鐵路地形建模三維可視化研究資料

1、第卷第期鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程文章編號(hào)：（）鐵路地形建模三維可視化研究楊松，朱衡君（北方交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京）摘要：鐵路運(yùn)行工況三維可視化研究是鐵路建設(shè)的一個(gè)重要課題，也是鐵路地理信息系統(tǒng)（）的重要組成部分。建立真實(shí)反映地形地貌的三維實(shí)體模型是此課題研究的基礎(chǔ)。從實(shí)際工程背景出發(fā)，提出了地形建模的“頂點(diǎn)后處理法”，即通過與語(yǔ)言的接口，進(jìn)行地形表面數(shù)據(jù)點(diǎn)特定處理，并與相結(jié)合，建立三維地形模型。實(shí)例證明，此方法簡(jiǎn)單、方便和有效。關(guān)鍵詞：三維地形建模；頂點(diǎn)后處理法；接口方法中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Research on railway landform modeling of 3-D v

2、isualizationYANG Song, ZHU Hengjun(School of Mechanical and Control Engineering of Northern Jiaotong University, Beijing 100044)Abstract: 3-D visualization on trains operation and track information for railway is an important research subject of railwayconstruction, while 3-D landform modeling is it

3、s basis. Based on the engineering background, it was presented “vertex post-processing” method for 3-D landform modeling, which used MATLAB functions to implement special data processing viaMATLAB API with C/C+, and under OpenGL builds 3-D model. It was proved briefness, expedience and efficiency .K

4、ey words: 3-D landform modeling; vertex post-processing method; MATLAB API引言實(shí)時(shí)三維圖形可視化是列車運(yùn)行工況可視化的關(guān)鍵技術(shù)，核心任務(wù)是根據(jù)實(shí)體地形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立實(shí)體地形模型并實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)用大型的圖形工作站進(jìn)行視景仿真時(shí)，一般都借助于專用的建模工具進(jìn)行地形建模。而在機(jī)上，地形建模工作量大，且極易出錯(cuò)。文中提出的地形建模的“頂點(diǎn)后處理法”，就是利用的數(shù)據(jù)處理功能，在下建模之前，預(yù)先對(duì)用于建模的地形表面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行特定處理。特定的圖形交換文件，編寫接口程序，提取用以組成模型的圖元信息，再利用這些數(shù)據(jù)繪制出模型之

5、后，進(jìn)行變換、光照、紋理映射和消隱等更精細(xì)的圖形圖像處理。圖線路平面圖前期工作已經(jīng)完成了在環(huán)境下建立表基于線路平面圖的建模三維圖形接口是利用計(jì)算機(jī)生成三維真實(shí)感圖形的重要工具，已經(jīng)成為一種開放的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。但它沒有提供高級(jí)命令函數(shù)來(lái)定義復(fù)雜的三維形體，只提供了點(diǎn)、線、多邊形等構(gòu)造簡(jiǎn)單的規(guī)則的三維模型。為在下生成三維真實(shí)感圖形，一般方法是先利用、等三維建模軟件，建立復(fù)雜不規(guī)則形體的模型，由它們各自收稿日期：作者簡(jiǎn)介：楊松，在讀碩士研究生；朱衡君，教授。征鐵路沿線地形狀況信息的線路平面圖圖形文件，如圖所示，等高線表示地形地勢(shì)，每一個(gè)含有三維坐標(biāo)的圖形元素表示特定的地面物體，其三維坐標(biāo)的獲取普遍采

6、用三維數(shù)字化儀對(duì)地形和景物的縮微模型進(jìn)行測(cè)量，從而獲取其表面足夠多點(diǎn)的空間坐標(biāo)。這些工作為地形建模做了準(zhǔn)備。頂點(diǎn)后處理法在環(huán)境下，文件可被轉(zhuǎn)換為能與外部高級(jí)語(yǔ)言程序接口的文件。文件是包RCA總第期31工程鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用第卷第期含文件所有圖形和非圖形信息的碼形式的標(biāo)準(zhǔn)圖形數(shù)據(jù)交換文件，由一系列頂點(diǎn)（）、等圖元（）所組成。遠(yuǎn)優(yōu)于其他高級(jí)編程語(yǔ)言。提供了與接口的多種方式：（）在下調(diào)用程序程序中調(diào)用函數(shù)；（）利用編譯器在程序中調(diào)用；（）與程序接口的和技術(shù)；（）專用軟件。其中，方式（）、（）、（）都需要軟件環(huán)境的支持，而采用模式的（）、（）方式，其程序核心算法仍然在環(huán)境下執(zhí)行，效率低，代碼復(fù)雜，工作量和

