肖林華

基于OSG的輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)研究

肖林華

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加快，輸電網(wǎng)的建設(shè)、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理具有更高的要求，輸電網(wǎng)三維可視化變得更加重要。為了更形象直觀地展示輸電網(wǎng)三維形態(tài)及其地形地貌，自然災(zāi)害等場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于開源軟件OSG的輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸電塔及其輸電線路三維演示，輸電網(wǎng)場(chǎng)景漫游、縮放等基本人機(jī)交互功能，同時(shí)重點(diǎn)研究了輸電網(wǎng)路徑漫游，輸電網(wǎng)單位組件的實(shí)時(shí)信息顯示，對(duì)我國(guó)輸電網(wǎng)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)的工程具有廣泛的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)基本形成了“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的總體格局，特別是近期未來電網(wǎng)的提出，輸電線路的建設(shè)將繼續(xù)加大。在建設(shè)過程中輸電線翻山越嶺，所在地周邊地理?xiàng)l件異常復(fù)雜多變，沿線不僅有森林區(qū)、采空區(qū)等獨(dú)特區(qū)域，也有微地形及高速公路、高樓、塔吊等各種建筑布局。這些較復(fù)雜的外部條件及地理環(huán)境均給線路的安全保證增加了難度，也使管理更加散亂，直接影響工作效率。

OSG（OpenSceneGraph） 是一個(gè)開源的場(chǎng)景圖像管理開發(fā)庫(kù)，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化功能，其包含了豐富的類庫(kù)，操作靈活，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越，資源豐富。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于OSG的輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)，可以直觀的反映出輸電網(wǎng)所處的地質(zhì)地貌、天氣、輸電塔維修等各種情況，以三維圖像的形式更加清晰的解釋和顯示出輸電線路所發(fā)生的變化，同時(shí)有助于展示輸電網(wǎng)裝備臺(tái)賬信息。

輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

要是提供一個(gè)實(shí)時(shí)、直觀的三維可視化立體環(huán)境并根據(jù)用戶的具體應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)可視化系統(tǒng)的場(chǎng)景漫游、模型剖切和動(dòng)畫聲音等交互功能；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要提供輸電網(wǎng)各個(gè)組成部分的信息，包括塔桿、絕緣子、輸電導(dǎo)線等。三維輸電網(wǎng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

圖1　輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

輸電網(wǎng)可視化系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，3D建模，OSG驅(qū)動(dòng)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可視化的基礎(chǔ)，包括菜單欄、工具欄、操作按鈕和輸入框；3D建模主要是對(duì)地形模型、輸電塔模型和線路模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括多種地形結(jié)構(gòu)和塔桿結(jié)構(gòu)，為三維可視化的實(shí)現(xiàn)提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；OSG驅(qū)動(dòng)層主

圖2　菜單欄結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用微軟提供的MFC進(jìn)行界面設(shè)計(jì)包括兩部分：菜單欄和窗口。菜單欄包括文件、界面設(shè)置、輸出和幫助等部分，主要組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

窗口分隔為左右兩個(gè)子窗口，并通過通知消息實(shí)現(xiàn)兩個(gè)窗口的關(guān)聯(lián)，左邊窗口是主要控件，包括風(fēng)速大小、視角方向、天氣狀況等信息的輸入以及實(shí)現(xiàn)視圖控制的按鈕控件，通過鍵盤輸入和鼠標(biāo)事件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互功能。右邊窗口是輸電網(wǎng)圖像的三維顯示，對(duì)控件發(fā)送的消息進(jìn)行響應(yīng)，包括場(chǎng)景漫游、場(chǎng)景視口變化和天氣效果演示等。

圖3　操作控制圖

圖4　漫游流程圖

3Dmax建模

系統(tǒng)模型建立利用3Dmax建模工具，對(duì)塔桿、地形、輸電線等其他組件模型進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)合適的模型大小數(shù)值，保證塔桿和地形之間的比例，記錄模型之間的相對(duì)坐標(biāo)，使多個(gè)模型能夠協(xié)調(diào)清地加載到系統(tǒng)中。輸出的模型利用第三方的OSGExp插件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的.IVE類型，有利于加快讀取速度。

OSG技術(shù)研究

輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)的操作對(duì)象是場(chǎng)景的數(shù)據(jù)即OSG場(chǎng)景，而場(chǎng)景的數(shù)據(jù)主要由OSG驅(qū)動(dòng)提供的相應(yīng)的類調(diào)用合適的方法進(jìn)行控制。OSG場(chǎng)景圖形采用一種自頂而下的、分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織空間數(shù)據(jù)集，以提升渲染的效率。場(chǎng)景樹結(jié)構(gòu)的頂部是一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，從根節(jié)點(diǎn)向下延伸，各個(gè)組節(jié)點(diǎn)中包含控制集合信息和用于控制外觀的渲染狀態(tài)信息。如使用Viewer類中g(shù)etSceneData方法可以對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行渲染，addEventHandler可以加入一個(gè)時(shí)間處理器去響應(yīng)鍵盤或鼠標(biāo)的操作從而控制場(chǎng)景。整個(gè)場(chǎng)景的操作控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，接下來對(duì)OSG關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

