基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)方法

曾華榮，黃 良，陳沛龍(貴州電力試驗(yàn)研究院, 貴陽(yáng) 550002)

電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)是以用戶為中心的工作[1]，目前大量研究多為基于Web[2]與基于代理[3]的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，用戶支持跨地域的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)。然而目前這些研究實(shí)際上仍舊以機(jī)器為中心，用戶之間的交互仍舊是通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入為用戶提供了一種三維接口[5]，更加直觀，然而仍舊無(wú)法突破人機(jī)交互格局。而混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破了人機(jī)界限，混合了虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境，能夠真正實(shí)現(xiàn)以人為中心，大大提高了人人交互的直接性。一種基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)可以通過(guò)真實(shí)環(huán)境中的實(shí)體工具的使用來(lái)支持虛擬環(huán)境中的電力設(shè)備的設(shè)計(jì)，具有更高的真實(shí)感與沉浸感。相比而言混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境由于避免了全場(chǎng)景建模，因此可以大大降低開(kāi)發(fā)難度與成本[6]。用戶既可以使用實(shí)體工具來(lái)達(dá)到真實(shí)感同時(shí)可以借住虛擬環(huán)境帶來(lái)的便利性，因此采用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)可以大大提高效率與真實(shí)感。

1 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，這樣跨地域的協(xié)同用戶就可以同時(shí)對(duì)三維模型進(jìn)行編輯修改。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示。①客戶端用于協(xié)同仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中的協(xié)同用戶視圖；②服務(wù)器支持三維建模，協(xié)同管理以及一致性維護(hù)；③交互技術(shù)支持客戶端的產(chǎn)品與三維建模；④ 嵌入式三維內(nèi)核用于實(shí)體建模以及幾何信息抽取，以便支持混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中的模型創(chuàng)建與修改。

圖1 模型修改中的信息流

1.1 架構(gòu)分析

為了保證仿真實(shí)時(shí)性以及多用戶數(shù)據(jù)一致性，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了集中式架構(gòu)?？蛻舳说闹饕ぷ魇侵С帜Ｐ偷奶摂M化、模型操作以及沉浸式的用戶交互接口。三維模型創(chuàng)建后，被保存在服務(wù)器當(dāng)中，不同用戶的模型操作可以通過(guò)協(xié)同模型處理保證數(shù)據(jù)一致性。分布式建模框架是基于建模系統(tǒng)的API構(gòu)建，而中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存了用戶的關(guān)注列表、約束信息、設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種設(shè)計(jì)信息以及修改歷史文檔。中心服務(wù)器采用多線程方法，其中主線程用于模型虛擬化以及約束輸入，其他線程用于建模與信息抽取，另外兩個(gè)信息發(fā)送與接收線程用于在用戶接入時(shí)通過(guò)連接與授權(quán)將用戶加入到任務(wù)中。

1.2 協(xié)同策略

在一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)中，同一個(gè)模型對(duì)象在不同的用戶都會(huì)保存一個(gè)本地版本。當(dāng)某個(gè)用戶對(duì)本地模型做出修改操作時(shí)，這個(gè)操作要及時(shí)傳遞給其他所有用戶進(jìn)行感知以及數(shù)據(jù)一致性維護(hù)，從而避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突與不一致。采用一種訪問(wèn)權(quán)限機(jī)制對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行管理，任何用戶在對(duì)虛擬模型進(jìn)行編輯前都要先申請(qǐng)模型的訪問(wèn)權(quán)限，而且訪問(wèn)權(quán)限每次只能被一個(gè)用戶獲取。其他用戶的模型編輯需求將會(huì)被禁止，直到獲取訪問(wèn)權(quán)限，這個(gè)權(quán)限會(huì)在有模型編輯需求的用戶間傳遞。當(dāng)用戶獲取權(quán)限后，對(duì)模型的修改操作將會(huì)被其他所有用戶感知，其他用戶只能對(duì)感知信息作出反饋而無(wú)法直接編輯模型。當(dāng)其他用戶對(duì)于授權(quán)用戶的修改持有反對(duì)意見(jiàn)時(shí)，可以通過(guò)反饋信息對(duì)修改進(jìn)行取消，而這一切所有用戶的編輯活動(dòng)、反饋操作都會(huì)記錄在一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)歷史中，并展示在用戶界面上。另外系統(tǒng)中還提供討論區(qū)功能，所有用戶間可以發(fā)起討論。當(dāng)某個(gè)用戶的模型編輯操作得到所有用戶的同意以后，這個(gè)編輯將會(huì)被發(fā)送到服務(wù)器中，對(duì)服務(wù)器中的模型以及設(shè)計(jì)信息進(jìn)行更新，如圖1所示。

