oc a r r yo u ti n - d e p t hs t u d i e sf o rm a s s i v et e r r a i n d a t am a n a g e m e n t , r e a l i s t i cs c e n em o d e l sg r a p h i c sd r a w i n g ，t h er a i l w a yl i n e s c e n em o d e l sb u i l d i n g ，m o d e ld r i v e na n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e s m e a n w h i l e ， b a s e do nt h em e t h o d sa n dt h e o r i e so ft h i s d i s s e r t a t i o n ，d e v e l o p e das c e n e e n v i r o n m e n td y n a m i cs i m u l a t i o n s u b s y s t e mo fv i r t u a l e n v i r o n m e n tr a i l w a y l o c a t i o nd e s i g ns y s t e m m a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 m a s s i v ed a t ao r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n ta l g o r i t h mr e s e a r c ho ft e r r a i n e n v i r o n m e n tm o d e l t h er e s e a r c ho fs c e n em o d e lb u i l d i n go fv i r t u a le n v i r o n m e n tl o c a t i o n d e s i g ns y s t e m ，o n eo ft h ek e yi s s u e si st os t u d yt h em o d e la n dd a t as t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n a n d o r g a n i z a t i o nm e t h o d ，o p t i m i z i n g t h er e a l t i m e d i s p l a y a l g o r i t h mt od e a lw i t ht h i sm a s sd a t aa n dh i g h q u a l i t yd i s p l a yt om e e tt h en e e d s o fl o c a t i o nd e s i g n 。o nt h eb a s i co ft h ee x i s t i n gc o m p u t e rg r a p h i c sh a r d w a r e p e r f o r m a n c e ，b ya d o p t i n gt h eo r a c l e 9 id a t a b a s et oa c h i e v et h eb l o c ks t o r a g e m a n a g e m e n to ft e r r a i nd a t aa n dt og e tt h eb a l a n c eo fm a s s i v ed a t ap r o c e s s i n g a n dh i g h q u a l i t yr e a l - t i m ed i s p l a y 2 r e l e v a n tt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f3 dd y n a m i cs i m u l a t i o no f r a i l w a yl i n e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，f r o mt h ep a r t i c u l a r i t yo f3 de n v i r o n m e n t ，m a k ed e t a i l e d i n t r o