（计算机系统结构专业论文）基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统平台.pdf

摘要 摘要 变电站运行人员的个人技能是影响电力系统安全可靠运行的重要因素之一， 因此，在运行人员正式上岗之前需要对其进行技能培训。目前，国内外已经开发 出了许多变电站仿真培训系统，并取得了不错的效果。但其中大多数都是针对某 个特定变电站开发的，通用性、可扩展性和维护性比较差，而且操作界面一般都 是二维的窗口，真实性不高。本文针对这两方面的不足之处进行改进，提出了基 于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统平台。 首先，本文采用面向对象的程序设计方法，对变电站系统进行分析，根据系 统本身对数据信息的要求，采用关系型数据库来表示变电站的数据信息。并围绕 着数据库信息，开发了室内二次设备编辑平台，事故现象和条件编辑平台，操作 关系定义平台和仿真培训模块。通过这些编辑平台来设置变电站的内容，并保存 到数据库。仿真培训模块从数据库中读取变电站的相关信息，重新构建变电站， 包括变电站设备及设备之间的关联，实现了系统的通用性。 其次，本文引入了虚拟现实技术，通过o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 和3 d s t u d i om a x 来构建三维的虚拟变电站场景，使得学员面对的不再是按钮和标签， 而是实际设备的逼真的模型，大大提高了仿真培训界面真实性。同时利用o p e n g l 提供的交互功能，实现对虚拟设备的操作，并将操作结果在虚拟场景中展示出来， 给予学员更直接直观的体验，大大提高了培训效果。 本文构建的系统具备了软件仿真模式的灵活性、易维护性，而且还实现了通 用性，同时还提高了软件仿真模式的真实性，具有广泛的应用前景。 关键字：变电站仿真；虚拟现实；通用平台； a b s t r a c t t h ep e r s o n a la b i l i t yo fs u b s t a t i o no p e r a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s o , t h es u b s t a t i o n o p e r a t o rs h o u l db et r a i n e db e f o r eh e s h es t a r t st oo p e r a l er e a le q u i p m e n t a tp r e s e n t , m a n ys i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m sf o rs u b s t a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e da n de f f e c t i v e l y u s e d h o w e v e r , m o s to ft h e s es y s t e m sa r ed e v e l o p e df o rac e r t a i ns u b s t a t i o n , s ot h e i r g e n e r a l i t y , e x p a n s i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t ya r cn o tv e r ys a t i s f y i n g m o r e o v e r , t h e 缸a i n i n g i n t e r f a c ea r ca l m o s ta l lt w o - d i m e n s i o n a lw i n d o w s , a n dt h er e a l i t yi s p o o r c o n t r a p o s i n gt h es h o r t c o m i n g so ft h e s et w oa s p c a , t h es i m u l a t i o nt r a i n i n g s y s t e mb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yf o rs u b s t a i o ni si n t r o d u c 制li nt h i sp a p e r f i r s t , t h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g ni sa p p l i e df o ra n a l y z i n gt h es u b s t a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt od a t ar e q u i r e m e n to ft h es y s t e m , t h er e l a t i o nd a t a b a s es y s t e mi su s e dt o d e s c r i b et h ed a t ai n f o r m a t i o n a n di n d o o rs e c o n d a r ye q u i p m e n te d i t o rp l a t f o r m , t h e a c i d e