三维变电站虚拟现实技术对变电站内的实际场景

唐琦+罗开聪+刘锋+王亮元

摘要：应用三维图形技术为变电站仿真系统构造虚拟环境能大大提高变电站场景的真实感，同时，将电力系统仿真软件与虚拟变电站连接起来模拟变电站的各种运行状态，为变电站仿真培训工作带来技术飞跃。文章通过对虚拟现实技术的解析及应用的研究，提出一种变电站三维演示系统的可行方案。

关键词：三维变电站； 虚拟现实；？仿真系统；

1 引言

采用Quest3D 三维项目制作平台建立的变电站虚拟演示系统在制作过程中较好的检测了设计图纸的质量，并提供了最直接的方案展示，使得相关决策方，能以最快的速度理解设计方案的优劣。不足之处在于受技术储备和硬件条件等因素的限制，本项目只是对变电站工程设计过程的浅显的仿真，提供的功能还比较单一，方案的修改比较繁琐，还有待进一步研究。

2 虚拟变电站三维演示系统设计

考虑系统所要求的高效图形引擎和优异图像表现， 在本项目中采用Quest3D三维项目制作平台把模型、纹理、互动、特效整合起来。

2.1 Quest3D的基本原理

本系统使用最新版本的Quest3D4.1。支持最新的DirectX10 标准，内建有高级粒子、有限状态机、Newton 物理仿真、天气系统等高级模块，可以为各种应用提供最好的仿真实现。Quest3D 以通道为基本单位，一个通道就是一个基本功能、一个模型网格、一个基本参数、或者一个数据存储单元，相互之间以父子关系连接，父通道为子通道传递控制和运行，子通道为父通道传递结果。复杂的通道由简单的通道连接而成，每个通道仍然可以被直接引用，所有的数据、交互都以通道或通道集合表述，整个程序采用树形结构，程序流从根结点开始， 从左至右，流经每个分支。

2.2 三维虚拟现实系统模块设计

本系统从模块化角度出发，分为数据模块、菜单模块、动画交互

模块。数据模块的设计主要考虑纹理图片的加工，模型的制作，按照目标硬件的配置，设置纹理的格式和分辨率，控制模型及数据格式和组织结构。菜单模块的设计目的是为了降低使用的难度，以用户体验为核心。动画交互模块设计则应尽量保持逻辑结构清晰， 便于维护， 如表1所示。

3 虚拟现实系统的实现

3.1 数据的制作和存储

为了将采集整理的素材转换成软件平台可以识别使用的文件， 需要对素材进行再加工成可以使用的格式，或者用作生成其他数据文件的参考。

3.1.1模型建立

场景设备模型的建立，首先由设备厂商、设计规划部门提供的CAD 设计图纸，即矢量线段构成的模型三视图，通过AutoCAD 的整理，去除标识、文字等建模不需要的部分，再用拼合工具合成导入3ds-

Max中，放在单独的层，按照三个视图，分别旋转到相应的方向，然后冻结，作为建模参考。接着运用polygon低分辨率建模技术，从立方体、球体、圆柱体等基本元素开始，辅以挤压、切削、放样、布尔等建模工具分别构建出房屋、设备的外形特征。再按照事先设计的多边形预算，综合运用塌陷、焊接、删除不可见面等优化手段，手工精简优化多边形数量。同时保持整洁的多边形网格拓扑结构，运用光滑组修正法线方向和纹理坐标工具为模型指定纹理坐标，通过透视视角检查问题并修改。最后使用3dsMax 的文件拼合功能整合到一起，按照CAD 电气设备平面图标注的方位，通过位移、旋转。使模型的空间关系与图纸设备一一对齐。

3.1.2 材质模拟

材质模拟包括纹理、光照等。纹理是通过Photoshop 无缝、锐化

处理的照片制成相關数据，再通过纹理坐标吸附在多边形模型上面， 使用导出插件PandaDirectX 导出X文件格式，用来表现物体的细节和表面属性。

光照模拟在Quest3D 中主要区分以下三类种材质：对网格密度高的小物体模拟使用实时光照模型；对粗糙的亚光表面模拟使用建模软件的高级渲染器功能生成光照贴图照明，再混合基本纹理；对光泽表面或金属表面模拟使用高光纹理和反射纹理通过程序坐标贴覆到模型上。

3.2 资源整合及添加交互

按照前述模块设计，按功能区划建立程序的总体结构建立以下通道组。如图1 所示。

从Root通道开始，程序进入了实质内容阶段，下面连接四个子功能模块节点： Init、Scene、Logic、GUI。建立完程序结构，并添加、整合、调整好各部分资源后，项目已经具备了可以观看的静态效果。为了让它能对用户的控制产生反应，还需要添加交互功能。交互由两部分驱动，一个是场景中无形的触发器驱动，一个是由用户按下GUI 菜单上的按钮触发驱动。至此项目按照计划的方案制作完毕，运行预览效果如图2 所示：

4、结束语

总而言之，三维变电站的仿真场景生成系统，可使其开发周期有效缩短，避免重复性的开发工作，利于开发成本的降低。此外，该仿真场景的实现，不仅提供了高效且安全的培训平台，也促使变电站工作人员对其各部分有了更为深刻的了解，从而使其业务能力与操作技能得到提高。

参考文献：

[1] 巫影，何琳，黄映云，朱海潮，吕志强.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程，2002.

[2] 周惟迪，徐翎，张璐意.Wolfgang F.Engel.direct3d 入门教程北京：人民邮电出版社，2001.