沉浸式虚拟环境及其在变电站仿真中的应用

李翔 钟旭

（中国南方电网调度控制中心，广东广州 510623）

沉浸式虚拟环境及其在变电站仿真中的应用

李翔 钟旭

（中国南方电网调度控制中心，广东广州 510623）

随着近年来经济技术和科学技术的不断发展进步，虚拟现实技术已经成为了一项具有广泛的发展前景的技术。虚拟现实技术集合了众多高新技术，它能够给广大用户带来极其逼真的视觉体验，使人们能够更加直观的感受到世界的宏观性和微观性，在虚拟环境中感受真实性。文章对沉浸式虚拟环境以及其在变电站中的仿真应用进行了详细的论述。

沉浸式 虚拟模式 变电站 仿真

随着近年来科学技术的不断发展进步，使得沉浸式虚拟现实技术得到了空前的发展。目前，这项技术已经在很多领域内被广泛的应用。这项技术是一种虚拟的手驱动算法，这项技术有效的促成了虚拟手能够与现实生活中的人的手进行实时的互动。这项技术应用到变电站的仿真工作中意义十分重大。

1 虚拟现实技术在各个行业被广泛应用

随着我国经济的不断发展进步，国家的国防事业已经成为我国现代化发展中的一项重要内容。国家对于军事领域的资金投入力度也相对有所增加。在科学技术急速发展的今天，国家在对军事进行建设时要注重在军事领域内对虚拟现实技术进行相应的应用。在对军事人才的培养、军用产品的测试方面投入了大量的资金。这些虚拟现实技术的研究成果主要体现在对虚拟的战争的、现场的模拟，让战士们能够在模拟战场上感受到真实战场上的紧张、激烈气氛，让战士们能够在日常生活中防微杜渐，以便能够坦然面对真实战争的来临；其次，随着新课改进程的不断深入发展以及国家对教育文化的重视程度的不断增强，国家对教育的建设也处在了一个现代化的发展态势下。在新的形势下，将虚拟环境应用于教育领域内意义重大。现如今，一部分学校已经实现的虚拟课堂，学生能够在虚拟的环境下与老师之间进行相应的互动，缩减了交流时间并大大提高了交流效率；最后，随着人们生活水平的提高，医疗卫生行业发展迅猛，在医疗行业中对虚拟现实技术进行应用主要体现在医院对患者进行康复训练和对残疾患者的生或质量进行改善等方面，由于虚拟环境的构建，使得更多的残疾人能够足不出户就可以游历祖国的大好河山。

2 变电站仿真构建中应用的虚拟现实技术

2.1 对虚拟的动态环境进行建模

图1 OSG功能展示图

随着科学技术的不断发展，对于虚拟环境的建立技术也变得更加的先进，其中，在虚拟环境建立中一项处于核心位置的技术就是VR技术，对于虚拟的动态环境进行建模只要是为了对现实中的三维数据进行必要的获取，并能够根据具体的用户其不同需要对虚拟的环境模型进行建立。在对系统中的三维数据进行相应的获取时，能够被有效进行应用的技术就是相对成熟的CAD技术，同时，在一些其他的情况下，也会采用一系列的视觉建模技术对三维数据进行获取。因此，在对三维数据进行获取时，将CAD技术与视觉建模技术进行有机的结合于一身，能够更加有效的对三维数据进行准确的获取，从而最大程度的提高数据获取的效率。

2.2 三维图像的实施形成与虚拟现实之间的交互

在对虚拟的环境中的三维图像进行利用时，能够在系统中生成相对逼真的图像。这样相对逼真的三维图像的特征明显，主要特征有明暗、阴影等重要的图像特点。作为一种相对先进的计算机领域内的技术，虚拟现实的主要工作方式就是完成人与机器之间的双向相互对话。目前，虚拟环境中的三维图像已经变得相对成熟和完善，但是对于三维图像的生成又显得非常关键，在这个过程中，生成讲求的就是一个实时性特点，因此，在对三维图像进行生成的过程中，将实时生成的事物作为特点进行图像绘制，能够保证图像的质量和复杂性。

2.3 对虚拟应用进行开发

作为虚拟环境中的一项重要技术，对VR技术的开发能够将虚拟环境构建的效率有效的进行提高，在这个过程中，就要研究一系列进行VR开发的工具，这类工具就是建立相应的虚拟平台。随着虚拟现实平台的复杂性的不断加强，VR系统中已经有更多的模型被包含其中，这是需要用到的技术就是沉浸技术，这项技术的主要内容有：对系统内的信息进行同步并对系统中的模型进行标定和识别，同时要完成对相应数据的转换。

