前言：本站為你精心整理了建筑仿真環(huán)境技術(shù)探究范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

1多媒體仿真概論

1.1多媒體仿真技術(shù)的理論與方法

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展和新的突破,都對以其為基礎(chǔ)的相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生強有力的推動和改造。多媒體技術(shù)對傳統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù),從概念、方法和體系上不僅是具有改造、拓展,甚至有重新構(gòu)造的影響意義,這一點已為越來越多的事實所證明,被越來越多的人所重視。

多媒體系統(tǒng)方法最重要的貢獻(xiàn)是將不同界面上運載的各類媒體信息能夠作統(tǒng)一的,或叫歸一化的處理,構(gòu)造適人化的多維信息空間。這就根本改變了仿真系統(tǒng)的運行環(huán)境條件。多媒體系統(tǒng)與數(shù)學(xué)物理模型一起所形成的仿真新體系,擴展了仿真系統(tǒng)的效能和應(yīng)用領(lǐng)域。特別是多媒體使仿真擴展到非數(shù)字模型所描述的事物領(lǐng)域,對工程中場景設(shè)計研究、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定性分析等問題,都能有效地實現(xiàn)模型建立、模態(tài)比較、仿真效果表達(dá)。

概括起來,所謂多媒體仿真,是指采用不同媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息,建立反映系統(tǒng)內(nèi)在運動規(guī)律和外在表現(xiàn)形式的仿真模型,在仿真運行時可產(chǎn)生定性、定量相結(jié)合的系統(tǒng)動態(tài)演變過程,以多維信息綜合表達(dá)仿真結(jié)果。多媒體仿真使人們可以較自然地按照實際系統(tǒng)的固有特點和認(rèn)識方法,來建立和表達(dá)其模型狀態(tài)和演變行為,以盡可能直接的最具普適性的手段,來認(rèn)識和表達(dá)客觀對象,應(yīng)當(dāng)說這更能體現(xiàn)“仿真”的原義。

多媒體仿真將整個過程都建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上,這并沒降低傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的作用。相反的是使之更強化、更有聲有色、更生動具體。多媒體系統(tǒng)模型,從統(tǒng)一的角度對各種媒體的信息進行時間和空間表達(dá),它把數(shù)學(xué)模型作為一種時變數(shù)字媒體,有效地集成在系統(tǒng)中,使外在媒體表現(xiàn)和內(nèi)在規(guī)律有機結(jié)合,相得益彰。在這里,我們強調(diào)仿真系統(tǒng)中抽象演算與直觀形式結(jié)合,強調(diào)定量方法與定性方法結(jié)合,在求解仿真對象的時態(tài)運動描述方法上,更適合科學(xué)研究和工程設(shè)計的需要。

1.2多媒體仿真環(huán)境的主要特點

多媒體技術(shù)對仿真環(huán)境的建立產(chǎn)生重大的影響。主要表現(xiàn)在:建立仿真對象的多媒體信息庫、多種媒體綜合表現(xiàn)模型及其與運動方程的協(xié)同顯示機制、仿真過程和求解結(jié)果的演播與交互查詢等。多媒體仿真建模與傳統(tǒng)的建模方式不同。首先,在建模初期,就基本確定了模型的聲、文、圖等多種媒體的綜合屬性和相互關(guān)系,使模型在表達(dá)個體固有屬性時運用多種表現(xiàn)手段,生動深刻的展現(xiàn)其本征。其次,多媒體仿真建模采用面向?qū)ο蟮慕７绞健ＤＰ椭械母鱾€成分以對象的形式表現(xiàn),對象自身的屬性和狀態(tài)是私有的,各個對象之間依靠事件驅(qū)動(消息)發(fā)生聯(lián)系。這更加符合人們對自然界的認(rèn)識和理解過程。

多媒體仿真表現(xiàn)環(huán)境是以信息和多種媒體的集成為基礎(chǔ),將仿真對象的屬性、運行的過程以及仿真結(jié)果以多媒體的形式表現(xiàn)出來的一種系統(tǒng)。其具體內(nèi)容包括對仿真實體和環(huán)境的可視化描述以及對它們的動態(tài)表現(xiàn)和控制等。

