CN101908232A - 一种交互式场景仿真系统及场景虚拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种借助计算机和虚拟仿真软件实现的交互式场景仿真系统，同时提供了一种场景虚拟仿真方法。运用该方法构建的交互式场景仿真系统能够真实、生动、准确地反映实际场景中元素的特征、形态和布局；同时，借助交互式功能，该交互式场景仿真系统能够取代实物沙盘进行工程演示操作，克服了实物沙盘制作工艺复杂、周期较长、费用较高、更新和修改困难、占用空间较大、搬运不便且搬运过程中易损坏等缺陷；还可以结合数据库技术、地理信息技术和多媒体技术，提供多种技术支持，为用户对相应建筑系统的应用、管理、规划和决策过程中提供相关信息的建立和辅助，提升了其应用价值，延长了其使用寿命，价值/成本比率得以大幅度提高。

Description

一种交互式场景仿真系统及场景虚拟仿真方法

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术、计算机图形学和计算机网络技术领域，还涉及地理信息技术、数据库技术领域，具体涉及一种用计算机现实空间地形、建筑物和地下设备设施等虚拟场景的仿真方法以及按此方法设计的场景仿真系统。

背景技术

在建筑系统工程技术的指导和应用过程中，为了更好的了解和掌握现实场景中的地形、建筑物及设备设施状况，通常采用沙盘作为辅助工具，用以形象、生动的再现现实场景。现被广泛应用的沙盘主要包括三种类型：一是利用传统工艺制作的实物沙盘模型，由工作人员通过人工的方式现场介绍某区域内的建筑和设施的具体情况，这是最为原始、最为经典的沙盘模型；二是融入了声、光、电技术的传统实物沙盘模型，可以由人现场控制沙盘，使其自动解说某区域的概况、自动展示其三维实物地形地貌和工艺流程等；三是将实物沙盘与计算机控制技术相结合的多媒体程控沙盘，可以立体化地展现某区域内山水、道路及地形地貌，以声、光、像、字幕等多媒体同步显示或异步显示解说文字，多媒体的显示既可通过遥控、手控、感应式控制，也可以多媒体控制。

上述三种实物沙盘模型都必须依靠人员手工制作完成，制作工艺非常复杂，而且制作周期较长、费用较高，尤其是对于地形及设施结构复杂、区域规模较大的建筑系统，制作实物沙盘的人力、时间、费用成本相当高；同时，由于通常的实物沙盘都占有空间较大，如果需要远程运输显得非常不方便，且容易因运输过程中的抖动、碰撞导致实物沙盘的损坏；此外，实物沙盘一经制作成型，难以进行修改和更新，比如建筑物的新建或改建、设施的移动等等，无法在对建筑系统进行修改规划、方案决策的过程中得以应用，导致实物沙盘的使用寿命较短，价值/成本比率低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明所解决的技术问题是克服现有的沙盘必须依赖手工制作实物，制作的工艺复杂、周期较长、费用较高，且占用空间较大，搬运不便、易损坏的缺陷。本发明的目的是提供一种借助计算机和虚拟仿真软件制作的虚拟仿真沙盘，即一种交互式场景仿真系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术手段如下：一种交互式场景仿真系统，该系统借助计算机和虚拟仿真软件实现，包括输入采集子系统、场景显示子系统和交互控制子系统，其中：

输入采集子系统用于设置输入方式，并采集输入的信号或事件；

场景显示子系统用于实施上述的虚拟场景仿真方法来制作虚拟场景，并实现虚拟场景的仿真管理和显示控制，支持虚拟场景的更新；所述场景显示子系统包括：模型数据库，用于存储预先制作的真实场景影像素材和设计完成的模型元素，所述模型元素包括环境图纸、地理模型和实物仿真模型；场景合成模块，用于确定虚拟场景的模型参数，根据模型参数调用相应的影像素材和模型元素合成为虚拟场景，支持虚拟场景与场景中模型元素之间的链接切换，所述模型参数包括虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数以及光影效果参数；显示控制模块，用于实现虚拟场景显示的角度和路径控制，根据所述角度和路径提供虚拟场景的静态或动态的显示模式；渲染管理模块，用于在仿真程序运行时根据显示模式对虚拟场景进行渲染管理，捕捉虚拟场景中需要渲染的模型元素并调用相应的渲染函数进行渲染；场景更新模块，用于完成模型元素和模型参数的更新；

