CN103425850A - 通用日晷三维仿真方法及系统 - Google Patents

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陈崇成
唐丽玉
林定
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Abstract

本发明涉及一种通用日晷三维仿真方法，包括以下步骤：S10：建立日晷晷面及晷针的三维模型；S11：建立日晷三维模型；S12：计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角；S13：计算日出至日落之间各时刻晷针在晷面上所形成的影子的位置，得出各时刻线的位置；S14：动态模拟日出至日落任一时段内晷影在晷面上的运动轨迹，输出一天或一年日出至日落的模拟数据。本发明以三维形式直观表示设计的日晷并对时刻线位置进行可视化模拟与分析，能够为日晷个性化设计、城市造景规划、科学教研、科普教育提供一个直观、便捷的模拟分析与辅助论证工具，提高日晷设计建造的成效。

Description

通用日晷三维仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及一种通用日晷三维仿真方法及系统。
背景技术
日晷是中国古代在测时方面的一项伟大发明，利用它可以测定观测点上的真太阳时。在现代，日晷是天文学、地球概论、农业气象等课程教学中的一个直观教具，并且它同城市雕塑一样，能融入周围环境，增加城市雕塑的科学普及功能，凸现城市的科学氛围，提高城市雕塑的观赏价值。在校园、公园或旅游地建造日晷，既能观测时刻，又能在绿色环境中增添一道人文景观风景线，使其所在地既具有高雅的文化鉴赏品味，增强园林的观赏性，增加科技含量，又便于用它宣传有关地球运动的科学知识，有关时间的科学知识，树立正确的时空观念。吴振华提出了多种常用日晷晷面线图设计计算式及其相应的线图样式。李宏芸等通过各天球坐标的关系以及日晷的投影原理设计了球面日晷。他们只采用数学公式计算，比较抽象。
太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，一般是以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测得的角度。
日晷主要由一根投射太阳阴影的晷针、承受晷针投影的投影面 (即晷面) 和晷面上的刻度线组成。当太阳照射在晷针上，晷针就会投影于晷面，随着太阳自东向西运动，晷影相应自西向东变化。晷针在晷面上形成的晷影，称为时刻线。
如图1所示，取日晷晷针在晷面上的插入点，作为地平直角坐标系的原点O，z轴正向指向天顶，负向垂直指向地平面；y轴正向指向正北方向，负向指向正南方向；x轴正向指向正东方向，负向指向正西方向；同时设晷针针端的位置矢量为c，它是以坐标系原点O为起点，指向晷针针端的矢量。设针端影位矢量为b，它是以坐标系原点O为起点，指向针端在地面的投影点p的矢量。设太阳光线矢量为a，它是以太阳中心点为起点，指向晷针针端的矢量。通过晷针针端的太阳光线a，使晷针针端在晷面上产生一阴影点p，连结晷针在晷面上的插入点O及阴影点p，即为该时刻晷针投射的晷影。
目前，研究日晷的主要方法有两种：时刻线图解法，时刻线角度测定法。其中，时刻线图解法是一种简单的方法，无须数字计算，但是必须画在比日晷大的一张纸上。时刻线角度测定法，可迅速确定时刻线的角度，不用计算，但是由于各种实测客观条件的限制，不能保证一天各时刻的时刻线角度能成功测定。这些日晷时刻线位置确定方法难于同时满足日晷建造单位在设置地点、晷面的朝向和倾角个性化要求，且人力、物力和时间花费大。
传统日晷设计只通过晷面线图设计计算式对晷面线图样式进行设计，过程比较抽象且不易理解，同时无法直观地预见日晷设计的效果，无法满足用户在设置地点、晷面的朝向和倾角方面的个性化要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服传统日晷设计中抽象和不易理解，提供一种通用日晷三维仿真方法及系统，同时以三维形式直观表示设计的日晷并对时刻线位置进行可视化模拟与分析。
本发明采用以下方案实现：一种通用日晷三维仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：建立日晷晷面及晷针的三维模型；
S11：设置日晷晷面中心点的空间地理位置、倾角和朝向，设置晷针的倾角和朝向，建立日晷三维模型；
S12：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，采用太阳的天文参数计算算法，计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角；
S13：根据步骤S11中晷面和晷针的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算日出至日落之间各时刻晷针在晷面上所形成的影子的位置，得出各时刻线的位置；
S14：根据各时刻线的位置，动态模拟日出至日落任一时段内晷影在晷面上的运动轨迹，输出一天或一年日出至日落的模拟数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S11中建立日晷三维模型包括以下步骤：
