虚拟现实电力培训系统场景渲染方法改进与实现_曾小平.pdf
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1、 中国电工网虚拟现实电力培训系统场景渲染方法改进与实现曾小平,黄志良,董俊根(福建省电力有限公司泉州电力技能研究院,福建 泉州 ;北京科东电力控制系统有限责任公司,北京 )摘要:结合虚拟现实技术、三维建模技术、计算机仿真技术的电力培训仿真系统以其高交互性、高沉浸感、低成本、安全高效的优势在电力培训领域得到了广泛的应用。从视觉和行为交互上为学员构建一个接近现实的作业环境是虚拟现实电力培训系统的最根本特征,但是电力作业培训高频率的人机交互操作会导致高质量的作业环境模型产生渲染困难,影响培训效果。为提升系统运行流畅性和实时性,提出了一种改进的四叉树场景渲染方法,利用迭代构造方法改进了传统递归遍历四叉
2、树的过程。实际应用效果表明采用改进的场景渲染方法会使得培训系统渲染流畅,三维效果逼真,增强了系统的实时性和学员的使用体验,提升了培训效果。关键词:虚拟现实;四叉树;场景渲染;仿真培训中图分类号:,(,;,):,:;基金项目:福建省电力有限公司科技项目(编号 )收稿日期:作者简介:曾小平(),硕士,讲师,从事输配电工程培训教学工作;黄志良(),讲师,研究方向为计算机应用技术;董俊根(),硕士,研究方向为电力系统仿真培训。引言虚拟现实仿真培训系统是一种新型的培训方式,相关电力作业人员可利用此种现代化培训工具,有效地提高学员理论知识、正常操作、异常与事故处理等相关工作技能。融合三维建模技术、虚拟现实
3、技术、计算机仿真技术的培训系统以其高交互性、高沉浸感、高还原度在电力培训中得到了广泛的应用。在虚拟现实仿真培训系统中,为达到良好的培训效果,需有高逼真度、高质量的三维虚拟作业环境、工器具、设备和虚拟任务模型,还需学员尽可能多地进行人机交互来模拟实际作业流程中的各种操作。但是高质量的三维模型在高频的人机交互过程中会出现画面渲染困难、系统帧率降低等问题。多细节层次的图像分隔技术又称为 (),可解决系统运行过程中渲染的实时性问题。该技术通过不同的细节描述方法来存储场景中三维模型。实现 的重要数据结构是四叉树结构。传统的四叉树数据结构的构造函数采用递归的方法,对于数结构很深的数据,操作数将呈指数级放大
4、,导致系统渲染的计算量也呈指数级增长,难以实现系统的流畅运电工技术输配电工程2023 1期 行。在现有的虚拟现实仿真培训系统中,由于不同工种之间的虚拟人物外形、服装差异较大,人员在工作时的动作、位置等也不尽相同,因此会导致不同工种角色在虚拟场景中对应的人物图形的真实感不足 。针对以上虚拟现实仿真培训系统中存在的问题,本文提出了一种改进四叉树的场景实时渲染方法,并在电力电缆虚拟现实仿真培训系统中进行了测试。改进的场景渲染方法 场景渲染方法基本原理为解决高精度场景模型的渲染速率实时性和虚拟人物生成效果的问题,本文提出了一种改进四叉树的场景渲染方法。技术基于四叉树的原理,将三维空间进行高效划分,非其
5、他方法一样描述物体,可高效地提升三维场景渲染速度。基于四叉树思想的三维空间划分原理如图所示,将指定的三维空间按照水平面的四个象限划分为四个空间,每个空间称作一个子节点,不会再继续按照四叉树思想进行划分的节点称作叶子节点。每个象限的每一个非叶子节点都可继续被划分为四个子节点,这四个子节点可将其父节点占据的区域平均分为四份,直到出现叶子节点。叶子节点即为渲染和贴图工作中的最小单位,可根据分辨率改变叶子节点的大小。图 1 四叉树结构图第四象限第二象限第三象限第一象限在三维渲染过程中,把整个要渲染的画面看作一个矩形网格,然后根据四叉树思想进行分割。首先计算网格所有目标点到视点之间的距离,目标点和视点之
6、间的距离越小,按四叉树思想进行分割的精度要求就越高;然后计算网格目标点位置的平坦度,平坦度越低,按照四叉树思想进行分割的精度要求就越高,将目标点到视点的距离和目标点的平坦度结合就可确定分割精度。随后根据上述计算的精度值来确定该网格是否需要再进一步划分子节点。对于精度值不满足要求的节点,则需按四叉树原理继续细分,而满足精度要求的节点,则设置其标志位为真,并进行渲染。基于四叉树的场景划分渲染处理单元接收到场景数据后,将每一个三维元素顶点坐标(,)分为(,)与两个部分处理,其中是该顶点的高度。在三维渲染过程中,把整个要渲染的环境看作一个矩形网格,根据节点与观察者位置的距离及平坦度共同确定该节点三维元
7、素渲染精度值需求,距离越近,平坦度越低的节点所在位置对应的渲染进度要求越高,对应的四叉树节点就需进一步细分。如图所示,节点中心到观察者的距离为,可根据(,)求得,节点的边长为,设置一个网格划分因子。若,则判定该节点需要进一步划分;若,则不需进一步划分。网格划分因子的取值越大,则场景的渲染精度越高。图 2 根据观察距离判定是否进行四叉树划分示意图如图所示,一个四叉树节点中心点及其边界的中点分别为、,定义 为点所在的边界两个顶点的高度之和除以再和的高度值即相减的结果,代表所在的边的平坦度,同理可计算另外三条边的平坦度、。四叉树节点顶点和中心点之间的平坦度计算方式为:节点四个顶点的高度值之和除以再与
8、的高度值作差,计为。若五个平坦度之间的最大值 (、),则判定该四叉树节点平坦度较低,需进一步划分。设置的数值越小,场景的渲染精度越高。图 3 根据观察平坦度判定是否进行四叉树划分示意图p1p4p2op3通过以上判定流程即可确定网格是否需要进一步进行四叉树划分。不需进一步划分的就进行渲染贴图,需进一步划分的就继续进行划分。四叉树的数据的结构 如下:;输配电工程电工技术 中国电工网 ;其中,表示树节点序号。表示四叉树节点的深度信息。深度信息即节点被划分的次数,根节点被划分的次数为,所以其深度信息值为;根节点的下一层四个子节点深度信息为,再往下一层的子节点深度信息为。表示节点所在空间的中心点。表示四
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