三维模型范文

导语：如何才能写好一篇三维模型，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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对情感进行有效的测量是实现情感计算的关键和难点，而实现对情感的准确测量就涉及到了心理学中的情感测量理论及测量工具。本文将介绍基于维度观的PAD三维情感模型。

PAD情感模型

PAD三维情感模型是由Mehrabian 和Russell于1974年提出的维度观测量模型，该模型认为情感具有愉悦度、激活度和优势度3个维度，其中P代表愉悦度（Pleasure-displeasure），表示个体情感状态的正负特性;A代表激活度(Arousal-nonarousal），表示个体的神经生理激活水平;D代表优势度(Dominance-submissiveness），表示个体对情景和他人的控制状态。同时也可以通过这3个维度的值来代表具体的情感，如愤怒的坐标为（-0.51,0.59,0.25）（各维度上的数值范围为-1到+1，+1表示在此维度上的值高，而-1表示在此维度上的值低）。

研究表明，利用P、A、D三个维度可有效地解释人类的情感。例如，Mehrabian等人利用这3个维度可解释其他42种情感量表中的绝大部分变异，而且这3个维度并不限于描述情感的主观体验，它与情感的外部表现、生理唤醒具有较好的映射关系。值得注意的是以往情感研究较多地关注愉悦度和激活度，但这2个维度并不能有效地区分有些情感（如愤怒和恐惧），而PAD三维情感模型则可以区分愤怒和恐惧，因为这两种情感都属于愉悦度低、激活度高的情感，但它们却在优势度上相反，愤怒属于优势度高的情感，而恐惧属于优势度低的情感。

PAD情感量表与PAD情感空间

基于PAD三维情感模型，Mehrabian等人提出了测量情感的工具――PAD情感量表。他通过研究确立了一个包括34个项目的量表（测量P的16个项目，测量A和D各9个项目）。后来的研究者又进一步提出了简化版PAD情感量表，3个维度（愉悦度、激活度和优势度）分别用4个项目进行测量（共12个项目）。中科院心理所对简化版PAD情感量表进行了中国化修订。中文简化版PAD情感量表为9点的语义差异量表，每个项目由1对表示不同情感状态的形容词构成，每对词间的空间分隔为9段; 每对词所表示的情感在其所属维度上的量值相反，而在其他2个维度上基本相同。例如，测量愉悦度的一个项目由“兴奋的”和“激怒的”这对词构成，它们所代表的情感在愉悦度上相反，而在激活度和优势度上大致相同。

被试者需根据哪种情感更强烈及更强烈的程度来评定目标情感。根据被测试者的标定，从最左到最右，在该项目上的得分记为“-4”到“4”; 标定在中间时，记为“0”分; 最后维度分数为测量该维度的4个项目得分的平均数。研究采用中国的被试群体（北京地区1000名大学本科生）和中文简化版PAD情感量表，并建立了该问卷的中国模板。结果表明，中文简化版PAD情感评价量表在愉悦度、激活度和优势度上的内部一致性信度（α系数）分别是0.85、0.58和0.72，验证性因素分析的结果也验证了该量表的3维结构。

在修订中文简化版PAD情感量表的过程中，课题组发现中国人与西方人在这3个维度上既具有明显的共性，也存在着文化上的差异。在愉悦度和优势度上，中国人和西方人之间没有明显差异。但是，中国人在激活度上显著低于西方人。这可能预示着，在情感计算领域中，中国人与西方人在激活度上的结果可能存在差异。

课题组的研究人员还发现，在愉悦度上越位于两端的情感激活度越高，而越趋近中性的情感激活度也越低，也就是愉悦度和激活度的散点图呈抛物线状，这可能反映了正、负和中性情感的固有特征。

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三维模型库或称为3D虚拟模型库具有经济性、灵活性、直观性、可复制性等优点［3］。其在《工程制图》中的教学优势体现在：（1）替代并扩充传统的实物模型。它不仅可以完全取代传统的实物模型，消除实物模型携带不便的缺点，还可以根据教学内容的更新，及时扩充新的三维教学模型，克服传统教学模型数量有限、不能修改等缺点。（2）是教与学的辅助工具，师生互动的载体。不仅能在课堂上将教学内容生动形象地表现出来，更有益于教师对知识的讲授及学生的理解，以及师生的互动和讨论；三维模型库可作为一种载体将教学从课堂延伸到课后，以辅助学生完成课后练习，提高学生学习兴趣及学习效率。另外，三维模型库还有丰富实践性教学素材库等诸多优势，然而目前大多数应用于教学中的三维模型库还客观存在以下几个问题：（1）不完全开放，修改及更新能力差。目前绝大多数虚拟三维模型库一般是不能随意修改、扩充或删减的，这就大大地降低了这类三维模型库的利用率。（2）基于单一三维CAD软件，通用性差。为满足教学的需要，针对教师熟练掌握的某种三维CAD软件，如UG、Pro／E、SolidWorks、CATIA、SolidEdge等，纷纷建立了相应的虚拟三维模型库，在制图教学上也起到了提高教学效果的作用。但这类三维模型库最大的缺点是基于某一种CAD软件的，对不能熟练掌握该软件的教师来说大大提高了其应用难度［4］；另一方面，学生在使用这些三维模型时需要安装专业化的软件，而对于还未接触三维CAD软件的学生来说也是非常有难度的，这就大大降低了学生学习这类三维模型库的积极性。（3）非网络化，共享性差。三维模型库大多在单机环境下运行，其共享广度和方便程度是非常有限的。虽然也可将三维模型库载入网络共学生浏览，但这仍旧只是单一的传授模式，在信息技术高度发展和应用的今天，还缺乏一个教师实时与之教学及课后辅导内容高度一致的三维模型的通道，缺乏一个师生间实时互动与交流、三维模型资源高度共享的公共网络平台。综上所述，建立一种基于Web及异构三维CAD软件的三维模型资源共享平台是很有必要的，通过网络，不仅能提供大量的模型资源，整合教育资源，而且还为师生交流提供了一个互动平台，支持远程教育、网络化教学。

2Web三维模型共享平台的设计与实现

2．1总体架构设计

为克服目前模型库在工程制图教学中存在的缺点，Web三维模型共享平台采用了B／S模式，其总体架构如图1所示。系统大体设置了5个层次：用户界面层、业务逻辑／功能层、数据层、应用程序服务层和接口层。（1）用户界面层：用户界面为终端用户（教师和学生）提供对系统访问的工具。教师和学生只需通过Web浏览器，并安装一个简单的支持Web3D的三维模型可视化插件（如BSContactVRML）即可在线浏览平台中的各类三维模型，而无需安装专业化的软件。（2）业务逻辑／功能层：业务处理层是系统的核心，负责处理三维模型共享平台的核心功能，包括：三维模型的在线预览、在线参数化驱动设计、三维模型与知识交流、三维模型快速建库与扩展工具等。（3）数据层：数据库是三维模型共享平台的支撑，而三维模型资源库是最重要的数据来源。依据其来源不同分为基础模型库、扩展模型库和用户模型库等。（4）应用程序服务与接口层：该系统是基于异构三维CAD软件系统的，包括UGNX、Pro／E、SolidEdge、SolidWorks、CATIA等，它们通过接口予以连接，并以服务的形式来满足属于不同CAD软件用户的教师需求。

2．2面向工程制图教学的基础模型库建设与扩展

针对不同教师、教学对象及教学内容的多样性和复杂性特点，并为满足现代工程制图教学的要求，将共享平台中三维模型资源库分为3类：基础模型库、扩展模型库和用户模型库。三维模型资源库结构如图2所示。扩展模型库是教师根据自身教学、所教班级学生及不同专业的特点和要求，利用平台提供的快速建库和扩展工具，按需求对基础库进行的适时扩展和调整。用户模型库则是平台各用户为实现互动交流而实时上传至平台中的丰富的三维模型资源，这也是对三维模型资源库的一种有效扩充。学生在校园网上打开浏览器即可从各角度观察和控制三维模型，并针对模型进行评论和交流，能有效地提高学生主动学习的积极性，并能实现模型资源高度共享，扩展学生的知识面，进而达到提高教学质量的目的。

