基于虛幻引擎4的大場景輸變電工程三維前端渲染技術(shù)研究

張仕杰 胡 偉 劉丹丹 余 容 吳紹華

（1.貴州電網(wǎng)有限公司輸電運行檢修分公司，貴州貴陽550002；2.中國電建集團貴州電力設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

0 引言

將三維可視化技術(shù)引入輸變電工程，可以將輸變電工程多種管理系統(tǒng)的復(fù)雜信息融匯在虛擬仿真環(huán)境之中，以符合人類直覺的方式自然呈現(xiàn)，從而大大提升輸變電工程信息交互的效率，減少信息損耗和時間損耗，確保信息傳遞的準確性和及時性，降低信息查詢和瀏覽的難度，使運維管理人員能夠大幅提升操控效率[1]，加快響應(yīng)速度，縮短處理時間。

1 大場景三維前端渲染特點

伴隨著WebGL技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的前端三維可視化框架應(yīng)運而生，比如Cesium、ThreeJS、Potree等。這些前端三維可視化框架的出現(xiàn)，降低了開發(fā)門檻，提高了3D應(yīng)用的開發(fā)效率，逐漸成為了輸變電工程三維可視化的主戰(zhàn)場[2]。但不同于客戶端，現(xiàn)階段的三維可視化框架更注重與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，借助GIS技術(shù)與智能傳感器技術(shù)，更加關(guān)注三維數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的融合可視化，往往忽視輸變電工程三維大場景真實地物[3]。且利用Web端加載大場景三維模型需要考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及前端瀏覽器資源使用限制，比如渲染上chrome的v8對于內(nèi)存的使用在32位系統(tǒng)上的最大限制是1G，64位系統(tǒng)上的最大限制是4G，而數(shù)據(jù)傳輸更是被網(wǎng)絡(luò)制約?，F(xiàn)階段，前端三維可視化框架通過對三維數(shù)據(jù)進行壓縮優(yōu)化，從而降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量及前端性能要求，但降低數(shù)據(jù)量的同時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真、還原不真實情況。

2 UE4前端渲染技術(shù)介紹

（1）UE4使用Datasmith，可以將輸變電工程整個場景（包括動畫和元數(shù)據(jù)）從3dsMax、Revit、SketchUpPro、Cinema4D、Rhino、SolidWorks、Catia和其他各種DCC、CAD、BIM、GIM格式進行高保真轉(zhuǎn)換。

（2）UE4采用LiDARPointCloud插件，允許直接在虛幻引擎內(nèi)導(dǎo)入、可視化、編輯和操作來自激光掃描設(shè)備的點云數(shù)據(jù)。

（3）通過UE4藍圖可視化腳本，可以快速制作與輸變電工程交互式內(nèi)容，而不必編寫一行代碼。使用藍圖可以構(gòu)建輸變電工程設(shè)備與人之間的行為和交互，修改用戶界面，調(diào)整輸入控制等等。

（4）利用像素流送功能，在云端的GPU或本地服務(wù)器上托管UE4構(gòu)建的輸變電工程項目，利用遠程PC、Mac、平板電腦或手機上的Web瀏覽器，便可實現(xiàn)與輸變電工程的交互式體驗。

3 輸變電工程三維場景前端渲染

3.1 工作流程

輸變電工程三維場景前端渲染流程如圖1所示。

圖1 輸變電工程三維場景前端渲染流程

3.1.1 輸電線路激光點云數(shù)據(jù)采集

本文展示的激光點云數(shù)據(jù)為貴州電網(wǎng)220 kV趙漁線，利用地面激光設(shè)備RIEGL VZ-2000i采集點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大小2.51G，共96 471 153個點。點云效果展示如圖2所示。

圖2 采集的輸電線路地面激光點云數(shù)據(jù)

3.1.2 變電站三維模型建立

本文展示的變電站模型采用3DMAX建立，里面包含一次設(shè)備（直接生成、輸送、分配和使用電能的設(shè)備，包括變壓器、高壓斷路器、隔離開關(guān)、母線、避雷器、電容器、電抗器等）、二次設(shè)備[對一次設(shè)備和系統(tǒng)的運行工況進行測量、監(jiān)視、控制和保護的設(shè)備，主要包括繼電保護裝置、自動裝置、測控裝置（電流互感器、電壓互感器）、計量裝置、自動化系統(tǒng)以及為二次設(shè)備提供電源的直流設(shè)備]，模型如圖3所示。

圖3 變電站設(shè)備三維模型

3.1.3 導(dǎo)入UE4

將輸電線路點云數(shù)據(jù)與變電站三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入UE4編輯器中，效果如圖4所示。

3.1.4 場景部署及光線渲染

將變電站三維模型導(dǎo)入UE4，選擇合適的金屬材質(zhì)，利用UE4引擎的動態(tài)光照技術(shù)、顏色控制技術(shù)、紋理渲染技術(shù)等實現(xiàn)變電站場景渲染方案。圖5為利用UE4引擎加載變電站模型并實現(xiàn)光線渲染效果。

3.1.5 藍圖交互

本文利用UE4藍圖功能首先實現(xiàn)變電站內(nèi)漫游、激光點云數(shù)據(jù)中漫游、與變電站內(nèi)設(shè)備交互等內(nèi)容。部分藍圖交互展示如圖6所示。

3.1.6 自定義播放器頁面

系統(tǒng)前端展示利用Vue+Element+MySQL開源框架，網(wǎng)頁播放器界面如圖7所示。

圖4 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入UE4編輯器效果

圖5 變電站光線渲染效果

圖6 實現(xiàn)在變電站內(nèi)漫游

3.1.7 創(chuàng)建主機與網(wǎng)絡(luò)連接

如圖8所示，使用TURN服務(wù)器在UE4應(yīng)用和瀏覽器之間中繼媒體流。啟動TURN協(xié)議后，TURN服務(wù)器一方面與UE4應(yīng)用連接，另一方面則與瀏覽器連接。UE4應(yīng)用將自身所有流送的數(shù)據(jù)發(fā)送給TURN服務(wù)器，后者又將數(shù)據(jù)傳送至瀏覽器。

圖7 自定義播放器頁面

在此情況下，UE4應(yīng)用和瀏覽器間并無直接連接。

圖8 像素流送原理圖

3.1.8 與像素流送系統(tǒng)交互

為了響應(yīng)前端頁面Element按鈕與輸變電工程三維場景的交互事件，利用像素流送器委托類進行綁定，如圖9所示。

圖9 利用藍圖將輸變電工程重置

3.2 效果展示

最終效果展示如圖10所示。

圖10 利用像素流送在前端實現(xiàn)與輸電線路點云數(shù)據(jù)及變電站交互

4 結(jié)語

本文研究了利用UE4引擎加載輸變電工程三維大場景并在前端展示的技術(shù)，該技術(shù)降低了對前端設(shè)備性能的依賴，提高了前端加載三維場景的效率及渲染效果，同時通過像素流送功能，降低了前端瀏覽器加載三維場景的資源浪費，解決了三維場景加載過度依賴網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}。另外，通過前端控件利用像素流送實現(xiàn)與輸變電工程三維場景的交互，解決了移動設(shè)備和輕量級網(wǎng)頁瀏覽器無法顯示高質(zhì)量三維畫面等問題。