多媒體仿真表現(xiàn)環(huán)境充分利用多媒體交互處理多種媒體信息的特點,將仿真對象和仿真過程生動的展現(xiàn)于屏幕上,使技術(shù)人員得到仿真結(jié)果和運行過程的定性與定量相結(jié)合的直觀演示,大大減輕了技術(shù)人員的行為難度。

2建筑工程多媒體仿真環(huán)境設(shè)計的核心技術(shù)

多媒體仿真與傳統(tǒng)數(shù)字仿真在系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計要求上有很大的不同。從功能目標(biāo)看,主要有以下幾方面:

(1)支持媒體對象從建模到仿真過程的多種媒體的表現(xiàn)。

(2)所建對象運行模型在一定仿真機制下運行時,能體現(xiàn)其固有的或虛擬媒體特征,包括自動生成運動方程。

(3)支持仿真系統(tǒng)的實驗校正和交互控制。

(4)支持多媒體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理操作及其版本進化。

(5)支持仿真演播、觀看或查詢求解結(jié)果及仿真過程,編創(chuàng)演播腳本。

多媒體仿真環(huán)境要求多媒體平臺能有效地支持客觀對象的虛擬表現(xiàn)技術(shù),就建筑工程仿真而論,特別是要求支持如下核心技術(shù):三維工程數(shù)據(jù)場的顯示;計算機層析技術(shù);四維曲面空間的場靜態(tài)顯示及動態(tài)顯示控制技術(shù);不同媒體對象的歸一化處理和集成技術(shù)。

2.1三維工程數(shù)據(jù)場的顯示

三維工程數(shù)據(jù)場的可視化是實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)多媒體仿真的基礎(chǔ)。我們在建筑結(jié)構(gòu)力場的顯示和場景表現(xiàn)(如風(fēng)力場)中,主要以體繪制技術(shù)為基礎(chǔ)。

2.1.1體繪制技術(shù)

體繪制技術(shù)是指經(jīng)重采樣和圖象重建后,將連續(xù)的三維源數(shù)據(jù)場映射到屏幕圖象空間,形成連續(xù)的二維屏幕圖象的技術(shù)。三維數(shù)據(jù)場重采樣的目的是將連續(xù)的三維圖象離散化,為將三維物體空間映射到二維屏幕空間提供離散的數(shù)據(jù)點陣,同時確定觀察方向。對重采樣數(shù)據(jù)進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等空間變換,用插值法求出各點的圖象空間坐標(biāo)和灰度值,即完成由實體空間到圖象空間的重建。

2.2.2多維工程數(shù)據(jù)場的顯示

為研究建筑結(jié)構(gòu)在外力作用下的受力狀況和時程響應(yīng),實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力場的可視化,我們在三維空間的基礎(chǔ)上引用了結(jié)構(gòu)受力特性,構(gòu)成四維工程數(shù)據(jù)場。四維數(shù)據(jù)場的顯示采用計算機層析技術(shù)。已知物體某點的空間坐標(biāo)為f(x,y,z)∈V,引入該點的某一特定屬性作為一維投影數(shù)據(jù)S,S可以代表該點的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。以S為基線,運用一定的重建算法重構(gòu)出物體在四維空間的三維圖象。

2.2三維數(shù)據(jù)場的動態(tài)顯示控制

在建筑結(jié)構(gòu)的動力學(xué)仿真中,僅實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場的顯示是不夠的。為達(dá)到荷載作用下結(jié)構(gòu)隨機振動的效果,必須對體數(shù)據(jù)場進行顯示控制和動態(tài)實現(xiàn)。

2.2.1顯示控制

為了觀察建筑結(jié)構(gòu)各個角度所受荷載的方向、速度及建筑物表面壓力,需要對視角方向進行控制。我們知道,空間一點的位置可以用它與三個坐標(biāo)軸x,y,z的夾角α、β、γ來表示。如所示,設(shè)視點為S,α、β、γ的變化直接反映出S的變化。因此,只要控制α、β、γ三個角度,即可實現(xiàn)從不同方位觀察物體。

2.2.2工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)仿真——工程圖變形技術(shù)

