电气设备物理模型的构造

电气设备物理模型的构造三维模型是整个虚拟现实的基础，一个逼真的三维模型场景能对使用者构成强大的视觉冲击。目前，常用的三维模型开发平台包括：3DMAX、Maya、Rhino等。本课题采用了3DMAX6.0进行电气设备模型构造以及场景模型构造，并使用贴图烘焙技术来减少为表现光照效果所需要的CPU计算时间；采用堆栈塌陷功能，以减少开发模型时所需要的内存；利用粒子系统模拟发电效果以及天气效果，增强虚拟环境的逼真度；采用层次建模方法，即先设计出模型的各种零部件，然后进行整体装配，便于模型构造。电气设备虚拟脚本开发虚拟脚本是控制虚拟设备的灵魂，一个高效的虚拟脚本能极大的提高虚拟场景的实时性。本课题采用法国公司的Virtools虚拟现实开发平台。该平台通过自带的行为交互模块能够很轻松的构造出各种虚拟脚本，从而控制虚拟角色完成所期望的动作。并且它自带的虚拟脚本语言（VirtoolsScriptingLanguage，简称VSL）能够满足自我编程的需要，从而实现更加强大的控制功能。110kV变电站中的电气设备总数就超过200个，再加上若干室内物体模型，室外场景模型，模型总数是一个异常庞大的数目。在较短的开发周期内，能迅速的开发出满足要求的三维模型是构建虚拟现实变电站仿真培训系统所需要解决的问题。而Autodest公司的3DMAX则正好为三维模型的开发提供了一条捷径，可以大大的加快三维模型的开发，通过利用它所自带的渲染引擎和贴图烘焙技术能够建造出逼真而精简的模型，同时利用3DMAX自带的内存堆栈塌陷技术，能够极大地节约开发资源。本课题采用3DMAX进行虚拟现实变电站仿真培训系统的虚拟场景和虚拟电气设备三维模型的开发设计。对于较为复杂的对象，例如变压器，则需要通过大量的零部件进行组装。首先对变压器的各零部件按照设计参数建模，且在建模过程中应尽量采用基本建模方式，且不宜采用布尔运算，防止面片碎片的产生。待各零部件设计完成后，将各个零部件按照装配方式组合起来，这时得到了一个由多个零部件组成的变压器三维模型。但是考虑到组装完成的三维模型需要导入到虚拟现实开发平台中进行交互行为设计，所以应该尽量将不需要进行交互行为设计的部分连接成为一个整体，将需要进行交互行为设计的部分独立出来，在虚拟现实开发场景中重组三维模型时就不必再将单一的零件进行组合。模型间的整合需要将某一个部件塌陷成网格模式，然后再采用依附(attach)的方式完成整合。同时，在不失真的情况下，可以用规则形状替代不规则形状从而降低构造模型的难度。变压器的各种零部件可以通过面片建模来实现，同时必须控制面片的顶点和迭代次数，使之尽量能够满足模型精度的情况下不浪费系统资源，迭代次数为经验参数，一般情况下取1~2之间的实数。但是，还需要注意一点，由于变压器的零部件太多，而且各个部分之间的材质还不一样，所以应该采用相似原则，在表面颜色差不多的情况下，尽量将部件连接为一个整体，而材质相差太大的还得保留为独立部件，不然将失去变压器视觉上的真实性。变电站中电气设备的数目是庞大的，110KV的变电站电气设备的数目就超过200个。如果巨大的电气设备需要在同一个场景中表现出来，如果每一个电气设备都采用精细模型加以表现，其后果是无法设想的。因为这将耗费巨大的内存和CPU计算时间，这将导致无法完成其他的工作。所以对模型进行适当的简化，是十分必要的。本课题从多个方法对这个问题加以解决：（1）在保证物理模型的视觉效果不失真的前提下，尽量用最简单的模型和避免大量的布尔运算：布尔运算会是模型之间产生很多细小的碎片，从而导致内存开销增大。特别是在有光照传递的时候，会极大的增加CPU计算时间。（2）采用层次建模方法。即先设计出模型的各种零部件，然后进行整体装配。对于常用的零部件，采用参数化建模方法，方便零部件的调整和使用。对零部件中不是非常重要的模型，可以采用近似规则模型替代，从而减少模型中所包含的多边形，降低内存开销。（3）采用堆栈塌陷功能，以减少开发模型时所需要的内存。堆栈塌陷将所有单独的编辑修改器组合成一个修改器。由于堆栈塌陷将所有的修改器空间收回，所以塌陷后修改器的历史数据将全部消失。所以在使用堆栈塌陷前，应对模型数据进行备份。（4）使用贴图烘焙技术能减少为表现光照效果所需要的CPU计算时间。由于VT不支持3DMAX中的灯光效果，更需要对物理模型进行贴图烘焙处理。