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1多媒體仿真概論

1.1多媒體仿真技術的理論與方法

現代信息技術的快速發展和新的突破,都對以其為基礎的相關技術產生強有力的推動和改造。多媒體技術對傳統數字仿真技術,從概念、方法和體系上不僅是具有改造、拓展,甚至有重新構造的影響意義,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。

多媒體系統方法最重要的貢獻是將不同界面上運載的各類媒體信息能夠作統一的,或叫歸一化的處理,構造適人化的多維信息空間。這就根本改變了仿真系統的運行環境條件。多媒體系統與數學物理模型一起所形成的仿真新體系,擴展了仿真系統的效能和應用領域。特別是多媒體使仿真擴展到非數字模型所描述的事物領域,對工程中場景設計研究、結構系統定性分析等問題,都能有效地實現模型建立、模態比較、仿真效果表達。

概括起來,所謂多媒體仿真,是指采用不同媒體形態描述不同性質的模型信息,建立反映系統內在運動規律和外在表現形式的仿真模型,在仿真運行時可產生定性、定量相結合的系統動態演變過程,以多維信息綜合表達仿真結果。多媒體仿真使人們可以較自然地按照實際系統的固有特點和認識方法,來建立和表達其模型狀態和演變行為,以盡可能直接的最具普適性的手段,來認識和表達客觀對象,應當說這更能體現“仿真”的原義。

多媒體仿真將整個過程都建立在信息技術基礎上,這并沒降低傳統的數學模型的作用。相反的是使之更強化、更有聲有色、更生動具體。多媒體系統模型,從統一的角度對各種媒體的信息進行時間和空間表達,它把數學模型作為一種時變數字媒體,有效地集成在系統中,使外在媒體表現和內在規律有機結合,相得益彰。在這里,我們強調仿真系統中抽象演算與直觀形式結合,強調定量方法與定性方法結合,在求解仿真對象的時態運動描述方法上,更適合科學研究和工程設計的需要。

1.2多媒體仿真環境的主要特點

多媒體技術對仿真環境的建立產生重大的影響。主要表現在:建立仿真對象的多媒體信息庫、多種媒體綜合表現模型及其與運動方程的協同顯示機制、仿真過程和求解結果的演播與交互查詢等。多媒體仿真建模與傳統的建模方式不同。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系,使模型在表達個體固有屬性時運用多種表現手段,生動深刻的展現其本征。其次,多媒體仿真建模采用面向對象的建模方式。模型中的各個成分以對象的形式表現,對象自身的屬性和狀態是私有的,各個對象之間依靠事件驅動(消息)發生聯系。這更加符合人們對自然界的認識和理解過程。

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

多媒體仿真表現環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于屏幕上,使技術人員得到仿真結果和運行過程的定性與定量相結合的直觀演示,大大減輕了技術人員的行為難度。

2建筑工程多媒體仿真環境設計的核心技術

多媒體仿真與傳統數字仿真在系統環境設計要求上有很大的不同。從功能目標看,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。

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

(3)支持仿真系統的實驗校正和交互控制。

(4)支持多媒體數據庫系統管理操作及其版本進化。

(5)支持仿真演播、觀看或查詢求解結果及仿真過程,編創演播腳本。

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

2.1三維工程數據場的顯示

三維工程數據場的可視化是實現建筑結構多媒體仿真的基礎。我們在建筑結構力場的顯示和場景表現(如風力場)中,主要以體繪制技術為基礎。

2.1.1體繪制技術

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

2.2.2多維工程數據場的顯示

為研究建筑結構在外力作用下的受力狀況和時程響應,實現結構內力場的可視化,我們在三維空間的基礎上引用了結構受力特性,構成四維工程數據場。四維數據場的顯示采用計算機層析技術。已知物體某點的空間坐標為f(x,y,z)∈V,引入該點的某一特定屬性作為一維投影數據S,S可以代表該點的應力、應變、位移等。以S為基線,運用一定的重建算法重構出物體在四維空間的三維圖象。

2.2三維數據場的動態顯示控制

在建筑結構的動力學仿真中,僅實現三維數據場的顯示是不夠的。為達到荷載作用下結構隨機振動的效果,必須對體數據場進行顯示控制和動態實現。

2.2.1顯示控制

為了觀察建筑結構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軸x,y,z的夾角α、β、γ來表示。如所示,設視點為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,即可實現從不同方位觀察物體。

2.2.2工程結構的動態仿真——工程圖變形技術

實現多媒體仿真的另一關鍵問題是實現三維動畫效果。在建筑結構的多媒體仿真中就是要模擬結構的隨機運動過程。由于實驗采樣數據離散程度大,采樣率低,而且一般只知道振動的初始狀態和最后狀態。要想做到完全仿真,必須采用工程圖變形技術,使計算機自動在原圖和目標圖之間產生一系列中間圖,以實現平穩而光滑的變形。變形技術的算法原理是以實測數據為基礎進行插值。這種插值與一般數學意義上的插值有所不同,需要根據表達對象的拓撲結構、約束條件和動力學特性等因素,選擇恰當有效的插值模型和插值方法。在結構工程中,我們采用形態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,同時考慮結構的受力狀況,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境架構

建筑工程多媒體仿真環境基本架構。

3.1基本管理模塊

負責對仿真系統的數據資料、接口設備和工作平臺進行管理。針對建筑工程系統,除需配備基本的多媒體計算機以外,還要有以下幾個軟、硬件輔助設備。

3.1.1數據采集設備

采集實驗數據,為仿真工作的展開提供原始資料。

3.1.2數據接口子模塊

將實驗中的電脈沖數據轉換成繪圖軟件所需的數據格式。

3.1.3繪圖設備

用于輸出拷貝仿真結果的繪圖儀等圖形設備。

3.1.4其他設備

為各種特定要求所配置的設備,如打印機、掃描儀等。

3.2仿真環境設計工具箱

是仿真系統的工具集成模塊。

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

負責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)調色板(Palette)編輯器等工具:允許用戶改善圖象質量,改變圖象深度,提供特殊深色效果表達能力;分離、重組局部構件;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:設置、改變參數,增加新的數據等。也允許用戶重建新的模型。編輯模塊同時還提供數據變量與圖形單元的連接對應機制。

3.2.4查詢工具

允許用戶實時查詢結構的各種媒體特性、靜力特性和動力特性等數據資料。

3.2.5實驗校正工具

可信性是系統仿真的關鍵,其發展日益得到重視。在建筑工程多媒體仿真系統中,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驗,將已有物理實驗、破壞實驗和歷史數據作為校驗依據,對系統建模的逼真性、參數輸入的正確性、仿真效果的有效性等進行檢驗,并依此不斷改進系統,逐步提高仿真實驗的準確性和置信度。

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為基礎,形成三維實體動畫。

建筑工程多媒體仿真系統的開發和應用軟、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,軟件采用以WINDOWS為核心、并配有支持上述技術能力有關工具及兼容軟件,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對象設計類,如C++,VisualFoxpro等。