實現(xiàn)多媒體仿真的另一關(guān)鍵問題是實現(xiàn)三維動畫效果。在建筑結(jié)構(gòu)的多媒體仿真中就是要模擬結(jié)構(gòu)的隨機運動過程。由于實驗采樣數(shù)據(jù)離散程度大,采樣率低,而且一般只知道振動的初始狀態(tài)和最后狀態(tài)。要想做到完全仿真,必須采用工程圖變形技術(shù),使計算機自動在原圖和目標(biāo)圖之間產(chǎn)生一系列中間圖,以實現(xiàn)平穩(wěn)而光滑的變形。變形技術(shù)的算法原理是以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行插值。這種插值與一般數(shù)學(xué)意義上的插值有所不同,需要根據(jù)表達(dá)對象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、約束條件和動力學(xué)特性等因素,選擇恰當(dāng)有效的插值模型和插值方法。在結(jié)構(gòu)工程中,我們采用形態(tài)特征模型作為基本插值模型。插值法采用非線性自由變形算法,同時考慮結(jié)構(gòu)的受力狀況,保證各個階段的變形都滿足允許位移場條件。

3建筑工程多媒體仿真環(huán)境架構(gòu)

建筑工程多媒體仿真環(huán)境基本架構(gòu)。

3.1基本管理模塊

負(fù)責(zé)對仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料、接口設(shè)備和工作平臺進行管理。針對建筑工程系統(tǒng),除需配備基本的多媒體計算機以外,還要有以下幾個軟、硬件輔助設(shè)備。

3.1.1數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采集實驗數(shù)據(jù),為仿真工作的展開提供原始資料。

3.1.2數(shù)據(jù)接口子模塊

將實驗中的電脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成繪圖軟件所需的數(shù)據(jù)格式。

3.1.3繪圖設(shè)備

用于輸出拷貝仿真結(jié)果的繪圖儀等圖形設(shè)備。

3.1.4其他設(shè)備

為各種特定要求所配置的設(shè)備,如打印機、掃描儀等。

3.2仿真環(huán)境設(shè)計工具箱

是仿真系統(tǒng)的工具集成模塊。

3.2.1圖素集

可以快速生成點、線、圓、立方體、圓柱和圓錐等基本圖形單元。

3.2.2渲染工具

負(fù)責(zé)場景渲染和紋理映射。包括:

(1)紋理生成器:自動生成如磚墻、混凝土、木材、玻璃等建筑工程中常用的材料紋理,并完成對實體的帖制。

(2)場景生成器:自動生成陰、晴、雨、雪等氣候描繪,并包含有建筑場景渲染中常用的樹、人等實體集。

(3)調(diào)色板(Palette)編輯器等工具:允許用戶改善圖象質(zhì)量,改變圖象深度,提供特殊深色效果表達(dá)能力;分離、重組局部構(gòu)件;同時顯示多幅圖象等。

3.2.3編輯工具

允許用戶對原有模型進行改造,如:設(shè)置、改變參數(shù),增加新的數(shù)據(jù)等。也允許用戶重建新的模型。編輯模塊同時還提供數(shù)據(jù)變量與圖形單元的連接對應(yīng)機制。

3.2.4查詢工具

允許用戶實時查詢結(jié)構(gòu)的各種媒體特性、靜力特性和動力特性等數(shù)據(jù)資料。

3.2.5實驗校正工具

可信性是系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵,其發(fā)展日益得到重視。在建筑工程多媒體仿真系統(tǒng)中,實驗校正工具是不可少的一個組成部分。該工具集成豐富而寶貴的專家經(jīng)驗,將已有物理實驗、破壞實驗和歷史數(shù)據(jù)作為校驗依據(jù),對系統(tǒng)建模的逼真性、參數(shù)輸入的正確性、仿真效果的有效性等進行檢驗,并依此不斷改進系統(tǒng),逐步提高仿真實驗的準(zhǔn)確性和置信度。

3.3演示模塊

這是主要的圖形處理模塊。具有交互性的圖形生成和處理功能。用戶無需知道過多的圖形學(xué)知識,亦可隨意操縱顯示形式。圖形顯示子模塊允許用戶基于三維視覺空間,從各個角度觀察圖形。動畫生成子模塊以變形技術(shù)為基礎(chǔ),形成三維實體動畫。

建筑工程多媒體仿真系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用軟、硬件平臺主要有:計算機硬件采用高檔微機為核心的多媒體系統(tǒng),軟件采用以WINDOWS為核心、并配有支持上述技術(shù)能力有關(guān)工具及兼容軟件,如SGI和Apple公司的圖形和聲音處理工具,編程工具采用具備面向?qū)ο笤O(shè)計類,如C++,VisualFoxpro等。