AP1000核電站虛擬現(xiàn)實技術(shù)模型簡化①

(山東核電有限公司,山東　煙臺　264000)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)是近年來興起的以計算機技術(shù)為核心的研究熱點之一[1]，包括計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)和高度并行的實時計算機技術(shù)，VR技術(shù)在多維信息空間上創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互能力。目前VR技術(shù)已在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、娛樂等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并成為最熱點的研究方向之一。

目前，核電站由于其生產(chǎn)對象和生產(chǎn)手段的特殊性，其安全運行要求核電站工作人員必須熟悉電站各設(shè)備布置，熟練掌握電站運行原理,維修人員具備拆解、維修、回裝設(shè)備的能力，但目前大量核電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝位置不易操作、部分區(qū)域由于高溫、高壓、高放射性等原因?qū)е码娬竟ぷ魅藛T無法直接觀察和操作設(shè)備，特別是以AP1000為代表的第三代先進核電技術(shù)，與傳統(tǒng)的二代及二代加核電相比，其設(shè)計、系統(tǒng)和設(shè)備都有較大改動，更需要從業(yè)人員快速掌握AP1000三代核電技術(shù)。當前只能通過書籍、技術(shù)規(guī)范書、運維手冊、設(shè)備圖紙、拆解模擬體、現(xiàn)場操作實體設(shè)備等途徑學(xué)習(xí)了解設(shè)備的知識，但是這種學(xué)習(xí)途徑，不僅不夠直觀，且受制于廠房區(qū)域控制授權(quán)管理、設(shè)備資料提交進度、設(shè)備交付安裝進度等制約，因此無法全面的保證電站工作人員及時掌握崗位所需的技術(shù)和知識。因而虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于具有放射性環(huán)境核電站，尤其是新型的第三代AP1000核電站更具有應(yīng)用價值。

當前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電站的應(yīng)用，國內(nèi)外已進行了一些研究，如O. Fridtjov 研究了虛擬現(xiàn)實在核電站事故管理中的應(yīng)用[2]；歐洲核能機構(gòu)(ENEA)啟動了退役中的虛擬現(xiàn)實工程，比利時開發(fā)了工作前培訓(xùn)三維可視化系統(tǒng)；日本開發(fā)了核電站檢修期間輻射劑量的計算機虛擬仿真系統(tǒng)[3]；美國西屋公司開發(fā)了輻射場三維空間分布可視化軟件，主要用于形象的顯示輻射源和屏蔽體結(jié)構(gòu)變化時空間輻射劑量分布的變化[4]；劉鵬飛研究了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在核電站仿真中的應(yīng)用[5]。此外，國內(nèi)核電站也進行了對應(yīng)的研究，中廣核工程公司設(shè)計院已正式成立“虛擬現(xiàn)實工程應(yīng)用實驗室”，正式將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入設(shè)計過程，將以“華龍一號”項目建設(shè)為契機，在輔助建筑設(shè)計、客戶體驗、核電智能電站三個方面開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用嘗試[6],海陽核電站也開發(fā)了AP000電站地理漫游系統(tǒng)。但當前核電站虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用受制于海量幾何模型數(shù)據(jù)，僅能簡單繪制地理漫游和展示，無法全面模擬工藝、設(shè)備運行狀態(tài)，實時逼真的展示電站全貌，使用戶難以獲得沉浸感，因而如何有效的簡化模型數(shù)據(jù)使模型實時顯示就成為核電站虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

考慮同一模型由于視點遠近對于模型精度要求不同，本文基于QEM簡化算法建立不同精度的層次AP1000設(shè)備模型，并在場景的實時動態(tài)顯示中，利用連續(xù)細節(jié)層次現(xiàn)實技術(shù)，對于近距離觀察時，采用精細的模型進行繪制；反之，遠距離觀察時，則選擇粗糙的模型進行表示，提高顯示效率與實時性，最后對AP1000設(shè)備模型進行了簡化效果驗證。

