基于虚幻引擎4的大场景输变电工程三维前端渲染技术研究

张仕杰 胡 伟 刘丹丹 余 容 吴绍华

（1.贵州电网有限公司输电运行检修分公司，贵州贵阳550002；2.中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）

0 引言

将三维可视化技术引入输变电工程，可以将输变电工程多种管理系统的复杂信息融汇在虚拟仿真环境之中，以符合人类直觉的方式自然呈现，从而大大提升输变电工程信息交互的效率，减少信息损耗和时间损耗，确保信息传递的准确性和及时性，降低信息查询和浏览的难度，使运维管理人员能够大幅提升操控效率[1]，加快响应速度，缩短处理时间。

1 大场景三维前端渲染特点

伴随着WebGL技术的逐渐成熟，越来越多的前端三维可视化框架应运而生，比如Cesium、ThreeJS、Potree等。这些前端三维可视化框架的出现，降低了开发门槛，提高了3D应用的开发效率，逐渐成为了输变电工程三维可视化的主战场[2]。但不同于客户端，现阶段的三维可视化框架更注重与物联网结合，借助GIS技术与智能传感器技术，更加关注三维数据和专题数据的融合可视化，往往忽视输变电工程三维大场景真实地物[3]。且利用Web端加载大场景三维模型需要考虑网络数据传输及前端浏览器资源使用限制，比如渲染上chrome的v8对于内存的使用在32位系统上的最大限制是1G，64位系统上的最大限制是4G，而数据传输更是被网络制约。现阶段，前端三维可视化框架通过对三维数据进行压缩优化，从而降低网络传输数据量及前端性能要求，但降低数据量的同时会导致数据失真、还原不真实情况。

2 UE4前端渲染技术介绍

（1）UE4使用Datasmith，可以将输变电工程整个场景（包括动画和元数据）从3dsMax、Revit、SketchUpPro、Cinema4D、Rhino、SolidWorks、Catia和其他各种DCC、CAD、BIM、GIM格式进行高保真转换。

（2）UE4采用LiDARPointCloud插件，允许直接在虚幻引擎内导入、可视化、编辑和操作来自激光扫描设备的点云数据。

（3）通过UE4蓝图可视化脚本，可以快速制作与输变电工程交互式内容，而不必编写一行代码。使用蓝图可以构建输变电工程设备与人之间的行为和交互，修改用户界面，调整输入控制等等。

（4）利用像素流送功能，在云端的GPU或本地服务器上托管UE4构建的输变电工程项目，利用远程PC、Mac、平板电脑或手机上的Web浏览器，便可实现与输变电工程的交互式体验。

3 输变电工程三维场景前端渲染

3.1 工作流程

输变电工程三维场景前端渲染流程如图1所示。

图1 输变电工程三维场景前端渲染流程

3.1.1 输电线路激光点云数据采集

本文展示的激光点云数据为贵州电网220 kV赵渔线，利用地面激光设备RIEGL VZ-2000i采集点云数据，数据大小2.51G，共96 471 153个点。点云效果展示如图2所示。

图2 采集的输电线路地面激光点云数据

3.1.2 变电站三维模型建立

本文展示的变电站模型采用3DMAX建立，里面包含一次设备（直接生成、输送、分配和使用电能的设备，包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器、电抗器等）、二次设备[对一次设备和系统的运行工况进行测量、监视、控制和保护的设备，主要包括继电保护装置、自动装置、测控装置（电流互感器、电压互感器）、计量装置、自动化系统以及为二次设备提供电源的直流设备]，模型如图3所示。

图3 变电站设备三维模型

3.1.3 导入UE4

将输电线路点云数据与变电站三维模型数据导入UE4编辑器中，效果如图4所示。

3.1.4 场景部署及光线渲染

将变电站三维模型导入UE4，选择合适的金属材质，利用UE4引擎的动态光照技术、颜色控制技术、纹理渲染技术等实现变电站场景渲染方案。图5为利用UE4引擎加载变电站模型并实现光线渲染效果。

3.1.5 蓝图交互

本文利用UE4蓝图功能首先实现变电站内漫游、激光点云数据中漫游、与变电站内设备交互等内容。部分蓝图交互展示如图6所示。

3.1.6 自定义播放器页面

系统前端展示利用Vue+Element+MySQL开源框架，网页播放器界面如图7所示。

图4 点云数据导入UE4编辑器效果

图5 变电站光线渲染效果

图6 实现在变电站内漫游

3.1.7 创建主机与网络连接

如图8所示，使用TURN服务器在UE4应用和浏览器之间中继媒体流。启动TURN协议后，TURN服务器一方面与UE4应用连接，另一方面则与浏览器连接。UE4应用将自身所有流送的数据发送给TURN服务器，后者又将数据传送至浏览器。

图7 自定义播放器页面

在此情况下，UE4应用和浏览器间并无直接连接。

图8 像素流送原理图

3.1.8 与像素流送系统交互

为了响应前端页面Element按钮与输变电工程三维场景的交互事件，利用像素流送器委托类进行绑定，如图9所示。

图9 利用蓝图将输变电工程重置

3.2 效果展示

最终效果展示如图10所示。

图10 利用像素流送在前端实现与输电线路点云数据及变电站交互

4 结语

本文研究了利用UE4引擎加载输变电工程三维大场景并在前端展示的技术，该技术降低了对前端设备性能的依赖，提高了前端加载三维场景的效率及渲染效果，同时通过像素流送功能，降低了前端浏览器加载三维场景的资源浪费，解决了三维场景加载过度依赖网络传输的问题。另外，通过前端控件利用像素流送实现与输变电工程三维场景的交互，解决了移动设备和轻量级网页浏览器无法显示高质量三维画面等问题。