沉浸式虛擬環境及其在變電站仿真中的應用

李翔 鐘旭

（中國南方電網調度控制中心，廣東廣州 510623）

沉浸式虛擬環境及其在變電站仿真中的應用

李翔 鐘旭

（中國南方電網調度控制中心，廣東廣州 510623）

隨著近年來經濟技術和科學技術的不斷發展進步，虛擬現實技術已經成為了一項具有廣泛的發展前景的技術。虛擬現實技術集合了眾多高新技術，它能夠給廣大用戶帶來極其逼真的視覺體驗，使人們能夠更加直觀的感受到世界的宏觀性和微觀性，在虛擬環境中感受真實性。文章對沉浸式虛擬環境以及其在變電站中的仿真應用進行了詳細的論述。

沉浸式 虛擬模式 變電站 仿真

隨著近年來科學技術的不斷發展進步，使得沉浸式虛擬現實技術得到了空前的發展。目前，這項技術已經在很多領域內被廣泛的應用。這項技術是一種虛擬的手驅動算法，這項技術有效的促成了虛擬手能夠與現實生活中的人的手進行實時的互動。這項技術應用到變電站的仿真工作中意義十分重大。

1 虛擬現實技術在各個行業被廣泛應用

隨著我國經濟的不斷發展進步，國家的國防事業已經成為我國現代化發展中的一項重要內容。國家對于軍事領域的資金投入力度也相對有所增加。在科學技術急速發展的今天，國家在對軍事進行建設時要注重在軍事領域內對虛擬現實技術進行相應的應用。在對軍事人才的培養、軍用產品的測試方面投入了大量的資金。這些虛擬現實技術的研究成果主要體現在對虛擬的戰爭的、現場的模擬，讓戰士們能夠在模擬戰場上感受到真實戰場上的緊張、激烈氣氛，讓戰士們能夠在日常生活中防微杜漸，以便能夠坦然面對真實戰爭的來臨；其次，隨著新課改進程的不斷深入發展以及國家對教育文化的重視程度的不斷增強，國家對教育的建設也處在了一個現代化的發展態勢下。在新的形勢下，將虛擬環境應用于教育領域內意義重大。現如今，一部分學校已經實現的虛擬課堂，學生能夠在虛擬的環境下與老師之間進行相應的互動，縮減了交流時間并大大提高了交流效率；最后，隨著人們生活水平的提高，醫療衛生行業發展迅猛，在醫療行業中對虛擬現實技術進行應用主要體現在醫院對患者進行康復訓練和對殘疾患者的生或質量進行改善等方面，由于虛擬環境的構建，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 變電站仿真構建中應用的虛擬現實技術

2.1 對虛擬的動態環境進行建模

圖1 OSG功能展示圖

隨著科學技術的不斷發展，對于虛擬環境的建立技術也變得更加的先進，其中，在虛擬環境建立中一項處于核心位置的技術就是VR技術，對于虛擬的動態環境進行建模只要是為了對現實中的三維數據進行必要的獲取，并能夠根據具體的用戶其不同需要對虛擬的環境模型進行建立。在對系統中的三維數據進行相應的獲取時，能夠被有效進行應用的技術就是相對成熟的CAD技術，同時，在一些其他的情況下，也會采用一系列的視覺建模技術對三維數據進行獲取。因此，在對三維數據進行獲取時，將CAD技術與視覺建模技術進行有機的結合于一身，能夠更加有效的對三維數據進行準確的獲取，從而最大程度的提高數據獲取的效率。

2.2 三維圖像的實施形成與虛擬現實之間的交互

在對虛擬的環境中的三維圖像進行利用時，能夠在系統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。作為一種相對先進的計算機領域內的技術，虛擬現實的主要工作方式就是完成人與機器之間的雙向相互對話。目前，虛擬環境中的三維圖像已經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鍵，在這個過程中，生成講求的就是一個實時性特點，因此，在對三維圖像進行生成的過程中，將實時生成的事物作為特點進行圖像繪制，能夠保證圖像的質量和復雜性。

2.3 對虛擬應用進行開發

作為虛擬環境中的一項重要技術，對VR技術的開發能夠將虛擬環境構建的效率有效的進行提高，在這個過程中，就要研究一系列進行VR開發的工具，這類工具就是建立相應的虛擬平臺。隨著虛擬現實平臺的復雜性的不斷加強，VR系統中已經有更多的模型被包含其中，這是需要用到的技術就是沉浸技術，這項技術的主要內容有：對系統內的信息進行同步并對系統中的模型進行標定和識別，同時要完成對相應數據的轉換。

3 沉浸式虛擬環境在仿真變電站中的應用

3.1 變電站仿真系統的基本概念和內容

圖2 LOD層次計算示意圖

沉浸式虛擬環境作為變電站仿真系統中的一項基礎結構，其圖像數據形式十分重要。三維圖形引擎是仿真系統中一項不可或缺的一部分。在變電站的仿真系統中，開發人員通過利用OSG三維圖形開發包來將變電站中的虛擬環境中的三維模型進行導入，從而有效的實現了人與變電站機器之間的相互交流。OSG與其他軟件包相比所具有的優勢是它具有十分顯著的跨平臺性，這樣的性能決定了這款工具包適合在高性能的圖像開發中予以廣泛的應用。此外，作為一款高性能的圖像軟件開發包，OSG有著強大的功能。首先，我們日常生活中經常會用到的JPG、GIF等格式的圖像，都能夠被OSG技術所廣泛的支持；其次，OSG能夠對系統中的數據庫實施讀寫功能，實現對數據庫的優化作用，進而將系統原有的數據庫開發成能夠對3D圖像進行實施、迅速開發的函數庫；另外，在OSG的內核中，將完善、系統的函數功能進行了涵蓋，實現了系統中對場景圖的技術轉換。OSG功能展示如圖1所示。