1　AP1000設(shè)備虛擬現(xiàn)實模型建立和顯示

1.1　STL三角網(wǎng)格文件

MicroStation、CAD、Pro/E等三維軟件系統(tǒng)建立的模型雖然能精確的表示模型的幾何信息，但包含模型信息過多導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大，無法實現(xiàn)模型快速導(dǎo)入導(dǎo)出，不能滿足虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時性與真實感要求，因此目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)一般采用網(wǎng)格格式表示。而在網(wǎng)格面片格式如SLP格式、STL格式、WRL格式、PLY格式等文件中,STL三角網(wǎng)格文件格式，是利用三角面片擬合表示模型外形結(jié)構(gòu)[7]，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)較少，容易讀取，可以直接導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，便于模型的顯示與快速渲染操作等優(yōu)點，而且作為一種中性格式，常用的三維CAD系統(tǒng)造型軟件如MicroStation、CAD、Pro/E等都能直接輸出這種格式模型，因而現(xiàn)在已經(jīng)成為三維制圖系統(tǒng)與快速成型系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞的較為普遍的文件格式與事實上的接口標準。

圖1分別展示了模型幾種格式的顯示效果，圖1(a)為MicroStation建立的AP1000堆內(nèi)構(gòu)件RVI 半環(huán)板模型，圖1(b) MicroStation模型轉(zhuǎn)化后的STL網(wǎng)格填充效果圖，通過對比不難發(fā)現(xiàn)STL模型保持了原始模型的幾何外形。

STL三角網(wǎng)格文件中，模型幾何位置信息都由離散的三角面片的集合記錄。每一個三角面片都是由組成三角形的3個頂點的坐標和1個法向量來描述的。STL文件有兩種表示類型，一類是文本文件(ASCII)，另一類則是二進制文件(Binary)，STL文件的兩種格式各有優(yōu)缺點，二進制格式的文件占用的存儲空間較小，一般為同文件ASCII格式的20%[8]，能夠節(jié)省存儲空間，但是ASCII格式的文件能用記事本打開，易于直觀識別，本文采用ASCII格式。

圖1　模型不同格式表示效果Fig.1　Display of different model type

1.2　STL三角網(wǎng)格文件

讀取STL文件時，只需要按行讀入每個三角面片單位法矢與定點的坐標數(shù)據(jù)即可。當STL文件讀入之后，借助于OpenGL來進行STL三角網(wǎng)格的繪制和顯示，在OpenGL函數(shù)庫中，直接提供了渲染與繪制三角面片的函數(shù)glBegin(GL_TRIANGLES)，能夠方便快捷的實現(xiàn)STL網(wǎng)格文件的繪制與顯示。讀取與顯示STL網(wǎng)格文件的流程圖如圖2所示。

圖2　讀取與顯示STL網(wǎng)格文件流程圖Fig.2　Flow chart for reading and displaying STL mesh

2　AP1000設(shè)備虛擬現(xiàn)實模型數(shù)據(jù)簡化

本文建立不同細節(jié)層次簡化模型采用通用的基于“二次誤差度量” (Quadric Error Metrics，簡稱QEM)的簡化算法，其中基于QEM的簡化算法以邊折疊為基礎(chǔ)，引入了點到三角網(wǎng)格平面距離的平方作為誤差度量[9]，同時本文利用雙向鏈表記錄了簡化序列，可以實時獲得相應(yīng)連續(xù)細節(jié)層次的模型。

2.1　邊折疊簡化算法原理

邊折疊簡化基本思想是：首先選取一組誤差準則，選取出一條邊上的兩個頂點，然后根據(jù)相應(yīng)準則把此邊上兩點合并為一個點，即邊轉(zhuǎn)化為一點，然后更新三角面片頂點與法向量信息。