d u c t i o no fe n v i r o n m e n t a lm o d e l i n g ，r e a l i s t i cs c e n em o d e l sg r a p h i c sd r a w i n g t e c h n o l o g y , g e o m e t r i cg r a p h i c b a s e dr e a l t i m ed r a w i n gt e c h n o l o g y , p e r s p e c t i v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s e l e c t i o nt e c h n o l o g ya n do p e n g l b a s e da n i m a t i o ng e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , a n d s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o3 d v i s u a le x p r e s s i o no ft h el o c a t i o nd e s i g nr e s u l t s 3 t h es c e n ee n v i r o n m e n tm o d e lb u i l d i n go fv i r t u a le n v k o n m e n tl o c a t i o n d e s i g ns y s t e m b a s e do nv i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o nm e c h a n i s mo fo p e n g l c + + e m u l a t o r s ， c o n d u c t e das e p a r a t es t u d yt os c e n ee n v i r o n m e n tm o d e lb u i l d i n go fv i r t u a l e n v i r o n m e n tl o c a t i o nd e s i g ns y s t e m ，o p e n g lf o rt h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c s p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa r ev e r ys t r o n g ，w h i l et h ec o m p l e xe n t i t i e sm o d e l i n g l a c k so fc a p a c i t y , u s i n gt h i r d - p a r t ym o d e l i n gt o o lt oc o n s t r u c tac o m p l e xm o d e l f o rt h er a i l w a yl i n e f i n a l l ya c h i e v e t h eo v e r a l ls c e n ee n v i r o n m e n tm o d e l - d r i v e n a n i m a t i o nb ym a k i n gu s eo fo p e n g l 4 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fas c e n ee n v i r o n m e n td y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e mo fv i r t u a le n v i r o n m e n tl o c a t i o nd e s i g ns y s t e m c o m b i n a t i o no fv i r t u a le n v i r o n m e n tl o c a t i o nd e s i g ns y s t e mo fs o u t h w e s t j i a ot o n gu n i v e r s i t ya n di n t e g r a t i o no fa b o v et h e o r i e sa n dm e t h o d s ，t h