3.2 變電站仿真中的對場景的構建

在對變電站進行布置時，通常采用的布置方法是使用單母線進行分段接線，也有采用雙母線聯系旁支電路的接線方法。不論接線方法是否相同，但是都同樣能夠構成合理、有效的組織場景，這是變電站仿真系統中的組織場景。在實際的變電站仿真系統中，虛擬的場景更多的受到電氣連接性質的影響。變電站的虛擬環境中，變電站的設備往往都會受到變電站中電氣連接性質的影響，因此，在對變電站仿真項目進行設計并進行電氣連接時，要將系統中的斷路器作為基本標準、將單元看做經線并將電氣母線看成是緯線，這樣就形成了獨特的變電站仿真環境。變電站仿真的虛擬場景主要是利用清晰的樹狀結構來體現。樹狀圖中的每一個結構都有著自己獨特的個性和特點，這種樹狀結構能夠更加便于變電站仿真場景進行快速繪制成功，由于每一份樹狀結構的節點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轉變成全部的坐標時也就完成了對整個空間場景的繪制過程。

3.3 變電站仿真電氣設備模型應用的算法

在變電站仿真過程中，那些虛擬的、復雜的三維模型的處理難度要遠遠大于普通計算機處理的能力。因此，這類電氣設備在進行圖像處理時，需要運用一種簡單、快速、效率高的算法，這種算法叫做LOD算法。LOD算法是借助LOD模型來對場景進行有利控制的一種算法，所謂LOD模型就是用來展示一個物體的模型的內部細節不僅相同。LOD這項技術能夠在用戶的視覺效果不受到嚴重的影響的情況下對場景進行簡單的變換，以便能夠降低場景的復雜程度，這樣既能夠降低場景的復雜性，又能夠有效的提高算法的準確性，是一項優勢十分明顯的算法。因此，這項技術目前已經被廣泛的應用于變電站的仿真設計中。同時，LOD模型實質上就是對一些精密細致的模型進行了相應的簡化而得到的一種簡單的計算模型。這個簡化過程是先將某個物體進行模型轉化，此時生成的模型是一個相當精密的模型，當這個精密的模型生成之后，通過一種簡化式的運算方法將這個相當精密的模型轉化為LOD模型。在對物體的精密模型進行簡化的過程中，很多精密程度不盡相同的模型都會通過這個過程得到。一般而言，3個LOD層次就能構成一個虛擬環境場景，在這三個層次中，第一個LOD層次是精密程度最高的模型，第二個為精密程度稍差的模型，當然，精密程度最粗糙的模型也就是第三個LOD層次。在對LOD模型的層次進行確定時，要對視點、實體等進行綜合考慮，也就是說，與視點之間的距離決定了所繪制模型的精密和粗糙程度，與視點的距離相距越近，也就意味著所繪制的模型的精密程度會越高，反之亦然。同時，如果模型的位置在視點中央的位置，那么模型繪制的精密程度也就會越強。LOD層次計算示意圖如圖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中，有一個具有特殊地位的問題，那就是碰撞檢測問題。在實際的操作中，為了對虛擬的環境有一個真實性的保證，在對虛擬環境進行設計時下了很大功夫。這就使得用戶在對自己所看到的虛擬的環境進行視覺上的感受時，還能夠對原本虛擬的環境進行真實的體驗。同時，用戶還能夠通過這個虛擬的環境與虛擬環境中的事物進行交流，這就要求，用戶在碰觸到某一物體時要在虛擬環境下感受到碰撞時的感覺，并作出相應的反應。因此，對虛擬環境中的物體進行相應的碰撞檢測，也就更能夠增強虛擬世界的真實性。那么，提高虛擬環境中碰撞檢測的精確性，在虛擬環境碰撞中的作用十分突出，然而，隨著虛擬環境的復雜性的不斷增強，用戶對于碰撞算法的要求也有了新的標準，包圍盒方法能夠將復雜場景中的事物通過二分法的方式進行簡化，提高計算效率。

4 結語

總而言之，隨著科學技術的不斷深入發展，虛擬環境在各行各業中的應用將會越來越廣泛。尤其是沉浸式環境在變電站仿真中的應用將會更加成熟。虛擬現實技術是一項尖端科學技術，它的發展前景在現在和未來都相當廣泛。

［1］陶婷婷，賀靜靜，張亞萍.投影面沉浸式虛擬環境在教學系統中的應用［J］.中國教育信息化，2014（02）.

［2］仲崇軍.基于沉浸式虛擬現實的電力安全培訓應用研究［D］.北京工業大學，2013.

［3］陶婷婷.多投影沉浸式教學系統的無縫拼接技術研究［D］.云南師范大學，2014.

［4］李萌.基于體感交互的沉浸式森林景觀展示研究［D］.北京林業大學，2013.

［5］陸穎雋.虛擬現實技術在數字圖書館的應用研究［D］.武漢大學，2013.

［6］王菲.基于虛擬現實的自走式農業機械試驗方法研究［D］.中國農業大學，2014.

［7］王興洋.基于HLA的變電站培訓仿真系統的開發研究［D］.山東大學，2013.

［8］李路.虛擬現實技術在城市規劃藝術中應用的研究［D］.哈爾濱師范大學，2013.