《基于Creator的煤矿变电站三维建模及优化.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Creator的煤矿变电站三维建模及优化.doc（11页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、中国科技论文在线http:/基于Creator的煤矿变电站三维建模及优化 于丽梅1，史丽萍2于丽梅作者简介：于丽梅（1986-），女，中国矿业大学信电学院在读研究生，中共党员，研究方向电力系统及其自动化. E-mail: 1.51.5School of information and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000;School of information and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000中国矿业大学信息与电气工程学院;中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州，22100022100
2、0;13645229363;051683885836;江苏省徐州市中国矿业大学文昌校区信电学院210B;;于丽梅（1986-），女，中国矿业大学信电学院在读研究生，中共党员，研究方向电力系统及其自动化。;史丽萍（1964-），女，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院学科教授，中共党员，博士，博士生导师。煤炭学会资深会员，江苏电机工程协会会员。研究方向为电力系统自动化、智能电器、设备控制与计算机集成系统、电网及设备故障诊断。于丽梅;史丽萍YU Limei;SHI Liping1.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术M
3、.华中科技大学出版社,2005.2*|*期刊*|*杨丽,李光耀.城市仿真建模工具Creator软件教程M.上海:同济大学出版社, 2007.3*|*期刊*|*芦鸿雁,李斌兵.Multigen Creator三维建模的关键技术与实践J.计算机与信息技术,2005,(10):19-21.4*|*期刊*|*靳海亮,苗保亮,刘慧杰.Creator三维校园建模方法的研究与实现M.计算机与数字工程,2010(10):133-136.5*|*期刊*|*张建. Creator三维模型数据库优化技术M.系统仿真技术, 2010（2）:164-168.6*|*期刊*|*童小念,罗铁祥. Multigen Crea
4、tor建模技术的优化与实现M.计算机系统应用,2008（2）:94-97.*|1|于丽梅|YU Limei|中国矿业大学信息与电气工程学院|School of information and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000|于丽梅（1986-），女，中国矿业大学信电学院在读研究生，中共党员，研究方向电力系统及其自动化。|江苏省徐州市中国矿业大学文昌校区信电学院210B|221000||051683885836|13645229363|2|史丽萍|SHI Liping|中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州，221000|School of i
5、nformation and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000|史丽萍（1964-），女，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院学科教授，中共党员，博士，博士生导师。煤炭学会资深会员，江苏电机工程协会会员。研究方向为电力系统自动化、智能电器、设备控制与计算机集成系统、电网及设备故障诊断。||基于Creator的煤矿变电站三维建模及优化|Construction and Optimization of Coal Mine Substation 3D Models Based on Creator|- 11 -（1. 中国矿业大学信息与电气工
6、程学院；2. 中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州，221000）摘要：虚拟煤矿变电站系统的构建是以现实矿井变电站及其周边环境为基础进行三维模型建立。Creator是专门为复杂的虚拟场景实时漫游设计的建模工具，有良好的用户交互界面和快速的建模速度。本文就以虚拟现实技术中三维模型创建工具Creator软件为平台，针对复杂场景三维可视化实时性和真实感的要求，进行虚拟煤矿变电站的设计和研究。重点在于煤矿变电站内各个对象三维模型的建立，利用各种优化技术提高模型的实时渲染性能，最后集成为虚拟煤矿变电站三维系统。关键词：虚拟现实技术；变电站；Creator；三维模型中图分类号：Construction a
7、nd Optimization of Coal Mine Substation 3D Models Based on CreatorYU Limei, SHI Liping(School of information and electric engineering of CUMT,XuZhou,221000)Abstract: The 3D models of visual coal mine substation system is based on mine substation and its surrounding environment . Creator is the speci
