基于Web 3D的水利水電工程虛擬現實研究

楊 鵬，劉常新，劉甲強

（中電建第十一工程局（廣東）建設投資有限公司，廣東 廣州 510407）

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是指綜合應用計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術以及人工智能等技術生成的一種人工模擬環境，用戶能夠以自然的方式與這個環境進行交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。虛擬現實具有多感知性、沉浸感、交互性和構想性等特點[1-3]。

由于水利水電工程的特殊性，長期以來該行業虛擬現實技術的應用研究進展緩慢，主要體現在開發成本高、周期長，而且效果差、交互功能不足[4]。隨著虛擬現實技術的日趨成熟和普及應用，水利水電工程虛擬現實技術的發展迎來了新的機遇。

當前虛擬現實技術應用最廣泛和成熟的領域是游戲開發，本文通過借鑒游戲開發行業的先進經驗和流程，將游戲開發理念引入水利水電工程虛擬現實研究，并通過Unity 3D 虛擬現實引擎，高質量地完成了基于Web 3D的水利水電工程虛擬現實案例。

1 基于Web 3D的虛擬現實簡介

基于Web 3D 的虛擬現實是“互聯網+虛擬現實”技術的具體應用，它的實現原理是在B/S 架構下，由服務器提供數據，用戶通過瀏覽器將相應的數據下載到本地構建虛擬現實場景，并與該場景進行實時交互，服務器根據交互情況對場景數據進行實時動態更新。與傳統的虛擬現實技術相比，基于Web 3D的虛擬現實技術具有如下特點。

（1）廣泛的傳播性。基于Web 3D的虛擬現實成果通過互聯網進行傳播，擁有廣泛的用戶基礎；互聯網經過超過20 a 的發展，已經和人們的生活密不可分，并且仍在高速發展聚集用戶。

（2）使用的便捷性。基于B/S 架構，用戶無需安裝客戶端軟件，只需連接互聯網，無論何時、何地都能使用虛擬現實成果。

（3）更強的優化和壓縮能力。虛擬現實數據通過網絡進行傳輸，由于網絡帶寬的限制，數據必須經過優化和壓縮，以保證用戶端能快速下載。

2 水利水電工程虛擬現實開發的特點

2.1 場景和數據量大

水利水電工程樞紐范圍通常達幾十上百平方公里，場景內不僅有復雜的地形、地貌，還有各種水工建筑物、機電設備和管路系統等，如對工程進行整體仿真，將產生大量的數據[5]。

2.2 仿真度要求高

水利水電工程虛擬現實與“嚴肅游戲”開發類似，二者都是對客觀現實進行仿真模擬，而不能憑借開發者的想象隨意進行創造，如對自然地形、建筑物、機電設備的建模精度必須滿足規定要求，各種交互式操作必須符合實際。

2.3 專業性強

水利水電工程涉及測繪、地質、水工、交通、消防、電氣等20 余個專業，要對工程進行全方位的仿真模擬，需要各領域大量專業人才的參與。

2.4 宏觀與微觀兼顧

宏觀方面包括山川、河流、水工建筑物等大尺度模型，微觀方面小到一個按鈕、一顆螺絲釘都可進行模擬，水利水電工程虛擬現實開發要同時兼顧宏觀與微觀兩個方面的需求。

3 基于Web 3D的虛擬現實關鍵技術研發

基于Web 3D的虛擬現實開發的關鍵，是對數據結構進行優化，以大幅減少數據量，并采用高效的算法滿足虛擬現實引擎實時渲染的要求。針對水利水電工程特點，基于Unity 3D 平臺，對大場景數字地形建模、模型重構、復雜水效果模擬、人機交互等關鍵技術進行了研究和開發。

3.1 大場景數字地形建模

傳統的地形建模方法是采用Mesh 面對地表進行模擬，由于水利水電工程地形建模范圍大，如采用傳統方法進行建模，其數據量將非常巨大，無法滿足虛擬現實技術對互聯網數據傳輸和實時渲染的要求。為此，Unity 3D 內置地形引擎，采用地形高度圖建模，并利用LOD（Levels of Detail，簡稱LOD）技術，將地形模型用多種不同的精度表示，根據觀察點的遠近選擇不同精度的地形模型進行呈現，從而有效解決了數據存儲和實時渲染的問題；此外，Unity 3D內置地形引擎還能方便地繪制地形紋理，采用對象實例化技術快速批量生成植物模型。但是，由于地形高度圖采用固定的二維點陣數據記錄地形的位置和高度信息，所以所建立的地形模型只能在高度上進行變化，可編輯性能差，如不能方便地在地形上修建道路、不能進行邊坡和基礎開挖等。

經研究分析，通過二次開發，利用地形疊加、遮罩、紋理映射等技術，將Unity 3D 內置的大場景地形與外部導入的小范圍Mesh地形進行拼接，既充分利用了內置地形引擎的高效性，又滿足了工程建設對地形建模精度和加工要求，其原理如圖1所示。

3.2 模型重構

當前國內大中型水利水電工程已普遍開展三維設計，如能將三維設計模型應用于虛擬現實開發，既能保證模型精度，又能提高虛擬現實開發效率。然而，三維設計模型并不等同于虛擬現實模型，而是需經加工處理后才能用于虛擬現實開發，這個對模型進行加工處理的過程稱之為模型重構。模型重構的要點概括起來有增加、刪除、合并、拆分、簡化、替換等幾種方式。

（1）增加。即查漏補缺，對三維設計中沒有的模型進行補充建模，如第三人稱角色模型等；另三維設計模型通常不含材質紋理，模型外觀與實際物體不符，故應補充模型的材質貼圖。

