沉浸式虛擬環(huán)境及其在變電站仿真中的應(yīng)用

李翔 鐘旭

（中國南方電網(wǎng)調(diào)度控制中心，廣東廣州 510623）

沉浸式虛擬環(huán)境及其在變電站仿真中的應(yīng)用

李翔 鐘旭

（中國南方電網(wǎng)調(diào)度控制中心，廣東廣州 510623）

隨著近年來經(jīng)濟(jì)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為了一項(xiàng)具有廣泛的發(fā)展前景的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集合了眾多高新技術(shù)，它能夠給廣大用戶帶來極其逼真的視覺體驗(yàn)，使人們能夠更加直觀的感受到世界的宏觀性和微觀性，在虛擬環(huán)境中感受真實(shí)性。文章對沉浸式虛擬環(huán)境以及其在變電站中的仿真應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

沉浸式 虛擬模式 變電站 仿真

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，使得沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了空前的發(fā)展。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域內(nèi)被廣泛的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)是一種虛擬的手驅(qū)動(dòng)算法，這項(xiàng)技術(shù)有效的促成了虛擬手能夠與現(xiàn)實(shí)生活中的人的手進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到變電站的仿真工作中意義十分重大。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)被廣泛應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，國家的國防事業(yè)已經(jīng)成為我國現(xiàn)代化發(fā)展中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。國家對于軍事領(lǐng)域的資金投入力度也相對有所增加。在科學(xué)技術(shù)急速發(fā)展的今天，國家在對軍事進(jìn)行建設(shè)時(shí)要注重在軍事領(lǐng)域內(nèi)對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用。在對軍事人才的培養(yǎng)、軍用產(chǎn)品的測試方面投入了大量的資金。這些虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究成果主要體現(xiàn)在對虛擬的戰(zhàn)爭的、現(xiàn)場的模擬，讓戰(zhàn)士們能夠在模擬戰(zhàn)場上感受到真實(shí)戰(zhàn)場上的緊張、激烈氣氛，讓戰(zhàn)士們能夠在日常生活中防微杜漸，以便能夠坦然面對真實(shí)戰(zhàn)爭的來臨；其次，隨著新課改進(jìn)程的不斷深入發(fā)展以及國家對教育文化的重視程度的不斷增強(qiáng)，國家對教育的建設(shè)也處在了一個(gè)現(xiàn)代化的發(fā)展態(tài)勢下。在新的形勢下，將虛擬環(huán)境應(yīng)用于教育領(lǐng)域內(nèi)意義重大?，F(xiàn)如今，一部分學(xué)校已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的虛擬課堂，學(xué)生能夠在虛擬的環(huán)境下與老師之間進(jìn)行相應(yīng)的互動(dòng)，縮減了交流時(shí)間并大大提高了交流效率；最后，隨著人們生活水平的提高，醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)發(fā)展迅猛，在醫(yī)療行業(yè)中對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用主要體現(xiàn)在醫(yī)院對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和對殘疾患者的生或質(zhì)量進(jìn)行改善等方面，由于虛擬環(huán)境的構(gòu)建，使得更多的殘疾人能夠足不出戶就可以游歷祖國的大好河山。

2 變電站仿真構(gòu)建中應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 對虛擬的動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行建模

圖1 OSG功能展示圖

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于虛擬環(huán)境的建立技術(shù)也變得更加的先進(jìn)，其中，在虛擬環(huán)境建立中一項(xiàng)處于核心位置的技術(shù)就是VR技術(shù)，對于虛擬的動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行建模只要是為了對現(xiàn)實(shí)中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的獲取，并能夠根據(jù)具體的用戶其不同需要對虛擬的環(huán)境模型進(jìn)行建立。在對系統(tǒng)中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的獲取時(shí)，能夠被有效進(jìn)行應(yīng)用的技術(shù)就是相對成熟的CAD技術(shù)，同時(shí)，在一些其他的情況下，也會(huì)采用一系列的視覺建模技術(shù)對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。因此，在對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取時(shí)，將CAD技術(shù)與視覺建模技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合于一身，能夠更加有效的對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的獲取，從而最大程度的提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

