基于OpenGL規(guī)范的核電廠信息化模型三維圖形引擎技術(shù)自主化研究

蔡正皓 趙玉娟

摘? 要：核電廠信息化模型建設(shè)的關(guān)鍵在于采用3D圖形引擎可視化展示和發(fā)布核電廠信息化模型，提供三維瀏覽、虛擬操作等功能。三維圖形引擎是核電廠信息化模型建設(shè)靈魂和基礎(chǔ)。本文通過基于OpenGL規(guī)范自主研發(fā)核電三維圖形引擎，并通過圖元合并與簡化、LOD等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型輕量化，用于支撐核電廠信息化模型建設(shè)，為數(shù)字化核電廠建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維圖形引擎? 輕量化? OpenGL? 網(wǎng)絡(luò)化

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0101-06

Research on Autonomous Technology of 3D Graphics Engine for Nuclear Power Plant Information Model Based on OpenGL Specification

CAI Zhenghao ZHAO Yujuan

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.， Beijing， 100840 China）

Abstract： The key to the construction of nuclear power plant informatization model is to use 3D graphics engine to visually display and release nuclear power plant informatization model， and provide functions such as three-dimensional browsing and virtual operation. The three-dimensional graphics engine is the soul and foundation of nuclear power plant information model construction. In this paper， we independently develop a nuclear power 3D graphics engine based on OpenGL specifications， and realize the lightweight of 3D models through graphics merging and simplification， LOD and other technologies， which are used to support the construction of nuclear power plant informatization models and lay a good foundation for the construction of digital nuclear power plants.

Key Words： 3D graphics engine; Lightweight; OpenGL; Networking

工廠信息化模型是數(shù)字工廠建設(shè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵，已經(jīng)在全球工程建設(shè)領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可。工廠信息化模型，其核心是在工程建造前，預(yù)先在計算機(jī)中模擬建立1∶1包含各類信息數(shù)據(jù)的工廠信息模型;工程項(xiàng)目設(shè)計單位、建造單位、后期運(yùn)營單位可以基于統(tǒng)一的工廠信息模型進(jìn)行溝通協(xié)作，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)計建造和運(yùn)營過程三維可視化、數(shù)字化、智能化，大幅度提高協(xié)同效率、節(jié)省資源投入、降低工程成本、提升工程質(zhì)量、提高工廠運(yùn)營和管理水平。

與其他工廠 一樣，核電廠信息化模型建設(shè)的關(guān)鍵在于采用三維圖形引擎可視化展示和發(fā)布核電廠信息化模型，提供三維瀏覽、虛擬操作等功能，并將三維模型與設(shè)計圖紙、文件、屬性參數(shù)等結(jié)構(gòu)化工廠建設(shè)過程和成果數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建三維數(shù)字化孿生電廠。其中，三維圖形引擎起到了核心作用，可以說是工廠信息化模型軟件開發(fā)的“芯”。

三維圖形引擎聚合了圖形繪制能力的功能組件和“支持應(yīng)用的底層函數(shù)庫”，可提供場景構(gòu)造、對象處理、場景渲染、事件處理、碰撞檢測等功能，實(shí)現(xiàn)工廠物理對象在計算機(jī)模擬過程。目前，國內(nèi)三維圖形引擎發(fā)展起步晚、積累薄弱，研究相對落后，與國外先進(jìn)水平存在差距。國內(nèi)大部分電廠信息化模型核心三維引擎幾乎都選用國外三維圖形引擎，如Cesium、Unity、Parasolid、ACIS等引擎或基于這些引擎開發(fā)的商業(yè)三維建模軟件，并在其基礎(chǔ)上開發(fā)基于信息化模型的綜合管理平臺。此模式存在三大問題：一是數(shù)據(jù)安全得不到保障，國外引擎不受管控，存在非法收集數(shù)據(jù)可能，電廠核心數(shù)據(jù)安全受到威脅;二是引擎通用性和性能無法滿足核電廠要求，核電廠模型存在跨專業(yè)種類多、模型復(fù)雜度高、模型體量大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)引擎難以支持，但現(xiàn)有引擎基于文件組織和管理三維模型，不能根據(jù)三維模型對象實(shí)際需要傳輸和加載模型，過多無用數(shù)據(jù)傳遞交換，嚴(yán)重影響引擎運(yùn)行效率，不能滿足大型核電廠信息化模型的應(yīng)用;三是存在斷供的風(fēng)險，三維圖形引擎非自主開發(fā)，無自主知識產(chǎn)權(quán)，受政策和國際形勢的影響大，存在較大的斷供風(fēng)險。所以，解決當(dāng)前國內(nèi)核電廠信息化模型建設(shè)中遇到的這種“缺芯少魂”的困境迫在眉睫。