7、難度大；方式（）所指是以色列公司開發(fā)的優(yōu)秀的到的翻譯、調(diào)試和編譯程序，能有效處理數(shù)組且傾向于生成獨(dú)立于的可執(zhí)行程序。與其他的接口方法相比，方式（）既能夠生成可獨(dú)立執(zhí)行的程序也可以將函數(shù)翻譯成對(duì)應(yīng)的源程序，包括頭文件和實(shí)現(xiàn)文件。方式（）缺點(diǎn)是僅限于調(diào)用，而且不能識(shí)別文件中的類，也不支持圖形句柄處理，但是與高級(jí)開發(fā)工具和語(yǔ)言結(jié)合，恰恰各取所長(zhǎng)。（）利用在直線（）、圓（）、?。ǎ?、多義線（）的方法；對(duì)應(yīng)圖元提取法圖形文件中，圖元在函數(shù)中有相應(yīng)圖元繪制方法的定義，比如、圖元分別與繪圖命令、對(duì)應(yīng)。接口程序把這些圖元數(shù)據(jù)取出后，用對(duì)應(yīng)的繪制函數(shù)即可繪出。這是編寫接口程序通常采用的方法。其優(yōu)點(diǎn)是編程思路清晰

8、，簡(jiǎn)便快捷，對(duì)不需要采用大量且過于密集的圖元數(shù)據(jù)的建模問題不適用，有些圖元在中，因?yàn)闆]有與之對(duì)應(yīng)的繪制命令而導(dǎo)致遺漏，程序冗長(zhǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)處理時(shí)不靈活，效率低。頂點(diǎn)后處理法中是通過指定頂點(diǎn)進(jìn)行繪圖，預(yù)先編制簡(jiǎn)單的接口程序把所有圖元數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維坐標(biāo)讀出來(lái)構(gòu)造一個(gè)二維數(shù)組，然后對(duì)這些坐標(biāo)點(diǎn)根據(jù)不同的要求選擇特定的過濾、組合等數(shù)據(jù)后處理算法，例如構(gòu)建三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格、等高線、等距離取點(diǎn)甚至對(duì)應(yīng)某一高度值按某一距離取點(diǎn)等，這樣就可以在中充分利用、等命令自由地建模。此方法對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，簡(jiǎn)單、靈活、高效，缺點(diǎn)是用戶還需編寫后處理程序，工作復(fù)雜而難度大。但是利用函數(shù)能使之變得容易和高效。有著優(yōu)秀而強(qiáng)

9、大的數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析處理功能，提供了豐富的算法函數(shù)，而且它和其它語(yǔ)言的接口能夠保證它可以和各種各樣的強(qiáng)大計(jì)算、圖形軟件和編程軟件相結(jié)合，發(fā)揮更大的作用。利用語(yǔ)言和語(yǔ)言的接口，把函數(shù)嵌入到語(yǔ)言中，用數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，既克服了建模的復(fù)雜和困難，又充分利用了數(shù)據(jù)分析處理功能。與相結(jié)合是解決三維地形建模問題的一種便捷、有效和可靠的方法。實(shí)例分析首先，將圖所示的文件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)圖形交換文件，編寫出不到行的語(yǔ)言接口程序（而采用對(duì)應(yīng)圖元提取法需要編寫上千行），讀取文件中的所有圖元。該圖元包含、個(gè)坐標(biāo)，在編程環(huán)境下是一個(gè)×矩陣，表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，每一行是數(shù)據(jù)點(diǎn)的、坐標(biāo)。數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣（部分）如

10、圖所示。其次，在與接口方法的選擇上，因?yàn)楸緦?shí)例旨在利用所提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)特定的算法，并不傾向于生成獨(dú)立的可執(zhí)行程序，綜合考慮，選用可靠而簡(jiǎn)便的方式（）：利用編譯器。具體步驟：先用語(yǔ)言編寫好實(shí)現(xiàn)算法的子程序文件，將的文件在環(huán)境下編譯成源程序，包括語(yǔ)言的頭文件和實(shí)現(xiàn)文件。再加入到用戶的集成開發(fā)環(huán)境項(xiàng)目中，進(jìn)行編譯、鏈接。程序中調(diào)用該算法函數(shù)，完成對(duì)上述頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)組的處理，處理結(jié)果傳遞給建模函數(shù)。本例因?yàn)槿〕隽宋募兴许旤c(diǎn)圖元即地形表面點(diǎn)，文件中表征鐵路沿線每路段地況和接口方法的選擇是美國(guó)公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的高效數(shù)值計(jì)算語(yǔ)言，在編程效率、可讀性、可移植性和可擴(kuò)充性上，遠(yuǎn)3220

