三维仿真论文精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇三维仿真论文范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

1改革的重点与具体措施

1．1教学方法三维可视化为了解决大学生在学习过程中理解困难和前沿性的科研促教中缺乏实验条件验证的教学问题［3］，教学团队将物理建模思想应用于教学实践中，通过三维可视化仿真，使复杂、抽象、烦琐的理论模型变得直观、具体、明了．例如:针对“空间光通信创新实验”课程中的光学天线设计及光传输、激光雷达成像和光子晶体光纤光传输等进行了三维动态可视化仿真．在对前沿性的科研促教中缺乏实验条件验证的情况下，拟采用理论建模与仿真验证方法来实现．

1．2创新实践自主化为了解决自主创新实践能力训练不足的教学问题［4］，教学团队将光通信、微波光子学等交叉学科前沿技术与创新实践相结合，构建了“空间光通信”开放式创新实践平台，建设了综合型、设计型、创新型的开放式专业实验室．依托开放式创新实践平台，开展了大学生自主研究型学习，着力加强大学生自主创新实践能力的培养［5，6］．加强科研促教，拓展创新思维，在“985高校”大学生创新训练计划支持下，实施了创新设计项目40余项．依托科研项目把学生带到学术前沿，进行了形式多样的学术研讨:教授、副教授、博士、硕士、本科生分别定期做主题报告、分组讨论、网上论坛、参加国际国内会议和暑期夏令营等方式促进学术交流，形成良好的学术氛围．学生在开放式专业实验室里自主进行理论建模、仿真设计与实验验证，在规定时间内撰写学术论文等，开展了大学生自主创新能力的培养模式．

1．3多元化的教学评价体系为了解决传统评价方式缺乏对创新实践、仿真设计与课程论文等环节的评价的教学问题［7，8］，教学团队将理论考试和平时成绩相结合，实验操作与自主创新实践相结合，理论建模仿真与课程论文相结合，构成了多元化的评价体系．例如:把理论考试成绩所占的比例下调到60%，而课程论文的比例上升到40%，通过创新项目和课程论文等方式评价学生的学习;通过课程论文答辩方式，依据“假设的合理性、建模的创新性、结果的准确性、表达的清晰性”进行综合评定，实现从应试教育到素质教育的观念性转变．引领学生朝着有利于自身全面发展的方向努力．

1．5开放式教学资源建设为了解决传统教学资源不足的问题，教学团队加强了师资队伍的建设，进行了广泛的国际、国内教学研讨和学术交流．重点建设了丰富的数字化网络资源平台网络课程含教学录相、典型实例、创新设计系列实验教案、经典物理问题、及在线实践编程等模块;适时引入在线答疑、网络论坛及现场演示与讨论等交互式教学形式，形成了模块化、交互式、开放式教学资源平台．

2改革与实践的探索

实例1大学生在牛顿式光学天线系统测试平台(图1)上做的部分实验内容:图2为接收光斑实验测试，图3为利用光束质量诊断仪器测试光斑．通过三维可视化仿真，使复杂、抽象、烦琐的空间光通信系统中的激光传输理论模型变得直观、具体、明了，解决大学生在学习过程中理解困难的教学问题(大学生创新实验设计项目)。例如:老师们课堂上在讲解光子晶体的应用———布拉格光纤光传输特性时，就采用了仿真验证手段．通过详细举例以此来鼓励学生启迪思维、大胆创新设计、勇于实践．以下是学生们根据题目的要求，在老师的指导下做的部分仿真结果图．实例2等周期结构的布拉格光纤仿真(见图4—图6)．实例3空间光通信系统激光传输特性仿真(见图7—图8)．实例4波动方程的(动态)三维可视化(见图9)．图9波动方程(动态)三维可视化图形实例5平面波用柱面波形式展开(见图10)．图10平面波展开为柱面波仿真结果图形以上是具有代表性的大学生创新实验设计．“缺陷的光子晶体在偏振分束器等光学器件中的应用”(大学生参与者:黄鹤、刘天骄、陈逸舟)被学校推荐为2010年国家级大学生创新性实验计划项目;“推帚式激光雷达三维成像创新设计”(大学生参与者:谢国洋、顾大超、童磊)被学校推荐为2011年国家级大学生创新性实验计划项目．通过这种创新事例，能很好地锻炼和培养大学生的创造能力，大大激发了学生的创新欲望和学习兴趣．

