三维网络模型（精选十篇）
三维网络模型 篇1
软件的系统单位我们在制作三维网络游戏模型时常用到的三维软件是3D MAX, 在软件的自定义面板中找到单位设置命令的选项, 然后点击系统单位设置命令, 把系统单位比例改成米, 确定后回到单位设置面板, 把公制同样改为米并应用, 确定设置。
(一) 网格大小的设置 (每栅格为1米)
设置网格的大小我们同样在软件的自定义面板中找到栅格和捕捉设置命令, 单机主栅格命令, 把栅格尺寸中的栅格间距参数改为1.0。
(二) 模型的面数
由于传统网络游戏需要把三维模型导到引擎里面, 并对机器的配置有所要求, 所以在制作三维模型时需要对模型的面数进行控制, 可以在3D MAX软件中单击键盘的7键, 显示在制作中模型面数的多少, 在制作模型的过程中将能够省掉的面尽量省掉, 例如场景中所有看不到的面, 或者结构不明显的也不需要制作出来, 大多靠贴图去表现模型的细节结构和质感。
(三) 模型面的平整度
模型上每一个四边面都是由两个三角面组成的, 四边面上如有较大的转折但又需要这样转折, 则中间的虚线要变实线, 否则要保持四边面相对平整.
(四) 模型上的瑕疵
做完模型后一定要再次检查模型上有无多余无用的点 (俗称孤立的点) , 有无双面, 五边面 (传统网络游戏模型坚决杜绝在模型上有大于4边的面, 如果有则把该面改成4边或3边面) , 有无开放的边 (把该焊接在一起但没焊接在一起的点或边都焊接到一起) 。
(五) 模型旋转节律的完整性
在制作传统网络游戏三维模型时, 特别的三维角色模型, 一些人体的特征结构都是非常重要的, 在制作时一定要保证这些结构的外形不能丢失。
(六) 模型光滑组的设置
为了让最终模型表面的光滑度一致, 我们需要把模型所有的面选定上给予一个统一的光滑组, 如果出现转折处黑面的效果, 我们可以把转折处的两边的面分别给予不同的光滑组。
(七) 模型的坐标归零
在网络游戏中, 我们要使角色和场景始终处于站立在地面上, 所以通常在做完模型后要把所有模型的坐标都统一归到视图的中心点 (零点) 。
(八) 模型重置变换的应用
在制作模型后会留下很多的历史记录, 其中途程序由于多次的运算会导致模型的面法线反了, 并在视图中没有显示出来, 所以在我们做完模型后需要给予重置变换的命令, 清除之前所有的历史记录, 如果有法线翻转的面, 则需要选择该面利用法线翻转的命令把该面翻转过来。
(九) UV分配的合理性
在传统网络游戏制作中由于需要节省资源, 我们在给模型分UV时需要把UV线尽量的占满UV格, 并且该打直的UV线一定要打直处理。
(十) 贴图大小的控制
同样由于需要资源的节省, 我们在导出贴图的大小时需要有固定大小的限制, 通常导出的贴图最大不会大于1024*1024。
二、传统网络游戏角色模型制作的软性要求又有哪些?
由于在美术制作中难免遇到不确定性, 所以仁者见仁, 智者见智, 但都会有一个统一的目标——美观、漂亮、整洁、合理, 要想达到这个目标需要满足下列这些条件。
(一) 模型结构的比例关系
通常我们在制作角色前都要有大量的人体结构美术基础, 例如人体的比例关系, 四足动物、昆虫、爬虫类、植物类怪物和由人类和爬虫类结合演变的怪物, 四足兽和人类演变的怪物结合体等的形体结构比例关系。
(二) 角色的形体曲线
传统网络游戏角色模型都会有正侧主曲线, 所以在制作过程中一定要保证主曲线的流畅性、整洁性, 并且对模型有凹凸的取舍, 可以忽略不做对大结构无影响力凹凸细节。
(三) 运动关节部位的布线
我们在制作角色模型时都是由点控制线, 线又控制着面的构成, 所以拉线是建模的手段之一。所以一定要从角色动作的角度来看模型的布线, 有几个特点比较鲜明特别需要注意的关节部位:手肘、肩膀、膝关节、髋关节。
大部分的关节部位都采用一个布线原则就是三线原则。而在三线原则的基础上三条线的距离直接影响关节部位运动的形体变化。所以在遵循基本原则的同时, 要根据角色的具体情况, 进行不同的处理。合理的关节结构线, 应该均匀处于旋转轴心的两旁。同样, 不同的旋转轴心位置, 最终运动结果也完全不一样。
(四) 模型上关于毛发的处理
同样为了节约游戏的资源, 我们在处理模型的毛发时通常会用三种方式,
(1) 利用面片的叠加方式; (2) 实体模型的制作方式; (3) 实体模型加面片的结合处理。
摘要：随着近些年游戏行业的高速发展, 传统网络游戏关注度已经没有前几年那么多了, 其主要原因是传统网络游戏的制作周期比较长, 并在画面和可玩性上也没有更好的创新。但是传统网络游戏三维美术在制作中却给我们留下了很多在硬性以及软性的制作要求, 也为今后的三维游戏美术制作规范奠定了基础。
三维网络模型 篇2
缸体零件图如图56所示，
图56 缸体零件图图形分析该缸体零件图形由缸体、座、腔体以及缸体顶上两个半圆凸台和孔所组成。从左主视图中可看出缸体和其内的腔体均为回转面生成，底座为长方体并有一个矩形通槽，四角圆角半径为R=10mm，并且有4个沉孔和2个定位孔组成。其创建的操作方法如下：（1）利用“旋转”命令，将主视图右边的凸台、以及下面座图形去掉，旋转生成圆形缸体和内部直径为40和35mm的腔体造型。（2）将左视图中的上面圆的图形去掉，然后，连接上边线，拉伸生成座的造型。（3）将沉孔以中心线为准绘制成沉孔图形的一半封闭图形，旋转求差生成沉孔造型。再利用引性阵列生成其余3个沉孔。具体的创建操作如下：（1）除轮廓线（粗实线）图层打开，关闭其他所有的图层，或者保留可见轮廓线，而将其余全部删除。图57 修改后的图形（2）绘制封闭的图形。 将修改后的图形经过添加线段而构成封闭和图形后，然后，生成5个面域，如图57所示。（3）旋转生成缸体和腔体造型。 单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，选择“图形1”，以图形最下边的线段为旋转轴，按回车键后，创建出如图58所示的缸体和腔体造型。图58 创建缸体造型 图59 创建底座造型（4）创建底座造型。单击“建模”工具条上的“拉伸”按钮，选择“图形4”，输入拉伸值为60mm，创建底座造型如图59所示。（5）旋转生成实体。单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，分别选择“图形2”、“图形3”、“图形5”，以各自的旋转轴线旋转生成回转实体。如图60所示。图60 旋转生成实体（6）圆形阵列。 单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，在“阵列”对话框中选择“环形阵列”类型，以缸体的原心为环形阵列的中心点，设置数量为“6”，选择图形3生成的旋转实体，单击“确定”按钮，生成环形阵列。（7）运用“差集”命令，先选择缸体实体，回车后，再选择环形阵列创建的6个圆柱体，回车将6个圆柱体减去后，生成缸体前端面上的6个M6深14mm的螺纹底孔造型如图61所示。图61 创建前端螺纹底孔 图62 调整缸体至合适的位置（8）创建缸体上的两个半圆形凸台。其操作如下：① 调整视图方向。单击“视图”工具条上的“西南等轴测”按钮，然后，单击“动态观察”工具条上的“自由动态观察”按钮，旋转视图至一个合适的位置如图62所示的位置，② 建立UCS（用户）坐标系。 在命令行中输入：UCS 按回车键，再输入：N 新建用户坐标系，再按回车键，输入：3 即用3点确定坐标原点。用鼠标捕孔的中心点，将坐标原点设置在圆心处，如图63所示。图63 建立UCS坐标系 图64 绘制图形③ 绘制图形。以坐标原点为圆心，画一个半径为15mm的圆，绘制的图形如图64所示。④ 创建一个面域。 用“面域”命令，选择图形，回车后，生成一个面域。⑤ 将生成的面域和旋转生成镜像至右边。如图65所示。提示：镜像可在前视平面内进行。图65 镜像实体 图66 创建半圆形凸台造型⑥ 拉伸面域创建半圆形凸台。选择左边的面域向下拉伸4mm。 再选择右边的面域向下拉伸15mm,再利用“并集”命令，创建缸体上左、右两边的半圆形凸台造型，如图65所示。⑦ 利用“差集”命令，将旋转生成的实体从缸体中减去，创建孔造型，如图67所示。移动前 移动后 图67 完成缸体部分的创建 图68 实体的平移（9）创建底座上的沉孔造型的操作：① 移动图形5旋转生成的实体。利用“M”（移动）命令，将实体向前移动10mm,结果如图68所示。② 实体的矩形阵列。单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，选择“线性”阵列类型，设置参数如图69所示。选择移动后的实体，单击“确定”按钮，创建的实体线性阵列如图70所示。③ 利用“差集”命令，将线性阵列后的4个实体从底座上减去，创建4个沉孔造型。④ 底座4条垂直边圆角，圆角半径R=10mm，完成的底座造型如图71所示。图69 设置矩形阵列的参数图70 生成矩形阵列 图70 完成底座的创建（10）缸体与底座的合成操作：① 在“前视平面”内，利用“RO”命令，将底认旋转90度。② 标注尺寸后，以标注的尺寸为移动的依据，如图71所示。③ 以缸体右边的边线为基准，移动后完成整个缸体的创建，如图72所示。图71 标注的尺寸 图72 缸体零件实体模型三维模型档案化管理初探 篇3
