头盔式沉浸式虚拟现实技术的变电站仿真培训系统设计与实现

江龙，张德刚，李泽河，王国平，王达达，曹俊豪，谭武光

（1. 云南电网有限责任公司教育评价中心，昆明 650011；2. 北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192）

0 前言

变电站仿真培训系统在提高受训人员的日常监视、正常操作、异常与事故处理技能等方面发挥着不可取代的作用[1-6]。随着沉浸式虚拟现实仿真技术的迅速发展，大量消费级虚拟现实硬件设备不断推出[7-10]，如Oculus Rift虚拟现实头盔[11]、VΙVEKinect体感设备[12]。沉浸式虚拟现实仿真技术主要是通过各种硬件，如立体投影、头盔显示器等设备，把视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，本文设计的变电站仿真培训系统，以沉浸式虚拟现实技术为基础，配合虚拟现实头盔、位置跟踪器、动作捕捉器等交互设备，从视觉、听觉和交互方式等方面为变电站运行人员构建更加逼真的沉浸式变电站虚拟环境。

1 系统总体设计

1.1 硬件系统

本系统在网络结构上采用以太网组网，通信采用TCP/ΙP协议，硬件采用高性能图形工作站，安装Windows7 专业版操作系统，开发软件采用Unity3D和VC，系统应用分布采用教员远程配置的方式，使得系统扩充升级方便，便于学习使用。硬件系统结构见图1。

图1 仿真培训系统硬件结构

每个培训硬件单元包括1个虚拟现实头盔、1套位置追踪器、1台动作捕捉器、2台计算机。虚拟现实头盔是沉浸式虚拟现实的必备设备，虚拟现实头盔通过立体显示系统，将三维场景由 2D 显示模式呈现为具有景深的 3D 显示模式，将体验者整体视觉环境包围在起来，融入在整体虚拟世界之中，增强真实感；位置追踪器通过采集培训人员头部位置感应点的空间数据并通过开发接口传递给系统，系统计算出相应的头部空间姿态，从而更新虚拟显示头盔的左右眼屏幕的三维图像实现视景随头部运动而变化；系统通过动作捕捉器的人机接口获取培训人员的人体运动数据，然后将记录到的运动数据映射到虚拟场景中的虚拟人，以驱动虚拟人在虚拟场景中做出和培训人员相符合的肢体动作，从而实现与虚拟场景的交互；运行三维变电站监控培训仿真系统的计算器通过连接虚拟现实头盔、位置跟踪器和动作捕捉器，实现基于沉浸式视觉效果和自然人机交互技术的变电站监控仿真培训；运行电网仿真系统和变电站机理仿真的计算机通过网络和运行三维变电站监控培训仿真系统进行通讯，实现反映现场模拟操作的培训仿真功能。

1.2 软件系统

本仿真培训系统是一套高交互性分布式仿真培训系统[13]按照功能划分为五层，包括系统层、工具层、模型层、应用层、接口层和设备层。软件系统的整体结构如图2所示。

图2 仿真培训系统软件结构

1）系统层为系统开发所需的底层开发工具和引擎，三维虚拟现实相关的子系统基于三维图形引擎开发，其他应用基于常用软件开发工具，如微软Visual Studio和跨平台开发工具Qt等。

2）工具层为系统仿真建模的工具软件，包括三维建模平台、电网建模工具和变电站机理建模工具。在三维仿真建模中，研究开发可视化组件化建模工具，为变电站中的各种一二次设备开发成一个个独立的、可复用的仿真组件，将仿真组件像“搭积木”似的装配成完整的变电站仿真三维场景；在电网建模上，研究开发全图形画面编辑器[14]，并吸收CAD的某些特点、提供可以公用的基本图形原语，使用图形原语可以编辑和生成可复用的图形元素。利用这些基本图形原语和用户自定义的图形元素，用户可以方便快速编辑和生成自己所需的各种画面，如单线图和系统图等；变电站机理建模工具以可视化编辑的方式实现为变电站一二次设备可视化绑定机理仿真参数和标识信息。

3）模型层为系统运行所需要的模型数据，包括变电三维场景模型、虚拟人模型、电网模型和变电站机理模型。

4）应用层包括沉浸式三维变电站仿真系统、电网仿真系统和变电站机理仿真系统；沉浸式三维变电站仿真系统实现基于沉浸式虚拟现实和人机自然交互方式的变电站一二次设备巡视、监视、操作处理，支持变电站巡视、监视、正常操作及异常、事故分析处理技能的学习、操练及考评等功能；电网仿真系统通过潮流计算，实现变电站仿真所需要的一次设备有功、无功、电流、电压等遥测量以及断路器与刀闸状态的遥信量发送给变电站机理仿真模块，并接收逻辑仿真模块发送的断路器、刀闸等设备操作仿真事件并进行仿真处理。变电站机理仿真系统通过接收电网、监控及变电站设备的操作等信息，依照实际的控制、保护策略实现保护设备的动作、调整模拟，并将相关信息反馈至电网仿真和三维变电站场景。