e d i s s e r t a t i o nd e v e l o p ss c e n ee n v i r o n m e n td y n a m i cs i m u l a t i o ns u b s y s t e ma n d v e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n dm e t h o do ft h e d i s s e r t a t i o nw i mt h e i n s t a n c e k e yw o r d s ：v i r t u a le n v i r o n m e n tr a i l w a yl o c a t i o ns y s t e m v i r t u a l r e a l i t y s c e n er h o d e l s o p e n g l3 dg r a p h i c sl i b r a r y o r a c l e 9 i d a t a b a s e 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书 2 不保密4 适用本授权书 ( 请在以上方框内打“4 ) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做储签名烈 日期： 7 月龇曰 指导教师妣笏2 若 日期2 0 吁年( 月日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、采用o r a c l e 9 i 数据库对地形环境模型的海量数据进行了有效的组织 和管理。 虚拟环境选线系统景观环境建模研究的关键问题之一是研究模型和数 据结构的优化组织方法、优化实时显示算法来处理这种海量数据和高质量的 显示效果，满足选线设计的需要。在现有的计算机图形硬件性能基础上，通 过采用基于金字塔模型的数据组织方式和o r a c l e 9 i 数据库管理技术对地形 数据分块存储管理，达到了海量数据处理和高质量实时显示效果间的平衡。 2 、探索了线路三维环境动态仿真的相关技术 基于o p e n g l 建模工具，探讨了环境建模技术、真实感景观模型图形绘 制技术、基于几何图形的实时绘制技术、视点选择技术和基于o p e n g l 的动 画生成技术，并成功的应用于虚拟环境选线系统选线设计成果的三维直观表 达。 3 、对铁路线路复杂构造物模型的建模方法进行了深入研究。 基于o p e n g l c + + 仿真器的虚拟现实仿真机制，针对o p e n g l 的三维图 形处理功能非常强大，而对复杂实体的建模能力不足的特点，利用第三方建 模工具a u t o c a d 2 0 0 4 和3 d sm a x6 0 建立了铁路线路复杂构造物模型。 4 、在虚拟环境选线系统的基础上开发出一个融合上述理论与方法子一 体的景观环境动态仿真子系统。 靴敝储签名黜考 签字醐：年7 月叫日 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论弟一早 三百y 匕 1 1 引言 1 1 1 研究意义 铁路作为国民经济的大动脉，在我国以迅猛的速度发展。特别最近几年 国家为了拉动经济发展，加大了包括铁路在内的基础设施的投入，铁路建设 形势大好。截至2 0 0 8 年底，铁路营业里程已达8 万公里。另外根据中国铁 路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，中国铁路营业里程规划目标为1 2 万公里以 上，其中客运专线为1 6 万公里，电化率为6 0 ( 铁道部中长期铁路网规 划( 2 0 0 8 年调整) ) 。大规模的铁路建设，特别是高速铁路和客运专线的发 展，给选线工作者带来了巨大的压力和挑战。高速铁路和客运专线铁路经行 区域经济发达，城镇密布，铁路沿线地理环境和地质环境均较复杂，选线设 计更注重环境选线、景观选线和地质选线【l 】。选线技术涉及到多种学科的综 合应用。随着电子计算机的迅速发展，虚拟现实技术、系统仿真技术和三维 可视化方面都有了重大突破。充分利用新技术、新理论建立铁路虚拟环境选 线系统，将设计或生成的数据转换成可以直接观察的对象实体，可以使得在 铁路勘测设计阶段决策者们就能在虚拟的选线环境中观察到拟建铁路与环 境的关系，从而正确做出投资决策。这种可视化的辅助决策，不仅能够为决 策者审查设计方案提供直观的方案形象，而且可以发现通常通过数值信息很 难发现的现象，获得意料之外的启发与灵感 2 , 3 a , 9 1 。 