3在工程制图教学中的应用实践

Web三维模型共享平台是针对应用于工程制图教学中的大量三维模型资源进行开发的，集用户在线应用和在线管理于一体。教与学是教师和学生共同参与的过程，Web三维模型共享平台在工程制图教学中的应用如图3所示。（1）教师需以教师身份登录至系统访问首页或系统管理页。在课堂教学时，教师通过访问系统来浏览已有的三维模型辅助教学，通过强化学生对各种图形的感性认识来提高课堂理论教学效果；利用平台提供的在线参数化驱动设计功能，通过改变模型尺寸来更形象地展示图形的变化情况，如通过在线改变圆柱直径大小来展示两正交圆柱或圆柱与圆锥正交相贯线的趋势；利用平台提供的快速建库与扩展工具，对基础库中的模型进行调整和扩展，以满足教师自身教学的特殊需求。而这些扩展模型可以是任意一种三维CAD软件建立的模型，且可同基础库中的模型一样被教师和学生查看及参数化再设计。（2）学生需以学生身份登录至系统访问首页，依据自身需要选择相应的链接，而后进入三维模型的预览和参数化设计页，实现模型的查看和操作。一方面可对课堂知识进行温习和补充；更重要的是，通过查看习题模型库，可及时地校对所做练习的正确性，弥补了教师不能及时辅导的缺陷，也能有效地提高学生的学习兴趣和效率。

4结束语

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在国内外矿业研究领域，三维地质建模技术逐渐成为研究的热点和焦点。通常情况下，进行矿体分析和矿床预测是以三维地质模型为基础的，三维地质模型在一定程度上为工程决策和管理提供参考依据。所以，在当前环境下，研究分析三维地质模型的建模过程，具有重要现实意义。

在对露天矿开采进行设计，以及制定生产进度计划时，需要结合地质数据管理的现状，利用三维地质建模技术，将计算机处理数据信息的能力与设计人员的专业知识、专业技能进行结合，其作用主要表现在：一方面展示工程设计人员的能力，另一方面制定科学、合理的采矿方案。

2 三维地质模型的建立及更新

2.1 建立三维地质面模型

2.1.1 建立采场面模型

在建立露天矿采场面模型的过程中，由于露天矿采场特点的影响和制约，在建模过程中本文采用了加入约束线的TIN模型，在构建露天矿采场面模型过程中，台阶线的约束条件需要进行重点考虑。在构建采场面模型的过程中，如果对坡顶线和坡底线的影响考虑的不全面、不细致，在一定程度上就会出现三角形跨越坡顶线和坡底线的现象，进而台阶被削平，影响下一步的工程量的计算。通过对TIN模型进行加入约束线处理，使之具有约束条件，进而很好的反映露天矿的地表情况，如图1所示。

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图1 采场界面示意图

2.1.2 建立煤岩面模型

煤、岩对于露天矿来说，是其主要的地质矿床。在构建煤、岩面模型的过程中，约束线通常是平面数据点的边界线。为了达到描述煤、岩层面的目的，需要对煤岩顶板、底板、侧面分别构建三维面模型，为此本文通过采用带约束的TIN法进行建模。由于煤层界面处于地表之下，以此通过钻孔的方式获取样本数据，受取样点数量较少的影响和制约，高密度的TIN模型难以形成，进而需要对模型进行插值处理。在本文中使用的是距离幂次反比法，对三维格网数据点进行插值处理，形成Grid格网模型，最终生成TIN模型，如图2所示。

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图2 煤层界面示意图

2.2 建立三维地质体模型

通过采用封闭面固化成体的建模方式构建三维地质体模型。在建模过程中，构建地质面模型时需要借助不规则的三角网，尤其是要充分利用上下地质界面和侧面的三角网模型，进而形成闭合面，进一步构造地质体，最后生成三维地质体模型，地质对象内部的属性特征和地质对象之间的拓扑关系通过三维地质体模型对其进行描述，该模型同时具有对三维空间进行分析、查询、决策功能。

2.2.1 建立采场现状实体模型

通过采用封闭面固化成体的方式建立采场现状实体模型，利用该模型对采场进行模拟，其效果较为理想。生成采场现状实体模型的过程如下：

①在建模过程中，模型的约束线选择露天矿台阶的坡顶线和坡底线，生成的TIN模型遵守带约束的Delaunay法则，构建采场现状面模型时使用小三角面片单元，在一定程度上生成采场现状的顶面模型。

②采场现状顶面模型边界线的确立。

③在某一水平面内对三角形面片单元进行投影处理，将产生的投影作为采场现状实体模型的底面。

④采场现状底面模型边界线的确立。

⑤通过①和③生成的模型顶面和底面，同时对模型的侧面进行构建。

⑥利用封闭面固化成体的方法，对已经确立的采场现状实体模型的顶面、底面和侧面进行处理，建立采场现状实体模型。

⑦通过采用AutoCAD提供的着色、渲染等手段对地层的形态进行显示，在一定程度上增强了立体感，进而使其更加形象，如图3所示。

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图3 采场实体模型

2.2.2 建立煤层实体模型

在建立模型方法方面，建立煤层实体模型与建立现状实体模型大致相同。生成煤层实体模型的过程如下：

①煤岩顶底板所需的数据，在建模过程中，从钻孔、剖面图、等值线中获得，对离散数据通过估值的方式进行处理，通过对半径进行科学合理地参估，进而获得煤岩顶底板的相关数据。

②在构建顶板面模型、底板面模型的过程中，充分利用煤岩的顶板数据和底板数据，顶底板面模型的边界线自动生成。

③侧面模型的构建需要通过借助顶底板面模型的边界线。

④确立煤岩顶板、底板、侧面模型后，建立煤岩实体模型需要借助封闭面固化成体的建模方法，如图4所示。

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图4 煤岩实体模型

2.2.3 建立露天矿三维实体模型

如图5所示，在建立地质体模型（现状实体模型、煤层实体模型、断层实体模型等）的过程中，其中，基态模型选择现状实体模型，通过运算建立相应的地质体现状模型，通过反插处理，生成相应的露天矿三维地质实体模型。

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图5 露天矿三维实体模型

2.3 三维地质模型的更新

随着工作台阶的不断推进，需要对采场实体模型和煤岩实体模型进行更新。每月的平盘作业工作量，测量部门都要对其进行验收测量处理，同时及时更新采场DEM模型和采场现状模型。地质部门每月对于地层界面进行写实工作，利用新的地层界面写实数据对原有的地层平面数据进行及时的更新处理，然后对煤岩实体模型通过封闭面固化成体的建模方式进行更新。

露天矿三维可视化地质模型通过上述操作实现了自动更新的功能，在一定程度上构建了动态地质模型。结合露天矿的开采特点，这种模型能够进行自动更新，其更新过程是，利用测量验收数据和地质写实数据完成地质体模型、采场实体模型的更新功能。露天矿三维可视化地质模型的更新速度在一定程度上大大提高，为应用地质实体模型创造了条件。

3 三维地质模型精度评价

传统地形图在描述地形的过程中，受测量方法、误差、等高距等因素的影响，存在描述不准确，测量精度的缺陷。通过采用离散化的方式，对采样数据进行处理，三维地质模型在描述和表达的过程中，克服了传统地形图描述存在的缺陷和不足，在一定程度上提高了测量的精度和描述的准确性。

3.1 回放等高线套合分析

将模型数据生成等高线图，与原始等高线进行叠加比较，同时对等高线是否存在异常现象进行相应的检查，这个过程被称为等高线套合分析。通常情况下，对于模型精度，通过等高线套合分析就能对其进行全面的评价。如图6所示，其中灰色线和黑色线分别表示原始的等高线图和根据DEM内插生成的等高线。

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图6 模型等高线叠加图

3.2 剖面检查法

沿着原始地质剖面方向，截取模型剖面图，通过与已知的勘探线剖面进行对比，分析高程点的误差，在一定程度上满足了误差精度的要求，该方法被称为剖面检查法，如表1所示。

表1 高程差比较表

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4 结论

①本文在建立三维地质面模型的过程中，借助TIN建模方法和封闭面固化成体的构模方法，进而建立露天矿三维地质体模型，进而描述地层的形态和发育程度。

②本文通过采用自动更新的新方法对三维地质模

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关键词：滕王阁景区 三维模型 Smart3D Capture

滕王阁景区是以江南三大著名楼阁之一的滕王阁为中心的景观建筑旅游景区。随着景区的向北和向南的延伸扩大和融入赣江旅游风光带，如何让游客通过大屏幕，模拟亲临滕王阁滨江景区游览，感受人文旅游资源所带来的旅游文化快乐，为滕王阁景区旅游提供优质服务，成为旅游业关注的重点。本文着重阐述以倾斜摄影测量技术为基础，采用Smart3D Capture等三维建模软件，探讨建立滕王阁景区三维模型的技术流程，利用三维模型对滕王阁景区进行引导与宣传，进而推动南昌旅游业的发展。

