楊 鵬，劉常新，劉甲強(qiáng)

（中電建第十一工程局（廣東）建設(shè)投資有限公司，廣東 廣州 510407）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是指綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能等技術(shù)生成的一種人工模擬環(huán)境，用戶能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互，從而通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等獲得與真實(shí)世界相同的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)具有多感知性、沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)[1-3]。

由于水利水電工程的特殊性，長(zhǎng)期以來(lái)該行業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢，主要體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，而且效果差、交互功能不足[4]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟和普及應(yīng)用，水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最廣泛和成熟的領(lǐng)域是游戲開(kāi)發(fā)，本文通過(guò)借鑒游戲開(kāi)發(fā)行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和流程，將游戲開(kāi)發(fā)理念引入水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)研究，并通過(guò)Unity 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，高質(zhì)量地完成了基于Web 3D的水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)案例。

1 基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)介

基于Web 3D 的虛擬現(xiàn)實(shí)是“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)的具體應(yīng)用，它的實(shí)現(xiàn)原理是在B/S 架構(gòu)下，由服務(wù)器提供數(shù)據(jù)，用戶通過(guò)瀏覽器將相應(yīng)的數(shù)據(jù)下載到本地構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并與該場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，服務(wù)器根據(jù)交互情況對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

（1）廣泛的傳播性?；赪eb 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)成果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳播，擁有廣泛的用戶基礎(chǔ)；互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)超過(guò)20 a 的發(fā)展，已經(jīng)和人們的生活密不可分，并且仍在高速發(fā)展聚集用戶。

（2）使用的便捷性。基于B/S 架構(gòu)，用戶無(wú)需安裝客戶端軟件，只需連接互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)論何時(shí)、何地都能使用虛擬現(xiàn)實(shí)成果。

（3）更強(qiáng)的優(yōu)化和壓縮能力。虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化和壓縮，以保證用戶端能快速下載。

2 水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)

2.1 場(chǎng)景和數(shù)據(jù)量大

水利水電工程樞紐范圍通常達(dá)幾十上百平方公里，場(chǎng)景內(nèi)不僅有復(fù)雜的地形、地貌，還有各種水工建筑物、機(jī)電設(shè)備和管路系統(tǒng)等，如對(duì)工程進(jìn)行整體仿真，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)[5]。

2.2 仿真度要求高

水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)與“嚴(yán)肅游戲”開(kāi)發(fā)類似，二者都是對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)進(jìn)行仿真模擬，而不能憑借開(kāi)發(fā)者的想象隨意進(jìn)行創(chuàng)造，如對(duì)自然地形、建筑物、機(jī)電設(shè)備的建模精度必須滿足規(guī)定要求，各種交互式操作必須符合實(shí)際。

2.3 專業(yè)性強(qiáng)

水利水電工程涉及測(cè)繪、地質(zhì)、水工、交通、消防、電氣等20 余個(gè)專業(yè)，要對(duì)工程進(jìn)行全方位的仿真模擬，需要各領(lǐng)域大量專業(yè)人才的參與。

2.4 宏觀與微觀兼顧

宏觀方面包括山川、河流、水工建筑物等大尺度模型，微觀方面小到一個(gè)按鈕、一顆螺絲釘都可進(jìn)行模擬，水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)要同時(shí)兼顧宏觀與微觀兩個(gè)方面的需求。

3 基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以大幅減少數(shù)據(jù)量，并采用高效的算法滿足虛擬現(xiàn)實(shí)引擎實(shí)時(shí)渲染的要求。針對(duì)水利水電工程特點(diǎn)，基于Unity 3D 平臺(tái)，對(duì)大場(chǎng)景數(shù)字地形建模、模型重構(gòu)、復(fù)雜水效果模擬、人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。

3.1 大場(chǎng)景數(shù)字地形建模

傳統(tǒng)的地形建模方法是采用Mesh 面對(duì)地表進(jìn)行模擬，由于水利水電工程地形建模范圍大，如采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行建模，其數(shù)據(jù)量將非常巨大，無(wú)法滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)渲染的要求。為此，Unity 3D 內(nèi)置地形引擎，采用地形高度圖建模，并利用LOD（Levels of Detail，簡(jiǎn)稱LOD）技術(shù)，將地形模型用多種不同的精度表示，根據(jù)觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)近選擇不同精度的地形模型進(jìn)行呈現(xiàn)，從而有效解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)渲染的問(wèn)題；此外，Unity 3D內(nèi)置地形引擎還能方便地繪制地形紋理，采用對(duì)象實(shí)例化技術(shù)快速批量生成植物模型。但是，由于地形高度圖采用固定的二維點(diǎn)陣數(shù)據(jù)記錄地形的位置和高度信息，所以所建立的地形模型只能在高度上進(jìn)行變化，可編輯性能差，如不能方便地在地形上修建道路、不能進(jìn)行邊坡和基礎(chǔ)開(kāi)挖等。

