土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

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摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)集成性極高的高新信息技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)VR技術(shù)的討論分析了VR技術(shù)土木工程中的應(yīng)用，指出VR技術(shù)必將在土木工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 
    關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 土木工程;可視化計(jì)算 

    一、引言 
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的加入，建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜，對(duì)土木工程學(xué)科管理的科學(xué)性、精確性要求越來(lái)越高。實(shí)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(xiàng)目管理現(xiàn)代化的要求和本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality, VR)是綜合性與集成性極強(qiáng)的高新技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科，已顯示出一定的實(shí)用性，技術(shù)潛力十分巨大，應(yīng)用前景非常廣闊[1]。 
    二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn) 
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱(chēng)靈境技術(shù)，是20世紀(jì)末興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù)。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)化為直觀的、用戶(hù)熟悉的事物。它的技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供一種高級(jí)的人機(jī)接口。利用VR技術(shù)所產(chǎn)生的局部世界是人造和虛構(gòu)的，并非是真實(shí)的，但當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入這一局部世界時(shí)，在感覺(jué)上與現(xiàn)實(shí)世界卻是基本相同的。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，給用戶(hù)提供了一個(gè)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(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽(tīng)、觸、嗅等感知行為的逼真體驗(yàn)中，使參與者可直接參與和探索虛擬對(duì)象所處環(huán)境的作用和變化，仿佛置身于現(xiàn)實(shí)世界中。一個(gè)身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖象處理與模式識(shí)別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語(yǔ)音處理與音像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當(dāng)規(guī)模的子系統(tǒng)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備以下三個(gè)方面的特性。 
    1、沉浸性 
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)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(shè)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(duì)象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣，一切感覺(jué)都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺(jué)。
    2、交互性 
    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)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(pán)、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。使用者通過(guò)自身的語(yǔ)言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行考察或操作。 
    3、多感知性 
    由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。 
    三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用 
    1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用前景 
    在土木工程中，長(zhǎng)期以來(lái)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(hào)來(lái)表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語(yǔ)言來(lái)描述復(fù)雜的場(chǎng)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(shí)結(jié)構(gòu)及理解能力的影響，交流起來(lái)非常困難。 
    VR技術(shù)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(shí)既能表示真實(shí)的世界，也可以表示虛擬的世界。表示真實(shí)世界時(shí)，可以突破物理空間和時(shí)間的約束，做到能“超越現(xiàn)實(shí)”；在表示虛擬世界時(shí)，又能使其中的虛擬物體表示出三維逼真感，以達(dá)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(jìn)出自如、交互作用的三維信息空間”。VR技術(shù)為用戶(hù)提供了一種新型的人機(jī)接口，它利用計(jì)算機(jī)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(duì)參與者的運(yùn)動(dòng)和操作做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)。
    2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域 
    由于具有上述的優(yōu)勢(shì)特征，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面[2]。 
    （1）在虛擬施工過(guò)程和施工結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[3] 
    在實(shí)際工程施工中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計(jì)和施工結(jié)構(gòu)計(jì)算是一個(gè)難度較大的問(wèn)題，前者難點(diǎn)關(guān)鍵就在于施工現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械設(shè)備間的空間關(guān)系的表達(dá)；后者在于施工結(jié)構(gòu)在施工狀態(tài)和荷載下的變形大于就位以后或結(jié)構(gòu)成型以后。 
