3D場景顯示在智能變電站中的應用范文
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《電氣技術(shù)雜志》2014年第七期
在計算機領(lǐng)域有多種成熟的三維圖形顯示技術(shù)可以選擇。常用的3D開發(fā)軟件主要有Unity3D，HTML5等。Unity3D能輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎，具有優(yōu)越的效果和很高的擴展空間[5]；在網(wǎng)絡方面，Unity3D提供了很強大的可視化編輯器和語言層面的網(wǎng)絡類，支持重載和命名空間。HTML5是基于SVG、Canvas、WebGL和CSS3的3D功能的開發(fā)工具，在瀏覽器中能達到驚人的3D顯示效果，HTML5在支持跨平臺進行使用的同時，還提供數(shù)據(jù)與應用接入開放接口，使外部應用程序可以直接與瀏覽器內(nèi)部數(shù)據(jù)直接相連，例如視頻影音。Unity3D相對于其他開發(fā)環(huán)境，其優(yōu)勢在于：可以輕松的創(chuàng)建三維視頻，并且可以使用AssetBundle動態(tài)載入外部模型，或者使用3dsMax正常制作三維模型，導入生成FBX文件，載入Unity3D中構(gòu)建，最后進行交互操作。盡管HTML5也可是創(chuàng)作模擬出三維場景，但HTML5存在漏洞，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)垃圾會對用戶進行轟炸，甚至會在短時間將硬盤塞滿。綜合各方面因素，選用Unity3D進行三維場景的模擬在技術(shù)層而言相對穩(wěn)定，并且易于操作。此外，Unity3D對于同一項目，在不需要修改的前提下，可以通過菜單到各種平臺，市場空間很大。
2實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1三維模型建立首先是進行數(shù)據(jù)采集，包括地理信息、建筑物紋理等，在變電站中根據(jù)現(xiàn)實需求設(shè)置多個傳感器，通過傳感器獲取設(shè)備或周邊環(huán)境情況的信息，如圖1所示。對信息進行采集，包括錄像、信息、建筑物紋理等。在變電站中不同的位置設(shè)置攝像機，對實時情況進行錄像，通過3dsMAX根據(jù)采集的信息進行三維模型建立。在三維模型空間中，設(shè)置一個攝像機的點，通過設(shè)置攝像機的角度，依據(jù)現(xiàn)場攝像機所提供的實際的參數(shù)轉(zhuǎn)換為三維界面中攝像機的模擬參數(shù)，形成逼真、生動的現(xiàn)場效果模擬3D圖像。設(shè)想有一個任意方向、任意位置的物體，我們要把它渲染到任意方向、任意位置的攝像機中。為了做到這一點，必須將物體的所有頂點從物體坐標系變換到世界坐標系，接著再從世界坐標系變換到攝像機坐標系。其中的數(shù)學變換總結(jié)如下：這樣就能在渲染的循環(huán)外先將所有矩陣組合起來，使循環(huán)內(nèi)作矩陣乘法的時候只需要和一個矩陣相乘即可（物體有很多頂點，省一次矩陣乘法就會提高不少效率），如下：通過攝像機和傳感器完成對信息的采集之后，存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中，利用三維制作軟件3dsMAX根據(jù)已經(jīng)采集的信息進行三維模型的建立。下面將比較動態(tài)貼圖技術(shù)和使用Unity3D軟件進行3D場景顯示的兩種方式。
2.2動態(tài)貼圖技術(shù)動態(tài)貼圖技術(shù)利用在三維模型的不同面以動態(tài)貼圖的方式，從不同角度看到的視頻角度不同，在視覺上初步實現(xiàn)3D視頻顯示。未經(jīng)過動態(tài)貼圖的三維模型為灰色，通過攝像機獲取監(jiān)控視頻的畫面，將視頻畫面截取為一幀一幀的圖片，利用已經(jīng)截取的圖片對已經(jīng)建立的三維模型動態(tài)貼圖。通過在模型不同的面，間隔時間段的進行貼圖，如圖2所示。通過視頻播放控件與GUI界面中的視頻窗口疊加，視頻截圖不間斷的替換出現(xiàn)，從而實現(xiàn)對視頻的播放。但是，通過在三維模型上動態(tài)貼圖的方式實現(xiàn)3D視頻顯示的同時也存在一些缺陷。由于三維模型的分辨率較低，將分辨率高于三維模型的視頻截圖動態(tài)貼入三維模型時，視頻截圖的分辨率也會隨之降低。背離了3D視頻顯示清晰、真實的技術(shù)要求。
2.3Unity3D軟件實現(xiàn)3D場景顯示對建立的變電站的三維模型進行透視投影原理進行模型渲染，至Web，通過視頻播放插件與GUI界面預設(shè)視頻窗口疊加，實現(xiàn)3D場景顯示。1）模型建立各個點的攝像機獲取的場景和設(shè)備紋理以及傳感器獲得的各種信息，通過程控放大器、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換以及邏輯控制，傳送到服務器的數(shù)據(jù)庫中。利用三維軟件3dsMAX，根據(jù)計算機存放的數(shù)據(jù)庫采集的變電站現(xiàn)場的信息進行模型的建立，將建立的模型進行場景的拼接，模擬出變電站現(xiàn)實場景相對應虛擬現(xiàn)實的初步三維模型。利用Unity3D可以導入外部模型的特性，將已經(jīng)建立的虛擬現(xiàn)實的初步三維模型導入Unity3D中進行模型的透視投影和渲染等。2）透視投影的實現(xiàn)對于透視投影的標準模型，視平面的坐標模型如圖3所示，它的坐標原點位于視平面的中心，x軸正向水平向右，y軸正向垂直向上。