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1、 （上半月刊）三维吊装仿真系统三维草绘的设计与实现王树华，张靖，梁友国，高顺德（中石化第二建设公司，江苏南京 ；大连理工大学电子信息与工程学院，辽宁大连 ；大连理工大学工程机械学院，辽宁大连 ）摘要为了解决在三维吊装仿真系统中二维草绘绘制烦琐，不能实时查看模型渲染效果等问题，基于 渲染引擎，应用经典设计模式开发了交互式三维建模系统。阐述了三维草绘的总体架构及关键技术的设计与实现，通过实例验证了三维草绘系统的可用性。关键词三维建模；交互式；仿真系统 中图分类号 文献标识码 文章编号 （），三维吊装仿真系统是面向吊装行业、用于辅助吊装设计人员定制方案并对吊装过程进行仿真模拟的系统，该系统可以让用户
2、在虚拟场景中直观地看到起重机实施吊装作业的过程，通过仿真和比较寻求最佳吊装方案。三维吊装仿真系统 版本采用二维 草 绘 模 块 实 现 作 业 环 境 和 吊 装 设 备 的 绘制 ，但绘制和修改过程相对烦琐，不能实时查看三维模型的渲染效果，界面的直观性及功能全面性都有待进一步完善，如图所示。图二维草绘模块目前，较好的三 维 建 模 软 件（如 、等）都可实时观察物体的渲染效果，方便直观，但这些软件所导出的模型文件保存了大量的三角型网格顶点信息，文件的读取和存储效率低。除了这些保存物体网格模型文件的软件外，还有一些三维建模软件是保存模型信息的文件，这些建模系统中，有的绘制界面是二维的，不够直观
3、，不能实时观察所绘制物体的渲染 收稿日期 通讯地址张靖，辽宁省大连市大连理工大学电子信息与工程学院 （上半月刊）效果；也有的是三维界面，如由佛罗里达大学开发的 三维建模工具，但系统所保存的文件中的数据结构不适用三维吊装仿真系统。针对三维吊装仿真系统，本文基于 渲染引擎和 开发平台，应用经典设计模式实现可实时查看模型的渲染效果，界面直观、功能全面、可交互操作，为实际吊装提供完整数据结构文件的三维建模工具。系统总体功能框架三维草绘系统总体功能框架是以交互式建模为中心，形成文件系统及交互式建模系统两部分。总体功能框架如图所示。图三维草绘系统总体功能框架（）文件系统：可实现保存吊装设备或作业环境文件、
4、打开吊装设备或作业环境文件、导入其他三维建模软件的模型文件等。（）交互式建模系统：分为模型创建器、模型编辑器、模型操作器。模型创建器可通过鼠标或键盘创建基本几何体、扩展几何体、模板、真实场景中的树木、道路、人等，基本几何体包括方体、圆柱体、圆台体（圆锥体）、棱台体（棱锥体）、球体、半球、椭球、椭球冠、扇形柱和 型钢等，由这些基本几何体所组成的扩展几何体包括钢架结构、直梯、劳动保护、顶部平台等，模板库中含有管式吊耳、单板式吊耳、溜尾吊耳、吊盖、吊盖连接件、法兰和管口等模板；模型编辑器可通过鼠标或键盘编辑已经创建的模型，对模型进行选取，编辑尺寸、设置材质或纹理贴图等编辑；模型操作器可对已经创建的模
5、型进行平移、旋转、缩放、复制、粘贴、成组、解组、对齐、删除、撤销 重做等操作。交互式建模系统 （，面 向 对 象 图 形 渲 染 引 擎）是 开发小组从 年底开始用 程序设计语言开发的，专注于实现先进的图像渲染技术的图形渲染引擎。目前已经发展成为一个成熟、稳定、可靠、灵活、跨平台而且拥有丰富功能的实时 图形库，是国际上著名的开源图形渲染引擎。系统为了更好地支持交互式三维建模，在基于 图形渲染引擎的基础上对其功能进行了相应的扩展，增加了模型创建、模型编辑和模型操作功能，从而构成交互式三维建模系统。模型创建器模型创建器类似于图形加工工厂，可以根据不同需要加工出不同的规则几何体。模型创建器中 是一个
6、抽象类，向下派生出具体的子创建器，根据当前构造步骤完成特定创建功能，因此在创建几何体前系统需注册当前几何体创建类型，从而获取相应创建器而创建出对应的几何体。模型建模接口基于鼠标和键盘，因此设计了处理鼠标和键盘的相应功能函数，可根据不同动作进行不同的处理，方便使用者完成所需功能。模型编辑器交互式模型建模系统需要提供给使用者编辑模型的功能，使系统能够在图形构造结束后随时进行模型的编辑工作，并能随时查看编辑结果。模型编辑器中 是一个抽象的编辑器类，其派生子类负责模型的具体编辑工作，模型查看类 负责获取编辑器对象，注册当前编辑类型，并响应界面的操作消息，从而 （上半月刊）根据使用者的操作完成具体编辑任
