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摘要 Cult3D作为窗口型软件环境下的虚拟实现平台，以及其使用简捷、应用广泛、效果精美的特点，被众多展示系统所采用。应用三维软件将机载设备按实际结构与尺寸建模，实现仿真互动，足不出户就可以学习、了解、操作和展示增雨作业新设备的原理及应用。Cult3D的跨平台特点，方便展示在不同的平台，结合工作需要，并对未来展示与应用进行了展望。
关键词 3D建模；虚拟实现；Cult3D；飞机机载增雨作业；新设备；应用
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）09-0226-03
Abstract As the virtual reality platform in the window software environment，Cult3D is used in more and more show software because of its easy usage，extensive，application and exquisite effects. An virtual designed model on the Cult3D platform was introduced according to the actual structure and size of the airborne device. Users can learn and understand the principle and application of the new airborne rain enhancement device. Meanwhile by the Cult3D cross-platform feature，this software could be ported to other platform，also according to need of the work，the exhibition and application in the future was prospected.
Key words 3D modeling；virtual reality；Cult3D；aircraft artificial precipitation；new equipment；application
虛拟实现技术是20世纪末才兴起的一门崭新综合信息技术，它融合了多种计算机技术的发展，随着计算机技术的发展和网速的提高，在网上实现3D物品互动展示和操作已成为现实，用计算机模拟的三维环境对现实真实环境进行仿真，用户可以进入这个环境，可以控制浏览方向，并操纵场景中的对象进行人机交互。浏览者只需用鼠标进行简单的操作，就可以对页面中的逼真物体模型进行全方位的观看，还可以对物体进行拉近、拉远、放大、缩小、旋转、互动操作等，让浏览者能够真实地感受到物体的相关属性，现在多用于电子商务和产品展示中，目前少数发达国家在经济、艺术、军事等多方领域已开始广泛使用这种高新技术，并取得显著的综合效益。
目前，虚拟实现（Web3D）技术发展已有许多种，最主要的几种已广泛应用于网上3D展示，Cult3D脱颖而出，Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术，是一种跨平台的3D渲染引擎，有高效的压缩技术，使用户通过因特网访问Cult3D内容，文件量小，传播速度快，可通过普通拨号上网的用户完全可以接受，Cult3D是众多Web3D中最友好的，轻松开发出具有交互功能的Cult3D对象。它作为窗口型软件环境下的虚拟实现平台，其主要目的是在网页上建立互动的三维模型。这种互动的三维模型与3D或2D软件制作的平面图或视频动画有着本质的区别：一是它具有自由的视点，Cult3D不再满足于一个固定的角度来展示作品，而是把对作品的欣赏权完全交给使用者；二是具有强大的交互能力，人不仅可以通过鼠标直接对三维模型进行交互操作，而且可以通过健盘控制三维模型的动作或控制摄像机导航[1]。它的另一个特点是可以作为元素（控件插件）插入PC编程平台，将这一技术移置到Office、Authorware，使用效果非常好。设计制作出的甘肃省人影新设备互展示系统得到各位同行和专家的好评。图1为Cult3D的工作流程。
1 AgI发生炉
1.1 原理与建立模型
AgI发生炉由控制仪和发生器组成，控制仪主要控制发生器点火、喷燃液及供发生器控制电路、电源等组成；发生器内部由控制喷液装置和电路与控制点火电路装置，外部由发生器贮液箱、点火针（静电发生）、加液孔、放液孔及加液漏斗组成。AgI发生炉增雨作业流程（图2）所示，发生炉作业分地面准备、作业段、作业完成3个阶段；根据以上特点，在建模时由于内部电路控制部份及相应装置是不可见的，不可操作部分，建模时尽可能简化，以减少文件大小，可见部分是加液盖、放液盖、点火针、加液漏斗及发生器主体外观，根据实物外观及相关尺寸和图片资料在3DMAX下建模，设置精确贴图和材质，保持模型与实物的真实完整性，输出发生器.c3d文件，同时可反复预览修改，反复调整，直到与实物接近。