关键词：三维模型电子文件档案化管理
大量生成的三维模型，正成为电子文件的重要组成部分。从档案管理角度出发，是否需要对三维模型进行档案化管理？在实践中，三维模型的档案化管理存在哪些困境？未来可以做哪些方面的探索笔者将对此问题进行初步阐述，希望能够起到抛砖引玉的作用。
一、三维模型档案化管理的必要性
三维模型是指利用三维建模软件生成的，存在于计算机或计算机文件的“点和其他信息集合的数据”。从上述描述中可以看到，三维模型具备电子文件的基本特征，可以将其理解为一种特殊的电子文件。对这种特殊电子文件的管理，即三维模型档案化管理则是指在一定的制度框架下，由档案部门对三维模型进行前端控制和全过程管理，确保其具有真实性、完整性和有效性。
（一）三维模型具有档案价值且已经大量生成
1.三维模型具有档案价值。首先，三维模型具有凭证价值。从内容上看，三维模型是设计人员运用三维软件设计的图形，它如实地记载了业务活动过程和业务工作成果，是业务活动的直接记录。从形式和技术上看，三维模型是以数字化的超文本形式在计算机环境中生成的，其背景信息被系统程序控制，由此保证了它的可追溯性。其次，三维模型具有情报价值。三维模型是业务活动的伴生物，它记载了大量的知识信息，这些知识信息不仅可以为业务活动提供参考，也可以为同类设计提供借鉴。
2.三维模型已经大量生成。目前，三维设计已成为工程行业设计的主要方法之一。与二维设计相比，三维设计技术更能表达设计者的意图，便于加快图纸生成速度，提高产品设计效率。以三维模型作为产品最重要的信息载体，可以将设计、生产、管理等各个独立环节联系在一起，并将设计细节融入在建模过程中。[1]三维模型的技术优势使得其在各领域能够被广泛运用，另据相关调查显示，目前在某些领域三维模型的生成数量和速度已经远远超过了二维模型。从这个角度而言三维模型已经大量形成。
（二）三维模型不适用“双套制”与“双轨制”管理模式
为了规避电子文件真实性难以认定的风险，在工作实践中，对电子文件往往采用“双轨制”与“双套制”管理模式，即在文件运转过程中，电子版本与纸质版本共存，两种版本的文件与业务流程同步运转；在文件归档过程中，同一份文件既归档电子版本，又归档纸质版本，并且电子版本与纸质版本需一一对应。[2]国家标准也推荐使用“双套制”归档方式，2002年颁布的《电子文件归档与管理规范》（GB/T18894-2002）中规定：“具有保存价值的电子文件，必须适时生成纸质文件等硬拷贝，进行归档时，必须将电子文件与相应纸质文件等硬拷贝一并归档。”虽然三维模型也是一种电子文件，但其特殊性决定了它不可能像普通文本和二维图形一样打印成纸质文本。因此，三维模型不适用“双轨制”与“双套制”管理模式。
（三）三维模型管理失范
目前三维模型的管理处于失范状态，无法满足业务活动的需求，一是管理制度尚未制定。三维设计技术已经广泛运用，三维模型的数量也呈几何级增长，但是针对三维模型的管理制度并未建立。尽管已经有不少针对电子文件的管理制度，但是其中基本没有涉及三维模型管理的条款，更没有制定三维模型管理的专项制度。二是管理主体尚不明确。档案部门应是三维模型的管理主体，但是目前档案部门的主体地位并未明确，大部分三维模型都由形成者自行保管。三是管理流程尚未建立。由于管理制度与管理主体尚未明确，三维模型的管理流程也没有建立。业务活动结束后，三维模型的流向不明确，即档案部门也不知道通过何种渠道接收需要归档的三维模型。
二、三维模型档案化管理的实践困境
（一）三维模型的真实性认定困难
在纸质档案管理模式中，为了维护档案的原始记录性，必须保证载体与信息的统一。对于纸质档案的管理，档案实体的管理与档案内容信息的管理是统一的，保护了载体的原始性即确保了档案内容的原始记录性。然而，三维模型作为一种电子文件，其载体与信息的可分离性，使得上述要求并不能适应三维模型的管理。存储于计算机系统的三维模型因为软硬件升级、系统迁移等要求，可能会出现信息的迁移。在三维模型的管理过程中，随着存储介质与方式的变更，载体与信息的统一性难以得到保证。因此，判断三维模型是否具有真实性变得更加困难。
（二）三维模型的标准体系并未建立
三维设计技术已经在各领域得到了广泛运用，但相应的标准体系并未建立，使得三维模型的存储格式没有统一的规范，给三维模型档案化管理带来了困难。从档案管理角度而言，目前也没有建立起三维模型归档的格式标准。虽然，归档电子文件的格式标准基本建立，但是现行标准并没有将三维模型档案化管理纳入其中。三维模型标准体系的缺失给三维模型档案化管理带来了诸多问题：首先，三维模型形成者在存储三维模型时，特别是格式选择带有较大的随意性，导致三维模型的通用性较弱；其次，由于三维模型格式多元化且没有统一的规范，即使归档至档案部门，也可能面临无法读取的风险。
（三）三维模型的安全控制难度较大
作为一种电子文件，三维模型与其他电子文件一样面临诸多安全风险。电子文件载体与信息的可分离性、对系统的依赖性以及载体的不稳定性，使得它与纸质文件相比，安全控制难度更大。同时，三维模型无法进行纸质化管理，所有的安全控制措施只能在计算机系统中实施，一旦发生操作失误、病毒入侵、软硬件系统故障等事故，没有任何缓冲余地。此外，三维模型管理制度与标准缺失也带来了极大的安全风险。多种安全风险的叠加使得三维模型的安全控制难度较大。
三、三维模型档案化管理的
初步设想
三维模型档案化管理是一个系统工程，它需要制度、标准、技术和人员等诸多方面的支撑。可以说，在三维技术日臻成熟、三维模型大量生成的背景下，探索三维模型档案化管理的可行路径是档案部门不得不面对的课题。
（一）三维模型档案化管理的目的
三维模型档案化管理的目的不是完成三维模型的归档，而是确保三维模型的真实性、完整性和有效性。对于纸质档案，原始记录性是其根本属性，维护其原始记录性是档案管理工作的首要任务。然而，电子文件的载体与信息的可分离性，使得其原始记录性很难得到维护。所以，档案界一般认为，对于电子文件的管理应该转向维护其真实性、完整性和有效性，而不是单纯地追求其原始记录性。作为电子文件，三维模型档案化管理的目的就是要确保其真实性、完整性和有效性。
（二）三维模型档案化管理的前提
三维模型档案化管理的前提是制度化。制度化的作用主要体现在三个方面：一是明确权责，划分三维模型形成者、系统维护者、档案管理者等责任主体的权限与责任，并要求其对自身的管理行为负责；二是制定规范，即制定三维模型档案化管理的制度与标准，确保其符合业务活动的需求和档案化管理的要求；三是确定流程，即通过固化的流程确保人员责任落实、管理过程受控、业务运行顺畅。
（三）三维模型档案化管理的主体
三维模型档案化管理的主体应是档案部门。档案部门的优势在于建立了一套完整的文档管理系统，不论是对文件归档还是归档后的管理都形成了一套较为成熟的体系。此外，档案部门作为三维模型档案化管理的主体，贯穿文件管理的全过程，有利于实现对三维模型的全生命周期管理。
（四）三维模型档案化管理的手段
三维模型档案化管理的手段是前端控制与全过程管理。前端控制要求档案人员在三维模型形成之初就提前介入，参与三维模型管理软件的设计，参与文件质量的控制，提出档案化管理需求。全过程管理要求档案人员对文件的全生命周期进行管理，参与程序控制、规则制定和质量控制。
*本文为上海市档案局科研项目“企业集团数字档案信息资源整合与共享模式研究”（项目编号：沪档科1511）的阶段性研究成果之一。
注释及参考文献：
[1]张少辉.三维设计现状及发展趋势[J].聚酯工业， 2013（2）：15.