一、基于倾斜摄影测量三维建模的意义

滕王阁景区位于南昌市赣江与抚河故道的汇合处。本次三维建模范围，依据《南昌市滕王阁历史风貌区控制性规划（2015-2020）》，南起中山西路，北至阳明路，东为子固路，西邻赣江，总面积为82公顷。其中，以滕王阁为核心景区范围，面积为4.5公顷。景区域内由滕王阁主体建筑、文化庭院、奇石雕塑以及历史文化景观组成，对游客吸引力大。主体建筑为宋式仿木结构，碧瓦丹柱，雕梁飞檐，书画满堂，立面凹凸有致，历史文化丰富，需要真实模拟滕王阁景区的三维模型向游客提供查询与认知服务。

滕王阁景区内的景观众多，大小不一，立面复杂，纹理多样。本试验基于三维建模技术，根据倾斜摄影测量数据，依据滕王阁景区内的建筑、植被、道路、设施的大小形状、距离位置，材质色彩、光照效果等构建三维模型，实现仿真模拟与可视化过程的简单化，达到快速而准确地为旅游用户提供一个身临其境的真实旅游场景的服务模式。

二、滕王阁景区建模技术路线

滕王阁景区的景观模型建立，其基本要求是准确反映出景观建筑的平面位置，大小、形状、色彩及材质，让游客能从多个角度进行全面欣赏。所采用倾斜摄影测量来获取建模影像数据，其基本原理是在同一飞行平台上搭载了多台可旋转变化镜头的传感器，同时从一个垂直和多个倾斜的不同角度采集影像。

滕王阁核心区三维模型

在多个镜头、不同角度下完成倾斜摄影影像数据采集工作，可以获取滕王阁的多方位几何信息，并且又实地采集滕王阁景区建筑的纹理数据，在数字正射影像和数字高程数据支撑的基础上，利用Smart3D Capture软件完成三维模型的建立。

（一）滕王阁景区模型构建技术路线

为保证建模精度，航空摄影技术指标为：使用Ultra Cam OSPREY数码航摄仪，地面分辨率为0.08米，焦距80毫米，像元是6u。通过倾斜摄影获取数据并进行空三加密处理后，在DEM与DOM的支撑下，外业景观纹理采集，采用Smart3D Capture分区建模，从而实现整体三维模型的建立。

（二）滕王阁景区数据采集的方式

滕王阁景区三维模型的构建，其三维空间数据和影像数据，由景点的一系列平面位置、地面高程、地物高度及纹理数据、DOM、DEM数据等组成，而通过倾斜摄影测量技术，采用多台传感器，以不同角度对景点进行全方位影像数据采集，可以方便、快速、高效的获取建模数据。

构建滕王阁景区的三维模型的几何数据，选用能够形象表达旅游景点的形态特征及相应建模精度要求的合格数据。纹理数据的采集，应拍摄建筑物所有部位的表面影像，以便满足不同细节层次的表达要求，并同时应注意到通用纹理与示意纹理的数据采集。属性数据的采集应保证景观建模信息的正确性与完整性，在编码过程中应具备系统性、通用性以及扩展性。

1.建模数据的验证

数据精度是模型精度的重要支撑。滕王阁景区三维模型的质量取决于数据质量，而数据质量可以用数据质量元素进行描述，主要体现在模型的完整正确性、直观形象性、现势性、真实准确性、表现精度、属性信息精度以及逻辑一致性等几个方面。为准确建立滕王阁景区的模型，开展了对已有的DEM、DOM数据进行准确性和完整性的来源检查，保证其一定的数学精度和获取合格的原始数据。

2.纹理数据的采集

纹理数据的采集，是真实表现实体的基础性工作。在数据采集过程中，采取事先计划，围绕核心区进行闭合路线分区采集，有利于提高数据采集效率。

（1）纹理采集

纹理拍摄：为清晰表现滕王阁景区景物，对建筑物进行实地拍摄和纹理采集，并按景观属性分类，逐一整理编号。采用的拍摄器材为有效像素1200千万，JPG存储格式的佳能数码相机。选择拍摄的时间：日出后二小时和日落前二小时，以此回避中午太阳正射建筑物时段。拍摄建筑物角度的选择，以变形小、和无遮挡物，且色调均匀为最佳。获取的照片颜色则以真实不偏色为原则，同时应避免景观建筑物由于自身反射光所带来的颜色失真。

（2）数据采集的内容

数据采集，主要有滕王阁景区中的景点全貌、景点位置、景点特征和鸟瞰景点的视觉影像。其中，景点建筑物的多角度和突出表现特征点的数据采集最为关键。为正确多角度全面反映建筑物滕王阁，其景点建筑物数据采集，应采用表现全貌，拍摄左前视、右前视、正前视、前侧视、左侧视、右侧视和后侧视的影像，以利于全面反映出景点建筑物各个角度的外立面；在表现建筑物主体上，可以选择拍摄滕王阁具有唯一性和代表性的正前视部位。而在采集的同时，实地开展对滕王阁景区所有的地理要素核实和建筑物阴影的识e。

（三）软件平台

Smart3D Capture是一种快速、全自动的三维场景运算建模软件，是通过简单连续的影像来产生超高密度点云，进而生成具有真实影像位纹理的高分辨率三维模型。滕王阁景区的内业三维模型的数据处理，是利用全自动三维建模软件Smart3D Capture进行建模，通过三维数字地球平台的数据导入，整个过程自动化，全面实现三维模型和景区场景的融合。

三、滕王阁景区建模的实施

滕王阁景区三维模型的实施构建过程中，首先对建模区域进行单元划分，按不同单元类别表现要求和基本属性进行数据处理，以达到精细、标准和一般性的不同层次的建模要求。

（一）模型的单元划分

模型的单元划分：滕王阁景区分区的原则：以核心景区、保护区、规划区进行分区。实际划分时，采用相对稳定和完整的自然地形地物，取用赣江大堤、阳明路、子固路等为边界线，这样有利于滕王阁景区地理要素在几何要素上不被任意截断，保持模型具有相对的独立性和完整性。

（二）模型的分区命名

滕王阁景区的三维分区模型命名，是参照行业标准《三维地理信息模型生产规范》CH/T 9016-2012执行，其基本结构是由建模单元编码、模型类型、模型顺序号和表现等级共四部分组成，以便达到有序建模。

（三）模型的制作

滕王阁景区是一个景观形态不一、外立面复杂的景区。在建模时，按模型等级及建筑物类别进行处理，突出其建筑物特征。滕王阁的主体建筑模型，主要是反映建筑的外观细节，清晰表现出游客喜爱观赏的几何特征点。尤其是在沿着建模景观物体漫游时，游客能充分欣赏到滕王阁建模后的细部特征而带来的立体艺术美感。同时，滕王阁的纹理多样复杂，在制作过程时，应保持与实地石材、玻璃、金属、木材的材质纹理一致性，使整体拼接过渡自然。

滕王阁景区的地形模型数据是由几何数据和纹理数据共同组成。整个区域内地形起伏不大，以平地居多，沿江部分有赣江陡堤、码头斜坡等，平地平均相对高差小于5米。 因此，所采用DEM的格网单元尺寸不大于10m×10m，DOM的分辨率地貌优于1m，且高程精度优于2m时， 所构建的地形模型，能满足一般性地形的建模需求。

四、滕王阁景区模型的纹理贴图

景观建筑纹理贴图是提高实体的准确、形象和真实性来表现实体的一种图像处理技术。滕王阁景区分别按“景观正立面纹理”、“内部主体立面纹理”、“景观背立面主体纹理”等类型，实现不同类别的表现。获取景观纹理图像的主要方法是通过实地拍摄照，在后期采用Photoshop cs6进行针对性复原和反复调试。

（一）纹理图像处理的基本原则：图像应反差适中，色调均匀，且拍摄体前无遮挡物，并通过纠正变形，去除杂色，保持与实地建筑的一致性。

（二）纹理效果的处理：以照片为基础，采用Photoshop cs6软件，进行人工后期修补处理，重点去除纹理阴影，保持纹理整体影像颜色的均匀适中和真实、准确。

五、建模试验结论

研究表明：滕王阁景区的三维建模方法，采用倾斜摄影的影像数据，其所构建的三维模型，具有信息丰富，形象真实，纹理清晰，准确完整的特点，全面实现了景区场景的实时漫游与交互功能，从而能使游客在多个角度下欣赏立体景观，有效弥补了基于正射影像应用建模的不足，实现过程快捷简单，可视化效果形象逼真，且易于集成与共享，这为滕王阁景区旅游提供了一种全新、漫游和互动式的资源共享手段，满足滕王阁景区旅游发展的需要。

参考文献：

[1]苏建云.旅游信息三维平台设计[J].湖北民族学院学报[J].2015（9）.

[2]国家测绘地理信息局.三维地理信息模型生产规范CH/T 9016-2012[S].北京：测绘出版社，2012.