1.2 建立互动
将所生成的发生器.c3d文件在Cult3d Designer5中进行互动操作设计，对发生器而言，在建模过程中所存在的层次关系（父子关系）及作标系统在Cult3D中得到继承，在Scene Graph窗口中可见，对发生器互动主要加入一些Actions，发生器主体加入按鼠标左键响应Acrball行为，这样可对整个发生器进行拉近拉远、放大缩小随意旋转观看发生器的各部位及结构。对发生器加液盖漏斗分别按鼠标左键响应Translation XYZ和Translation Y的位移行为，取得合理的位移值，完成加液操作过程，最后完成其他设计，经调试输出发生器.co二进制编码文件直接在各平台及网络观看（图3）。 2 液氮播洒装置及操作
2.1 原理与建模
液氮播洒装制根据液氮容器内外气压差的原理完成在作业中施放液氮，作业过程中插入铜管自动虹吸，飞机飞行的高度越高气压差越大，施放流速提高，液氮施放一般在云中或云上近云处施放，一般在4 500～5 500 m高空进行，操作人员可操作的设施主要有木赛子、贮液罐、木盖、铜管、塑料软管等组成，建模时，有3D系统中调出铜制材质、木盖与木塞子用木材质，塑料软管属半透明，调到合适的透明度，将对应材质赋于各相应物件。工作及操作流程是选接好塑料软管、铜管与飞机上施放接头对接后，取开木赛子，插入铜管，实施作业。在建模时设定铜管、盖子、塑料软管为位移动画，以实现插入贮液罐的操作过程，确定合适的帧数以控制相应的时间段，最后输出播洒装置.c3d文件[2-5]。
2.2 建立互动
在Cult3D Designer中调入播洒装置.c3d编程，Cult3D所有的交互（Intoractions）行为包括播放声音、放映动画和URL连接等，甚至可以编写JAVA代码实现更复杂的动画控制。对播洒装置主体加入Acrball行为，对木塞子加放Translation Y位移行为，对铜管、盖子、塑料软管加入播放动画行为，最后生成播洒装置.co文件，以便进一步编程和观看（图4）。
3 机载温湿仪、PMS粒子探测仪虚拟实现
机载PMS粒子探测仪、机载温湿仪的虚拟实现，由于可操作部分都在机内微机中自动采集，其安装都是一次性安装好的，建模后在Cult3D对其实施交互，对两设备模型加入Acrball行为以实现对其外观的展示，工作中PMS粒子探测仪采集各类尺度的雨滴、冰晶、粒子等相关的资料，存入计算机硬盘以供分析之用，温湿仪测得实时温度、湿度、飞行高度、飞行速度、GPS时间等要素存盘，PMS粒子探侧仪和温湿仪的虚拟实现如图5、6所示[6-10]。
4 VB中编程
完成了各仪器设备的虚拟实现，作为元素通过相应控件插入到VB中进行编程设计，完成了甘肃省人工影响天气新设备展示系统，主界面见图7。随着仪器设备的引进和进一步升级，展示系统将进一步补充和完善，现阶段完成了AgI发生炉、液氮装置、机载温湿仪、机载PMS、焰弹气球增雪过程、发生器控制仪、高炮、火箭、移动雷达、双通道微波等。同时，设计制作完成的人影机载设备网上发布，实现在互联网上互动学习。
5 Cult3D应用展望
Cult3D虚拟现实的技术的应用非常广泛，比如，虚拟实现建筑物的展示和参观、虚拟实现手术培训、虚拟实现模拟飞机飞行等，结合甘肃省人工影响天气办公室人工影响天气工作之需要将更进一步开发应该于日常科研业务和展示工作中。
5.1 人影虚拟参观系统
利用Cult3D提供的虚拟参观，模拟高1.8 m的人的步长与视角进入场景建筑物中，利用3D工具设计好合理尺寸的模型，有展板，包括文字、图象、影像等资料，也包括设计真实的实物放置在合理的位置，在场景中设置灯光和方便行走的路径通道，参观者只需在电脑前，利用键盘虚拟步行进入这个场景里，用键盘或鼠标简单地前行、后退和转弯，遇到墙面或建筑物阻挡就停止，就像一个人不能穿越墙面，Cult3D系统自动感知。建成这样一个虚拟参观系统，节省大量的人力、物力和资金，人性化、绿色环保，大大提高了工作效率。
5.2 祁连山山脉虚拟仿真行走观看系统
结合正将进行的甘肃河西祁连山二期增雨雪的探测与研究工程，为了更好地了解祁连山山脉的实际情况，应用Cult3D建成仿真系统，首先用3D技术建成祁连山山脉模型，利用该地区的等高资料，结合卫星遥感和先进的建模手段，建成完整的祁连山山脉的模型，包括雪线、河流、植被等，如同一个沙盘，但其不同于沙盘，可仿真进入到祁连山里行走观看、参观考察，同样，参观者只坐在电脑前通过键盘和鼠标操作完成[11-15]。
6 参考文献
[1] 苏威洲.实现网络三维互动：ult3D[M].北京：清华大学出版社，2001.