在选线系统虚拟环境建模中，如何利用虚拟现实技术和空间信息技术， 快速有效地建立环境景观模型，是系统建模的关键问题之一。本文正是基于 上述背景，针对实现铁路线路的三维选线环境建模中，建立三维景观模型的 若干关键技术，展开了深入研究。 对铁路线路进行三维可视化设计，可以克服传统二维设计方法的不足， 对于方便铁路设计方案的审查、提高设计质量有重要作用。在线路三维可视 化设计中选线环境的模拟至关重要，而景观环境模型建立的好坏将直接影响 该选线环境的逼真度。建立铁路线路三维景观模型是实现铁路线路三维可视 化的关键。在虚拟环境选线系统中，通过虚拟现实中的各种景观模型，如地 形、地物、线路构造物等，使设计人员以非常直观的形式看到自己的各种设 计方案，具有仿佛置身于现实世界一样的临境感。辅助设计者进行分析、评 价、规划或决策，以得到选线最优解，从而提高设计速度和设计质量【6 1 。铁 路线路三维可视化设计的研究和应用必将推动铁路的高速发展，作为实现三 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 维可视化设计的关键，景观环境建模的研究也有着重要意义。 1 1 2 铁路选线系统的景观环境的含义 景观环境原是一个地理学名词，一般泛指地表的自然景色环境，由形态、 结构和色彩等构成。随着科学技术的发展，很多专业领域都引入了景观环境 的概念，景观环境被赋予了不同的内涵【6 2 1 。铁路选线系统的景观环境包括 铁路本身形成的景观、铁路线路周围区域的地理环境以及沿线的人造或自然 景观。它是铁路与其周围景观的综合的景观环境体系，是一种功能性、观赏 性及艺术性的结合。铁路选线系统的景观环境包含的内容如图1 1 所示： r 铁路线路实体景观 严路实体景观_ 桥梁、隧道等沿线构造物景观 l l 雉器 线路带状地形环境 lr 江河、湖泊、树木、森林等 ii 认造或自然景唰房屋、既有道路等 。j 。 图1 1铁路选线系统景观环境包含的内容 1 2 计算机辅助线路设计的研究与发展概况 1 2 1 国外的研究与发展概况 2 0 世纪6 0 年代初期是c a d 技术发展和应用的起步时期。此时，国 外已经开始着手将c a d 技术应用于铁路和公路路线设计【1 , 2 , 8 】。这一时期线 路c a d 的主要任务是将设计人员从繁冗重复的计算工作中解脱出来，解 决了诸如平面和纵断面几何线形的计算、横断面设计及土石方计算等问题。 在此基础上，为了提高经济效益，西方发达国家先后开展了公路纵断面优化 的工作，经过一段时间的探索，各国相继研制出了比较成熟的纵断面优化程 序系统。例如：英国运输与道路研究所的h o p s 系统、法国s e t r a 公路局 的a p o l l o 系统都是长期在计算机上实现的线形优化系统。 2 0 世纪7 0 年代，c a d 技术进入广泛使用时期。随着数字地面模型 ( d t m ) 开始应用，计算机绘图技术可直接提供设计和施工图。许多国家在纵 断面优化设计的基础上，将线路优化技术拓宽到线路平面线形和空间线型的 优化，研制了相应的平面线型和空间线型的优化程序系统。这一时期较有名 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的软件有英国的n o a n 程序，美国普渡大学的g c a r s 程序、德国的e p o s 1 程序和美国麻省理工大学( m i t ) 的o p t l o g 程序等。 2 0 世纪8 0 年代，c a d 技术进入突飞猛进时期。8 0 年代中期，国外 的最新研究方向主要集中在线路勘测设计中智能c a d 技术应用、地理信 息系统的应用以及道路设计中的三维c a d 技术应用与可视化技术。很多 国家己建立了由航测设备、计算机( 包括绘图机、数字化仪等外部设备) 和专 用软件包形成的组合系统。软件包往往包含从数据采集、建立数字地形模型、 优化技术以至进行全套计算机计算、绘图和报表的完整系统。如美国的 c a n d d 系统，德国的s i c a d 系统和芬兰的r o a d c a d 系统等。 进入2 0 世纪9 0 年代，c a d 技术的发展更趋成熟，将开放性、标准 化、集成化和智能化作为其发展特色。线路c a d 技术已发展成集数据采集 与处理、设计、分析、优化于一体的集成化、系统化技术。其软件的适应性 大大增强，并开始应用人工智能解决设计中的一些问题。国外在线路c a d 上推出了多个优秀软件，他们具有较大的柔软性，试图满足多元化设计标准， 走向国际化。这个时期比较典型软件系统有英国的m o s s 系统、德国的 c a r d 1 系统、美国的i n r a i l 系统和澳大利亚旷达公司的q u a n n n 系统。