3改革的实施成果

该课程未实行教学改革以前，我们实行的是传统教学模式(理论教学+笔试成绩+实验成绩)，教学成果不理想．自从2009年本教学团队开展了对“空间光通信创新实验”课程教学研究型改革与实践的探索以来，特别是加强了针对“空间光通信创新实验”课程中的创新实践平台及《数学物理方法与仿真》、《光学天线设计》、《空间光通信创新设计实验》3本教材的重点建设．建立了1个基于大学生创新基地的空间光通信工程技术研究中心;并依托这个创新实践平台，开展了一系列的教学和科研项目．1)研发了十余个综合创新设计实验，例如:“卡塞格伦光学天线系统的光传输特性分析实验”、“光纤损耗与光纤耦合实验”、“激光准直与多波长光学天线传输实验”、“无线激光大气通信实验”等;2)2012年数学物理方法、三维可视化仿真及创新实践的“三位一体”教学模式改革获电子科技大学教学改革成果一等奖;3)教改项目:2009年“数学物理方法”教学研究与精品课程建设”，2010年“数学物理方法精品课程教学团队建设与改革”;4)团队教师指导大学生创新基金项目40余项，指导大学生40余篇(SCI收录6篇);5)开展了一系列高水平的科研项目，获得了国家自然科学基金项目2项，国家自然科学青年基金项目3项以及横向建设项目等;6)2011年建设了电子科技大学第一座2．0kW单晶硅太阳能发电站，并实现并网发电，以作为大学生新能源创新课题教学示范所用．7)发表教研论文20余篇、科研论文100余篇．取得了显著的教学成果，形成了交叉性学科前沿与创新实践相结合的人才培养模式．(教改前后对比情况见表1)．

4结论

篇(2)

关键词：数字高程；三维可视化；弹道仿真；颜色映射

中图分类号：TP302.8 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3823-03

弹道仿真是弹道导弹总体设计及弹道设计的重要内容，许多学者在进行弹道仿真时往往注重的是弹道的数值计算，并进行二维的平面弹道演示。由于弹道导弹飞行过程中受到各种因素的干扰，尤其是对于远程弹道导弹来说，导弹的飞行轨迹会偏离预先设计的弹道平面，实际的弹道轨迹为三维的空间曲线，因此有必要研究弹道的三维仿真，以给出更加直观及逼真的弹道演示效果。

对于远程弹道导弹来说，由于其射程往往达到几千公里，进行三维弹道仿真时应考虑画出完整的三维地球，在三维地球的基础上绘制三维弹道曲线。制作三维地球模型，常见的方法是纹理映射，即将一幅世界地图图片作为纹理映射到一个三维圆球体上[1]，这样制作的地球比较清晰美观，但有两个弊端，一是由于世界地图图片包含的大量颜色信息数据，在进行三维弹道飞行轨迹演示时对电脑硬件的图形显示效果要求较高，二是缺乏立体感。本文考虑利用地球高程数据制作三维地球，在此基础上据通过适当转换将弹道坐标数据变换到地心大地直角坐标系中，从而绘制出三维弹道曲线。利用地球高程数据制作的三维地球模型立体感较好，且数据量不大，非常适合一般的弹道仿真及演示。

1 地球高程数据

数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM），是数字地形模型（digital terrain model，简称DTM）的一个分支[2]。数字高程模型是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则网格点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集，用以记录大地表面不同坐标点（x，y）的相应高程（z），并可以通过计算机实现三维分析和显示。

2 三维地球的绘制

3 三维弹道曲线的绘制

4 仿真实例

5 结束语

本文提出了一种基于地球高程数据的三维地球模型的制作方法，并在Matlab环境下进行仿真，绘制出了三维地球模型，并通过坐标变化将弹道位置参数转化为地心大地直角坐标，从而在三维彩色地球的基础上，绘制出了三维弹道曲线，实现了三维弹道仿真，立体感及真实感较强，实现方式较简单，为弹道仿真提供了一种有效手段。

参考文献：

[1] 王斌.基于OpenGL的三维数字地球仪研制与开发[C].西安：西北大学硕士学位论文，2008.

篇(3)

Abstract: The project of underfeed winder is introduced in this paper, important bottom roller is calculated and designed, the whole three-D model machine is constructed by UG, the simulation of winder process is realized by 3DSMAX.

