三維變電站虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)變電站內(nèi)的實(shí)際場(chǎng)景

唐琦+羅開(kāi)聰+劉鋒+王亮元

摘要：應(yīng)用三維圖形技術(shù)為變電站仿真系統(tǒng)構(gòu)造虛擬環(huán)境能大大提高變電站場(chǎng)景的真實(shí)感，同時(shí)，將電力系統(tǒng)仿真軟件與虛擬變電站連接起來(lái)模擬變電站的各種運(yùn)行狀態(tài)，為變電站仿真培訓(xùn)工作帶來(lái)技術(shù)飛躍。文章通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的解析及應(yīng)用的研究，提出一種變電站三維演示系統(tǒng)的可行方案。

關(guān)鍵詞：三維變電站； 虛擬現(xiàn)實(shí)；？仿真系統(tǒng)；

1 引言

采用Quest3D 三維項(xiàng)目制作平臺(tái)建立的變電站虛擬演示系統(tǒng)在制作過(guò)程中較好的檢測(cè)了設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量，并提供了最直接的方案展示，使得相關(guān)決策方，能以最快的速度理解設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。不足之處在于受技術(shù)儲(chǔ)備和硬件條件等因素的限制，本項(xiàng)目只是對(duì)變電站工程設(shè)計(jì)過(guò)程的淺顯的仿真，提供的功能還比較單一，方案的修改比較繁瑣，還有待進(jìn)一步研究。

2 虛擬變電站三維演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)所要求的高效圖形引擎和優(yōu)異圖像表現(xiàn)， 在本項(xiàng)目中采用Quest3D三維項(xiàng)目制作平臺(tái)把模型、紋理、互動(dòng)、特效整合起來(lái)。

2.1 Quest3D的基本原理

本系統(tǒng)使用最新版本的Quest3D4.1。支持最新的DirectX10 標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)建有高級(jí)粒子、有限狀態(tài)機(jī)、Newton 物理仿真、天氣系統(tǒng)等高級(jí)模塊，可以為各種應(yīng)用提供最好的仿真實(shí)現(xiàn)。Quest3D 以通道為基本單位，一個(gè)通道就是一個(gè)基本功能、一個(gè)模型網(wǎng)格、一個(gè)基本參數(shù)、或者一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，相互之間以父子關(guān)系連接，父通道為子通道傳遞控制和運(yùn)行，子通道為父通道傳遞結(jié)果。復(fù)雜的通道由簡(jiǎn)單的通道連接而成，每個(gè)通道仍然可以被直接引用，所有的數(shù)據(jù)、交互都以通道或通道集合表述，整個(gè)程序采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，程序流從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始， 從左至右，流經(jīng)每個(gè)分支。

2.2 三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從模塊化角度出發(fā)，分為數(shù)據(jù)模塊、菜單模塊、動(dòng)畫(huà)交互

模塊。數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)主要考慮紋理圖片的加工，模型的制作，按照目標(biāo)硬件的配置，設(shè)置紋理的格式和分辨率，控制模型及數(shù)據(jù)格式和組織結(jié)構(gòu)。菜單模塊的設(shè)計(jì)目的是為了降低使用的難度，以用戶體驗(yàn)為核心。動(dòng)畫(huà)交互模塊設(shè)計(jì)則應(yīng)盡量保持邏輯結(jié)構(gòu)清晰， 便于維護(hù)， 如表1所示。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)的制作和存儲(chǔ)

為了將采集整理的素材轉(zhuǎn)換成軟件平臺(tái)可以識(shí)別使用的文件， 需要對(duì)素材進(jìn)行再加工成可以使用的格式，或者用作生成其他數(shù)據(jù)文件的參考。

3.1.1模型建立

場(chǎng)景設(shè)備模型的建立，首先由設(shè)備廠商、設(shè)計(jì)規(guī)劃部門提供的CAD 設(shè)計(jì)圖紙，即矢量線段構(gòu)成的模型三視圖，通過(guò)AutoCAD 的整理，去除標(biāo)識(shí)、文字等建模不需要的部分，再用拼合工具合成導(dǎo)入3ds-

