三维动画在混凝土施工仿真中的应用-「意河动画」

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三维动画在混凝土施工仿真中的应用

文章出处:责任编辑::人气:-发表时间:2019-05-21 10:20:47【
        简介:长期以来,在水利水电施工计算机仿真领城,仿真过程可视化一直是一个引人注目的技术问题:为了提高仿真软件的易用性,有必要将仿真中显示的图形由二维改为三维,而且要求图形显示具有实时性。根据这个目标,以水工:大坝混凝土浇筑施工仿真的可视化问题为例,就实现施工动画显示的软件环境,三维显示算法进行了详细的分析,給出了有关建模投影消隐等问题的计算公式及推导过程,并且针对混凝土大坝分块柱状浇筑法仿真的施工动画制作的建模方法及实施手段作出了进一步的讨论,最后给出了混凝土浇筑施工动画显示的实现过程。
 
一:概况
计算机仿真作为水利水电施工组织设计的一种新方法,它能利用数值计算得到客观事物的运行规律和统计数据以及进行大数据输入信息的复杂模拟,又因其总体控制是由软件进行的,所以变更参数修改方案容易,故能显著减轻技术人员的计算强度缩短施工方案的制定时间,提高施工方案和机械配套方案的制定时间和定量招标精度。由于有这些优点,在过去的十几年里,计算机仿真取得了辉煌的成绩,有着突破性的进展,对水利水电施工组织和施工过程起了很大的指导作用。分析以往的成果,我们发现由于缺乏逼真的可视化效果,在模拟过程的逼真程度仿真程序的易用性等方面有着较大的缺陷。具体来说有以下二方面需改善。
 
(1)图形显示是二维的。在水工大坝混凝土施工仿真中,如果以三维形式显示大坝混凝土浇筑过程,缆机工作范围,栈桥的位置,并且在仿真过程中可以得到大坝施工的平面图,侧视园以及一些坝段的剖视图等,这些图形显示将很大程度上提高计算机模拟在大地混凝土工程施工中的应用地位。
(2)图形显示缺乏足够的实时性。在大坝建设采用分块柱状浇筑法浇筑时,大坝增块的浇筑順序对大坝的施工组织有很重要的指导意义,如果能用施工动画实时地给出坝块的浇筑順序,将大大增强仿真过程的逼真程度。通过逼真的施工动画效果提供的技术信息,我们可以直观地看出施工进度,有利于检验施工方案和施工机械配套方案的合理性,修改各项技术参数,以取得最佳施工效果,从而提高仿真软件的易用性,2三维显示的软件环境
 
三维图形显示是指利用计算机图形学中的有关旋转投影及消隐等算法在屏幕上显示对象在空间不同姿态以及不同观察方向的真实形状,由于它能给用户提供一种立体、直观的视觉效果,因而受到广泛重视,并逐渐成为当前计算机模拟仿真及辅助设计软件中必不可少的功能之多。


 
二:而随着Windows 3. x.Wndows NT及Wn98等逐步取代DOS而成为主流操作系统,相应的应用软件开发也纷纷转到Windows环境下。本文将在Wn95平台下作图形动画的输出。
 
要实现混凝土施工仿真的动画输出,其开发软件必须具有以下几个特点:
(1)具有强大的数值计算能力, 能快速进行仿真计算及动画计算:
(2)具有强大的数据库管理能力,以求对数量巨大的仿真结果进行数据管理:
(3)产生实时动画的能力,因为混凝土施工过程具有随机性,同时施工方案在不同的仿真实验中施工过程也不同,因而要求动画输出亦具有实时性。
 
在各种施工动画生成软件中Autodesk公司出品的3D SIU-DIO具有速度快使用简便的特点,因而在相关行业中应用越来越广泛,但其只适用于交互式生成动画而无法实现实时动画,因而只能利用其他方法实现动画输出。 Mcrosot公司出品的Visunl Basic5。0是一个绝32位的软件环境,本身集成了Jet数据库引擎,具有强大的数据管理及计算能力,能进行WndwsAPI的调用,具有强大的图形能力,因而本文考虑采用VisualBasic 5。0作为系统开发软件。3三维显示算法
 
在传统的真实感图形绘制方法中,其一般的绘制流程包括以下五部分:
 
(1)三维建模,生成一个物体的三维机内表达模型,(2)指定纹理,指定物体表面上的纹理,
(3)光照计算,采用某一光照模型来计算物体每一点的色彩值:
(4)消隐计算,采用消隐算法求出显示场景中各物体的所有可见表面,
施工动画在混凝土施工仿真中的应用
(5)阴影计算,采用优先数表等方法,计算出场景中所有的阴影。
 
但是,与传统的真实感图形绘制方法相比较,用于混凝土大坝施工仿真的三维图形的绘制方法可以有以下几点不同:
 
①物体的表面纹理较单一。由于混凝土施工仿真涉及的物体种类较少。主要是混凝土表面纹理。
②可以简化光照计算部分。因为混凝土坝块有着大同小异的形状  柱状,因此在具体的绘制过程中,根据某一坝块的色彩可以绘出绝大多数坝块的色彩。
③可以简化阴影计算部分。因为坝块有着相同的体积形状,排列起来也极其有规律,各坝块的阴影也可直接绘出。
经过以上必要的简化处理,大大加快了三维图形的显示速度,使施工动画在微机上的实现成为可能。


 
三:二维建模
立体模型可以用三种方式来描述:
(1)由一组多边形图成一个立体模型
(2) 使用代数方程来描述曲面,构成立体模型
(3)使用面元来描述立体模型。
考虑混凝t坝块规则柱形的形状我们选用第一种方式来构造立体模型。
 