交互控制子系统用于进行交互式管理，根据输入的信号或事件实现对虚拟场景的交互式操作和控制。交互控制子系统包括场景导航模块、显示模式设置模块和透明度设置模块，其中：场景导航模块根据虚拟场景的模型参数和场景中的模型元素，生成二维的场景导航图，支持场景导航图与虚拟场景之间的链接切换；显示模式设置模块用于根据输入的信号或事件预先设定或在线控制虚拟场景显示的角度和路径，并调用显示控制模块生成相应的显示模式；透明度设置模块用于根据输入的信号或事件的指定设置虚拟场景中相应模型元素的透明度。

作为进一步的扩展方案，交互控制子系统还包括信息管理模块；所述信息管理模块用于记录虚拟场景相关的信息数据，以及根据输入的信号或事件的指定完成对相应信息数据的调度和显示管理，并支持信息数据的查询、修改和更新；所述虚拟场景相关的信息数据包括虚拟场景的GIS地理信息和场景中模型元素的系统属性信息；其中，所述GIS地理信息用于指示虚拟场景中任意位置的实际经度、纬度和海拔高度信息；所述系统属性信息用于指示模型元素在虚拟场景中所处的工作系统。

所述虚拟场景相关的信息数据还包括场景中模型元素所处工作系统的作业预案信息、应急处理预案信息、警戒预案信息、消防预案信息、人员物资疏散预案信息、供配电线路图表、管网分布图表和消防区域分布图表；其中，所述作业预案信息用于指示正常工作作业的操作预备方案及步骤；所述应急处理预案信息用于指示应对突发事件的处置预备方案及步骤；所述警戒预案信息用于指示进行警戒防卫的规划预备方案及步骤；所述消防预案信息用于指示应对消防安全事件的处置预备方案及步骤；所述人员物资疏散预案信息用于指示进行人员或物资疏散的预备方案及步骤；所述供配电线路图表用于指示模型元素所处工作系统中供电和配电的线路布置情况；所述管网分布图表用于指示模型元素所处工作系统中管道和网络的分布情况；所述消防区域分布图表用于指示模型元素所处工作系统中消防区域及消防设施的分布情况。

作为进一步的扩展方案，交互控制子系统还包括测算模块；所述测算模块根据虚拟场景的GIS地理信息换算确定实物尺寸大小，对输入的信号或事件所指定的实物几何数据进行测量和运算，并显示运算结果。所述测算模块包括长度测算单元、面积测算单元和体积测算单元；其中，所述长度测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定直线段或曲线段的实际长度；所述面积测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定几何平面或曲面的水平投影面积；所述体积测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定规则三维几何体的实际体积。

作为进一步的扩展方案，交互控制子系统还包括标注模块；所述标注模块用于设置场景中各个工作系统的标注颜色，并对输入的信号或事件所指定的模型元素按其所在工作系统预先设定的颜色进行色彩标注。

作为进一步的扩展方案，交互控制子系统还包括音频管理模块；所述音频管理模块用于记录虚拟场景相关的语音数据，以及根据输入的信号或事件的指定完成对相应音频数据的调度和播放管理，并支持音频数据的更新；所述虚拟场景相关的语音数据包括与虚拟场景或场景中实物仿真模型相应的背景音乐文件和语音解说文件。

上述的技术方案中，信息管理模块和音频管理模块的设计都采用了计算机调用管理模块设计中常用的三层结构，即数据层、行为调用层和物理实现层。数据层实际采用数据库结构实现，用于存储预先设定的信息数据或音频文件数据，标记有各个信息数据或音频文件与场景中相应模块元素的对应标签，并支持数据的查询、修改和更新；行为调用层是一段行为函数，它根据输入的信号或事件确认其输入行为所指定的模块元素以及需要调用的数据，并根据对应标签找到指定模块元素相对应的指定数据在数据层中的存储位置，执行信息数据或音频文件数据的调用；物理实现层则调用进行显示或播放的相关函数，实现对信息数据的显示或对音频数据文件的播放。

本发明的另一目的是提供一种实现虚拟场景仿真的方法，具体采用的技术手段如下：

一种场景虚拟仿真方法，采用交互式场景仿真系统的场景显示子系统完成，具体包括如下步骤：

A)采集和制作真实场景的影像素材，并存储于模型数据库；

B)以真实场景为基础，借助虚拟仿真软件制作场景中的模型元素，完成着色，并将着色的模型元素存储于模型数据库；所述模型元素包括环境图纸、地理模型和实物仿真模型；

C)根据真实场景中各元素的位置关系、色调和光影效果，通过场景合成模块设置虚拟场景的模型参数，并根据模型参数将纹理烘焙至模型元素；所述模型参数包括虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数以及光影效果参数；

