電網(wǎng)三維模型簡化與渲染優(yōu)化方法研究

任培祥，侯小波，郭 雁，董 健，董鉥濤

（1. 北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120；2. 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710000）

電網(wǎng)三維模型簡化與渲染優(yōu)化方法研究

任培祥1，侯小波1，郭 雁2，董 健1，董鉥濤1

（1. 北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120；2. 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710000）

摘要：隨著三維可視化技術(shù)在電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System， GIS）中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)三維模型成為除基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)之外電網(wǎng)三維GIS系統(tǒng)承載的又一重要數(shù)據(jù)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了針對于電網(wǎng)三維模型簡化機(jī)制，對各種精細(xì)的設(shè)備模型，在保持原設(shè)備不失真的情況下進(jìn)行建模的自動裁剪。結(jié)合面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛿?shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度技術(shù)，形成基于批量電網(wǎng)三維模型的渲染引擎，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備模型的高效渲染。

關(guān)鍵詞：可視化；GIS；電網(wǎng)三維模型；自動裁剪；動態(tài)調(diào)度；渲染引擎。

電網(wǎng)三維GIS系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)包括兩部分：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和電網(wǎng)三維模型?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要用來還原現(xiàn)場的地形、地貌，將真實的地理環(huán)境呈現(xiàn)出來，技術(shù)上采用金字塔瓦片、動態(tài)調(diào)度來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效加載及渲染；電網(wǎng)三維模型主要是用1∶1建模以及經(jīng)過材質(zhì)、紋理貼圖等處理的精細(xì)化模型來模擬線路、變電站的真實場景。從地理空間上看，電網(wǎng)模型具有高密度分布的特點，輸電線路一般呈條帶狀，沿線分布了大量的桿塔、絕緣子/金具和導(dǎo)線等，線路兩端連接變電站、換流站等。

為了實現(xiàn)大量高精度的電網(wǎng)三維模型的動態(tài)調(diào)度與快速渲染，本文首先研究了模型簡化機(jī)制，對各種精細(xì)的電網(wǎng)設(shè)備模型，在保持原設(shè)備不失真的情況下進(jìn)行簡化，構(gòu)建多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）模型文件；針對模型地理密度大的特點，建立分塊索引機(jī)制，提高模型查找速度，減少模型的實時載入量；設(shè)計并實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛿?shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度，形成基于大批量電網(wǎng)模型的三維渲染引擎；采用LOD技術(shù)，在不影響視覺效果的情況下降低數(shù)據(jù)復(fù)雜程度和每秒進(jìn)行讀寫（Input/Output， IO）吞吐量，從而更好的提高模型數(shù)據(jù)的訪問和渲染效率，最終實現(xiàn)整個電網(wǎng)設(shè)備的高效快速渲染。

1　模型組織優(yōu)化

1.1提高設(shè)備模型的復(fù)用率

電網(wǎng)設(shè)備一般都是由較小一級的設(shè)備組建而成，上一級的設(shè)備包含較多重復(fù)的小設(shè)備例如一個絕緣子串由多個相同的絕緣子片構(gòu)成，一個變電站內(nèi)包含多個避雷針、電抗器、斷路器等。針對電網(wǎng)設(shè)備的這種特點，使用實體—引用的建模方式可以大大提高模型的復(fù)用率，實體是物理模型，引用是一個指向某個物體模型的指針，通過引用創(chuàng)建的模型副本并不增加實際多邊形數(shù)量。

本文使用對象建模技術(shù)對原始電網(wǎng)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，以設(shè)備對象為建模單元，通過引用關(guān)系組裝電網(wǎng)模型。將設(shè)備模型與其位置、屬性建立統(tǒng)一序列標(biāo)識，進(jìn)而組織成完整的帶有屬性信息的電網(wǎng)模型。這種模型組織方式保證了電網(wǎng)模型的局部設(shè)備的獨立性與全局模型的完整性。各個設(shè)備模型得到充分復(fù)用，提高了資源利用率，減少了模型的內(nèi)存消耗。

以變電站為例，變電站由主變壓器、配電變壓器、斷路器、電抗器等一系列設(shè)備組成，這些設(shè)備在變電站中可能同時存在多個。在建模的時候，每個設(shè)備單獨建模，之后根據(jù)設(shè)備的位置、屬性建立模型與空間上的引用關(guān)系，構(gòu)建完整的變電站模型。