[2]冯惠玲.电子文件与纸质文件管理的共存与互动[J].中国档案，2003（12）：40.
三维网络模型 篇4
1 网络模型的建立
本文建立了孔隙个数为10×10×10的正方体三维网络模型,各孔隙中心设节点,相连的两个节点间距离相等,为相邻两个孔隙的半径与连接这两个孔隙的喉道长度之和,网络模型整体外观仍呈正方体。喉道与孔隙半径均按照随机分布原则,在最大、最小半径范围内按概率随机赋值。注入液方向为左进右出式,液体注入面与出液面上各孔隙节点压力相同,注入面上为注入压力,出液面压力为0。除边界面上各孔隙外,模型内部各孔隙配位数理想值为6,模型内部孔隙所连通的喉道总数为2 700个。
1.1 孔隙大小分布
本文采用Haring-Greenkorn分布函数进行孔隙、喉道半径概率分布的计算,该函数参数简单,应用方便,计算精度在要求范围内。
p(r)=K(Rmax-r)(r-Rmin)exp[(珔R2-r2)/2σ2](1)式(1)中,K为常数,Rmax及Rmin为最大、最小半径,为平均半径,σ为概率分布宽度。应用该概率函数,即可得出此半径的概率密度,乘以总的孔隙(喉道)数,可求出半径为r的孔隙(喉道)数量,并随机的分布在网络模型中。
1.2 孔隙度
孔隙度是指岩石中孔隙体积(或岩石中未被固体物质充填的空间体积)与岩石总体积的比值,其表达式为:
式(2)中:V1为总的孔隙体积,μm3;V2为岩石的表观体积,μm3。
孔隙度反应了储集层储集流体的能力,储层的孔隙度越大,能容纳流体的数量就越多,储集性能就越好。对于网络模型中孔隙度的计算,等于总的孔隙体积加上总的喉道体积与网络模型总体积的比值公式为:
式(3)中:φ为孔隙度;Ai为每个喉道截面积,μm2;Li为每个喉道的长度,μm;Vi为每个孔隙的体积,μm3;V为网络模型的体积,μm3;n1为网络模型中总的喉道数;n2为网络模型中总的孔隙数。
1.3 形状因子
在网络模型的模拟中,将真实储层岩石的孔隙/喉道截面简化为三角形、正方形和圆形三种情况。用形状因子G来描述孔隙/喉道截面的形状,形状因子G定义为:
式(4)中:A为某孔隙/喉道的截面面积,μm2;P为此孔隙/喉道的截面周长,μm。
1.4 配位数
配位数是指与孔隙连通的喉道的个数,是表示储集层连通程度的参数,配位数的个数越多,说明孔隙的连通性能越好,流体的流动通道就越多。网络模型采用了孔隙的最大配位数为6来模拟不同驱替阶段剩余油的分布。
2 液体微观驱替过程模拟
利用三维网络模型模拟了饱和油、水驱和聚驱三个驱替过程,根据流体在孔隙中的分布状态,饱和油过程的驱替方式主要为活塞式驱替;水驱过程和聚驱过程的驱替方式比较复杂,有活塞式、卡断式和孔隙体填充三种。
2.1 饱和油过程
在进行饱和油过程模拟之前,网络模型中所有的孔隙和喉道都呈强水湿状态,所以在饱和油过程中只发生活塞式驱替,驱替的原则是只有接触到非润湿相油的孔隙或者喉道才可以发生驱替,驱替过程完成后网络模型中的油都为连续相。在网络入口处施加一定初始压力并克服毛管阻力,使孔隙达到原始储层含油饱和度。
在网络模型的构建中,只有一小部分的喉道截面为圆形,大部分的喉道截面为多边形,在计算截面为多边形的喉道的毛管压力就变得非常复杂,由Mayer、Stowe和Prince推导出进入毛细管压力pc为:
式(5)中:σ为油水界面张力,dyn/cm;θr为油水接触角,rad;G为形状因子;r为喉道截面半径,cm;Fd(θr,G)为θr,G的函数。
在两相流模拟过程中,在饱和油阶段,由于原始喉道为强水湿,所以取θr=0、Fd(θr,G)=1,所以由上式可以得到在饱和油阶段,进入毛细管压力为:
2.2 水驱过程
饱和油过程使部分孔隙表面或者喉道表面的润湿性发生了改变,不再呈强水湿,且有些角隅中还残留有水,因而水驱的液体流动比饱和油复杂。根据模型中水湿、油湿和部分水湿系统中液体流动状态的不同,可将液体驱替方式归结为三种类型:活塞式排驱、孔隙体填充、以及卡断式驱替。
在饱和油过程中,由于初始孔隙、喉道中的润湿性都为强水湿,所以在油侵的时候接触角全部为零,即全部发生油浸的喉道为强制性驱替。而在模拟一次水驱时,部分原始喉道由于发生油浸使原来的喉道润湿性发生改变,所以水驱时的活塞式驱替与油侵时不同,可以分为自发性驱替和强制性驱替。
2.3 聚驱过程
聚合物溶液是非牛顿流体,在进行模拟时,假设模型中忽略气相的存在,流体为油、水两相,聚合物仅溶于水中,各组分间没有化学反应发生。在网络模拟时,与水驱不同的是主要考虑聚合物溶液在不同剪切速率下黏度的变化。毛细管中压差为Δp,流量为Qnn,则μeff为:
式(7)中:R为喉道半径,μm;Lb为喉道长度,μm。
3 网络模型的求解
在网络模型中,用g(i,j,k)、g(i,j,k,n)表示孔隙和喉道的导流能力,所以孔隙和喉道之间有效导流能力可以按下式计算(以孔隙(i,j,k)与孔隙(i+1,j,k)为例):
式(8)中:g为孔隙体(i,j,k)、(i+1,j,k)之间的导流系数;R(i,j,k)、R(i+1,j,k)为孔隙(i,j,k)、(i+1,j,k)的半径,μm;L(i,j,k,2)为喉道(i,j,k,2)的长度,μm。
设孔隙(i,j,k)、(i+1,j,k)的压力分别为p(i,j,k)和p(i+1,j,k),则在孔隙(i,j,k)、(i+1,j,k)之间的流量Q为:
根据体积守恒定律,对于网络中任意一个孔隙,流入、流出的液体体积相等,即:
将网络模型中所有孔隙的流量列成大型线性方程组,求解方程得到孔隙各点的压力。
4 模拟结果与讨论
本文以压汞实验所得到的岩心的孔隙特征参数为依据建立三维网络模型,通过三维网络模型模拟了饱和油、水驱油和聚合物溶液的驱油过程,模拟参数见表1。
4.1 孔隙半径
孔隙半径是表征孔隙大小的储层微观参数,借助网络模型分别讨论了岩石的润湿性为水湿和油湿比例不同的情况下,孔隙半径的变化对聚驱后剩余油百分含量的影响,见图1。
由图1可知,当岩石的润湿性为水湿比例逐渐增加的情况下,剩余油百分含量逐渐降低,在岩石的润湿性比例相同的情况下,随着孔隙半径的增加,剩余油百分含量逐渐降低。这是因为在岩石的孔隙为水湿的条件下,毛管力是驱油的动力,喉道中对驱替液体有自吸能力,驱替液借助毛管力的作用驱出孔隙中的残余油;在油湿的情况下,毛管力是驱油的阻力。故水湿比例增加时,剩余油含量降低。但随着孔隙半径的增加,毛管力逐渐减小,孔隙中的原油易被驱出而不易形成剩余油,孔隙中存在剩余油的概率也越小,增加了聚合物溶液的驱油效率。
4.2 配位数
配位数指与孔隙连通的喉道个数,是表征储层连通程度的微观参数。配位数越大,表示连通性越好,流体的流动通道越多。在三维网络模型模拟中,在表1所列出的基础数据基础上,更改网络模型的配位数,分别采用了四种配位数对聚驱效果加以分析,见图2。
由图2可知,随着配位数的增加,三维网络模型中的剩余油百分含量减少。说明配位数越大,与孔隙连通的喉道越多,网络模型中的渗流通道就越多,利于流体的流动,流体被捕集的机会减少,从而使形成剩余油的概率下降;在较小的配位数的情况下,聚合物溶液驱替该孔隙中原油的机会减少,有些孔隙甚至成为盲端,而使剩余油形成的概率增大。
4.3 形状因子
真实储层中的孔隙空间的形状是非常复杂的,所以在网络模型中采用等价的规则几何形状来近似描述。在三维网络模型中,喉道的截面形状有圆形、正方形和三角形。圆形截面形状因子为0.079 6;正方形形状因子为0.062 5;三角形形状因子的范围是0~0.048 1,其中三角形截面更能接近实际孔隙空间。在三维网络模拟中,在原数据的基础上通过改变三种截面的比例从而达到改变形状因子的大小而得到形状因子的变化与驱替效果的关系,见图3。
由图3可知,随着形状因子的增大,剩余油百分含量有所降低,这是因为形状因子越大,孔隙形状越规则,角隅越少,微观孔隙结构越均质,流体流动的越通畅,从而提高了原油采收率,降低了聚驱后剩余油百分含量。
4.4 润湿性