7、务。另外通过查看类对编辑器的调用，能实时把当前模型的参数信息反馈给使用者，并能直观地查看编辑后的渲染效果。模型操作器由规则几何体组合成复杂图形的过程就是对每一个或每一组图形操作的过程，通常有旋转、平移、缩放和组合等基本图形操作。模型操作器与模型创建器和模型编辑器类似，其中 是一个抽象类，是实现模型操作的接口，具体实现功能由子类完成，其操作器对象同样由模型查看类获取，通过该类注册相应的操作类型，从而根据实际需要完成对应的操作功能，且能实时查看操作结果，完成交互式操作。系统关键技术的实现 模型旋转功能模型操作最基本功能就是模型的平移、旋转、缩放，其中模型旋转计算最复杂。本文以旋转矩阵和四元数相结合
8、方式对物体作旋转变换。四元数就是思维复数空间向量，可以表示为 。四元数和向量的旋转有着密切的关系，以轴为参照，使四元数进行角度为的旋转。（）如果想要使用这样的四元数旋转点，只要进行 的运算即可，运算的结果就是以轴为参照进行角度为的旋转后得到的值。四元数实现平滑的旋转是通过旋转球面线性插值的方法得到的，即（）（）（）（）式中 （），如图所示。在绕任意轴旋转时，使用四元数的方法无论从空间、时间还是效果上都要比旋转矩阵效率高，如表所示。在围绕坐标轴旋转的时候，使用欧拉角的旋转矩阵方法效率很高，因此三维草绘模块采用旋转矩阵和四元数相结合的方式对物体作旋转变换（见图）。图四元数球面线性插值实现平滑旋转表
9、旋转矩阵与四元数的比较比较项矩阵四元数数据量 个 个运算速度 结果质量出现 等误差最短弧（）插值实现平滑旋转不可以可以得到旋转轴和角度在绕任意轴旋转时很困难很容易 撤销重做功能为了实现撤销重做功能，还要引入操作步骤记录类 和操作队列类 。类是每一种操作记录（如创建物体记录类 ）的抽象父类，每一种操作都生成相应的记录对象指针。类是一个用来存储操作记录的队列，提供了把新操作记录加入到队列中、撤销、重做及设置队列大小等接口。每当用户执行一个新操作时，就会生成相应的操作记录对象，把该对象的指针加入到 类的对象中，当队列已满时，将最早的操作记录删除，只保留最近的几步操作。类可以看成是一个队列，队头是最早
10、的操作记录，队尾是最晚的记录，当用户发出撤销命令时，当前步骤指针所 （上半月刊）图物体的旋转变换指向的操作记录对象会执行相应的撤销操作，即原操作的反操作，回到该操作之前的状态，同时当前的步骤指针会向队头方向移动。同理，当用户发出重做命令时，当前步骤指针所指向的操作记录对象会执行相应的重做操作，即原操作，回到该操作被撤销之前的状态，同时当前的步骤指针会向队尾方向移动。当前的步骤指针不在队尾，即执行了若干步撤销命令后有新的操作要加入到队列的时候，就将该指针后一直到队尾的记录都删除，然后在该指针的位置后面加入新的操作记录，并将当前步骤指针后移到新加入的操作记录。撤销重做中也有特殊情况，如一般的操作都
11、能找到它所对应的反操作，而对于复合对象（由简单对象组合而成），在删除后再撤销这个删除操作时，需要知道复合对象的组合方式，而这个复合对象已在删除时被销毁，因此无法再次创建。本文采取的方法是，删除操作将删除对象从场景树中摘除，但并不销毁这个对象，如要撤销删除操作，只需把保存下来的对象重新挂接在场景树原位置即可，直到这个操作记录被删除时才销毁这个对象。模型文件的存储系统模型文件的存储格式采用 文件格式，与 格 式 文 件、格 式 文 件 等 相 比，格式文件操作方便、层次分明，容易查看保存信息。与 、等数据库不同，数据库提供了更强有力的数据存储和分析能力，例如数据索引、排序、查找、相关一致性等，仅展