圖3　邊折疊算法原理圖Fig.3　Schematic of edge folding algorithm

如圖3所示，假定{g，h}兩頂點所確定的邊作為折疊邊，{h}為折疊后保留點，即邊{g，h} 折疊為點{h}[10]。

2.2　基于QEM的簡化算法原理

2.2.1二次誤差矩陣Q計算

基于QEM簡化算法的邊折疊簡化，模型的每一個頂點都被給予一個誤差值，鑒于模型中各個頂點又為一組三角面片的交點，故考慮頂點時應(yīng)關(guān)聯(lián)頂點相鄰的三角面片，為了計算誤差值，假定三角面片所在平面的方程為：

ax+by+cz+d=0

(1)

根據(jù)平面方程定義可知向量(a,b,c)為平面ax+by+cz+d=0的法向量，STL網(wǎng)格模型中三角面片法向量為單位法矢，故a2+b2+c2=1，由此可計算平面外一頂點v(x,y,z,1)T與ax+by+cz+d=0平面距離平方：

D(v)=|ax+by+cz+d|2

(2)

現(xiàn)將平面方程各項系數(shù)假定成為一個一維矩陣p=[a,b,c,d]T，則平面外一頂點與平面距離的平方D(v)，則可以表示成為：

D(v)=|ax+by+cz+d|2=(pTv)2
=(vTp)(pTv)=vT(ppT)v

(3)

對于公式(3)中的(ppT)一項，為簡化表示，可以設(shè)定為Kp，則公式(3)可以簡單的表示為：

D(v)=vTKpv

(4)

公式(4)中Kp定義為平面ax+by+cz+d=0的二次矩陣，由矩陣定義可以計算出Kp的表達式為：

(5)

依此方法可以求得模型中頂點v距離其所有相鄰平面的平方和，首先假設(shè)頂點v相鄰平面集合為：

TriPlane(v)=(TriPlane1,TriPlane2,……TriPlanen)

(6)

根據(jù)Kp定義可知，模型中頂點v到所有鄰近平面距離之平方和為KTriPlane1+KTriPlane2+……KTriPlanein，為簡便表示可以令：

(7)

根據(jù)二次誤差定義可以求得出v(x,y,z,1)T點的二次誤差值：

(8)

(9)

由Kp定義可以得出二次誤差矩陣Q所表示的意義，即與點v(x,y,z,1)T鄰近所有三角面片二次誤差矩陣之和。

2.2.2折疊頂點計算選取

由二次誤差定義假設(shè)網(wǎng)格模型一頂點對為v1與v2由公式(9)可以分別計算出其二次誤差矩陣Q1與Q2，則將頂點v1與v2折疊的二次誤差矩陣可以認為二者之和：

Q=Q1+Q2

(10)

計算網(wǎng)格模型中所有相鄰兩頂點的二次誤差值，從中選取二次誤差值最小的頂點對進行邊折疊簡化，設(shè)折疊后的頂點為v(x,y,z,1)T，由公式(8)與公式(9)可知折疊操作后，得到點v(x,y,z,1)T的二次誤差為：

Δ(v)=vTQv=vT(Q1+Q2)v

(11)

理論上折疊后選取的頂點v(x,y,z,1)T應(yīng)當使得二次誤差值Δ(v)最小，即求取Δ(v)=vTQv的最小值。

(12)

然而考慮到算法的復(fù)雜程度及誤差影響大小，本文選取折疊頂點對v1于v2的幾何中點v=(v1+v2)/2作為二次誤差代價最小的極值點作為折疊后頂點，即邊{v1，v2}折疊為點{(v1+v2)/2}。

2.3　連續(xù)細節(jié)層次技術(shù)實現(xiàn)