岩石的润湿性特征指的是它亲油、亲水性质,是岩石、盐水、原油多组分体系综合作用的结果。在表1原数据的基础上通过改变网络模型的润湿性得到润湿角度的变化与剩余油百分含量的关系,见图4。
油藏岩石的润湿性是控制岩石孔隙中微观油水分布及油水运动规律的主要因素,它对驱油效率有重要的影响。在水湿岩心中,毛管力为驱油动力,但随着润湿角度的增加,驱油动力逐渐减小,当润湿角增加到油湿的情况下,毛管力为驱油的阻力,润湿角越大,驱油阻力逐渐加大,最后使孔隙中剩余油百分含量增加,采收率下降。
5 结论
(1)在润湿性相同的情况下,随着孔隙半径的增加,聚驱后剩余油百分含量降低。
(2)岩石孔隙的配位数越大,聚驱后剩余油百分含量越低。
(3)孔隙的平均形状因子越大,聚驱后剩余油百分含量越低。
(4)水湿油层的聚驱采收率高于油湿油层的聚驱采收率。
摘要：利用三维网络模型模拟了饱和油、水驱和聚驱三个驱替过程。研究了聚驱后的微观剩余油分布状态。分析了孔隙半径、配位数、形状因子、润湿性等孔隙结构参数对聚驱后剩余油分布的影响。结果表明:随着孔隙半径、配位数、形状因子的增大,聚驱后剩余油百分含量降低;水湿油层的聚驱采收率高于油湿油层的聚驱采收率。
关键词：三维网络模型,聚合物驱,剩余油,微观分布
参考文献
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[9]宋荣华,王军,何艳辉,等.荧光显微图像技术判断储层流体性质研究.油气井测试,2000;(4):28—32
[10]孙尚如,何先华,邬侠,等.聚合物驱后剩余油分布核磁成像实验研究.大庆石油地质与开发,2003;(4):61—63
用于三维引擎的模型制作总结 篇5
1.模型
组成三维模型的基本单位是空间的顶点（vertices），点点连接形成边，边与边围成封闭的多边形形成面。利用三维软件建模需要很好的考虑模型各部分的拓扑结构，还有拓扑线的连续性。这样做的好处是，后期为模型贴纹理以及做动画的时候会减少很多错误的发生。模型的拓扑结构包括组成模型各个部分的父子关系，层级关系，尽量保持模型的完成性和连续性，减少不必要的模型拆分。建模时要求单个多边形的顶点数不得超过4个，以4边形为主，偶尔可以使用三角形。合理的细节也很重要，尽可能减少顶点的个数有利于模型的后期修改，还可以大幅减轻三维引擎渲染模型的系统负荷。
2.材质
考虑到Unity3D等三维引擎不支持复杂的材质（如shell materal等），在三维软件中设定的材质应使用标准材质（standard），如果必须使用一些特效，将它们烘培（bake）成纹理贴图。此外，更多特效在三维引擎中可以借助shader来实现。
3.纹理贴图
“血管的三维重建”模型 篇6
本问题系2001年全国大学生数学建模竞赛A题。题目如下：
断面可用于了解生物组织、器官等的形态。例如，将样本染色后切成厚约如m的切片，在显微镜下观察该横断面的组织形态结构。如果用切片机连续不断地将样本切成数十、成百的平行切片，可依次逐片观察。根据拍照并采样得到的平行切片数字图象，运用计算机可重建组织、器官等准确的三维形态。
现有某管道的相继100张平行切片图象，记录了管道与切片的交。图象文件名依次为0.bmp、1.bmp、…、99.bmp，格式均为BMP，宽、高均为512个象素 (pixel) 。取坐标系的Z轴垂直于切片，第1张切片为平面Z=0，第100张切片为平面Z=99。Z=Z切片图象中象素的坐标依它们在文件中出现的前后次序为：
试计算管道的中轴线与半径，给出具体的算法，并绘制中轴线在XY、YZ、ZX平面的投影图。
2 问题的假设
假设血管可视为半径一定的特殊管道，管道中轴线与每张切片有且只有一个交点，切片间距及图象象素尺寸均为1。血管的管道表面是由球心沿着中轴线的球滚动包络而成。R表示血管的半径，C1表示切片内边缘曲线，C2表示切片外边缘曲线，K1表示C1是某点的导数，K2表示C2上某点的导数。
3 问题的分析
本问题要求我们计算血管的半径，中轴线方程，绘制中轴线在XY, YZ, XZ平面的投影图。我们可以将100张切片进行重叠，得到血管在XY平面的投影图形，对投影图形内外曲线的拟合，得到血管的半径，对中轴线与切片交点进行拟合，求取中轴线的三维图象。
3.1 XY平面的投影图形的获取
根据相似相容原理：具有相似性质的事物，能够相互地融合成一个整体。由于本问题中切片是100张连续的切片，切片间距及图象象素均为1，可以通过图形处理软件对100张切片进行重叠，重叠所得图形即血管在XY平面的投影图形，由几何知识可知，血管在XY平面投影图形两边缘曲线间距为血管的直径。
3.2 曲线拟合求半径
利用Matlab软件包对投影图的内外边缘曲线进行拟合，近似求取曲线方程，得到血管半径。本模型中要求用点拟合曲线的情况较多，取点均以X轴为标准等距离取点。
3.3 中轴线与切片交点坐标的求解
血管是由半径一定的球包络而成，在每一张切片图中必定存在一个半径恒定的内切圆，切片和中轴线只有一个交点，交点必位于内切圆的圆心，两切点必位于圆的同一直径的两端。若在切片的两条边缘曲线C1, C2上各存在一点，使C1, C2在该点的斜率相等，则这两点的中心点即中轴线与切片的交点。
4 模型的建立
4.1 血管半径的求解
首先借助FLASH软件将100张切片进行重叠，得到血管在XY平面的投影图形，见图1。
对血管在XY平面投影图形的内外边缘曲线进行取点，样点以X轴为标准等距获取，表1给出内边缘取点的情况：
使用Matlab对血管在XY平面投影图形的内外边缘曲线进行拟合，我们可以近似将拟合的内外曲线作为圆的一部分，得到内外曲线的半径分别为142.0, 201.6。因此血管半径R为(201.6-142.0)/2=29.8。
4.2 中轴线的求解
在每张切片图形中对切片内外两条边缘曲线以X轴为标准，等距取2O个点得出拟合边缘曲线的数据点。
将所取点的数据由Matlab软件包的拟合函数POLYFIT()进行拟合，得出曲线方程。
将两曲线C1, C2某点求导，可得到对应点的导数F1 (1), F2 (2)。在C1上取X最小的点X1得到坐标(X1, Y1)以及f1 (X1) , 同理在C2上取点X2得坐标(X2, Y2)以及f2 (X2) ，判定|f1 (X1) -f2 (X2) |<*(选取足够小的*)是否成立，若不成立，重复X2=X2+1, X1=X1+1过程，直到超出样点取值的范围结束，总存在两点(X1, Y1)， (X2, Y2)使得不等式成立，则两点之间的中点即为中轴线与该切片的交点。
对100张切片按照上面的步骤进行循环处理，得到所有切片与中轴线的交点，用Matlab图形函数PLOT3()对这些交点进行还原，得到中轴线的三维图形，见图2。
对所有的中轴线上坐标(X, Y, Z)用Matlab软件包的拟合函数POLYFIT()进行拟合，得出中轴线方程：
4.3 中轴线在各平面的投影
利用Matlab函数view (0, 0) , view (0, 90) , view (90, 0) 分别得出中轴线在XY, XZ, YZ平面的投影图形。
5 结束语
本模型通过对血管切片图的分析，找到一种简捷求中轴线与切片交点的方法，经过多次验证准确率较高，具有一定的实用价值，但是本模型样点的选取，FLASH软件对切片图形的重叠处理方面较为粗糙，存在一定的误差，在这两方面需要改进。
摘要：该文对“血管的三维重建”提出数学模型。利用图形处理软件将已知的100张图片重叠, 得到管道在XY平面上的投影图形, 图形的中线就是管道中轴线在XY平面的投影, 通过Matlab软件包对投影图形的边缘曲线进行拟合, 得到血管的半径, 通过对中轴线与切片交点的拟合, 得到中轴线的三维图象, 中轴线在XY, YZ, XZ平面的投影。
关键词：重叠,中轴线,边缘曲线,三维图象
参考文献
[1]何斌.Visual C++数字图象处理[M].北京:人民邮电出版社, 2001.
