三维视景仿真系统的设计与实现

三维视景仿真系统的设计与实现

万家堡水库表现山西省万家寨引水工程是世界著名专家认为的“最具挑战的节水全球项目”。该项目位于山西省西北部，位于山西省和蒙古交界处的黄河万家寨水库，南至太原，北至大同，全长449.16公里。主航道、南主线、连接段和北主干道是缓解太原、大同及其周边地区工农业用水短缺的生命工程。由于引黄工程具有线路长、分布广、系统复杂、交通不便等特点,通过采用视景仿真技术构建三维视景仿真系统可以更好的对工程进行全方位展示和可视化管理。1重要建筑物模拟该系统要求通过视景仿真技术对工程全线重要水工建筑物(如取水口、泵站、输水管道、阀室、水厂、调度中心等)、重要设备(水泵、减压阀、机电设备等)、重要系统(如自动化系统、通讯系统、供电系统等)进行三维可视化模拟,使用户不用到工程现场就可以身临其境的对工程的全线或感兴趣的重要建筑物进行漫游和信息查询,并可通过三维动画演示的形式对重要设备进行模拟拆分、组装、运行,对重要系统的组成、布置、原理进行形象展示,以便对其进行了解和认知。另外,通过在视景仿真系统中引入以音、视频为特征的多媒体技术,结合三维虚拟场景,系统需对工程背景、工程概况、工程建设及其所产生的经济社会效益进行阐述,使系统的完整性得到进一步加强,以满足向不同层次人员进行工程介绍、展示和培训的要求。2可视化仿真技术在工程管理建设中的应用该系统作为引黄工程数字化信息平台的重要组成部分,是建设数字引黄工程的主要技术基础工作之一,为工程结构、工程特征、工程管理提供数据可视化仿真系统,其建设的主要目的是为管理者提供一个基于视景仿真技术的工程可视化环境和管理平台,以满足向不同层次人员进行工程介绍、展示和培训的要求,适应工程管理现代化、数字化和可视化的要求。3场景资源要素该系统主要包括场景资源和场景驱动两大部分。场景资源是系统需要展示的场景素材库,系统功能的实现依赖于场景驱动对场景资源进行高效有序的管理来完成。3.1设备模型创建场景资源主要包括地形地貌模型、水工建筑模型、设备模型及其它模型等场景三维模型文件以及文本、图片、音视频等系统其它资源文件,其实现工具及过程如图1所示。场景三维模型文件主要包括地形地貌模型、水工建筑模型、设备模型及其它模型等。地形地貌模型覆盖工程所在的山西省西北部近2万平方公里的地域,利用该区域的1:50000精度的DEM(DigitalElevationModels,数字高程模型)数据、10米分辨率的遥感影像数据和地理特征矢量数据通过专业地形地貌软件TerraVista实现。水工建筑模型主要包括万家寨取水口、五级泵站(总干一级、总干二级、总干三级、南干一级以及南干二级泵站)、头马营出水口、汾河水库、连接段三座减压阀室、太原市呼延水厂和引黄调度中心等;设备模型主要包括各级泵站内部电机层、电缆层、水泵层、继保室和监控室以及减压阀室和调度中心所有的关键设备等;其它模型主要包括场景辅助模型、为系统提供交互操作的工程平面布置、工程纵剖面及工程微缩电子沙盘等三维模型。水工建筑模型、设备模型及其它模型主要借助工程实景照片、效果图、示意图或布置图等文件作为参考,利用photoshop进行纹理创建和建模软件MultiGenCreator逐一对场景对象进行几何建模和纹理贴图来完成构建。场景中所有的三维模型数据均采用工业标准OpenFlight(*.flt)格式,该格式是一个分层的数据结构,通过使用几何体(Geometry)、层次(Hierarchy)结构和属性(Attribute)来描述和组织三维对象,可以在驱动程序中对层次结构进行访问和操作。为了使建好的水工建筑模型准确、无缝的整合到地形地貌模型中,在进行地形地貌模型生成时,需要在地理特征矢量数据中对水工建筑所在位置进行标记,当地形地貌模型生成完毕后,将对应的水工建筑模型通过手工加载到标记位置点,并需对周边的环境进行适当的修改。为了满足了视景仿真系统实时性、逼真性和低耗性的要求,在保证不影响系统效果的前提下,在建模时我们采用了细节层次技术、实例化、外部引用和多种纹理等技术对场景进行了优化,删除了冗余的多边形,并对OpenFlight数据库层次结构进行了调整和合理组织。系统其它资源主要包括文本、图片和音视频等文件,其中,文本为工程沿线所有水工建筑提供详细的信息查询显示内容;图片为系统图形化界面、泵站、设备等水工建筑提供显示素材;音视频素材分别通过CoolEdit或AdobePremiere进行编辑处理后为系统提供声音和视频图像,可以极大丰富系统表现内容和表现方式,增强系统的表现力。