D)将经过步骤C)烘焙的模型元素配上真实场景的影像素材，转换为计算机能识别的图象，由场景合成模块合成三维的虚拟场景；

E)按照设定的显示的角度和路径，通过渲染管理模块对虚拟场景进行渲染，实现动画效果。

本发明充分利用计算机虚拟仿真技术(Virtual Reality，或译为虚拟现实技术)具有逼真性的优点，借助模型构建、光影和纹理烘焙以及立体渲染等技术手段，让现实场景中的地形、建筑物及设备设施在虚拟场景中得以形象、细致、生动的再现，并且修改、更新方便，无需制作实物，克服了实物制作工艺复杂、周期较长、费用较高的缺陷，特别对于地形及设施结构复杂、区域规模较大的建筑系统，采用交互式场景仿真系统更能凸显其在人力、时间和费用成本上经济性优势；制作的交互式场景仿真系统通过打包封装为计算机可执行文件，然后借助局域网或互联网络发送至远端的计算机，便可以让该交互式场景仿真系统在任意远端的计算机上得以运行，而无需进行实体搬运，克服了实体沙盘占用空间较大、搬运不便且搬运过程中易损坏的缺陷。同时，本发明的交互式场景仿真系统提供交互式的操作和控制，用户可以借助场景导航图或自定义的显示模式在虚拟场景中任意的漫游浏览，还可以根据需要自定义设置虚拟场景中模型元素的透明度，显示埋藏于地面下等遮蔽处的物体之间的立体交叉关系和物体内部空间的真实结构，便于对场景的宏观特征以及各个局部特征进行全面、细致的观察，结解决了实物沙盘只能展现地面物体地面的形状和轮廓，无法很好的展示内部特征的缺陷。观察某些被实物遮挡的局部特征作为进一步的扩展方案，本发明还可以结合数据库技术、地理信息技术或/和多媒体技术，提供地理信息查询、工作系统区分、几何数据测算、方案和图表的记录和备案、语音媒体解说等多种技术支持，为用户对相应建筑系统的应用、管理、规划和决策过程中提供相关信息的建立和辅助，避免了借助实体沙盘难以或实际操作费时、费力的缺点，达到节省资金、提高工作效率的目的，扩展了本发明的交互式场景仿真系统作为虚拟沙盘的应用范围，提升了其应用价值，延长了其使用寿命，价值/成本比率得以大幅度提高。

综上所述，相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、真实再现：虚拟场景的建立以真实场景为基础，能够真实、生动、准确地反映实际场景中元素的特征、形态和布局；

2、节省成本：以本发明的交互式场景仿真系统作为虚拟沙盘，取代实物沙盘，克服了实物制作工艺复杂、周期较长、费用较高的缺陷，特别是对于地形及设施结构复杂、区域规模较大的建筑系统，采用交互式场景仿真系统更能凸显其在人力、时间和费用成本上的经济性优势；

3、便于远程运行：本发明的交互式场景仿真系统可通过网络直接发送至远程计算机上运行，克服了实体沙盘占用空间较大、搬运不便且搬运过程中易损坏的缺陷；

4、浏览方便：虚拟场景中的浏览显示模式以及模型元素的透明度都可以自定义设置，用户可进行任意的浏览，便于从宏观上把握整个区域的地形地貌和设备设施配置位置以及与周围环境的位置关系，从微观上了解各个局部区域的设备设施状况，有利于管理者制定规划、决策方案；

5、可进行功能扩展：本发明的交互式场景仿真系统还可以结合数据库技术、地理信息技术或/和多媒体技术，提供多种技术支持，为用户对相应建筑系统的应用、管理、规划和决策过程中提供相关信息的建立和辅助，提升了其应用价值，延长了其使用寿命，价值/成本比率得以大幅度提高。

附图说明

图1为本发明交互式场景仿真系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

利用本发明的交互式场景仿真系统，借助计算机和3Dmax、Maya、Quest3D等专业的虚拟仿真软件，构建石油库虚拟仿真演示系统。参见图1，本发明的交互式场景仿真系统包括输入采集子系统、场景显示子系统和交互控制子系统。具体而言：