[2]王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[3]吴亚敏.“血管的三维重建”模型的优化算法分析[J].重庆文理学院学报, 2008 (4) .
三维重建光照模型介绍 篇7
1模型介绍
1.1朗伯模型
朗伯模型是计算机图形学中定义的一种理想的漫反射模型,也可以称其为朗伯cosine定律。虽然此模型创建于一个世纪之前,在计算机图形学蓬勃发展的今天,它仍然是最常用的模型。朗伯模型认为当光打到物体表面时,光的反射强度在各个方向上是均等的,具有独立于视角的特性。在物体表面每一点的反射强度正比于光的入射角的cosine函数:
其中ka为环境光参数,kd为点光源强度,fatt(N∙L) 为入射光与物体表面相作用的cosine函数。朗伯模型也称为漫反射模型,当光照射到物体的表面时,物体表面接收到的光通量取决于光源的方向和物体表面法向量的夹角,物体表面每一点反射光的方向在各个方向是均等的。如果光源与物体表面是垂直的(即与物体表面法向量的方向是一致的),此时反射光的强度是最强的。
具有朗伯性质的物体对光源的反射特性:反射光线的长度代表反射光的光强度,从物体表面不同位置的反射光的长度可以看出随着光的入射角变小,反射光线的强度也随之减小。朗伯模型描述了物体表面反照率,表面法向量和入射光的基本作用原理,是一种简单有效的光照模型,描述了当被光照射时,物体表面呈现出的粗糙性外观(无镜面反射)。
1.2双向反射分布模型
计算机图形学中的光照可以分为两个阶段,第一个阶段光能量从光源射向物体的阶段;第二个阶段是光能量和物体的表面点相互作用的阶段。这两个阶段是相互重叠的,但可被分开考虑。双向反射分布模型(也称为双向反射分布函数,Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)描述了反射光的辐照度和入射光辐照度的比率,是在球坐标系下的入射方向和反射方向的一系列参数的笛卡尔点乘。定义如下:
其中Li(θi,φi) 是入射光的辐照度;θi和 φi为入射光在球坐标系下的入射角;Lr(θr,φr) 为反射光辐照度;θr和 φr为反射光在球坐标系下的反射角度。BRDF是一种紧支撑反射模型 ,除了依赖 于光的入 射和反射 方向 ,还与参数 α ( α =[α1,α2,∙∙∙,αm]T)有关。 α 代表着物体的粗糙度参数,对粗糙度不同的物体来说反照率是不同的。所以BRDF可被进一步描述为五个参数的函数,即fi,r=(θi,φi; θr,φr; α) 。如果入射光的Li(θi,φi) 是已知的,则即可利用BRDF计算从任意反射方向看到的物体表面的辐照度值:
其中的积分操作只在球坐标的上半球范围内执行。由于每个物体表面的材质是不同的,BRDF描述了不同物体表面对入射光的反射能力。
1.3Phong模型
Phong模型是另一个用于实时绘制的主要的光照模型, Phong模型并没有改变朗伯模型的任何假设,所以入射光和物体表面法向之间的cosine角度关系仍然作为物体表面漫反射成分的计算方式。Phong模型通过在漫反射中插入Phong成分,可以准确的模拟物体的反射高光,Phong光照模型定义为:
其中,ka为环境光参数,kd为漫反射参数,ks为镜面反射参数,ke为镜面反射指数,H为光照和视角之间的平分向量。
Phong模型的一个优点是非常适宜在反射物体的表面添加凹凸反射效果,物体表面的视觉效果比逐点添加光照效果要好得多,Phong模型比朗伯模型更接近真实世界中的表面反射效果。Phong模型的漫反射部分和镜面反射部分被两个常数项kd和ks控制着,这两个常数项在物体的每个像素上都可以取不同的值(来自物体表面纹理的信息)来表现一致或非一致性纹理。
1.4球谐光照模型
现实场景中的光照是非常复杂的,有来自各种光源,如面光源、天空光、反射光或者折射光等。当前的图形硬件只支持点光源或者平行光源(方向光源),其中一个原因是对普通的光分布缺少程序性的公式。Ravi早在2001年Siggraph上基于勒让德多项式原理提出了一种有效的辐照度环境映射模型,根据人眼视觉原理,将自然的环境光影射为球谐模型。该模型提供了对光照辐照度的解析量化公式,可按照光的球函数系数分析辐照度。
由于漫反射物体的表面反射强度会随着物体表面法向量的方向缓慢变化,Ravi利用这种变化表现低分辨率下的辐照度映射,并通过分析量化公式描述这种变化特性。辐照度E就是物体的表面法向量n的函数,该函数通过积分上半球的光照能量得到光照辐照度的解析表达式:
其中,ω 代表坐标系中的翘脚 θ 和方位角 φ 。
2小结
选择合适的光照模型是基于图像的三维重建的一个重要环节。本章中较详细介绍了常用的光照模型的原理和特点,包括常用的朗伯光照模型,双向反射分布模型,Phong光照模型和球谐光照模型。
朗伯模型是图形学中早在1976年就已经提出的光照模型,但至今仍被广泛应用。朗伯模型假设物体具有朗伯特性, 当入射光照射物体表面时,反射光线的强度在空间中的各个方向都是均等的。即朗伯物体表面的反射光线是独立于视角的, 只与入射光,物体表面形状和物体表面的材质有关。
双向反射分布模型同时考虑了入射光和反射光的影响,物体表面的反照率不再是独立于视角的函数,而是与视角相关的函数。
Phong模型是双向反射分布函数的一种表达形式,Phong模型将漫反射和镜面反射相结合,其中的漫反射部分与朗伯模型是相似的,镜面反射部分添加了与视角相关的镜面反射指数项,很好地模拟了光滑表面的高光效果。
城市三维模型视频映射技术研究 篇8
1 Open GL概述
Open GL是SGI公司于1992年发布的三维图形编程接口, 是目前2D和3D图形应用程序开发中应用最广泛的三维图形标准, 已经成为唯一真正开放的、独立于经销商的多平台图形标准。它集成了大量的图形变换、光照、渲染、材质、纹理映射、特殊效果和其他强大的可视化函数, 能快速的建立逼真的三维模型。
1.1Open GL的主要技术特点
工业标准:由国际协会Open GL Architecture Review Board指导规范。
稳定性:具备多种平台上的实现程序, 确保已有的应用程序实时更新。
可靠性和可移植性:任何Open GL应用程序在兼容硬件上都显示出一致的视觉效果。
可扩展性:使程序开发者和硬件经销商在产品新版本中快速将其新特征集成进去。
易用性:具有很强的逻辑性, 代码量很小, 方便易用, 且不必考虑硬件特点。
1.2Open GL的图形操作步骤
Open GL对图形进行操作并将图形绘制到屏幕上的基本步骤如下:
1.根据基本图元构造物体模型, 对物体模型进行数学描述。
2.将物体模型放置到三维空间中, 选择适合的视点以便观察感兴趣的场景。
3.计算物体的颜色, 结合光照和纹理, 确定所观察的场景中物体的最终效果。
4.光栅化:将场景中物体模型的数学描述和颜色信息转换为计算机屏幕上的像素。
注:Open GL在绘制曲面前, 必须进行初始化 (将像素格式加入到图形设备接口) 。
1.3像素格式
像素格式是描述Open GL绘制曲面的一些属性。包括像素缓冲区、像素数据色彩模式、缓冲区的字节数、各种可见性屏蔽等。通过填充PIXELFORMATDESCRIPTOR结构来描述。由Set Pixel Format () 为当前像素格式赋值。1.4绘图描述表