經(jīng)研究分析，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，利用地形疊加、遮罩、紋理映射等技術(shù)，將Unity 3D 內(nèi)置的大場(chǎng)景地形與外部導(dǎo)入的小范圍Mesh地形進(jìn)行拼接，既充分利用了內(nèi)置地形引擎的高效性，又滿足了工程建設(shè)對(duì)地形建模精度和加工要求，其原理如圖1所示。

3.2 模型重構(gòu)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大中型水利水電工程已普遍開(kāi)展三維設(shè)計(jì)，如能將三維設(shè)計(jì)模型應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)，既能保證模型精度，又能提高虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)效率。然而，三維設(shè)計(jì)模型并不等同于虛擬現(xiàn)實(shí)模型，而是需經(jīng)加工處理后才能用于虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)，這個(gè)對(duì)模型進(jìn)行加工處理的過(guò)程稱之為模型重構(gòu)。模型重構(gòu)的要點(diǎn)概括起來(lái)有增加、刪除、合并、拆分、簡(jiǎn)化、替換等幾種方式。

（1）增加。即查漏補(bǔ)缺，對(duì)三維設(shè)計(jì)中沒(méi)有的模型進(jìn)行補(bǔ)充建模，如第三人稱角色模型等；另三維設(shè)計(jì)模型通常不含材質(zhì)紋理，模型外觀與實(shí)際物體不符，故應(yīng)補(bǔ)充模型的材質(zhì)貼圖。

（2）刪除。為減少數(shù)據(jù)量，需刪除虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中不可見(jiàn)或不關(guān)心的結(jié)構(gòu)模型，如混凝土預(yù)埋件、錨桿、止水等。

（3）合并。為便于模型材質(zhì)貼圖，物理屬性相同的物體應(yīng)盡量合并。

（4）拆分。含2 種及以上材質(zhì)屬性的物體應(yīng)按材質(zhì)類型進(jìn)行拆分，交叉物體應(yīng)進(jìn)行拆分以減少模型面片數(shù)量。

（5）簡(jiǎn)化。即將高精度模型轉(zhuǎn)化為低精度模型，在不明顯改變模型外觀形狀的條件下，有效減少模型的面片數(shù)量；或者把高精度模型烘焙成貼圖，然后運(yùn)用在低精度模型上，使低精度模型擁有近似于高精度模型的細(xì)節(jié)效果。

（6）替換。即用Unity 3D 中的高效模型替換三維設(shè)計(jì)模型，如地形三維模型等。

3.3 水效果模擬

水利水電工程是對(duì)水流進(jìn)行控制并加以利用的工程設(shè)施，對(duì)水效果的模擬長(zhǎng)期以來(lái)是水利水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)；以下通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，對(duì)水利水電工程泄洪及河道水流進(jìn)行模擬。

3.3.1 泄洪效果模擬

泄洪是水流沿溢洪道、底孔等泄水建筑物下泄所形成的高速水流和霧化效果，在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中通常采用粒子對(duì)泄洪進(jìn)行模擬；其中，對(duì)霧化的模擬采用發(fā)散粒子即可，而泄洪所產(chǎn)生的高速水流由于受到水工建筑物的約束作用，水流形態(tài)比較復(fù)雜，一直是虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

高速水流的粒子模擬一般有2 種方式：一種是利用粒子與水工建筑物的碰撞自動(dòng)計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡；另一種是預(yù)先定義粒子的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)設(shè)置粒子的路徑跟隨來(lái)模擬高速水流。第一種方式更接近實(shí)際情況，但粒子的碰撞計(jì)算量大，運(yùn)行效率低；第二種方式雖然與工程實(shí)際有差別，但粒子的運(yùn)算量小，運(yùn)行效率高。經(jīng)綜合比較，下面采用第二種方式對(duì)泄洪高速水流進(jìn)行模擬，模擬效果如圖2所示。

