计算机三维仿真技术篇1
【关键词】计算机；三维仿真技术；水利工程；应用
中图分类号：tV文献标识码：a
前言
文章对计算机三维仿真技术的特点和在水利工程中应用的意义进行了简要介绍，对计算机三维仿真模拟技术的实现过程进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对计算机仿真技术在水利水电工程中的应用研究进行了探讨。
二、计算机三维仿真技术的特点
三维仿真技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，使之在感知行为的逼真环境中，获得一种身临其境的感受。例如《韶关市城市规划三维辅助决策系统》，利用地理信息系统、三维空间建模、遥感等现代信息技术，以数字地形数据、遥感影像数据、数字高程模型数据以及三维城市要素模型等数据为基础，在三维虚拟空间内实现局部的规划和建筑设计方案与区域景观的实时、多方案综合分析与决策。计算机三维仿真技术的特点如下：
1.可快速对多种施工方案进行比较：如对于某个混凝土坝工程的浇筑施工模拟，通过计算机仿真技术可在短时间内就能仿真模拟出若干个可行性施工方案，施工技术人员在分析模拟结果的基础上，再分析判断出对工程浇筑施工有较大影响的因素，获得浇筑施工过程中的关键时期阶段信息，据此便可提前做好充分的预防准备措施。
2.成本相对较低，与进行真实的模型试验不同，计算机仿真模拟技术是对原型结构进行虚拟模拟，不需要制作真实的原型结构模型，只需要相应的软件购买费用，而且购买一个软件后可相对的长期进行多方案的模拟计算，软件的重复使用率较高，使得应用成本低。
3.模拟结果的可靠性较高，计算机的高准确性决定了在软件系统模型设置正确，以及软件程序编制正确的前提下，工程相应的施工模拟仿真分析就会满足在进行模型的模拟仿真分析前预先考虑到的各种约束条件。
4.实用性强，计算机仿真技术可应用的领域极为广泛，只要能用数学方式进行表达和描述的问题模型，基本上都能够用计算机进行相应的仿真模拟计算。
三、计算机三维仿真在水利工程中应用的意义
1.提供可视化功能支持
三维仿真技术可以依靠相关的软件进行辅助操作，对水利工程规划方案和规划过程进行详细的系统设计，能够提供可视化的支持，能适当的对规划的对象进行高度、方向、颜色等方案筛选和比较，使得规划的决策更为科学、合理、直观。同时，相比传统的设计辅助图，三维仿真技术拥有更强的决策和设计功能，可以降低规划决策的失误率，规避设计所带来的风险。如，2006年9月，人民大会堂公映的大型传奇史诗影片《圆明园》，通过先进三维仿真技术，将“圆明园”真实的再现在世界人们的眼中。
2.多样化的数据服务
利用三维仿真技术进行三维模拟和三维仿真系统的设计，可以利用三维仿真系统查询相对对象的信息资料，为规划设计者提供水利工程的信息资料。在水利工程规划三维辅助决策系统中，在功能方面提供了三维基础功能、规划信息查询、规划方案评审、规划辅助分析、规划辅助设计、三维管网管理等六大功能，并利用现有水利工程综合管理信息系统和基础数据共享平台进行对接。
3.提高规划项目的管理效率
通过制作项目模型或者提供静态的三维效果图来展示项目的整体规划过程，这具有很大的局限性，无法完成规划对象的修改和管理。水利工程三维仿真技术可以设计一个可操作的三维仿真系统，为开发机构或城市规划单位提供高精度的数据服务和视觉质量。在需要修改或增减项目工程的过程中，可以直接导入或更新相关的数据信息，可以及时作出方案调整和实施，提高规划项目的整体管理质量和效率。
四、计算机三维仿真模拟技术的实现过程
计算机仿真模拟技术是以数学理论为基础逐渐发展起来的一门技术，对于客观现实的事物和问题，计算机并不能直接对其进行分析和处理，而是需要建立一个能反映待研究事物或问题的本质特征，同时还要求能被计算机所分析处理的”模型”。计算机仿真模拟技术的实现流程主要如下：研究对象特征分析，建立数学模型，计算机分析处理，获得仿真结果。在实际应用过程中通常表现为以下步骤。
1.建立模型：根据具体的研究目的和研究对象的特征，在进行计算机仿真模拟计算前，应先根据实际问题的特征确定一个适当的分析系统，并结合实际工程参数确定系统的约束条件和边界条件。再利用相关的数学、力学及其他相应学科的有关理论，把抽象出来的分析系统用一个数学模型表达式描述出来，即建立了相应研究问题的“数学建模”，模型建立的准确程度决定着仿真模拟计算结果与工程实际情况相符合的程度。
2.输入模型：模型的输入过程即是对上一步骤建立的“数学建模”结合软件的功能特点转化为计算机能够识别和处理的形式，这种形式所体现的模型内容，即是相应的“计算机仿真模拟模型”。建立和输入模型是进行计算机进行仿真模拟计算的关键环节。
3.仿真计算分析：将上面输入计算机的仿真模型载入相应的计算机计算模块中，按照预先设置的各种施工方案，来进行相应的仿真模拟计算，这便是所谓的“计算机模型的仿真计算”过程。
4.仿真模拟计算结果分析：仿真模拟计算的目的是为了反映一个问题的发展状况，仿真模拟计算的结果包含着系统对输入模型运行处理的信息，对这些信息的分析和评估是进行计算机仿真模拟研究的最终目标，因此我们应充分结合工程的实际情况，结合经验来分析和处理仿真计算的结果，使防止模拟能够指导真实的实际工程施工。
五、计算机三维仿真技术在水利水电工程中的应用研究
1.复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究
地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。
2.水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究
水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。
结束语
计算机三维仿真技术已经实现了可视化，这对水利工程中的相关施工和维修检测中相关问题的解决具有实际意义，随着计算机三维仿真技术的进一步发展，它在水利工程中奖发挥更好的效果，让我们拭目以待。
参考文献
计算机三维仿真技术篇2
关键词：计算机实用技术；油田生产；虚拟环境；仿真系统
中图分类号：tp391.9文献标识码：a文章编号：1007-9599 （2012） 18-0000-02
1简析计算机虚拟现实技术