5）接口层为沉浸式三维变电仿真系统提供沉浸式虚拟现实交互设备的访问与控制，实现为虚拟现实头盔输出左右眼三维图像、采集头部运动数据和人体全身运动数据并驱动虚拟人与虚拟场景交互。

2 关键技术实现

2.1 变电设备场景的双眼立体显示

虚拟现实头盔的双眼立体显示是通过左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。本系统通过在三维场景中建立两个虚拟相机分别对应左右眼视点，通过将左右眼对应虚拟相机的三维场景图像同步输出到虚拟现实头盔的左右眼屏幕实现双眼立体成像；同时本系统通过研究三维立体显示原理，计算出左右眼虚拟相机的位置和姿态，实现优化的三维立体显示效果。

2.2 设备场景的快速渲染技术

系统采用下列方法来降低场景的复杂度以优化三维场景的实时动态运行效率。

1）在保证物理模型的视觉效果不失真的前提下，尽量用面片数量少的模型和采用纹理贴图的方式对物体进行建模，并使用贴图烘焙技术减少为表现光照效果所需要的 CPU 计算时间，以降低系统实时渲染的内存开销和CPU计算时间。

2）采用场景分块方法，把复杂变电场景划分为多个相互之间不可见的子场景，系统大量减少在任意时刻需要显示的多边形数目，从而降低场景的复杂度。

3）层次细节模型技术，对场景中的同一个物体，在近距离观察使用面片数比较多的精细模型，而在远距离观察时使用面片数比较少的粗糙模型。这样就实现了在保证比较真实的视觉效果的前提下，同时提高了复杂场景的生成和显示速度。三维引擎中将 LOD功能封装在LOD类型的节点中，可以方便的实现基于视点距离和投影面积的LOD模型调度算法。

2.3 基于动作捕捉的虚拟交互技术

1）虚拟人建模：系统采用3DSMAX对虚拟人模型进行建模，根据人体骨骼结构，在3DSMAX中构建虚拟人模型。为了逼真模拟虚拟人的外观形象和运动过程，研究采用多层次模型的方式实现虚拟人，虚拟人的模型包括骨骼层、皮肤层和外表层，其中骨骼层用于控制虚拟人肢体运动的姿态和动作过程，皮肤层采用动态表面贴图的方式表示包裹在骨骼层外部的人体表面皮肤，外表层表示虚拟人身体上的服装，三个层次具有运动层次的关联关系，当人体骨骼层发生运动时，附着在之上的皮肤层和外表层会发生表面形变。结构如图3。

图3 虚拟人结构

2）虚拟人的运动控制

系统的基于动作捕捉的虚拟人交互过程包括仿真系统运动通过体感动作捕捉系统获取培训人员的人体运动数据，然后将记录到的运动数据映射到虚拟场景中的虚拟人，以驱动虚拟人在虚拟场景中做出和培训人员相符合的肢体动作。

动作捕捉系统获取的原始运动数据为具有大量的冗余信息的运动数据，为了能够正确驱动虚拟人的运动，仿真系统首先对运动数据进行数据除噪和消除冗余，并从大量的运动数据中提取出可以正确反映虚拟人完整运动过程的运动数据，然后将处理好的数据根据虚拟人模型进行映射处理，并最终实现运动数据对虚拟人的驱动。

系统在沉浸式虚拟变电站交互方式实现提供“学习、练习和考核”三种模式，学习模式为设备原理和结构展示讲解，练习模式为指引性培训和关键点讲解，考核模式要求对学员的操作行为进行分析评价。

4 结束语

头盔式沉浸式仿真培训系统在虚拟现实的基础上增加了虚拟现实头盔的双眼立体影像输出和基于动作捕捉的体感交互技术，解决了原系统用户现场感缺乏和用户体验的不足的缺点。与传统的仿真系统相比，具有高度的实时性和沉浸感、良好的系统集成和开发性以及交互的多样性等优点，不但使用户有身临其境的沉浸感，而且可以通过肢体而动作直接与虚拟环境进行交互，用户通过这种交互方式可以感知和响应虚拟环境，改变了参与者仅仅作为单纯接受者的被动状态，可有效提高电网运行生产人员专业技能培训效率，缩短培训周期，提高培训质量。