孙浩鹏，李 杨

（1.长春工程学院计算机技术与工程学院，长春130012；2.长春建筑学院科研处，长春130699）

0 引言

人类为了达到兴利除害的目的，在天然河道上修建水利枢纽，利用水工闸门控制和调节水流，从而有效地防制洪水，以便充分利用水能资源发电、灌溉、养鱼等。闸门的类型多种多样，从使用材料看，有钢结构闸门、木结构闸门、钢筋混凝土闸门、复合材料闸门4类；从结构特征看，有弧形闸门、平面闸门、船闸人字门、拱形闸门、扇形闸门等［1］。闸门种类多，结构复杂且工作在水下，用传统的动画演示方法很难完整地描述各闸门在水下的工作方式，而实习实验是掌握水工理论基础知识、提高相关技能的一个必不可少的环节，在水工建筑物系统上动手操作，以验证并进行控制系统设计，会取得非常好的效果，但实际系统需要耗费许多时间进行组装、调试等工作，成本也比较高。因此采用虚拟现实技术将闸门在水下工作的方式展示出来，达到现场实习不能达到的结果，经验证结果清晰明确［2］。

闸门的结构为讲授的主要内容，在课件中的首要任务就是通过虚拟现实技术将不同结构的闸门分别展示。所以在钢闸门课件的讲解过程中，需要展示不同钢闸门的结构、工作位置、工作方法、工作条件等。其中闸门结构的表现需要利用三维建模导入虚拟现实来实现；其工作位置和工作方法在虚拟现实中利用输入设备进行控制，实现操作演示；工作条件和辅助设备的安装和讲解则是利用虚拟现实中的拼装技术来实现的［3］。

1 钢闸门课件模型材质准备

几何建模构建的是形状和纹理，在虚拟现实中应用的模型必须经过三维建模软件来实现，实现的过程主要包括2个步骤，分别为建模、材质。建模是指利用点线面的构造方法将现实物体数字化建立的过程，三维软件实现过程如下：（1）获取闸门数据。根据闸门设计手册获得各种闸门的典型代表设计数据，按1∶1比例建立闸门边界封闭线。封闭线可直接存为矢量图，在任何三维软件中均可调用。（2）规范三维软件和虚拟现实接口的单位，如MAYA中的自定义单位设置：1个单位＝1cm，但在虚拟引擎中一般显示单位比例：1个单位＝1m”，以便模型数据能以正确比例导入。（3）MAYA建模：导入新建单个封闭线，通过LOFT命令放样得到NURBS模型，为保证虚拟现实场景中的正确性，通常都转换为POLYGON导出。（4）闸门的大小参照施工图尺寸，高度和位置严格参照竣工平面图中水工建筑物的真实高度。个别不规则设备如吊耳在不影响计算结果的情况下可以参照周围已知物的比例来做。（5）使用最接近现场的材质贴图。贴图在保证真实清晰的前提下，数据量尽可能小。纹理的像素尺寸应该是2N。在三维软件中利用修改工具中的UVW贴图坐标进行UV分解。贴图利用虚拟现实软件的材质球来赋予物体。

2 虚拟现实中的实现方法

当模型和材质贴图准备完成后，虚拟现实软件通常要通过以下几个步骤完成：（1）导入模型，此时要注意导入的格式如果是FBX格式的，要确保其轴向设置为Y轴向上。（2）建立环境，首先设置地形大小并给地形赋予材质，其次用方向灯来模拟真实的太阳照射光线，用环境球来模拟真实的天空，确定shader类型，最后调节shader来控制环境和天空的色彩。（3）建立camera，在虚拟现实的操控中，观察者的第一视角，就是虚拟现实中“相机”。相机在虚拟现实中可以通过脚本和输入设备连接在一起，通过使用者的交互来充分浏览与控制。例如用键盘来控制相机，上下键用于在平面上前进或者后退；翻页键控制相机完成拉近和推远操作；左右键控制相机完成旋转操作；在键盘控制的同时，鼠标也可以参与控制，比如滚轮控制相机的水平高度等等。（4）建立控制脚本，每个可操作的物体，如启闭机、闸门等，为达到交互目的，通过脚本语言将其与平面上的2D按钮连接在一起，当用户点击按钮时，相应的设备就会启动。（5）碰撞设定，碰撞一共分为3种情况，第一种是相机和物体的碰撞，为了能够让使用者了解水下建筑物的内部结构，相机和某些特殊物体如大坝是可以穿透的，但是钢闸门是重点讲授内容，所以钢闸门是不可以穿透的。第二种是钢闸门和地面以及大坝坝体之间的碰撞，为了保证客观真实性，是不允许钢闸门穿过地面和其他水工建筑物的。第三种是流体和钢闸门的碰撞，在课件中由于水下操作钢闸门，如进水闸门，当闸门提起时，周围的水就会流入进入口，在虚拟现实中一般用粒子发射系统来模拟水流，当水流冲向闸门，会与闸门碰撞，在传统的三维动画中，可以直接用realflow来模拟，但是在虚拟现实中普遍采用粒子来模拟，如图1所示

