土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術

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摘 要：虛擬現(xiàn)實技術是一項集成性極高的高新信息技術，本文通過對VR技術的討論分析了VR技術土木工程中的應用，指出VR技術必將在土木工程中發(fā)揮越來越重要的作用。 
    關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術 土木工程;可視化計算 

    一、引言 
    隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步增長和基礎建設規(guī)模的加入，建設項目的規(guī)模越來越大、結構形式日益復雜，對土木工程學科管理的科學性、精確性要求越來越高。實現(xiàn)土木工程的信息化、智能化、可視化和集成化成為土木建筑工程項目管理現(xiàn)代化的要求和本領域的研究熱點。虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality, VR)是綜合性與集成性極強的高新技術，在軍事、醫(yī)學、設計、藝術、娛樂等多個領域都得到了廣泛的應用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術涉及土木工程領域的各個學科，已顯示出一定的實用性，技術潛力十分巨大，應用前景非常廣闊[1]。 
    二、虛擬現(xiàn)實技術及其特點 
    虛擬現(xiàn)實技術，又稱靈境技術，是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術。它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，大大推進了計算機技術的發(fā)展。VR技術是把抽象、復雜的計算機數(shù)據(jù)空間轉化為直觀的、用戶熟悉的事物。它的技術實質(zhì)在于提供一種高級的人機接口。利用VR技術所產(chǎn)生的局部世界是人造和虛構的，并非是真實的，但當用戶進入這一局部世界時，在感覺上與現(xiàn)實世界卻是基本相同的。因此，虛擬現(xiàn)實技術改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，給用戶提供了一個趨于人性化的虛擬信息空間。它以模擬方式為使用者創(chuàng)造了一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中，使參與者可直接參與和探索虛擬對象所處環(huán)境的作用和變化，仿佛置身于現(xiàn)實世界中。一個身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計算機圖形學、圖象處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音像技術、網(wǎng)絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當規(guī)模的子系統(tǒng)所構成的大型綜合集成環(huán)境。所以，虛擬現(xiàn)實技術是綜合性極強的高新信息技術。虛擬現(xiàn)實技術具備以下三個方面的特性。 
    1、沉浸性 
    虛擬現(xiàn)實技術是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。
    2、交互性 
    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備進行交互。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。 
    3、多感知性 
    由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。 
    三、虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的應用 
    1、虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的應用前景 
    在土木工程中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內(nèi)容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形成一些規(guī)定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復雜的場景，以傳遞大量的信息。但這一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結構及理解能力的影響，交流起來非常困難。 
    VR技術的發(fā)展為我們克服這一困難提供了極其有效的手段。用虛擬現(xiàn)實既能表示真實的世界，也可以表示虛擬的世界。表示真實世界時，可以突破物理空間和時間的約束，做到能“超越現(xiàn)實”；在表示虛擬世界時，又能使其中的虛擬物體表示出三維逼真感，以達到身臨其境的感受，最后形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的三維信息空間”。VR技術為用戶提供了一種新型的人機接口，它利用計算機生成交互式三維環(huán)境，不僅使參與者能夠感受到景物或模型的逼真存在，并且對參與者的運動和操作做出實時準確的響應。
    2、虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的應用領域 
    由于具有上述的優(yōu)勢特征，虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中得到了廣泛的應用，并且具有廣闊的應用前景。現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術在土木工程中的應用主要有以下幾個方面[2]。 
