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华北水利水电学院硕士学位论文虚拟现实建模技术及其工程应用姓名：王亮申请学位级别：硕士专业：水工结构工程指导教师：魏群2011-05华北水利水电学院硕士学位论文I摘要自二十世纪90年代，虚拟仿真技术在桥梁工程、水利水电工程和大型钢结构工程等工程施工中逐步得到了推广和应用。虚拟仿真技术在工程施工应用过程中面临着两个亟待解决的关键问题，首先是如何快速、精确建立工程结构模型；其次是如何对工程施工的进行仿真模拟。本论文以海拉体育场钢桁架预拼装施工仿真模拟为课题详述了体育场钢桁架虚拟现实建模方法并且开发出了钢桁架预拼装过程虚拟仿真模拟系统。体育场钢桁架采用逆向建模技术进行快速、精确地构建其虚拟现实模型。本课题采用OptechILRIS-3D激光扫描仪进行点云数据采集并结合PolyWorks对采集的数据进行噪点删除、数据插补、平滑、模型拼接以及冗余数据移除等多项内容的处理。在此基础上，结合开发的图形拟合工具利用AutoCAD对处理后的点云数据进行截面和轴线的拟合以此来建立精确的钢桁架三维几何模型。钢桁架预拼装过程虚拟仿真模拟系统是以VisualBasic2005为开发语言并结合VRP-SDK进行开发的。本论文第四章内容详述了施工进度的控制方法、截面库和Access数据库与虚拟现实模拟系统链接方法、次桁架和主拱架拼装与吊装施工过程模拟方法、多方案施工模拟方法及虚拟场景漫游等方法。该系统使虚拟现实模型与数据库接口实现无缝对接，并使数据库分类数据与虚拟现实模型实现联动控制，由此将数据附着于虚拟现实模型而数据信息则通过虚拟现实模型表达出来。关键词：数据采集；逆向建模；模型优化；虚拟仿真；预拼装施工模拟华北水利水电学院硕士学位论文IIIABSTRACTSincethe1990s,thevirtualsimulationtechnologyinbridgeengineering,waterconservancyandhydropowerprojectsandLargesteelstructureengineeringhasbeengraduallypromotedandapplied.Virtualsimulationtechnologyinengineeringconstructionapplicationprocessfacedwithtwokeyproblemsurgentlytobesolved,firstishowquicklyandaccuratelyestablishengineeringmodel;Secondishowtothesimulationprojectconstruction.Thispaperdetailsthevirtualrealitymodelingmethodofthehellastadiumsteeltrussinadvanceofsteeltrussesassembledforthestadiumsubjectconstructionsimulationanddevelopedasteeltrusspreassemblesprocessvirtualsimulationsystem.Thevirtualrealitymodelofthestadiumsteeltrussareconstructedquicklyandaccuratelyinreversemodelingtechnology.ThepointclouddatawascollectedwithOptechILRIS—3DlaseinthissubjectandtobetreatedwithPolyWorks，theprocesscontainingnoisepointdatadeletion,datainterpolation,smoothing,modelstitchingandredundancydataremovingandsoon.ThisbasiscombiningwiththegraphicsfittingtoolsofAutoCADtodealwithpointclouddataonthesectionandaxisfittingsoastoestablishprecisesteeltrussthree-dimensionalgeometricalmodel.Thevirtualsimulationsystemofsteeltrusspre-assemblyprocessisdevelopedonthebaseofVisualBasic2005combiningwithVRP—SDK.thefourthchaptercontentinThispaperdiscussdetailytheconstructionprogresscontrolmethod,sectionlibraryandtheAccessdatabaseandvirtualrealitysimulationsystemlinksmethod,timesandtheLordarchtimberingtrussplaneconstructionprocesssimulationmethodandhoistingplanconstructionsimulationmethod,andthemethodofvirtualsceneroamingetc.Thefourthchaptercontentinthispaperdiscussesdetailytheconstructionprogresscontrolmethod,sectionlibraryandtheAccessdatabaseandvirtualrealitysimulationsystemlinksmethod,thesub-trussandtheLordarchtrussassemblyandhoistingprocesssimulationmethod,Theconstructionschemessimulationmethodandthemethodofvirtualsceneroamingetc.Thissystemmakesvirtualrealitymodelwithdatabaseinterfacerealizeseamlessdocking,andmakethedatabaseclassifieddatawiththevirtualrealitymodelgangcontrol,thusrealizelinkagecontroldataadherenttovirtualrealitymodelanddatainformationisexpressedthroughvirtualrealitymodel.KeyWords:Thepointclouddataacquisition;Reversemodeling;Modeloptimization;Virtualsimulation;Pre-assemblesconstructionsimulation独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名：保证人（导师）签名：签字日期：签字日期：学位论文版权使用授权书本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。（涉密的学位论文在解密后应遵守此规定）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期:华北水利水电学院硕士学位论文11.绪论1.1选题背景1.1.1虚拟现实建模技术国内外发展状况随着计算机技术在各个行业中的广泛应用，同时带来了虚拟现实技术极为迅速的发展，在我国近几年，虚拟现实技术已被广泛的应用在城市规划、医疗、生产制造、互联网、房地产、勘探测绘、军事航天、大型土建工程等数十个重要的行业，“虚拟现实”对大众已经不再是一个陌生的词汇，并且越来越受到关注和重视。自MortonHeilig1962年，发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为其昀本质的特点，并随着科技发展虚拟现实技术已经逐步融合了其它许多先进技术[1]。目前，在国内已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目之中。虚拟现实技术的应用极为广泛，在可视化计算、大型土建工程施工模拟等方面，具体到结构工程中虚拟现实技术是将数据管理、虚拟现实建模、虚拟可视分析集成于一个环境，利用已有的信息建立高精度的工程三维模型，分析研究规划设计中关心问题，如：工程规划、方案比选、结构体总体布置和设计协调等，在虚拟仿真环境中对所关心的问题进行观察、修改、决策、调度或重组等，使项目在决策或实施过程中更具有科学性、经济性和可靠性[2]。随着计算机技术、计算机图形学、计算机建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感技术的不断发展，虚拟现实技术将成为工程设计的得力助手，“身临其境”和“可视化”作为虚拟现实技术的两个昀基本特征。它借助于计算机图形学等技术手段，被誉为科学技术之眼，因而在工程技术设计方面显示出无可比拟的优越性。设计人员可以在交互式虚拟空间中精心设计，并对所涉及的产品加以观察、操作和反复试验。虚拟现实在大型土建和水利工程中的应用会越来越广泛和深入的。在国内，尽管虚拟现实技术应用已相当广泛，但在虚拟现实建模基础研究领域仍是非常薄弱。虚拟建模方法大致可以分为几何建模、图像建模、物理建模、行为建模等四类。由几何建模方法建模，其优点是虚拟场景中的三维模型可实时操纵，但是生成的三维实体往往带有大量的点、线、面，在虚拟设备硬件条件一定的情况下，过多的面必然导致虚拟场景浏览不流畅，降低虚拟现实的表达效果。图像建模方法制作的虚拟现实模型，由于数据量小，在虚拟浏览过程中不会对硬件设备长生过高的要求。但是在其真实性表现上还存在一定问题，所以在虚拟现实场景中主要用来表象一些次要建筑和远景物体。物理建模则是在充分考虑物体的物理属性的基础上，赋予物体形状、色泽、感光度等基本属性再结合分形技术和粒子系统来完成建模的，在非精确建模领域，利用现有的三维建模软件如Maya、3DSMax等已经可以出色的完成。行为建模，主要是指在构建虚拟场景中的物体，必须使其遵循真实世界客观规律，在行为建模应用领域比较流行的华北水利水电学院硕士学位论文2三维游戏引擎如初期的Doom引擎、转变期的Build引擎、革命期的Unreal引擎和QuakeII引擎以及未来模式的MAX-FX引擎等在物理系统、物理碰撞检测和物体的相对位置都做的已经相当真实和优秀[3]。在基础建模理论研究领域，作为图形硬件的软件开发接口OpenGL已经成为事实的工业的标准，在选用OpenGL的基础上，现有的程序建模方法要么单独利用高级语言；要么需要复杂的设置利用Matlab和其他高级语言的接口进行混合编程[4]；要么算法方面利用Matlab进行仿真，实际构件虚拟场景时再利用其他高级语言构建平台，这必然增加虚拟现实技术的开发难度。专业上使用比较多的是美国MultiGen-Paradigm公司的建模软件MultigenCreator具有简单、直观的交互能力，所见即所得，建立的三维模型尺寸较小