基于opengl的建筑施工虚拟仿真平台的研究与开发

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1、工程三维模型与虚拟现实表现 基于O p e n G L 的建筑施工虚拟仿真平台的 研究与开发 张建平余芳强吴大鹏 ( 清华大学土木工程系，北京1 0 0 0 8 4 ) 【摘要】本文针对当前商品化虚拟仿真软件的硬件配置要求过高、价格昂贵以及二次开发功能不足等局 限性，在已有4 D - G C P S U 图形平台基础上，自主研究开发基于O p e n G L 的建筑施工虚拟仿真平台。通过对3 D 模 型进行材质、纹理、光照等真实感处理，实现了真实感模型渲染，应用O p e n G L 的双缓存技术实现3 D 动态模 拟和动画显示，并通过人机交互技术提供了虚拟场景的创建和控制功能。该平台经实际工

2、程的应用测试，取 得了较好的真实感模型渲染、3 D 动画显示效果，可支持基于4 D 技术的建筑施工虚拟仿真与动态管理，具有 实际应用价值。 【关键字】0 p e n G L ；3 D 真实感模型；3 D 动画；虚拟仿真；建筑施工 1 引言 虚拟仿真技术是将虚拟现实与系统仿真相结合形成有机整体，利用虚拟现实技术对系 统仿真结果进行后处理。虚拟仿真技术综合了虚拟现实和系统仿真的各自优点。单纯的虚拟 现实技术让用户在虚拟场景中能产生身l 临其境的感觉，即沉浸感，但在处理仿真过程、辅助 管理及决策方面却很难满足人们的需求。而系统仿真长于仿真过程和系统决策，但仿真过程 和结果的直观性和逼真性存在不足。

3、建筑施工是一个极其复杂、高度动态的过程，应用虚拟仿真技术实现建筑施工的过程 模拟、动态管理和虚拟仿真，是提高施工效率和管理水平的可行途径。然而，目前基于虚拟 现实技术的虚拟施工，通常只能按照预设的固定流程展示某一个施工场景和相关操作，既无 法改变施工流程和操作，更不能进行辅助管理和决策。仿真技术在施工领域的应用，主要是 利用离散事件方法实现建筑施工的过程模拟，由于模拟模型十分复杂，仿真过程和结果只能 用数据表格和简单的二维图形表示，其实用性还亟待改进。 本课题是国家“十一五”科技支撑项目专题的研究内容，旨在综合应用虚拟现实、 过程仿真和4 D 技术，研究基于4 D 技术的建筑施工虚拟仿真与动态

4、管理。鉴于当前商品化 虚拟仿真软件的硬件配置要求过高、价格昂贵以及二次开发功能不足等局限性，课题研究 首先在已有4 D G C P S U 图形平台基础上，自主开发基于O p e n G L 的建筑施工虚拟仿真平台。 通过对3 D 模型进行材质、纹理、光照等真实感处理，实现了真实感模型渲染，应用O p e n G L 的双缓存技术实现3 D 动态模拟和动画显示，并通过人机交互技术提供了虚拟场景的创建和 本课题承蒙国家“十一五”科技支撑计划项目( 20 0 6 B A J 0 1B 07 0 3 ) 的支持。 2 8 7 第二届工程建设计算机应用创新论坛 控制功能，可支持真实感的建筑施工动态模拟

5、以及对虚拟场景的控制，为实现基于4 D 技 术的建筑施工虚拟仿真与动态管理提供了支撑平台。 2 建筑施工虚拟仿真平台总体设计 2 1 设计原则 建筑施工虚拟仿真平台按照真实性、实用性、可扩展性、协作性等原则进行设计。 ( 1 ) 真实性：作为建筑施工虚拟仿真平台，在实体模型和虚拟环境等方面需保证与 实际施工现场具有较好的相似性，使用户有身l 临其境的感觉。因此，平台在虚拟场景渲染方 面要尽可能保证高度的真实感，同时提供逼真的建筑施工过程动态模拟 ( 2 ) 实用性：建筑施工虚拟仿真平台必须考虑其实用性。要求系统界面友好、建 模快捷、操作方便、硬件要求低，从而能在建筑施工现场广泛配置和使用，支持

