3D場景顯示技術在智能變電站輔助系統中的應用

馬 玫 楊鴻昌 白 丁

（國網四川省電力公司信息通信公司，成都 610041）

信息化是建設堅強電網的基礎，智能電網建設將為電網信息化的發展帶來變革[1]。隨著新興技術的不斷融入，智能電網信息化建設過程中智能化、自動化、互動性等需求的增加，智能化變電站的建設也在不斷深入。智能變電站輔助系統是變電站站端系統，包含視頻監控子系統和環境監控子系統，實現對變電站視頻資源及環境數據的采集和顯示，并實現兩個系統的聯動應用功能，為電網生產運行提供有力的輔助手段。

隨著智能變電站規模不斷擴大，信息技術綜合應用的深入，智能變電站站端輔助系統的建成成為生產運行及安防應急提供了重要手段。目前變電站站端輔助系統只能顯示二維信息，為了使視頻中的場景以及物體具有立體感，更直觀、逼真、有效地再現現實場景[2]，給人以身臨其境的感受，在智能變電站中引進 3D場景顯示技術對智能變電站輔助系統進行展示。本文將對智能變電站輔助系統實現3D場景顯示的關鍵技術進行探討。

1 3D場景顯示技術的現狀及在電力中的需求

目前國內變電站中智能輔助系統的呈現主要以視頻資源列表、動環數據圖表、一次接線圖、設備照片和現場錄像等常規多媒體方式作為表現手段[3]。傳統顯示是基于二維平面，單純的二維場景顯示技術，不能真實的體現出智能變電站內場景的多方向變化，并且無法準確展現變電站現場環境溫濕度、風速、水浸等環境量，無法較為真實的感知現場的實際場景及各類數據信息。因此，需要更為清晰，更具立體效果、功能更加強大的場景顯示技術以適應日趨復雜的電網現代化、智能化建設的需求。

目前 3D場景顯示技術日益成熟，并廣泛應用于影視娛樂、醫學以及軍事等各個領域[4]，并發揮著舉足輕重的作用。在智能電網領域，3D場景顯示技術應用還不普遍，此技術應用于智能變電站輔助系統中，將彌補了變電站輔助系統無法將站端視頻資源與變電站環境信息更準確、直觀地進行有機結合后呈現出來的缺陷。將環境溫濕度及風度、風向等環境量通過 3D顯示技術融入到視頻顯示中，達到仿真、立體的效果，給人以身臨其境的感受。能較為真實地反應出現場的設備周邊環境狀況和設備的運行狀況。管理人員通過實時對溫度、濕度、風向等環境信息進行采集、處理和上傳，生成曲線和報表，并與視頻資源進行聯動整合，方便實時監控、歷史查詢、統計分析，更為全面地掌握變電站的運行狀況。

該技術的應用優化電力部門工作的傳統模式，由事后處理向事前預測轉化，使管理人員有充分的時間和精力去綜合、分析、解決系統運行維護過程中出現的問題，從而提高其管理工作質量。

2 3D場景顯示開發環境的比較及選擇

在計算機領域有多種成熟的三維圖形顯示技術可以選擇。常用的 3D開發軟件主要有 Unity3D，HTML5等。Unity3D能輕松創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容的多平臺綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎，具有優越的效果和很高的擴展空間[5]；在網絡方面，Unity3D提供了很強大的可視化編輯器和語言層面的網絡類，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，還提供數據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部數據直接相連，例如視頻影音。

Unity3D相對于其他開發環境，其優勢在于：可以輕松的創建三維視頻，并且可以使用AssetBundle動態載入外部模型，或者使用3ds Max正常制作三維模型，導入生成 FBX文件，載入Unity3D中構建，最后進行交互操作。盡管HTML5也可是創作模擬出三維場景，但HTML5存在漏洞，產生的數據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層而言相對穩定，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，可以通過菜單發布到各種平臺，市場空間很大。

3 實現的關鍵技術

3.1 三維模型建立

首先是進行數據采集，包括地理信息、建筑物紋理等，在變電站中根據現實需求設置多個傳感器，通過傳感器獲取設備或周邊環境情況的信息，如圖1所示。

圖1 傳感器獲取信息

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置攝像機，對實時情況進行錄像，通過3ds MAX根據采集的信息進行三維模型建立。在三維模型空間中，設置一個攝像機的點，通過設置攝像機的角度，依據現場攝像機所提供的實際的參數轉換為三維界面中攝像機的模擬參數，形成逼真、生動的現場效果模擬3D圖像。

設想有一個任意方向、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。其中的數學變換總結如下：

矩陣乘法滿足結合律，所以我們能用一個矩陣直接從物體坐標系變換到攝像機坐標系：

這樣就能在渲染的循環外先將所有矩陣組合起來，使循環內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，存儲到相應的數據庫中，利用三維制作軟件 3ds MAX根據已經采集的信息進行三維模型的建立。

下面將比較動態貼圖技術和使用Unity3D軟件進行3D場景顯示的兩種方式。

3.2 動態貼圖技術

動態貼圖技術利用在三維模型的不同面以動態貼圖的方式，從不同角度看到的視頻角度不同，在視覺上初步實現3D視頻顯示。

未經過動態貼圖的三維模型為灰色，通過攝像機獲取監控視頻的畫面，將視頻畫面截取為一幀一幀的圖片，利用已經截取的圖片對已經建立的三維模型動態貼圖。通過在模型不同的面，間隔時間段的進行貼圖，如圖2所示。

