摘 要：變電站的培訓(xùn)系統(tǒng)目前以變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)居多，這種專門(mén)培訓(xùn)變電站工作人員的教學(xué)系統(tǒng)是以真實(shí)變電站為模型通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真建模設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的，具有成本高、周期長(zhǎng)、真實(shí)感不強(qiáng)等缺點(diǎn)，本文的項(xiàng)目研究利用3D實(shí)景漫游技術(shù)構(gòu)建3D實(shí)景漫游平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展實(shí)景培訓(xùn)功能，是性價(jià)比較高的變電站培訓(xùn)系統(tǒng)，適合在一般規(guī)模的變電站進(jìn)行推廣應(yīng)用，提高培訓(xùn)效率和節(jié)省培訓(xùn)成本。

關(guān)鍵詞：3D實(shí)景漫游技術(shù) 變電站培訓(xùn) 3D實(shí)景漫游平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（c）-0126-01

1 發(fā)展和現(xiàn)狀

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)電力企業(yè)多利用變電站模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)變電站值班員進(jìn)行培訓(xùn)。這種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的的應(yīng)用，解決了因真實(shí)變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不可隨意操作帶來(lái)的工作人員培訓(xùn)不便的難題。培訓(xùn)仿真系統(tǒng)以變電站為原型，測(cè)量變電站的各項(xiàng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)幾何建模和模型導(dǎo)入技術(shù)，利用造型軟件（如3DS Studio， AutoCAD等）人工搭建3D模型，建立場(chǎng)景和仿真設(shè)備。營(yíng)造出于與真實(shí)變電站主控室相似的環(huán)境，使受訓(xùn)人員盡可能達(dá)到類似于在變電站現(xiàn)場(chǎng)工作的感覺(jué)，但是這種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間去測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)、建立模型，工作量很大，成本也很高；另外還涉及到定位、數(shù)字化結(jié)構(gòu)平面、轉(zhuǎn)換現(xiàn)存CAD數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行處理能力和存儲(chǔ)能力要求較高；其中漫游場(chǎng)景是由人工建模而成，然后由計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的光照模型繪制，色彩層次沒(méi)有真實(shí)場(chǎng)景豐富，且?guī)в忻黠@的美工痕跡，不能逼真地再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，真實(shí)感不強(qiáng)。

基于以上情況，本文研究的變電站3D實(shí)景培訓(xùn)平臺(tái)則是就是基于虛擬實(shí)景（境）技術(shù)的一種虛擬漫游技術(shù)，而這種技術(shù)又是通過(guò)基于圖像的繪制技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的（也稱基于圖像的虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)）。

2 變電站3D實(shí)景培訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.1 3D實(shí)景漫游技術(shù)的原理

3D全景漫游技術(shù)的重要技術(shù)組成部分是基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，原理是將相機(jī)環(huán)360°拍攝一組照片拼接成一個(gè)全景圖像，并用一個(gè)專用的播放軟件在互聯(lián)網(wǎng)上顯示，讓使用者能用鼠標(biāo)控制環(huán)視的方向，可左可右、可近可遠(yuǎn)觀看物體或場(chǎng)景。3D全景技術(shù)是一種桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并不是真正意義上的3D圖形技術(shù)。3D全景技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是實(shí)地拍攝，有照片級(jí)的真實(shí)感，是真實(shí)場(chǎng)景的3D展現(xiàn)；二是有一定的交互性，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)選擇自己的視角，任意放大和縮小，如親臨現(xiàn)場(chǎng)般環(huán)視、俯瞰和仰視；三是不需要單獨(dú)下載插件，一個(gè)小小的java程序，自動(dòng)下載后就可以在網(wǎng)上觀看全景照片，或者使用quick time播放器直接觀看。并且，全景圖片文件采用先進(jìn)的圖像壓縮與還原算法，文件較小，一般只有100～150 k，利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3D實(shí)景漫游技術(shù)主要依靠Silverlight渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D實(shí)景漫游平臺(tái)的構(gòu)建。Silverlight渲染技術(shù)是近年來(lái)興起的一種倍受關(guān)注的場(chǎng)景建模和繪制技術(shù)，也是目前虛擬場(chǎng)景漫游領(lǐng)域中的主流技術(shù)，原理是基于球形環(huán)境映射原理（Spherical Environment Mapping）。球形環(huán)境映射是模擬在球體表面產(chǎn)生環(huán)境映射的技術(shù)，通過(guò)對(duì)普通貼圖的UV坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算來(lái)產(chǎn)生在球體表面應(yīng)產(chǎn)生的扭曲。UV的計(jì)算利用球體表面的法線來(lái)計(jì)算。計(jì)算公式如下：u=Nx/2+0.5 v=Ny/2+0.5。計(jì)算公式中的Nx和Ny是表面法線的x和y分量，除以2將區(qū)間限制在[-0.5，0.5]，+0.5將區(qū)間調(diào)整至UV坐標(biāo)應(yīng)在的[0，1]區(qū)間。在這個(gè)公式的計(jì)算下，當(dāng)球體正中表面法線正對(duì)攝像機(jī)的地方，坐標(biāo)不會(huì)有任何扭曲；周圍點(diǎn)依次隨著Nx和Ny分量的增大而產(chǎn)生扭曲。而球體背面的剔除面可以根據(jù)法線Z分量的正負(fù)來(lái)判斷。因此這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)將一張帶有周圍環(huán)境的貼圖進(jìn)行扭曲渲染，將其進(jìn)行球形扭曲化以達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)的效果?；谠摷夹g(shù)原理采用了微軟推出的高級(jí)著色器語(yǔ)言（High Level Shader Language，簡(jiǎn)稱HLSL），HLSL的主要作用為將一些復(fù)雜的圖像處理，快速而又有效率地在顯示卡上完成。