6、建筑施工虚 拟仿真系统的实际应用。 ( 3 ) 可扩展性：建筑施工虚拟仿真平台需要提供二次开发接口，用于功能的扩展。 该平台采用O p e n G L 和C # 语言，在n e t 平台上进行开发，用户可以通过接I ：1 进行类的继承和 重写来实现功能扩展，从而保证平台的可扩展性。 ( 4 ) 协作性：为保证施工各参与方的协同工作，该平台采用多用户协同工作管理， 包括远程访问服务器中的数据库以及用户权限管理等，同时考虑虚拟仿真技术对硬件资源要 求较高，采用W B 模式，以充分利用本地计算机资源。 2 2 功能需求 建筑施工虚拟仿真平台的功能包括虚拟场景创建、虚拟场景管理、与仿真系统交 互以及虚

7、拟仿真数据存储和管理等。其中虚拟场景创建包括3 D 模型导入、真实感模型创 建、虚拟环境创建等功能，虚拟场景管理包括模型渲染控制、虚拟环境渲染控制、动画 模拟控制、视角控制、漫游等。与仿真系统交互主要是获取仿真过程数据和仿真结果数 据，用于渲染及控制、以及相互间的信息交换。虚拟仿真数据存储和管理包括结构化模 型数据、虚拟环境数据、控制变量和非结构化数据的存储以及管理，便于多用户的协同 访问和操作。 2 3 平台架构 根据建筑施工虚拟仿真平台的设计原则和功能需求，平台总体架构如图1 所示。 该平台包括场景创建模块、场景管理模块、数据管理模块、交互模块和对外接口5 部 分。 ( 1 ) 场景创建模

8、块：包括3 D 模型导入接口、真实感模型创建和虚拟环境创建模块。 3 D 模型导入接口实现导入外部真实感模型、3 D 实体造型等功能。真实感模型创建是对导入 的3 D 模型进行材质、纹理、透明度设置，实现真实感模型渲染。虚拟环境创建包括天空、地 形、施工场地设施实体构造以及施工场景设置。 ( 2 ) 场景管理模块：包括模型渲染、虚拟环境、动态虚拟、视角和漫游等控制。 模型渲染控制是根据实体的仿真数据( 状态变量，如施工状态、施工工序) 选择渲染模式。 2 8 8 工程三维模型与虚拟现实表现 环境渲染控制是根据设置的参数进行虚拟环境渲染，譬如光照模型、天空、地形以及施 工场景渲染等。动态虚拟控制

9、是根据模型的运动和行为信息进行动态模拟和动画渲染，譬 如塔吊的旋转与上升、汽车的运行、构件的工序变换等。视角控制包括放大、缩小、窗 口缩放、3 D 动态查看以及多面视图浏览等。漫游是按指定路径移动视点，实现对模型的 多视点动态浏览。 I建筑施工仿真系统( 4 D - C , C P S U )j ? ；。一。一一一。岔 数据库管理系统 建筑施工虚拟现实平台 图1 建筑施工虚拟现实平台总体架构 ( 3 ) 数据管理模块：实现平台对数据库的访问和管理，包括用户注册、用户权限 配置、用户登入与验证、协同工作管理和数据访问与操作权限管理。其中协同工作管理是通 过签入签出机制保证多用户的协同工作，防止数

10、据的并发操作和冲突。数据访问与操作权 限管理是根据用户配置的权限进行身份验证和情况反馈，防止错误操作和无权操作。 第二届工程建设计算机应用创新论坛 ( 4 ) 交互模块：包括虚拟场景渲染结果的显示，模型信息的显示以及场景创建及管 理界面等。 ( 5 ) 对外接口：实现与建筑施工虚拟仿真系统进行数据和消息交流。虚拟仿真系统 将模拟结果和过程数据，通过接口传递至虚拟仿真平台进行渲染或控制，而场景模型数据 与环境参数通过接口传递至虚拟仿真系统。 3 3 D 真实感模型渲染 真实感模型渲染是实现模型的色彩、材质、纹理、消隐、透明、阴影等真实感效 果 2 】。本平台通过真实感模型导入和真实感模型创建两种