3 沉浸式虚拟环境在仿真变电站中的应用

3.1 变电站仿真系统的基本概念和内容

图2 LOD层次计算示意图

沉浸式虚拟环境作为变电站仿真系统中的一项基础结构，其图像数据形式十分重要。三维图形引擎是仿真系统中一项不可或缺的一部分。在变电站的仿真系统中，开发人员通过利用OSG三维图形开发包来将变电站中的虚拟环境中的三维模型进行导入，从而有效的实现了人与变电站机器之间的相互交流。OSG与其他软件包相比所具有的优势是它具有十分显著的跨平台性，这样的性能决定了这款工具包适合在高性能的图像开发中予以广泛的应用。此外，作为一款高性能的图像软件开发包，OSG有着强大的功能。首先，我们日常生活中经常会用到的JPG、GIF等格式的图像，都能够被OSG技术所广泛的支持；其次，OSG能够对系统中的数据库实施读写功能，实现对数据库的优化作用，进而将系统原有的数据库开发成能够对3D图像进行实施、迅速开发的函数库；另外，在OSG的内核中，将完善、系统的函数功能进行了涵盖，实现了系统中对场景图的技术转换。OSG功能展示如图1所示。

3.2 变电站仿真中的对场景的构建

在对变电站进行布置时，通常采用的布置方法是使用单母线进行分段接线，也有采用双母线联系旁支电路的接线方法。不论接线方法是否相同，但是都同样能够构成合理、有效的组织场景，这是变电站仿真系统中的组织场景。在实际的变电站仿真系统中，虚拟的场景更多的受到电气连接性质的影响。变电站的虚拟环境中，变电站的设备往往都会受到变电站中电气连接性质的影响，因此，在对变电站仿真项目进行设计并进行电气连接时，要将系统中的断路器作为基本标准、将单元看做经线并将电气母线看成是纬线，这样就形成了独特的变电站仿真环境。变电站仿真的虚拟场景主要是利用清晰的树状结构来体现。树状图中的每一个结构都有着自己独特的个性和特点，这种树状结构能够更加便于变电站仿真场景进行快速绘制成功，由于每一份树状结构的节点都具有不同意义的属性，所以，在对变电站中的某一部分坐标转变成全部的坐标时也就完成了对整个空间场景的绘制过程。

3.3 变电站仿真电气设备模型应用的算法

在变电站仿真过程中，那些虚拟的、复杂的三维模型的处理难度要远远大于普通计算机处理的能力。因此，这类电气设备在进行图像处理时，需要运用一种简单、快速、效率高的算法，这种算法叫做LOD算法。LOD算法是借助LOD模型来对场景进行有利控制的一种算法，所谓LOD模型就是用来展示一个物体的模型的内部细节不仅相同。LOD这项技术能够在用户的视觉效果不受到严重的影响的情况下对场景进行简单的变换，以便能够降低场景的复杂程度，这样既能够降低场景的复杂性，又能够有效的提高算法的准确性，是一项优势十分明显的算法。因此，这项技术目前已经被广泛的应用于变电站的仿真设计中。同时，LOD模型实质上就是对一些精密细致的模型进行了相应的简化而得到的一种简单的计算模型。这个简化过程是先将某个物体进行模型转化，此时生成的模型是一个相当精密的模型，当这个精密的模型生成之后，通过一种简化式的运算方法将这个相当精密的模型转化为LOD模型。在对物体的精密模型进行简化的过程中，很多精密程度不尽相同的模型都会通过这个过程得到。一般而言，3个LOD层次就能构成一个虚拟环境场景，在这三个层次中，第一个LOD层次是精密程度最高的模型，第二个为精密程度稍差的模型，当然，精密程度最粗糙的模型也就是第三个LOD层次。在对LOD模型的层次进行确定时，要对视点、实体等进行综合考虑，也就是说，与视点之间的距离决定了所绘制模型的精密和粗糙程度，与视点的距离相距越近，也就意味着所绘制的模型的精密程度会越高，反之亦然。同时，如果模型的位置在视点中央的位置，那么模型绘制的精密程度也就会越强。LOD层次计算示意图如图2所示。

3.4 变电站情景仿真中的碰撞检测的算法

在变电站的模拟仿真系统中，有一个具有特殊地位的问题，那就是碰撞检测问题。在实际的操作中，为了对虚拟的环境有一个真实性的保证，在对虚拟环境进行设计时下了很大功夫。这就使得用户在对自己所看到的虚拟的环境进行视觉上的感受时，还能够对原本虚拟的环境进行真实的体验。同时，用户还能够通过这个虚拟的环境与虚拟环境中的事物进行交流，这就要求，用户在碰触到某一物体时要在虚拟环境下感受到碰撞时的感觉，并作出相应的反应。因此，对虚拟环境中的物体进行相应的碰撞检测，也就更能够增强虚拟世界的真实性。那么，提高虚拟环境中碰撞检测的精确性，在虚拟环境碰撞中的作用十分突出，然而，随着虚拟环境的复杂性的不断增强，用户对于碰撞算法的要求也有了新的标准，包围盒方法能够将复杂场景中的事物通过二分法的方式进行简化，提高计算效率。

4 结语

总而言之，随着科学技术的不断深入发展，虚拟环境在各行各业中的应用将会越来越广泛。尤其是沉浸式环境在变电站仿真中的应用将会更加成熟。虚拟现实技术是一项尖端科学技术，它的发展前景在现在和未来都相当广泛。

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