海量三維電纜及通道自動化建模與渲染技術(shù)研究

王晨光，寧　亮，趙　順

(1．國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山 063000；2．北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100101)

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海量三維電纜及通道自動化建模與渲染技術(shù)研究

王晨光1，寧亮1，趙順2

(1．國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山 063000；2．北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100101)

摘要：近年來，電力部門對電力電纜及通道的管理已由二維圖形圖紙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)字化真實場景模擬管理，對海量電力數(shù)據(jù)的建模和渲染技術(shù)要求提高。針對現(xiàn)有電纜及通道自動化建模技術(shù)存在的效率低、修改難、加載慢的不足，本文采用了模型參數(shù)規(guī)范化、使用單位模型、彎道自動化建模、八叉樹結(jié)合LOD技術(shù)、管狀地物多精度建模技術(shù)等進行模型建立、渲染、加載，提高建模效率和加載速度，并實現(xiàn)電路模型編輯和路線規(guī)劃等功能。

關(guān)鍵詞：三維電纜；自動化建模；模型優(yōu)化；可視化

1研究背景

近年來，國內(nèi)城市電纜化率迅速提高，電力企業(yè)對地下電纜的管理由二維圖形、圖紙逐步轉(zhuǎn)向三維數(shù)字化、信息化管理；電纜三維數(shù)字化管理主要是在一個虛擬現(xiàn)實的三維可視化環(huán)境下，快速生成三維電纜實體模型，進行高效渲染，并保證電纜空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性以及可獲得性，能夠進行電路故障位置分析、線路規(guī)劃等操作[1]。三維電纜技術(shù)快速發(fā)展的主要背景技術(shù)包括[2-4]：①一些CAD三維模型建模軟件在建模理論與技術(shù)上越來越完善，如AutoCAD、Pro /E、UG、CATIA 等，為電纜及通道自動化建模提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)；②主流3D渲染引擎Directx與OpenGL在三維圖形渲染技術(shù)方面逐漸成熟，此外，還涌現(xiàn)出一些優(yōu)秀的開源三維渲染引擎，在模型高效渲染技術(shù)方面進行了深入的優(yōu)化，如Ogre、OSG、WorldWind等；③現(xiàn)今計算機軟硬件系統(tǒng)性能的提升，為地下電纜的三維數(shù)字化、精細化管理提供了技術(shù)支持；④國外的數(shù)字地球產(chǎn)品Google Earth、國內(nèi)的EV-Globe空間信息平臺以及CityMaker平臺在批量城市模型渲染方面進行了深入的研究，如采用LOD控制技術(shù)、異步資源加載渲染等技術(shù)。

但是數(shù)據(jù)參數(shù)化與三維電纜及通道模型建模技術(shù)存在許多缺點。工作量大，采用手工方式進行建模，不適合對大范圍電纜數(shù)據(jù)進行建模；對模型數(shù)據(jù)進行更新、修改比較困難，并且容易出現(xiàn)錯誤；無法保障海量三維電纜模型的渲染效率；一般是采用B樣條來創(chuàng)建電纜模型，計算量大，不能滿足海量電纜模型的實時建模與渲染的性能需求；對于具有拓撲關(guān)系的電纜通道數(shù)據(jù)，處理過程非常復(fù)雜。

因此，針對現(xiàn)有三維建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和存在的不足，對其進一步改進是十分必要的。在本研究中，主要采用規(guī)范化模型參數(shù)、使用單位模型、彎道自動化建模、八叉樹結(jié)合LOD技術(shù)等進行模型建立、渲染、加載等操作。

2三維建模及相關(guān)規(guī)范

為制定科學(xué)、合理的地下管線調(diào)查方案，在進行三維建模之前，對實際物體進行抽象、簡化十分必要，并對其參數(shù)進行規(guī)范和統(tǒng)一，便于數(shù)據(jù)采集、整理及后期計算機三維建模[5-6]。在充分調(diào)查研究現(xiàn)有城市各個地下管線建模規(guī)范的基礎(chǔ)上[7]，加以分析、總結(jié)，首先對電力設(shè)施如隧道、電纜、支架等按其功能和形狀進行分類，然后根據(jù)電纜、井室建模需要，設(shè)計電纜、通道調(diào)查表，最后設(shè)計了自動建模規(guī)則，使得可以程序自動化建立三維管道、管線模型，再現(xiàn)地下通道及電纜三維模型。

同時，制定三維電纜及通道的空間數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有利于三維模型數(shù)據(jù)的制作規(guī)范化，在保證模型準(zhǔn)確性和精度的前提下，進行海量模型自動化建模，提高建模效率。通過對海量三維電纜及通道模型的異步調(diào)度機制以及渲染控制方案，實現(xiàn)海量三維電纜模型的渲染，形成海量三維電纜模型及通道的高效渲染技術(shù)方案，如圖1所示。