S111：设置晷面的中心位置；
S112：根据晷面的朝向，对晷面进行旋转变换角度；
S113：根据晷面的倾角，对晷面进行旋转变换角度；
S114：晷针一端放置晷面的中心位置，另一端指向一预设朝向，从而建立晷面与晷针的拓扑关系，形成日晷的三维模型。
在本发明一实施例中，所述步骤S13中计算日出至日落之间时刻线包括以下步骤：
S131：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，以地平直角坐标系为参考坐标系，采用太阳天文参数的计算算法得出该地点不同时刻太阳的几何参数；
S132：根据晷面的中心地理坐标、朝向和倾角，晷针的朝向和倾角及步骤S131中计算得出的太阳的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算晷针在晷面的投影位置，从而计算不同时刻的日晷时刻线位置。
在本发明一实施例中，所述太阳的几何参数包括太阳高度角和太阳方位角。
在本发明一实施例中，所述步骤S14中动态模拟一天日出至日落时段内晷影在晷面上的运动轨迹包括以下步骤：
S141：把时间段进行离散化，计算每个时刻线的位置；
S142：在步骤S141计算出一系列时刻线的基础上，采用动画的形式直观表达晷影运动过程。
在本发明一实施例中，所述一年的日出至日落的模拟数据是采用平行坐标法分析一天中各时刻线在一年中的变化规律，找出一年时刻线空间位置变化区间的中间点对应的日期。
本发明还提供一中根据所述的通用日晷三维仿真方法建立的通用日晷三维仿真系统，其特征在于：包括一日晷三维模型构建模块，所述日晷三维模型构建模块连接一日晷时刻线计算模块，所述日晷时刻线计算模块连接一晷影动态模拟模块；还包括一日晷时刻线数据输出模块和一可视化分析模块，所述日晷时刻线数据输出和可视化分析模块连接所述晷影动态模拟模块。
本发明以三维形式直观表示设计的日晷并对时刻线位置进行可视化模拟与分析，能够为日晷个性化设计、城市造景规划、科学教研、科普教育提供一个直观、便捷的模拟分析与辅助论证工具，提高日晷设计建造的成效。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是日晷的晷针投射的晷影示意图。
图2是本发明通用日晷三维仿真方法的流程示意图。
图3是本发明中晷影模拟的流程示意图。
图4是本发明通用日晷三维仿真系统的系统功能图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供一种通用日晷三维仿真方法，包括以下步骤：
S10：建立日晷晷面及晷针的三维模型；
S11：设置日晷晷面中心点的空间地理位置、倾角和朝向，设置晷针的倾角和朝向，建立日晷三维模型；
S12：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，采用太阳的天文参数计算算法，计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角；
S13：根据步骤S11中晷面和晷针的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算日出至日落之间各时刻晷针在晷面上所形成的影子的位置，得出各时刻线的位置；
S14：根据各时刻线的位置，动态模拟日出至日落任一时段内晷影在晷面上的运动轨迹，输出一天或一年日出至日落的模拟数据，为日晷设计提供参考。
优选的，所述步骤S11中建立日晷三维模型包括以下步骤：
S111：根据日晷所要放置的地理位置和设计需求，设置晷面的中心位置；
S112：根据晷面的朝向，对晷面进行旋转变换相应的角度；
S113：根据晷面的倾角，对晷面进行旋转变换相应的角度；
S114：晷针一端放置晷面的中心位置，另一端指向一预设（设计者指定的）朝向，从而建立晷面与晷针的拓扑关系，形成日晷的三维模型。
所述步骤S13中计算日出至日落之间时刻线包括以下步骤：
S131：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，以地平直角坐标系为参考坐标系，采用太阳天文参数的计算算法得出该地点不同时刻太阳的几何参数；所述太阳的几何参数包括太阳高度角和太阳方位角；
S132：根据晷面的中心地理坐标、朝向和倾角，晷针的朝向和倾角及步骤S131中计算得出的太阳的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算晷针在晷面的投影位置，从而计算不同时刻的日晷时刻线位置。
所述步骤S14中动态模拟一天日出至日落时段内晷影在晷面上的运动轨迹包括以下步骤：
S141：根据模拟精度要求，把时间段进行离散化，计算每个时刻线的位置；
S142：在步骤S141计算出一系列时刻线的基础上，采用动画的形式直观表达晷影运动过程。
所述一年的日出至日落的模拟数据是采用平行坐标法分析一天中各时刻线在一年中的变化规律，找出一年时刻线空间位置变化区间的中间点对应的日期。
如图4所示，本发明还提供一种根据所述的通用日晷三维仿真方法建立的通用日晷三维仿真系统，包括一日晷三维模型构建模块，所述日晷三维模型构建模块连接一日晷时刻线计算模块，所述日晷时刻线计算模块连接一晷影动态模拟模块；还包括一日晷时刻线数据输出模块和一可视化分析模块，所述日晷时刻线数据输出和可视化分析模块连接所述晷影动态模拟模块。