1.2減少多邊形數(shù)量

任何實時系統(tǒng)的圖形硬件，在一個給定的幀頻率下都只能對有限數(shù)量的多邊形進(jìn)行各種實時的計算處理。如果模型的多邊形數(shù)量超過了系統(tǒng)的處理能力，仿真應(yīng)用就無法順暢地運(yùn)行。

本文在保證電網(wǎng)模型可視效果的情況下，一方面去除電網(wǎng)模型不必要的設(shè)備組件；一方面采用紋理替代模型細(xì)節(jié)的方法， 使用紋理豐富模型細(xì)節(jié)，在視覺上給人以真實感。圖1中，建筑物模型本身是個簡單的幾何體，在每個面上貼上紋理后，建筑物就顯得比較真實了，圖中的門窗都是通過紋理表現(xiàn)。

圖1　建筑物紋理貼圖

1.3模型簡化

模型簡化的目的是在盡可能保持原模型可視特征的條件下，減少模型的三角面數(shù)目，實際上就是用盡可能少的表面采樣點來表示原始模型的細(xì)節(jié)信息。常見的簡化機(jī)制包括頂點聚類、增量式簡化、采樣和自適應(yīng)細(xì)分，簡化算法基本都采用了這四種機(jī)制的某種結(jié)合或者是變形。

本文采用半邊折疊算法對模型進(jìn)行簡化預(yù)處理。半邊折疊是增量式簡化算法的一種，該算法具有簡化模型質(zhì)量高、健壯性好的優(yōu)點。為了保持模型的外形特征，本文使用Hussain等人提出的保持特征的高效簡化算法，用頂點在鄰域內(nèi)的尖銳程度度量每個原始頂點的視覺重要性，以此查找折疊邊。

半邊折疊僅對原始模型頂點進(jìn)行子集采樣，算法不會產(chǎn)生新頂點。圖2所示一次半邊折疊的簡化操作完成，從原始網(wǎng)格中刪除了兩個面、一個點、三條邊。通過在原始模型上進(jìn)行一系列的半邊折疊操作，原模型就被簡化成了一系列的中間近似模型，最后形成目標(biāo)模型。

圖2　半邊折疊操作示意圖

在模型簡化的過程中，生成了不同細(xì)節(jié)層次的模型，這些模型都是原始模型的子集，將這些模型以增量的方式存儲起來，形成了一個連續(xù)的LOD模型，見圖3。圖3（a）是0級模型即LOD0，圖3（b）是1級模型即LOD1，圖3（c）是2級模型即LOD2，可以看到隨著LOD層級的增加，模型的頂點個數(shù)明顯減少，見圖3和表1。

圖3　不同層級模型的對比圖

表1　不同層級模型頂點數(shù)量對比

2　模型的調(diào)度與渲染機(jī)制優(yōu)化

2.1分塊索引技術(shù)

在大規(guī)模場景漫游時，對于一個給定的視點位置和視線方向，通常只有一部分范圍可見。因此，在對整個場景進(jìn)行可視化前，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前視點位置及視線方向等參數(shù)對場景中的模型進(jìn)行揀選，只渲染在當(dāng)前視野范圍內(nèi)模型數(shù)據(jù)。為了能夠快速地訪問多分辨率的模型數(shù)據(jù)，必須建立快速的空間索引機(jī)制。

本文采取四叉樹結(jié)構(gòu)對電網(wǎng)三維模型建立空間索引，見圖4。四叉樹中的每個節(jié)點都包含了空間位置信息，葉節(jié)點存儲模型數(shù)據(jù)。

圖4　四叉樹結(jié)構(gòu)圖

實時仿真時，系統(tǒng)根據(jù)模型四叉樹結(jié)構(gòu)劃分，檢查單個設(shè)備模型外包盒與場景中的四叉樹節(jié)點相交情況，如果不相交則放棄遍歷該節(jié)點及其子樹；反之，則繼續(xù)遍歷直到葉節(jié)點為止。利用該技術(shù)減少了場景中模型的載入量，提高了模型的調(diào)度效率。