3.2系统实现与实现该系统场景驱动以VC++6.0为系统开发平台,采用双线程机制进行系统初始化和运行,场景漫游与管理利用OpenGVSSDK提供的API实现,图形化界面绘制和视频图像在场景中的显示基于OpenGL实现,视频图像的获取和音频文件的播放管理分别通过WindowsMultimediaSDK中的VideoforWindows和MultimediaAudio实现,场景多通道基于socket实现的广播式网络通讯来完成,系统驱动开发工具如图2所示。为了全方位、多角度展示工程全貌和工程特点,该系统采用虚实结合的手法,充分运用视景仿真技术和多媒体技术,采用图形化操作界面,并将视频、音频、图表、操作界面和三维虚拟场景等多种表现形态有机的融合在一起,极大的丰富了视景系统的表现内容和表现手段,增强了系统的交互性和可操作性,主要实现的系统功能有:3.2.1y轴旋转控制基于OpenGVSSDK,系统实现了手动漫游、快速定位和单路径/多路径自动漫游等实时漫游功能。手动漫游功能的实现主要利用鼠标指针在屏幕视窗上的二维位置坐标(x,y)及其左右键状态(leftstate,rightstate)通过一定的映射关系映射到三维场景的空间位置坐标(x,y,z)上。通过映射关系,二维指针坐标x,y轴分别映射到三维空间坐标x,z轴,三维空间中的y轴坐标通过鼠标左右键控制,当左键/右键按下时,y值增加/减少。视点绕y轴旋转控制通过指针在屏幕x轴的运动方向决定,即当指针从屏幕自左向右运动时,视点顺时针旋转;反之视点则逆时针旋转。为了增强操作人员对场景漫游的可控性,系统采用了键盘与鼠标相结合的控制模式,即只有在按下某键的同时移动鼠标或按下左右键才能完成场景手动漫游。快速定位功能的实现通过在程序中设置目标对象的观察位置和角度并响应用户输入事件来实现,该系统实现了工程中所有重要水工建筑、设备的快速定位,极大方便系统操作人员对场景进行快速定位和漫游。单路径/多路径自动漫游功能的实现是通过程序依次读入单个或多个记录有漫游位置坐标、旋转方向、采样点间时差和采样总时间的路径文件,实现场景自动漫游,无须人员干预,其路径文件数据记录的格式可以表示为(posx,posy,posz,rotx,roty,rotz,dtime,alltime)。对于多路径漫游,路径间的转换方式可以根据需要采用直接跳转或线性插值的方式实现视点的切换,本系统采用的是直接跳转方式。3.2.2维屏幕的显示效果分析基于三维虚拟场景,系统实现了包括泵站和涵洞等在内的所有水工建筑、关键设备的实时信息查询,可以满足不同用户对工程的信息查询需求。用户在进行场景漫游或交互操作时,可以通过鼠标指针置于感兴趣的对象上,实时查询对象的名称、简介及其它属性。对于不同的信息显示内容,我们分别采用了基于图片和基于文字两种不同数据源的信息显示方式。基于图片的显示方式主要适用于显示内容简单的情况(如仅仅显示对象的名称),该显示方式的实现基于写有对象信息的透明格式图片(如*.gif或*.rgba格式)通过纹理贴图到OpenGL绘制的矩形面上,并以场景对象直接绘制在计算机屏幕上;而基于文字的显示方式主要适用于显示内容复杂的情况,该显示方式通过将从文本文件获取的中英文字符信息以位图字或笔画字的形式加入到场景中进行实时绘制。在显示效果方面,我们采用了两种不同的表现方式,一种是显示位置固定型,即信息始终显示在屏幕的固定位置上,如屏幕的中上方;一种是指针跟踪型,即信息始终以鼠标指针当前位置作为参考进行实时显示。下面以指针跟踪型为例(见图3)进行说明。指针跟踪型要求信息跟踪指针位置进行实时显示,参考一般菜单显示方式,假设信息显示框的尺寸为a*b(长×宽)个单位,首先需要将二维屏幕视窗按图3所示划分为A、B、C、D四个区,并按如下实时判断逻辑即可完成信息显示:A区中信息显示框正常显示在指针的右下方;C区中,由于信息显示框的宽度大于该区域在Y轴上的值,若按指针右下方显示则会造成在Y轴方向上的信息不能完整显示时,规定信息显示框显示在指针的右上方;B区中,由于信息显示框的长度大于该区域在X轴的值,若按指针右下方显示则会造成在X轴方向上的信息不能完整显示时,规定信息显示框显示在指针的左下方;D区中,由于信息显示框的长度和宽度分别大于该区域在X轴和Y轴的值,若按指针右下方显示则会造成在X轴和Y轴方向上的信息不能完整显示时,规定信息显示框显示在指针的左上方;系统实现的实时信息查询与显示效果如图4所示。