n tp h e n o m e n aa n dc o n d i t i o ne d i t o rp l a t f o r m , t h er e l a t i o nd e f i n ep l a t f o r ma n dt h e s i m u l a t i o nw a i n i n gm o d u l ea r cd e v e l o p e d b a s i n go i lt h ei n f o r m a t i o no ft h ed a t a b a s e t h e s ep l a t f o r m sa r eu s e dt oc h a n g et h ee q u i p m e n ti n f o r m a t i o no ft h es u b s t a t i o na n d w i r t et ot h ed a t a b a s e t h es i m u l a t i o nt r a i n i n gm o d u l ei su s e dt or e a dt h ei n f o r m a t i o n f r o mt h ed a t a b a s ea n dr e c o n s t r u c tt h es u b s t a t i o n , i n c l u d i n gt h ee q u i p m e n t sa n dt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h e m s ot h eg e n e r a l i t yo ft h es y s t e mi sa c h i e v e d s e c o n d , v i r t u a lr e a l i t yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r o p e n g l ( o p e ng r a p h i c s l i b r a r y ) a n d3 ds t u d i om a x a r eu s e dt oc o n s t r u c tt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n v i r o n m e n t o ft h es u b s t a t i o n u s i n gt h ev i v i dm o d e lo fr e a ld e v i c ei n s t e a do fb u t t o na n dl a b e l ，t h e r e a l i t yo fs i m u l a t i o nt r a i n i n gi n t e r f a c ei sg r e a t l yi m p r o v e d m e a n w h i l e ，t h eo p e r a t i o n o ft h ev i r t u a le q u i p m e n ti si m p l e m e n t e db yu s i n gt h et h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o no f o p e n g l a n dt h er e s u l to fo p e r a t i o ni ss h o w e di nt h ev i r t u a ls c e n e 弧es t u d e n tc o u l d l e a r nt h ee x p e r i e n c em o r ed i r e c t l ya n dv i v i d l y , a n dt h er e s u l to ft r a i n i n gi sm o r e e f f e c t i v e t h es y s t e m d e v e l o p e di n t h i s p a p e ri sp r o v i d e d 、析mt h ef a c i l i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t yo f s o r w a r es i m u l a t i o n a i s o ，t h eg e n e r a l i t yi sa c h i e v e da n dt h er e a l i t y i sg r e a t l yi m p r o v e d s ot h i ss y s t e mc o u l db ew i d e l ya p p l i e d k e yw o r d s ：s u b s t a t i o ns i m u l a t i o n ；v i r t u a lr e a l i t y ；p l a t f o r m ； 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：舐蓉毛 讹7 年否月年日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书口 2 、不保密( 、) 。 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：砥童乞 导师签名。