11、方式获取色彩、材质、纹理等真 实感数据，利用O p e n G L 实现真实感模型渲染。 3 13 D 真实感模型导入 为实现数据共享和快捷创建真实感模型，通过研究外部3 D 真实感模型导入的方法，开 发了3 D 真实感模型导入接口。利用该接口可导入3 d sM a x 、3 dS t u d i o 、A u t o C A D 、V R M L 、 C A T I A 、M a l t i G e nC r e a t o r 、M a y a 等十多种3 D 建模软件中建立的3 D 模型，并在平台中实现 模型重建和数据存储。3 D 模型导入包括如下两个步骤。 ( 1 ) 3n 模型转换

12、3D 模型转换技术已经十分成熟，目前国内外已有多种3D 模型转换软件，譬如 P o l y T r a n s 、D e e pE x p l o r a t i o n 、3 DE x p l o r a t i o n 和3 DC o n v e r t e r 等，均能将各种3 D 模型 转换为其他格式文件，也可转换为基于O p e n G L 的C + + 描述代码文件。本研究选择D e e pE x - p l o r a t i o n 将各种3 D 模型转换为基于O p e n G L 的C + + 代码，保存在c p p 文件中，然后通 过读取和解析c p p 文件，将3 D

13、模型导入到建筑施工虚拟仿真平台中。也可将各3 D 建模软 件中的模型导出为3 D 模型标准格式文件，并通过相应的解析器，实现对模型的导入。 ( 2 ) 3 D 模型数据文件解析和导入 3 D 模型导入后，c p p 文件采用三角网格描述3 D 模型，不仅数据结构简单，且与平台 3 D 模型数据结构基本一致，其数据集成的计算和转换工作很少，效率较高。c p p 文件的结 构如下。 1 ) 自定义结构体纹理贴图结构t S t r u c ts a m p l e T E X T U R E c h a r 木n a m e ：贴图路径 i n t i d ：)对应的纹理I d ，使用时通过O p

14、e n G L 生成的 2 ) 自定义结构体一一材质贴图： S t r u c ts a m p l e _ M A T E R I A L f l o a ta m b i e n t 3 ： 环境光反射率 f l o a td i f f u s e 3 ： 散射光反射率 f l o a ts p e c u l a r 3 ： 镜面发射光反射率 f l o a te m i s s i o n 3 ： 辐射光( 自发光) 反射率 f l o a ta l p h a ： 不透明系数a l p h a 2 9 0 工程三维模型与虚拟现实表现 f l o a ts h i n i n e s

15、 s ： 镜面发射系数 i n t t e x t u r e ：)纹理贴图索引 其中，贴图路径( 名称) 数组s a m p l e T E X T U R Et e x t u r e m a p s ，存储所有纹理贴图 路径，用于加载图片，实现纹理贴图。 材质贴图数组s a m p l e M A T E R I A Lm a t e r i a lS ，存储所有材质模式，包括贴图， 该贴图的通道为散射光通道。并在注释中给出了每种材质模式的名称。 另外，顶点坐标数组f l o a tv e r t i c e s 3 ，存储3 D 模型中所有顶点坐标； 法向量数组f l o a tn o

16、 r m a l S 3 ，存储3 D 模型中所有面的法向量，相同的只需存 储一次，节省了存储空间。 纹理坐标数组f l o a tt e x t u r e s 2 ，存储3 D 模型中三角形顶点的纹理坐标，相同 的也只存储一次。 三角形数组i n tf a c ei n d i c i e s 9 ，存储3 D 模型中的所有三角形，每个三角形 包括9 个数据，前三个是顶点索引，中间三个是法向量索引，最后三个是纹理坐标的索 引。并通过注释给出每个实体的名称以及每个实体所对应的三角形。 材质索引数组i n tm a t e r i a l r e f 2 ，用于获取每个三角形所用的材质模式。 根据c p p 文件的数据结构，开发相应解析器，然后利用解析器解析c p p 文件，获取 每个实体的三角网格数据、材质数据、纹理数据，并存储到数据库，用