三角網(wǎng)格模型的細節(jié)層次(Level of Detail)表示是由原始網(wǎng)格模型與其不同精度層次簡化模型組成[11]。細節(jié)層次通常對一個原始的網(wǎng)格模型建立不同精度的層次模型，在不影響視覺的前提下，根據(jù)視點的遠近有條件的選取不用層次的模型，即當模型據(jù)視點較近時，選擇精細的模型繪制，以便于觀察模型的細節(jié)；當模型距離視點較遠時，模型細節(jié)部分觀測到的概率較小且占據(jù)屏幕區(qū)域減少，故選擇較粗糙的模型來繪制在相應(yīng)環(huán)境中選取特定精度的層次模型，不同細節(jié)層次模型如圖4所示。從而，在AP1000電站虛擬現(xiàn)實實時場景顯示時，通過減少過多的細節(jié)繪制，既能縮短計算時間又不會減低場景的逼真程度，從而提高顯示效率[12]。

圖4　軸承不同層次細節(jié)模型Fig.4　Different levels of detail for bearing model

3　AP1000虛擬現(xiàn)實技術(shù)模型簡化效果驗證

本文利用MicroStation建立了設(shè)備模型，建立的模型為AP1000堆內(nèi)構(gòu)件RVI堆芯圍筒，包含：堆芯底板、4組C板組件、4組W版組件、4個下部半環(huán)板垂直支撐、20個中部半環(huán)板垂直支撐、4個上部半環(huán)板垂直支撐、半環(huán)板、頂板、4個上部C板組件、4個上部W板組件、4個鑲嵌塊等部件。原始模型如圖5所示，其對應(yīng)的STL網(wǎng)格填充圖如圖6(a)所示，STL網(wǎng)格圖如圖6(b)所示。

圖5　RVI堆芯圍筒原始模型Fig.5　Original model of RVI Shroud

3.1　AP1000虛擬現(xiàn)實技術(shù)模型簡化系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及主要功能

本文軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境如表1所示：

表1　系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

3.2　采用基于QEM算法簡化建立不同細節(jié)層次AP1000設(shè)備模型顯示效果分析

對于圖6RVI原始模型采用QEM算法簡化后，不同精度的模型如圖7所示。

圖6　RVI 堆芯圍筒STL模型Fig.6　STL model for RVI Shroud

本文系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：

1)STL網(wǎng)格模型讀取與繪制；

2)三角面片數(shù)統(tǒng)計；

3)網(wǎng)格數(shù)據(jù)及模型更新；

4)模型QEM簡化算法實現(xiàn)；

5)模型旋轉(zhuǎn)與遠近大小的改變;

6)模型連續(xù)細節(jié)層次顯示的建立

通過對比圖6與圖7簡化前后模型網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，當采用基于QEM算法簡化模型到14977個面片即簡化率為74.03%時，模型大部分細節(jié)能得以保留，繼續(xù)簡化到3446面片時即簡化率為94.02%時，模型基本細節(jié)可以保留，簡化率見表2。

圖7　RVI堆芯圍筒STL簡化模型Fig.7　Simplification of STL model for RVI shroud

RVI簡化前STL模型面片數(shù)57 672RVI簡化后STL模型面片數(shù)3 446簡化率94.02%

圖8展示了利用簡化后建立的模型連續(xù)細節(jié)層次效果，結(jié)果顯示細節(jié)層次表示視覺效果較好，沒有視覺上大的跳躍感。

圖8　簡化后建立的連續(xù)層次模型顯示效果Fig.8　Continuous level of detail for simplification models

4　結(jié)語

本文通過利用基于QEM簡化算法建立了不同精度的AP1000核電站設(shè)備層次模型，分析且驗證了基于QEM簡化算法的簡化效果，與此同時利用雙向鏈表記錄了簡化的順序，實現(xiàn)了邊折疊與點分裂互逆操作，實現(xiàn)了模型連續(xù)細節(jié)層次表示，為解決虛擬現(xiàn)實技術(shù)模型復(fù)雜性和顯示實時性提供了一種方案，有利于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在AP1000核電站中的進一步應(yīng)用。