关键词：复卷机；底辊；三维造型；仿真

Key words: rewind paper machine；bottom paper axis；three-D modeling，simulation

中图分类号：TH16文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）28-0034-02

0 引言

复卷机是一种造纸专用设备，其用途是将造纸机生产出来的纸卷（称为原纸卷）进行复卷，复卷成成品纸出厂。在复卷过程中，纸幅从退纸卷上引出，绕过导纸辊、张力辊、舒展辊，通过固定位置的纵切机构，从机台下面送入纸幅使其绕过前底辊，然后卷在卷纸轴上。复卷是纸张生产中的最后一道工序，因复卷所出现的质量问题，再没有纠正和补救的机会了。在复卷机的几个组成部分中，双底辊系统尤为重要，它们对成品纸的质量有着重要影响。双底辊支撑着纸卷，其动平衡性能影响着纸卷两端的平整度，底辊上沟槽的设计，对成品纸无皱痕有决定影响。本论文选择流行的下引纸双辊无轴复卷机作为设计对象。

1 总体方案设计

下引纸整体方案布局如图1所示。

其中各部分功能如下：①退纸架。退纸架的主要作用是支承开卷纸轴，开卷纸轴在退纸架支座上由一液压驱动夹紧装置固定；②导纸辊。导纸辊装置包括导纸辊、导纸辊轴承及轴承座、压纸带装置、导纸辊传动电机及传动连接装置；③舒展辊。弧形辊舒展装置由弧形辊主体、弧形辊轴承座和弧形辊调节装置组成，用在分切和卷取前舒展纸幅；④纵切装置。纵切装置由上刀装置、底刀装置、以及上刀和底刀位置调整装置组成；⑤引纸装置。引纸装置由气动领纸引导装置、底辊引纸装置和气动压纸板组成；⑥底辊装置。底辊装置包括前后底辊、轴承、底辊传动电机、减速器和底辊气动制动器组成；⑦推纸装置。推纸装置用于在复卷完成后，将纸卷推出到接纸台上。由摆臂、同步轴、推纸辊和驱动液压缸组成；⑧压纸辊装置由压纸辊、压纸辊轴承、压纸辊横梁装置（同步轴）、气动压纸辊安全销、压纸辊线压控压液压缸以及同步齿条等组成；⑨卸纸装置：纸卷复卷完成，将纸卷慢慢放下。

2 复卷机底辊的设计

底辊的主要工作任务是为了支承纸卷，初步设计，底辊具有闷头、轴头、辊体和轴承、联轴器等组成，装配后辊体校动平衡，以适应在复卷机机架上高速回转的需要等组成，装配后辊体还应做动平衡校正。

参考文献：

[1]党宝林．下引纸3900mm复卷机的设计改造与安装．上海造纸，2008，39（1）：26-28．

[2]应华，熊晓萍，姜春．UG NX 5.0机械设计完全自学手册．北京：机械工业出版社，2008-3．

篇(4)

1 评定对象

国内高校在读全日制研究生（包括硕士研究生和博士研究生）.奖学金面向国内高校的全部对口专业，平等对待.

2 奖学金额度

每年在全国高校评选出10名使用LMS Virtual.Lab三维多领域仿真平台进行课题研究的优秀在读研究生，给予每人5 000元的奖学金资助.

3 评定条件

(1)参评学生在读期间的学年平均成绩优秀，无不及格科目.

(2)用LMS Virtual.Lab进行研究生毕业论文相关的课题研究，且课题内容具有实际工程背景支持，最好结合实际横向项目的合作课题.

(3)命题能推动行业核心技术进步或具有明显创新研究价值.

(4)领域包含但不限于汽车、航空航天、船舶、兵器、交通、能源、通信、电子、化工、工程机械、家用电器、轻工业、医药和IT等.

(5)论文完成后应署名LMS高校奖学金资助支持，并共享论文电子版.

(6)优先考虑LMS Virtual.Lab的高校正式用户.

4 申请流程

符合条件的学生请在课题开题阶段与LMS联络，并进行意向沟通：

(1)对符合评审条件的申请人，需填写“LMS Virtual.Lab高校奖学金申请表”(下载地址为：省略/download.asp?id=1F540652-C116-4BD7-8AD7-1291255DFEDC)，并必须经负责导师签字确认和学校认可.

(2)LMS会尽快与申请人确认，并根据书面材料组织评审.

(3)按照评审程序的规定公布评审结果并发放奖学金.

5 评审程序

(1)具体评定工作由LMS负责，组织LMS公司专业技术人员和行业专家组成动态评定小组，进行综合评审.

(2)鉴于论文完成后学生将毕业离校，该奖学金将在课题开题阶段即进行初评，并在课题中期报告通过后进行复评，以确保课题的进展和质量.资助的最终依据是开题报告和中期报告，但建议申请人提前或随时通过电话、E-mail和面谈等形式与评定小组进行充分沟通.

(3)该奖学金申请尽量在正式开题之前即向LMS提交，最迟需在开题报告完成后1～2个月内提交.初评和复评结果将在LMS官方网站公布，并于每年秋季的LMS用户大会根据复评结果统一发放该奖学金.

(4)针对硕士研究生和博士研究生的论文差异进行适度把握，原则上硕士5篇、博士5篇，但暂不做硬性区分，即名额之间可作适度调剂.