1.3 多層模型表示

為了支持基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，本文提出了一種多層模型表示方法，如圖2所示。這種方法可以滿足實(shí)體建模、混合現(xiàn)實(shí)以及多用戶協(xié)同設(shè)計(jì)的以下要求。

圖2 多層模型表示

(1)虛擬化-三維模型的展示與監(jiān)測(cè)。

(2)交互-三維模型與實(shí)體間的交互。

(3)建模-支持實(shí)時(shí)的分布式三維建模。

(4)模型有效性保持-保持每個(gè)用戶工作區(qū)中模型的有效性。

局部模型樹(shù)結(jié)構(gòu)用于保存和維護(hù)局部三維模型的相關(guān)信息，它是基于抽取的局部模型信息創(chuàng)建的。根節(jié)點(diǎn)是三維模型的第一個(gè)局部模型，中間節(jié)點(diǎn)是其后續(xù)局部模型。局部模型的每個(gè)面是其葉子節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)面的三角面片連接在該面的葉子節(jié)點(diǎn)上用于表示該面。不同的局部模型與面具有不同的IDs。

第一層中三維模型的多邊形模型是基于局部模型樹(shù)中的局部模型、面與三角面片信息進(jìn)行創(chuàng)建。這些模型通過(guò)第三層的實(shí)體模型獲取與更新。由于混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境與實(shí)體模型空間的坐標(biāo)空間一致，模型的拓?fù)渑c局面模型參數(shù)信息能夠根據(jù)用戶任務(wù)與上下文表示為虛擬文檔，以便加強(qiáng)用戶對(duì)于虛擬模型的感知。

第二層基于約束的模型保證了三維模型數(shù)據(jù)的一致性與有效性。在一個(gè)仿真設(shè)計(jì)任務(wù)中，設(shè)計(jì)將根據(jù)充分考慮各個(gè)用戶的設(shè)計(jì)意圖，每個(gè)客戶端的約束條件必須得到滿足。在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，約束來(lái)源于分布在不同客戶端的三維模型的不同客戶端的設(shè)計(jì)參數(shù)。

第三層由實(shí)體模型組成，它的創(chuàng)建與更新是當(dāng)某個(gè)客戶端的建模操作被接受后發(fā)起。三維模型的拓?fù)渑c局部模型信息被保存在該層。拓?fù)湫畔⒂脩艋謴?fù)多邊形模型的幾何信息用以支持電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中模型的修改。局部模型信息(ID、位置、參數(shù)等)被用于定義第第二層中的模型約束。

1.4 基于約束的多用戶協(xié)同

模型約束被保存在中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在各個(gè)客戶端的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中保存一份副本。約束分析在每個(gè)客戶端執(zhí)行過(guò)程如圖3所示。在進(jìn)行三維建模過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)約束被用戶編輯操作違反時(shí)，這個(gè)信息將發(fā)送給所有其他用戶，而約束沖突的處理將由所有用戶通過(guò)討論方式產(chǎn)生，隨后編輯用戶將被要求按照約束沖突的處理意見(jiàn)進(jìn)行模型的再編輯。之后約束分析將會(huì)被再次執(zhí)行，并且將執(zhí)行信息發(fā)送給其他用戶。當(dāng)不再有約束沖突后，模型信息以及參數(shù)修改將會(huì)在所有用戶客戶端呈現(xiàn)。

1.5 交互技術(shù)

本文提出了一種2D/3D跟蹤交互方法，用于三維模型的設(shè)計(jì)、操作與參數(shù)輸入。該方法由上下文敏感的虛擬操作板與交互光標(biāo)構(gòu)成，提供了一種高效直觀的建模環(huán)境。2D/3D網(wǎng)格捕獲模式支持三維點(diǎn)的選擇以及模型的修改。

上下文敏感的虛擬操作板包括兩個(gè)部分：一個(gè)是基于屏幕左邊系統(tǒng)與全局坐標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)追蹤現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的標(biāo)記；另一個(gè)是進(jìn)行討論信息的虛擬顯示，例如命令按鈕、符號(hào)、信息等，這些都能夠通過(guò)一個(gè)3D頭盔進(jìn)行顯示。虛擬操作板是上下文敏感的，同時(shí)也便于使用。

