达坂城风能发电场三维可视化交互漫游系统研究与实现*

崔权维

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

0 引言

虚拟现实是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。该技术应用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有着质的飞跃。随着计算机技术的不断飞跃，虚拟现实技术的应用越来越成熟，范围越来越广泛。近几年虚拟现实技术在交互漫游系统方面的发展潜力巨大，尤其是在大场景三维交互漫游方面的应用。场景中模型的精确程度、交互程度、漫游的速度一直是人们研究的重点。国家和自治区大力开发新疆风能资源，达坂城作为新疆重要的风场之一，在风电场建设的投资中，机组设备约占70%，实现设备国产化、降低工程造价是风电场大规模发展的需要［1］。风机虚拟样机和风机运行环境的研究将大大提高风机制造企业设计水平、降低施工费用，为新疆乃至全国有效利用风能资源做出贡献。因此有必要对达坂城风力发电场的交互场景漫游进行详细研究。

1 达坂城风能发电场模型建立

达坂城风能发电场模型包括:旋转的风机、静止的风机、戈壁、树木、雪山、高速公路、奔驰的小车等。

1.1 建立风机动力学模型

系统中主要观察与交互的是风机模型，通过几何模型建立虚拟场景的模型时会更加真实细致，同时用户与三维场景中虚拟模型进行交互更加便捷，在碰撞检测时更加精确;通过实际测量的尺寸和设计图纸来建立实体模型，即可创建虚拟场景中的真实模型。建模中需要的工作量很大，对计算机的配置要求较高，模型越真实，产生的数据存储空间就越大。随着计算机技术的不断发展，建模技术也越来越强大，几何建模技术的缺点也越来越不明显了［2］。本文采用几何模型技术建立精确的风机动力学模型，首先采用UG建立风机的叶片、整流罩、轮毂、主轴、舱体、塔架等零部件。通过UG模型导出两种类型风机的STL文件，一种为整体的所有零部件都存在的风机模型，另一种为只有外壳的风机模型。将两种模型分别导入3Dmax软件中，重新构造风机的实体模型，不经过优化的模型占用存储空间为6.34 M，优化后的模型占用存储空间为1.52 M。

1.2 建立天空、地貌、树木和雪山模型

天空、地貌、树木和雪山采用图像绘制方法［3］进行建模，通过数码相机采集实地照片，通过图像处理功能对采集的数据进行整理和优化，生成逼真的场景平面全景图，然后选择合适的空间模型把生成的全景图布置到虚拟场景空间，从而实现全方位三维场景漫游的效果。针对天空的建模，本系统应用半球法在3Dmax中进行建模，数码相机拍摄达坂城天空的图片，进行贴图等处理。

对已有的文献资料和研究成果进行对比分析，将当前主要3D树木建模方法划分为3类:基于规则、基于草图和基于图像的建模方法，但是针对本系统中需要精简面片减少存储空间［4］。精简模型个数的方法主要是将具有相同材质的物体进行合并。精简面数有多种方式，包括在建模时降低截面段数、删除模型之间的重叠面、用十字面片表现树木体现复杂模型［5］。达坂城风场中的虚拟树木采用十字面片法进行模型建立，效果如图1所示，首先用相机拍摄真实达坂城风力发电场中的树木;其次采用Photoshop软件对拍摄的照片进行处理生成.tif文件;最后在3Dmax软件中设置面片夹角大于45°角使用双面贴图处理，调整视角最终实现远景中树木真实的建模。地貌的模型建立使用UVW贴图方式，将物体的三维坐标XYZ与目标二维位图的U、V坐标准确对应，调整U、V坐标参数对原始图片进行平铺［6］，此系统是模拟戈壁的土地效果，建立土地的材质设置和其他模型有些不同，在材质编辑器中需要编辑两个地形材质球，采用混合基本参数设定，在转换区域上部设置值为0.75，下部设置值为0.25;其余设置选择默认状态，这样大面积的土地效果不会失真，效果会更加真实些。制作效果如图2所示。