12、示数据，但存储简单、方便快捷。作业环境和吊装设备同在一个场景下，但需要各自单独保存，故需设置一个标志位来标识吊装设备，以便系统对作业环境和吊装设备进行判断。虽然场景中的任何物体都可以作为吊装设备，但在同一时刻场景中只存在一个吊装设备，其余的是作业环境，这样就可以分别保存作业环境和吊装设备文件。作业环境的保存方法是：在这个场景中，除吊装设备之外，其余的都是作业环境，只需遍历一下场景节点来寻找，除带有吊装设备标志位的物体不保存，其余的都要保存。与作业环境相比吊装设备更复杂一些，不仅要记录吊装设备中包含的几何体信息，还要记录与吊装设备相关的吊装信息，包括吊装作业基本信息、吊装设备基本信息、吊耳基本信
13、息等。吊装作业基本信息包括吊装方式（单机还是多机吊机）、主吊耳形式（吊耳还是吊盖）、溜尾吊耳形式（单吊点还是多吊点）等信息；吊装设备基本信息包括吊装设备总长、最大工作半径、臂架起始角度、重量、重心位置等信息；吊耳基本信息包括主吊耳及溜尾吊耳的位置信息等。吊装设备文件的基本结构如图所示。三维草绘实例为了验证三维草绘工具的可用性和可靠性，在三维吊装仿真系统 版本中，使用三维草绘工具进行作业环境和吊装设备的绘制。（）作业环境的绘制。作业环境中包括反应塔、楼房、钢架结构和烟囱等物体，通过基本几何体（长方体、圆柱体、半 （上半月刊）图吊装设备文件的结构原理图图建立作业环境及吊装设备球和圆台等）的拼接就可
14、以组成这些物体的大致轮廓；点击“设置材质”按钮，使物体呈现不同的颜色，点击“纹理贴图”按钮，可以在某些物体表面贴上位图使其看起来更加逼真；从扩展几何体中可以选择直梯、劳动保护、管口、裙座和法兰等对反应塔的细节部分进行绘制，并且可以绘制钢架结构、设置其各种参数；通过复制和粘贴功能尺寸可以高效地绘制大量相同的物体，或者粘贴相同的物体后进行微调使其修改为类似物体，从而节省大量工作时间；使用平移、旋转和缩放功能对不同的物体进行定位和变形；如果在绘制过程中出现了误操作，可以进行撤销；如果用户有用 等其他三维建模工具绘制的模型，也可以把这些已有的（下转第 页）（上半月刊）结语本文针对海洋平台甲板多吊点吊装
15、采用刚性体和弹性体两种建模方法进行计算结果对比，从结果中可以看出，吊点数量较少而且相对于结构重心位置对称时，被吊装物刚性又相对较强时，可将其看做刚性体；而吊点数量多的结构，必须考虑变形带来的影响，因此要作为弹性体考虑。此外，随着吊点数量的增加，结构变形减小并均匀化，但吊点位置选择不当，则会加剧索具载荷的不均匀性。因此对于大型的柔性体吊装工程来说，应用弹性体建模进行载荷分析更为合理，这也为后续开展的吊点数量及位置优化工作提供了良好的理论基础。参考文献郭彦林，崔晓强大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨 工业建筑，（）：杨晖柱，张其林，陈国栋大跨度钢桁架施工吊装过程的数值仿真 工业建筑，（
16、），（）：陆宏轮组合结构力法分析 西南交通大学学报，周强，杨文兵，杨新华斜拉桥索力调整在 中的实现 华中科技大学学报，（）（上接第 页）模型导入场景中，从而避免大量重复工作；最后可以将绘制好的作业环境保存为 文件备用。（）吊装设备的绘制。吊装设备的绘制和作业环境的绘制大体类似，用户绘制基本几何体和扩展几何体并拼接在一起，组成吊装设备的轮廓；选择吊耳模板中的管式吊耳绘制主吊耳，溜尾吊耳采用双吊点溜尾吊耳；选择组成吊装设备的各部分，点击“组合”按钮，将整个吊装设备组合在一起并点击“指定设备”按钮，可将这个组合体指定为吊装设备。绘制完成的作业环境和吊装设备如图所示。结论本文介绍了三维吊装仿真系统中的
17、三维草绘工具，阐述了基于 渲染引擎、应用经典设计模式开发的三维草绘系统的总体功能框架，模型旋转功能、撤销重做功能、文件存储等关键技术的实现方法，最终实现了界面美观、功能全面的交互式三维建模系统。运用三维草绘系统可以方便快捷、准确高效地建立实际吊装作业中的作业环境及吊装设备，最后通过实际的案例，验证了该工具的可用性。参考文献高顺德，刘毅，滕儒民，宗兴林三维吊装仿真系统二维草绘 的 研 究 与 实 现 石 油 化 工 建 设，（）：，（），（）吴迪，林远山，王欣，王秀坤面向吊装方案演示的履带起重机仿真系统设计 系统仿真学报，（）：，：，：（），吴洁 应用教程 清华大学出版社北京 ，何晓燕等参数化 系统的研究与实现 计算机辅助设计与制造 ，（）