3.2.3功能2:压力和位置显示系统实现了以工程平面布置图和纵剖面图为背景的三维空间交互操作,可以通过图形化操作菜单在场景中对其进行上、下、左、右四个方向上的移动和前、后两个方向上的缩放,可以通过鼠标指针查询图中的泵站、涵洞等水工建筑物获得其详细的文字信息,并可以通过点击直接进入对象的下一层操作目录,获取更为详尽的文字、图片、视频信息,并可以对其进行虚拟漫游操作等。实时交互操作功能的实现过程主要经历在模型文件中命名操作对象节点、在虚拟场景中通过碰撞检测进行节点访问和节点事件操作三个步骤。实时交互操作功能的实现,增强了系统的交互性、灵动性和趣味性。3.2.4维展示及模型生成为了对工程关键设备、重要水工建筑物和重要系统进行拆分、组装、运行或展示等可视化演示,系统采用三维动画技术形象直观的对其进行了三维展示,实现方法为:以时间为序,以演示内容为纲,通过程序逻辑控制视点(位置和角度)、模型状态(显示或隐藏)、模型缩放、模型位置和模型角度的变化,模型文件的获得通过访问对象层次结构中节点实现,对于需要进行位移、缩放或选装的模型,需要对所操作的模型对象定义DOF节点。3.2.5音视频技术在虚拟场景中的应用随着技术的发展和表现手法的多元化,作为以可视化展示为主要目的视景仿真系统已经不仅仅局限于三维虚拟场景的绘制、显示和漫游,它需要借鉴其它的表现手法和表现手段来丰富系统的表现内容和提高系统的表现力。在视景仿真系统中采用虚实结合的手法,充分运用多媒体技术,将视频、音频、图表和三维虚拟场景等多种表现形态融合在一起,共同来完成对象的全方位展示,可以极大的丰富视景系统的表现内容和表现手段。根据系统设计目标,系统需要工程背景、工程概况、施工过程、关键技术和工程效益等系统模块以及重要水工建筑的实景进行有效表现,通过以音视频为主要特征的多媒体技术可以很好的解决这一问题。为了实现在虚拟场景中有机嵌入视频播放,系统采用AVI(AudioVideoInterleaved)视频作为播放原始文件,利用Win32VFW(Videoforwindow)、OpenGL基本库和实用库实现对视频文件的图像信息进行读取、绘制和显示,并通过视景实时运行模块控制视频播放的起始/终止帧和播放速率,其实现效果示意如图5所示。在实现过程中,需要特别注意以下问题:1)在从AVI文件视频流中获得逐帧图像信息并以R、G、B格式实时绘制在DIB设备上时,由于在Windows中存储R、G、B颜色的顺序为B、G、R,这与OpenGL读取R、G、B颜色的顺序相反,必须进行R、B颜色信息交换;2)为了提高交换速度,可以使用直接作用于硬件设备的汇编语言进行颜色交换。对于音频实现,系统采用*.wav格式的音频作为播放原始文件,利用MultimediaAudioAPI实现对音频文件的读取,并采用基于系统功能模块、基于漫游路径和基于三维空间范围等多种手段实现对音频文件的播放管理。对于音频与视频、音频与场景漫游、音频与演示动画实时同步问题,系统通过控制场景绘制帧数、基于模块功能细分音频文件来实现,基本实现系统声音、图像实时同步,取得了较好的演示效果。3.2.6系统实时运行模块为了便于系统操作和模块选择,系统实现了基于虚拟场景的图形化操作界面,其效果如图6所示。该图形化界面的实现主要通过使用OpenGL在场景中绘制二维图形化按钮或菜单,通过系统实时运行模块对鼠标指针是否在按钮或菜单上发生按键操作而进行实时判断,一旦程序探测到发生按键操作,则程序自动触发与该按钮或菜单对应的程序模块进行演示。考虑到模块与模块之间存在着平级或上下级的关系,该方法通过定义菜单或按钮的不同级别来进行菜单分层控制,实现多级菜单绘制需要。图形化操作界面可自定义界面尺寸、纹理、样式、透明度和状态,为了实现鼠标指针在或不在其绘制区域内的两种不同状态的绘制,可以通过对按钮或菜单的纹理和透明度进行修改来实现,增强了图形化界面可视性和可操作性强等特点。3.2.7实现连续展示系统还实现了自动播放和三通道显示等功能。自动播放功能以事先编排好的的演示方案为指导,将系统中不同模块按照逻辑关系进行有机的筛选和组织,实现自动、无干预的连续演示,实现对工程连续的、有序的全方位展示。三通道显示功能基于socket的广播式网络通讯来实现实时主控计算机的数据发送和从控计算机的数据接收,发送和接收的数据主要包括视点位置、视点角度、对象属性(如状态、旋转角度、位移量等)以及用户自定义的控制数据,该项功能的实现,拓宽了三维场景显示视域,有助于增强系统的表现力和感染力。4