图1 十字面片法建立树木场景

图2 3Dmax建立地面模型

本系统中采用的主要建模技术是基于图像的建模技术，该技术不需建立模型，只需现实中真实图像就可以生成具有真实感的合成场景，具有快速、简单、逼真的特点，能快速实现实物虚化。当然也存在局限性，实物不存在时，就不能建立虚拟场景。为了增加图片逼真度，要采用高性能照相机和摄影装置。

1.3 建立动态对象

动态对象的建立包括:转动的风机传动系统、旋转的叶片、行驶的小车、摄像机的移动等。风机传动部分的太阳轮和行星轮采用联动的帧数设置，通过叶片的旋转将动力通过轮毂传到主轴部分，再通过主轴传递给增速齿轮箱。行驶的小车中四个轮子的转动加直行也在3Dmax的动画设置中完成的。整个场景中的全景视野追中采用两个摄像机完成的。

2 达坂城风能发电场的三维可视化系统建立

静态对象和动态对象建模完成，在3Dmax中进行其他处理，可以对多边形添加材质、光照、颜色、表面纹理等属性提高景物的真实感、沉浸感［7］。包括:纹理贴图、灯光的设置、摄像机的设置等。其中灯光的设置采用一个天光，考虑到场景规模过大所以采用三个泛光灯来避免丢失模型。

整个风力发电场三维可视化系统的制作过程:①应用photoshop处理纹理贴图所用的素材库和拍摄的照片;②在UG中完成风机的精确建模，通过格式转化在3Dmax中进行模型优化;③完成所有模型的建模及渲染洪培;④应用外设输入、输出设备在Cyber Maker平台中进行交互三维显示。

风力发电场三维可视化的实现过程如图3所示。

图3 达坂城风能发电场实现流程

3 达坂城风能发电场交互式漫游

为了在Cyber Maker平台上进行交互展示需要在3Dmax中导出达坂城风能发电场场景的ⅠVE文件，此文件通过在3Dmax中安装一个OSG插件才可导出。Cyber Maker平台可以兼容的文件包括ⅠVE文件和ⅠGS文件，但是ⅠGS文件相对需要存储空间较大，再考虑兼容性和显示效果ⅠVE文件要比ⅠGS文件好。在交互方面可以在Cyber Maker平台添加输入设备6自由度鼠标，通过鼠标拆装风能发电机组的舱盖来观察风机的内部细致结构以及齿轮的转动状态，可以通过上下左右键控制漫游方向、节奏。戴上3D眼镜便可身临其境的感受到达坂城风能发电场的三维场景，在环形屏幕中完全展现现场的运作状况与自然环境。整体效果图如图4所示。

图4 Cyber Maker平台中场景立体显示

4 总结

通过3Dmax对整个达坂城风场进行静态模型及动态模型的建立，在该软件中进行模型的材质、纹理等的一系列处理，对天空、地面、树木等的建模过程进行了详细介绍，最后完成了整个达坂城风场的全景漫游系统的设计，再通过Cyber Maker平台进行交互漫游，可以选择自动漫游或者手动漫游方式进行交互操作，对达坂城风场进行细节性的观察。

［1］ 郭 清.风力发电机组轴系扭矩测试系统的研究与应用［D］.乌鲁木齐:新疆大学，2007.

［2］ 王晓燕.基于图像的虚拟场景的研究与实现［D］.郑州:中国人民解放军信息工程大学，2006.

［3］ 沈方阳，齐 越.基于互联网图像集的室外场景建模技术综述［J］.计算机辅助设计与图形学学报，Journal of Computer-Aided Design ＆ Computer Graphics，2012，24(1):29-36.

［4］ 谭云兰，贾金原，张 晨，等.3D树木建模技术研究进展［J］.中国图像图学学报，2013，18(11):1520-1528.

［5］ 董小念，罗铁祥，李志玲.MultiGen Creator建模技术的优化与实现［J］.计算机系统应用.2008(2):94-96.

［6］ 王文剑，史 颖，任 璞.基于虚拟现实技术的大型场景视景仿真［J］.山西大学学报，2014，37(1):64-69.

［7］ 张 宏，宋萃娥.可视化及漫游技术的研究与实现［J］.系统仿真学报，2011(12):2701-2708.