（2）刪除。為減少數據量，需刪除虛擬現實場景中不可見或不關心的結構模型，如混凝土預埋件、錨桿、止水等。

（3）合并。為便于模型材質貼圖，物理屬性相同的物體應盡量合并。

（4）拆分。含2 種及以上材質屬性的物體應按材質類型進行拆分，交叉物體應進行拆分以減少模型面片數量。

（5）簡化。即將高精度模型轉化為低精度模型，在不明顯改變模型外觀形狀的條件下，有效減少模型的面片數量；或者把高精度模型烘焙成貼圖，然后運用在低精度模型上，使低精度模型擁有近似于高精度模型的細節效果。

（6）替換。即用Unity 3D 中的高效模型替換三維設計模型，如地形三維模型等。

3.3 水效果模擬

水利水電工程是對水流進行控制并加以利用的工程設施，對水效果的模擬長期以來是水利水電工程虛擬現實研究的重點和難點；以下通過二次開發，對水利水電工程泄洪及河道水流進行模擬。

3.3.1 泄洪效果模擬

泄洪是水流沿溢洪道、底孔等泄水建筑物下泄所形成的高速水流和霧化效果，在虛擬現實引擎中通常采用粒子對泄洪進行模擬；其中，對霧化的模擬采用發散粒子即可，而泄洪所產生的高速水流由于受到水工建筑物的約束作用，水流形態比較復雜，一直是虛擬現實開發的難點。

高速水流的粒子模擬一般有2 種方式：一種是利用粒子與水工建筑物的碰撞自動計算粒子的運動軌跡；另一種是預先定義粒子的運動路徑，通過設置粒子的路徑跟隨來模擬高速水流。第一種方式更接近實際情況，但粒子的碰撞計算量大，運行效率低；第二種方式雖然與工程實際有差別，但粒子的運算量小，運行效率高。經綜合比較，下面采用第二種方式對泄洪高速水流進行模擬，模擬效果如圖2所示。

圖2 粒子路徑模擬泄洪高速水流

關鍵代碼如下：

3.3.2 水流模擬

本文模擬的水流是指大壩下游河道中的河水，其特點是水流同時向下游流動和沿豎向上下波動。根據水流的這一特點，在虛擬現實引擎中可利用Mesh 面對其進行模擬，即通過設置Mesh 面的UV 位移貼圖來模擬水流向下游流動的效果；通過設置Mesh 面節點的豎向位移來模擬水流上下波動的效果，同一節點在不同時間以及同一時間相鄰節點之間的豎向位移變化規律通常滿足正弦函數關系。在Unity 3D 中，可通過腳本二次開發設置UV 位移貼圖，利用著色器（Shader）設置Mesh面節點的位移。

UV位移貼圖模擬水流代碼：

3.4 人機交互開發

人機交互是指通過計算機輸入、輸出設備實現人與計算機對話的技術。下面以第三人稱為例，簡要介紹Unity 3D的人機交互開發原理，該案例中用戶通過鍵盤和鼠標控制人物動作與虛擬現實場景進行交互。

3.4.1 第三人稱制作

第三人稱一般包括人物模型和人物動作兩個部分，通常在Maya、3DMax 等專業軟件中完成后，再導入虛擬現實引擎進行調用。

3.4.2 在Unity 3D中使用動畫控制器

動畫控制器的作用是將動畫和模型進行綁定，通過設置動畫的觸發條件控制狀態之間的相互轉換。首先新建一個動畫控制器，并添加站立（Idle）、行走（Walk）、后退（WalkBack）和奔跑（Run）4 種人物狀態，其中默認狀態為站立；然后通過箭頭連線設置狀態之間的轉換關系，點擊箭頭連線新建一個名稱為ActionID 的整型控制參數，設置當ActionID 的值為0，1，2，3 時分別表示站立、行走、后退和奔跑，如圖3 所示。動畫控制器完成后，將其賦給場景中第三人稱人物模型的動畫（Animation）組件即可。

圖3 Unity 3D動畫控制器

3.4.3 腳本控制第三人稱

動畫控制器完成后，通過編寫腳本由鍵盤控制場景中人物模型的行為狀態，以下代碼實現了分別按下“W”“S”鍵控制人物的行走和后退，按下“Shift”+“W”鍵開始奔跑。

4 應用案例

基于Unity 3D 虛擬現實引擎，開發了水電站基于Web 3D 的虛擬現實系統。該系統對工程區15 km×15 km 地形以及大壩、廠房等進行了精細建模，包括路徑動畫、第一人稱和第三人稱漫游、泄洪模擬、天氣模擬、主要建筑物結構及功能展示等功能。該系統發布后的成果文件容量僅85 M，可基于互聯網發布使用，部分成果截圖如圖4—5所示。

圖4 第三人稱漫游界面

5 結語

虛擬現實技術在水利水電工程規劃、設計、施工、運維等全生命周期的各階段均有較多應用。在工程建設之前，利用虛擬現實技術對工程進行全方位的模擬，用戶可提前體驗工程建成之后的效果，還可輔助用戶進行工程決策；在工程建成之后，借助虛擬現實技術可大幅提升運維管理水平，節約人力和物力，如基于虛擬現實系統的資產管理、安全監測、遠程集控、流域調度等。

圖5 虛擬現實泄洪開發界面

基于Web 3D的虛擬現實技術具有受眾范圍廣、使用方便等特點，符合信息化時代網絡化、移動化的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。本文所介紹的基于Web 3D的虛擬現實開發技術路線，在水利水電工程行業具有廣泛的適用性，可供其他工程借鑒。