近几年来，计算机技术取得了不断的突破与发展，基于计算机实用技术也逐渐发展起来，为油田的生产与建设提供了又一项技术支持和保障。虚拟现实技术又被称为灵境技术，以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。其最重要的两个特征是系统的软硬件环境交互性及沉浸感。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、多传感器技术等，来模拟人的视觉、听觉等感官系统，使人沉浸在计算机生成的虚拟环境里，通过语言、肢体语等方式进行实时交互，来创造一种适人化的多维信息空间。
虚拟现实技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术等技术手段的结合生成了三维逼真的虚拟环境，用户需要通过特殊的交互设备就可以进入虚拟环境中。虚拟现实技术能够生成虚拟境界的图形工作站。近年来，虚拟现实技术已普遍应用于工业、建筑领域、教育培训。文化娱乐、能源生产等方面。根据目前虚拟现实的倾向特征，可将虚拟现实系统划分桌面级的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实、投入的虚拟现实和网络分布式虚拟现实。虚拟现实技术的主要特征有：多感知性、浸没感、构想性。构成虚拟现实技术的关键技术有环境建模技术、立体声合成和立体显示技术、触觉反馈技术、交互技术和系统集成技术等。而一个完整的虚拟现实系统不仅包括虚拟环境，也包括以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备和以味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等设备技术组成。
2简析计算机实用技术的油田生产仿真系统的设计
计算机的仿真技术和仿真系统的内涵比较广，其应用的范围还有待扩大。而计算机实用技术的重要组成部分虚拟现实技术在工业、商业、科技开发、军事、教育、医疗等各个领域。接下来就以计算机虚拟现实技术在油田生产仿真系统设计中的应用为例，做以简要的分析，旨在了解计算机虚拟技术的相关知识和油田生产仿真系统的设计方案与原理，了解科技在实际生产中的作用与价值，掌握相关的科技服务于生产与建设，创造更多的社会财富，解决生产中能源供需矛盾，提高作业人员的实际操作水平和相关的素质与技能，保证生产的安全、顺利进行。
虚拟现实技术应用在油田生产中，对安全操作等培训工作起到了一定的作用。而设计并开发基于桌面系统的油田安全操作的仿真系统，有助于提高油田的生产效率和管理水平。虚拟现实技术通过建立逼真的虚拟环境，利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音、力与触觉等方式，并且有效地屏蔽周围现实环境，使参与者完全投入到虚拟世界中，用以提高作业人员的相关职业技能和实际的操作水平，积累相关的现场实践经验。
同时将基于虚拟现实技术上的仿真技术，在油田注水生产中也有较大的作用与价值，随着油田生产进入中、高含水期，注水量逐渐的增加，注水的能耗尤其是电能的消耗越来越严重，使得油田注水系统的运行及其复杂，井下压裂测试、钻关井、洗井问题及其注水装置设备的维护、管网的改造等问题仅依靠作业人员的传统经验是无法有效解决的，但若在油田注水生产过程使用仿真系统iSppS的设计，以系统基本水力元件数学模型为基础，应用节点方程模型建立系统仿真模型，对现有的注水系统的运行状态及情况进行定性分析。通过利用仿真设计对现实系统的某层次的抽象属性进行系统设计与模仿，利用相关系统设计的模型进行试验与分析，得到可靠、准确的信息。油田生产借助计算机仿真技术系统设计模型、三维数字化系统及虚拟现实技术来构建能源安全作业虚拟仿真训练系统，为多人在线交互式训练提供了条件，通过封闭式的演示、指导操作、开放式自由操作等培训模式，有利于开发能源安全作业虚拟仿真训练系统，有效解决能源安全作业培训成本、安全和效率问题。在三维仿真信息化系统内可对设备管理、管线管理、安全应急等演练，构建作业区三维环境。
3简析计算机仿真技术的现状和未来发展的方向
计算机仿真技术的发展与科技力量的推动作用是密不可分的。自上世纪70年代初开始，数字模拟混合计算机仿真得以发展，70年代末，普及和推广了各种类型的专用和通用计算机仿真技术，90年代对交互式仿真和虚拟仿真进行研究，并取得了一定的科研成效。之后，随着科技和系统过程的发展，计算机仿真技术已日趋成熟，扩展到生产与建设的各个领域，为经济的发展和社会生产建设提供了技术保证和科技支持。未来的计算机应用技术的油田生产仿真系统的设计还有很大的发展空间与发展潜力，明确其发展方向，有助于进行相关的科研和发挥在实际中的应用价值。随着计算机应用技术与网络技术的发展，未来的仿真技术将向仿真技术网络化与虚拟制造的方向发展，其发展潜力有待进一步开发与完善。
参考文献：
计算机三维仿真技术篇3
关键词：计算机；虚拟仿真技术；应用
中图分类号：tp393文献标识码：a文章编号：1007-9599(2011)22-0000-01
theanalysisofComputerVirtualSimulationtechnologyanditsapplications
mengQingchao
(instituteofinformationtechnology,LuoyangnormalUniversity,Luoyang471022,China)
abstract:Virtualsimulationtechnologyknownasvisualsimulationorvirtualrealitytechnology(VirtualReality,VR),referstotheuseofcomputertechnologyasthecore,theuseofmodernscienceandtechnologytoproducehighvividtouch,hearing,visualintegrationofthevirtualenvironment,userswiththeappropriatetoolsinanaturalwaytointeractwithvirtualobjects,interactions,resultingintheground,experienceandfeelingsofempathy.inthispaper,theintroductionofvirtualsimulationtechnologytoanalyzeitsapplicationinvariousfields.