8、al modeling tool for complex real-time roaming design of virtual scene, which has good user interface and fast modeling speed. For the requirements of real-time and realistic for complex scene 3D visualization, the paper was involved in designing virtual coal mine substation system with Creator. The
9、 key points are establishing 3D models for objects in coal mine station, improving real-time rendering performance with some optimization technology, and integrating all objects to a virtual coal mine 3D system.Key words: Virtual Reality Technology; substaion ; Creator; 3D model0 引言Multigen Creator
10、系列软件，由美国Multigen-Paradigm公司开发，它拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。虚拟现实中模型的建立是整个仿真程序构建的基础。建模平台的选择、数据类型的选用及场景模型的数据优化对后续的虚拟现实仿真实现有着重要的意义。本文将对虚拟变电站场景模型的建立和优化进行详尽的论述。1 Creator可视化仿真建模软件介绍1.1 Cre
11、ator仿真建模工具包Multigen Creator 系列软件是Multigen-Paradigm 公司专门针对可视化仿真行业应用特点推出的实时可视化三维建模软件系统，它提供了分别运行于高端SGI工作站和低端PC平台的不同版本，可以最大限度地满足不同的应用需求。在SGI工作站的SGI IRIX操作系统上运行时，Multigen 软件包 SGI 工作站超强的图形功能，最大限度地利用多个处理器的强大计算功能，可以支持多线程和丰富的图形音频编程接口等。Creator采用模块化开发方式，主要模块包括基本建模环境模块（CreatorPro）、标准道路建模模块（Road Tools）和地形建模模块（Te
12、rrainPro）等。如图1所示，在PC平台下，Creator借助专业3D图形加速卡，可以建立一个“所见即所得”的交互式可视化建模平台。图1 Creator主窗口界面Fig.1 main interface of Creator1.2 Creator仿真建模的特点和优势可视化仿真系统对系统中三维模型进行渲染的效率和实时性决定了三维模型数据库的多边形数量要尽量少，模型数据的结构尽量简单；模型数据库要易于遍历操作。传统的三维模型数据库却无法满足这些要求。如CAD模型是按照工程学的标准建立，通常含有大量的精确的属性数据和材质说明，将其导入仿真系统之前，需要进行很多修改，如删除多边形、去除冗余数据、重
13、组面等等。再如传统的三维图形建模软件包（如MAYA、3Dstudio MAX、Softmage、LightWave3D）创建的三维模型，以视觉效果为首要建模目标，能够实现炫目的光影效果、复杂的材质效果、逼真的光线追踪效果、惟妙惟肖的人物动画，但其建模结果通常是一个模型由不计其数的曲线曲面、成千上万个多边形以及复杂纷繁的材质贴图等，渲染过程缓慢，无法满足模型的实时可视化要求。Multigen Creator软件则直接针对可视化仿真应用而设计，集成多种模型生成功能，在满足实时仿真的前提下，高效创建大面积虚拟场景模型数据库。Multigen Creator 建模软件区别于传统三维软件包的主要特点是，
14、用于描述三维虚拟场景的层次化数据结构OpenFlight数据结构。此外，它还提供了诸如多层次细节（LOD）、自由度控制（DOF）、光点系统等高级实时功能，同时还支持逻辑筛选、分离面裁剪、纹理动画序列、公告牌（billboard）渲染等多种高级渲染功能，使其成为视景仿真领域使用范围最广的数据格式。目前，Multigen Creator 软件所使用的OpenFlight 格式已经成为事实上的业界标准数据格式。1.3 OpenFlight模型数据库OpenFlight模型数据库是Multigen Creator的核心，它可以完整描述一个三维虚拟场景中包括行为和声音在内的所有信息。OpenFlight
15、格式由节点组成，节点是构建层次化模型数据库最基本得元素或模块，如层级视图2所示，OpenFlight模型数据库中最基本最常用的节点类型是组节点、体节点、面节点以及点节点四种。图2 OpenFlight 节点示意图Fig.2 diagram of OpenFlight node特征节点的目的是营造特殊效果，其级别与组节点相同。如细节层次节点（DOF node）决定模型细节的可视性范围；自由度节点（DOF node）为模型对象设置一定的可运动范围；光源节点（light source node）定义了光源的位置和方向以及其对场景中相关模型对象的影响；声音节点（sound node）包含了使用的声音文
16、件；转换节点（switch node）可以对其下层节点进行有选择性的控制；此外，OpenFlight还支持光点节点、外部引用节点、实例节点、BSP节点、裁剪节点、文字节点等多种类型的节点。图3所示的为Multigen Creator中一个典型的OpenFlight模型数据库。从存储结构上看，这种树状的层次化结构主要基于两点考虑：一是这种结构可以方便地将模型按照几何特性进行有效的组织，并将其转化为能够方便地进行编辑和移动的节点的形式；二是这种树状结构非常适合实时系统进行各种遍历操作。由此可见，OpenFlight数据格式能够在获得极高渲染效率的同时保证实时交互的灵活性。图3 虚拟杆塔模型Fig.