2.2 三維圖像的實(shí)施形成與虛擬現(xiàn)實(shí)之間的交互

在對虛擬的環(huán)境中的三維圖像進(jìn)行利用時(shí)，能夠在系統(tǒng)中生成相對逼真的圖像。這樣相對逼真的三維圖像的特征明顯，主要特征有明暗、陰影等重要的圖像特點(diǎn)。作為一種相對先進(jìn)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)的主要工作方式就是完成人與機(jī)器之間的雙向相互對話。目前，虛擬環(huán)境中的三維圖像已經(jīng)變得相對成熟和完善，但是對于三維圖像的生成又顯得非常關(guān)鍵，在這個(gè)過程中，生成講求的就是一個(gè)實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，因此，在對三維圖像進(jìn)行生成的過程中，將實(shí)時(shí)生成的事物作為特點(diǎn)進(jìn)行圖像繪制，能夠保證圖像的質(zhì)量和復(fù)雜性。

2.3 對虛擬應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)

作為虛擬環(huán)境中的一項(xiàng)重要技術(shù)，對VR技術(shù)的開發(fā)能夠?qū)⑻摂M環(huán)境構(gòu)建的效率有效的進(jìn)行提高，在這個(gè)過程中，就要研究一系列進(jìn)行VR開發(fā)的工具，這類工具就是建立相應(yīng)的虛擬平臺(tái)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的復(fù)雜性的不斷加強(qiáng)，VR系統(tǒng)中已經(jīng)有更多的模型被包含其中，這是需要用到的技術(shù)就是沉浸技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的主要內(nèi)容有：對系統(tǒng)內(nèi)的信息進(jìn)行同步并對系統(tǒng)中的模型進(jìn)行標(biāo)定和識(shí)別，同時(shí)要完成對相應(yīng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3 沉浸式虛擬環(huán)境在仿真變電站中的應(yīng)用

3.1 變電站仿真系統(tǒng)的基本概念和內(nèi)容

圖2 LOD層次計(jì)算示意圖

沉浸式虛擬環(huán)境作為變電站仿真系統(tǒng)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其圖像數(shù)據(jù)形式十分重要。三維圖形引擎是仿真系統(tǒng)中一項(xiàng)不可或缺的一部分。在變電站的仿真系統(tǒng)中，開發(fā)人員通過利用OSG三維圖形開發(fā)包來將變電站中的虛擬環(huán)境中的三維模型進(jìn)行導(dǎo)入，從而有效的實(shí)現(xiàn)了人與變電站機(jī)器之間的相互交流。OSG與其他軟件包相比所具有的優(yōu)勢是它具有十分顯著的跨平臺(tái)性，這樣的性能決定了這款工具包適合在高性能的圖像開發(fā)中予以廣泛的應(yīng)用。此外，作為一款高性能的圖像軟件開發(fā)包，OSG有著強(qiáng)大的功能。首先，我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會(huì)用到的JPG、GIF等格式的圖像，都能夠被OSG技術(shù)所廣泛的支持；其次，OSG能夠?qū)ο到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫實(shí)施讀寫功能，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化作用，進(jìn)而將系統(tǒng)原有的數(shù)據(jù)庫開發(fā)成能夠?qū)?D圖像進(jìn)行實(shí)施、迅速開發(fā)的函數(shù)庫；另外，在OSG的內(nèi)核中，將完善、系統(tǒng)的函數(shù)功能進(jìn)行了涵蓋，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中對場景圖的技術(shù)轉(zhuǎn)換。OSG功能展示如圖1所示。

3.2 變電站仿真中的對場景的構(gòu)建

在對變電站進(jìn)行布置時(shí)，通常采用的布置方法是使用單母線進(jìn)行分段接線，也有采用雙母線聯(lián)系旁支電路的接線方法。不論接線方法是否相同，但是都同樣能夠構(gòu)成合理、有效的組織場景，這是變電站仿真系統(tǒng)中的組織場景。在實(shí)際的變電站仿真系統(tǒng)中，虛擬的場景更多的受到電氣連接性質(zhì)的影響。變電站的虛擬環(huán)境中，變電站的設(shè)備往往都會(huì)受到變電站中電氣連接性質(zhì)的影響，因此，在對變電站仿真項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行電氣連接時(shí)，要將系統(tǒng)中的斷路器作為基本標(biāo)準(zhǔn)、將單元看做經(jīng)線并將電氣母線看成是緯線，這樣就形成了獨(dú)特的變電站仿真環(huán)境。變電站仿真的虛擬場景主要是利用清晰的樹狀結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)。樹狀圖中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)都有著自己獨(dú)特的個(gè)性和特點(diǎn)，這種樹狀結(jié)構(gòu)能夠更加便于變電站仿真場景進(jìn)行快速繪制成功，由于每一份樹狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)都具有不同意義的屬性，所以，在對變電站中的某一部分坐標(biāo)轉(zhuǎn)變成全部的坐標(biāo)時(shí)也就完成了對整個(gè)空間場景的繪制過程。