Keywords:Computer;Virtualsimulationtechnology;application
一、计算机虚拟仿真技术的概念
虚拟仿真技术又叫视景仿真或者虚拟现实技术(VirtualReality，VR)，是指运用计算机技术为核心，采用现代高科学技术制作出栩栩如生的触觉、听觉、视觉一体化的虚拟环境，用户借助相应的工具以自然方式与虚拟客体进行相互影响、交互作用，从而产生身临其境、感同身受的体验和感受。虚拟现实是融合了信息与人的一门科学，是一些三维的交互式计算机为核心而生成的环境组成。这些环境可以是想象世界中的模型，也可以是真实的，其作用是运用人工合成的各种经历或环境来表示知识与信息。虚拟现实技术可以使抽象或复杂系统的概念变成确切含义的符号。
二、计算机虚拟仿真技术的应用
（一）在多媒体教学中的应用。在教学过程中，多媒体课件被越来越多的应用与教学。设计人员依据教学内容的信息和自己的创意，对教学内容分类组织，并综合各种动画、声音、图形、文字等多媒体素材，制作许多种多媒体课件进行教学。多媒体课件具有良好的共享性、极大的交互性、丰富的表现力三大特征，因此产生了多种多样的教学方式方法。制作课件的常用工具有flash、authoware、director、powerpoint等软件，但是他们有存在不同程度的缺陷，例如authoware课件表现行较差，不能制作出很完善的动画；powerpoint课件交互性不强，只能作为展示各种资料的工具。虚拟现实技术因其很好的想象性、沉浸性和交互性，因此逐渐地被应用于多媒体课件的开发中。在教学过程中，虚拟现实技术主要运用在分布式虚拟现实和桌面虚拟现实，由于沉浸型虚拟现实的设备设施非常昂贵，因此在教学中很少运用。在多媒体课件开发中，虚拟现实技术的应用主要是开发虚拟实验室、制作三维课件以及仿真实践训练。
（二）在计算机组装中的应用。计算机组装有着较强的实践性和直观性、操作性，因此，计算机组装实验在计算机组装教学和计算机研发中有着极其重要的作用，而在计算机组装实验中，往往由于相关设备的不足和计算机部件翻新较快的缘故，从而使得计算机实验操作具有一定的难度，影响了实验的效果。通过虚拟现实技术对计算机组装实验中的各种设备硬件进行仿真模拟，从而建立计算机组装虚拟实验。计算机组装模拟实验系统主要是通过VRmL技术，让实验操作者利用人机界面对虚拟的现实环境中各种计算机设备硬件进行组装。整个计算机组装模拟实验系统一般包括了计算机各部件设备的三维浏览、各设备之间的组装过程演示和计算机设备的组装实验，同时也包括了实验说明。其中，实验说明主要是为了介绍整个实验的目的、原理以及实验过程中应该注意的事项及所用的各种实验仪器等等；计算机各部件设备的三维浏览是指通过VRmL对计算机各设备部件进行三维仿真，从而能使参与实验的人可以在任何参观地点进行多角度的详细观察，在计算机的有关设备部件发生更新后，其可以即时地对虚拟系统中的相应虚拟设备进行修改，从而降低了现实实验中更换部件设备的经济负担。
（三）在城市、小区视景规划中的应用。在城市、小区视景规划中，仿真建模是最为基本的环节。通过虚拟仿真技术将想法付诸理论现实。在视景仿真项目的开发过程中，其最重要的工作是虚拟模型的建立以及特效纹理与音效的制作工作。其具体的制作过程如下：我们往往选择以运行于SGi320桌面图形工作站的maYa软件为主来完成。建成的模型生成模型库则通过在多媒体计算机中运行的CULt3D软件来执行三维交互查询和显示；并且通过在多媒体计算机中运行的director软件来进行模型库的调用和存储以及三维交互浏览的集成。同时，特效纹理和声效的制作也能通过以上在多媒体计算机环境下运行的软件进行制作，并且可以将其获得的结果变成数据库格式进行储存，从而促使便于浏览和检索的特效模型数据库的建立。最后，进行实景仿真，可根据仿真所需的具体要求，通过交互式视景仿真驱动软件eaSYSCene进行特效和模型的调用并对其进行高速逼真的仿真环境显示以及模型交互操作的实时响应。
如武汉市南湖大道旁的津发小区，对其实景仿真的开发过程进行介绍。在其中，精细实际的尺寸模型、真实Dem匹配、坡地别墅、蜿蜒贯穿的水系、森林级绿化、繁华的交通、模拟云雾，是该小区仿真项目的表现特点。如图所示：
其所涉及到的技术有：1.视点定位、相机动画；2.多维子材质；3.混合纹理材质；4.HDR实时反射水面材质；5.仿云雾效果；6.描边轮廓效果；7.地形碰撞检测；8.立方盒天空节点；9.喷泉、烟例子系统；10.3D音效。
参考文献：
[1]冯允成.虚拟现实仿真技术及在计算机装配中的应用[J].北京计算机技术大学学报,2010,27(2):213-216
计算机三维仿真技术篇4
关键词：断路器 可视化 仿真
1 概述
可视化仿真是90年代崭新的技术领域。它是涉及计算机图象学、图形处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。在工程设计领域，可视化仿真或科学计算可视化被定义为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工或三维图形和动画显示，并可通过交互的改变参数来视察计算结果的全貌及其变化。由于科学计算可视化对各门学科和工程技术的发展有极其重要的意义及实用价值，因而这种技术在它一开始出现就得到人们的极大重视。
实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大的数据得到有效的利用；能把不能或不易观察到的工程现象变为使人们能发现并理解被设计和被研究对象所产生的物理机理，从而提出改进设计的具体措施；可以实现对计算过程的引导和控制，通过图形交互手段可方便快速的改变设计和计算的原始数据和条件，并通过三维图形或动画来显示和观察改变原始数据对设计和研究对象基本特性的影响，来达到对象优化设计的目的。来源:输配电设备网
低压电器的灭弧室一般由器壁形成一个小室，电弧开断过程在灭弧室内进行，并且时间很短，很难用肉眼进行观察，特别是要定量地掌握和了解灭弧室内如电弧温度、离子浓度、气体压力，气流速度等物理参数变化，则难度更大。近年来，由于磁流体动力学（mHD）数值分析的进展，使人们依靠电弧的物理数学模型来模拟低压电器开断过程成为可能，如果把这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，则可使灭弧室内电弧的开断过程在计算机屏幕上显示出来，让人们观察到电弧在灭弧室内运动情况，以及温度，流场等分布和变化情况，这对今后低压电器灭弧室的设计有重大意义。
目前图形及计算机技术得到极大的发展，使在微机上进行三维空间可视化仿真成为可能。本文以磁流体动力学为基础，综合流场、电磁场、温度场等计算，建立低压断路器开断电弧的动态数学模型。在windows98平台上用VisualC++语言编制，利用基于windows98的三维图形模块，形成了友好的人机界面，对开断中电弧的运动在三维空间进行显示，对温度，气流等参数以图形可视化方式表示，实现了低压断路器开断的可视化仿真软件系统。
计算机三维仿真技术篇5
关键词：计算机仿真技术；工程项目；施工管理；运用
建筑业在我国经济发展中起到十分重要的作用，随着国家对建筑业发展的重视，建筑业在将来具有良好的发展前景.但我国目前的建筑技术水平整体依旧还处于较低位置，其管理水平也是如此，并且存在诸多不合理的现象，同时经常发生一些安全事故以及质量事故，也存在较为严重的资源损耗.尤其是大型工程项目，其具有极其复杂的施工程序，也存在较多因素对施工的顺利进行产生影响，施工的环境条件也有诸多不确定性，导致施工难度增加，也承受更大的风险.为确保施工更加顺利，必须进行施工计划与指导的编制，使施工的各个环节得到指导.工程设计文件中，施工进度以及资源使用计划十分重要，在工程实施的各个阶段均起到十分关键的影响.所以，施工进度以及资源计划的合理安排，对参建方而言，都需要得到足够的重视.传统项目计划的编制主要采用Cpm和peRt，两者的使用也存在一定的局限性.其中，后者的缺点在于精度缺乏保障，存在较大的误差，不能使实际工程的要求得到满足.对此，计算机仿真技术的出现，为项目计划的制定带来了极大的帮助.在我国社会与科学不断发展的背景下，计算机仿真技术同样发展显著，在我国工程施工管理领域得到更加广泛的应用，也形成较多趋于完善的施工仿真系统，其中包括GiS以及CY-CLone等.计算机仿真技术凭借其风险小、成本低的优势，其在工程项目施工管理中的应用，将更好地解决实际问题，对建筑业的发展具有十分重要的意义.