下跹 日期：加0 7 年6 月年日 日期：2 0 0 7 年6 月4 日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 电力系统在当今社会的经济和日常生活中起着举足轻重的作用，一次电力事 故所引起的损失是无法估量的。变电站是供电系统的重要组成部分，是联系发电 厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。因此，变电站的安全可靠运 行对维持电力系统的稳定运行和保证供电的可靠性具有十分重要的意义e 。而变 电站的日常运行，最终还是需要人工的参与和决策，因此，运行人员的岗位技能 也就成为影响变电站安全运行的重要因素。据美国联邦能源局统计，电力系统的 安全运行中，7 0 - 8 0 依赖于运行人员圆。因此，为了保证电力系统的安全运行， 除了可靠的设备，合理的电网结构，科学的管理机制外，还必须努力提高运行人 员的操作技能。 由于电力系统的电力设备二十四小时处于运行状态以维持整个系统的正常 运行，所以对运行人员进行培训时，即使是合法的电气设备操作培训，也绝不能 随意地在实际运行的设备上操作，而那些会引起电力事故的操作更是绝对禁止 的。另一方面，由于电力事故影响大，损失重，电力系统运行时也是极力避免事 故的发生，因此培训时绝不允许故意制造事故来让运行人员进行观察和处理，所 以运行人员极少有实际应对事故的经验。而一旦事故发生，又要求运行人员要迅 速有效地采取措施，隔离事故、降低事故损失和事故影响等，这些都是对运行人 员进行培训所面临的问题。而传统的培训方法是书本讲授，在图纸和模拟板上联 系操作和进行模拟演习，这对培养运行人员的操作技能和事故处理能力，虽然起 到了一定的作用，但是因为缺乏真实感，所以培训效果有限嘲。因此，电力系统 引入了仿真培训系统来对运行人员进行培训。 变电站仿真培训系统就是根据实际变电站的状况，运用必要的仿真技术，构 建一个虚拟运行的变电站作为培训环境，培训人员在这个环境中进行相关的运行 操作，系统根据实际变电站的操作规则和运行原理，将模拟的操作结果返回给培 训人员，以达到培训的目的【j 。由于仿真系统只是一个虚拟的环境，不会产生真 正的影响，所以这种方法既方便于运行人员练习正确的操作，也可以演示电力系 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 统出事故时的现象，甚至人为地制造事故来对让培训人员观察学习。培训人员在 仿真培训系统中进行操作时，可以直接直观地体验自己的操作的结果或操作引发 的事故现象，真实感大大增强。培训人员还可以根据当前事故现象，学习该采取 什么样的措施，以提高对事故的处理能力。因此，仿真培训系统的培训效果要大 大高于传统的培训方法。 目前，国内外已经开发出许多的仿真培训系统，按仿真培训系统的组成模式 来看，主要分为带盘台模式( 硬模式) 和纯软件模式( 软模式) 1 3 】。带盘台模式 是指用与实际变电站l ：l 的开关控制屏和保护屏组成变电站仿真培训系统的控制 室和保护室，并由后台计算机支持这些控制屏和保护屏的显示。纯软件模式是指 全部的变电站设备都采用软件来模拟显示，培训人员面对的只有计算机屏幕，所 有的操作都在计算机上完成。 带盘台模式的仿真培训系统由真实硬件组成，因此真实感很高，但是灵活性 低，占用空间大，成本高，效率低，维护和扩展不容易。纯软件模式只需要一台 计算机，而且所有变电站设备都是由软件实现，因此它成本低，灵活性高，效率 高，维护和扩展简单，但它和实际变电站操作有一定的差别，真实感远不如带盘 台模式。因此，研发一种兼具两种模式的优点，既有真实感，又有灵活性的变电 站仿真培训系统，具有很好的应用前景。另一方面，目前大多数的变电站仿真培 训系统都是针对特定的变电站来实现的，即针对一个变电站开发的仿真培训系 统，如果改变了变电站的电气设备配置，或者用于另一个变电站，就必须重新更 改程序，这也相对的限制了纯软件模式的灵活性和开发成本低的优势。因此，开 发兼具通用性的仿真培训系统，更具有现实意义和经济效益。 1 2 变电站仿真培训系统的系统仿真学理论 系统仿真是以人为中心，通过对客观世界的认识，抽取事物相关属性的信息， 并映射于适当的信息空间，建立相似于事物原型属性的描述，即模型，用模型来 替代事物原型进行实验研究的技术。组成仿真系统的三大要素是原形模型、模型 和实验【5 1 。在变电站仿真培训系统中，被仿真的实际变电站是原形模型，构建的 仿真环境即是模型，而通过仿真培训系统对运行人员进行培训就是三要素中的实 验环节。变电站仿真培训系统的系统仿真学结构如图i - i 所示。 2 第一章绪论 图1 - 1 变电站仿真培训系统的系统仿真学结构 仿真方法学的研究课题是：研究者利用事物的模型，根据被仿真的实际环境， 创建相应的实验环境，以及在此环境中间接研究事物的操作方式，使得研究者在 搿人模型一交互过程中，去感受、了解或者控制事物变化的机理和规律。而要 有效地实现此目的，仿真方法学强调以更自然的方式建立“人模型一问和谐地 交互信息的实验技术翻。映射到变电站仿真培训系统中，即是变电站里的培训人 员通过对虚拟的仿真环境中的电气设备进行操作和练习，以了解实际操作的规则 和获得实际操作的感性认识。而所研发的变电站仿真培训系统，应当利用仿真方 法学中先进的仿真技术，综合计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信 息处理、专家系统等多个技术领域的知识，以达到搿人模型 问和谐地交互信 息的目标，提高培训系统的性能。 变电站仿真培训系统是一种培训性仿真，其最主要的目的是培训，而所运用 的仿真技术是为这个目的服务的手段。