(5)对所有入选的在读学生，LMS将采用租或借等形式给予最新版本LMS Virtual.Lab软件的友情赞助支持，并欢迎获奖学生毕业后加入LMS公司.

6 本年度申请截止日期

本年度申请截止日期为2012年6月15日，之后提交的申请将参与下一年度的评选.

7 联系方式

联系人：柳佳；联系电话：010-84973605-406；E-mail：jia.省略.

篇(5)

关键词：三维可视化; GIS; 空间数据

中图分类号：C37 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图形[1]，也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应用介绍三维可视化开发的基本方法。

二、 三维可视化GIS关键技术

三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合:可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。

1、可视化技术

可视化，也称为科学计算可视化(Visualization in Scientific Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点[2]。

2、虚拟现实

虚拟现实(Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的信息环境。利用计算机系统提供的人机对话上具，同虚拟环境中的物体交互操作，使用户仿佛置身于现实环境之中，使参与者足不出户就能身处异景，如遥远的太空、海洋深处、甚至是微观世界。

3、体视化技术

三维体可视化技术是真正的三维。它是由完全的三维空间体数据构建模型，可以对模型切割来获取内部信息。它是每一个空间点对应三个方向，x, y, z，也就是在一个空间坐标上放置每一个属性点，可以由关系V = .f (x, y, z)表示，V表示空间点的属性值，x, y, z分别表示空间坐标[3]。

空间三维实体的可视化，即体视化主要是处理和分析各种体数据，并对这些体数据进行变换、操作和显示，其目的是让人们更清楚地认识蕴含于体数据之中的复杂的结构。体数据可以看成是在有限空间中的一种或多种物理属性的一组离散采样，它可以表示成:ƒ(x)，x ∈Rn；{x}是n维空间的采样点的集合，因此也有人把体数据成为数据集。

4、 三维技术

三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标，通过光学和电子学处理，模仿真实的世界并显示在屏幕上。三维技术广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动态感和真实感强、资料更新方便等优点。

三、 三维可视化算法

直接体绘制技术具有能够产生三维数据场的整体图象，包括每一细节，并具有图象质量高，便于并行处理等优点，因而成为当前科学计算可视化中有吸引力的重要研究课题之一。鉴于直接体绘制技术的优势，下面重点介绍了光线投射法，移动立方体法以及Z-Buffer消隐算法[4]。

1、光线投射算法

光线投射算法是目前使用最广泛的体绘制方法之一。对于图像平面上的每一象素，从视点投射出一穿过该象素的视线，该视线穿过体数据空间，算法直接利用该视线上的采样值计算该象素的光强。其过程包括：数据预处理；数据值分类；重新采样；图象合成。

2、移动立方体法

移动立方体法(Marching Cubes算法)是三维数据场等值面生成的经典算法，是体素单元内等值面抽取技术的代表。与光线投射法不同，移动立方体法属于表面拟合算法之一。

移动立方体法基本思想为：首先逐个体素依次处理，找出该等值面经过体素的位置，求出该体素内的等值面并计算出相关参数，以便绘制出等值面。等值面的定义如下：

{(x, y, z)| s (x, y, z) = c0}，c0是常数。其中s(x, y, z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyz

ai (i=0, 1,..., 7)为常数，它们由体素的八个角点值唯一决定。

该算法中，体素是一逻辑上的立方体，由相邻层上的各四个象素组成立方体上的八个顶点。算法以扫描线方式逐个处理数据场中每一立方体体素，求出每一体素内包含的等值面，由此生成整个数据场的等值面。

3、Z-Buffer消隐算法

从一个视点去观察一个三维物体，必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如果观察的是若千个三维物体，则物体之间还可能彼此遮挡而部分不可见。因此，如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。

Z-Buffer算法的步骤如下：(1)初始化，帧缓冲器CB置成背景的光强或颜色，Z缓冲器ZB置成最小z值；(2)对多边形P，计算它在点(I,j)处的深度值zij；(3) zij>ZB(i,j)，则ZB(i,j) =zij, CB(i,j)二多边形P的颜色；(4)对每个多边形重复(2), (3)两步，最终在CB中存放的就是消隐后的图形。

四、三维可视化GIS实体的表达和三维数据的可视化

对于三维地理信息系统的空间数据的表达和二维地理信息系统有一定的差别，因此在数据实体的表达上，也有三维地理实体的特点。国内学者李清泉等人提出了以下表达建筑物和地形的三维信息[5]：地形被表达为数字高程模型（DEM）、数字地形模型(DTM)；建筑、构筑物等用实体(CSG)和边界表示(B-rep)。每种不同的表达方式都有各自的特点，根据不同的口的和不同的要求而定。在国内，地形数据的表达普遍采用的是DEM和DOM匹配，生成地形图；建筑物通常以2.5维的形式存在，之后进行纹理贴图。