其 中英国m o s s 系统是一套贯穿运用于测量、设计、分析、绘图和可视化分 析等整个设计过程的系统，使铁路线路设计真正实现了勘测设计一体化，已 经被广泛地应用在欧美一些发达国家的铁路线路设计工程项目中。德国 c a r d l 系统，突出公路几何设计与排水设计，覆盖铁路、测绘、道路及管 道多个专业，可完成铁路、轻轨、地铁和磁悬浮等各种复杂工程设训1 0 】。 美国i n r a i l 系统，是世界级领先的铁路基础设施设计软件解决方案，将整 个设计过程统一在数据库的基础上，它可直接处理由全站仪电子手薄采集的 数据，也接受来自航摄像片、扫描文件、立体摄像、a s c h 文件和其它数字 化手段获得的数据【l l 】。澳大利亚旷达公司的q u a l l 饷系统，可以应用于工程 预可研和工程可行性研究阶段的线路走廊带和线路方案的比选，也可以应用 于初步设计阶段线路方案优化，以有效地控制工程成本。这些软件代表了当 今国际线路c a d 的潮流与方向，其共同特点是：( 1 ) 建立在功能强大的三 维数字地面模型及结构物模型的基础上，有较完善的测量数据采集与处理子 系统；( 2 ) 能完成除构造物设计之外的线路设计全过程；( 3 ) 图形处理功能 完善，具有完善的三维图形显示功能：( 4 ) 人机交互界面较为友好，运用人 机交互手段进行设计；( 5 ) 分析算法多样，具备多种工程分析与计算方法； ( 6 ) 软件开发技术紧跟计算机技术发展潮流，软件水平较高，软件商品化程 度较高。但由于这些软件普遍存在着价格昂贵，并且不适应中国的设计规范 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 及设计习惯等问题，因此要想使这些软件能真正用于我国的铁路和公路设 计，还有大量的二次开发工作，并且二次开发也仅仅限于系统的外围难以涉 及内核，这些软件在中国的应用还处于起步阶段【l 】。 1 2 2 国内的研究与发展概况 我国选线计算机辅助设计( c a d ) 的研究始于7 0 年代末期。8 0 年代中期 以前为准备时期，主要工作集中在纵断面优化方法的研究方面。铁路行业的 各大设计院和铁路院校均开展了相关的研究工作。开发的软件主要是进行数 值计算和分析。由于此时期的图形设备仅具有输出功能，c a d 技术处于被 动式的图形处理阶段1 2 j 。 8 0 年中期以来，计算机硬设备发展很快，支撑软件也不断丰富，特别 是微型计算机的推广普及，文件系统的使用，使得铁路计算机辅助设计的软 件可采用模块化程序设计方法分块研制，然后按设计流程的顺序串联起来， 形成较完整的程序系统。此阶段国内线路平纵面联合优化的理论和方法研究 取得了一批可喜的成果。但是此时国内的研究成果仍然以数值分析和计算为 主，加之数字化勘测信息技术问题尚未解决，研究成果的推广应用非常缓慢。 8 0 年代末期至9 0 年代中期，随着计算机图形学和软件工程的发展，线 路计算机辅助设计技术也从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设 计，开发出了集地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、纵断面自动设 计以及绘制线路平、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。 随着现代勘测设计技术的迅速发展和测量仪器的现代化，地形信息数字 化的困难也基本得以解决；空间地形学的理论和应用研究也有了实用型成 果。到9 0 年代中期，国内已经能方便地获得供铁路线路计算机辅助设计用 的数值地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用方面、计算机辅助 勘测与设计方面、以及计算机辅助成图方面均做了大量的研究与开发工作， 已研制了一批实用软件。广泛推广计算机辅助线路设计技术的条件已经具 备。 “九五 期间铁路科技发展重大项目“勘测设计一体化、智能化技术研 究”的开展，是铁路计算机c a d 技术进入蓬勃发展和广泛使用时期的标志。 铁道部科技司按照工程项目管理模式组织国内各大设计院和高等院校联合 攻关，开展铁路勘测设计计算机辅助设计技术的应用研究。按照“铁路勘测 设计一体化和智能化系统 要实现网络化、数字化、数据库化、集成化、智 能化的基本要求，对各专业现有的设计软件进行修改和功能扩充；同时按照 甩掉图板的目标，完成勘察设计技术手段从传统的手工方法向现代化c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 技术转变的要求，大力开发新的软件，系统地全面地向工程化、综合化、系 统化推进，形成专业覆盖面大、可适用于不同设计阶段、设计要求的功能强 大的专业集成化c a d 系统。