[3]周杰.基于倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的方法研究[J].价值工程.2016.35（25）.

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【关键词】颌面部；三维重建；解剖

手术学熟悉颌面部的解剖特点，是颌面部外科治疗和诊断的基础，以往解剖学教学是通过标本和理论进行的，缺乏立体、动态感。本文利用螺旋CT扫描的断面三维重建了一个颌面的解剖模型，目的探讨颌面部的立体、动态解剖关系。该模型可以用来教学，在模型上可以完成术前手术模拟工作，指导手术的完成[1，2]。

1 材料与方法

一个69岁男性，在告知研究目后、自愿同意情况下，进行了颅脑CT扫描。，使用SOMATOM 螺旋 CT 机行头颅常规容积扫描， 电压120kV，电流 252mA，视野（FOV ）183mm，层厚0.6mm，间距0.3mm，探测器层列20×0.6，重建矩阵512×512，螺距0.348，扫描起始线低于常规听眦线。该患者的颅脑CT图像用来进行三维图像重建，将图像输入后台工作站进行重建，对每例患者均运用表面遮盖法显示（SSD）法和容积绘制法显示（VR）进行三维图像重建，在模拟系统内，动态地观察重建图像，选择合适的角度进行拍照保留。

2 结果

获得了颌面部三维模型，该模型可以动态地显示颌面的骨性解剖特点。颌面部的前面观：颌面部有下颌骨、上颌骨、颧骨、鼻骨、颞骨和额骨组成。上颌骨和鼻骨形成鼻裂孔，位于颌面部的中央，其上侧两方为眼眶，下方为上、下颌骨围成的口腔；在眼眶上缘中点偏内见眶上孔，有眶上神经血管通过；在眼眶下缘中点见眶下孔，有眶下神经血管通过；在下颌骨中线偏两侧可见下颌骨孔，是下颌神经及血管进过的地方。颌面部的侧前面观：从侧前可以显示颞骨的颧突和颧骨的颞突形成颧弓，颧骨、额骨和上颌骨形成眼眶的外侧壁，下颌骨后上部分有冠状突和髁突。颌面部的后面观：颌面部的后面观察到额骨和蝶骨形成的前颅窝和中颅窝，蝶骨大小翼形成眶上裂，是动眼神经、展神经、眼神经、滑车神经及眼眶的静脉出入颅腔的地方。

3 讨论

随着现代计算机技术的发展，诞生了计算机三维重建和显示的新技术，在医学领域，主要用于人体器官的三维重建和仿生研究[3]。现代CT技可以获得容积扫描数据，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构重建，本研究利用一例颅脑CT扫描数据，三维重建了颌面部的解剖模型，该模型可以用来进行虚拟颌面的解剖过程，对于有关结构可以进行任意分离、组合、旋转和切资料，以及数学建模等方割，从多方位、多角度观测颌面部的解剖特点。临床上数据来源主要有解剖断层、影像法获得的数据。随着CT、MRI、DSA等影像学检查手段的普及和推广，临床上很方便地获得大量人体器官断层资料，完成颅脑、骨骼及血管等三维图像，已广泛应用于导航手术、骨科手术及心脑血管介入手术等。数字化影像学技术已广泛应用到临床工作，并取得很大效果。但是，数字影像资料准确性受影像质量的影响。如MRI影像由于受磁场的不稳定、容积效应及后期处理技术的影响，图像易产生扭曲变形从而影响影像学信息的准确性。CT通过X线直接获取形态学信息，图像直接反映人体的解剖学特点，有较高的准确性。因此本文选择颅脑CT断层三维重建颌面的解剖模型[4]。该模型动态地显示颌面部有以下特点：颌面部有下颌骨、上颌骨、颧骨、鼻骨、颞骨和额骨组成。上颌骨和鼻骨形成鼻裂孔，位于颌面部的中央，其上侧两方为眼眶，下方为上、下颌骨围成的口腔；在眼眶上缘中点偏内见眶上孔，有眶上神经血管通过；在眼眶下缘中点见眶下孔，有眶下神经血管通过；在下颌骨中线偏两侧可见下颌骨孔，是下颌神经及血管进过的地方。颞骨的颧突和颧骨的颞突形成颧弓，颧骨、额骨和上颌骨形成眼眶的外侧壁，下颌骨后上部分有冠状突和髁突[5]。普通CT断面属于二维断层，只能表达某一截面的解剖信息，临床医生凭借这些图像信息进行诊断治疗具有很大的局限性，缺乏一个立体的概念，可能忽视一些病变的细节，导致误诊，治疗效果不满意。本实验利用CT扫描所获取丰富的数据信息，应用三维重建软件，采用表面容积方法重建了颌面部的三维模型。该模型为三维可视化数字模型，轮廓清晰，可以随意旋转和拼组、分割，以任意角度观看，可以帮助临床医生掌握颌面部的解剖特点，进一步开发虚拟手术系统，进行术前模拟操作，完成术前计划[6]。

参考文献：

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[4] 程勇， 陈卫国， 牛艳坤. 医学图像后处理技术研究进展. 医疗卫生装备， 2005， （26）： 23-25.

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三维数字技术的发展，使得越来越多的三维数字影像作品走进了人们的生活。无论在动画、游戏还是一些影视作品中，那些生动逼真的数字影像给我们带来的是视觉上的震撼和无穷的想象。画面的逼真度，在一定程度上代表了三维影像发展的特点和方向。如早期的科幻影视作品《星球大战》，当时的三维数字技术还不成熟，为了达到逼真写实的场景效果，工作人员制作了许多场景的实物模型进行拍摄，虽然在一定程度上模拟了一种逼真光影效果的幻想空间，但是现在看来，场景模型的细致程度和自然光影的应用效果还是没有达到一种真实的状态。

在如今的科幻电影中，三维技术的成熟使之产生了革命性的蜕变。在《变形金刚》、《阿凡达》等一系列科幻电影中，已经达到了幻想与现实的完美结合。在我们生活的真实环境中，不难发现，物体的造型和光影的照射决定了画面真实的程度，而所有真实的画面都是基于自然环境下的物体的表现。那么三维影像的发展，简单的说就是模拟自然的一种发展过程。三维影像的制作，虽然是基于计算机数字技术的应用，但是在画面的表现上还是根据真实自然状态下的规律，就是利用物体的造型和光影。

三维影像技术发展至今，围绕着决定画面真实性的造型和光影两个因素，已有了很大的突破。极负盛名的Vray和Mentalray渲染器，就是关于自然真实光影效果的解决方案。对于物体的造型制作来说，有曲面建模、多边形建模和细分建模等一些建模方式，来针对不同的物体造型进行制作。对于一个真实的影像画面，不仅要有一个自然真实的光影体系，更重要的是具有真实可信的物体造型。只有物体造型准确细致，才能更好地展现光影带给它的真实性和厚重感，也才能创造出更可信的画面。

数字雕刻是近几年发展起来的关于制作超写实三维模型的一项技术，最具代表的就是Zbrush和Mudbox两款雕刻软件。这项技术的诞生，让超写实三维模型的制作不再是一项庞大的工作。其带给我们的最直观的表现就是在科幻电影中呈现的超写实的数字场景和角色，还有在次时代游戏中的真实画面。这项技术的原理非常简单，就是利用现实中雕刻的方式去制作数字化的场景和角色，省去了传统模型制作中大量顶点的编辑工作，从而让模型的制作在时效和质量上达到了一个契合点，在高效率的前提下大大提高了作品的质量。下面笔者将以写实大象模型的制作过程，来介绍一下数字雕刻技术在写实模型制作中的应用。

一、了解物体的结构

在模型制作之初，我们都要先去了解物体的结构，特别是生物模型。对于物体造型和结构的了解，可以让我们在后续的制作工作中更好地把握物体造型和结构的准确性，这也是保证模型最终是否真实的一个决定性因素。我们可以根据真实的图片或者一些解剖图，来观察和记录大象的骨骼肌肉结构，做到心中有数，并且在后续的制作环节中要不断地进行比对和观察（如下图）。