DTM是描述地表单元空间位置的和地形属性分布的有序集合，是定义于二维区域之上的一个有限向的向量系列。它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，通过存贮在介质上的大量的地面点空间坐标和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。它随用途不同具有不同的数据结构，但一般均可变换成为规格点组成的栅格数据形式。

DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在GIS中，DEM是建立三维地形的基础数据，其他的地形要素可由DEM直接或间接导出，成为“派生数据”，如坡度、坡向。DEM主要有三种表示模型:规则格网模型(GRID、等高线模型和不规则三角网模型(Triangulated Irregular Network，TIN)。

由于三维几何表示能提供物体的几何描述，使空间物体可用计算机来存贮、处理、显示。物体3D表示可以有多种方法，大致分为基于体表示和基于面表示两大类，其中，具有代表性的是结构实体表示(Constructed Solid Geometry, CSG)和边界表示(Boundary representation, B-rep)方法。CSG方法在计算机辅助设计(CAD)中应用广泛，它通过预定义的模型单兀来表示空间物体，这些单元具有规则的形状，如:立方体、圆柱体、圆锥体等，单元间的关系主要是布尔操作。CSG方法的优点是模型关系简单，便于显示和数据更新，缺点是空间分析难以进行:而B-rep表示方法，可以通过对构成物体边界的点、线、面和体四种类型兀素的精确描述，即能够精确表示物体几何位置以及兀素间的拓扑关系，虽然B-rep方法适于空间操作和分析，但存储空间占用多，计算速度较慢。

五、三维可视化在GIS中的应用

目前在社会的各行各业中，地理信息三维可视化系统都得到了广泛的应用[6]：

1.城市：地理信息三维可视化系统应用于城市建设的很多领域，如大楼的建筑结构和住户管理、空气污染与流动状态监测、地下水源污染监测、地下管线的规划与管理等。

2.环境：二十一世纪全社会都更加重视环境保护，地理信息三维可视化系统可以表达大上、地面、地下多层次的环境状况，更好地模拟真实三维环境，帮助人们更好的管理与治理环境。

3.地质：地质是资源、矿山、环境等众多学科与工程应用的基础。地理信息、三维可视化系统应用于表达复杂的三维地质构造形态(如地层界面、不整合面、断层等不规则的面状构造)，表达岩石内部结构(如层理、纹理、走向、孔隙度、孔隙连通方向等微细的内部构造)以及岩体内部物质的分布状况。

4.矿山：在矿山领域，地理信息三维可视化系统平台应用于表现矿体及围岩形态，表达巷道、采矿工作面形态，表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地场应力等三维现象，如果再加上各种知识库、专家系统，还可支持三维环境下的工程管理与决策。

5.海洋：二十一世纪是海洋的世纪，海洋的研究与管理在我国可持续发展战略中将占据越来越重要的位置。海洋在不同深度的含盐量、水温、压力、水流方向都是不同的，地理信息三维可视化系统应用于表达海洋世界，可以帮助人们更好地研究与开发海洋。

6.气象：地理信息三维可视化系统应用于反映不同高度上气流、气压、大气成分的变化情况。

六、结束语

目前，三维可视化地理信息系统的研究已成为国内外研究的热点，随着计算机技术以及相关三维可视化技术的发展和地理科学、大气科学、海洋科学等研究三维空间特征的深入，三维可视化地理信息系统的研究与开发已成为地理信息系统研究领域的重要方面和今后发展的一个趋势。

参考文献：

[1] 和平鸽工作室编著.OpenGL高级编程与可视化系统开发(高级编程篇).北京:中国水利水电出版社，2003年1月第一版.

[2] 郑琦.吴刚.朱莉等.可视化技术在MIS中的应用研究.计算机仿真.2005.4. 第22卷第4期.

[3] 何全军.三维可视化技术在地理信息系统中的应用研究.吉林大学硕士学位论文.2004.

[4] 缪海岚.面向地学应用的三维GIS可视化技术研究.福州大学硕士学位论文.2002.