17、3 tower medel2 虚拟变电站对象分析本设计研究的变电站是从因特网、虚拟现实系统和网上虚拟变电站的发展角度出发，对现实矿井变电站三维景观和生产环境的数字化和虚拟化，是基于三维变电站的一个虚拟环境，用于支持现实矿井供电系统的资源管理、环境规划和监控运行。在地理景观系统中，地理对象根据空间三维上的分布特性，可以分为两类：一类是连续景观对象，这类对象以场为基础，在空间上连续分布，如地表地形、土壤种类分布、大气状况等；另一类是离散地物对象，这类对象以离散实体为特性，以独立的个体而存在，如变电站内的机器设备、矿井厂房建筑、环境修饰物等。连续对象和离散对象的区分是相对而言的，并不是绝对的，甚至同
18、一对象在不同的应用场合其分布特性也会发生根本性的转变。地理对象的三维空间数据是三维地理世界建模的基础数据，其大数据量是三维地理对象实时图形处理的瓶颈。所以地理景观对象的三维虚拟建模是虚拟变电站开发的一个关键部分。在虚拟变电站三维仿真系统中，连续对象主要包括变电站所处地理区域的地表地形及大气状况，巷道、矿井地层；离散对象主要有机器设备、矿井厂房建筑、环境修饰物等。3 虚拟变电站对象模型创建虚拟环境的建模是整个视景仿真系统建立的基础。本文主要进行三维视觉建模，包括变电站对象的几何建模、物理建模。几何模型描述对象的基本轮廓和形状、基元间的连接性等。物理建模定义几何模型的纹理、颜色、光照、质量等。3.
19、1 地表地形建模地表地形的三维模型用Multigen Creator 的多边形建模工具实现，大气状况的模拟通过在实时系统中创建环境效果实现。地表地形的三维虚拟建模是变电站可视化系统开发的一个重要环节，是各对象集成的基础和依据。虚拟变电站尽管是对现实变电站的复制和虚拟再现，但受客观条件主要是设备计算能力的限制，不可能追求对现实环境的完全复制。因为要建立的虚拟井上变电站所处区域地势平坦，所以经地表地形简化为由多边形构成的一般静物处理。地表建模的依据是变电站分布平面图，每个地表环境元素的位置和大小都由变电站分布平面图来确定。对于变电站区域地面模型，从煤矿层面图和分布平面图提取其空间位置和基础平面尺寸
20、、形状信息，据此用Creator 的Face工具框中相应的多边形工具实现。需要进行内部漫游的建筑物，其基础平面还应映射相应的纹理图像，以增强场景的生动性和逼真度。所有的道路和草坪分别处于同一平面，所以道路模型和草坪模型也采用Face工具框中的相应工具和映射相应的路面纹理来实现。下图为虚拟变电站地表环境的模型。图4 地表环境模型Figure4 earth surface model3.2 变电站建筑物模型的创建创建变电站建筑三维模型所依据的基础几何数据是从矿井平面图和建筑物的立面图中提取的。Creator建模工具箱提供了多种几何形体帮助表达客观世界的对象，为保证模型质量，建模时尽量少用或不用球体
21、、圆柱体等多边形数目较多的形体。精确构建模型时，一般采取由下到上的顺序，精确定位点的坐标。Creator提供的跟踪面工具可以帮助用户快速有效地进行精确建模 。跟踪面是Creator进行空间定位的依据，在建模中可根据需要设定跟踪面的位置，调整栅格间距，从而精确拾取空间中点的位置。变电站建筑房屋一般为平顶结构，可以用一个BOX直接表示。先用多边形工具画出建筑的地面轮廓，然后拉伸至指定高度即可。楼层的表示用纹理映射方法实现，表面纹理采取一小块处理好的墙体图片进行三点映射，调整好三个点的距离即可。对于门窗，先根据位置和尺寸在墙体上构建子面，然后用整张图片三点映射方式进行纹理贴图。如下图所示：图5 变电
22、站建筑房屋外观模型Fig.5 building model of substation 3.3 电气设备模型创建电气设备是构成虚拟变电站不可缺少的重要组成部分，其类型较多，结构复杂，空间安装关系也很复杂，具体包括有变压器，隔离开关，断路器，避雷器，母线，室内配电柜等。构建虚拟模型时，首先应对现实物理设备的形体结构适当简化，集中表达主要形体特征，忽略次要特征；在可能的情况下，尽量用纹理来表达细小的或次要的结构细节。纹理图案用专门的图像处理软件加以处理以增强现实效果。按照实际设备的结构尺寸，综合运用Face和Geometry建模工具，Maneuver、ModGeom、ModFace、ModVert