因此，在模型构建上，强调的是模型仿真 过程和结果的逼真性，要求保证尽量逼近实时相应，相比之下模型的精度倒在其 次l 。而在仿真方法上，构造的仿真环境应该遵循以人为中心的系统仿真原则， 最大限度的给培训人员以深刻生动的感受，以获得更好的培训效果。 1 3 国内外电力系统仿真培训的发展综述 国内外电力系统的培训仿真系统从7 0 年代开始发展，开始主要集中在火电 厂机组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训国外7 0 年代就出现了实用 的火电仿真系统( 1 9 7 1 年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培 训仿真机) ，电网仿真系统( 1 9 7 7 年美国c d c 公司开发出第一套d t s 装置) 和 变电站的仿真系统( 7 0 年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统) 我国于 1 9 8 2 年研制成功了第一套火电仿真机组，期间电网调度仿真机和变电站仿真机 也在开发，并从8 0 年代末期开始陆续建立了电网和交电站的仿真培训系统，1 9 9 0 3 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 年研制出了第一台d t 江东北电网仿真系统，到1 9 9 9 年，大多数的网调、省 调都使用了电网调度仿真器材【。 在我国，电力系统首先在火电厂和核电厂开展了仿真培训系统的研究和试 验，取得很好的效果，现在核电厂和火电厂配备仿真培训系统的必要性已经被国 内外所公认，我国电力领导部门规定核电厂和3 0 0 m w 以上的火电机组，都必须 配备仿真培训系统。接着兴起电网调度培训仿真系统，省网调度中配备培训仿真 的也日益增多。而变电站由于数目众多，而且早期的变电站容量不大、自动化水 平较低，其运行操作要求也不高，因此，仿真培训系统在变电站中的应用比较少。 随着电力系统的发展，高电压、大容量的变电站相继投入运行，在电力系统中占 有重要的地位。同时先进的自动化技术的应用，对变电站的运行人员的素质提出 了更高的要求。因此变电站仿真培训也逐步发展起来。国内有关科研单位和高等 院校与运行单位相结合，开始开发相应的变电站运行人员仿真培训系统。从9 0 年代中期开始，一批1 1 0 k v 旧、2 2 0k v 7 1 、5 0 0 k v | s l 的变电站仿真培训系统相继 建成，并取得了良好的效果。 最初研制的变电站仿真培训系统沿用电厂仿真的模式，带硬件盘台，所用的 计算机也采用工作站，投资很大。随着计算机硬件、计算机技术、网络技术和多 媒体技术的飞速发展，后来逐渐采用p c 机代替工作站，还出现了纯软件仿真的 模式1 3 1 。下面是带盘台模式和纯软件模式在视觉效果、成本、效率等方面上的具 体对比。 表1 - 1 两种模式特性比较 对比项目带盘台模式纯软件模式 视觉直观、操 采用与实际变电站l ：1 的硬件， 对设备操作都是通过鼠标进行， 作逼真的效给培训人员带来的真实感是纯 而且需要切换画面，与实际操作 有些差别，需要培训人员适应一 果 软件模式无法比拟的 段时间。 硬件投资很高，尤其是一次性投只需要有计算机及其网络配件， 造价资高，一般为纯软件模式的几倍造价低。可根据资金情况分期投 至几十倍。资。 4 第一章绪论 硬件接线复杂、设备和零配件众 计算机和网络的维护比较简单， 可维护性 多，运行维护需要投入的人力和 只需兼职人员即可。 资金较大 可按用户要求，修改软件，方便 电网自动化的快速发展，要求仿 的进行系统扩充，既能仿真培训 真培训系统能跟上实际需要，由 传统的变电站运行人员，又能仿 仿真传统变电站到仿真综合自 可扩充性、适真培训新型变电站运行人员。由 动化站、仿真成套微机保护，都 应性于计算机技术发展迅速，可以应 要修改和扩充仿真系统，由于硬 用先进的多媒体功能仿真出逼 件的修改很困难，这就限制了系 真的控制屏、保护屏及室外设 统的发展和维护。 备。 能同时面向多个学员，进行个同 培训效率只能同时有一名学员操作任务的培训，极大的提高培训效 率。 由表1 1 的对比可以看出，除了真实感以外，纯软件模式在其他方面都要优 秀于带盘台的硬件模式，因此，随着计算机技术、多媒体技术等各方面的发展， 变电站仿真培训逐渐偏向纯软件模式，但仿真效果和人机界面都比较不尽如人 意。而虚拟现实技术的出现，恰好弥补了这方面的不足，逼真的人机界面大大提 升了纯软件模式的培训效果虚拟现实技术自8 0 年代末走出实验室，一开始进 入实用化阶段，就向人们展示了诱人的前景，成为了国内外科技界关注的热点。 9 0 年代开始美国就率先将虚拟现实技术应用于军事领域，随着虚拟现实技术的 迅速发展，医学领域、建筑领域、航空领域等嗍姗，都开始广泛应用这种高新技 术，并取得了显著的综合效益在电力系统的仿真培训方面，该技术也充分显示 了其优越性，得到越来越多的应用，开发出了许多基于虚拟现实的仿真培训系统。 如文献1 1 1 】的变电站一次设备巡视仿真系统文献【1 2 1 中基于微机的变电站巡视仿 真系统。文献【1 3 】采用v i s u a lc + + 的m f c 和o p e ni n v e n t o r 开发的s r v ( v i r t u a l r e a l i t ys y s t e m ) 变电站教学培训系统。结合了虚拟现实技术的变电站仿真培训系 统，大大提高了真实感，使其优势更加明显，因此，纯软件仿真模式逐渐成为了 当前变电站仿真培训系统的主流。 