篇(6)

关键词：虚拟现实；数字校园；虚拟漫游；三维仿真建模

随着计算机的发展，计算机辅助设计在设计领域起到了举足轻重的作用，得到了高度的发展。通过计算机产生的设计结果，可通过图形设备向设计者展示，并可模拟，允许设计者作出修改。而现阶段的二维、三维的表现方式，只能传递建筑物的部分信息，并且只能提供单一尺度的建筑物信息，使用虚拟现实技术可展示一栋活生生的虚拟建筑物，使人产生身临其境之感，用户在虚拟建筑中进行漫游、人机交互，大大提高了项目设计的质量。

一、什么是虚拟现实

从广义上讲，只要是通过三维模型实现一些人机交互操作就可以称为虚拟现实。更严谨的界定是指通过对三维模型的操作、定义，然后应用于相应场景中，并赋予该模型功能性的表现。以一个汽车的3d模型为例，在汽车的三维模型出来以后，可让用户对场景进行选择，比如是运行在城市还是乡村，然后还能让用户为汽车模型编写动作脚本，定义汽车是按某条线路在跑还是有人来操作。也就是说，只有在同时具备了产品、场景、脚本这三项要素时，才是真正完整的“虚拟现实”虚拟现实（简称VR）也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。

二、虚拟现实的特征

（1）多感知性所谓多感知，是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉、力觉、触觉、运动，甚至包括味觉、嗅觉等感知。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。

（2）交互性，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

（3）构想性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

（4）浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

三、虚拟现实的应用

虚拟现实的本质是人与计算机的通信技术，它几乎可以支持任何人类活动，适用于任何领域。

（1）虚拟教学。虚拟现实技术为学习者和教学者提供了丰富的学习资源以及选择学习材料和学习方式的机会。利用虚拟现实技术，教师和学生一起经历虚拟环境，观察一些关键性问题，还能让学生自己“进入其中”进行详细观察，大大提高了学生的理解能力和掌握能力。

（2）虚拟实验。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，可以根据需要随时生成各种“虚拟”新的设备，教学内容可以不断更新，使实践训练能够及时跟上技术的发展，为学生提供生动、逼真的学习环境，从而加速和巩固学生学习知识的过程。

（3）虚拟仿真校园。以虚拟现实技术作为远程教育平台，可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，对各个终端提供开放的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益等等。

（4）虚拟漫游技术在建筑设计上应用体现。虚拟漫游技术不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标等，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。

首先，它有利于设计者规避设计风险。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，有利于设计者规避设计风险。

其次，它有利于加快设计速度。设计者既可以利用虚拟现实系统，很轻松随意的进行修改，改变建筑内外立面的材质、颜色、设置光源性质、灯光强度、改变绿化密度等，只要修改系统中的参数即可。

再次，有利于快捷的传播。虚拟现实技术还可以应用在网络和多媒体中，方便快捷的传播产品信息。最后，它有利于用户真正参加到项目设计中来。让用户真正的参与到项目中来，第一人称行走相机以眼睛的角度查看一个场景，并允许用户自由行走。由于这种方式非常接近现实世界，因此这种类型的相机提供了一种沉浸式的体验。因而能增加我们在建筑漫游中的沉浸感和构想性。

总之，虚拟建筑漫游系统所体现的直观性、交互性以及多方位的信息等优势，是传统的平面图纸和实体模型所无法比拟的。相信随着计算机软硬件及设备的进一步发展，随着虚拟现实的不断完善，虚拟现实在建筑设计上的应用将具有更大的发展潜力。

参考文献

[1]程大锦，《建筑：形式空间和秩序》天津： 天津大学出版社

[2]冯文，孙立军，《动画艺术概论》北京：海洋出版社，2007

[3]张荣华 几何建模技术在虚拟校园漫游系统开发中的应用 [期刊论文] -计算机工程与设计2008

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论文关键词：虚拟现实技术 矿山软件 虚拟矿山

论文摘要：随着虚拟现实技术的不断发展，将其应用于矿山建 设逐渐成为矿山研究热点之一 。应用虚拟 现实技术可以生成三维的 “虚拟矿山”，直观地显示矿山的地质情况和巷道分布情况，可向设计者、审查者、公众展示…个三维的、动态的矿山。虚拟现实技术在矿山设计、技术改造及生产中具有重要作用。

0 引 言

随着虚拟现实技术 (VR——Virtual Reality) 的不断发展。将其应用于矿山建设逐渐成为矿山研究热点之一。近年来，虚拟现实技术作为信息科学的新兴学科 出现 ，并 以其特 有的优 势被迅 速运用于各行各业 。

传统的矿井规划与设计用二维图形表达三维的地质情况和井筒巷道的空间分布很不直观，只有经验丰富的人员才能完成 ，而且需要花费一定的时间和精力构想矿产资源赋存情况和地质构造的空间分布 ；设计的井筒和巷道也是用二维图形表示 ，给施工人员带来很大困难，严重制约了设计的效率和合理性。应用虚拟现实技术可以生成三维的 “虚拟矿山”。直观地显示矿井地质和巷道分布情况，便于相关人员进行交互式的观察 、分析和设计 。本文论述虚拟现实技术中的视景建模技术及其实现方法，对矿井规划的可视化设计具有重要意义。