圖1　海量三維電纜及通道自動化建模與可視化渲染技術(shù)方案

3自動化建模方案

通過建立正確、簡化的模型來描述和表現(xiàn)事物的各種屬性，是現(xiàn)代科學(xué)探索事物本身發(fā)展、運行規(guī)律的一個普遍而且重要的方法。對現(xiàn)實世界的建模和模擬，就是根據(jù)研究的目標(biāo)和重點，在數(shù)字空間中對其形狀、材質(zhì)、運動等屬性進行數(shù)字化再現(xiàn)的過程。

電纜及通道三維模型自動化建模技術(shù)通過構(gòu)造電纜及通道對象的參數(shù)化模型，建立參數(shù)驅(qū)動機制進行建模。運用參數(shù)化建模技術(shù)按照實際尺寸生產(chǎn)的電纜及通道三維模型，包含的信息豐富、直觀，能很好的表達電纜的柔性動態(tài)特征以及通道模型的連通特性，并且工作量小，過程簡單便捷。這種新型建模技術(shù)是電纜及通道三維模型批量生產(chǎn)、模型修改及變型設(shè)計的需要，也是電纜及通道自動化建模的關(guān)鍵技術(shù)。對電纜及通道參數(shù)化模型的描述見表1。

表1　電纜及通道參數(shù)化模型描述

電纜及通道的參數(shù)除了類型、屬性以及路徑點信息以外，還必須具備關(guān)鍵拐點的拓撲關(guān)系，為自動化建模提供必要的屬性信息。建模過程見圖2。

在對電纜及通道分析后，歸納后發(fā)現(xiàn)影響這些物體形狀和走向的要素主要包括：①軸線和拐角控制這些地物的走向；②斷面形狀控制其截面大小[8]。通過對該地物特性的歸納，結(jié)合現(xiàn)實需求，采用并改進了基于特征斷面的管狀地物多精度建模技術(shù)。特征斷面指控制地物走向或形狀編號的各種斷面和拐角；而多精度建模指模型可適應(yīng)不同精度的變化，在縮放到大比例尺場景時，電纜以三維實景對象進行建模顯示，并展示通道外部的貼面、內(nèi)部的管線、支架等細節(jié)；在小比例尺顯示時，管道則簡化為線狀地物，在展示其在空間的大致走向的同時，加快圖像計算和圖形顯示的速度。

因此，對管道進行建模主要分為直通管道建模、拐點管道建模、表層貼圖等主要步驟。首先，在3DMAX中建立一個長度固定的矩形單位模型，并利用貼圖技術(shù)進行貼圖顯示。把單位模型導(dǎo)入EV-Globe中。之后，構(gòu)建直通模型，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的管道的屬性信息，選取管道的起點、中點、終點以及截面形狀，對單位模型進行放大、拉伸等操作，最后生成直通管道模型。

關(guān)于拐點管道建模，要根據(jù)連接的兩個直通管來確定拐點弧段的起始點、圓心、半徑、夾角等參數(shù)，計算求得所在平面的法線矢量，垂直于兩側(cè)直通管道的向量，繼而求得圓心坐標(biāo)，得到弧段與夾角。并對弧段進行m等分，得到彎管的斷面信息，m數(shù)值越大，拐點管道約圓滑、模擬效果越好，見圖3。

圖2　電纜及通道自動化建模流程圖

圖3　拐點管道建模

經(jīng)過主要場景建立、分塊后，就需要對各種劃分塊的層次進行調(diào)整，需注意一下幾個問題。①建立模型時，優(yōu)先構(gòu)建層次型模型。把復(fù)雜的物體逐個分解成若干個簡單物體，盡量按照逐步求精的策略來分解。②在建模時，不管是顯示一個物體的全部還是只顯示該物體的部分，都必須對這個物體整體建模，為避免對空間跨度較大的物體進行計算，在建模時應(yīng)盡量避免空間跨度較大的物體。③建模時，可視范圍內(nèi)相鄰的物體級別相同，對于級別相同的物體，在設(shè)置節(jié)點時依次從左往右設(shè)置。④如果存在部分可見的物體，對這些物體對應(yīng)的節(jié)點進行刪除；對于比較規(guī)則的物體，只要不影響真實感，就忽略其內(nèi)部等具體細節(jié)，只對其外形進行建模；對于不規(guī)則的物體，依據(jù)各不規(guī)則部分的重要程度來進行建模，不重要的部分可用一些圓圈、長方形等簡單的圖形來表示。