输入采集子系统用于设置输入方式，并采集输入的信号或事件；具体设置的计算机键盘和鼠标的输入方式如下：

W键：显示模式的设置或控制时，控制显示的路径向前移动；

S键：显示模式的设置或控制时，控制显示的路径向后移动；

A键：显示模式的设置或控制时，控制显示的路径向左移动；

D键：显示模式的设置或控制时，控制显示的路径向右移动；

方向↑键(或鼠标上移)：显示模式的设置或控制时，控制显示的角度上仰；

方向↓键(或鼠标下移)：显示模式的设置或控制时，控制显示的角度下俯；

方向←键(或鼠标左移)：显示模式的设置或控制时，控制显示的角度向左旋转；

方向→键(或鼠标右移)：显示模式的设置或控制时，控制显示的角度向右旋转；

Tab键：开启/关闭场景导航图；

1键：关闭语音/背景音乐(若具有语音/背景音乐功能)；

2键：开启语音/背景音乐(若具有语音/背景音乐功能)；

空格键：控制显示模式的暂停/播放。

Ctrl+鼠标左键：进行几何数据测算的快捷键(若具有几何数据测算功能)；

Esc：退出全屏模式的快捷键；

其它功能控制：通过鼠标点击显示按键或鼠标右键菜单进入控制选项，进行操作和控制。

场景显示子系统用于建立虚拟场景，实现虚拟场景的仿真管理和显示控制，并支持虚拟场景的更新；所述场景显示子系统包括模型数据库、场景合成模块、显示控制模块、渲染管理模块和场景更新模块：

模型数据库用于存储预先制作的石油库实景的照片、图片或视频截图等影像素材，以及预先设计完成的模型元素，包括石油库附近的环境图纸、石油库内地貌特征模型、以及建筑物、绿化带、设备设施的实物仿真模型等；

场景合成模块用于确定虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数、光影效果参数等的模型参数，根据模型参数调用相应的影像素材和模型元素合成为石油库虚拟场景；该模块还支持石油库虚拟场景与场景中模型元素之间的链接切换，让用户在石油库虚拟场景中漫游浏览时，通过双击(鼠标操作，该操作具体形式由系统设置确定，也可设置为其它操作方式)场景中的任意模型元素，就能够切换至所指定模型元素的内部进行进一步细致的观察浏览；

显示控制模块就相当于一个虚拟的动态摄像机，用于实现石油库虚拟场景显示的角度和路径控制，根据所述角度和路径提供石油库虚拟场景的静态或动态的显示模式；

渲染管理模块用于在仿真程序运行时根据显示模式对石油库虚拟场景进行渲染管理，捕捉石油库虚拟场景中需要渲染的模型元素并调用虚拟仿真软件中相应的渲染函数对其进行渲染；

场景更新模块用于完成模型数据库中模型元素以及石油库虚拟场景中模型参数的更新，从而改变场景合成模块进行虚拟场景合成时的要素，实现石油库虚拟场景的修改和更新；

交互控制子系统用于进行交互式管理，根据输入的信号或事件实现对虚拟场景的交互式操作和控制。交互控制子系统主要包括场景导航模块、显示模式设置模块和透明度设置模块：

场景导航模块根据石油库虚拟场景的模型参数和场景中的模型元素，确认石油库虚拟场景中模型元素的类型、数量以及各自在场景中的二维坐标，再通过缩减处理生成二维的场景导航图，显示在界面的左上角，便于用户掌握当前在石油库虚拟场景中所处的“地理位置”；该模块还支持场景导航图与虚拟场景之间的链接切换，让用户在石油库虚拟场景中漫游浏览时，通过点击(鼠标操作，该操作具体形式由系统设置确定，也可设置为其它操作方式)场景导航图中的任意位置，就能够切换至所指定位置的相应场景中，方便跨区域浏览；

显示模式设置模块是“虚拟动态摄像机”(显示控制模块)的设置或控制单元，用于根据键盘中W、S、A、D键以及方向↑键(或鼠标上移)、方向↓键(或鼠标下移)、方向←键(或鼠标左移)和方向→键(或鼠标右移)输入的信号对石油库虚拟场景显示的角度和路径进行在线控制或预先设定，并调用显示控制模块生成相应的显示模式，显示模式生成后便保存在显示模式设置模块中；

透明度设置模块用于根据鼠标的指定设置虚拟场景中被指定模型元素的透明度，以便于显示埋藏于地面下等遮蔽处的物体之间的立体交叉关系和物体内部空间的真实结构。

在构建石油库虚拟仿真演示系统的过程中，需要通过场景显示子系统实现石油库虚拟场景的虚拟仿真，具体方法是：

步骤A)采集和制作石油库真实场景的照片、图片或视频截图等影像素材，并存储于模型数据库；

步骤B)以石油库真实场景为基础，借助虚拟仿真软件制作石油库虚拟场景中的模型元素，包括石油库附近的环境图纸、石油库内地貌特征模型、以及建筑物、绿化带、设备设施的实物仿真模型等，然后完成模型元素的着色处理，并将着色的模型元素存储于模型数据库；

步骤C)根据石油库真实场景的地理位置、实物陈列情况、气候特点、日照情况等环境因素，确定石油库真实场景中各元素的位置关系、色调和光影效果，据此通过场景合成模块设置石油库虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数、光影效果参数等模型参数，并根据模型参数将纹理烘焙至各个模型元素，增强视觉效果；