绘图描述表是传递所有Open GL命令必须通过的端口, 调用Open GL函数的每一线程都需要一个当前设备描述表, 一个线程只能由一个激活的绘图描述表, 一个绘图描述表具有和它相关的设备描述表, 两者具有相同的像素格式。管理绘图描述表的相关函数有:创建绘图描述:wgl Creat Context () ;设置当前绘图描述表Wgl Make Current () ;为当前绘图描述提供句柄:Wgl Get Current Context () ;提供相关设备描述表句柄:Wgl Get Current DC () ;删除绘图描述表:Wgl Delete Contex () 。
1.5Open GL在VC中的使用方法
1.设置Open GL编程环境的方法:添加头文件到STDAFX.H中, 进而连接库函数。
2. 基于Open GL的VC编程框架:
(1) 构造Open GL的窗口风格; (2) 设置支持Open GL的像素格式; (3) 创建绘图描述表, 设置为当前绘图描述表; (4) 对Open GL的绘图环境进行初始化; (5) 添加Windows消息响应函数; (6) 结束时删除绘图描述表。
2地形三维可视化和纹理映射研究
2.1 地形三维可视化
2.1.1 地形三维可视化的原理和技术
地形三维可视化是通过三维的表现形式来表达地形。常用的地形三维表达包括立体等高线图、现况透视图、立体透视图等。常用的地形三维可视化技术有下三:一是利用常用的参数曲面通过插值和拟合生成三维地形;二是利用分形技术生成三维地形;三是利用数字高程模型或数字地形模型的三维坐标数据, 生成不规则格网 (TIN) 或者规则格网 (GRID) , 建立三维地形的基本骨架。
2.1.2 数字高程模型
数字高程模型 (DEM) 是地形信息的一种数字表达, 是GIS的基础数据, 可用于土地利用现状分析、水利工程设计、城市规划等。有两种存储方式:一是规则格网点的存储形式, 二是不规则三角网的存储形式。规则格网DEM是一种栅格数据结构, 数据结构简单, 数据存储量小, 利于各种分析和计算。不规则三角网是一种简单的拓扑矢量数据结构, 具有更高的分辨率, 其数据存储和操作都较复杂。
2.1.3 三维建模
Open GL提供了点、线、多边形三种基本的几何图元, 可以构造更复杂的形体对象。在地形三维可视化中首先需要进行三维模型的建立。可以利用多个三角形或四边形拼接而成的曲面来近似模拟地形表面。使用Bezier曲面或NURBS曲面来创建所需要的模拟地形表面的曲面。
2.1.4 三维图形变换
三维几何对象是处于三维坐标中的几何图形, 计算机屏幕的像素是二维的, 在屏幕上显示三维模型就必须将几何对象的三维坐标转换到屏幕上的像素位置。进行一系列的变换, 统称三维图形变换, 有投影变换、视口变换和几何变换三种。
2.1.5 三维漫游
虚拟漫游是虚拟现实技术的重要分支, 其方式可以分为电子沙盘和目标沿路径飞行两种。电子沙盘是目标绕着某一固定点转动, 通过实时改变基本的模型变换矩阵中的参数来改变目标的实时显示效果。目标沿路径飞行则是按照一定的飞行路线观察地形景观。记录路线采样点平面坐标, 根据采样点在DEM中内插确定观察路线上采样点的高程坐标。
2.2 纹理映射的原理和方法
纹理映射是将纹理图像投射到物体表面从而获得真实感效果的物体模型。Open GL可采用一维、二维或三维的纹理进行映射, 纹理图是由R、G、B、A数值组成的矩形数组。它不仅能反映地表起伏状况, 还能更真实的反映地表的真实面貌。
2.2.1 地形三维可视化中常用的纹理
从专业摄影图片中获取;实地摄影获取纹理图像;航摄图片、航空遥感图像;
扫描地形图或专题图得到的数字图像;通过分形产生纹理等。
2.2.2 纹理映射的步骤
(1) 定义纹理; (2) 控制纹理; (3) 映射方式 (三种) ; (4) 纹理坐标: (将纹理坐标与构成三维模型的点坐标联系起来, 能有效改善变形情况) ; (5) 激活和取消纹理映射。
3视频读取方法和视频纹理映射的研究
3.1 视频和视频帧
连续的图像变化每秒超过24帧画面以上时, 根据视觉暂留原理, 人眼无法辨别单幅的静态画面, 看上去是平滑连续的视觉效果, 这样连续的画面叫做视频。视频帧是视频中最小单位的单幅影像画面, 是一幅静止的画面, 连续的视频帧就构成了动态的视频。视频帧频是指视频剪辑每秒显示的帧数。
3.2 Open CV读取视频的原理和方法
3.2.1 简介Open CV及Open CV在VC中的使用方法
Open CV是由Intel公司基于C/C++语言开发的跨平台开源图像处理函数库。具有良好的可移植性, 可用于实时图像处理。功能完善, 包括图像数据操作、摄像头定标、运动分析、目标识别等, 且支持多种动态数据结构。Open CV包括cv (核心函数库) 、cvaux (辅助函数库) 、和ml (机器学习函数库) 等模块。在VC中Open CV需要首先设置预编译的头文件, 随后设置链接库。
3.2.2 Open CV读取视频及抓取视频帧的方法
Open CV支持视频的输入输出等操作, 读取视频涉及的Open CV函数如下:Cv Capture*capture=cv Capture From AVI (文件名) ;利用cv Capture From AVI函数获取指向视频文件的指针。而后还需要释放视频流捕捉器, 采用cv Release Capture (&capture) 函数实现。利用Open CV的函数cv Grab Frame (capture) 和cv Retrieve Frame (capture) 可以从视频流中抓取某一帧的影像。
3.3 视频纹理映射研究
3.3.1 视频纹理映射的概念
在地形三维可视化中, 通过纹理映射可以将真实世界的影像反映到模型上从而达到更真实的效果。视频纹理映射即用视频替代单幅影像作为映射单元映射到三维模型上。由此获得的三维景观能够实时动态的反映地形真实面貌和变化情况。
3.3.2 探讨实现视频纹理映射的方法
利用Open GL的命令函数可以实现二维图像的纹理映射, 而视频是由一帧一帧的单幅影像组成的, 因此视频纹理映射是可行的。基本思路是:利用Open CV函数读取视频, 抓取视频帧影像并存储下来, 然后将一帧影像映射到三维模型上。再读取第二帧影像替代第一帧进行映射, 这样不断的将所有视频帧影像映射到三维模型上。连续映射到模型上的视频帧就会形成动态效果, 从而实现视频纹理映射。
4结论与展望
4.1 结论
传统的多窗口的影像进行监控, 视觉上的不直观, 定位和观察上更不便。本课题提出了一种有效的改善这种不足的方法———城市三维模型视频映射技术。基于VC语言和Open GL函数库, 对地形进行三维重建并将视频影像作为纹理映射到模型上。这样生成的视频具有很强的立体感, 能够更加真实的反映现实世界, 此外对于不同区域的摄像机所获得的视频, 可以整合到同一个三维模型上, 从而达到整体监控和快速定位的效果。
4.2 展望
回顾论文的研究过程, 对基于Open GL实现地形三维可视化和视频纹理映射有了一定的研究, 并且实现了三维漫游和视频纹理映射系统的各种功能, 但是, 由于时间、实验条件和个人水平限制, 本文在以下几个方面还需要作进一步的研究:
数据点多时, 在GRID构建三维模型的基础上进一步研究构建TIN模型的算法。
利用OpenGL绘制三维地球模型 篇9
OpenGL作为强大的三维图形函数库, 能够支持用户便捷地实现三维模型的建模及渲染出[1]。地球模型仿真中的球体建模、纹理映射、旋转和缩放等涉及很多复杂的计算机图形学知识及算法, 可以使用OpenGL提供的函数方法予以实现。使用OpenGL提供的建模和纹理映射函数建立了贴合纹理的地球模型, 探讨了模型视图矩阵的特征和内涵, 然后使用实时保存模型视图矩阵的方法, 实现了地球模型围绕三维坐标轴旋转的功能。