5 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 1 4 本文所傲的工作 本文在对多种变电站的实际情况进行研究的基础上，总结出当前大多数变电 站仿真培训系统的两个不足之处： l 、仿真培训界面上采用二维对话框窗口模式，真实感较差； 2 、更改变电站中的设备，或者移植到另一变电站，需要重新更改程序源代 码： 针对这两个不足之处，本文开发和研制出基于虚拟现实的微机变电站仿真培 训系统平台。首先，本文引入了当前倍受关注的仿真培训技术虚拟现实 ( v m u a r e a l i t y ) 技术，利用虚拟现实的特性，构建出逼真实际变电站环境的虚拟 的仿真环境，使得培训人员如同置身真实电气设备之闻，可以获得直接直观的感 受。其次，针对第二个不足之处，本文所研究的变电站仿真培训系统采用通用性 设计，虚拟仿真环境的构建并非绑定到程序中，而是提供设备编辑平台。因此， 当需要更改变电站中的设备时，就可以通过编辑平台来进行，而不需要再去更改 程序源代码。同样地，对于事故现象和操作关系等的设计，本文也提供了编辑平 厶 口0 为了实现通用性功能，本文的变电站仿真培训系统采用了以数据库为中心的 模块化结构，主要分为编辑模块，仿真模块和数据库三个部分。其中编辑模块负 责从数据库中读取信息，提供直观友好的界面供用户编辑，再将编辑后的结果保 存到数据库。仿真模块负责从数据库中读取变电站信息，构建虚拟的变电站场景， 建立设备间联系，为培训人员提供逼真的训练环境。 本文的变电站仿真培训系统属于纯软件模式的系统仿真，具有纯软件模式的 灵活性等优点，同时又采用了虚拟现实技术以加强真实感，弥补了纯软件模式的 缺点；而且整个系统为通用性平台，进一步方便了系统的维护，降低了开发成本， 具有较好的实用价值。 1 。5 本文的组织结构 本文总共分七个章节对整个基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统进行 介绍。 第一章绪论，简单介绍了本文课题的选题背景、意义及当前的研究状况，介 6 第一章绪论 绍了本系统的创新点。 第二章介绍了虚拟现实的基础知识及其发展状况，介绍了几种实现虚拟现实 场景经常使用到的工具，最后给出在微机上使用o p e n g l 来实现虚拟现实的步 骤。 第三章系统地介绍了整个培训系统平台的总体架构设计，各个组成模块的功 能设计，并详细介绍了室内二次设备平台、事故现象编辑平台和操作关系定义平 台的实现。 第四章详细介绍了虚拟仿真培训环境的构建，包括v i s u a lc + + 的w m d o w s 编程、w i n d o w s 窗口中的o p e n g l 实现，用程序读取3 d s 模型，然后给出优化图 形处理速度的两种方法：显示列表和层次细节( l e v e lo fd e t a i l s ，l o d ) 技术。 最后展示了系统运行时刻的图片 第五章介绍了数据库中表的设计，数据库访问工具的选择，以及本系统中采 用a d o 连接数据库的具体步骤。 第六章介绍了系统测试及运行情况。 第七章总结本文的主要工作，指出不足之处，并提出下一步工作的设想。 7 第二章虚拟现实技术 2 1 虚拟现实介绍 第二章虚拟现实技术 虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“沉浸一 到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。这里所谓的模拟环境 就是计算机生成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一特定的现实世界的真 实体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔( h e a dm o u n t e d d i s p l a y ) 、数据手套( d a t ag l o v e ) 、数据衣( d a t as u i t ) 等穿戴于用户身上的装 置和设置于现实环境中的传感装置。自然交互指用日常使用的方式对环境内的物 体进行操作，如用手拿东西、行走等，并得到实时立体的反馈。 b u r d e ag 在1 9 9 3 年提出“虚拟现实的三角形一，如图2 1 所示【1 4 1 。它形象地概 括了虚拟现实的三个基本特征： ( 1 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) ：通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑”我们 的虚幻的世界。我们不仅可以看到而且可以听到、触及这个虚拟世界中所发生的 一切，而且感觉是如此的真实，以至于我们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中。 ( 2 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) ：用户通过传感器装置与虚拟环境交互作用，可以接 触、操作虚拟世界中的物品，改变这些品状态。同时强调能够以很自然的方式根 虚拟世界中的对象进行交互和交流，例如使用手势等身体动作和自然语言等自然 方式f 嘲。 ( 3 ) 构想性( i m a g i n a t i o n ) - 用户可以很自然地在虚拟环境中活动，可以直接 直观的获得的感性认识，可以在虚拟环境中进行学习。