步骤D)将经过步骤C)烘焙的模型元素配上真实场景的影像素材，转换为计算机能识别的图象，使的整个场景的外在观感更加的逼真，然后由场景合成模块将模型元素、影像素材转换图象等按照预先设置的模型参数合成为三维的石油库虚拟场景；

步骤E)按照设定的显示的角度和路径，通过渲染管理模块对虚拟场景进行渲染，实现动画效果，即完成对石油库虚拟场景的仿真制作。

采用该方法制作的虚拟场景，可以真实反映实地的地理形态，还可以详细地表现地面建筑物的布局、真实形态和特征，尤其是周围地形、建设物、构筑物的外观尤为逼真，为用户带来身临其境的真实视觉观感。

由此构建的石油库虚拟仿真演示系统，经过打包封装处理，形成计算机可执行文件，如EXE格式、SYS格式等。在应用过程中，用户在计算机上打开可执行文件，运行该石油库虚拟仿真演示系统，进入石油库虚拟场景中，通过鼠标和键盘进行输入操作；输入采集子系统即根据其设置，采集鼠标和键盘输入并转译为石油库虚拟仿真演示系统的输入信号或事件；系统则根据输入的信号或事件，调用相应的模块实现功能管理和控制。例如，用户运行该石油库虚拟仿真演示系统后，可进入全屏模式进行演示，然后开启在线漫游显示模式，系统则调用显示模式设置模块以及显示控制模块，实现虚拟场景显示角度和路径的在线控制，用户就能够通过操作W、S、A、D键以及方向↑键(或鼠标上移)、方向↓键(或鼠标下移)、方向←键(或鼠标左移)和方向→键(或鼠标右移)在石油库虚拟场景中在线的进行漫游演示，可以对石油库中任何一个油库、油箱、管道设施、消防设施等进行深入的演示观察；如果需要观察满设于地下或者被建筑物墙体遮挡的管道、电气线路等设施，可以对遮挡物模型元素启动透明度设置，调用透明度设置模块将其透明化；演示过程中，针对一些需要着重展示的个体(例如石油库控制操作室、总调度室等)，用户可用鼠标双击个体对应的模型元素，系统则调用场景合成模块的场景/模型链接切换功能，将显示视角切换至个体模型元素的内部，便于进行进一步细致的观察浏览，再次双击则切换回到石油库虚拟场景中；如果需要观察石油库虚拟场景中路径较远的另一区域，为了操作方便，用户开可以按下“Tab”键开启石油库的场景导航图，场景导航图是整个石油库虚拟场景的二维缩略图，用户用鼠标点击场景导航图中的相应位置，显示视角即切换至所指位置的石油库虚拟场景中。如果用户需要在演示过程中进行相应的演说或讲解，而不便于进行显示模式的在线控制，那么在掩饰操作以前，用户可以进入系统，开启漫游显示模式预先设定功能，系统则调用显示模式设置模块以及显示控制模块，准备对虚拟场景的显示模式进行设定，用户则通过操作W、S、A、D键以及方向↑键(或鼠标上移)、方向↓键(或鼠标下移)、方向←键(或鼠标左移)和方向→键(或鼠标右移)选择整个演示过程的显示角度和路径，并生成相应的显示模式，然后命名、保存；在正式进行演示的过程中，用户只需调用预先设定保存的显示模式，石油库虚拟仿真演示系统则根据设定自动进行石油库虚拟场景的漫游演示，用户则可以在演示过程中进行相应的演说或讲解，如有需要，还可以用“空格”键进行显示模式的暂停/播放切换控制，在需要停留处暂停显示模式的播放，惊醒详细解说后再继续进行漫游。作为管理者而言，在整个演示过程之后，若认为石油库的建设还需要进行改进，则可以提出相应的改进方案，例如需要进行建筑或设施的完备、分配或布局的变更等，系统设计人员即可根据改进方案构建新的模型个体、修改石油库虚拟场景的模型参数等，然后调用场景更新模块对石油库虚拟场景进行修改和更新，进而达到虚拟化规划管理、为进一步决策提供演示参考的目的。