    （1）在虛擬施工過程和施工結構計算中的應用[3] 
    在實際工程施工中，復雜結構施工方案設計和施工結構計算是一個難度較大的問題，前者難點關鍵就在于施工現(xiàn)場的結構構件及機械設備間的空間關系的表達；后者在于施工結構在施工狀態(tài)和荷載下的變形大于就位以后或結構成型以后。 
    基于虛擬現(xiàn)實的復雜結構施工方案設計是指利用虛擬現(xiàn)實技術，在虛擬的環(huán)境中，建立周圍場景、結構構件及機械設備等的三維CAD模型（虛擬模型），形成基于計算機的具有一定功能的仿真系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型具有動態(tài)性能，并對系統(tǒng)中的模型進行虛擬裝配，根據(jù)虛擬裝配的結果，在人機交互的可視化環(huán)境中對施工方案進行修改。復雜結構施工涉及的因素較多，起重機的布置位置、高度，纜風繩著力點的選擇，構件堆場的位置，起重機的開行路線，構件起吊路線等，都是施工方案設計必須考慮的問題。若對這些問題考慮得不夠，則工程施工的進度、成本等都會受到影響，甚至導致安全事故的發(fā)生。 
    建筑結構施工前往往要對施工方案進行受力狀態(tài)復核。如在大跨空間結構施工中，不僅要考慮施工過程的安全性、可行性，還要考慮結構本身在施工過程中安全性、可靠性。某展覽中心，鋼結構屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結構鉸結。為了減小鋼桁架的變形，更為了維持結構的穩(wěn)定，在鋼屋蓋桅桿和混凝土之間，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、穩(wěn)定索)和撐桿，形成一個穩(wěn)定的結構體系。在鋼結構的施工中，不同的支撐方案、不同的拼接方案，在結構的不同部位會引起不同的效應，而隨著連接桿件的安裝，這些施工階段的應力將殘余在結構部位上，并影響到最終的結構受力安全性；并在結構就位過程中，有可能失穩(wěn)和變形。這就需要進行施工過程的精確分析。用虛擬現(xiàn)實技術可以對不同的方案，在短時間內(nèi)做大量的分析，從而保證施工方案最優(yōu)化。 
    （2）在工程項目招標投標中的應用 
    建筑業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑市場的過度競爭已是長期的事實?，F(xiàn)代建筑工程項目的運作，業(yè)主處于絕對有利的地位。在有限的時間內(nèi)，如何使業(yè)主和評標的專家很好地了解招投標文件的編制和被認可的程度直接關系到承包商有沒有中標的機會。因此，承包商在注重投標文件的技術可行、報價合理的同時，也非常注重投標文件的包裝。尤其是大型工程、國家重點工程和國際工程的招標投標，往往在項目企劃階段就已經(jīng)開始這方面的運作[4]。 
    借助虛擬仿真系統(tǒng)，把不能預演的施工過程和方法表現(xiàn)出來，不僅節(jié)省了時間和建設投資，而且不用項目經(jīng)理的現(xiàn)場答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無疑大大增加了承包商中標的幾率。 
    （3）在可視化計算領域的應用 
    可視化計算將是今后一個重要的發(fā)展方向。在科研中，人們會遇到大量數(shù)據(jù)，為從中得出有價值的規(guī)律和結論，需要對龐大的數(shù)據(jù)量進行認真分析。對科學計算取得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形顯示，可通過交互改變參數(shù)來觀察計算結果的全貌及其變化，實現(xiàn)參數(shù)化及可視化計算，虛擬現(xiàn)實技術產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展。
    在運用有限元法進行結構分析時，利用虛擬現(xiàn)實技術則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種方案及結果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。把可視化計算技術應用于超大型復雜結構的設計、工程控制和結構分析中，將增強計算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結構分析的可視化計算中，倒退(拆)分析結構倒拆動態(tài)演示、結構理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設計曲線和實測擬合曲線的顯示、前進分橋結構拼裝動態(tài)演示、施工預告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險截面應力分布圖顯示等等。更重要的是能借助圖形或圖像來進行實時動態(tài)地控制結構的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時能實時動態(tài)演示和控制設計和施工的過程。 
    四、結語 
    虛擬現(xiàn)實技術在不斷發(fā)展，專用于計算機圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片可使處理能力提高上百倍，三維圖形算法和參數(shù)化建模算法等可使虛擬現(xiàn)實技術更加成熟。目前，虛擬現(xiàn)實技術還有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我們應努力建設虛擬現(xiàn)實技術實驗室，開發(fā)有價值的虛擬現(xiàn)實工程系統(tǒng)，使其在工程設計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛的應用。