【正文】 第一章 緒論 隨著人類文明的發(fā)展 ， 現(xiàn)代工程技術(shù)也不斷進步 ， 位于地下的 隧道 已 廣泛 受到交通領(lǐng)域?qū)I(yè)人員重視 ， 隧道以其明顯的優(yōu)勢被應(yīng)用在山區(qū)鐵路修建過程中以克服高程障礙。因此 ， 對鐵路 隧道 涉及相關(guān)技術(shù)研究的需求迫在眉睫。 計算機仿真技術(shù) (Computer Simulation Technology)是指利用計算機科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型 ， 并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術(shù) 。 三維仿真系統(tǒng)使用計算機仿真技術(shù) ， 通過模擬施工作業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備、環(huán)境等關(guān)鍵要素 ， 創(chuàng)建仿真場景 ， 并以此為平臺 ， 直觀的進行作業(yè)現(xiàn)場的危險點分析和控制措施布置 ， 解決了以往平面顯示對復(fù)雜的環(huán)境進行安全措施及危險點的分析情況等反應(yīng)不全面的問題 ， 為檢修方案的制定 ， 安全措施的布置 ， 人員的分工安排等提供一個逼真的模擬現(xiàn)場 ， 方便施工管理人員和技術(shù)人員進行施工前 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的技術(shù)交底、班前會的召開 ， 能夠為工作人員提供一個三維的仿真現(xiàn)場 ， 使其身臨其境 ， 是現(xiàn)場工作的較好的應(yīng)用軟件 。 三維地質(zhì)建模 ， 就是將地質(zhì) ， 測井 ， 地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起 ， 應(yīng)用計算機技術(shù) ， 在三維環(huán)境下將空間信息、地質(zhì)信息等結(jié)合圖形可視化軟件等工具 ， 生成三維定量模型。 19961999 年在英國 Leeds、新西蘭 Otago、英國 Bristot、美國弗吉尼亞州Fredericsburg 分別舉行了地質(zhì)計算機會議，其內(nèi)容包括地質(zhì)建模、地形模擬和地形可視化。以 Simon W． Houlding 為代表，《三維地學(xué)建模：地質(zhì)特征描 述的計算機技術(shù)》一書中充分反映了他的研究成果。 國內(nèi)在地質(zhì)建模和地形可視化方面并不如發(fā)達國家研究的那么早，國內(nèi)應(yīng)用普及率尚還不高。由中國科學(xué)院、同濟大學(xué)及勝利油田聯(lián)合研制了復(fù)雜地質(zhì)體 深度成像軟件(Complex Geologic object Depth Imaging Software， CGOD)， 它提出了一種有效的方法使利用 AVS (Advanced Visual Systems)軟件實現(xiàn)不同應(yīng)用程序的集成成為可能 ； 天津大學(xué)鐘登華教授開發(fā)研制了 VisualGeo， 即水利水電工程地質(zhì)建模與分析系統(tǒng) ， 其思想是建立在 NURBS 曲面構(gòu)模技術(shù)上 ， 用它擬合具有復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)曲面 ， 該系統(tǒng)在 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 8 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 溪洛渡、龍灘、白鶴灘等大型水利水電工程中得以應(yīng)用 ： 華北油田的 KDSYS 系統(tǒng)具有使用界面友好靈活 ， 適應(yīng)我國獨 特的地質(zhì)情況。接著分析隧道 橫通道的數(shù)學(xué)模型 ， 利用 OpenGL 繪圖函數(shù) ，繪出 隧道的通道門及其橫通道 。 