1计算机仿真的相关概念及基本步骤分析
1.1概念
计算机仿真技术与计算机建模技术，是一种新型技术，目前已经得到较大的发展，在现代科学技术研究中占据重要的地位.该技术在多个领域应用广泛，能够有效帮助解决复杂系统的问题.在计算机仿真中，计算机、系统以及系统模型是其主要的三大要素.其中，系统指的是事物及其规律的一种总称；系统模型是指关于系统特性及关系的描述，用于系统功能及部件间规律的研究.目前，系统模型类型更多，其中的数学模型也已经得到更加广泛的应用.目前，仿真的概念也逐渐得到完善，虽然各学者对仿真的定义存在一些区别，但是根据这些定义，可对计算机仿真的定义作出以下概括：计算机仿真是针对实物进行模拟，建立于丰富的技术理论层面，借助计算机等工具，通过系统模型对系统实施动态研究，属于一种新型技术，涉及较多的专业与学科，具有较强的综合性.换句话说，计算机仿真是不改变实际系统运行的基础上，通过计算机构建系统模型进行系统性能研究及系统构造的一种技术.计算机仿真类型各种各样，按照不同的分类依据可得到不同的种类划分.例如以模型的种类为依据，可将计算机仿真分为半实物仿真、物理仿真以及数学仿真.根据仿真时钟和实际时钟之间的比例进行相关划分可得出，计算机仿真可以分为三种仿真，即超实时、亚实时以及实时.若依据系统模型的特征进行相关分化可得出两种仿真，即离散系统以及连续系统.
1.2基本步骤
（1）建立问题及目标.首选需对仿真系统的相关处理对象进行确认，并且明确仿真的目标，也就是通常所说的促使某一问题得到有效的解决.（2）进行建模.仿真模型可以实现对研究对象的抽象描述，能使研究系统的属性特征得到体现.仿真建模特点显著，通常采用针对问题进行建模以及针对运行过程进行建模的方式.（3）数据采集.若仿真模型已经开始进行相关基本框架的建设.那么其所输入的数据必须是准确无误的，以此才能使仿真运行中模型的数学及逻辑关系得到有效利用，从而通过计算与分析得出可信的仿真结果.而离散系统仿真中，数据分布通常存在某种概率，所以，实际系统统计和调查的实施必不可少.（4）验证模型.需要验证仿真模型，判断其是否具有代表性，从而确保模型能够有效体现真实系统的特征及性能，促使仿真得到成功.（5）运用模型，分析结果.完成模型验证后，接下来就是仿真模型的运用.在运用仿真模型的过程中，需要确保初始条件和数据输入一致，进行多次仿真运行，才能通过仿真得到真实的统计数据和输出结果.建筑工程中仿真模型的运用，需要对某事件的概率和随机变量的期望值进行分析，也需要进行敏感性分析.
2计算机仿真技术在施工管理领域中的应用分析
2.1蒙特卡洛模拟（monte-Carlo）在施工仿真中的应用
该模式方法是根据统计理论，对风险发生率或者风险损失数值进行研究和计算机计算.该方法的基本原理是使用数学模型（模拟模型）将研究对象进行代替，在模型中尽可能将所有的影响因素包含其中.模拟模型中使用具体的概率分布来描述各个风险变量的风险结果和其有关的概率值.然后采用随机的方式给出某个数值，然后根据该数值在各风险变量中的概率分布进行取值，完成各风险变量的取值后，可以模拟模型为依据得出风险总体效果.对这一程序进行重复，以产生的随机数为依据，得出风险总体效果确切值.计算机仿真的概念是在20世纪40年代冯•诺依曼最先提出，而计算机仿真中最早应用的方法就是蒙特卡洛模拟，起初该方法的应用只能对随机过程问题进行解决.现阶段，蒙特卡洛模拟在工程施工领域中的应用越来越广泛，主要体现在对成本以及进度的仿真方面.应用蒙特卡洛模拟于工程网络计划中，凭此对工程进度风险进行仿真分析，能够通过概率计算得出合理的工程工期以及明确工作中的重点，有助于施工管理人员工作的进行.而施工项目成本风险管理中蒙特卡洛模拟技术的应用，则能有效分析以及空时施工项目成本中的相关风险，对施工成本风险分析与管控具有十分积极的作用.
2.2循环网络技术（CYCLone）在施工仿真中的应用
就循环网络技术而言，该技术能够在仿真系统和建筑建模中体现价值，是最先专门为建筑施工仿真而研发的仿真系统.其有效结合多项理论与技术，包括排队理论、网络计划技术以及计算机模拟技术，利用计算机实现模拟，可对各施工组织的工期和费用进行计算，也能对各项资源的利用率进行计算.CYCLone模型的组成元素主要包括流水单元、节点以及矢线.其中，流水单元也就是模型中能够流动的部分，包括各方面的资源，例如人力、物力、财力以及控制信息等；矢线则表示的是各节点之间存在的关联以及流水单元的相关位置走向；节点通常可以划分为五种节点：第一种是一般节点.其主要表示非限制性工作和其主动状态，当流水单元经过此节点时能够稍作的停留，但工作仍然是在进行中.第二种是复合节点.表示工作的开始受控，只有确保所有要求得到满足后才能开始工作，所以，复合节点往往处于排队节点之后，而两者又同属于活动节点.第三种是控制节点.能够对流水单元实行监测以及控制.第四是排队节点.该节点主要对流水单元的被动状态进行描述.流水单元进入该节点后进入暂停状态，等其他排队节点满足要求后同时进入复合节点.排队节点是流水单元等待的停留场所.最后是职能节点.其功能在于合成模型中的各个流水单元，使其成为一个流水单元，并且该节点能够对数据进行统计和计算.CYCLone具有以下优势，例如简单、操作方便、建模容易等，目前其应用已经比较广泛.有学者结合水电站导流隧洞循环施工的特点，将CYCLone应用于施工仿真中，取得的效果比较显著.也有学者在土石方工程施工模拟中对循环网络技术进行应用，能够得出一些对于管理人员决策而言、具有重要参考意义的参数.此外，CYCLone模拟同样也在隧道工程施工以及高层建筑施工仿真中得到应用，也取得一定的应用效果.
