基于Web 3D的水利水電工程虛擬現(xiàn)實研究

楊 鵬，劉常新，劉甲強

（中電建第十一工程局（廣東）建設投資有限公司，廣東 廣州 510407）

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是指綜合應用計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術以及人工智能等技術生成的一種人工模擬環(huán)境，用戶能夠以自然的方式與這個環(huán)境進行交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。虛擬現(xiàn)實具有多感知性、沉浸感、交互性和構想性等特點[1-3]。

由于水利水電工程的特殊性，長期以來該行業(yè)虛擬現(xiàn)實技術的應用研究進展緩慢，主要體現(xiàn)在開發(fā)成本高、周期長，而且效果差、交互功能不足[4]。隨著虛擬現(xiàn)實技術的日趨成熟和普及應用，水利水電工程虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展迎來了新的機遇。

當前虛擬現(xiàn)實技術應用最廣泛和成熟的領域是游戲開發(fā)，本文通過借鑒游戲開發(fā)行業(yè)的先進經(jīng)驗和流程，將游戲開發(fā)理念引入水利水電工程虛擬現(xiàn)實研究，并通過Unity 3D 虛擬現(xiàn)實引擎，高質量地完成了基于Web 3D的水利水電工程虛擬現(xiàn)實案例。

1 基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實簡介

基于Web 3D 的虛擬現(xiàn)實是“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實”技術的具體應用，它的實現(xiàn)原理是在B/S 架構下，由服務器提供數(shù)據(jù)，用戶通過瀏覽器將相應的數(shù)據(jù)下載到本地構建虛擬現(xiàn)實場景，并與該場景進行實時交互，服務器根據(jù)交互情況對場景數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)更新。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術相比，基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實技術具有如下特點。

（1）廣泛的傳播性。基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實成果通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳播，擁有廣泛的用戶基礎；互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過超過20 a 的發(fā)展，已經(jīng)和人們的生活密不可分，并且仍在高速發(fā)展聚集用戶。

（2）使用的便捷性。基于B/S 架構，用戶無需安裝客戶端軟件，只需連接互聯(lián)網(wǎng)，無論何時、何地都能使用虛擬現(xiàn)實成果。

（3）更強的優(yōu)化和壓縮能力。虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡進行傳輸，由于網(wǎng)絡帶寬的限制，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過優(yōu)化和壓縮，以保證用戶端能快速下載。

2 水利水電工程虛擬現(xiàn)實開發(fā)的特點

2.1 場景和數(shù)據(jù)量大

水利水電工程樞紐范圍通常達幾十上百平方公里，場景內不僅有復雜的地形、地貌，還有各種水工建筑物、機電設備和管路系統(tǒng)等，如對工程進行整體仿真，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)[5]。

2.2 仿真度要求高

水利水電工程虛擬現(xiàn)實與“嚴肅游戲”開發(fā)類似，二者都是對客觀現(xiàn)實進行仿真模擬，而不能憑借開發(fā)者的想象隨意進行創(chuàng)造，如對自然地形、建筑物、機電設備的建模精度必須滿足規(guī)定要求，各種交互式操作必須符合實際。

2.3 專業(yè)性強

水利水電工程涉及測繪、地質、水工、交通、消防、電氣等20 余個專業(yè)，要對工程進行全方位的仿真模擬，需要各領域大量專業(yè)人才的參與。

2.4 宏觀與微觀兼顧

宏觀方面包括山川、河流、水工建筑物等大尺度模型，微觀方面小到一個按鈕、一顆螺絲釘都可進行模擬，水利水電工程虛擬現(xiàn)實開發(fā)要同時兼顧宏觀與微觀兩個方面的需求。

3 基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實關鍵技術研發(fā)

基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實開發(fā)的關鍵，是對數(shù)據(jù)結構進行優(yōu)化，以大幅減少數(shù)據(jù)量，并采用高效的算法滿足虛擬現(xiàn)實引擎實時渲染的要求。針對水利水電工程特點，基于Unity 3D 平臺，對大場景數(shù)字地形建模、模型重構、復雜水效果模擬、人機交互等關鍵技術進行了研究和開發(fā)。

