基于虛幻引擎4的大場(chǎng)景輸變電工程三維前端渲染技術(shù)研究

張仕杰 胡 偉 劉丹丹 余 容 吳紹華

（1.貴州電網(wǎng)有限公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴州貴陽(yáng)550002；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081）

0 引言

將三維可視化技術(shù)引入輸變電工程，可以將輸變電工程多種管理系統(tǒng)的復(fù)雜信息融匯在虛擬仿真環(huán)境之中，以符合人類直覺(jué)的方式自然呈現(xiàn)，從而大大提升輸變電工程信息交互的效率，減少信息損耗和時(shí)間損耗，確保信息傳遞的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，降低信息查詢和瀏覽的難度，使運(yùn)維管理人員能夠大幅提升操控效率[1]，加快響應(yīng)速度，縮短處理時(shí)間。

1 大場(chǎng)景三維前端渲染特點(diǎn)

伴隨著WebGL技術(shù)的逐漸成熟，越來(lái)越多的前端三維可視化框架應(yīng)運(yùn)而生，比如Cesium、ThreeJS、Potree等。這些前端三維可視化框架的出現(xiàn)，降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻，提高了3D應(yīng)用的開(kāi)發(fā)效率，逐漸成為了輸變電工程三維可視化的主戰(zhàn)場(chǎng)[2]。但不同于客戶端，現(xiàn)階段的三維可視化框架更注重與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，借助GIS技術(shù)與智能傳感器技術(shù)，更加關(guān)注三維數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的融合可視化，往往忽視輸變電工程三維大場(chǎng)景真實(shí)地物[3]。且利用Web端加載大場(chǎng)景三維模型需要考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及前端瀏覽器資源使用限制，比如渲染上chrome的v8對(duì)于內(nèi)存的使用在32位系統(tǒng)上的最大限制是1G，64位系統(tǒng)上的最大限制是4G，而數(shù)據(jù)傳輸更是被網(wǎng)絡(luò)制約。現(xiàn)階段，前端三維可視化框架通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮優(yōu)化，從而降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量及前端性能要求，但降低數(shù)據(jù)量的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真、還原不真實(shí)情況。

2 UE4前端渲染技術(shù)介紹

（1）UE4使用Datasmith，可以將輸變電工程整個(gè)場(chǎng)景（包括動(dòng)畫(huà)和元數(shù)據(jù)）從3dsMax、Revit、SketchUpPro、Cinema4D、Rhino、SolidWorks、Catia和其他各種DCC、CAD、BIM、GIM格式進(jìn)行高保真轉(zhuǎn)換。

（2）UE4采用LiDARPointCloud插件，允許直接在虛幻引擎內(nèi)導(dǎo)入、可視化、編輯和操作來(lái)自激光掃描設(shè)備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）通過(guò)UE4藍(lán)圖可視化腳本，可以快速制作與輸變電工程交互式內(nèi)容，而不必編寫(xiě)一行代碼。使用藍(lán)圖可以構(gòu)建輸變電工程設(shè)備與人之間的行為和交互，修改用戶界面，調(diào)整輸入控制等等。

（4）利用像素流送功能，在云端的GPU或本地服務(wù)器上托管UE4構(gòu)建的輸變電工程項(xiàng)目，利用遠(yuǎn)程PC、Mac、平板電腦或手機(jī)上的Web瀏覽器，便可實(shí)現(xiàn)與輸變電工程的交互式體驗(yàn)。

3 輸變電工程三維場(chǎng)景前端渲染

3.1 工作流程

輸變電工程三維場(chǎng)景前端渲染流程如圖1所示。

圖1 輸變電工程三維場(chǎng)景前端渲染流程

3.1.1 輸電線路激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文展示的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為貴州電網(wǎng)220 kV趙漁線，利用地面激光設(shè)備RIEGL VZ-2000i采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大小2.51G，共96 471 153個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)云效果展示如圖2所示。

圖2 采集的輸電線路地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.1.2 變電站三維模型建立

本文展示的變電站模型采用3DMAX建立，里面包含一次設(shè)備（直接生成、輸送、分配和使用電能的設(shè)備，包括變壓器、高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線、避雷器、電容器、電抗器等）、二次設(shè)備[對(duì)一次設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、控制和保護(hù)的設(shè)備，主要包括繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置、測(cè)控裝置（電流互感器、電壓互感器）、計(jì)量裝置、自動(dòng)化系統(tǒng)以及為二次設(shè)備提供電源的直流設(shè)備]，模型如圖3所示。

圖3 變電站設(shè)備三維模型

3.1.3 導(dǎo)入U(xiǎn)E4

將輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)與變電站三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)E4編輯器中，效果如圖4所示。

3.1.4 場(chǎng)景部署及光線渲染

將變電站三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4，選擇合適的金屬材質(zhì)，利用UE4引擎的動(dòng)態(tài)光照技術(shù)、顏色控制技術(shù)、紋理渲染技術(shù)等實(shí)現(xiàn)變電站場(chǎng)景渲染方案。圖5為利用UE4引擎加載變電站模型并實(shí)現(xiàn)光線渲染效果。

3.1.5 藍(lán)圖交互

本文利用UE4藍(lán)圖功能首先實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)漫游、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中漫游、與變電站內(nèi)設(shè)備交互等內(nèi)容。部分藍(lán)圖交互展示如圖6所示。

3.1.6 自定義播放器頁(yè)面

系統(tǒng)前端展示利用Vue+Element+MySQL開(kāi)源框架，網(wǎng)頁(yè)播放器界面如圖7所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)E4編輯器效果

圖5 變電站光線渲染效果

圖6 實(shí)現(xiàn)在變電站內(nèi)漫游

3.1.7 創(chuàng)建主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接

如圖8所示，使用TURN服務(wù)器在UE4應(yīng)用和瀏覽器之間中繼媒體流。啟動(dòng)TURN協(xié)議后，TURN服務(wù)器一方面與UE4應(yīng)用連接，另一方面則與瀏覽器連接。UE4應(yīng)用將自身所有流送的數(shù)據(jù)發(fā)送給TURN服務(wù)器，后者又將數(shù)據(jù)傳送至瀏覽器。

圖7 自定義播放器頁(yè)面

在此情況下，UE4應(yīng)用和瀏覽器間并無(wú)直接連接。

圖8 像素流送原理圖

3.1.8 與像素流送系統(tǒng)交互

為了響應(yīng)前端頁(yè)面Element按鈕與輸變電工程三維場(chǎng)景的交互事件，利用像素流送器委托類進(jìn)行綁定，如圖9所示。

圖9 利用藍(lán)圖將輸變電工程重置

3.2 效果展示

最終效果展示如圖10所示。

圖10 利用像素流送在前端實(shí)現(xiàn)與輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)及變電站交互

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了利用UE4引擎加載輸變電工程三維大場(chǎng)景并在前端展示的技術(shù)，該技術(shù)降低了對(duì)前端設(shè)備性能的依賴，提高了前端加載三維場(chǎng)景的效率及渲染效果，同時(shí)通過(guò)像素流送功能，降低了前端瀏覽器加載三維場(chǎng)景的資源浪費(fèi)，解決了三維場(chǎng)景加載過(guò)度依賴網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯?wèn)題。另外，通過(guò)前端控件利用像素流送實(shí)現(xiàn)與輸變電工程三維場(chǎng)景的交互，解決了移動(dòng)設(shè)備和輕量級(jí)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器無(wú)法顯示高質(zhì)量三維畫(huà)面等問(wèn)題。