23、ex编辑工具，Edge、Vertex辅助定位工具，以及Texture纹理映射工具等，实现电气设备的虚拟模型，如图6、图7所示。图6 井上部分模型Fig.6 part models图7 井下开关柜Fig.7 underground switchgear model3.4 站内基础设施模型创建虚拟变电站需要完成整个矿井上下的供电监控任务，所以主监控室内人为操作设备必不可少，如电脑、椅子、桌子等基础设施。基础设施模型的好坏，也直接影响着系统运行的效果和场景的逼真度。根据变电站内部需求分析，同时考虑到OpenFlight使用几何层次结构和属性来描述物体，为保证对物体定点和面的控制，在变电站模型建立过程
24、中，将基础设施节点建立在同一个组节点下，代表一组对象节点，该部分模型中的多边形可以用面节点表示，同时多边形又由一组有序共面的顶点组成。这种结构设置便于对模型进行修改。下图是创建的变电站主控制室内部分基础设施的模型图。图8 基础设施模型Fig.8 infrastructure models4 模型数据库的优化本文在虚拟现实技术理论基础上，根据供电系统中各类对象的结构和空间特性，利用Creator建模工具，采用层次结构、纹理映射、LOD技术等方式对模型数据库进行了优化，实现了矿井变电站的三维虚拟模型创建。4.1 采用LOD技术多层次细节模型是指采用LOD（Levels of Detail）技术，在
25、实时系统的多边形预算范围内，创建不同细节程度版本的模型，有效增加仿真系统的绘制效率。不同LOD层次的模型包含数量不同的多边形。视点离物体越近，就会使用细节程度越高的模型版本。在视点离物体最近的时候，显示最高层次细节模型，其多边形数量最多、模型细节最丰富。当视点远离模型后,不需要那么多细节就可以转换为一个低层次细节版本模型。使用LOD技术可以有效提高模型数据库的多边形利用率，在有限的条件下取得最佳的视觉效果。4.2 减少多边形数量任何实时系统的图形硬件，在一个给定的帧频率下都只能对有限数量的多边形进行各种实时的计算处理，这个限制被称作“多边形预算“。如果模型数据库中的多边形数量超过了实时系统的处
26、理能力，那么仿真应用就无法顺畅地运行。本文中，减少多边形数量采用了纹理取代模型细节的方法，在不使用更多附加多边形的情况下，使用纹理可以丰富模型细节，且在视觉上给人以真实感。如图5所示的实例中，建筑物模型本身就是一个简单的长方体型几何体，但是在每个面上映射了适当的纹理后，建筑物就显得很写实了，窗户和门面等细节都有所反应，而没有增加一个额外的多边形。另外，还可以通过删除冗余多边形和背面多边形的方法来减少模型的多边形数量，以提高系统渲染速度。4.3 纹理优化所谓纹理（Texture），是指那些被映射到三维模型表面的二维图像。使用纹理可以在不增加多边形数量的前提下，使模型对象获得照片级的真实感视觉效果
27、。纹理可以通过数码摄影或者扫描各种图片获取原始素材，然后再经过Photoshop适当的编辑加工获得。将二维图像映射到三维物体模型经过透视变换后形成的物体屏幕绘制区域的过程称为纹理映射。合理的纹理大小有助于内存的充分利用，保证虚拟视景的仿真效果和提高系统运行的实时性。Creator中的纹理大小主要受限于图形加速卡、运行系统的内存和性能。纹理映射需要一定的内存空间和一定的像素填充率。纹理中的细节越多，或者映射纹理的多边形越多，所需要的内存空间就越多。在给定硬件的情况下，纹理大小必须合理确定。Creator能支撑的纹理大小超过4096 texels4096 texels，但为有效节省内存，本文所用纹
28、理多数都是512 texels512 texels或更小。高分辨率的纹理只有当虚拟场景需近距离观看时才使用，如通告栏、办公桌上的文件等。本文在确定纹理大小时采用的方法是：需要在3米之内观看的场景，它的纹理分辨率约为0.05m/texel；10米之外的场景，0.164m/texel的分辨率足够。4.4 优化模型数据库层次使用Multigen Creator创建的OpenFlight模型数据库，按照一定层级结构，组织各种节点以描述和存储虚拟场景信息。因此，模型数据库的实时应用性能在很大程度上取决于模型数据库中节点的层级结构组织方式。可视化运行中，层级结构会直接影响实时系统剔除（cull）和绘制（d