2.3地理信息系统（GiS）在施工仿真中的应用
地理信息系统，即GiS，是一门新型学科技术，其介于地球科学和信息科学之间，能够有效结合计算机技术以及地学空间数据，属于空间信息技术的范畴.该项技术是对地理空间数据库进行利用，进行集空间数据的采集，然后对其进行分析、操作、管理，最后进行数据显示，且通过地理模型分析，得出各种空间及动态地理信息.GiS使用属性数据和图形数据对空间数据对象进行描述，并通过用户标识码和内部代码连接两者成为公共数据项，促使两者相互对应.施工仿真系统是通过计算机采集、管理、操作以及分析施工过程中的各项数据，并且给出各种空间及动态信息.因此，GiS系统与施工仿真系统能够在多方面实现结合，GiS的属性、位置双向查询技术以及空间处理技术等，均可在施工仿真中得到应用.其中，天津大学对该技术的研究更为广泛，然而目前该项技术仅仅在水利水电工程施工中得到一定程度上应用.GiS技术应用于水利水电工程施工中，主要是在水利工程的施工导流动态可视化仿真中得到应用，建立导流三维可视化模型并采用三维动态演示方法，对三维动态模型进行演示.复杂地下洞室施工仿真系统中GiS技术的应用，使用可视化图像形象地表示大坝施工具体过程，从而使工程人员能够清楚地、及时地了解大坝施工的情况，促使施工组织水平得到有效提高.也有不少学者对施工仿真中GiS技术的应用进行研究，例如在隧道施工的可视化仿真中应用GiS技术，使GiS有效结合工程动态仿真系统，对施工过程中进行模拟，从而得到施工组织管理的一些数据信息.
2.4petri网在施工仿真中的应用
1962年德国Carladampetrified最先提及petri网，现阶段，petri网在自动化科学技术、计算机科学技术、机械设计与制造等相关仿真领域已经有了较为广泛的应用.petri网属于一种网状的信息流，其节点通常分为两类，即条件、事件，基于节点的有向二分图进行token分布的添加，这些token分布能够表示状态信息.并且，根据引发规则改变事件驱动状态，从而使系统动态运行过程得到体现.petri网凭借其具备的系统分析及验证方法，能够有效进行不确定性、资源共享性、并发性系统的分析.而建筑工程施工的复杂性，也正是在资源共享、并发性以及不确定性问题上得到体现，因此，建筑工程施工系统仿真中petri网能够得到有效的应用.在20世纪90年代末，wakefield等人最先提出在模拟施工系统中应用petri网，改变了人们认为petri网只适用于计算机网络及自动化制造技术的观点，并且完成有关仿真模型的建立.随着时代的发展，相继有学者将petri网应用于工程项目的计划管理、搅拌站混凝土的生产过程的模拟、钢结构的施工仿真建模、公路工程的施工过程仿真、隧洞工程的施工仿真等，同时建立起相应的模型.
2.5施工仿真中虚拟现实技术的有效应用
20世纪末虚拟现实技术被提出，并且很快得到有关领域的关注.该项技术集成了多项先进技术，这些技术主要有计算机仿真技术、人体交互理论、人体工程学、传感技术、计算机图形学以及计算机技术等.虚拟现实技术中计算机占据十分重要的地位，通过计算机及有关输出、输入设备进行逼真、多感官三维虚拟世界的构建.有学者提出这样的观点：21世纪，虚拟现实技术将成为信息技术的典型.虚拟现实技术相比于其他信息技术，其具备三维空间表现能力、人机交互式操作环境具有实时交互性，能给人带来逼真的感受，使人机交互接口的研究领域更加广阔，也有利于各类工程海量资料描述的形象具体化.并且，虚拟现实技术能够将难以观察到的场景进行有效创建和再现，促使人们更好地了解和掌握所描述对象的运动变化规律.系统仿真技术可以抽象的形式，客观展示真实复杂的世界，并且展现客观世界的运动形式，应用虚拟现实技术能够促使系统仿真模型的验证更加合理有效，并且能够将仿真结果更好地进行展示.就目前而言，在军事、航天以及航空领域.虚拟现实技术的应用已经相对广泛.并且，虚拟现实技术在工程建模及仿真领域也将得到较好的发展.工程建模及仿真领域，由于工程规模较大、施工环境条件比较复杂，并且在建模及仿真过程中需要考虑全面，根据系统仿真的要求，选择适用的仿真技术，动画演示虚拟世界的造型，并且进行有效的交互设计，可使以上问题得到有效的处理.