B樣條方法 非均勻有理 B 樣條 (NonUniform Rational BSpline)方法 ， 簡稱 NURBS 方法 ， 采用分子分母分別是分段參數(shù)多項式與分段多項式函數(shù)的分式表示 ， 是有理的 。 , ()ikN ? 是由節(jié)點矢量 ? ?01, , ,i n kU ? ? ? ??? ??? ???按如下遞推公式?jīng)Q定的 k 次規(guī)范 B 樣條基函數(shù) 。 特殊地 ， 當(dāng) n=k 時， k 次 NURBS 曲線就稱為 k 次有理貝齊爾曲線 。 定義：設(shè) ()fx是區(qū)間 ? ?,ab 上的一元函數(shù)， x 是 ()fx在 ? ?,ab 上的極小點，且對任意的 1x ， 2x ? ? ?,ab ， 12xx? ，有 （ a） 當(dāng) 2xx? 時， 12( ) ( )f x f x? ； （ b） 當(dāng) 1xx? 時， 12( ) ( )f x f x? 。任取點? ?,c d a b?? ，則有 （ a） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x cb? ； 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 11 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ b） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x ad? 。假設(shè)進行第 k 次迭代前? ?,kkx a b? ，取 ? ?,kkab??? ，規(guī)定 kk??? 。 （ a） 設(shè)在第 k 次迭代時有 ( ) ( )kkff??? ，則有 ? ? ? ?11,k k k ka b a ??? ? 。令 1 1 1 2( )a b a? ? ? ?， 1 1 1 8 ( )a b a? ? ? ? 計算 1()f? 與 1()f ? ，并令 k=1。 （ 4） 令 1kkaa? ? ， 1kkb ?? ? ， 1kk??? ? ， 1 1 1 2( )k k k ka b a? ? ? ? ?? ? ?，計算1()kf ?? ，令 k=k+1，轉(zhuǎn)（ 2）。 因此 ， 這種方法的適應(yīng)面相當(dāng)廣 。但第二類由于其對特殊領(lǐng)域的專用性使其靈活性低 ； 第三類是通用性較好的基于數(shù)據(jù)流的開放性軟件 ， 但模塊的限制使其難以應(yīng)用于眾多領(lǐng)域 ， 如 AVS 和 IRIS Explorer 等。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 坐標(biāo)系統(tǒng)是將三維物體和二維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來的唯一紐帶 ， 在物體所在空間中定義一個世界坐標(biāo)系以數(shù)字化三維物體 ， 其也稱為全局坐標(biāo)系。另 外 ， 計算機要需要將一個二維直角坐標(biāo)系定義在顯示屏上 ， 把處理后的模型體現(xiàn)于顯示器 ， 稱這個二維直角坐標(biāo)系為屏幕坐標(biāo)系 ， 取平行于屏幕邊緣的方向為其坐標(biāo)軸方向 ， 取左下角為坐標(biāo)原點。同理 ， 將三維物體顯示在二 維屏幕上也同樣需要經(jīng)過視點變換 (Viewing Transformation)、模型變換(Modeling Transformation)、投影變換 (Projection Transformation)及視口變換 (Viewport Transformation)等步驟。 下面詳細介紹圖 中的各類變換功能。執(zhí)行視點變換的命令和執(zhí)行物體模型 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 變換的命令是相同。視點的變換除了用模型轉(zhuǎn)換命令執(zhí)行外 ， OpenGL 圖形庫中的 實用庫 也提供了 gluLookAt ()函數(shù)來定義視點矩陣 ， 并用它乘以當(dāng)前矩陣。