29、raw）两个主要过程的执行效率。所以，应该尽可能地根据实时系统对数据剔除和绘制要求进行模型数据库节点组织形式的优化。4.5 实例化当三维复杂模型中具有多个相同几何形状、相同属性但是空间位置不同的物体时，可采用实例化技术。例如：树木、花草、路灯、椅子等等。一个实例是指对模型数据库中某个模型对象的一个参考副本，是指向模型数据库中模型对象的指针，并没有复制模型对象几何。采用实例化技术，可以在增加同类物体数量的情况下而不增加实际多边形数量，这样即节省系统的内存空间和磁盘存储空间，同时还可以改善实时系统的处理性能。4.6 外部引用Creator中的外部引用技术和模型对象实例化技术类似，也只是一个指向要引
30、用模型的指针，而不是直接对模型进行复制和粘贴。它将模型数据库中的几何体引用到当前数据库中，它将其他数据库中的内容包含而不是保存在当前数据库中，这样减少了当前数据库中的多边形数，节省内存和磁盘空间，方便建模操作，提高系统资源的利用率，加快系统运行的速度及实时场景显示时的流畅性。外部引用和实例化技术的不同之处在于外部引用的模型对象在当前的模型数据库中具有只读属性，即在当前的模型数据库中不能对通过外部引用技术显示的模型进行编辑修改，而必须返回到引用的原始模型文件中，通过修改原始模型文件来达到修改外部引用显示的目的。虚拟变电站中，井上变电所、中央变电所和井下变电所这三个区域模型分布较为集中，如果将这些
31、模型直接创建在当前模型数据库中，会使数据库中多边形数迅速增加，大大增加存储空间，影响系统的运行性能。这时可采取外部引用技术。分别将各个变电站的模型生成一个.flt文件中，并将其中各对象模型按照它们在现实供电系统中的位置和方位布置；之后用外部引用将这三个模型数据库直接引用到当前数据库中，就能得到它们的正确位置，从而形成完整的虚拟变电站场景。虚拟变电站内的电气设备也用同样的方法集成到每个变电站内，但为了得到电气设备在当前数据库中的正确位置，需要对其进行重新定位。5 虚拟变电站场景模型的集成模型系统的集成是虚拟变电站三维仿真模型系统创建的最后一个步骤，它将已创建的各个对象的虚拟模型按其在现实世界中的
32、位置、方向及对象之间的连接关系组装起来，形成虚拟变电站环境景观系统。这一阶段的工作主要包括两个部分：一是将各建筑物、电气设备、环境修饰物集成为虚拟变电站外部景观。按照煤矿布置平面图中各对象的空间位置和方位，以及它们之间的相邻关系，将模型组装起来，如图9所示，为集成后的虚拟变电站景观效果图，其层次结构采用逻辑结构和空间结构相结合的方式。图9 变电站外模型集成图Fig.9 Models integration outside substation二是将各个变电站内部的各电气设备模型和基础设施集成为监控系统。按照站内各设备安装关系图中的安装关系、位置和方位，将供电设备集成为供电系统，如图10所示为集
33、成后的变电站内监控系统景观图。图10 变电站内模型集成图Fig.10 Models integration inside substation 6 结论本文分析了矿井供电系统中各类对象的结构和空间分布特点，重点实现了矿井供电系统中各类对象虚拟模型的建立，并利用各多种模型数据库优化技术对场景模型进行优化处理，最终将其集成为完整的供电系统虚拟场景，对三维建模、虚拟现实系统和实时仿真系统的技术研究和实现提供了借鉴。参考文献 (References)1 王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术M.华中科技大学出版社,2005.2 杨丽,李光耀.城市仿真建模工具-Creator软件教程M.上海:同济大学出版社, 2007.3 芦鸿雁,李斌兵.Multigen Creator三维建模的关键技术与实践J.计算机与信息技术,2005,(10):19-21.4 靳海亮,苗保亮,刘慧杰.Creator三维校园建模方法的研究与实现M.计算机与数字工程,2010(10):133-136.5 张建. Creator三维模型数据库优化技术M.系统仿真技术, 2010（2）:164-168.6 童小念,罗铁祥. Multigen Creator建模技术的优化与实现M.计算机系统应用,2008（2）:94-97.