1 虚拟现实技术及软件简介

虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的 “虚拟世 界”进行交 互式 的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境 中的作用与 变化 ，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性 、交互性和 自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值 。

为了给用户创建一个能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件就是根据需要能在虚拟现实系统 中逼真地显示出客观世界 中的一切对象：不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且 要求在形态 、光照 、质感等方面十分逼真。

目前，相关软件发展迅速、种类较多，其中常用的软件有 MultiGen Greator、Vega、OpenGI 以及我国图灵公司的 VRMAP、适普公司的 IMAGIS等。

1．1 模型构建软件

MultiGen Creator 是美国 MultiGen Paradigm公司开发 的三维建模软件，广泛用于视景仿真、虚拟城市、模拟设计 、交互式游戏等。它在满足实时性的前提下可生成逼真的场景，可进行多边形建模、矢量建模 和地形 生成 。它的层 次细节、多边形筛选 、逻辑筛选 、绘图优先级、自由度设置等高级功能使得其数据格式 OpenFlight在实时三维领域成为流行的图像生成格式。该软件可接受 DXF、DEM和其它矢量格式的数据与AutoCAD和 GIS软件结合方便。

1．2 支持视景生成的语言——OpenGL

应该使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言来设计与实现虚拟环境，其中 OpenGI(服务器)及其支持 系统就是这样一种可选用的图形生成环境。OpenGI 可按 函数库的形式被 C语言调用，也可以被窗 口系统直接调用。OpenGI 是使用专用图形处理软件接 口，该接口目前由几百个过程函数组成，用以支持用户对高质量三维对象的图形和图像进行操作。

()penGI 指令的模型是客户／服务器模式，即一个程序 (客户 )提 供指 令，该 指令 由 OpenGI 解释并处理，它直接执行 3D及 2D图型 的基本操作。这些操作包 括转换矩阵、光照模 型和光线跟踪、反混 淆方法 、z～Buf以及像 素更新 操作 等。OpenGI 也支持双缓冲技术 ，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制 ，使所生成的图形能够像电影一样平滑运动。

1．3 视景漫游软件

Vega是 MultiGen--Paradigm 公 司开发的应用于实时视景 、声音仿真和虚拟现实等领域的高性能软件环境和开发平台，由 Lynx图形化用户接 口和Vega库组成。利用 Vega库函数可在 Lynx中建立漫游所需要 的场景 、窗 口、通道 、运动和碰撞方式，可以定义对象的初始化参数并建立对象之间的相 互联 系 。

2 地质构造情况的模拟

对于矿 山技术人员来说地质构造情 况非常重要 ，如果对煤层 、岩层 、含水层 、流沙层以及断层和褶曲等情况的推断有偏差 ，或图形表现不直观易懂 ，则在建井或生产过程中就可能发生塌方、突水等事故 ，造成人员伤亡和经济损失。应用虚拟现实软件可以根据地质体的三维分布 ，使矿井的规划设计更加直观方便。

综合国内外现状，三维地质体的绘制有块段 、表面、实体和断面建模法等。

MultiGen Creator中需要 的 曲面 数 据 是ded或 。dem 格式 ，使用 GIS软件 Arolnfo、用插值方 法 生 成 不 规 则 三 角 网 (TIN)，然 后 转 成USGS DEM 格式 ，将其导 入 Creator就 可 以生成煤层曲面。然后，通过光照、着色 、纹理、渲染等处理三维地质体更加逼真。

3 地形地貌及地物 的模拟

地形地貌和地物的建立需要相应 的三维数据 。如果有研究区域的纸质地形图，可以用扫描数字化的方法得到平面数据，按照图上的标注得到高程数据；如果已有该区域的电子地图，则可直接使用或通过数据格式转换得到需要的数据；如果没有上述数据源，则需要由野外测量获得。

地形生成与地质曲面生成过程类似，先用ArcInfo将地形 图上 的等高线 和高程 点进行 数字化，把图上标注的高程值输入到属性表中，生成不规则三角网 (TIN)，然后转成 USGS DEM 格式将其导入 Creator生成三维地形 。

对于建筑物、道路 、围墙 、河流 、湖泊等的建立，先用 Auto—CAD进行数字化，得到其平面位置。将得到的 *．def文件导入 Creator，并与地形匹配。如果建筑物 比较规则 ，则直接将其底面按照高度拉伸为立体 ，如果建筑物造型比较复杂，则需要分成规则的几部分进行构建。