图1 粒子系统模拟水流

3 技术难点与解决方案

在整个制作过程中，粒子和钢闸门的碰撞是最难控制的，在普通的虚拟引擎中均有层次碰撞包围盒的概念，其中目前最常用的为AABB包围盒［4］和OBB包围盒［5－6］，其中 AABB也叫轴向包围盒，虽然它的紧密型不如其他类型的包围盒，但是其构造方便和相交测试简单的特性使得它一直沿用至今。在水下，产生主要碰撞的是粒子系统和钢闸门，但是由于钢闸门有多种形态，如弧形钢闸门等，不能简单地利用一个碰撞包围盒来代替钢闸门。对于平板钢闸门来说直接将碰撞包围盒将其包裹住即可。对于弧形钢闸门，如果用单一的碰撞包围盒，包围盒与物体边界会有大量空间，效果非常不真实，如图2所示。

图2 弧形闸门的单一碰撞包围盒

如果用物体本身的网格来作为碰撞物体，计算量非常大导致整体运行速度下降［7］，所以提出复合碰撞包围盒的思路对此进行运算。以弧形钢闸门为例，首先将弧形的钢闸门进行分解，由于在建模时钢闸门的前面板为了和背面的筋板良好地契合，在多边形的分段上基本是按照设计手册上筋板的数量分段的。钢闸门的启闭是通过启闭机带动旋转升起和落下，所以其旋转轴心正是前面板的轴心，首先得到弧形面板的水平筋板数量，并将单个筋板的迎水面宽度设定一个方形包围盒A，已知A的高度为H。将此包围盒群组后轴心与面板的旋转轴心重合，轴心到面板的距离为R，在设计手册中查到钢闸门的面板弧长为L，可得到当前钢闸门的角度γ＝L＊360／C，包围盒的个数＝L／H，而包围盒的放置则以面板的旋转轴心为包围盒轴心，旋转复制的角度＝γ／（L／H），计算得到的最后包围盒效果如图2所示。由于钢闸门叶片表面的复杂性和多样性，重建的曲面模型不可能由一个曲面拟合，而是由一些子曲面按一定的约束条件组成，构成完整的重建曲面模型［8］，连续的曲面重构公式如下：

式中：Pi（P）为叶片曲面几何模型；Tk为Ck（p）约束所容许的误差。

通过分别测试OBB包围盒在分解后的局部叶片上效果，分解得越多，效果越真实，但是对计算机的消耗也越大，经过测试，分解成5个部分时效果良好，此时的粒子可以采用粒子构造边界，结果如图3所示。

图3 弧形闸门的复合碰撞包围盒

4 测试数据

经测试，在cpu为酷睿I5双核笔记本电脑上，粒子系统在复合包围盒的情况下碰撞效果良好，数据见表1。

表1 测试数据

与PAL制式的播放速度标准24f／s对比，单一碰撞包围盒在这点上占很大优势，所以大坝的坝体和地面统一采用单一碰撞包围盒来处理，对系统的运行基本不产生负担，但是对于弧形或者其他形状的物体，粒子碰撞会消耗大量的时间，所以利用复合碰撞包围盒的方法虽然有极小量的“穿帮”现象，但在运行时间上大大提高的运行速度使得整体运行状态良好。

5 结语

通过利用虚拟现实技术，突破传统的动画演示方式，可以实现任意角度的观测。同时利用输入设备，使用者可以任意拆解钢闸门的零部件。当选择水下虚拟系统时，又可以模拟人在水下观测并可以任意操作钢闸门的运行。对于粒子系统和钢闸门的碰撞提出了复合包围盒的碰撞方法，对于弧形钢闸门等非平面闸门有非常好的效果和运算速度，但是当闸门的开闭速度过快时仍然有极少量粒子穿透闸门，这是复合碰撞包围盒的弊端。

［1］于波，肖惠民.水轮机原理与运行［M］.北京：中国电力出版社，2008：12－15.

［2］于正林，谭微，姜涛.基于视景仿真的光电经纬仪模拟训练器 ［J］.吉 林 大 学 学 报：工 学 版，2011，41（2）：509－513.

［3］石教英.虚拟现实基础及实用算法［M］.北京：科学出版社，2002.

［4］潘振宽，李建波.基于压缩的AABB树的碰撞检测算法［J］.计算机科学，2005，33（2）：213－215.

［5］Gottschalk S，Lin M C，Manocha D.OBBTree：a hierarchicalstructure for rapid interference detection［C］／／Proceeding SIGGRAPH'96Procedings of 23rd annual conference on Computer graphics and interactive techniques.New York：ACM，1996：171－180.

［6］崔汉国，陈军，王大宇.虚拟环境中优化的OBB碰撞检测算法研究［J］.计算机工程与设计，2007，28（11）：2524－2526.

［7］GEIGER B.Real－time collision detection and response for complex environments［C］／／Proceedings of the International Conference on Computer Graphics.Washington DC：IEEE Computer Society，2000：105－113.

［8］Brujic D，Ainsworth I，Ristic M.Fast and accurate NURBS fitting for reverse engineering［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，54（5）：691－700.