从上面的演示操作过程可见，基于本发明的交互式场景仿真系统实现的石油库虚拟仿真演示系统，能够真实、生动、准确地反映实际石油库场景中各个元素的特征、形态和布局，并且可以任意控制虚拟场景的显示角度和路径，在演示操作功能上完全替代了石油库的实物沙盘；特别是利用系统中虚拟场景与场景中模型元素之间的链接切换功能、场景导航图功能以及透明度设置功能，对于局部针对性的演示更能达到实物沙盘所不能企及演示效果；同时，本发明完全借助计算机和虚拟仿真软件实现，修改、更新方便，避免了实物沙盘制作工艺复杂、周期较长、费用较高的缺陷，特别对于地形及设施结构复杂、区域规模较大的建筑系统，更凸显了本发明在人力、时间和费用成本上的经济性优势；由于采用计算机软件为载体，该石油库虚拟仿真演示系统可通过网络直接发送至远端计算机上运行，而无需进行实体搬运，克服了实体沙盘占用空间较大、搬运不便且搬运过程中易损坏的缺陷。

作为进一步的改进方案，在上述构建石油库虚拟仿真演示系统的基础上，还可以结合数据库技术、地理信息技术、多媒体技术等进行进一步的功能扩展。在本实施例的石油库虚拟仿真演示系统的交互控制子系统中，主要增设了信息管理模块、测算模块、标注模块、音频管理模块等功能扩展模块；与这些模块相应的扩展功能，在显示界面上都设置了点击按钮或者鼠标右键菜单列表，通过鼠标点击实现相应扩展功能的调用。

信息管理模块主要利用了数据库技术，用于记录石油库虚拟场景相关的信息数据，以及根据输入的信号或事件的指定完成对相应信息数据的调度和显示管理，并支持信息数据的查询、修改和更新。该模块中设置的基本信息数据包括石油库虚拟场景的GIS地理信息和场景中模型元素的系统属性信息。用户将鼠标落在石油库虚拟场景中的任意位置，点击鼠标右键，在列出的菜单中选择“GIS地理信息”，即可查询石油库虚拟场景中鼠标所指位置的实际经度、纬度和海拔高度信息，便于用户了解石油库的实际地理情况；用户将鼠标落在石油库虚拟场景中任意模型元素上，点击鼠标右键，在列出的菜单中选择“属性”，即可查询鼠标所指模型元素处于石油库虚拟场景中的哪一个工作系统，例如输油管道是属于进油管路系统、输油管路系统还是属于油路分配系统，或者电路是属于照明供电系统还是仪器工作供电系统等。GIS地理信息和系统属性信息的信息查询界面上都设有“编辑”按钮，具有系统编辑权限的管理人员可对GIS地理信息和系统属性信息进行修改和更新。在进一步的功能扩展中，本实施例还在信息管理模块中设置了对场景中模型元素所处工作系统的作业预案信息、应急处理预案信息、警戒预案信息、消防预案信息、人员物资疏散预案信息、供配电线路图表、管网分布图表和消防区域分布图表的查询、编辑，这些信息的应用功能如下：

所述作业预案信息用于指示正常工作作业的操作预备方案及步骤；

所述应急处理预案信息用于指示应对突发事件的处置预备方案及步骤；

所述警戒预案信息用于指示进行警戒防卫的规划预备方案及步骤；

所述消防预案信息用于指示应对消防安全事件的处置预备方案及步骤；

所述人员物资疏散预案信息用于指示进行人员或物资疏散的预备方案及步骤；

所述供配电线路图表用于指示模型元素所处工作系统中供电和配电的线路布置情况；

所述管网分布图表用于指示模型元素所处工作系统中管道和网络的分布情况；

所述消防区域分布图表用于指示模型元素所处工作系统中消防区域及消防设施的分布情况。

这些扩展的信息功能都以模型元素的系统属性信息为基础，石油库虚拟场景中每建立一个工作系统，就需要在信息管理模块中建立一套与该工作系统相关的信息数据库，用于管理上述的各种预案信息和图表数据。用户将鼠标落在石油库虚拟场景中任意模型元素上，点击鼠标右键，在列出的菜单中选择相应的预案信息或图表标签，系统则借助系统属性信息自动查询鼠标所指模型元素处于石油库虚拟场景中的哪一个工作系统，再调用该工作系统的相应信息或图表加以显示。借助这些预案信息和图表，用户在石油库虚拟场景中漫游的过程中，能够更清晰地了解石油库的各个工作系统在应对正常工作作业、应急突发事件、警戒防卫、消防安全事件、人员或物资疏散等情况的预备方案及操作步骤，也能够能清晰的掌握各个工作系统的供电和配电的线路布置情况、管道和网络的分布情况以及消防区域、消防设施的分布情况，便于用户在演示过程中对石油库的各个工作系统进行规范、统一的介绍和解说。上述预案信息和图表的查询界面同样设有“编辑”按钮，管理人员可根据实际的管理、规划或决策要求，对相应的预案信息和图表进行修改和更新；经过信息更新的石油库虚拟仿真演示系统可以用于指导工作人员按照新的预案或图纸展开工作，也可以用于指导设计人员按照新的预案或图纸对整个石油库进行设计方案的修改和调整，进而实现了对石油库系统的可视化、数字化、信息化管理，有助于提高管理、设计、执行等多方面的工作效率。