3结语
总而言之，建筑工程施工程序具有较强的复杂性，其涉及到的不确定性因素也多种多样，施工方案是否合理、资源类别及数量是否满足要求，等等诸多因素均对施工进度产生较大的影响.如果继续采用传统施工计划编制方法，将始终无法取得令人满意的效果.在此背景下，施工仿真技术的出现与应用，能够促使这些问题得到有效的解决.目前，我国计算机仿真技术在工程项目施工管理中的应用已经取得较大的发展，例如蒙特卡洛模拟、循环网络技术、地理信息系统（GiS）、petri网以及虚拟现实技术等均在施工仿真中得到一定的应用，并且取得较好的应用成效.随着社会的发展以及我国科技技术的提升，三维立体的可视化技术终将会实现，不仅能够进行一般仿真数据的提供，也能对施工具体过程进行展示，从而为建筑工程项目施工管理提供更有效的帮助，促使我国建筑行业得到更好的发展。
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计算机三维仿真技术篇6
关键词三维技术分类应用
中图分类号：tp311文献标识码：a文章编号：1671-7597（2014）15-0121-02
三维技术是21世纪兴起的计算机技术，运用三维通过在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系三维技术，使图片或影像看起来有立体感的图像处理和制作的技术。它可以更好地在虚拟世界中诠释真实世界中的类似光影、毛发、粒子等自然现象，从而达到更加逼真、真实的效果。通过三维技术，设计者要做的只是对模型、材质贴图、灯光处理等内容进行精细化处理，之后想要的三维效果就会自动的由计算机软件计算出来（称之为“渲染”），从而使图像制作过程更加迅速，且效果更好。
三维技术作为信息时代的高科技产物，和许多其他高新技术一样，最初都是源自于军事应用领域。随着现代半导体工业日趋先进和完善，以及个人电脑的普及，从20世纪80年代开始，三维技术得以走进寻常百姓家，进入21世纪至今，电影电视业、动漫产业、机械设计业、产品设计业、建筑业、基础设施建设、广告业等无不被三维技术包围，生活中随处可见应用到了三维技术的产品。三维动画、三维特效、3D广告等产品更是蜂拥而起，迅速的占领了市场。由于三维技术所特有的先进性、便捷性，目前三维技术已经渗透到了各行各业，所以我们所处的时代已经离不开三维技术了。
1三维技术的分类
目前根据三维技术的应用范围和方向，其类别大致分为三类：三维仿真技术、三维全景技术和三维立体技术。
1.1三维仿真技术
三维仿真技术是指利用计算机技术生成的一个逼真的，具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。三维仿真技术因为逼真的临场环境，主要应用在飞行培训、城市规划、设计制造等方面，能节省很多开销，达到更高的效率。
目前在行业中三维仿真有很多的名称比如虚拟仿真、工程仿真、立体仿真等等，具体的就是根据这个技术的应用而有不同的名字，并且还有很多项目和三维仿真的技术是相似的。三维仿真可以让我们体验到很多在其他技术中体验不到的感觉。
1.2三维全景技术
三维全景技术是目前迅速发展并逐步流行的桌面虚拟现实技术，是虚拟现实技术的分支，可以广泛的应用于网络三维业务方面，也适用于网络虚拟教学领域。它是利用实景照片建立虚拟环境，按照实景拍摄数字化保存图像合成生成场景的模式来完成虚拟现实的创建，全景也称为全景摄影或虚拟实景，是基于静态图像的虚拟现实技术。
三维全景技术具有以下几个特点。
1）必须要实地拍摄，照片要是真实场景的三维展现。
2）要有一定的交互性，用户可以通过鼠标或键盘选择自己的视角，并且对场景能任意放大和缩小，可以如亲临现场般进行环视、俯瞰和仰视等视角效果。
3）不需要单独下载插件，只需一个小小的java程序做支持，自动下载后就可以在网上观看，或者也可以使用类似quicktime这样的播放器直接观看，利于网络传输。
1.3三维立体技术
三维立体技术是利用先进的数字图像合成技术制作神奇的三维立体效果，只需选择一些清晰的平面照片或底片将其扫描到电脑里，然后通过电脑直接利用专业的三维制图软件进行配图和数字处理，再用高精度彩喷机打印出来，最后用冷裱机装裱即可。制作完成后，观赏者从视觉上会感觉图像的层次分明色彩鲜艳，具有很强的视觉冲击力，给人留下深刻的印象，具有很高的艺术欣赏价值。
三维立体技术的应用范围包括：1）摄影行业；2）广告行业；3）旅游行业；4）印刷行业；5）展览展示设计；6）酒店、宾馆、公共场所、居家装饰等装饰设计；7）烟、酒类等高档产品或礼品的包装、防伪标设计等。
2三维技术的发展应用
基于三维技术的分类和特点，目前三维技术在以下三个领域的发展及应用是非常迅速且效果显著的，它们是三维动画、三维地图和三维虚拟。
2.1三维动画
三维动画又称3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的。三维动画利用相应的软件在计算机中建立起了一个虚拟的世界，制作者可以在这个虚拟的世界中按照要表现的对象的形状、尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的轨迹的运动、虚拟摄影机的运动和其他动画参数的运动，最后按照要求为模型配上特定的材质，加上合适的灯光效果。所有的设计完成后就可以让计算机自动运算，生成最终的画面效果。三维动画技术模拟真实物体的方式，以及其精确性、真实性和无限的可操作性，使其被广泛的应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域，尤其是在制作广告和电影电视剧的特效（如爆炸、烟雾、下雨、光效等）、特技（撞车、变形、虚幻场景或角色等）、产品展示、片头效果等方面，更是受到了众多商家和客户的欢迎。
目前在三维动画制作领域主要有以下的常用制作软件有：Softimage、Lightwave3D、Renderman、maya、3DSmaX、poser。其中maya和3DSmaX两个软件是应用最广的，受到很多三维动画设计者的喜爱。从功能上看，maya比较适合三维人物的设计，面3DSmaX在场景和建筑制作方面更有优势。
2.2三维地图
三维地图，就是以三维电子地图数据库为基础，按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述，其形象性、功能性远强于二维电子地图，再结合发展迅速的网络通信技术和丰富的计算机网络资源，就形成了简单易用的三维地图。它不仅通过直观的地理实景模拟表现方式，为用户提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时还集成了生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务。
三维地图还可以为政府机关、企事业单位、商家企业提供宣传互动的快速通道，并以全新的人性化界面表现，为人们的日常生活、网上办事和网络娱乐等活动提供便捷的解决方案，从而生动真实地实现了网上数字城市，让人们真正感受到自己生活在一个信息化的时代里。可以说，三维地图成为了互联网时代业务发展的新的亮点。
2.3三维虚拟
三维虚拟将三维仿真技术与虚拟现实技术相结合，利用虚拟现实技术进行仿真模型的建立和实验的模拟，使仿真的过程和结果可以实现图象化、可视化，使仿真的系统具有了三维、实时交互、属性提取等特征。目前比较成熟的三维虚拟的设计是利用沉浸式的三维显示系统和装有传感器的手套，在伴有虚拟的声音和感触下，使受训人员沉浸在一种非常逼真的专为训练而设置的环境中，可满足多种科目训练的需要；还有头盔显示器可以将演练者大脑与计算机创造的虚拟世界连通的输入/输出装置，主要有双目显示器和跟踪系统组成。数据手套作为连接演练者双手和大脑与计算机创造虚拟世界的输入/输出装置，具有6个自由度的位置传感器。这是一种使演练者不是被动地观察人工环境，而是与之交互作用的高级计算机模拟。
三维虚拟的应用范围很广，包括：建筑设计、城市规划、地产演示、场馆展示、安全管控、紧急疏散、场景救援、CG行业、互动广告、三维产品展示、工业仿真、工控仿真、设备管理、虚拟装配、文物保护、古迹复原、场景模拟、交通行业、道路桥梁规划设计、城市交通仿真、铁道系统仿真、军事领域、电子沙盘，虚拟战场、运维操纵、教育教学、立体教学、医疗手术。
3结论
我相信未来的时代环境对三维技术的发展将越来越有利。当今社会已经进入一个全新的三维数字时代，我们国家也已经在各地都设立了数字基地、数字城市。中国完全有可能形成一个有中国特色的、拥有大客户的三维技术应用领域的庞大市场。在未来的一段时间内，在三维技术上将形成自己的优势，并具备相当强的国际竞争力。
基金项目
武汉市属高校数字城市专业重点实训基地资助项目
参考文献
[1]卢正刚.三维技术在中国的应用探索[n].中国文化报，2006-1-27.