圖2 動態貼圖顯示效果

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，從而實現對視頻的播放。

但是，通過在三維模型上動態貼圖的方式實現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、真實的技術要求。

3.3 Unity3D軟件實現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，發布至 Web，通過視頻播放插件與GUI界面預設視頻窗口疊加，實現3D場景顯示。

1）模型建立

各個點的攝像機獲取的場景和設備紋理以及傳感器獲得的各種信息，通過程控放大器、A/D數模轉換以及邏輯控制，傳送到服務器的數據庫中。利用三維軟件3ds MAX，根據計算機存放的數據庫中采集的變電站現場的信息進行模型的建立，將建立的模型進行場景的拼接，模擬出變電站現實場景相對應虛擬現實的初步三維模型。利用Unity3D可以導入外部模型的特性，將已經建立的虛擬現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

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換到屏幕坐標系。

圖3 視平面坐標模型

計算機屏幕的坐標模型如圖4所示，它的原點（0, 0）位于屏幕的左上角，y軸正向垂直向下。設視平面的寬度為Wp，高度為Hp；屏幕的寬度為Ws，高度為Hs。

圖4 屏幕坐標模型

令視平面坐標系中的點（xp, yp）對應于屏幕坐標系中的點（xs, ys），它們的變換關系如下：

由圖2和圖3可知，視平面中的（0, 0）點對應于屏幕坐標系中的中心點（0.5×Ws-0.5, 0.5×Hs-0.5）；由于屏幕坐標系是離散坐標系，所有屏幕右下點的坐標為（Ws-1, Hs-1），而不是（Ws, Hs）；另外，視平面的（-0.5×Wp, -0.5×Hp）對應于屏幕的（0, 0）點。將上述兩種取值代入變換方程可以得出

3）載入3D模型

在3ds MAX中，已經根據現場所采集的信息，包括設備、建筑等按照視頻需求比例進行了三維模型建立；使用Matt Fairfax實現的Model_3DS類支持3DS模型文件的載入。并對已經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，實現了KCamera類，除保存視點的位置和姿態，還保存視圖變換矩陣m_kmView，隨著視點位置和姿態的變化，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函數實現。

5）透視變換

經過視圖變換之后，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函數將視圖變換的結果變換為透視坐標。代碼實現如下：

6）屏幕變換

實現視圖變換和投影變換之后，需要將其轉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，代碼如下：

7）三維模型的渲染

將已經導入經過投影變換的變電站的電力系統以及變電站周邊環境的三維模型進行渲染，渲染使用軟件來實現，沒有使用任何第三方圖形庫，主代碼在 KCamera::Render函數中，它接收兩次參數：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

三維模型渲染結束之后，將其發布至Web上，在 GUI客戶端界面的設計過程中，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 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。

圖5 Unity3D軟件生成3D場景

3.4 試點應用

上述兩種方式均能實現 3D視頻的顯示，但通過實際模型對比得出第二種方式實現 3D場景顯示的效果優于第一種方式。因此采用第二種方式在220kV武侯變電站上試點建設一套 3D顯示系統來展現變電站場景及站端輔助系統。

用戶可以通過客戶端訪問系統，客戶端所采用的通信協議，具有很強的開放性和兼容性，完全能融合在電力系統現有網絡中。通過標準的客戶端，相關負責人和管理人員可根據不同的權限對系統進行配置及監控，操作界面全部為中文可視化界面，使用非常方便。

此系統將獲取的真實站端動環數據，如環境溫濕度、風度、風向等環境量以及門禁，集成到 3D場景顯示系統中。在此 3D顯示界面上，管理人員可以根據 3D虛擬現實視頻中得到的實時數據的模擬數據，判斷設備周邊環境和設備運行情況。

圖6所示為設備周邊環境，能真實地反映出周邊環境溫濕度、風度、風向等環境量以及門禁等的變化。

圖6 設備周邊環境

圖7所示為設備運行情況，根據3D虛擬現實視頻中的實時數據，立體、形象、真實地反映了變電站各個設備的細節和特征以及運行情況，讓管理人員和技術人員可以更直觀地了解設備的運行情況。

試點表明利用透視原理，使用Unity3D軟件可以很好的展現生成變電站 3D場景，并能把輔助系統的相關數據都融合到這個界面上，對變電站的全景數據進行有效的展示。

圖7 設備運行情況

4 結論

目前，3D視頻顯示技術雖然已經應用于眾多領域，但在電力企業的信息化建設中應用并不普遍，武侯變電站的試點結果表明，在電網的信息化建設中，采用 3D場景顯示技術呈現變電站設備的空間關系以及環境數據的實時變化，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、準確并且真實的監控管理方式。利用3D場景顯示技術進行有效的監控和管理，能更好的滿足生產運維、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計，將大大提高管理的可操作性并提升了電網信息化的管理和決策水平。

[1]李鑫. 三維全景智能電網支撐平臺在電網信息化過程中的應用[J]. 電力技術, 2010, 4(19): 54-57.

[2]倪倩, 李會平. 三維電子地圖的制作與漫游研究[J].青島職業技術學院學報, 2013(6).

[3]侯俊, 李蔚清, 林昌年. 變電站三維交互場景仿真關鍵技術研究[J]. 電網技術, 2005, 29(9): 70-75.

[4]王永, 孫可, 孫士祥. 3D顯示技術的現狀及發展[J].現代顯示, 2012(2): 26-28.

[5]倪樂波, 戚鵬, 遇麗娜, 等. Unity3d產品虛擬展示技術的研究與應用[J]. 數字技術與應用, 2010(9).