经过5 年多的努力，铁路勘测设计一体化项目 的研究目标已基本实现，在铁道一、二、三、四勘测设计院的共同努力下， 取得了十分有价值的研究成果，铁路勘测设计一体化研究成果已经进入实用 阶段。实现铁路选线设计智能化的难度更大，在“九五”期间要求解决理论 难点和关键技术，这一目标也已经达到。由西南交通大学主持研究的“铁路 新线智能c a d 系统研究 项目，研究了一个融人工智能与知识工程、工程 数据库技术、计算机图形技术与优化方法为一体的铁路新线设计智能c a d 原型系统。铁路新线智能c a d 系统进入了应用软件开发阶段。 “十五 以来，随着虚拟现实、计算机仿真等技术的发展，铁路选线 c a d 的研究集中在基于数字地型模型( d t m ) 的三维可视化选线c a d 系统研 究【5 , 1 2 , 1 6 , 1 7 】、基于g i s 的选线c a d 系统研究1 1 3 , 1 4 3 5 】及虚拟环境选线系统的理 论与方法研究【l ，2 1 。 1 2 3 铁路线路c a d 的发展趋势 当前计算机技术及相应支持软件系统的发展日新月异，更新迅速，大大 促进了线路c a d 技术的发展。其发展的热点首推线路c a d 系统的可视化、 集成化、智能化与网络化。其具体内容包括图形仿真、可视化、高交互性、 c a d 虚拟环境、集成系统的开发、工程数据库、专家系统和网络技术等0 , 4 s l 。 目前铁路选线c a d 的发展可以考虑以下一些技术的应用： ( 1 ) 数字地球系统技术的应用； ( 2 ) 智能决策技术的应用； ( 3 ) 嵌入式系统的应用； ( 4 ) 虚拟现实 哏) 技术的应用； ( 5 ) 分布式多媒体通信技术的应用； ( 6 ) 多媒体仿真技术的应用； ( 7 ) 工程信息管理技术的应用： 1 3 虚拟环境铁路选线系统的概念 本文引用文献【2 对铁路线路设计系统虚拟环境的定义，如下： 定义l ：铁路线路设计系统的虚拟环境是指由计算机及其辅助设备与系 统软件和应用软件所构成的一个由自然环境和智能环境集成的计算机辅助 设计环境，可表达为图1 2 所示框架： 西南交通大学硕士研究生学位论立第6 页 瞳，： 圈蓦 图1 - 2 铁路选线设计系统虚拟环境框架 定义2 ：选线设计系统的自然环境是由与地形、地质、水文、土地属性、 既有结构物等相关的数字信息和图形信息构成的集成环境。 定义3 ：选线设计系统的智能环境是由选线工程师与基子计算机的选线 知识库与推理机、选线工程数据库、图形交互设计界面和优化与决策分析方 法所构成的集成环境。 从以上定义可知，基于虚拟环境的铁路选线系统是一个溶人工智能与知 识工程、敷据库技术、计算机图形技术与优化方法为体的智能c a d 系统。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下四个方面： 1 、地形环境横型的海量数据管理和建模算法研究 虚拟环境选线系统景观环境建模研究的关键问题之一是研究模型和数 据结构的优化组织方法、优化实时显示算法来处理这种海量数据和高质量的 显示效果，满足选线设计的需要。长大线路的地形数据量极其庞大，甚至可 以说是无限的，远远超出了一般图形系统的实时渲染和内存管理能力，但是 又要使虚拟地形场景达到一个较好的立体可视化效果在现有的计算机图形 硬件性能基础上，还需要通过有效的数据管理和合理的建模算法来达到海量 数据处理和高质量实时显示效果间的平衡。 2 、线路三维环境动态仿真的相关技术研究 线路三维环境动态仿真的目标是由计算机生成虚拟环境，模拟铁路沿线 的复杂场景，用户可以在该场景内进行各种交互操作，包含实体的交互、线 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 路的走向选择和设计结果的动态漫游等。要实现这种目标，除了需要些专 业的计算机硬件设备外，还必须有动态仿真的相关技术及软件加以保证。本 文从线路三维环境的特殊性出发，详细介绍了环境建模技术、真实感景观模 型图形绘制技术、基于几何图形的实时绘制技术、视点选择技术和基于 o p e n g l 的动画生成技术。 3 、虚拟环境选线系统的景观环境模型的建立 虚拟环境选线的景观环境模型主要包括： 1 ) 线路实体模型，主要包括设计线模型和线路构造物模型。 2 1 ) 线路带状地形模型，主要包括带状线路周围区域内的地理表面形态。 3 ) 地面自然景物模型，主要包括线路周围分布的树木，沿线跨越的江 河湖泊等。 