三種模型變換函數(shù)分別為 ： 旋轉(zhuǎn)變換 ， 平移變換 ， 縮放、反射變換 。如觀察一條筆直的馬路 ,， 邊界在很遠處近似于交匯于一點。正射投影與透視投影最大的區(qū)別就是物體距離視點的遠 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 近不影響投影后物體的大小 ， 如圖 所示。因此 ， 設(shè)計時要對精度和代價充分考慮。環(huán)境光是由光源發(fā)出并通過環(huán)境散射的不特定方向的光。 漫射光 ， 來自特 定方向 ， 亮度與視點位置無關(guān)。 （ 2） 創(chuàng)建所有的光源并對其進行選擇、定位。無效的情況下 ,OpenGL 只對 當(dāng)前頂點映射當(dāng)前的顏色 ,省去光源、法向等復(fù)雜計算 ,圖形缺乏真實感。 OpenGL 中紋理是顏色、亮度等數(shù)據(jù)的簡單矩陣陣列。概括地說 ， 紋理貼圖操作包括 (如圖 ):對紋理的定義、控制、說明方式、定義坐標(biāo)等。 OpenGL 紋理過濾函數(shù) ： Void glTexParameter{if}[v](GLenum target， GLenum pname, TYPE param)； 進行紋理貼圖時 ， 可以直接將紋理圖像貼到物體上替代原色 ， 也可與原色融合。 三維建模的目的在于利用各種不同的信息源 ， 構(gòu)造出滿足系統(tǒng)目標(biāo)的模型 ， 它與已知現(xiàn)實世界對象的信息集合相對應(yīng) 。 沒有行為的物體或是對用戶交 互沒有任何反映的對象 ， 在虛擬環(huán)境中是沒有意義的 ， 因此我們要建立的是兩種建模技術(shù)有機結(jié)合的虛擬環(huán)境 。 在建立模型時 ， 我們期望的所有模型都是精確的 ， 但從系統(tǒng)和顯示角度來看 ， 這種完全的精確是不可能或是沒有必要的 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3） 易用性 。 隧道 可分為如下三種類型 ： 獨立單洞 ： 獨立一個洞的 隧道 設(shè)置形式 ； 獨立雙洞 ： 并行雙洞 之間 的距離較大 ， 在隧道設(shè)計施工中不必考慮雙洞相互影響的隧道設(shè)置形式 ； 連拱 隧道： 并行雙洞 之間 無中夾 巖柱 ， 拱部襯砌結(jié)構(gòu)通過中柱相連接的 隧道 設(shè)置形式 。 上部圓弧曲線是由三段不同半徑的圓弧組合而成 ， 在組合點處圓弧兩兩連續(xù) 。隧 道洞口 為端墻 式時 ， 需計算洞口擋墻 （ 與隧道洞口位于同一平面的一個多邊形 ），獨立單洞和獨立雙洞的端墻相同 ， 是只包含一個隧道洞口的斜斷面 ， 而連拱雙洞的端墻則是包含左右兩個隧道洞口以及兩隧道之間倒角圓弧的斜斷面 。 （ 4） 考慮到整個隧道仿真系統(tǒng)的顯示速度 ， 減少當(dāng)前視野段內(nèi)模型的數(shù)據(jù)計算量 ， 需對隧道進行分段顯示 。 如果在施工前 ,可實現(xiàn)公路隧道的三維虛擬展示以及反饋等功能 ,將大大提高交通運輸?shù)墓芾硇?。 公路隧道橫斷面一般為半圓形或半橢圓形 ,是由三個不同半徑的圓弧 0R 、 1R 、 2R拼接而成 （ 當(dāng)為半圓形時 01RR? )。 其中編號字段中 1 代表半橢圓形 ,2 代表半圓形 ,\表示該字段為空 。39。LR??? （ ） 二維平面坐標(biāo)到三維空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化 設(shè)平面圓弧的圓心坐標(biāo)為 P： ,它的空間三維坐標(biāo)為 CP ,沿垂直于二維平面方向上的切線方位角為 ? ， 則二維坐標(biāo)系中圓弧上任一點 ( , )Pxy 的三維坐標(biāo) 3P 為 3 3 3 3( , , ) ( c o s ( ) , s in ( ) , )22CP x y z P x y y????? ? ? ? ? ? （ 3） 隧道內(nèi)加寬點斷面的添加 由（ 1）知， 隧道初始所分樁號數(shù)組為 0 1 1, , , Nzh zh zh ???? 設(shè)加寬點樁號數(shù)組為