二、构建物体的框架

在进行过对大象结构的了解后，下面就可以进行第一阶段的制作工作了。在模型的制作起初，先要来制作模型结构的大体框架，方式是很多的。目前业内较流行的制作方式大体有三种：第一是在传统的三维软件中进行第一阶段的大型制作，然后导入到雕刻软件中进行细节加工；第二是直接在雕刻软件中利用基础物体进行雕刻，直至制作完成；第三是直接在雕刻软件中利用四足动物的基础模型进行雕刻到最后制作完成。对于以上三种方法，主要还是根据个人的制作习惯和对造型的把握能力的高低来选择。第一种方法的好处是可以按照物体的结构进行精确的布线，为后期的雕刻奠定良好的基础，还可以比较快速精确地把握物体的大体结构。后两种方法的好处是制作环节简单，但是对于造型能力的把握要求较高，不利于模型布线，对以后需要动画的物体模型还要进行重建拓扑的工作。本例将使用第一种方法，这样可以更好地体会布线对后期模型细节的雕刻所起的作用。首先使用三维制作软件进行大体的造型制作。这里用到的是Maya软件。对比之前观察的样图，来制作大体造型，注意各个结构之间的比例（如下图）。这里用到的是多边形建模，其好处在于能够灵活快速地把握物体的形体，并能为物体的结构建立自由的线框分布。的文件格式，这个格式是三维制作软件的通用格式，为导入到雕刻软件做准备。

三、深化物体的结构

在物体基础造型完成后，就要在雕刻软件中进行深入加工了。把存为obj格式的物体模型文件导入到雕刻软件中，这里用到的雕刻软件为Zbrush（如下图）。在制作物体大体结构造型的时候，要注意布线，尽量按照布线均匀的原则来制作。均匀的布线可以为后面的雕刻工作奠定便利的基础。因为在雕刻软件中，模型的雕刻实质上也是基于顶点移动的原理。那么在光滑增加顶点雕刻细节的时候，就能够得到平均统一的顶点数量，以此达到一致的细节表现。在大体形态结构的制作中，要做到结构明确、布线合理均匀、比例准确。制作完成的基础造型（如下图），选择物体后输出文件后缀名为obj在导入到Zbrush后，可以看到物体呈现为类似于红泥颜色的模型效果。在这里，我们可以看到模型表面的面片数量和Maya中的一样，还处于数量极少的模型状态。在此基础上，雕刻的第一步是继续调整模型的形态和大体结构。在Zbrush中，利用“移动笔刷”（如下图），这可以非常快捷地对物体的形态进行调整。大体形态调整完成确定后，下面就是对物体的结构进行深入的雕刻。在雕刻之前，要对物体模型进行细分的操作，就是增加物体表面的顶点数量，模型细分级别增加到三级（如下图）。顶点数量越多，代表着对细节的雕刻能够越深入。但是对于顶点数量的增加，还是根据制作的进度来增加的，不能在模型最初的阶段把顶点数增加到最后细节表现的数量上，这样会为造型结构的把握造成困难。基础工作准备完毕后，就可以进行结构的深入雕刻了。在雕刻工具使用中，运用默认的常用雕刻笔刷就足够了。在这个阶段的雕刻中，要多观察实物样片中大象的肌肉结构和面部骨骼结构，准确把握骨骼肌肉分布情况，这些都是达到最终写实模型的基础（如下图）。

四、细节表现

观察并确定第二阶段的模型结构形态的雕刻工作准确无误后，接下来的工作就是进入到雕刻中最为精彩的部分了——细节的表现。在此例中，大象的结构造型制作完成后，骨骼肌肉的表达已赋予了模型在力量上的表现力，但是与写实还有一定的距离，这就表现在大象皮肤的质感上。观察样片知道，大象的皮肤是一种非常粗糙并具有类似菱形状的纹理构造，那么在细节的雕刻和绘制中就要去模拟这么一种皮肤质感。在细节绘制之前，要确定模型有着足够的细分级别。对于皮肤细小的细节处理，模型的细分级别最少要提高到六级。

在Zbrush中，对生物皮肤的雕刻处理，一般会采用Alpha纹理笔刷的方式，为模型进行皮肤的细节处理。在Alpha纹理中，可以查找与生物皮肤纹理类似的纹理图像（如下图），以此来进行雕刻处理，甚至可以把与之相同的皮肤纹理图像贴到模型的表面，大大提高了制作的效率。在表现细节雕刻的制作中，要保持十分的耐心和信心。把握住实物样片中所传达出的细节特征，在不断地对比和参考中进行雕刻制作，相信要达到最后的成功也只是时间的问题了（以下是最终的模型完成图）。

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关键词：固结；运移；耦合；三维模型

中图分类号：TU431文献标志码：A文章编号：16744764（2015）03005310

Abstract：The coupling effect of consolidation caused by the waste and the cover， and the solute transport has been widely studied in the field of environmental civil engineering. Based on Biot consolidation theory and solute transport theory， a threedimensional coupled model of consolidation and solute transport is thus developed and in the modeltheporosity is thecoupled parameter and consolidation equations is linked with transport equations.The influence of consolidation on solute transport parameters is taken into consideration as well.. Then， the 3D model coupling the consolidation and solute transport is establishedusing the finite elementsoftware COMSOL Multiphysics.The numerical results show that consolidation deformation retards the transport process of solute leading to decrease in contaminant plume and the transport depth in vertical direction and has a strong and longterm influence on the transport of soluteThe transport distance decreasing rate increased over time and reache27.75% in 20 years ； the transport distance in the horizontal direction of contaminant concentration increases with the increasing of lateral hydraulic gradient.

Key words：consolidation；transport； coupled； threedimensional model

目前，中国存在大量的简易废物堆场和疏浚底泥堆场，直接建立在未作任何防渗措施的天然土层上。渗滤液一旦穿透防渗垫层，对地下水的影响将是长期的和巨大的。因此，研究溶质在黏土防渗层中的运动规律，从保护地下水和保护环境的角度而言，是最值得关注的，亦可评估黏土作为环保防污屏障的有效性。在多种环境岩土工程项目运营机理中，都包含了两类过程：一是物理化学过程（主要是溶质的运移过程和稀释过程）；二是岩土体的力学变化过程（主要是渗流过程和固结过程）。目前，对溶质在固结变形土体中的运移规律已引起相关学者的高度重视。

Smith[1]从固结土的应变分析及溶质质量守恒定律出发，建立了溶质在可变形饱和多孔介质中运移的一维理论，分别讨论了多孔介质小变形和大变形情况下的溶质运移问题，并指出研究大变形情况下溶质运移问题的重要性[2]。Alshawabkeh等[35]将溶质质量输运过程与基于Terzaghi固结理论的黏土固结过程相耦合，建立了溶质一维输运模型。Fox [6]、Arega等[7]、Fox等[8]以及Lewis等[9]基于大应变固结理论，建立了饱和多孔介质中考虑大应变固结和污染物运移的耦合数学模型。Witteveen等[10]以非膨胀伊利土为试验研究对象，开展了土体的化力耦合特性试验研究，给出了渗透吸力与初始固结系数以及渗透吸力与屈服应力之间的关系表达式，建立了考虑化学力学耦合特性的本构模型。Zhang等[11]提出了部分饱和多孔介质固结与溶质运移一维耦合模型，同时，考虑了多孔介质的有限应变以及几何与材料非线性的新特征。模型综合比较论证了有限应变、孔隙水的可压缩、纵向弥散以及饱和度的重要性。张志红、许照刚等[1216]在比奥固结理论的基础上，通过固相速度这一参量将固结理论与溶质运移理论相耦合起来，建立了考虑土体固结小变形的一维溶质运移模型并分别给出其解析解和数值解。薛强等[17]基于多孔介质气水固耦合和微生物降解理论，建立了描述这一复杂动力学行为的气水固耦合数学模型，并给出了耦合模型的数值格式。以上溶质在固结变形粘土防渗层中的运移规律研究大部分理论模型都是一维形式，且较少考虑溶质运移对土体固结变形的影响。

本文在比奥固结理论和溶质运移理论相结合的基础上，通过溶质浓度与孔隙水压力之间的关系，以孔隙率作为耦合参量，建立溶质在固结变形土体中运移的三维耦合模型，并采用数值方法进行求解，揭示了溶质在变形土体中随时空的运移分布规律。该研究对于堆场防渗系统的设计、管理和维护以及环境安全性评价具有重要的理论价值和实际意义。

1模型的建立

1.1基本假定

1）土体为饱和、小变形、线弹性均质连续体；

2）土颗粒和孔隙水不可压缩；

3）渗流服从达西定律；

4）土体为弥散各向同性；

5）土体中渗透速度主方向与选择的坐标一致。

6）假定流场为均匀稳定流场。

1.2比奥固结理论

比奥固结理论考虑了各向同性的饱和土单元体在外力作用下的平衡条件，土骨架的线性变形和孔隙水渗流的连续性条件。三维比奥固结理论可以用数学方程描述如下：

2.2模型数值求解

由于本模型考虑了渗流场、应力场以及浓度场的多场耦合作用，因此，利用大型多场耦合有限元软件COMSOL Multiphysics对模型进行数值模拟求解。COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。