三维地球模型建模是使用现有软件或编程建立具有一定真实感、反映地球表面概貌的仿真模型[2]。对于大尺度的模型来说, 可以使用地图或地表遥感影像对球体进行纹理映射;对于局部小尺度的模型来说, 可以使用高分辨率遥感影像进行纹理映射或采用数字高程模型等三维景观予以表现。
旨在基于OpenGL函数库, 在纹理贴图和几何变换理论支持下, 模拟出纹理映射、可绕XYZ轴自由旋转的球体模型,并尝试从中得到建立交互式三维模型的普遍方法。
1 考虑纹理映射的 OpenGL 球体建模
通过研究地球球体特征, 采用自行设计的函数绘制球体,并指定球体上点的法线向量和纹理坐标的方法来实现。采用本方法可以建立一定半径、经纬细分程序可控以及纹理映射关系稳定的球体模型。
地球是个椭球体, 且球面上海拔高度分布不均, 在设计球体时, 可首先将地球想像成一个规则球形, 对于球面上任意一点, 将地球球面半径与该点对应高程数据相加, 即可得到该点距球心的距离, 通过对球面上点的建模, 可以得到具有真实感的地球三维球面, 叠加全球遥感影像数据形成球面纹理, 从而实现地球仪的效果。
球是曲面, 按有限单元化的思想将其进行曲面小片化。地理位置通过经纬线来标定, 经线和纬线的交点就是相应的几何顶点。顶点之间相连接, 可以将球削出一个正n面体,对于正n面体中的每个三角形, 计算每条边的中点, 中点和中点进行连线。这样一个三角形小面就用4个小的三角形来代替。最后把新生成的顶点坐标所表示的向量进行单位化,并将此向量乘上地球球心距顶点的距离 (即球面半径R与该顶点高程R' 之和), 相当于将新增加的顶点拉伸到球面上。其结果是这个球不再是用n个面来近似而是用n×4个面来逼近,效果得以大大提高。如此细分下去, 直到满足精度要求为止。
采用地心惯性坐标系统, 将地心o作为坐标的原点, 3个坐标轴分别为图1所示的x, y, z。对于球上任意一点P (θ,φ), θ为纬向角 (0~180度), φ为经向角 (0~360度)。那么P的以o为圆心的顶点坐标为 (球坐标到直角坐标系转化):
其中R某球面纬度上一点与地心的距离 (椭球半径), e是椭球的偏心率, a和b分别是长短轴的半径, 利用高程资料可获得球面上某点的高程R', 则:
其中:
由于高程的值与地球的半径相差较大, 在实际绘制中,有时为了突出地形, 还可以将高程R' 乘以一定的值S (这里将S的值定为25)。
根据要求的经纬度细分数, 确定模型上纬度和经度格网的坐标; 逐纬度绘制两个相邻纬度之间的网格, 渐次绘制出整个模型。假设经度细分数目为N (即将赤道等分为N段),纬度细分为M (将子午圈等分为2M段), 则同纬度上相邻两关节点在平行于赤道面上的圆心角度为360/N; 同经度相邻两关节点P1和P2的纬度分别为θ和θ+180/N。这样, 在每个纬度细分带上可以利用同经度两个关节定义出三角形条带, 在OpenGL中调用相关指令, 即可完成该条带的绘制; 逐次调节纬度θ的数值 (-90~90), 就可绘制出整个球体模型。
2 代码实现
假如要生成的地球分辨率为0.05度, 则要被采样化成3600×7200个顶点, 对顶点间连进行连接以实现三角片化, 则要生成3600×7200×4个三角片, 将三角片连起来, 则可以生成有地形高度的地球网状模型。
第一步, 生成顶点坐标数据集及每个数字地形剖分顶点的纹理坐标, 利用球坐标到直角坐标转换公式及全球高程及映像数据, 循环经度 (0~360) 和纬度 (-90~90), 即可生成间隔为0.05度的空间点集m_triSphere (注: 空间点集除了包含顶点位置外, 还包含顶点法线向量及对应顶点的颜色值); 将相邻3个空间点的序号为一组数据记录到三角片数据中, 即可形成三角片信息集m_triSphere。
第二步, 将生成的一系列分离的顶点、法线、颜色数组利用三角片连接起来, 即可构建三维地球, 相应示例代码如下:
第三步, 添加矢量数据
在地球表面上添加矢量数据 (经纬网格、行政区划、河流等) 时, 由于矢量数据中的位置信息一般为经纬度值, 而要将其绘制到球面上, 必须利用坐标转换公式将其转换为三维地心坐标系, (lon,lat) 圯 (x,y,z), 程序中对应函数名称为Lonlat2XYZ ( lon,lat,x,y,z) , 其中 (lon,lat) 为输入经纬度值 ,(x,y,z) 为输出直角坐标值。尔后调用OpenGL绘线段函数 ,即可完成绘制, 以经纬网格为例, 绘制间隔为5度的经纬线,其实现函数如下, 其他矢量数据绘制方法与上经类似。
//画纬度
//画经度
第四步, 设置地球的漫游与缩放
地球的旋转分自动旋转和手动旋转, 自动旋转与地球的自转相一致, 也即24小时旋转360度, 手动旋转主要方便查阅某地区的信息而进行的交互漫游, 三维地球交互漫游算法的基本原理是Arcball算法[3], 它的核心思想是基于四元数的理论, 使用2自由度的鼠标来表达3自由度的空间旋转。它将鼠标的拖拽运行想象成在一个投影球面上绘制弧线, 并将这一运行弧线映射到实际场景中, 据此改变视点和视角以实现交互漫游的动作, 进而实现对数字地球全方位、精确、交互的自由旋转漫游。
地球的缩放比较简单, 根据鼠标滚轮的移动量, 乘以一定的比例即可。
无论用何种方法得到的旋转量或缩放量, 作用到球体上,即可实现地球的交互操作。对应的函数为:
glRotatef (m_sphere.xr,1.0f,0.0f,0.0f) ;
glRotatef (m_sphere.yr,0.0f,1.0f,0.0f) ;
glRotatef (m_sphere.zr,0.0f,0.0f,1.0f) ;
glScalef (m_Room,m_Room,m_Room) ;
3 性能优化
3.1 基于 LOD 算法的地形简化
层次细节 (LOD) 技术是一种符合人的视觉特性的技术。当场景中的物体离观察者很远的时候, 它们经过观察、投影变换后在屏幕上往往只是几个像素甚至是一个像素。完全没有必要为这样的物体去绘制它的全部细节, 可以适当地合并一些三角形而不损失画面的视觉效果。对于一般的应用, 通常会为同个物体建立几个不同细节层度的模型, 也称之为多分辨率地形 (Multi-Resolution Terrain)[4]。
这些不同细节层度的模型可以是在程序运行前建立的。也可以是在运行时刻计算生成的。可以从一个全细节的模型出发, 通过一系列简化操作生成低细节层度的模型, 简化操作可以分成3种: 顶点删除、边压缩和面收缩技术。这样可以在特定的场合下选择合适的模型, 而不必每次都选用全细节的模型, 大大降低场景三角形数量。地形的简化通常是对这个矩形网格采用自顶向下 (Up-to-Down)、分而治之的策略, 典型的有四叉树和二叉树, 它们从场景的最低细节层度开始, 按需要不断地提高细节。非规则的简化则是采用自底向上 (Down-to-up) 的方法来处理。
实现LOD算法时, 除了对几何物体进行简化外, 还有一个很重要的问题就是如何决定是否对一个物体进行简化, 即需建立一个评价系统, 这种评价系统通常是视点相关, 离视点远的物体通常只需要较少的细节, 反之则需要比较多的细节。除此之外, 物体本身的特性也必须考虑在内, 例如, 球体中心需要较多的三角形来表现, 而边缘则只需要较少的三角形来描述即可。