下面为了让一般技术人员更好的理解本发明，我们对上述的三维仿真模拟过程做简单介绍，如图3所示：
（1）日晷晷面及晷针三维模型构建
采用3ds MAX这类几何建模软件建立晷面及晷针三维模型，转为通用三维模型格式。
本实施例中晷面及晷针三维建模采用Autodesk 3ds Max 2010软件，首先创建一个圆柱体，设置长、宽、高；然后调整圆柱体建模坐标系的z轴，使其在3ds Max 2010建模场景中朝上，形成晷面三维模型，导出为.obj格式。采用上述同样的方式，形成晷针三维模型，导出为.obj格式。
（2）日晷三维模型构建
本实施例以地平式倾斜日晷为例，晷面中心点地理坐标为东经119度19分，北纬26度06分（福州某地）；晷面朝向为北偏东70度，晷面与地平面夹角为15度，晷针指向北天极，根据这些参数，建立日晷三维模型。
（3）太阳几何参数计算
根据实施例的地理坐标，以2013年6月18日为例，同时采用太阳的天文参数计算算法，计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角。
（4）日晷时刻线位置计算
本实施例以福州某地（东经119度19分，北纬26度06分）为日晷模拟位置，以2013年6月18日为模拟时段，模拟时间点从早晨6：00至傍晚17：00，时间间隔1小时，共模拟12次，分别计算各时刻太阳高度角、太阳方位角、各整点时刻线间夹角和各整点时刻线与0°基准线的夹角，0°基准线位于晷面上，其方位角为南偏西70度。具体参数及计算结果如表1所示。
表1   福州2013年6月18日，各时刻日晷时刻线位置模拟数值
Figure 2013103991181100002DEST_PATH_IMAGE001
（5）晷影动态模拟
以2013年6月18日为模拟时段，并以一分钟为时间间隔计算每个时刻晷面上的时刻线位置，然后采用动画的形式动态模拟晷影运动过程。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1. 一种通用日晷三维仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：建立日晷晷面及晷针的三维模型；
S11：设置日晷晷面中心点的空间地理位置、倾角和朝向，设置晷针的倾角和朝向，建立日晷三维模型；
S12：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，采用太阳的天文参数计算算法，计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角；
S13：根据步骤S11中晷面和晷针的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算日出至日落之间各时刻晷针在晷面上所形成的影子的位置，得出各时刻线的位置；
S14：根据各时刻线的位置，动态模拟日出至日落任一时段内晷影在晷面上的运动轨迹，输出一天或一年日出至日落的模拟数据。
2. 根据权利要求1所述的通用日晷三维仿真方法，其特征在于：所述步骤S11中建立日晷三维模型包括以下步骤：
S111：设置晷面的中心位置；
S112：根据晷面的朝向，对晷面进行旋转变换角度；
S113：根据晷面的倾角，对晷面进行旋转变换角度；
S114：晷针一端放置晷面的中心位置，另一端指向一预设朝向，从而建立晷面与晷针的拓扑关系，形成日晷的三维模型。
3. 根据权利要求1所述的通用日晷三维仿真方法，其特征在于：所述步骤S13中计算日出至日落之间时刻线包括以下步骤：
S131：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，以地平直角坐标系为参考坐标系，采用太阳的天文参数计算算法，得出该地点不同时刻太阳的几何参数；
S132：根据晷面的中心地理坐标、朝向和倾角，晷针的朝向和倾角及步骤S131中计算得出的太阳的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算晷针在晷面的投影位置，从而计算不同时刻的日晷时刻线位置。
4. 根据权利要求3所述的通用日晷三维仿真方法，其特征在于：所述太阳的几何参数包括太阳高度角和太阳方位角。
5. 根据权利要求1所述的通用日晷三维仿真方法，其特征在于：所述步骤S14中动态模拟一天日出至日落时段内晷影在晷面上的运动轨迹包括以下步骤：
S141：把时间段进行离散化，计算每个时刻线的位置；
S142：在步骤S141计算出一系列时刻线的基础上，采用动画的形式直观表达晷影运动过程。
6. 根据权利要求1所述的通用日晷三维仿真方法，其特征在于：所述一年的日出至日落的模拟数据是采用平行坐标法分析一天中各时刻线在一年中的变化规律，找出一年时刻线空间位置变化区间的中间点对应的日期。
7. 一种根据权利要求1-6任一项所述的通用日晷三维仿真方法建立的通用日晷三维仿真系统，其特征在于：包括一日晷三维模型构建模块，所述日晷三维模型构建模块连接一日晷时刻线计算模块，所述日晷时刻线计算模块连接一晷影动态模拟模块；还包括一日晷时刻线数据输出模块和一可视化分析模块，所述日晷时刻线数据输出和可视化分析模块连接所述晷影动态模拟模块。
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