4 矿山井下巷道建模

目前 ，矿山信息主要是通过 CAD格式 的双线采掘工程平面图来表达 。首先根据采掘工程平面图上的高程信息，利用 CAD中的三维多线段重新描绘巷道 ，同时将高程信息赋予每个节点 ，实现巷道的单线显示 ，井筒和巷道设计要布置合理 ，尽量避免穿过断层 、褶曲、含水层等不良地质构造，尽量减少矿井建设和生产地面的影响。

使用 MultiGen Creator进行 设计 ，用 圆柱体表示井简 ，用半圆型截 面的柱体表示岩巷 ，然后进行模拟生产 ，以发现生产中可能遇到的问题，对设计方案进行比较和选择。设计方案完成后可模拟不同设备、不同开采方式的生产系统进行生产，从而达到优化矿井设计和生产系统的目的。综合考虑地质和技术条件 、经济、环境等各种 因素，选择合理的方案。

5 虚拟巷道系统的建立

虚拟巷道系统是对矿井真实巷道多分辨率的三维虚拟表示，建立的主要任务之一是实现基于web环境下的可交互的 、真实巷道 的三维可视化表达 ，用户可以从各个角度对巷道虚拟环境进行任意的浏览和观察 ，并可通过网络进行各种交互。

5．1 矿井巷道的建模

矿井 中各种实体大多是三维实体，其表面为不规则 曲面 ，且 内部矿体品位分布不均匀 。对于矿体的外形 ，可用一个不规则的封闭曲面来确定 。为确定矿体的范围，要经地表勘查 、地下勘探及推估等手段来完成。在浏览器上三维实体模型，可通过将现有的三维矿体模型中存储的信息按照一定的规范转换为系统可接受的格式得到。要在MuhiGen Creator中构建三维矿井巷道模型，首先应进行简单的坐标转换，这是因为 MuhiGenCreator中采用的坐标系和地学中实际采用的坐标系的含义有所不同。MultiGen Creator中采用的坐标系为符合右手规则的空间坐标系，是以MuhiGen Creator浏览器中用户区的中 作为其坐标系的圆心，基底坐标 为 XOZ面，y表示高 程。其坐标长度以米为单位，标准角度以弧度为单位。因此，为使它与人们通常采用的地学坐标系保持一致，应将原来矿井 三维实体 的 (，Y，：)坐标转换为 MuhiGen Creator坐标系中的 (，Y，Z)。转换后的三维实体坐标应满足虚拟场景中所采用的局部坐标系显示的需要。由于矿井实体坐标的数值一般相当大，而实际显示坐标值的前几位高位数据对图形形状不产生任何影响，因此可将地理坐标数据各分量 同时做一预选 。

5．2 虚拟巷道场 景的绘 制

对于规则格网构成的矿山地表模型及矿井实体的顶底板数字表面模型，可用 ElevationGrid节 点构建。该节点能很容易有效地设计创建一个位于局部坐标系 X()Z平面上高低起伏的地域造型。该造型用高度值组成的标量阵列描述，阵列指定了表面每个格网点上的高度 。和 z方向的栅格点数量可 以分 别 用 xDimension 和 zDimension 域 建 立。xSpacing和 zSpacing域值指定 了栅格行和列之间的空间。Height域的值指定了每一个栅格点的海拔高度，基底上的每一个栅格点都与 height矩阵中的一个海拔值 相对应；colorPerVertex域指定为TRUE或 FAI SE，表示 color域 中指定 的颜 色是用到 ElevationGrid节点的每个顶点上 (TRUE)，还是应用到每个四边形上 (FAI SE)；此外，通过建立 solid域值，所有的海拔栅格都可以当作实体。

对于由不同的三角面构成的复杂地表模型，则需要用 MUI TIGEN CREATO 提供的万能几何节 点IndexedFaceSet来创建，它有coord与 coordlndex两个域 ，与 IndexedFaceSet节点 中的两个域类似，前者提供了一个节点，列出了构造面几种所有面的坐标 。Coordlndex域的值提供 了一张描述一张或多张面周界的列表。其中每一个值都是整型索引，并且每个索引都指定了在 coord域内的坐标列表中的一个坐标。在实际的创建过程中，要求建立三角网的各个三角面按照法线方向向外的法则 。

6 结语

应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境 (Virtual Environment)。这样在矿 山设计或研究阶段 ，科研人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数 ，选择设备及确定生产模式。从基建到闭坑的全过程实时监控 ，发现问题进行实时修正。设计结束后，设计单位、矿山企业可向审查者 、公众展示一个三维和动态的矿山。总之，虚拟现实技术在矿山设计、技术改造 、生产中可广泛应用 。

参考文献

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