4 ) 人工建物模型，主要包括线路周围的房屋、居民地和既有道路等。 本文采用基于o p e n g l c + + 仿真器的虚拟现实仿真机制，对上述四种景 物模型的建立进行了分别的探讨。研究时采用先个体后整体的研究方法。对 景观环境模型中所需要的个体模型分别建模，然后形成整体。如线路实体模 型可分为路基模型、边坡模型、隧道模型、涵洞模型和桥梁模型等部分，而 这些部分又可以进一步的细分，如桥梁模型可细分为桥跨结构模型和桥梁墩 台模型等。针对o p e n g l 的三维图形处理功能非常强大，而对复杂实体的建 模能力不足的特点，利用第三方建模工具建立铁路线路复杂构造物模型。当 整体模型建立完毕，利用o p e n g l 实现了景观模型的动画驱动。 4 、虚拟环境选线系统的景观环境动态仿真系统的研制 结合西南交通大学研究的虚拟环境选线系统，开发出了一个融合上述理 论与方法于一体的景观环境动态仿真子系统，用实例验证了本文理论与方法 的正确性。 1 5 论文的结构 本论文包括结论共5 章： 第一章绪论，介绍了论文的研究背景、研究目的和意义、主要研究内容 和论文结构以及计算机辅助线路设计在国内外的研究概况，并概述了科学计 算可视化技术的含义和实现铁路线路的三维可视化设计的意义等。 第二章论述了线路三维环境动态仿真的相关技术，这是建立景观模型， 实现线路三维可视化设计的关键。 第三章结合线路三维环境动态仿真的相关技术、o p e n g l 图形库，讨论 了在线路三维设计中，各个景观环境模型的建立方法。并采用个体一整体的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 建模思想，实现了线路景物模型的建立和模型的驱动。 第四章结合西南交通大学研究的虚拟环境选线系统，开发出了一个融合 上述理论与方法于一体的景观环境动态仿真子系统。 结论部分对本文的研究进行了系统地概括和总结，提出了需进一步研究 的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章线路三维环境动态仿真的相关技术 2 1 概述 线路三维环境动态仿真的目标是由计算机生成虚拟环境，模拟铁路沿线 的复杂场景，用户可以在该场景内进行各种交互操作，包含实体的交互、线 路的走向选择和设计结果的动态漫游等。要实现这种目标，除了需要一些专 业的计算机硬件设备外，还必须有动态仿真的相关技术及软件加以保证。在 现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统的需求，相关技术和软件支 持就显得更为重要。线路三维环境动态仿真一方面要求能够对大范围的三维 场景进行有效的三维浏览和交互，同时获得较好的实时性及逼真度；另一方 面又要求能够生成真实的线路三维场景、实时查看线路的三维设计效果，以 便更有效、更直观的评价和比选线路设计方案1 2 3 , 2 4 1 。 本章从铁路线路三维环境的特殊性出发，详细介绍了环境建模技术、真 实感景观模型图形绘制技术、基于几何图形的实时绘制技术、视点选择技术 和基于o p e n g l 的动画生成技术。 2 2 环境建模技术 在虚拟现实系统中，营造虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境， 首先需要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟 的世乔1 2 4 】。目前铁路线路三维环境建模主要是指三维视觉建模，三维视觉 建模又可细分为几何建模( g e o m e t r i cm o d e l i n g ) 、物理建模( p h y s i c a lm o d e l i n g ) 和行为建模( b e h a v i o rm o d e l i n g ) 等。 2 2 1 几何建模技术 几何建模技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的，它是一种通过计算机 表示，控制，分析和输出几何实体的技术。几何建模用来描述对象内部固有 的几何性质的抽象模型，所表达的内容包括虚拟对象的形状和对象的外观。 对象的形状可以用点、直线、多边形图形、曲线或曲面方程，甚至图像等表 示，这取决于对存储和计算开销的综合考虑。抽象地表示对象中基元的轮廓 和形状有利于存储，但使用时需要重新计算；具体的表示可以节省生成时的 计算时间，但存储和访问存储所需要的时间和空间开销比较大【6 3 】。在本节 中将讨论如何构建虚拟对象的形状，对象的外观描述即真实感景观模型图形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的绘制将在本章第三小节中详细论述。