而设计者可以在虚拟的世 界里面尽情地发挥自己的想象力和创造性，并通过虚拟环境来实现，所以国外有 些学者称虚拟现实为放大人们心灵的工具，或人工现实( a r t i f i c a lg e a l i t y ) 9 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 图2 1 虚拟现实的三角形 虚拟现实最早只能在工作站以上的硬件环境下才能进行，如需要大型计算 机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备；研究开发和使 用都受到一定限制。但随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的 发展趋势，根据“沉浸一程度的高低，可以划分出四种类型的虚拟【1 6 1 。 ( 1 ) 桌面虚拟环境 桌面虚拟环境利用个人计算机进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟 境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部 设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏 幕观察3 6 0 。范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体。 ( 2 ) 沉浸的虚拟现实 沉浸的虚拟现实利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其 它感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手 套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸 其中的感觉。 ( 3 ) 增强现实性的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界，而且要利 用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便获得 1 0 第二章虚拟现实技术 的感受。比如，模拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场，使他感到就像真的站 在风洞里一样。而模拟风洞可以让工程师分析多旋涡的复杂三维性和效果、空气 循环区域、旋涡被破坏的乱流等。 ( 4 ) 分布式虚拟现实 分布式虚拟现实系统就是将多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加 一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过 网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。 2 2 虚拟现实的发展综述 虚拟现实技术并不是近几年才突然出现的。第一个具有虚拟现实思想的装置 是由m o r t o nh e i l i g 在1 9 6 2 年研制成功的称为s c n s o r a m a ，具有多种感官刺激的立 体电影设备。该设备具有立体声功能，能够产生不同的气味。它向用户展示了一 次曼哈顿的想象之旅。座椅可以根据情节而摇摆和振动，随着观众在车流中改变 速度时，甚至风速也会跟着变化，也可以闻到路边花香。实际上h e i l i g 已经制造 了一种被动式的“虚拟现实一体验。 1 9 6 5 年计算机图形学的奠基者i v a ns u t h e r l a n 发表了“终极显示一( t h eu l t i m a t e d i s p l a y ) 的论文，提出了一种全新的图形显示技术。他在论文中指出：“计算机 屏幕犹如一个窗口，但是通过这个窗口，我们就可以看到一个虚拟世界。我们面 临的问题是如何使这个世界看起来真实、听起来真实、摸起来真实! 一。 1 9 6 7 年，美国北卡罗来纳大学开始- f g r o u p 计划，探讨力反馈( f o r c e f e e d b a c k ) 装置，该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人感到 一种计算机仿真力。 1 9 6 8 年s u t h e r l a n 组织设计了第一台h m d ( h e a d m o u n t e dd i s p l a y ) 。 7 0 年代，计算机图形学以及相关技术的飞速发展，给以后计算机仿真系统提 供了高质量、实时、交互作用的三维图形奠定了理论基础。 8 0 年代计算机的性能和速度大大提高，研究人员已经能够在计算机上生成逼 真的图像，并陆续研制出了比较实用的三维头盔显示器，以及能够提供六个自由 度的数据手套、立体音箱等设备。1 9 8 9 年，美国j a r o nl a n i c r 正式提出“v i 内l a l r c a l 畸( 虚拟现实) 一一词 8 0 年代，美国宇航局( n a s a ) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛 关注。1 9 8 4 年，n a s a a m e s 研究中心虚拟行星探测实验室的m m c c j r e c v y 和j h u m p h r i e s 博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器 发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随 后的虚拟交互环境工作站( v i e 、聊项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器 和遥感设备。