计算机三维仿真技术篇7
【关键词】移动平台虚拟战场仿真
1引言
虚拟战场仿真是虚拟现实技术在战场仿真领域中的具体应用，对指挥控制、作战推演、辅助决策等具有重要意义。虚拟战场仿真以计算机图形图像处理、真实感图形建模等技术为基础，结合声、光、电、触等特效，产生身临其境的逼真环境。虚拟战场仿真技术广泛应用行模拟、单兵对抗、兵棋推演等领域。
虚拟战场仿真以三维场景的建模与绘制技术为核心，对三维图形生成与处理的能力有较高要求。传统的虚拟战场仿真系统通常需要专业的图形工作站支持，用以建立三维真实感战场环境，辅以头盔、立体眼镜、数据手套等交互设备，完成沉浸式仿真环境的生成及人机交互。随着电子信息与计算机等技术的飞速发展，智能手机、平板电脑等智能设备的处理能力日趋强大，已能够较好地支持相对复杂的三维场景生成，使得基于移动平台实现战场仿真成为可能。由于移动平台集成化程度高，其显示、计算、存储、交互等功能均集成在一体化设备上，可使战场仿真系统小巧而灵活，特别适合单兵大规模对抗演练，因此成为当前的研究热点。
本文以战场仿真系统的便携和小型化为背景，分析基于移动平台实虚拟战场仿真系统的关键技术，设计系统实现方案，给出系统总体结构和运行流程。
2国内外研究现状
基于移动平台实现虚拟战场仿真系统，其研究现状主要集中在场景建模与组织、模型简化与快速绘制、移动平台下的战场交互等方面。
2.1场景建模与组织
移动平台属于资源有限型计算平台，因此必须对场景进行高效组织。场景组织按其目的可分为面向交互与面向性能两类，前者主要用场景图来描述和组织虚拟场景，优势是将场景中的物体按照场景设计者根据其在现实世界的逻辑结构抽象为对象并以层次结构来组织，这样设计者以后能更方便对其进行更新修改；后者主要采用空间分割技术作为组织方式，包括二叉空间分割树、八叉空间分割树和包围体层次树等方法。
2.2模型简化与快速绘制
目前已经提出了许多模型简化算法，例如基于顶点聚类的网格简化算法和基于边折叠的网格简化算法等，但对于某些复杂的模型，简化效果还是不能令人满意，往往需要手工简化，而手工简化的工作量是非常巨大的。快速绘制主要在模型简化的基础上，依赖LoD、视点相关的模型调度等技术。
2.3移动平台下的战场交互
目前虚拟现实系统交互功能的实现一般是依赖外部交互设备以及硬件平台的内置传感器。外部交互设备主要包括数据手套、数据衣、操纵杆、空间定位设备等；内置传感器包括方向传感器、加速度传感器、距离传感器等。传统的交互主要以pC为支撑平台，以鼠标、触摸板、键盘等为基础，而移动平台则主要以多点触控为基础，如何实现多点触控为主要模式的战场交互仍有必要进行深入研究。
3关键技术
移动平台虚拟战场仿真系统的关键技术主要体现在以下几个方面：
3.1移动平台三维场景的动态组织方法
三维战场环境错综复杂，包括地理、水文气象、电磁等环境信息，以及飞机、坦克、雷达等目标信息，其数据量巨大、数据类型多种多样。移动平台受限于硬件资源，其存储和计算能力相对较弱，必须对传统的工作站模式进行改进，从战场场景的专题化、模型简化、场景数据的动态组织等方面提出新的方法。
3.2移动平台三维场景的快速调度方法
三维场景的动态调度是提高绘制效率的重要方法，其主要思路是依据视点和观察范围确定需要处理的场景数据，并依据时间序列和重要性实时调入内存。鉴于移动平台的操作系统及硬件结构和图形工作站有较大区别，需要研究与此类系统结构相适应的场景调度方法，确定调度流程，并依据移动平台的计算资源确定场景的精细程度。
3.3移动平台战场仿真的多模态交互方法
移动平台如智能手机、平板电脑等以触摸式交互为主体，进行场景编辑与路径规划时其方便程度较鼠标方式有一定的差距，探索适合多点触控的交互方式，与新设备相适应，也是一个非常必要的任务。
3.4移动平台立体视差模型的建立及计算
建立立体视差模型的关键点在于如何生成立体图像对，生成立体图像的主要方式有以下四种：旋转透视投影法、平行投影旋转法、平行投影剪切法和双中心投影法。四种方法各有优劣，针对不同的系统需求以及硬件能力，需要采用不同的立体图像对生成算法。
3.5嵌入式三维编程
目前主流的移动平台操作系统为android、ioS等，相应的三维图形库为openGLeS，虽然openGLeS足够强大，但相对于经典的openGL而言，其功能仍有一定的裁剪和定制，因此需要对移动平台战场仿真系统进行功能界定，使之和编程环境相匹配。
4系统实现方案
移动平台虚拟战场仿真系统的总体结构如图1所示。
移动平台虚拟战场仿真系统由三部分构成，分别是场景建模系统、硬件平台、实时绘制系统，其中，场景建模系统和实时绘制系统是软件系统，前者完成场景建模，后者完成实时驱动。移动平台虚拟战场仿真系统的基本功能如下：
4.1场景建模系统
完成战场要素建模，如地理、环境、目标、态势等；完成场景编辑，根据仿真任务需求，将各战场要素组合成一个特定场景；路径规划则完成仿真过程的设定，通常，依据时间线进行仿真任务推进。
4.2硬件平台
该平台是战场仿真系统的硬件支撑平台，通常包括智能手机加头盔、或者立体投影加VR眼镜两种方式；交互则通过手柄、操纵杆、方向舵等以wi-Fi（需保证在同一网段）或蓝牙方式进行连接。
4.3实时绘制系统
该系统主要完成鼍暗牡鞫扔肟焖倩嬷疲依据场景变换的需求，如视点移动、观察方位的变化、以及硬件交互设备的输入等实时计算新的场景。
系统的运行流程如图2所示。
系统运行分为两个阶段，即仿真准备阶段和仿真运行阶段。仿真准备阶段完成战场要素建模、仿真场景生成、仿真任务规划等。该阶段可在移动平台上完成，作为过渡方案，也可在pC或图形工作站上完成；仿真运行阶段完成硬件平台注入，即将规划好的仿真场景及任务数据注入到移动平台，然后依据交互要求和交互参数，实现仿真过程的实时驱动。
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作者简介
陈敏（1969-），女，江西省南昌市人。博士。副教授。主要研究方向为计算机应用、图形图像处理。
计算机三维仿真技术篇8
关键词：可视化仿真GiS地下洞室群施工导截流大坝施工总布置
一、研究背景
水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。
国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术（CYCLone），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。
在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：
1．可视化技术与系统仿真技术结合的途径
建立基于GiS的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。
2．可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题
根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。
3．可视化仿真软件的通用化问题
水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。
二、基于GiS的三维动态可视化仿真技术
1．可视化仿真涵义
可视化仿真（VisualSimulation?VS）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。
2．全过程动态仿真理论与方法
全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。
全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。
3．面向对象的图形辅助仿真建模技术
仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。
面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。
在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。
面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。
4．基于GiS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法
（1）数字地形模型建立
地表数字地形模型（Digitalterrainmodel?Dtm）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表Dtm采用tin模型来实现。建立工程地表Dtm由地形等高线原始数据按一定的算法生成tin模型。
（2）动态实体参数化数字建模
按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GiS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。
实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。
（3）地形动态填挖
地形填挖表现为Dtm模型的修改，实质上是对地形tin模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的tin模型，与地形tin两者生成相交边界，再从地形tin上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体tin模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的tin合并构成一个经填挖后的地形Dtm。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。
5．基于GiS的三维动态演示方法