Lod算法的关键之处在于 : (1) 数据的存储布局。数据在内存中的布局必须要方便算法的实现, 同时最好还要降低操作系统缺页中断的次数, 也就是降低内外存之间的数据交换次数。(2) 如何生成连续的LOD化的地形网格。在地形LOD化过程中, 要让两个不同层度的细节的区域之间能平滑地过度。(3) 节点评价系统。这个系统必须要使生成的网格能尽量减少几何形变, 尽量使画面质量能接近全分辨率的地形, 同时还要保证其实时性。
3.2 裁剪
OpenGL提供了内置的裁剪系统 , 但裁剪是在经过视图、投影变换以后的, 即裁剪是投影空间中进行的, 为了提高效率, 需要在顶点进行矩阵变换之前就进行裁剪, 同时, 裁剪系统还必须有能力裁剪一个四叉树的节点。
从3D到2D投影过程中, 需要一个投影体, 只有当物体处于这个投影体中的时候, 才能看到这个物体, 否则物体将被裁剪掉。因此这个投影体也通常被称为视见体 (View Frustum)。在进行正交投影的时候 , 投影体为一个长方体 , 在进行透视投影的时候, 投影体则为一个平头锥体。
4 结语
探讨机械制图三维虚拟模型库 篇10
工程制图作为“工程界的语盲一”为每一个工程技术人员所必须掌握, 《工程图学》教学特点是教与学对直观教具的高度依赖, 继承了几何学的高度抽象。
人类社会已进入知识爆炸的时代, 学生在大学学习的总学时由于一周五个工作日的实行与80年代相比减少很多。作为传统专业基础课的工程制图课时必然要被压缩, 根据学科特点, 积极地去探索新颖的教学方法和教学手段, 以提高课堂教学效率和教学效果教学手段。计算机辅助设计技术在工程设计中的应用, 进行课程教学思想和教学方法的改革, 产品设计过程直接采用三维实体来表达设计对象, 空间想象能力和空间思维能力是创新的源泉, 积极地去探索新颖的教学方法和教学手段, 使图学教育与专业教育自然地联系起来。
随着社会的发展和计算机技术的应用, 随着多媒体可视化技术的发展, 特别是交互式绘图软件不断推出, 进而使工程图的教学的方法、教学手段和教学质量都发生了前所未有的变化。计算机辅助设计及绘图与工程图有机结合, 计算机和多媒体技术使工程图的教学质量得以提高, 则是社会发展的必然趋势, 同时, 也为工程图学的发展提供了前所未有的机遇。
二、三维虚拟模型库的技术支持
CAD技术起源于美国, 它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。而三维CAD技术符合人的设计思维习惯, 整个设计过程能在三维模型上讨论, 三维以D技术发展到现在已经经历了四次技术革命。60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统, 但是曲面造型技术只能描述零件形体的表面信息, 实体造型技术的主要缺陷是无法进行尺寸驱动, 参数化实体造型技术也有缺陷, 变量化技术既保持了参数化技术的优点, 同时又克服了它的不足之处, 被视为CAD技术的第四次技术革命。
Solidworks2007是著名的三维CAD软件开发供应商Solid Work S公司发布的3D机械设计软件, 是第一个基于Window S平台的三维机械CAD软件, 其机械设计主要由三大模块构成, 工程图绘制模块采用了三维一二维关联技术, 工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证, 高效地完成高质量的零件加工任务, 为用户提供完全集成的、使用方便的工程文档管理工具, 方便地进行生命周期管理。三维设计实现动态的可视化。
Flash是Macromedia公司推出的一种优秀的矢量动画编辑软件。它是一种基于矢量的图形系统, 其内部各元素都是矢量化的, 智能设计、操作方便一易学易用, 在教育、教学和网络化教学中广泛应用。
系统硬件环境对于显卡的要求是Open GL工作站图形卡, 硬盘:40G及以上, 内存:1GB以上。
三、三维虚拟模型库的总体构建
学习环境是学生自由探索和自主学习的场所, 三维立体模型库的设计原则必须符合实用性, 这是开发三维虚拟模型库系统的基本原则;有效的认知工具原则, 应从教学实际和学生认知水平出发选择合适的三维虚拟模型, 教师需要特别注意培养学生的自主学习能力, 实时丰富模型库中模型数量和种类, 充实表达方法。
模型库的建设分为立体、组合体库、表达方法库、标准件常用件库、三维模型零件库和三维模型部件库等, 为学生的自主学习创造良好条件。
四、三维虚拟模型库动画
动画是一种手段, 动画是通过连续播放一系列画面, 它的应用范围广泛, 原理与电影、电视一样, 都是视觉原理。电脑动画己经广泛应用于影视特技, 二维动画是对手工传统动画的一个改进。
按电脑软件在动画制作中的作用分类, 电脑动画有电脑辅助动画和造型动画两种, 动画软件都会提供各种工具、方便你的绘图。电脑辅助动画属二维动画, 其主要用途是辅助动画师制作传统动画, 而造型动画则属于三维动画。利用电脑对两幅关键帧进行插值计算, 在动画软件中, 使用了分层的方法。动画软件一般都会提供许多绘画颜料效果, 可以直接在电脑屏幕上演示一下草图或原画, 电脑动画中的各种角色造型以及它们的动画过程, 随着计算机软硬件技术的发展, 几何造型是利用造型工具制造出需要的实物。
立体被平面切割, 在立体表面会产生截交线。F1ash动画制作步骤为将不同的效果分布在不同的帧上, 制作形状动画流程, 运动动画制作流程。如用Flash制作圆锥截交线动画, 首先用Slidwork SZOO07软件制作圆锥切割的三维立体图, 打开Flash应用软件, 把多个图片导入到多个元件, .把图片元件拖入到场景, 设置运动动画, 用CAXA电子图版2007把背景设置为白色, 绘制二维平面图, 分别建立圆点元件、各个面点投影字母元件。建立辅助平面元件并把其本身设为可以运动的形式, 模拟辅助平面截切立体。.设置点投影顺序及投影线动画, 完成求一般位置点, 动画播放控制, 文件输出。
五、三维虚拟模型库的实现与应用
三维虚拟模型库要能提高学习者的学习兴趣和自觉性, 应具备安全、稳定、可靠、快速, 在解决疑难问题知识点上充分发挥多媒体的功能, 可适当采用图片、动画讲解等来强化学习效果, 有利于培养学生获取知识的能力和创新能力。
SO1idworks软件中二维工程图输出三视图, 适当修改并标注尺寸, 设立典型例题动画讲解, 设立新基准面对立体进行切割, 零件图部分由于尺寸较多, 需要标注技术要求, 其过程快捷、高效, 根据表达需要将装配图中用到的零件视图视图修改为所需要, 新建文件, 选好图幅、图框、标题栏, 零件序号和明细栏自动生成。创建基本立体、组合体、零件和部件三维模型并对其进行渲染, 实现三维虚拟模型库中的三维立体图放大, S实现多角度观察立体及立体的多向运动。
摘要：本文主要分析了机械制图三维虚拟模型库, 分析了电脑动画技术在虚拟模型库中的应用, 以及建模技术和造型的有关理论, 主要应用Flash软件创建二维电脑动画, 三维虚拟模型库采用SohdWOrks创建三维模型为主, 帮助学生加深对机械制图课内容的深入理解。
关键词：机械制图,三维,虚拟模型库
参考文献
[1]罗爱玲:《关于图学课程改革与实践的研究》, 《工程图学学报》, 2001, 1。
[2]葛常清:《改革工程图学教学提高素质教育》, 《苏州丝绸工学院学报》, 2001年。