利用COMSOL Multiphysics对模型控制式（1）、（2）、（4）、（5）进行数值模拟求解，得到黏土层中溶质浓度随时空的运移分布规律。

3.1固结压力对溶质扩散范围的影响

研究溶质在黏土防渗层中的运移规律，主要目的是为了预测溶质在填埋场规定使用年限内运移的距离，是否穿透了防渗层，会不会对周围环境以及地下水造成二次污染，为废物堆场的风险性评估提供科学依据。

根据《中华人民共和国地下水质量标准》的有关规定，氨氮浓度大于0.2 mg/L的地下水视为被污染，故本文定义孔隙水中的溶质浓度超过该限值的范围为溶质运移距离，对于线性吸附模式，不同固结压力作用下溶质在竖直、水平方向运移的距离如表4和表5所示。

从表4、表5可以看出，对于特定的运移年限，固结压力越大，溶质在土层中的运移深度或距离则越小，造成这种现象的原因主要是由于不同固结压力作用下土体压缩变形量不同，导致不同固结压力对溶质扩散规律的影响不同。在外荷载的作用下土体被压缩，孔隙水排出，孔隙率减小，溶质运移通道变窄，而溶质运移中对流、水动力弥散等参数均与孔隙率密切相关，孔隙率变小使得对流弥散作用被削弱，从而阻滞了溶质的运移，并且固结压力越大，土体压缩变形量就越大，对溶质运移的阻滞作用就越强。因此，在相同的运移年限内，溶质运移深度或距离随着固结压力的增大而减小。从表6可以更直观

的看出，无论是竖直向还是水平向，防渗层固结变形均会导致溶质运移深度（距离）的减小，并且随着运移时间的增长，运移深度的减小率逐渐增大，表明随着运移时间的增加，压缩变形导致的溶质运移深度（距离）的减小量逐渐增大，即压缩变形对溶质运移过程的影响是持久性的。

将考虑土体固结变形时溶质的运移规律与不考虑土体固结变形时溶质的运移规律（固结压力为零）进行对比，结果表明，对于特定的运移年限，考虑土体固结变形时溶质迁移的距离比不考虑固结变形时溶质迁移的距离要短，对堆场防渗垫层的设计及使用年限的提高具有较强的指导作用。

从图4、图5可以看出，对于特定的运移年限，固结压力越大，溶质在土层中的运移深度和水平距离越小，在图4、图5中表现为溶质浓度峰面随着固结压力增大而左移，同时还可以看出，随着运移时间的增加，与不同固结压力对应的溶质浓度峰面逐渐变的稀疏，说明随着运移时间的增加，固结压力取值的不同对溶质运移规律的影响逐渐增大，即相同增量固结压力对应的溶质迁移距离逐渐增大。

3.2横向水力梯度对溶质水平向运移距离的影响

在计算中，取纵向水力梯度，为分析横向水力梯度对溶质水平向运移距离的影响，改变横向水力梯度，并假定与纵向水力梯度具有一定比例关系，变动方式为：1）ix/iz=1，ix=5.8；2）ix/iz=0.5，ix=2.9；3）ix/iz=0.8，ix=1.16。上述3种情况的计算结果如表7所示。

模拟的不同横向水力梯度作用下溶质水平向运移如图6所示。由图6以及表7发现，横向水力梯度对溶质水平向运移具有较大影响。随着横向水力梯度的增大，溶质在水平向运移距离也随之增大，对于河流湖泊等疏浚底泥废物堆场，水头可高达到30 m以上，横向水力梯度也会超过10，这种实际工况下溶质在水平向运移距离就比较远，影响范围也变的很大，故不能将之忽略。在堆场防渗垫层设计及服役过程中，应考虑这一因素的影响。

3.3模型验证

一方面由于溶质在黏土衬垫中运移速度慢，衬垫设计击穿时间一般达数十年，普通的室内土柱试验，无法进行如此长时间的模拟，另一方面像垃圾填埋场这样比较大的场地，室内实验也是无法进行的，三维实验就更加困难。詹良通等[20]利用400 gt土工离心机模拟了高水头条件下氯离子在高岭土衬垫中的一维运移及击穿过程。离心机具有缩时缩尺效应，可以大大缩小实验模型的尺寸以及缩短模拟的时间，因此，可以把本文三维模型退化为一维，然后再与詹良通等的实验进行对比验证。

基于此，采用与詹良通等相同的计算条件及参数，对此问题进行了对比计算，计算结果示于图7，由图7可见，对于溶质在变形土体中的运移问题，詹良通等的实验结果与本文的数值模拟结果比较吻合，从而验证了该理论模型的合理性以及计算结果的正确性。

4结论

1）以孔隙率作为耦合参量，将Biot固结理论与溶质运移理论相耦合，建立了溶质在变形多孔介质中的三维运移模型。采用有限元软件COMSOL Multiphysics对三维耦合模型进行数值求解，研究了固结压力与横向水力梯度的变化对溶质浓度随时空分布规律的影响。

2）将考虑土体固结变形时溶质的运移规律与不考虑土体固结变形时溶质的运移规律进行对比，结果表明，对于特定的运移年限，考虑土体固结变形时溶质迁移的距离比不考虑固结变形时溶质迁移的距离要短，对堆场防渗垫层的设计及使用年限的提高具有较强的指导作用。

3）横向水力梯度对溶质的水平迁移影响较为显著，对于水力梯度较大的河流湖泊等疏浚底泥废物堆场，溶质在水平向的运移范围对周围环境的影响不容忽视。

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篇8

结果 下颌角区骨折断端截面上产生弯矩及剪应力最大，下颌体部骨折断端截面上产生的弯矩及扭矩均较大，正中联合部骨折断端截面上只产生负弯矩。所有部位骨折离骨折部位越远，剪应力越小。

结论 实验结果揭示了下颌骨骨折骨断端的力学特征与骨折部位间的关系，客观地显示了骨断端力学变化特点与功能咬合点的动态变化关系。

【关键词】下颌骨骨折；三维力学模型；功能负载作者单位：136000吉林省四平市中心人民医院口腔科（陈红玉）；吉林大学口腔医学院（于子莹 刘春丽）本研究通过建立下颌骨三维力学计算模型系统地研究功能负载条件下，下颌骨不同部位骨折断面上的弯矩、扭矩以及剪应力与下颌牙列不同咬合点的动态变化关系，探讨咀嚼功能状态下，骨断端所产生的力学效应。

1 材料与方法

1．1 选取成年人尸体的发育正常且具有完整牙列的下颌骨标本6件，去除软组织（标本由吉林大学医学解剖教研室提供）。分别测量6件下颌骨标本双侧髁状突中心间距离以及右侧髁状突中心到下颌牙列功能负载点之间的垂直及水平距离。随机分成三组，二件一组，确定临床上最为常见的下颌角、下颌体部及正中联合区的单一线性骨折。骨折线均位于下颌骨右侧，其中下颌角骨折起自嚼肌粗隆前缘斜向上至右侧第三磨近中；体部骨折为通过右侧第一、二双尖牙；正中联合骨折为通过双侧中切牙之间。测量并计录骨断面中心至右侧髁状突的垂直距离。

1．2 以右侧髁状突为中心建立空间坐标系，X轴通过双侧髁状突中心，X-Y平面平行于下颌咬合平面，Z轴垂直于X-Y平面。下颌功能负载时关节区反应力（joint reaction forces Fjr）、咀嚼肌牵拉力（muscle forces Fm）以及下颌咬合力（bite force Fb）的作用线均垂直于X-Y平面。确定下颌牙列双侧第一、二磨牙，第一、二双尖牙、尖牙、侧切牙及双侧中切牙近中接触点等共13个咬合功能负载点。作用于磨牙、双尖牙、尖牙及切牙咬合力值比例为1．4∶1．1∶0．8∶0．7，平均咬合力值为100 N，磨牙119 N，切牙57 N。依据空间平行力系、静力平衡原理建立静力平衡方程：沿X轴的合力矩 ∑Mix=0沿Y轴的合力矩 ∑Miy=i5l沿Z轴的合力矩 ∑Miz=i=l计算下颌功能负载时不同骨折断面上弯矩（bending moment Mb）、扭矩（torsion moment Mt）及剪应力的大小，计算结果用Origin 6．0数据分析软件进行拟合处理。

2 结果

2．1 下颌角区骨折 骨断端载面上产生弯矩最大，最大弯矩出现于功能负载时非骨折侧的磨牙区。该截面上产生的扭矩较小。靠近骨折线的磨牙区负载时骨断端截面上产生的剪应力最大，离骨折线越远其剪应力越小。