交互光標(biāo)用于激活虛擬按鈕以及與三維模型間的交互。這個(gè)光標(biāo)即可以是一個(gè)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的真實(shí)的物理追蹤器也可以是一個(gè)標(biāo)記上的虛擬跟蹤器。物理跟蹤器用于虛擬操作板上的菜單激活操作，而虛擬跟蹤器用于虛擬三維空間中的虛擬模型操作，例如采用網(wǎng)格捕獲模式的模型局部選取。這些交互工具能夠方便直觀的支持用戶與真實(shí)3D環(huán)境中的2D/3D對(duì)象的交互。

3D網(wǎng)格捕獲模式能夠支持用戶在虛擬三維模型表面插入草繪點(diǎn)以及選擇局部模型位置。在這種模式下，一個(gè)3D網(wǎng)格將與模型表面的興趣點(diǎn)進(jìn)行匹配，而網(wǎng)格的尺寸可以用戶定義。交互光標(biāo)將追蹤該興趣點(diǎn)坐標(biāo)最近的網(wǎng)格點(diǎn)，因此能夠方便選取想要的仍和3D空間坐標(biāo)。

而2D的網(wǎng)格捕獲模式將在進(jìn)行草繪編輯與修改時(shí)使用。這個(gè)2D網(wǎng)格進(jìn)行屏幕匹配，該區(qū)域是草繪區(qū)域的4倍。其工作模式與3D網(wǎng)格捕獲模式相似。模型草繪將會(huì)根據(jù)光標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)態(tài)更新，當(dāng)精確度高于網(wǎng)格尺寸時(shí)，用戶還可以通過(guò)屏幕上的虛擬操作板進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的輸入。

2 混合實(shí)體建模

2.1 局部模型創(chuàng)建與定位

基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中的建模過(guò)程以及局部模型的特點(diǎn)，提出了三組局部模型的建模規(guī)則。圖3給出了一種直觀的基于形狀控制點(diǎn)的局部模型建模拖放方法。

圖3 基于約束的協(xié)同

某個(gè)局部模型的形狀控制點(diǎn)即在三維空間中完全定義該局部模型形狀的所有點(diǎn)。這些形狀控制點(diǎn)通過(guò)拖放方法用于混合現(xiàn)實(shí)三維環(huán)境中。在基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，一個(gè)局部模型可以通過(guò)基于全局坐標(biāo)系定義的本地坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行定位，它的形狀控制點(diǎn)能夠被修改，因此可以通過(guò)交互光標(biāo)拖放這些點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)局部模型的形狀變化。

當(dāng)一個(gè)形狀控制點(diǎn)的坐標(biāo)被修改，局部模型的參數(shù)將隨之對(duì)應(yīng)修改，例如當(dāng)用戶拖動(dòng)最高一個(gè)形狀控制點(diǎn)后可以改變?cè)摼植磕Ｐ偷母叨葏?shù)。局部模型根據(jù)形狀控制點(diǎn)變化是實(shí)時(shí)更新的。

2.2 局部模型修改

局部模型可以從兩個(gè)方面進(jìn)行修改，位置修改與形狀參數(shù)修改，例如深度參數(shù)修改與草繪修改。為了支持修改，局部模型的維度將通過(guò)物理三維空間中的虛擬文檔進(jìn)行表示。修改將通過(guò)一個(gè)3D空間接口進(jìn)行，而虛擬模型修改過(guò)程中的討論將進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，具體模型修改過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中的建模過(guò)程

2.3 模型同步

為了實(shí)現(xiàn)模型一致性，一個(gè)局部模型修改傳播機(jī)制被用于同步不同客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)中的三維模型?；谶@種機(jī)制，特征修改(如圖5所示)將會(huì)在服務(wù)器中區(qū)分，并且會(huì)在不同客戶端被不同局部模型進(jìn)行同步。唯一的局部模型名被用于區(qū)分局部模型，避免產(chǎn)生命名沖突。

圖5 建模過(guò)程中的參數(shù)定義

3 結(jié) 語(yǔ)

為了驗(yàn)證上述方法，本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，其中建模與幾何抽取過(guò)程耗時(shí)最長(zhǎng)，占據(jù)了超過(guò)50%的CPU時(shí)間，但是這并沒(méi)有影響整個(gè)系統(tǒng)的效率與效果。系統(tǒng)使用方便直觀的支持用戶交互以及操作實(shí)時(shí)感知，能夠更加高效地支持電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)。

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