[2] 程永军.用虚拟现实技术创设“沉侵”式网络学习环境[J].中国电化教学，2002（4）：58.
[3] 邓文新.Web3D技术的教学应用与研究[J].现代教育技术，2002（4）：36.
[4] 越野车.Web3D探密[J].网迷（增刊1），2001：101.
[6] 鸣涧.走进3D梦幻网（2）[N].中国电脑教育报，2002-07-10（18）.
[7] 李师贤，李文军，周晓聪.面向对象程序设计基础[M].北京：高等教育出版社，1998.
[8] 王鹏云，潘在桃，徐宝新，等.中尺度业务预报试验数值模式系统[J].应用气象学报，1992，3（3）：257-265.
[9] 王有毅，岳淑兰.甘肃省地面气象测报业务查询与演示系统[J].干旱气象，2008，26（3）：76-81.
[10] 王遂缠，李照荣，付双喜，等.西北地区冰雹监测、预警及防雹指挥业务系统[J].干旱气象，2007，25（5）：80-84.
[11] 吴学毅.计算机网络规划与设计[M].北京：机械工业出版社，2004：21-30.
[12] 胡友彬.網络工程设计与实验教程[M].北京：电子工业出版社，2010：10-13.
[13] 于鹏，丁喜刚.网络综合布线技术[M].北京：清华大学出版社，2009：25-30.
[14] 越腾任，刘国斌，孙江宏.计算机网络工程典型案例分析[M].北京：清华大学出版社，2004：56-60.
[15] 陈俊良，黎连业.计算机网络系统集成与方案实例[M].北京：机械工业出版社，2005：120-123.
关键词 3D建模；虚拟实现；Cult3D；飞机机载增雨作业；新设备；应用
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）09-0226-03
Abstract As the virtual reality platform in the window software environment，Cult3D is used in more and more show software because of its easy usage，extensive，application and exquisite effects. An virtual designed model on the Cult3D platform was introduced according to the actual structure and size of the airborne device. Users can learn and understand the principle and application of the new airborne rain enhancement device. Meanwhile by the Cult3D cross-platform feature，this software could be ported to other platform，also according to need of the work，the exhibition and application in the future was prospected.
Key words 3D modeling；virtual reality；Cult3D；aircraft artificial precipitation；new equipment；application
虛拟实现技术是20世纪末才兴起的一门崭新综合信息技术，它融合了多种计算机技术的发展，随着计算机技术的发展和网速的提高，在网上实现3D物品互动展示和操作已成为现实，用计算机模拟的三维环境对现实真实环境进行仿真，用户可以进入这个环境，可以控制浏览方向，并操纵场景中的对象进行人机交互。浏览者只需用鼠标进行简单的操作，就可以对页面中的逼真物体模型进行全方位的观看，还可以对物体进行拉近、拉远、放大、缩小、旋转、互动操作等，让浏览者能够真实地感受到物体的相关属性，现在多用于电子商务和产品展示中，目前少数发达国家在经济、艺术、军事等多方领域已开始广泛使用这种高新技术，并取得显著的综合效益。