几何形体在计算机中的存储主要有三 种方式：线框( w i r e f r a m e ) 模型、表面( s u r f a c e ) 模型和实体( s o l i d ) 模型。 1 ) 线框模型只有“线的概念，可以用它的全部顶点和棱边的集合来 描述。这种模型优点是结构简单、易于理解；其缺点是存在二义性，曲面的 轮廓线将随视线方向的变化而改变，且线框模型给出的不是连续的几何信息 ( 只有顶点和棱边) ，不能明确地定义给定的点与形体之间的关系( 点在形体内 部、外部或表面上) ，以至于不能用线框模型处理计算机图形学和c a d c a m 中的多数问题，如剖切图、消隐图、干涉检验、加工处理等。这里用一个长 方体为例来描述线框模型的数据结构原理，如图2 1 所示。 了 l 顶点 坐标值 x y z 1oo 1 2l0 l 3 l1 1 4 o ll 5o o o 6 l oo 7llo 8o lo 棱线顶点号 ll1 2 22 333 4 44 555 666 777 888 915 1 0 2 6 l l 3 7 1 2 4 8 ( a ) 线框模型( b ) 顶点表( c ) 棱线表 图2 1 线框模型的数据结构原理【6 】 2 ) 表面模型相对于线框模型来说，引入了“面”的概念。它在线框模 型的基础上，增加有关面边( 环边) 信息以及表面特征、棱边的连接方向等内 容。从而可以满足面面求交、线面消隐等应用问题的需要。对于大多数应用 来说，用户仅限于看的层面，对于看得见的物体表面，是用户关注的，而对 于看不见的物体内部，则是用户不关心的。因此，表面模型通过使用一些参 数化的面片来逼近真实物体的表面，就可以很好地表现出物体的外观。这种 方式以其优秀的视觉效果被广泛应用于电影、游戏等行业中，也是我们平时 接触最多的。3 d s m a x 、m a y a 等工具在这方面有较优秀的表现。但是在表面 模型中，形体究竟存在于表面的那一侧，没有给出明确的定义，因而在物性 计算、有限元分析等应用中，表面模型在形体的表示上仍然缺乏完整性。其 数据结构原理如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 ，“皂均。磊 一尸2 舀吨一97 j 竖矗 d 臼 z i v7 4 。 y 表郦 棱线号 ，1 1 234 ： ：22 1 16 1 0 厂了万而 ! ! ：! 至 51 1 059 广了_ 矿订 ( a ) 线框模型( b ) 顶点表( c ) 棱线表( d ) 表面表 图2 2 表面模型的数据结构原理【6 】 3 ) 实体模型相对于表面模型来说，叉引入了“体的概念。在构建了 物体表面的同时，深入到物体内部，形成物体的“体模型 。实体模型主要 是明确定义了表面的哪一侧存在实体，图2 - 3 ( a ) ( b ) 给出了表示表面的某侧面 存在实体的定义方法，即将面的方向定义为实体内部指向实体外部，而面的 方向则由包围该面的各边界线沿逆时针方向( 以从外部朝该面看为标准) 按 右手定则来确定。因此只需将图2 - 2 ( d ) 的表面表改成图2 - 3 ( c ) 的形式，就可 确切地分清体内体外，形成实体模型了。实体模型的数据结构十分复杂，可 能有许多不同的结构。但无论哪种结构都是不仅记录了全部几何信息，而且 记录了全部点、线、面、体的拓扑信息，这是实体模型与前两种模型的根本 区别。 秘棱线号 1 1 ；2 ；3 ：4 2 - 2 11 一6 1 0 ： 4 i - 4 9 8 1 2 5 11 05 。9 匿! ! 互互玉 ( a )( b )( c ) 图2 3 实体模型【6 1 目前在线路三维环境动态仿真中，由于三维实体模型携带的信息量大， 即使采用特殊的多c p u 并行结构计算机，仍然不能满足绘制的实时性和实 际应用中的交互需要，因此目前主流算法还是采用表面模型绘制，尤其在能 譬篓堂豢 乡 、|、|一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 够有效地表征三维复杂物体结构的模型提出之前，表面模型绘制更适合于仿 真、交互操作等实际应用。综上所述，采用表面模型来建立铁路线路的三维 仿真模型是比较合适的。 三维表面可以用多种方法来描述。一般的虚拟对象的表面都是由三角形 网格组成的，它们有许多共享的顶点，所以绘制的速度会很快。另外，三角 形网格非常适合几何变换和细节层次l o d 优化。缺点是三角形网格不适合 表现非常弯曲或凹凸不平的表面，表面细节越复杂，建模时所需的三角形数 目就越多。另外一种表示形状的方法就是使用参