圖2 粒子路徑模擬泄洪高速水流

關(guān)鍵代碼如下：

3.3.2 水流模擬

本文模擬的水流是指大壩下游河道中的河水，其特點(diǎn)是水流同時(shí)向下游流動(dòng)和沿豎向上下波動(dòng)。根據(jù)水流的這一特點(diǎn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中可利用Mesh 面對(duì)其進(jìn)行模擬，即通過(guò)設(shè)置Mesh 面的UV 位移貼圖來(lái)模擬水流向下游流動(dòng)的效果；通過(guò)設(shè)置Mesh 面節(jié)點(diǎn)的豎向位移來(lái)模擬水流上下波動(dòng)的效果，同一節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間以及同一時(shí)間相鄰節(jié)點(diǎn)之間的豎向位移變化規(guī)律通常滿足正弦函數(shù)關(guān)系。在Unity 3D 中，可通過(guò)腳本二次開(kāi)發(fā)設(shè)置UV 位移貼圖，利用著色器（Shader）設(shè)置Mesh面節(jié)點(diǎn)的位移。

UV位移貼圖模擬水流代碼：

3.4 人機(jī)交互開(kāi)發(fā)

人機(jī)交互是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)。下面以第三人稱為例，簡(jiǎn)要介紹Unity 3D的人機(jī)交互開(kāi)發(fā)原理，該案例中用戶通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)控制人物動(dòng)作與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行交互。

3.4.1 第三人稱制作

第三人稱一般包括人物模型和人物動(dòng)作兩個(gè)部分，通常在Maya、3DMax 等專業(yè)軟件中完成后，再導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎進(jìn)行調(diào)用。

3.4.2 在Unity 3D中使用動(dòng)畫(huà)控制器

動(dòng)畫(huà)控制器的作用是將動(dòng)畫(huà)和模型進(jìn)行綁定，通過(guò)設(shè)置動(dòng)畫(huà)的觸發(fā)條件控制狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。首先新建一個(gè)動(dòng)畫(huà)控制器，并添加站立（Idle）、行走（Walk）、后退（WalkBack）和奔跑（Run）4 種人物狀態(tài)，其中默認(rèn)狀態(tài)為站立；然后通過(guò)箭頭連線設(shè)置狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，點(diǎn)擊箭頭連線新建一個(gè)名稱為ActionID 的整型控制參數(shù)，設(shè)置當(dāng)ActionID 的值為0，1，2，3 時(shí)分別表示站立、行走、后退和奔跑，如圖3 所示。動(dòng)畫(huà)控制器完成后，將其賦給場(chǎng)景中第三人稱人物模型的動(dòng)畫(huà)（Animation）組件即可。

圖3 Unity 3D動(dòng)畫(huà)控制器

3.4.3 腳本控制第三人稱

動(dòng)畫(huà)控制器完成后，通過(guò)編寫(xiě)腳本由鍵盤控制場(chǎng)景中人物模型的行為狀態(tài)，以下代碼實(shí)現(xiàn)了分別按下“W”“S”鍵控制人物的行走和后退，按下“Shift”+“W”鍵開(kāi)始奔跑。

4 應(yīng)用案例

基于Unity 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，開(kāi)發(fā)了水電站基于Web 3D 的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)工程區(qū)15 km×15 km 地形以及大壩、廠房等進(jìn)行了精細(xì)建模，包括路徑動(dòng)畫(huà)、第一人稱和第三人稱漫游、泄洪模擬、天氣模擬、主要建筑物結(jié)構(gòu)及功能展示等功能。該系統(tǒng)發(fā)布后的成果文件容量?jī)H85 M，可基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布使用，部分成果截圖如圖4—5所示。

圖4 第三人稱漫游界面

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期的各階段均有較多應(yīng)用。在工程建設(shè)之前，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行全方位的模擬，用戶可提前體驗(yàn)工程建成之后的效果，還可輔助用戶進(jìn)行工程決策；在工程建成之后，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可大幅提升運(yùn)維管理水平，節(jié)約人力和物力，如基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的資產(chǎn)管理、安全監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程集控、流域調(diào)度等。

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)泄洪開(kāi)發(fā)界面

基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有受眾范圍廣、使用方便等特點(diǎn)，符合信息化時(shí)代網(wǎng)絡(luò)化、移動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文所介紹的基于Web 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線，在水利水電工程行業(yè)具有廣泛的適用性，可供其他工程借鑒。