2．2 下颌骨体部骨折 功能负载条件下颌骨断端截面上产生的弯矩及扭矩均较大，骨折侧磨牙区产生最大的负扭矩。剪应力在骨折线前后牙列咬合时变化明显，骨折后方负载时截面上受正性剪应力的作用，而在骨折线前方负载时截面上形成负性剪应力。

2．3 正中联合骨折 牙列各部位行使咬合功能时骨折截面上均只有负弯矩作用，最大弯矩出现在临近骨折的中切牙受力时。扭矩最大值产生于双侧尖牙区受力时。与前两部位骨折相比剪应力作用不明显。

3 讨论

下颌骨属于高应力骨，在功能负载情况下骨内应力分布复杂。功能负载时骨断端截面的移位由弯矩、扭矩及剪应力构成[1]。弯矩作用使前后骨断端产生轴心平行于骨折截面的弯曲移位运动，其中正弯矩作用导致骨折端下缘呈现挤压，同时牙槽区张开；而负弯矩作用效果相反，形成骨折下缘张开而牙槽区相互挤压。扭矩作用使骨断面产生颊舌向相对移位运动，其中正扭矩作用使后段骨断端下缘舌向移位，而前段下缘颊向移位，负扭矩作用时后段骨断端下缘颊向移位，而前段下缘舌向移位。剪应力作用与骨断面平行，正性剪应力使后段骨断端足向移位而前段骨折段颅向移位，负性剪应力使后段骨断端颅向移位，前段骨断端足向移位。

本研究建立的三维数学模型，能够真实地模拟下颌骨在体内的功能状态。模型建立数据来自于多具成人下颌骨标本的测量结果，将下颌功能活动时升颌肌群对下颌骨的作用进行矢量叠加，肌力作用符合体内生理特点[4-5]。研究中100N平均咬合负载的选择与骨折固定4周内的临床测定结果一致[6]。牙列中前后牙咬合力值之间0．7∶0．8∶1．1∶1．4的比例真实地模拟了体内实际咬合状况[7]。

下颌骨在功能负载活动时不同部位骨折骨断端截面上的力学特点存在着很大差异。下颌角区骨折呈现出高的正性弯矩和负性剪应力，提示该部位骨折的治疗需对抗骨断端间牙槽嵴区张开的弯曲运动和骨折线后段骨断端的颅向移位。下颌体部骨折骨断端截面上存在较大的正、负弯矩，而且存在较大的负性扭矩，治疗时应有效对抗骨折断端间的弯曲移位，以及有效地对抗骨断端的颊舌向扭转运动。正中联合区骨折功能负载时，骨断端仅产生负弯矩而扭矩及剪应力作用不明显，因此治疗主要以消除断端间产生的下颌下缘分离弯曲运动为主。

该模型的建立，其分析结果不仅揭示了下颌骨骨折骨断端的力学特征与骨折部位的关系，而且客观地显示了这些力学变化与功能咬合点间的关系。

参考文献

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［4］ Barbenal JC．The mechanics of the temporomandibular joint．A theoretical and eletromyographical study．J Oral Rehabil，1974，1:19．

［5］ 皮昕．口腔解剖生理学．人民卫生出版社，1994：186．

篇9

关键词： HTML5； WebGL； three.js； 三维模型； 数据驱动

中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）24?0083?04

Web?oriented 3D model generation and processing technology

ZHENG Hua1， SU Jingfang2

（1. Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050061， China； 2. Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050018， China）

Abstract： The introduction of WebGL standards accelerated the arrival of the Web3D era. The generation and processing of 3D model is the core in Web3D project. On the basis of the three.js engine， the data drive modeling， importing and processing of static 3D model， and importing and analysis of dynamic 3D model in the Web environment are introduced. The experimental results show that the Web3D technology based on WebGL platform and three.js engine can not only effectively achieve the data visualization and the database?oriented parametric modeling， but also has compatibleness with most of the industrial 3D models and support the whole Web3D project.

Keywords： HTML5； WebGL； three.js； 3D model； data drive

0 引 言

Web自20世纪90年代初诞生以来，经过20多年的发展，现在已经成为Internet上最重要、最普及的应用，从HTML 1.0到2.0，3.0，4.0，XHTML以及现在的HTML 5.0，但至今为止，主流的Web页面仍然是二维的，随着3D技术的日益普及，下一代Web技术正朝着3D方向发展。2013年5月，HTML 5.1正式草案公布，新增了Canvas标记，通过WebGL，允许浏览器直接在上面绘制矢量图形，目前HTML 5和Canvas 2D规范的制定已经完成。three.js是由JavaScript编写的WebGL第三方库，是一款运行在浏览器中的3D引擎，可以用它在Web中创建各种三维场景，比如3D对象、摄影机、光、影、纹理、材质、动画等。与传统的Web3D技术（如Flash3D、Unity3D、Silverlight等）相比，three.js的优势在于它不需要在浏览器中安装插件，用户可以通过JavaScript直接控制Web页面上的3D场景，不足之处在于它需要浏览器支持WebGL，到目前为止，火狐、谷歌等浏览器都支持WebGL，但微软的IE浏览器要11.0以后的版本才支持。

现在，主流的Web仍然是二维的，文本、图片、声音、视频仍然是Web的主要内容。通过与传统的Web技术相结合，three.js可以将二维数据以三维方式呈现出来，3D场景漫游将成为Web的主要内容，这对Web的影响是革命性的，本文重点探讨基于three.js引擎的各类三维模型的生成与处理技术。

1 数据驱动的三维建模

3D建模是构建三维场景的一个基本问题，一般的方法是先建模，然后渲染，最后输出成某种特定格式的模型或动画。当模型有变化时，必须重复执行上述步骤，也就是说，渲染结果一旦输出，就不可修改，无法实现实时变化。

Web的后台主要是数据，3D只是一种数据呈现方式，通过后台的数据驱动前台的3D场景和动画，即是数据驱动的三维建模，其意义在于通过修改后台的数据，即可触发前台3D场景的变化。

1.1 数据驱动建模的基本原理

与一般的建模不同，Web上的建模涉及带宽问题，模型数据需要先从Web服务器传输到客户机上，然后才能进行渲染，因此，模型本身不能太大，否则容易引起网页不响应；另外，由于Web是实时交互的，因此，模型数据要在后台以异步方式完成传输，如AJAX；由于three.js是基于JavaScript的，模型数据的格式最好能与之匹配，如JSON。

综上所述，Web3D建模过程的一种合理方式是：先通过Web服务器端的技术（如Asp，Java等）将后台数据格式转化成JSON格式，再以AJAX的方式将数据送往客户端，然后利用JavaScript调用three.js中相应的API，将数据以三维的方式显示出来，其原理如图1所示。

图1 数据驱动的三维建模原理图

1.2 数据驱动建模案例

下面的例子展示了一个基于Access数据库的数据（见图2）驱动的三维动画，描绘了太阳及其邻近的六大行星的运转情况，通过修改后台数据，可触发前台页面3D场景的实时变化，如图3所示。

图2 简单三维模型数据

如图2所示数据定义了模型（各星球）的形状（球形）、大小（半径）、坐标（距离太阳的距离）、外观（贴图文件）、运动方式（自传和公转的速度及方向）等基本属性，是一种很普通的关系数据。

在向浏览器端传输这些数据时，为减少数据转换的工作，一般采用JSON格式（和JavaScript天然适应）。另外，由于浏览器在渲染三维动画时比较消耗资源，一般采用AJAX异步通信方式（几乎所有的浏览器都支持）。

接下来调用three.js中的SphereGeometry（球体）函数显示这些星球即可。最后，为提高Web的交互性，可以加上3D声音和场景控制（如第一人称视角）。

图3 数据驱动的Web3D动画效果图

几个关键步骤的代码如下：

（1） 将模型数据格式化成JSON格式

//???Getmodels.asp

sql="SELECT * FROM 星球 order by id"

set conn = Server.CreateObject（"ADODB.Connection"）

conn_str="DBQ="+server.mappath（"star.mdb"）+"；driver={Microsoft Access Driver （*.mdb）}；"