同时期，美国的d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t a g e n c y ) 开发了虚拟战场，将2 0 0 多个坦克训练器互联成为网络，用于复杂训练和作战演 习。这是世界上最为庞大的虚拟现实系统【1 s l 。 9 0 年代为虚拟现实全面发展阶段，出现了一些优秀的软件开发平台，虚拟现 实技术的硬件设备性能也大大提高和改善。并且虚拟现实技术已经成功应用于各 种领域，波音公司成功地应用虚拟现实技术设计出波音7 7 7 。 近1 0 年，虚拟现实技术的研究在我国已经得到了相当的重视，国家科委、国 防科工委都已经将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和 高校都在进行v r 的研究和应用，例如清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、 上海大学、中科院计算所等，并且都已经取得了初步成果，研究也在进一步深入 之中。 9 0 年代以来，随着实时三维图形生成与显示技术，三维声音定位与合成技 术、传感器技术( 视觉、触觉、力觉传感器等) 与遥测技术、识别定位技术( 语 言、三维景物、表情、手势等) 、环境建模技术( 视觉建模、行为建模、c a d 技 术等) 这几个虚拟现实相关技术的日趋成熟，建模和仿真的逼真性和虚拟性大大 提高，使得虚拟现实的应用范围越来越广。现在，虚拟现实已经被人们公认为 2 l 世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一【1 4 1 。 2 3 虚拟现实的相关工具 目前，要构建一个虚拟现实系统主要有二种方案：一种是用图形开发库和高 级语言开发。图形开发库通常采用o p e n g l3 d 或d i r e c t 3 d ，开发语言主要为c + + 和j a v a 。此方法优点是开发灵活，适用性强；缺点是复杂繁琐，开发者须熟练 掌握编程技术。另一种就是采用专业三维虚拟开发工具，象英国d i v i s i o n 公司和 s u p e rs c a p e 公司开发的专业工具u 4 1 。这种方法开发方式直观，开发方便，速度 较快，但一般只能使用系统提供的内置交互事件，灵活性受到限制。下面是对几 1 2 第二章虚拟现实技术 个主要的虚拟现实相关工具的介绍。 z 3 1o p e n g l o p e n g l 是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在s g i 等多 家世界闻名的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通 用共享的开放式三维图形标准。目前，包括m i c r o s o f t 、s g i 、m m 、d e c 、s u n 、 h p 等大公司都采用了o p e n g l 做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以 o p e n g l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件s o f t i m a g e 和3 ds t u d i om a x 、仿真软件o p e ni n v e n t o r 、v r 软件w o f l dt o o lk i t 、c a m 软件p r o e n g i n e e r 、g i s 软件a r c i n f o 等等。值得一提的是，随着m i c r o s o f t 公司 在w i n d o w sn ，r 和以后的w m i a o w s 操作系统中提供t o p e n g l 标准及0 p e n g l 三维 图形加速卡的推出，o p e n g l 将在微机中有广泛地应用，同时也为广大用户提供 了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行的各种软件的机会。 事实上，o p e n g l 是一个优秀的专业化的3 d 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e 应用程序编成接口) 。目前，o p e n g l 的最新版本匙1 ，它在高端图像和 专业应用方面，是其他图形开发库无法比拟的。因此，许多在计算机界具有领导 地位的计算机公司也纷纷采用o i x m g l 作为三维图形应用程序设计界面，使得 o p c n g l 具有广泛的移植性，支持l i n u x 、m a c 等操作系统。另外，3 d 图形加速 卡的硬件上的扩展支持，如硬件全景阴影，硬件渲染顺序无关半透明材质等新技 术，使得o p e n g l 的成为三维图形开发的首选工具。目前，o p e n g l 已成为公认 的三维图形开发标准。 2 3 23 ds t u d i om a x 3 ds t u d i om a x 是d i s c r e e t 公司( 后被a u t o d e s k 公司合并) 开发的基于p c 系统 的三维建模、三维动画渲染和制作软件，具有强大灵活的建模能力和动画制作能 力，而且可以通过插件提供额外的扩展功能。