Max中，放在單獨(dú)的層，按照三個(gè)視圖，分別旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的方向，然后凍結(jié)，作為建模參考。接著運(yùn)用polygon低分辨率建模技術(shù)，從立方體、球體、圓柱體等基本元素開(kāi)始，輔以擠壓、切削、放樣、布爾等建模工具分別構(gòu)建出房屋、設(shè)備的外形特征。再按照事先設(shè)計(jì)的多邊形預(yù)算，綜合運(yùn)用塌陷、焊接、刪除不可見(jiàn)面等優(yōu)化手段，手工精簡(jiǎn)優(yōu)化多邊形數(shù)量。同時(shí)保持整潔的多邊形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用光滑組修正法線方向和紋理坐標(biāo)工具為模型指定紋理坐標(biāo)，通過(guò)透視視角檢查問(wèn)題并修改。最后使用3dsMax 的文件拼合功能整合到一起，按照CAD 電氣設(shè)備平面圖標(biāo)注的方位，通過(guò)位移、旋轉(zhuǎn)。使模型的空間關(guān)系與圖紙?jiān)O(shè)備一一對(duì)齊。

3.1.2 材質(zhì)模擬

材質(zhì)模擬包括紋理、光照等。紋理是通過(guò)Photoshop 無(wú)縫、銳化

處理的照片制成相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過(guò)紋理坐標(biāo)吸附在多邊形模型上面， 使用導(dǎo)出插件PandaDirectX 導(dǎo)出X文件格式，用來(lái)表現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)和表面屬性。

光照模擬在Quest3D 中主要區(qū)分以下三類種材質(zhì)：對(duì)網(wǎng)格密度高的小物體模擬使用實(shí)時(shí)光照模型；對(duì)粗糙的亞光表面模擬使用建模軟件的高級(jí)渲染器功能生成光照貼圖照明，再混合基本紋理；對(duì)光澤表面或金屬表面模擬使用高光紋理和反射紋理通過(guò)程序坐標(biāo)貼覆到模型上。

3.2 資源整合及添加交互

按照前述模塊設(shè)計(jì)，按功能區(qū)劃建立程序的總體結(jié)構(gòu)建立以下通道組。如圖1 所示。

從Root通道開(kāi)始，程序進(jìn)入了實(shí)質(zhì)內(nèi)容階段，下面連接四個(gè)子功能模塊節(jié)點(diǎn)： Init、Scene、Logic、GUI。建立完程序結(jié)構(gòu)，并添加、整合、調(diào)整好各部分資源后，項(xiàng)目已經(jīng)具備了可以觀看的靜態(tài)效果。為了讓它能對(duì)用戶的控制產(chǎn)生反應(yīng)，還需要添加交互功能。交互由兩部分驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是場(chǎng)景中無(wú)形的觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是由用戶按下GUI 菜單上的按鈕觸發(fā)驅(qū)動(dòng)。至此項(xiàng)目按照計(jì)劃的方案制作完畢，運(yùn)行預(yù)覽效果如圖2 所示：

4、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，三維變電站的仿真場(chǎng)景生成系統(tǒng)，可使其開(kāi)發(fā)周期有效縮短，避免重復(fù)性的開(kāi)發(fā)工作，利于開(kāi)發(fā)成本的降低。此外，該仿真場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，不僅提供了高效且安全的培訓(xùn)平臺(tái)，也促使變電站工作人員對(duì)其各部分有了更為深刻的了解，從而使其業(yè)務(wù)能力與操作技能得到提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 巫影，何琳，黃映云，朱海潮，呂志強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2002.

[2] 周惟迪，徐翎，張璐意.Wolfgang F.Engel.direct3d 入門教程北京：人民郵電出版社，2001.