Conn.Open conn_str

set rs=Server.CreateObject（"ADODB.recordset"）

rs.Open sql，conn

str=" {star：["

do until rs.EOF

str=str & "{"

for each x in rs.Fields

str=str & "′" & x.name & "′：′" & x.value & "′，"

next

str= left（str，len（str）?1） +"}，"

rs.MoveNext

loop

str= left（str，len（str）?1） +"]}"

response.write（str）

%>

（2） 通过AJAX获取模型数据

var obj；

function getstarpara（）{

var xmlhttp；

if （window.XMLHttpRequest） {xmlhttp=new XMLHttpRequest（）；}// code for IE7+， Firefox， Chrome， Opera， Safari

else {xmlhttp=new ActiveXObject（"Microsoft.XMLHTTP"）}； // code for IE6

xmlhttp.onreadystatechange=function（） {

if （xmlhttp.readyState==4 && xmlhttp.status==200）{

var txt=xmlhttp.responseText；

obj = eval （"（" + txt + "）"）；

}

}

xmlhttp.open（"GET"，"getmodels.asp？k="+Math.random（），true）；

xmlhttp.send（）；

}

（3） 通过three.js引擎生成3D模型

var sun；

var texture = new THREE.MeshPhongMaterial（{map： THREE.ImageUtils.loadTexture（′images/′+obj.star[0].tietuwenjian），emissive：0xffffff}）；

sun = new THREE.Mesh（new THREE.SphereGeometry（Number（obj.star[0].banjing），20，20）） ，texture）；

scene.add（sun）；

sun.position.set（Number（obj.star[0].juli），0，0）；

该方法的局限性在于他只能表示一些基本的、规则的三维模型，如立方体、球体、锥体等，模型本身所需要的数据很少，而且可以方便地通过关系数据库存储，因此，在实践中有一定的局限性。

现实中各类工业模型一般会复杂得多，而且很难直接通过数学函数来表达，而且他们一般都使用某种专门的工具建立，具有某种特殊的格式，如Autodesk 3DS Max下的.3ds，Wavefront下的.obj等。

2 复杂静态三维模型的导入及处理

一个典型的静态三维模型中包含了几何体顶点、贴图坐标点、顶点法线、线、面、曲线、曲面等信息，将这些数据以关系数据库的方式存储是不太现实的，因为数据量太大且难以控制。更好的处理方式是直接在建模工具中将模型建立好，然后输出成特定格式的模型文件，直接在Web3D中加以利用。这就涉及到三维模型的导入及处理问题。

由于没有一个统一标准，过去用于工业建模设计上的交换格式，例如Autodesk 3DS Max下的.3ds和Wavefront软件下的.obj，现在成为了最具代表性的两种主流静态模型格式。其中.obj格式由于没有专利限制，使用文本存储，而被大家广泛采纳。

Three.js中的OBJLoader（）和OBJMTLLoader（）类专门用于导入和处理obj格式的模型，下面的代码导入了一个挖掘机的静态模型，如图4所示。首先在建模工具中建立好模型，然后输出成.obj格式，假设模型文件命名为“wjj.obj”，导入模型的关键代码如下：

var obj=′model_obj/wjj.obj′； //模型文件

var mtl=′model_obj/wjj.mtl′； //贴图文件

var loader = new THREE.OBJMTLLoader（）；

loader.load（obj，mtl，function（object）{

object.position.set（0，0，0）；

scene.add（ object ）；

} ）；

图4 静态模型的导入

静态模型本身是静止的，程序能做的事情只能是改变他的坐标位置、旋转角度和显示比例，通过改变这些参数，也可以实现三维动画效果（参考第一个例子）。

3 复杂动态三维模型的导入及处理

一个典型的动态三维模型中包含了顶点、纹理、骨骼、蒙皮、动画等信息，与静态模型相比，动态模型需要存储的信息更多，控制也更复杂，因此也更加适合用导入的方式来处理和使用。

随着硬件和技术的发展，三维建模逐渐从静态模型向“帧动画”和“骨骼动画”发展，ID Tech下的.md，Autodesk下的.fbx，以及非盈利性组织Khronos负责维护的.dae格式成为了主流的动态模型格式。各种模型格式之间可以通过插件互相转换，因此对于Web开发者来说，并不需要完全弄清每种模型的详细格式，选择当前最为流行的一种格式即可。

Dae格式由于其开放性而成为目前应用最普遍的一种动态三维模型格式，他使用XML格式存储，结构灵活，运用自由度很高，图5展示了一个典型的dae文件结构。

图5 一个典型的dae文件

对于动态模型来说，将其导入到三维场景的方法和静态模型是基本相同的，但动画部分需要程序员通过JavaScript来控制，这是难点所在。

Three.js中的ColladaLoader（）类专门用于导入和处理dae格式的模型，下面的代码展示了一个顶点变形动画模型在导入和处理过程中的关键代码：

var md="model_dae/wjj.dae"；

var loader = new THREE.ColladaLoader（）；

loader.load（md， function （ collada ） {

dae = collada.scene；

skin = collada.skins[ 0 ]；

dae.position.set（0，0，0）；

animate（）；

} ）；

function animate（） {

var delta = clock.getDelta（）；

if （ t > 1 ） t = 0；

if （ skin ） {

for （ var i = 0； i < skin.morphTargetInfluences.length； i++ ） {

skin.morphTargetInfluences[i]=0；

}

skin.morphTargetInfluences[Math.floor（t*30）]=1；

t += delta；

}

requestAnimationFrame（ animate ）；

}

在Web3D中，动态模型一般是循环播放的，three.js通过requestAnimationFrame函数实现动画效果，它很类似于setTimeOut函数，但又略有区别，一是当标签页失去焦点时，它就不再运行了，二是该函数目前还是依赖于浏览器的，以后可能还有变化。

4 其他三维模型的导入及处理

其他常见的3D模型格式还有：vtk，wrl，utf8，stl，ply，JSON等，这些模型中的大多数three.js都提供了相应的接口，如：CTMLoader，PLYLoade，BinaryLoader，VTKLoader，STLLoader，UTF8Loader，VRMLLoader等，在处理方法上与obj或dae格式大同小异。

5 结 语

至此，完成了数据驱动的三维模型、复杂的静态三维模型和复杂的动态三维模型的处理工作，大多数情况下，这三种模型能够支持一个完整的3D场景了。与普通的视频不同，在Web3D中，由于所有的动画都是实时渲染的，对CPU和GPU资源的消耗很严重，对于大型的3D场景，要有一定的优化措施。

（1） 渲染效率问题

笔者曾做过实验，在3D场景中加入一个半径为2 000的球体，如果加上灯光和阴影，在一台普通PC机上需要近2 min的时间才能渲染出来（FireFox浏览器），如果再加上动画，网页基本处于“未响应”状态。造成这种情况的根源在于three.js是以三角形为基础来构建3D模型的，在一个半径为2 000的球体平面上会有大量的三角形，他们都需要独立渲染。因此，在进行Web3D开发时，应尽量减少使用弧面模型，如果必须使用，则应尽量缩小其尺寸。

（2） 碰撞检测问题

Three.js没有提供碰撞检测机制，即在改变模型的坐标时，会出现一个模型进入另一个模型内部的问题，这部分工作需要开发者自己编程解决，一种简单的算法是AABB算法，即沿坐标轴方向的包围盒算法。

参考文献

[1] 谭文文，丁世勇，李桂英.基于WebGL和HTML5的网页3D动画的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011（28）：6981?6983.

[2] 苏雪.基于WebGL标准的家庭娱乐终端上Web3D渲染的实现[J].长江大学学报：自然科学版，2011（12）：102?104.

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[4] 殷周平，吴勇.基于WebGL和AJAX的Web3D应用研究：以在线3D协作交互式设计为例[J].安庆师范学院学报：自然科学版，2013（1）：58?61.

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篇10

关键词：采空区；C-ALS；三维模型；超挖；欠挖

中图分类号：TD852；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：

Study on laser detection of cavity and visualization of three-dimensional model

SU Cheng-zhe1 ZHANG Gou-shen1 KONG Jiao-jiao1 PENG Lin2

（1.Lanzhou Engineering＆Research Institute of Non-ferrous Metallurgy Co.Ltd., Lanzhou 730000,China

2. Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000，China ）

Abstract: The traditional geophysical method for cavity detection, being of low accuracy and impacted by geological and topographical conditions, is difficult to accurately obtain the three-dimensional shape of the empty area, the actual boundary, the size and so forth. 3D physical model for the cavity is built through the combination of survey data which is from the detection for the cavity formed by mining in anqing copper mine with using C-ALS and the functions of superior modeling software SURPAC and powerful mapping software CAD. Through composite comparing with three-dimensional model of stope design unit, the established model can accurately calculate the capacity for over--excavation and under—excavation of the gob by doing Boolean operations, which can also provide a scientific and accurate data for engineering and technical personnel to assess the blast effect, to govern the latter part of the empty area and to carry out the poor damage control.

Key words：Cavity ; C-ALS; 3D modle; Over-excavation ; Under- excavation

0 引 言

金属矿床开采过程中形成的采空区受地压和围岩稳定性的影响，容易发生围岩冒落、片帮，使采空区的实际边界呈现复杂且不规则形状，与原设计的开采边界对照存在较大的差异，如何准确的测定空区的实际形状，掌握采场的超挖量和欠挖量已经成了很多矿山亟待解决的现实问题。