2.2LOD模型的調(diào)度與渲染

LOD技術(shù)是為了解決可視化仿真過程中系統(tǒng)的實時性和模型的逼真度之間的矛盾而出現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用于飛行仿真、復(fù)雜三維場景的快速繪制、交互可視化和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。其基本思想是對同一場景或場景中的物體，使用不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型，在圖形繪制中依據(jù)視點選擇合適的細(xì)節(jié)層次模型進(jìn)行繪制。

本文運(yùn)用LOD思想實現(xiàn)電網(wǎng)三維場景的調(diào)度與渲染。如圖5—圖9是從顯示地理接線圖、導(dǎo)地線、簡化模型、精細(xì)模型的整個過程。這種模型的調(diào)度方式，不但提高了系統(tǒng)的渲染速度，也符合視覺習(xí)慣，達(dá)到模型渲染速度與渲染效果的最佳平衡。

2.3實例化（Instancing）技術(shù)

實例化技術(shù)是一種批量渲染技術(shù)，當(dāng)三維模型中具有多個相同幾何形狀但是空間位置不同的物體時，采用實例化技術(shù)可以實現(xiàn)使用一個模型數(shù)據(jù)，繪制多個模型實例的效果。該技術(shù)在增加同類物體數(shù)量的情況下而不增加實際多邊形數(shù)量，這樣既節(jié)省系統(tǒng)的內(nèi)存空間和磁盤存儲空間，還可以改善實時系統(tǒng)的處理性能。

電網(wǎng)模型使用組件化建模方法，以設(shè)備模型為基礎(chǔ)，采用設(shè)備組裝的方式構(gòu)建整體模型。這種模型組織結(jié)構(gòu)十分切合實例化技術(shù)的要求。本文采用實例化技術(shù)渲染電網(wǎng)模型，并將該技術(shù)集成到電網(wǎng)三維GIS平臺的渲染引擎中。電網(wǎng)模型渲染時，不同空間位置但設(shè)備模型相同的多個模型，一次全部渲染完成，大大提高了電網(wǎng)模型的渲染速度。

3　應(yīng)用實例

目前，本文中所述的技術(shù)已經(jīng)在“三維全景智能電網(wǎng)信息化支撐平臺（NSC Globe）”上得到應(yīng)用，利用該技術(shù)可實現(xiàn)GB級數(shù)據(jù)量模型的加載及渲染，且運(yùn)行效率優(yōu)于國內(nèi)主流三維GIS平臺。同時以NSC Globe為三維GIS基礎(chǔ)平臺搭建了適用于電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)行等全過程的多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為業(yè)主單位帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4　結(jié)論

電網(wǎng)三維模型作為電力三維GIS系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其顯示的效率及效果直接影響到用戶的體驗，本文通過對電網(wǎng)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，組織并設(shè)計了適用于此類模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過技術(shù)手段實現(xiàn)了電網(wǎng)三維模型尤其是大數(shù)據(jù)量模型的快速調(diào)度及渲染，這為后續(xù)三維GIS基礎(chǔ)平臺建設(shè)以及應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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中圖分類號：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913（2015）02-0061-04

* 收稿日期：2014-01-22

作者簡介：任培祥（1979- ），男，河北泊頭人。研究生，工程師，主要從事電力三維GIS研究與應(yīng)用。

Simplification and Rendering Optimization forThree Dimensional Model of Power Grid

REN Pei-xiang1， HOU Xiao-bo1， GUO Yan2， DONG Jian1， DONG Shu-tao1
（1. Beijing North-star Digital Remote Sensing Technology Co.，Ltd.， Beijing 100120， China）（2. Northwest Electric Power Design Institute， Xi'an 710000， China）

Abstract：With the 3D visualization technology is widely used in the power grid GIS，power grid three-dimensional model become another important the basic geographic data used in he power grid 3D GIS. A three-dimensional grid for the model to simplify the mechanism is designed and implemented in this article， that can cut a variety of sophisticated equipment model automatically while maintaining the original equipment without distortion. It implemented equipment model rendering efficiently， and formed power grid rendering engine， combined with object-oriented data model dynamic scheduling techniques.

Key words：visualization； GIS； grid three-dimensional model； automated cutting； dynamic scheduling； rendering engine.