3.1 大場景數(shù)字地形建模

傳統(tǒng)的地形建模方法是采用Mesh 面對地表進行模擬，由于水利水電工程地形建模范圍大，如采用傳統(tǒng)方法進行建模，其數(shù)據(jù)量將非常巨大，無法滿足虛擬現(xiàn)實技術對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和實時渲染的要求。為此，Unity 3D 內置地形引擎，采用地形高度圖建模，并利用LOD（Levels of Detail，簡稱LOD）技術，將地形模型用多種不同的精度表示，根據(jù)觀察點的遠近選擇不同精度的地形模型進行呈現(xiàn)，從而有效解決了數(shù)據(jù)存儲和實時渲染的問題；此外，Unity 3D內置地形引擎還能方便地繪制地形紋理，采用對象實例化技術快速批量生成植物模型。但是，由于地形高度圖采用固定的二維點陣數(shù)據(jù)記錄地形的位置和高度信息，所以所建立的地形模型只能在高度上進行變化，可編輯性能差，如不能方便地在地形上修建道路、不能進行邊坡和基礎開挖等。

經(jīng)研究分析，通過二次開發(fā)，利用地形疊加、遮罩、紋理映射等技術，將Unity 3D 內置的大場景地形與外部導入的小范圍Mesh地形進行拼接，既充分利用了內置地形引擎的高效性，又滿足了工程建設對地形建模精度和加工要求，其原理如圖1所示。

3.2 模型重構

當前國內大中型水利水電工程已普遍開展三維設計，如能將三維設計模型應用于虛擬現(xiàn)實開發(fā)，既能保證模型精度，又能提高虛擬現(xiàn)實開發(fā)效率。然而，三維設計模型并不等同于虛擬現(xiàn)實模型，而是需經(jīng)加工處理后才能用于虛擬現(xiàn)實開發(fā)，這個對模型進行加工處理的過程稱之為模型重構。模型重構的要點概括起來有增加、刪除、合并、拆分、簡化、替換等幾種方式。

（1）增加。即查漏補缺，對三維設計中沒有的模型進行補充建模，如第三人稱角色模型等；另三維設計模型通常不含材質紋理，模型外觀與實際物體不符，故應補充模型的材質貼圖。

（2）刪除。為減少數(shù)據(jù)量，需刪除虛擬現(xiàn)實場景中不可見或不關心的結構模型，如混凝土預埋件、錨桿、止水等。

（3）合并。為便于模型材質貼圖，物理屬性相同的物體應盡量合并。

（4）拆分。含2 種及以上材質屬性的物體應按材質類型進行拆分，交叉物體應進行拆分以減少模型面片數(shù)量。

（5）簡化。即將高精度模型轉化為低精度模型，在不明顯改變模型外觀形狀的條件下，有效減少模型的面片數(shù)量；或者把高精度模型烘焙成貼圖，然后運用在低精度模型上，使低精度模型擁有近似于高精度模型的細節(jié)效果。

（6）替換。即用Unity 3D 中的高效模型替換三維設計模型，如地形三維模型等。

3.3 水效果模擬

水利水電工程是對水流進行控制并加以利用的工程設施，對水效果的模擬長期以來是水利水電工程虛擬現(xiàn)實研究的重點和難點；以下通過二次開發(fā)，對水利水電工程泄洪及河道水流進行模擬。

3.3.1 泄洪效果模擬

泄洪是水流沿溢洪道、底孔等泄水建筑物下泄所形成的高速水流和霧化效果，在虛擬現(xiàn)實引擎中通常采用粒子對泄洪進行模擬；其中，對霧化的模擬采用發(fā)散粒子即可，而泄洪所產(chǎn)生的高速水流由于受到水工建筑物的約束作用，水流形態(tài)比較復雜，一直是虛擬現(xiàn)實開發(fā)的難點。

高速水流的粒子模擬一般有2 種方式：一種是利用粒子與水工建筑物的碰撞自動計算粒子的運動軌跡；另一種是預先定義粒子的運動路徑，通過設置粒子的路徑跟隨來模擬高速水流。第一種方式更接近實際情況，但粒子的碰撞計算量大，運行效率低；第二種方式雖然與工程實際有差別，但粒子的運算量小，運行效率高。經(jīng)綜合比較，下面采用第二種方式對泄洪高速水流進行模擬，模擬效果如圖2所示。