1.几何坐标变换
当对象物体在空问处于不同的姿态时,通常认为物体相对于空同某一固定坐标系进行了坐标旋转变换(在此不考虑偏移的问题) 。 就大坝的结构几何体而言,存在许多如曲面斜面:等不规则面:但就一个仓位混凝土而言,可以简化为长方体,基于这个原因,将一个仓位混凝土称之为坝块。假定空同坐标为:以大坝轴线方向为x轴,铅垂线方向为z轴,水流方向为Y轴,坐标原点o落在海拔霉点,且在模拟对象紧靠左岸的坝段的轴线上。则坝块在此空间坐标系中可表示为图1所示(点A为坝块基点) 。根据要求,只需让大坝绕z轴旋转,便可从不同角度观察其形貌。故绕z轴旋转0角的变换矩阵为:
 
2.投影
由于计算机屏幕只能用二维空间来表示图彤,因此,在显示三维立体图形时就需要利用投影来降低维数为此,空间坐标系如上节所述,而平面坐标为:倾斜于三条坐标轴的一束平行光线将带有坝块坐标的空同直角坐标系投影在一轴侧投影面上,该轴侧投影面即为对应的平面坐标系平面坐标系与空!间坐标系的数据单位一致,并且两个坐标系的原点相同则坝块上一点P在空间坐标系中坐标为(x,y,3),该空同坐标系在平面坐标系中的反映是,X轴与y轴夹角为130*, y轴与2轴夹角为90,,则点p的平面坐标(Xpace, Ypacc) :
 
在大损三维动态显示过程中,当我们从不同角度进行观察时,为了增加图形的真实感和立体感,必须对图形进行消隐处理。将空同坐标转换为屏幕坐标用特定的绘制(Dnnw)与填充(I1)颜色在屏幕上按一定顺序绘制出来,加上物体的纹理及阴影,就能得到图3中的仿视觉效果的规块示意图。实践证明,这种方法简单,效果也能满足要求。4施工动画的实现
 
计算机仿真施工动画输出就是要把物体的运动规律用物体三维模型的运动形象的表示出来。因此可视化的结果是否与仿真结构一致,关键要看仿真模型和三维模型与仿真的接口是否正确。而前者主要是仿真的问题,在此不予讨论。要保证三维模型与仿真的接口的正确性,除了模型的建立要严格按照实体的尺寸,或以相同的比例伸缩之外,还要充分考虑模型的运动(平移,旋转,仲缩,变形等)是否正确的反映客观世界的运行规律。仿真的结果(时间。距离等)被送往动画系统,驱动模型的运动,就可构成一段真实反映物体。运行规律的画面。
 
我们追求的效果是要表现出混凝土大坝施工时的实际情况,即坝块的浇筑动态过程,因此动画形式表现的也就是选择在浇坝块的过程,表现在计算机屏幕上是,在浇坝块图形形成,跳入下一仓面,形成下一在浇坝块图形,再跳入下一仓面一如此往复周始下去,产生连续的动画过程。实现起来就是仿真程序每选出一在浇坝块,在数据库中检索出该在浇坝块的空同位置,形体参数,然后送入到三维实体绘制模块,自下而上分三层绘出坝块(由施工实际情况决定) ,由于每层之间有一个很短的时间差,因而在屏幕上表现出这一坝块三维图形的逐渐形成,并将该坝块颜色显示加亮,待仿真程序选出新的浇筑境块时,再将其颜色恢复正常,进行下一仓面的三维显示,这一过程是一瞬同完成的,因而在屏幕上好象坝块突然从一个仓面跳入下一仓面,以此来模拟仓面的转移。
 


施工动画显示的实现过程所示:
由于当前浇筑坝块的显示是一个实时的过程,一幅实时图像必须在短于1/15 8内显示完成,以保证产生连续运动的幻觉效果,传统的消隐算法白于计算量大,占用计算机CIU的时间将很长,受计算机能力的局限,我们采用一种简化了的消隐算法,算法步骤如下:
 
(1)首次消隐采用前述算法,绘出第一块坝块:
(2)记录下次消隐时所影响到的坝块位置,在数据库中录入位置数据:
(3)调出受影响坝块的图形位置数据,按前述算法进行局部消隐,绘出当前浇筑坝块:
(4)返回步骤(2) ,进行下一步骤消隐。
由于缩小了消隐画面,减少了消隐计算的计算量,故大大加快了消隐运算速度,动画赖的形成速度加快。实践证明,这种消隐算法简便实用,在586型微机上动画效策较好,闪烁不明显甚至没有。5结语
 
长期以来,仿真过程可视化一直是一个引人注目的技术问题但由于其基础理论尚未成熟硬件水平低下等原因,所以有
 
模型的建立:
施工动画表现过程
三维建模型
存人图形数据库
 
世界坐标系
埃块在空间的。位置和姿态角
 
某一时刻坝块的空间模型
投影变换:
观察堂标系物体楼型
消隐
计算每个坝块面的颜色值
规格化坐标系变换
屏幕空标系物体模型
内存位图
 
施工动画技术
屏幕显示
施工动画显示的过程
关这方面的研究很久没有取得重大突破。近几年来,由于计算机工业和软件技术的发展突飞猛进,计算机的体积越来越小,计算速度越来越快,从而解决了由于理论研究的滞后而带来的技术问题,使计算机动画有可能在微机上实现。施工动画具有信息量大,周像逼真,直观易于接受的特点,因而必将在今后的:计算机仿真中发挥更大的作用,然而在施工动画模型的构建,画面的消隐着色,图形数据的存贮读取等方面还有很多工作要做。本文就水工大坝混凝土施工的仿真可视化作出了一些粗浅的讨论, 以期起到抛砖引玉作用。


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