4模型渲染與優(yōu)化方法

海量電纜三維模型高效管理與渲染主要是通過對電纜以及附屬設(shè)備進行分層管理，并設(shè)置模型八叉樹空間劃分，采用資源異步調(diào)度機制，達到模型的高效查詢、流暢渲染的目的。方案流程見圖4。

圖4　海量電纜及通道模型數(shù)據(jù)管理與渲染方案

對模型進行優(yōu)化，在一定程度上可以提高建模整體實時性[9]。根據(jù)三維建模過程中的實際情況，對模型可采取的優(yōu)化方法較多。去除多余多邊形方法：去除處于場景瀏覽時實體模型之外的不可見部分多邊形，這樣能降低建模耗時并且不會影響整體瀏覽效果；紋理替代策略：在三維建模時，若過分強調(diào)物體細節(jié)，不但工作量較大，而且模型復(fù)雜度也較大，進而影響整體建模實時性。合理采用紋理不僅能增強場景中物體真實感，而且還能降低建模復(fù)雜度；實例化策略：在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，實例化就是對庫中現(xiàn)存模型的引用，表面上相同模型的復(fù)用。但是，實例并非庫中真實的實體，而是眾多模型的一個影子，此時實物其實僅有一個，其他同類實物均可通過一系列變換而得到。這種情況下，在場景中顯示實體時，就可以只對某一實例的顏色、形狀、紋理等特征進行編輯，此時所有同類實體的屬性也隨之相應(yīng)改變。在場景中，如果一個實物在不同的位置多次被使用，那么僅對該物體建立一個模型，以后不論何時何地使用，僅通過實例化方法引用此模型即可。這種方法不僅能夠節(jié)省大量內(nèi)存空間，而且還能提高建模速度。

在實際過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況來選用上述優(yōu)化策略，本研究主要采用了紋理替代技術(shù)、實例化等技術(shù)。

5模型加載與可視化

模型加載的技術(shù)較多，八叉樹是三維空間數(shù)據(jù)劃分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，也是大型三維游戲場景管理和虛擬現(xiàn)實地理場景數(shù)據(jù)管理與渲染的主流技術(shù)。它是在滿足約束條件的前提下，把指定范圍空間作為一個立方體，將其劃分為八個小立方體，遞歸地分割小立方體。這種場景管理渲染技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：①加速局部場景在視域和當(dāng)前窗體中的可見性查詢過程，以便快速剔除不在視域的場景；②加速場景渲染實體的射線查詢過程，避免射線與每一個實體以及三角面進行判斷。

作為主流的場景管理技術(shù)，雖然對一般場景能保障查詢效率，但對于具有特殊的空間分布特征數(shù)據(jù)，效果不是很明顯。比如：海量模型數(shù)據(jù)離散分布、局部空間內(nèi)數(shù)據(jù)密集等。因此，還需使用LOD等技術(shù)對其進一步對其進行改進。

結(jié)合EV-Globe平臺，對各個功能進行集成，可最終實現(xiàn)電纜、通道模型的快速加載與現(xiàn)實，并支持線路規(guī)劃、編輯等功能。

6結(jié)語

本文針對電纜及通道的三維海量建模技術(shù)存在的不足，使用參數(shù)化模型、自動化建模技術(shù)、彎道建模、LOD技術(shù)、八叉樹等技術(shù)，實現(xiàn)了海量三維電纜模型的快速化建模、加載、顯示、調(diào)用，并進一步實現(xiàn)模型編輯和線路規(guī)劃，對于實現(xiàn)電力建設(shè)的數(shù)字化、信息化、可視化具有重要的意義。

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收稿日期：2016-01-20

作者簡介：王晨光(1976-)，男，高級工程師，主要從事電力規(guī)劃及電氣系統(tǒng)自動化研究。E-mail：wcguang0618@163.com。

中圖分類號：P618.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0153-04

Research into modeling and rendering of massive 3D cable and channel

WANG Chen-guang1，NING Liang1，ZHAO Shun2

(1.Tangshan Power Company，State Grid Electric Power Company，Tangshan 063000，China；2.EarthView Image Inc，Beijing 100101，China)

Abstract:In recent years，the management of power cable and channel has been transformed into 3D digital real scene simulation management.The modeling and rendering technology of large power data is required.Modification in view of the low efficiency existing in the existing cable and channel and automatic modeling technology，the disadvantage of difficult and slow to load，the model parameter specification，using the unit model，curve automatic modeling，octree with LOD technology，a tubular object precision modeling technology modeling，rendering，load，improve the efficiency of modeling and loading speed，and realize the function of the circuit model editing and route planning.

Key words：three dimensional cable；automatic modeling；model optimization；visualization