目前，虚拟实现（Web3D）技术发展已有许多种，最主要的几种已广泛应用于网上3D展示，Cult3D脱颖而出，Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术，是一种跨平台的3D渲染引擎，有高效的压缩技术，使用户通过因特网访问Cult3D内容，文件量小，传播速度快，可通过普通拨号上网的用户完全可以接受，Cult3D是众多Web3D中最友好的，轻松开发出具有交互功能的Cult3D对象。它作为窗口型软件环境下的虚拟实现平台，其主要目的是在网页上建立互动的三维模型。这种互动的三维模型与3D或2D软件制作的平面图或视频动画有着本质的区别：一是它具有自由的视点，Cult3D不再满足于一个固定的角度来展示作品，而是把对作品的欣赏权完全交给使用者；二是具有强大的交互能力，人不仅可以通过鼠标直接对三维模型进行交互操作，而且可以通过健盘控制三维模型的动作或控制摄像机导航[1]。它的另一个特点是可以作为元素（控件插件）插入PC编程平台，将这一技术移置到Office、Authorware，使用效果非常好。设计制作出的甘肃省人影新设备互展示系统得到各位同行和专家的好评。图1为Cult3D的工作流程。
1 AgI发生炉
1.1 原理与建立模型
AgI发生炉由控制仪和发生器组成，控制仪主要控制发生器点火、喷燃液及供发生器控制电路、电源等组成；发生器内部由控制喷液装置和电路与控制点火电路装置，外部由发生器贮液箱、点火针（静电发生）、加液孔、放液孔及加液漏斗组成。AgI发生炉增雨作业流程（图2）所示，发生炉作业分地面准备、作业段、作业完成3个阶段；根据以上特点，在建模时由于内部电路控制部份及相应装置是不可见的，不可操作部分，建模时尽可能简化，以减少文件大小，可见部分是加液盖、放液盖、点火针、加液漏斗及发生器主体外观，根据实物外观及相关尺寸和图片资料在3DMAX下建模，设置精确贴图和材质，保持模型与实物的真实完整性，输出发生器.c3d文件，同时可反复预览修改，反复调整，直到与实物接近。
1.2 建立互动
将所生成的发生器.c3d文件在Cult3d Designer5中进行互动操作设计，对发生器而言，在建模过程中所存在的层次关系（父子关系）及作标系统在Cult3D中得到继承，在Scene Graph窗口中可见，对发生器互动主要加入一些Actions，发生器主体加入按鼠标左键响应Acrball行为，这样可对整个发生器进行拉近拉远、放大缩小随意旋转观看发生器的各部位及结构。对发生器加液盖漏斗分别按鼠标左键响应Translation XYZ和Translation Y的位移行为，取得合理的位移值，完成加液操作过程，最后完成其他设计，经调试输出发生器.co二进制编码文件直接在各平台及网络观看（图3）。 2 液氮播洒装置及操作
2.1 原理与建模
液氮播洒装制根据液氮容器内外气压差的原理完成在作业中施放液氮，作业过程中插入铜管自动虹吸，飞机飞行的高度越高气压差越大，施放流速提高，液氮施放一般在云中或云上近云处施放，一般在4 500～5 500 m高空进行，操作人员可操作的设施主要有木赛子、贮液罐、木盖、铜管、塑料软管等组成，建模时，有3D系统中调出铜制材质、木盖与木塞子用木材质，塑料软管属半透明，调到合适的透明度，将对应材质赋于各相应物件。工作及操作流程是选接好塑料软管、铜管与飞机上施放接头对接后，取开木赛子，插入铜管，实施作业。在建模时设定铜管、盖子、塑料软管为位移动画，以实现插入贮液罐的操作过程，确定合适的帧数以控制相应的时间段，最后输出播洒装置.c3d文件[2-5]。
2.2 建立互动
在Cult3D Designer中调入播洒装置.c3d编程，Cult3D所有的交互（Intoractions）行为包括播放声音、放映动画和URL连接等，甚至可以编写JAVA代码实现更复杂的动画控制。对播洒装置主体加入Acrball行为，对木塞子加放Translation Y位移行为，对铜管、盖子、塑料软管加入播放动画行为，最后生成播洒装置.co文件，以便进一步编程和观看（图4）。