测算模块则是以石油库虚拟场景的GIS地理信息为基础，根据虚拟场景的GIS地理信息换算确定实物尺寸大小，对输入的信号或事件所指定的实物几何数据进行测量和运算，并显示运算结果。该模块主要用于测量和计算鼠标所指定直线段或曲线段的实际长度、所指定几何平面或曲面的水平投影面积或者所指定规则三维几何体的实际体积，通过显示界面上的点击按钮调用相应的测算功能。在管理人员进行规划、决策过程中或者设计人员进行设计、修改过程中，测算模块能够为建筑、设施的建造、修改、搬移等方案提供实际的几何数据支持。

标注模块结合计算机图形技术，用于设置场景中各个工作系统的标注颜色，并对输入的信号或事件所指定的模型元素按其所在工作系统预先设定的颜色进行色彩标注。用户在设置时为石油库中的不同工作系统设置不同的标注颜色，然后用鼠标点击右键菜单中的“标注”标签，为多个模型元素进行标注操作，从而让处于同一工作系统的模型元素呈现相同的色彩标注，而处于不同工作系统的模型元素呈现不同的色彩标注，这样石油库中不同的管路系统、电路系统、网路系统等工作关系就一目了然，便于区分，有利于系统管理工作的进行。在不需要时，用户可以取消相应的标注操作。

音频管理模块主要利用多媒体技术，用于记录虚拟场景相关的语音数据，以及根据输入的信号或事件的指定完成对相应音频数据的调度和播放管理，并支持音频数据的更新。运用音频管理模块，用户可以预先录入背景音乐或者语音解说，形成相应的语音数据加以保存，并指定背景音乐或语音解说等语音数据所关联的石油库虚拟场景区域或者模型元素。演示过程中，用户浏览至相应的区域或者用鼠标点击相应的模型元素时，音频管理模块则调用和播放相应的语音数据。利用该扩展功能模块，结合显示模式设置模块的预设定显示模式功能，用户可以实现整个石油库虚拟演示系统的全自动演示和解说。同时，对于管理者而言，可以将一些不便于用文字和图示表达的管理、规划或决策方案录制为语音文件记录于音频管理模块中，便于管理者结合显示画面作出有针对性的指示，有利于管理工作的开展。该模块同样支持语音数据的更新，便于根据实际运用情况更新语音数据资料。

综合上述的功能扩展模块可见，本发明在替代实物沙盘演示功能的基础上，还可以结合数据库技术、地理信息技术或/和多媒体技术，提供地理信息查询、工作系统区分、几何数据测算、方案和图表的记录和备案、语音媒体解说等多种技术支持，为用户对石油库系统的应用、管理、规划和决策过程中提供相关信息的建立和辅助，同时借助石油库虚拟场景的修改、更新功能，可以对新作出的应用、管理、规划或决策指示进行相应的虚拟验证，确保方案安全、可行、有效后再加以实际施工，从而避免了进行盲目的实际操作导致费时、费力、浪费资源的缺点，达到节省资金、提高工作效率的目的。由此可见，本发明的交互式场景仿真系统更有助于在管理、决策工作中提供相应的辅助，与仅仅提供演示功能的实物沙盘相比较，提升了交互式场景仿真系统的应用价值，延长了其使用寿命，价值/成本比率得以大幅度提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种交互式场景仿真系统，其特征在于该系统借助计算机和虚拟仿真软件实现，该系统包括输入采集子系统、场景显示子系统和交互控制子系统，其中：

输入采集子系统用于设置输入方式，并采集输入的信号或事件；

场景显示子系统用于建立虚拟场景，实现虚拟场景的仿真管理和显示控制，并支持虚拟场景的更新；所述场景显示子系统包括：

模型数据库，用于存储预先制作的真实场景影像素材和设计完成的模型元素，

所述模型元素包括环境图纸、地理模型和实物仿真模型；

场景合成模块，用于确定虚拟场景的模型参数，根据模型参数调用相应的影像素材和模型元素合成为虚拟场景，支持虚拟场景与场景中模型元素之间的链接切换；所述模型参数包括虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数以及光影效果参数；