3.3 變電站仿真電氣設(shè)備模型應(yīng)用的算法

在變電站仿真過程中，那些虛擬的、復(fù)雜的三維模型的處理難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通計(jì)算機(jī)處理的能力。因此，這類電氣設(shè)備在進(jìn)行圖像處理時(shí)，需要運(yùn)用一種簡單、快速、效率高的算法，這種算法叫做LOD算法。LOD算法是借助LOD模型來對場景進(jìn)行有利控制的一種算法，所謂LOD模型就是用來展示一個(gè)物體的模型的內(nèi)部細(xì)節(jié)不僅相同。LOD這項(xiàng)技術(shù)能夠在用戶的視覺效果不受到嚴(yán)重的影響的情況下對場景進(jìn)行簡單的變換，以便能夠降低場景的復(fù)雜程度，這樣既能夠降低場景的復(fù)雜性，又能夠有效的提高算法的準(zhǔn)確性，是一項(xiàng)優(yōu)勢十分明顯的算法。因此，這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于變電站的仿真設(shè)計(jì)中。同時(shí)，LOD模型實(shí)質(zhì)上就是對一些精密細(xì)致的模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化而得到的一種簡單的計(jì)算模型。這個(gè)簡化過程是先將某個(gè)物體進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化，此時(shí)生成的模型是一個(gè)相當(dāng)精密的模型，當(dāng)這個(gè)精密的模型生成之后，通過一種簡化式的運(yùn)算方法將這個(gè)相當(dāng)精密的模型轉(zhuǎn)化為LOD模型。在對物體的精密模型進(jìn)行簡化的過程中，很多精密程度不盡相同的模型都會(huì)通過這個(gè)過程得到。一般而言，3個(gè)LOD層次就能構(gòu)成一個(gè)虛擬環(huán)境場景，在這三個(gè)層次中，第一個(gè)LOD層次是精密程度最高的模型，第二個(gè)為精密程度稍差的模型，當(dāng)然，精密程度最粗糙的模型也就是第三個(gè)LOD層次。在對LOD模型的層次進(jìn)行確定時(shí)，要對視點(diǎn)、實(shí)體等進(jìn)行綜合考慮，也就是說，與視點(diǎn)之間的距離決定了所繪制模型的精密和粗糙程度，與視點(diǎn)的距離相距越近，也就意味著所繪制的模型的精密程度會(huì)越高，反之亦然。同時(shí)，如果模型的位置在視點(diǎn)中央的位置，那么模型繪制的精密程度也就會(huì)越強(qiáng)。LOD層次計(jì)算示意圖如圖2所示。

3.4 變電站情景仿真中的碰撞檢測的算法

在變電站的模擬仿真系統(tǒng)中，有一個(gè)具有特殊地位的問題，那就是碰撞檢測問題。在實(shí)際的操作中，為了對虛擬的環(huán)境有一個(gè)真實(shí)性的保證，在對虛擬環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)下了很大功夫。這就使得用戶在對自己所看到的虛擬的環(huán)境進(jìn)行視覺上的感受時(shí)，還能夠?qū)υ咎摂M的環(huán)境進(jìn)行真實(shí)的體驗(yàn)。同時(shí)，用戶還能夠通過這個(gè)虛擬的環(huán)境與虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行交流，這就要求，用戶在碰觸到某一物體時(shí)要在虛擬環(huán)境下感受到碰撞時(shí)的感覺，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。因此，對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行相應(yīng)的碰撞檢測，也就更能夠增強(qiáng)虛擬世界的真實(shí)性。那么，提高虛擬環(huán)境中碰撞檢測的精確性，在虛擬環(huán)境碰撞中的作用十分突出，然而，隨著虛擬環(huán)境的復(fù)雜性的不斷增強(qiáng)，用戶對于碰撞算法的要求也有了新的標(biāo)準(zhǔn)，包圍盒方法能夠?qū)?fù)雜場景中的事物通過二分法的方式進(jìn)行簡化，提高計(jì)算效率。

4 結(jié)語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷深入發(fā)展，虛擬環(huán)境在各行各業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。尤其是沉浸式環(huán)境在變電站仿真中的應(yīng)用將會(huì)更加成熟。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)尖端科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展前景在現(xiàn)在和未來都相當(dāng)廣泛。

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