要把透視投影的結(jié)果在計算機屏幕上顯示的話，需要對透視圖進行坐標變換，將其從視平面坐標系轉(zhuǎn)換到屏幕坐標系。3）載入3D模型在3dsMAX中，已經(jīng)根據(jù)現(xiàn)場所采集的信息，包括設(shè)備、建筑等按照視頻需求比例進行了三維模型建立；使用MattFairfax實現(xiàn)的Model_3DS類支持3DS模型文件的載入。并對已經(jīng)導入的變電站的三維模型進行視圖變換、透視變換和屏幕變換。4）視圖變換為表示透視投影的模型，實現(xiàn)了KCamera類，除保存視點的位置和姿態(tài)，還保存視圖變換矩陣m_kmView，隨著視點位置和姿態(tài)的變化，視圖矩陣也不斷更新。對于世界坐標系中的任何一點v(x,y,z)，通過v=m_kmView×v將其變換到透視投影的標準模型坐標系，通過KCamera::Transform函數(shù)實現(xiàn)。5）透視變換經(jīng)過視圖變換之后，利用KFrustum類用來對透視投影的模型進行建模，其成員包括視平面的尺寸大小，以及近截面和遠截面的z軸坐標。KFrustum通過Project函數(shù)將視圖變換的結(jié)果變換為透視坐標。代碼實現(xiàn)如下：6）屏幕變換實現(xiàn)視圖變換和投影變換之后，需要將其轉(zhuǎn)換為適合屏幕大小的模型，繼而需要進行屏幕變換；屏幕變換的算法通過宏實現(xiàn)，代碼如下。7）三維模型的渲染將已經(jīng)導入經(jīng)過投影變換的變電站的電力系統(tǒng)以及變電站周邊環(huán)境的三維模型進行渲染，渲染使用軟件來實現(xiàn)，沒有使用任何第三方圖形庫，主代碼在KCamera::Render函數(shù)中，它接收兩次參數(shù)：Model_3DS和KSurface，對Model_3DS中的頂點進行透視投影。渲染代碼如下：7）三維模型的渲染將已經(jīng)導入經(jīng)過投影變換的變電站的電力系統(tǒng)以及變電站周邊環(huán)境的三維模型進行渲染，渲染使用軟件來實現(xiàn)，沒有使用任何第三方圖形庫，主代碼在KCamera::Render函數(shù)中，它接收兩次參數(shù)：Model_3DS和KSurface，對Model_3DS中的頂點進行透視投影。渲染代碼如下：8）視頻疊加重合三維模型渲染結(jié)束之后，將其至Web上，在GUI客戶端界面的設(shè)計過程中，預留的配置了Web瀏覽器的視頻播放窗口，將Unity3D虛擬視頻與預先定義的視頻窗口進行疊加重合，實現(xiàn)3D視頻的播放功能，從而達到理想中的3D場景顯示的效果，如圖5所示。
2.4試點應用上述兩種方式均能實現(xiàn)3D視頻的顯示，但通過實際模型對比得出第二種方式實現(xiàn)3D場景顯示的效果優(yōu)于第一種方式。因此采用第二種方式在220kV武侯變電站上試點建設(shè)一套3D顯示系統(tǒng)來展現(xiàn)變電站場景及站端輔助系統(tǒng)。用戶可以通過客戶端訪問系統(tǒng)，客戶端所采用的通信協(xié)議，具有很強的開放性和兼容性，完全能融合在電力系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡中。通過標準的客戶端，相關(guān)負責人和管理人員可根據(jù)不同的權(quán)限對系統(tǒng)進行配置及監(jiān)控，操作界面全部為中文可視化界面，使用非常方便。此系統(tǒng)將獲取的真實站端動環(huán)數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫濕度、風度、風向等環(huán)境量以及門禁，集成到3D場景顯示系統(tǒng)中。在此3D顯示界面上，管理人員可以根據(jù)3D虛擬現(xiàn)實視頻中得到的實時數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備周邊環(huán)境和設(shè)備運行情況。圖6所示為設(shè)備周邊環(huán)境，能真實地反映出周邊環(huán)境溫濕度、風度、風向等環(huán)境量以及門禁等的變化。圖7所示為設(shè)備運行情況，根據(jù)3D虛擬現(xiàn)實視頻中的實時數(shù)據(jù)，立體、形象、真實地反映了變電站各個設(shè)備的細節(jié)和特征以及運行情況，讓管理人員和技術(shù)人員可以更直觀地了解設(shè)備的運行情況。試點表明利用透視原理，使用Unity3D軟件可以很好的展現(xiàn)生成變電站3D場景，并能把輔助系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)都融合到這個界面上，對變電站的全景數(shù)據(jù)進行有效的展示。
3結(jié)論
目前，3D視頻顯示技術(shù)雖然已經(jīng)應用于眾多領(lǐng)域，但在電力企業(yè)的信息化建設(shè)中應用并不普遍，武侯變電站的試點結(jié)果表明，在電網(wǎng)的信息化建設(shè)中，采用3D場景顯示技術(shù)呈現(xiàn)變電站設(shè)備的空間關(guān)系以及環(huán)境數(shù)據(jù)的實時變化，既可以縱覽全局，也可以觀察局部詳細信息，為變電站的智能化管理提供了直觀、準確并且真實的監(jiān)控管理方式。利用3D場景顯示技術(shù)進行有效的監(jiān)控和管理，能更好的滿足生產(chǎn)運維、安防應急的需求，同時也有利于工程人員進行擴建項目的分析和設(shè)計，將大大提高管理的可操作性并提升了電網(wǎng)信息化的管理和決策水平。
作者：馬玫楊鴻昌白丁單位：國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司