2.2 3D實(shí)景培訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建

3D實(shí)景漫游平臺(tái)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、Web Service服務(wù)、Web端及必要的輔助工具組成。數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)管理和保存數(shù)據(jù)；Web端用于系統(tǒng)展示。系統(tǒng)具有以下功能：變電站內(nèi)3D實(shí)景漫游、設(shè)備臺(tái)賬信息管理、SVG一次接線圖仿真、雷達(dá)地圖、地圖導(dǎo)航、指定巡檢路線、場(chǎng)景設(shè)備定位、熱點(diǎn)展示、模擬操作視頻&動(dòng)畫(huà)觀看、制度管理、資料上傳&下載、在線測(cè)試等多項(xiàng)功能。

3D實(shí)景漫游平臺(tái)的構(gòu)建大致可分為以下幾個(gè)步驟。

（1）搭建數(shù)據(jù)庫(kù)?？尚沦?gòu)或使用原有數(shù)據(jù)服務(wù)器）上搭建一個(gè)3D實(shí)景漫游平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

（2）構(gòu)架Webservice服務(wù)。在服務(wù)器（與數(shù)據(jù)庫(kù)同一服務(wù)器）上構(gòu)建Webservice服務(wù)，為未來(lái)可能的數(shù)據(jù)的采集與通訊提供服務(wù)。

（3）構(gòu)架Web程序。在服務(wù)器（與數(shù)據(jù)庫(kù)、WCF服務(wù)在同一服務(wù)器）上構(gòu)架Web程序，為系統(tǒng)和模塊的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)展示提供服務(wù)。

（4）展示插件代碼的內(nèi)嵌。將3D實(shí)景漫游平臺(tái)的展示插件嵌入到需用于展示的門(mén)戶網(wǎng)站的網(wǎng)頁(yè)中，通過(guò)點(diǎn)擊門(mén)戶網(wǎng)站的特定模塊進(jìn)行展示。

（5）場(chǎng)景和設(shè)備信息采集。由工程人員前往變電站現(xiàn)場(chǎng)使用單反相機(jī)、魚(yú)眼鏡頭及其它必要配件等設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景、設(shè)備進(jìn)行取景拍攝，并保證拍攝的圖片清晰美觀利用合圖工具將圖片合成實(shí)景漫游圖并上傳由工程人員對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行必要的美工處理后，利用合圖工具將拍攝回來(lái)一個(gè)場(chǎng)景的6張照片合并為一張全景圖，然后通過(guò)Web端將圖片上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（6）Web端配置。經(jīng)過(guò)上述七個(gè)步驟的操作，實(shí)現(xiàn)了3D實(shí)景漫游平臺(tái)的構(gòu)建。當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器打開(kāi)指定的網(wǎng)址時(shí)，平臺(tái)會(huì)利用Silverlight渲染技術(shù)將第6步驟合成的全景圖經(jīng)過(guò)球形渲染展現(xiàn)給用戶，使用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)操作或以自動(dòng)巡游模式實(shí)現(xiàn)在變電站內(nèi)360度全方位的虛擬實(shí)景漫游體驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文深入介紹了3D實(shí)景漫游技術(shù)的發(fā)展歷史和原理，并以廣東電網(wǎng)公司汕尾供電局變電站3D實(shí)景培訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為例，詳細(xì)描述了變電站3D實(shí)景漫游平臺(tái)構(gòu)建的具體實(shí)踐方法和步驟。變電站3D實(shí)景培訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用有助于提高變電站培訓(xùn)工作的質(zhì)量和效率，同時(shí)降低供電局和變電站的培訓(xùn)成本，具有很好的推廣意義和市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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