圖2 粒子路徑模擬泄洪高速水流

關鍵代碼如下：

3.3.2 水流模擬

本文模擬的水流是指大壩下游河道中的河水，其特點是水流同時向下游流動和沿豎向上下波動。根據(jù)水流的這一特點，在虛擬現(xiàn)實引擎中可利用Mesh 面對其進行模擬，即通過設置Mesh 面的UV 位移貼圖來模擬水流向下游流動的效果；通過設置Mesh 面節(jié)點的豎向位移來模擬水流上下波動的效果，同一節(jié)點在不同時間以及同一時間相鄰節(jié)點之間的豎向位移變化規(guī)律通常滿足正弦函數(shù)關系。在Unity 3D 中，可通過腳本二次開發(fā)設置UV 位移貼圖，利用著色器（Shader）設置Mesh面節(jié)點的位移。

UV位移貼圖模擬水流代碼：

3.4 人機交互開發(fā)

人機交互是指通過計算機輸入、輸出設備實現(xiàn)人與計算機對話的技術。下面以第三人稱為例，簡要介紹Unity 3D的人機交互開發(fā)原理，該案例中用戶通過鍵盤和鼠標控制人物動作與虛擬現(xiàn)實場景進行交互。

3.4.1 第三人稱制作

第三人稱一般包括人物模型和人物動作兩個部分，通常在Maya、3DMax 等專業(yè)軟件中完成后，再導入虛擬現(xiàn)實引擎進行調用。

3.4.2 在Unity 3D中使用動畫控制器

動畫控制器的作用是將動畫和模型進行綁定，通過設置動畫的觸發(fā)條件控制狀態(tài)之間的相互轉換。首先新建一個動畫控制器，并添加站立（Idle）、行走（Walk）、后退（WalkBack）和奔跑（Run）4 種人物狀態(tài)，其中默認狀態(tài)為站立；然后通過箭頭連線設置狀態(tài)之間的轉換關系，點擊箭頭連線新建一個名稱為ActionID 的整型控制參數(shù)，設置當ActionID 的值為0，1，2，3 時分別表示站立、行走、后退和奔跑，如圖3 所示。動畫控制器完成后，將其賦給場景中第三人稱人物模型的動畫（Animation）組件即可。

圖3 Unity 3D動畫控制器

3.4.3 腳本控制第三人稱

動畫控制器完成后，通過編寫腳本由鍵盤控制場景中人物模型的行為狀態(tài)，以下代碼實現(xiàn)了分別按下“W”“S”鍵控制人物的行走和后退，按下“Shift”+“W”鍵開始奔跑。

4 應用案例

基于Unity 3D 虛擬現(xiàn)實引擎，開發(fā)了水電站基于Web 3D 的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。該系統(tǒng)對工程區(qū)15 km×15 km 地形以及大壩、廠房等進行了精細建模，包括路徑動畫、第一人稱和第三人稱漫游、泄洪模擬、天氣模擬、主要建筑物結構及功能展示等功能。該系統(tǒng)發(fā)布后的成果文件容量僅85 M，可基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布使用，部分成果截圖如圖4—5所示。

圖4 第三人稱漫游界面

5 結語

虛擬現(xiàn)實技術在水利水電工程規(guī)劃、設計、施工、運維等全生命周期的各階段均有較多應用。在工程建設之前，利用虛擬現(xiàn)實技術對工程進行全方位的模擬，用戶可提前體驗工程建成之后的效果，還可輔助用戶進行工程決策；在工程建成之后，借助虛擬現(xiàn)實技術可大幅提升運維管理水平，節(jié)約人力和物力，如基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的資產(chǎn)管理、安全監(jiān)測、遠程集控、流域調度等。

圖5 虛擬現(xiàn)實泄洪開發(fā)界面

基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實技術具有受眾范圍廣、使用方便等特點，符合信息化時代網(wǎng)絡化、移動化的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應用前景。本文所介紹的基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術路線，在水利水電工程行業(yè)具有廣泛的適用性，可供其他工程借鑒。