3 机载温湿仪、PMS粒子探测仪虚拟实现
机载PMS粒子探测仪、机载温湿仪的虚拟实现，由于可操作部分都在机内微机中自动采集，其安装都是一次性安装好的，建模后在Cult3D对其实施交互，对两设备模型加入Acrball行为以实现对其外观的展示，工作中PMS粒子探测仪采集各类尺度的雨滴、冰晶、粒子等相关的资料，存入计算机硬盘以供分析之用，温湿仪测得实时温度、湿度、飞行高度、飞行速度、GPS时间等要素存盘，PMS粒子探侧仪和温湿仪的虚拟实现如图5、6所示[6-10]。
4 VB中编程
完成了各仪器设备的虚拟实现，作为元素通过相应控件插入到VB中进行编程设计，完成了甘肃省人工影响天气新设备展示系统，主界面见图7。随着仪器设备的引进和进一步升级，展示系统将进一步补充和完善，现阶段完成了AgI发生炉、液氮装置、机载温湿仪、机载PMS、焰弹气球增雪过程、发生器控制仪、高炮、火箭、移动雷达、双通道微波等。同时，设计制作完成的人影机载设备网上发布，实现在互联网上互动学习。
5 Cult3D应用展望
Cult3D虚拟现实的技术的应用非常广泛，比如，虚拟实现建筑物的展示和参观、虚拟实现手术培训、虚拟实现模拟飞机飞行等，结合甘肃省人工影响天气办公室人工影响天气工作之需要将更进一步开发应该于日常科研业务和展示工作中。
5.1 人影虚拟参观系统
利用Cult3D提供的虚拟参观，模拟高1.8 m的人的步长与视角进入场景建筑物中，利用3D工具设计好合理尺寸的模型，有展板，包括文字、图象、影像等资料，也包括设计真实的实物放置在合理的位置，在场景中设置灯光和方便行走的路径通道，参观者只需在电脑前，利用键盘虚拟步行进入这个场景里，用键盘或鼠标简单地前行、后退和转弯，遇到墙面或建筑物阻挡就停止，就像一个人不能穿越墙面，Cult3D系统自动感知。建成这样一个虚拟参观系统，节省大量的人力、物力和资金，人性化、绿色环保，大大提高了工作效率。
5.2 祁连山山脉虚拟仿真行走观看系统
结合正将进行的甘肃河西祁连山二期增雨雪的探测与研究工程，为了更好地了解祁连山山脉的实际情况，应用Cult3D建成仿真系统，首先用3D技术建成祁连山山脉模型，利用该地区的等高资料，结合卫星遥感和先进的建模手段，建成完整的祁连山山脉的模型，包括雪线、河流、植被等，如同一个沙盘，但其不同于沙盘，可仿真进入到祁连山里行走观看、参观考察，同样，参观者只坐在电脑前通过键盘和鼠标操作完成[11-15]。
6 参考文献
[1] 苏威洲.实现网络三维互动：ult3D[M].北京：清华大学出版社，2001.
[2] 程永军.用虚拟现实技术创设“沉侵”式网络学习环境[J].中国电化教学，2002（4）：58.
[3] 邓文新.Web3D技术的教学应用与研究[J].现代教育技术，2002（4）：36.
[4] 越野车.Web3D探密[J].网迷（增刊1），2001：101.
[6] 鸣涧.走进3D梦幻网（2）[N].中国电脑教育报，2002-07-10（18）.
[7] 李师贤，李文军，周晓聪.面向对象程序设计基础[M].北京：高等教育出版社，1998.
[8] 王鹏云，潘在桃，徐宝新，等.中尺度业务预报试验数值模式系统[J].应用气象学报，1992，3（3）：257-265.
[9] 王有毅，岳淑兰.甘肃省地面气象测报业务查询与演示系统[J].干旱气象，2008，26（3）：76-81.
[10] 王遂缠，李照荣，付双喜，等.西北地区冰雹监测、预警及防雹指挥业务系统[J].干旱气象，2007，25（5）：80-84.
[11] 吴学毅.计算机网络规划与设计[M].北京：机械工业出版社，2004：21-30.
[12] 胡友彬.網络工程设计与实验教程[M].北京：电子工业出版社，2010：10-13.
[13] 于鹏，丁喜刚.网络综合布线技术[M].北京：清华大学出版社，2009：25-30.
[14] 越腾任，刘国斌，孙江宏.计算机网络工程典型案例分析[M].北京：清华大学出版社，2004：56-60.
[15] 陈俊良，黎连业.计算机网络系统集成与方案实例[M].北京：机械工业出版社，2005：120-123.