場(chǎng)景漫游和路徑漫游技術(shù)

OSG場(chǎng)景漫游的主要流程如圖4所示：在實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)過程中，需要對(duì)操作器進(jìn)行編寫，操作器必須從OSGGA：：MatrixManipulate派生而來。OSG官方提供了軌跡球漫游器能夠接受鼠標(biāo)事件，變換相機(jī)位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作。

路徑漫游是漫游的一部分，就是將路徑存放到一個(gè)文件或者數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)單擊開始按鈕開始漫游，視圖就會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的路徑原封不動(dòng)的走一遍。路徑信息由七列組成，這七列分別代表的意思為：時(shí)間、位置、旋轉(zhuǎn)角度，有了這三個(gè)因素就可以控制整個(gè)場(chǎng)景了。使用類OSG：：AnimationPath去設(shè)置路徑，AnimationPathManipulator創(chuàng)建路徑漫游器，viewer去調(diào)用setCameraManipulator（）方法實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，路徑漫游方向與輸電線平行。

動(dòng)畫和聲音技術(shù)

OSG動(dòng)畫和路徑漫游相似，使用的是相同的類，該類封裝了一系列操作，有動(dòng)畫模式，動(dòng)畫路徑的導(dǎo)入和導(dǎo)出，動(dòng)畫時(shí)間，動(dòng)畫的關(guān)鍵點(diǎn)等，默認(rèn)的動(dòng)畫模式有三種，為單擺，循環(huán)和非循環(huán)，用setLoopMode函數(shù)設(shè)置，自定義時(shí)間計(jì)時(shí)器函數(shù)去判斷動(dòng)畫是否結(jié)束。通過AnimationPathCallback類控制動(dòng)畫時(shí)間偏移、執(zhí)行速度、渲染狀態(tài)等。OPENAL是一個(gè)開源的音效庫(kù)，是OSG的第三方插件，通過Soundroot類的調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)輸電塔倒塌時(shí)聲音渲染。本系統(tǒng)中可以利用動(dòng)畫聲音技術(shù)模擬輸電線路倒塌的過程。

OSG其他關(guān)鍵技術(shù)

除了上述的所提到技術(shù)之外，OSG還提供很多相關(guān)的技術(shù)去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的場(chǎng)景渲染。比如粒子系統(tǒng)中OSGParticle：：PrecipitationEffect類，可以用來實(shí)現(xiàn)三維可視化系統(tǒng)的雨效、雪效和霧效等，生成非常真實(shí)的效果；通過調(diào)用剖切面類中的成員函數(shù)ClipPlane（） 和SetStateSet（） ，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維輸電塔模型的任意剖切。

表1　導(dǎo)線表

表2　塔桿表

表3　絕緣子表

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是大多數(shù)系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同樣在整個(gè)輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，包含著輸電網(wǎng)組件的各種信息，這些信息有必要被記錄下來并進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取操作，因此數(shù)據(jù)庫(kù)成為數(shù)系統(tǒng)必不可少的一部分。一般而言，輸電網(wǎng)的主要部件有八部分組成，分別為導(dǎo)線、避雷針、金具、絕緣子、塔桿、拉線、基礎(chǔ)和接地裝置。導(dǎo)線是固定在塔桿上輸送電流用的金屬線，不同電流或者不同電壓所用的導(dǎo)線類型不同，同一類的導(dǎo)線編號(hào)、安裝日期、維護(hù)日期等信息也會(huì)不同。

本三維可視化系統(tǒng)中利用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)mySQL，主要針對(duì)輸電網(wǎng)的導(dǎo)線、塔桿和絕緣子進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)輸電網(wǎng)資料， 導(dǎo)線的數(shù)據(jù)庫(kù)信息如表所示。

圖5　操作流程圖

圖6　模型加載圖

圖7　雪效圖

塔桿數(shù)據(jù)庫(kù)表信息如下表2所示。

絕緣子數(shù)據(jù)庫(kù)表信息如表3所示。

三個(gè)表是相關(guān)聯(lián)的，編號(hào)均為表的主鍵且在設(shè)計(jì)的過程中采用相同的字段，在模型的加載過程中，需要利用table3的相對(duì)坐標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行加載進(jìn)而加載輸電導(dǎo)線，輸電導(dǎo)線的方向?yàn)榕c空間坐標(biāo)的Y軸平行。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

論文通過OSG平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)了輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)，在系統(tǒng)演示的主要操作流程如圖5所示。

圖6-圖7是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，界面中上下左右按鈕能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景的漫游，相機(jī)設(shè)置初始化為用戶角度，天氣效果為場(chǎng)景增加天氣渲染，開始按鈕是創(chuàng)建線程，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)路徑漫游。

結(jié)束語

論文對(duì)利用OSG平臺(tái)對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了輸電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括OSG下的路徑漫游、動(dòng)畫聲音等OSG技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。該系統(tǒng)能夠?yàn)檩旊娋W(wǎng)工作人員提供一個(gè)直觀的可視化交互環(huán)境，很好的演示和解釋輸電網(wǎng)所在狀態(tài)。接下來將對(duì)各種輸電網(wǎng)信息進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)研，豐富數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)更多的3D模型，從而更加完善系統(tǒng)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.001