显示控制模块，用于实现虚拟场景显示的角度和路径控制，根据所述角度和路径提供虚拟场景的静态或动态的显示模式；

渲染管理模块，用于在仿真程序运行时根据显示模式对虚拟场景进行渲染管理，捕捉虚拟场景中需要渲染的模型元素并调用相应的渲染函数进行渲染；

场景更新模块，用于完成模型元素和模型参数的更新；

交互控制子系统用于进行交互式管理，根据输入的信号或事件实现对虚拟场景的交互式操作和控制。

2.根据权利要求1所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述交互控制子系统包括场景导航模块、显示模式设置模块和透明度设置模块，其中：

场景导航模块根据虚拟场景的模型参数和场景中的模型元素，生成二维的场景导航图，支持场景导航图与虚拟场景之间的链接切换；

显示模式设置模块用于根据输入的信号或事件预先设定或在线控制虚拟场景显示的角度和路径，并调用显示控制模块生成相应的显示模式；

透明度设置模块用于根据输入的信号或事件的指定设置虚拟场景中相应模型元素的透明度。

3.根据权利要求2所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述交互控制子系统还包括信息管理模块；所述信息管理模块用于记录虚拟场景相关的信息数据，以及根据输入的信号或事件的指定，完成对相应信息数据的调度和显示管理，并支持信息数据的查询、修改和更新；

所述虚拟场景相关的信息数据包括虚拟场景的GIS地理信息和场景中模型元素的系统属性信息；其中，

所述GIS地理信息用于指示虚拟场景中任意位置的实际经度、纬度和海拔高度信息；

所述系统属性信息用于指示模型元素在虚拟场景中所处的工作系统。

4.根据权利要求3所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述虚拟场景相关的信息数据还包括场景中模型元素所处工作系统的作业预案信息、应急处理预案信息、警戒预案信息、消防预案信息、人员物资疏散预案信息、供配电线路图表、管网分布图表和消防区域分布图表；其中，

所述作业预案信息用于指示正常工作作业的操作预备方案及步骤；

所述应急处理预案信息用于指示应对突发事件的处置预备方案及步骤；

所述警戒预案信息用于指示进行警戒防卫的规划预备方案及步骤；

所述消防预案信息用于指示应对消防安全事件的处置预备方案及步骤；

所述人员物资疏散预案信息用于指示进行人员或物资疏散的预备方案及步骤；

所述供配电线路图表用于指示模型元素所处工作系统中供电和配电的线路布置情况；

所述管网分布图表用于指示模型元素所处工作系统中管道和网络的分布情况；

所述消防区域分布图表用于指示模型元素所处工作系统中消防区域及消防设施的分布情况。

5.根据权利要求3或4所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述交互控制子系统还包括测算模块；所述测算模块根据虚拟场景的GIS地理信息换算确定实物尺寸大小，对输入的信号或事件所指定的实物几何数据进行测量和运算，并显示运算结果。

6.根据权利要求5所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述测算模块包括长度测算单元、面积测算单元和体积测算单元；其中，

所述长度测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定直线段或曲线段的实际长度；

所述面积测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定几何平面或曲面的水平投影面积；

所述体积测算单元用于测量和运算输入的信号或事件所指定的规则三维几何体的实际体积。

7.根据权利要求3或4所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述交互控制子系统还包括标注模块；所述标注模块用于设置场景中各个工作系统的标注颜色，并对输入的信号或事件所指定的模型元素按其所在工作系统预先设定的颜色进行色彩标注。

8.根据权利要求2～4中任一项所述的交互式场景仿真系统，其特征在于，所述交互控制子系统还包括音频管理模块；所述音频管理模块用于记录虚拟场景相关的语音数据，以及根据输入的信号或事件的指定完成对相应音频数据的调度和播放管理，并支持音频数据的更新；

所述虚拟场景相关的语音数据包括与虚拟场景或场景中实物仿真模型相应的背景音乐文件和语音解说文件。

9.一种场景虚拟仿真方法，其特征在于采用权利要求1所述的场景显示子系统完成，具体包括如下步骤：

A)采集和制作真实场景的影像素材，并存储于模型数据库；

B)以真实场景为基础，借助虚拟仿真软件制作场景中的模型元素，完成着色，并将着色的模型元素存储于模型数据库；所述模型元素包括环境图纸、地理模型和实物仿真模型；

C)根据真实场景中各元素的位置关系、色调和光影效果，通过场景合成模块设置虚拟场景的模型参数，并根据模型参数将纹理烘焙至模型元素；所述模型参数包括虚拟场景中模型元素的种类和数量参数、各模型元素的位置关系参数、色调参数以及光影效果参数；

D)将经过步骤C)烘焙的模型元素配上真实场景的影像素材，转换为计算机能识别的图像，由场景合成模块合成三维的虚拟场景；

E)按照设定的显示的角度和路径，通过渲染管理模块对虚拟场景进行渲染，实现动画效果。

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