11、03.2總第71期RCA第卷第期鐵路地形建模三維可視化研究工程信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量就超過萬(wàn)，所以首先要對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行過濾處理。具體做法：對(duì)它們先按照坐標(biāo)即高度值分組，每一組數(shù)據(jù)點(diǎn)組成等高線；然后在這一條等高線上按照一定距離剔除一些過于密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到一個(gè)合適的數(shù)據(jù)點(diǎn)的二維數(shù)組；利用函數(shù)（）完成三角形網(wǎng)格劃分，生成另外一個(gè)×列矩陣，用以表示組成三角形點(diǎn)序號(hào)的序列。其中是三角形的個(gè)數(shù)，矩陣每一行的個(gè)自然數(shù)表示由這些序號(hào)代表的點(diǎn)將構(gòu)造個(gè)三角形，三角形點(diǎn)序號(hào)序列（部分）如圖。這樣用三角形繪圖命令就可以建立三維地形模型。所有的這些算法都可以在環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)。楊緒紅線路及運(yùn)行工況可視化系統(tǒng)北方交通

12、大學(xué)碩士學(xué)位論文薛定宇科學(xué)運(yùn)算語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社，參考文獻(xiàn)圖三角形網(wǎng)格地形模型結(jié)論采用矩陣運(yùn)算和數(shù)值分析完成核心算法設(shè)計(jì)，而用其它編程語(yǔ)言進(jìn)一步開發(fā)特定功能的編程方式，提高了編程靈活性和軟件可靠性，有利于改善軟件交互性，減小軟件開發(fā)難度和工作量，縮短開發(fā)周期。處理文件的方法，對(duì)其它圖形格式文件的數(shù)據(jù)提取和建造立體模型有一定的借鑒意義。圖數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣圖三角形點(diǎn)序號(hào)序列矩陣文中采用頂點(diǎn)后處理法成功地在環(huán)境下建立了三維地形模型，圖所示是未經(jīng)光照、紋理映射等處理的三角形網(wǎng)格模型。從圖中可以清晰地看到按照頂點(diǎn)高度值分組而形成的等高線和描述地形表面模型的三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。信息中國(guó)鐵路客

13、票發(fā)售和預(yù)訂系統(tǒng)“中國(guó)鐵路客票發(fā)售和預(yù)訂系統(tǒng)”是“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目重中之重的項(xiàng)目，獲年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和“九五”國(guó)家科技攻關(guān)重大科技成果獎(jiǎng)，該項(xiàng)目的成功開發(fā)和建設(shè)，使中國(guó)鐵路客運(yùn)上了新的臺(tái)階?？推毕到y(tǒng)是一個(gè)覆蓋全國(guó)的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其交易的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)流的上下傳輸與數(shù)據(jù)復(fù)制，使客票系統(tǒng)成為一個(gè)大聯(lián)動(dòng)機(jī)，其規(guī)模與復(fù)雜度在鐵路客票系統(tǒng)中均堪稱世界之最。自年至年，客票系統(tǒng)統(tǒng)一軟件已經(jīng)升級(jí)到目前的版本。在升級(jí)的同時(shí)，客票系統(tǒng)進(jìn)行了包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)設(shè)備等的共同升級(jí)。按照鐵道部的要求和統(tǒng)一布署，統(tǒng)一軟件版本的研發(fā)工作于年月啟動(dòng)，年底完成全部系統(tǒng)需求分析、方案設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試工作。年月完成統(tǒng)一軟件版本的試點(diǎn)，截至年月，完成全路地區(qū)客票中心和所轄大站的升級(jí)工作，年底完成全路所有聯(lián)網(wǎng)站版本升級(jí)轉(zhuǎn)換工作。目前，全國(guó)計(jì)算機(jī)售票站個(gè)左右，其中聯(lián)網(wǎng)站個(gè)