    基于虛擬現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計(jì)是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中，建立周?chē)鷪?chǎng)景、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械設(shè)備等的三維CAD模型（虛擬模型），形成基于計(jì)算機(jī)的具有一定功能的仿真系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型具有動(dòng)態(tài)性能，并對(duì)系統(tǒng)中的模型進(jìn)行虛擬裝配，根據(jù)虛擬裝配的結(jié)果，在人機(jī)交互的可視化環(huán)境中對(duì)施工方案進(jìn)行修改。復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工涉及的因素較多，起重機(jī)的布置位置、高度，纜風(fēng)繩著力點(diǎn)的選擇，構(gòu)件堆場(chǎng)的位置，起重機(jī)的開(kāi)行路線，構(gòu)件起吊路線等，都是施工方案設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。若對(duì)這些問(wèn)題考慮得不夠，則工程施工的進(jìn)度、成本等都會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。 
    建筑結(jié)構(gòu)施工前往往要對(duì)施工方案進(jìn)行受力狀態(tài)復(fù)核。如在大跨空間結(jié)構(gòu)施工中，不僅要考慮施工過(guò)程的安全性、可行性，還要考慮結(jié)構(gòu)本身在施工過(guò)程中安全性、可靠性。某展覽中心，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結(jié)構(gòu)鉸結(jié)。為了減小鋼桁架的變形，更為了維持結(jié)構(gòu)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(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。在鋼結(jié)構(gòu)的施工中，不同的支撐方案、不同的拼接方案，在結(jié)構(gòu)的不同部位會(huì)引起不同的效應(yīng)，而隨著連接桿件的安裝，這些施工階段的應(yīng)力將殘余在結(jié)構(gòu)部位上，并影響到最終的結(jié)構(gòu)受力安全性；并在結(jié)構(gòu)就位過(guò)程中，有可能失穩(wěn)和變形。這就需要進(jìn)行施工過(guò)程的精確分析。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)不同的方案，在短時(shí)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(xiàng)目招標(biāo)投標(biāo)中的應(yīng)用 
    建筑業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑市場(chǎng)的過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)已是長(zhǎng)期的事實(shí)。現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目的運(yùn)作，業(yè)主處于絕對(duì)有利的地位。在有限的時(shí)間內(nèi)，如何使業(yè)主和評(píng)標(biāo)的專(zhuān)家很好地了解招投標(biāo)文件的編制和被認(rèn)可的程度直接關(guān)系到承包商有沒(méi)有中標(biāo)的機(jī)會(huì)。因此，承包商在注重投標(biāo)文件的技術(shù)可行、報(bào)價(jià)合理的同時(shí)，也非常注重投標(biāo)文件的包裝。尤其是大型工程、國(guó)家重點(diǎn)工程和國(guó)際工程的招標(biāo)投標(biāo)，往往在項(xiàng)目企劃階段就已經(jīng)開(kāi)始這方面的運(yùn)作[4]。 
    借助虛擬仿真系統(tǒng)，把不能預(yù)演的施工過(guò)程和方法表現(xiàn)出來(lái)，不僅節(jié)省了時(shí)間和建設(shè)投資，而且不用項(xiàng)目經(jīng)理的現(xiàn)場(chǎng)答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無(wú)疑大大增加了承包商中標(biāo)的幾率。 
    （3）在可視化計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用 
    可視化計(jì)算將是今后一個(gè)重要的發(fā)展方向。在科研中，人們會(huì)遇到大量數(shù)據(jù)，為從中得出有價(jià)值的規(guī)律和結(jié)論，需要對(duì)龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行認(rèn)真分析。對(duì)科學(xué)計(jì)算取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形顯示，可通過(guò)交互改變參數(shù)來(lái)觀察計(jì)算結(jié)果的全貌及其變化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化及可視化計(jì)算，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展。
    在運(yùn)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過(guò)顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)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(diǎn)去觀察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，以便對(duì)各種方案及結(jié)果進(jìn)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(jì)算技術(shù)應(yīng)用于超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工程控制和結(jié)構(gòu)分析中，將增強(qiáng)計(jì)算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結(jié)構(gòu)分析的可視化計(jì)算中，倒退(拆)分析結(jié)構(gòu)倒拆動(dòng)態(tài)演示、結(jié)構(gòu)理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設(shè)計(jì)曲線和實(shí)測(cè)擬合曲線的顯示、前進(jìn)分橋結(jié)構(gòu)拼裝動(dòng)態(tài)演示、施工預(yù)告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險(xiǎn)截面應(yīng)力分布圖顯示等等。更重要的是能借助圖形或圖像來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時(shí)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示和控制設(shè)計(jì)和施工的過(guò)程。 
    四、結(jié)語(yǔ) 
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不斷發(fā)展，專(zhuān)用于計(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)更加成熟。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(yīng)努力建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)有價(jià)值的虛擬現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)，使其在工程設(shè)計(jì)、施工、管理和可視化計(jì)算等方面得到更廣泛的應(yīng)用。