在w m l o w s n t 出现以前，工业级 的c g 制作被s g i 图形工作站所垄断。3 ds t u d i om a x + w m d o w s b i t 组合的出现一 下子降低了c g 制作的门槛，使得c g 制作由电影的高端应用进入电视游戏等低端 应用。同时，由于3 ds t u d i om a x 是基于p c 低配置要求的软件，因此它也促使c g 软件制作平台由u | 叔工作站向基于网络的p c 平台转移。 目前，3 ds t u d i om a x 是当前三维建模和三维动画制作领域中最流行的软件 1 3 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 之一，也是p c 机上运行性能最好的普及型三维动画制作软件，在国内广泛应用 于影视制作、广告设计、游戏设计、建筑装满、多媒体开发等诸多领域。与其它 的三维动画软件相比较而言，3 ds t u d i om a x 具有自己的独特之处，例如，先进 的体系结构、优化的产品性能，友好的工作界面、流畅的工作流程、无可比拟的 速度和丰富的视觉效果，使它逐渐成为所有三维建模和动画制作人员的最爱。 2 3 3 虚拟现实建模语言鼢哟d 岬r t u a lr c a l 畸m o d e l i n g l a n g u a g e ) 开始于2 0 世纪9 0 年代初期，它将三维的 世界带入互联网中。通过v r m l 浏览器，可以浏览网站上的3 d 实境。v r m l 规范 支持纹理映射、全景背景、雾、视频、音频、对象运动和碰撞检测等一切用于建 立虚拟世界所具有的东西，而且还可以结合j a v a 黠p 本实现人机通信和交互控制。 1 9 9 8 年，v r m l 组织把自己改名为w e b 3 d 组织，同时制定了一个新的标准， e x t e n s i b l e 3 d ( x 3 d ) 。2 0 0 0 年，w e b 3 d 组织完成了氆也到x 3 d 的转换。x 3 d 整合 正在发展的x m l 、j a v a 、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3 d 计算 能力、渲染质量和传输速度。 v r m l 刚提出的时候，由于网络速度的限制，当时的v r m l 并未得到推广。 随着网络传输、图像压缩等技术的发展，v r m l x 3 d 广泛地应用到各个领域中， 如城市漫游系统【1 7 l 、变电站仿真培训系统【阍。 其他如网络3 d 中c u l t 3 d 、v i e w p o i n t 、v i r t o o l s ，基于d 面e c t x 技术的q u e s t 3 d ，m a c r o m e d i a 公司的s h o c k w a v e3 d 等等，都是在o p e n g l 或其他图形开发库 的基础上，封装了其a p i 调用的细节，提供了可视化的编辑环境，进一步提供更 方便直观地构建虚拟现实的方式，其中有的软件还提供了可交互的内置事件模型 ( 如o p e ni n v e n t o r ) 。初步实现了交互性。这些都是目前比较流行的虚拟现实实 现工具。 2 3 4 本文所采用工具 本文采用的构建虚拟现实系统的第一种方案，即采用图形开发库和高级语言 开发。操作系统采用支持o p e n g l 的w i n d o w s 操作系统( w m d o w s9 5 及后面版 本的操作系统) ，图形开发库采用o p c n g l 图形a p i ，采用3 ds t u d i om a x 来构建 模型，开发语言采用面向对象的c h ，开发环境主要采用m i c r o s o r 公司的v i s u a l c 抖，包括w i n 3 2 开发和m f c 开发，同时结合a d o 连接m i c r o s o f t 的a c c e s s 1 4 第二章虚拟现实技术 数据库。 图形开发库配合高级语言这种开发方式属于比较底层的开发，虽然比较繁 琐，但具有很强的灵活性。而本文研究的变电站仿真培训系统具有通用性的特点， 因此采用这种开发方式对实现整个系统通用性很有帮助。 2 4 微机上虚拟现实的o p e n g l 实现 本文的变电站仿真培训系统属于桌面虚拟环境【1 6 1 ，系统的主要设备就是微 机，在微机上的虚拟现实的实现主要工具采用o p e n g l 。系统通过w i n d o w s 窗口 将虚拟的环境展示给用户，用户通过键盘和鼠标同虚拟环境进行交互。 2 4 1o p e n g l 图形操作步骤 作为图形硬件的软件接口，o p e n g l 最主要的工作就是将二维及三维物体绘 制到帧缓存。这些物体由一系列的描述物体几何性质的顶点或描述图像的像素组 成。o p e n g l 执行一系列操作把这些数据最终转化成像素数据并在帧缓存中形成 最后的结构。o p e n g l 的绘制原理图如图2 2 所示。 图2 - 2o p e n g l 绘制原理图 基于虚拟现实的微机变电站仿真培训系统 在微机上运用o p e n g l 进行主要图形操作，并最终在显示器上绘制三维场景 的基本步骤是： 第一，设置像素格式。设置o p e n g l 的绘制风格、颜色模式、颜色位数、深 度位数等重要信息。 第二，建立模型。建立所需的虚拟环境中的模型。 第三，舞台布置。将模型放置于虚拟场景中的适当位置。 第四，效果处理。设置物体的材质( 颜色、光学性能和纹理等) ，加入光照 等条件。 第五，光栅化。将景物及其他颜色信息转化为可在计算机屏幕上显示的像