基于GiS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻t的面貌Vi（t），则t时刻的工程整体面貌可表示为V（t）＝Σvi（t），n为总的图元数。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。
6．基于GiS的交互式可视化仿真系统结构
基于GiS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GiS的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用GiS的动态信息可视化表达。由于GiS特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。
图2表示的是一个基于GiS的系统交互式可视化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GiS在系统仿真中结合的具体环节，以及用户控制仿真进程的实现手段。
三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究
1．复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究
地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。
基于上述问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件eSaS，其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。
2．水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究
水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。
为此，提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法，并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统?CDmiS?。此系统充分利用地理信息系统（GiS?强大的空间数据分析与处理能力，建立三维施工导截流场地布置模型，以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能，从而实现设计过程中信息的可视化管理，同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统（CDmiS）结构图见图4。
3．混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究
混凝土坝施工，考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响，需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大，浇筑块数以千、万计，浇筑块之间的施工约束条件十分复杂，这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难，使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。
随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。
同时，利用基于GiS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。
4．水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究
水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。
对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（CLmiS）的总体结构见图5。
四、结束语
可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于GiS的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于GiS的三维动态演示方法及基于GiS的交互式可视化仿真系统结构等，实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。
计算机三维仿真技术篇9
关键词:三维动画技术;三维虚拟技术;探析
中图分类号:J218.7文献标识码:a文章编号:1005-5312(2012)15-0056-01
随着近几年计算机三维图形技术的发展,各个行业的三维图形技术都在快速发展中尝试各种方法。让三维图形表现的更加的真实,贴切主题。在目前,三维动画运用的范围广泛,例如:动画片、电影、广告设计的演示。三维虚拟适用于:模拟驾驶考试,飞行员飞行模拟,场景模拟,城市设计规划等等。在发展的领域,三维虚拟技术是个新型的、发展的、具有优势的动画应用技术。
一、三维动画技术原理
三维动画制作过程分为四个操作步骤:造型、动画、制图和着色输出,这四个步骤是一个完整的体系,缺一不可。
造型:在电脑软件上制作三维物体,设计完整三维形状。具体步骤:绘制基本图形,根据需要,完善复杂物体设计。在制作好三维图形后组成完整的情景模式。
动画:动画的设计是让情景模拟图形能更形象的表现在电脑上,让人们在观看的时候更加形象化。
制图:制图是保证制作的图片效果更加的逼真,形象。
着色输出:现代的三维动画技术是直接生成动画的过程。对绘图、造型、动画连接起来,形成我们观看的电影的模式。这个就称之为动画视频。我们需要用的时候直接打开播放就行,和我们用电脑一样。
二、三维虚拟技术运用原理
含义:三维虚拟技术又称为虚拟仿真。主要是应用于计算机为核心的虚拟环境,用户借助必要设备与虚拟环境中的对象进行相互作用,相互影响,从而获得类似于真实环境感受和体验,这种感受和体验主要是由系统的实用性和交互性来保证运用的。
三维虚拟技术几大原理:
1.基于三维图形的实时显示的技术:
实时显示是三维技术的前提基本。虚伪仿真是计算机技术的核心领域的发展,很多种技术科降低场景的复杂性。
2.虚拟仿真空的交互技术:
复杂的交互技术是一系列的程序的操作。交互任务可以采取不同的技术的措施来各方面执行。不同的作用,不同交互技术是可以交互执行的。
3.三维虚拟仿真系统的建立:
三维虚拟系统的建立是一个浩大而系统的工程。基本的步骤分为:三维图片数据库的建立,它的作用主要是体现三维能动性和交互性的关系。能更加快的构建网络。第二部分三维虚拟仿真的建立,是对各种资源的合理的分配利用。让三维试图数据有更明显的可操作性。
三、三维动画技术与三维虚拟技术的区别
1.三维动画技术播放过程是完全固定的,在过程中不会改变播放的顺序,三维虚拟播放不是固定的,它具有其可操作性,不受时间的限制,在系统中,用户可以根据自己的想法实施的改变。
2.三维虚拟技术强调对场景和环境的变化,它可以模拟考试训练,驾车训练,事故现场,三维动画技术主要体现的是视觉的效果,让人们看到整体的作用性,所以,两者的是静态和动态的分别。
3.三维虚拟是实时的,三维动画是做好的固定的模式。三维虚拟给人三维立体的感觉,让我们可以再虚拟的世界里感受身临其境,具有其双向性。
计算机三维仿真技术篇10
【关键词】虚拟现实适度仿真低成本化
虚拟现实技术(简称vr技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。
一、虚拟现实系统的构成
虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：
1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。
2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。
控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。
3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。
4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成
虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：
1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。www.133229.Com动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用cad技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。
2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。
3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。
3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。
4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。
三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析
使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。
首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。
其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。