核電廠全壽期參與單位眾多、涉及業(yè)務(wù)流程或業(yè)務(wù)系統(tǒng)眾多，各方對核電廠信息模型和數(shù)據(jù)有著強(qiáng)烈的應(yīng)用需求，基于三維模型實(shí)現(xiàn)多方數(shù)據(jù)共享、利用的需求是核電三維圖形引擎必須考慮的重點(diǎn)。本文描述了基于OpenGL技術(shù)，自主研發(fā)核電廠三維輕量化圖形引擎研究過程和成果，并對引擎進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

1? 三維引擎技術(shù)研究

計算機(jī)圖形處理包括多個步驟和過程，其中形成主要技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)包括以下方面。

1.1 面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)

（1）計算機(jī)圖形元文件（CGM）：顯示器、鼠標(biāo)等。

（2）計算機(jī)圖形接口（CGI）：設(shè)備驅(qū)動程序。

1.2 面向應(yīng)用軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)

（1）程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGS），（圖形程序包）GL。

（2）（三維）圖形核心系統(tǒng)（GKS-三維）。

1.3 面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式

面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)由硬件設(shè)備廠商進(jìn)行開發(fā)，面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中的工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式，屬于模型數(shù)據(jù)組織格式描述，不屬于三維圖形引擎內(nèi)容范疇。三維圖形軟件開發(fā)主要基于面向應(yīng)用軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前業(yè)界主流面向應(yīng)用軟件計算機(jī)圖形技術(shù)規(guī)范主要是OpenGL、Direct三維等。其中Direct三維屬于Microsoft公司圖形標(biāo)準(zhǔn)，可移植性差，OpenGL獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境，是工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可移植性好。

OpenGL技術(shù)（Open Graphics Library，開放圖形庫或者“開放式圖形庫”）是用于渲染2D、三維矢量圖形的跨語言、跨平臺的應(yīng)用程序編程接口（API）。這個接口由近350個不同的函數(shù)調(diào)用組成，用來繪制從簡單的圖形比特到復(fù)雜的三維景象，廣泛應(yīng)用于建筑、工廠、機(jī)械領(lǐng)域三維圖形引擎開發(fā)過程，被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)，目前包括IBM、DEC、HP和Microsoft等大公司都采用了OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)[1]。綜上，基于OpenGL開放圖形庫接口規(guī)范研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)三維圖形引擎，不僅有以上優(yōu)點(diǎn)，還無需依賴國外技術(shù)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，信息數(shù)據(jù)安全可控，不受政策和外交局勢影響，避免了斷供的風(fēng)險，可以更好地促進(jìn)國內(nèi)三維圖形引擎的發(fā)展。

2? 三維引擎研發(fā)方案

考慮核電廠信息化模型跨專業(yè)種類多、模型復(fù)雜度高、模型體量大等特點(diǎn)，以及三維模型數(shù)據(jù)便捷訪問、傳輸、利用等需求，核電三維圖形引擎選擇在Web端渲染三維模型，實(shí)現(xiàn)在線可視化瀏覽和操作三維模型功能;用戶無需安裝任何軟件或者插件，通過瀏覽器即可調(diào)用三維模型，提高模型數(shù)據(jù)獲取便捷性[2]。

自主研發(fā)三維圖形引擎的研發(fā)方案的摒棄了基于文件對象的三維模型管理方式，采用對象化的方式管理三維模型，三維數(shù)據(jù)對象為普通的數(shù)據(jù)對象，重新定義和組織三維模型數(shù)據(jù)。三維模型處理過程中，可以根據(jù)實(shí)際需要加載和傳輸三維模型數(shù)據(jù)，減少不必要的數(shù)據(jù)傳遞和模型渲染過程，提升引擎的性能;同時減少數(shù)據(jù)冗余，降低引擎渲染負(fù)荷，結(jié)合算法的優(yōu)化過程，使大場景三維模型能夠在主流配置計算機(jī)上渲染，滿足核電大模型加載要求，滿足核電廠信息化模型建設(shè)要求。

3? 三維引擎研發(fā)

核電三維圖形引擎的研發(fā)具有以下特點(diǎn)。

（1）完全自主化：完全自主開發(fā)，不受限制。

（2）兼容性好：引擎底層自主研發(fā)，兼容工廠 、機(jī)械等多專業(yè)模型。

（3）性能強(qiáng)：采用獨(dú)有架構(gòu)設(shè)計和算法優(yōu)化，滿足大場景模型渲染需求。

（4）可擴(kuò)展性好：采用對象化方式管理三維模型，在Web端渲染，可利于嵌入業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3.1 引擎系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

核電三維輕量化圖形引擎基于分布式架構(gòu)，包含10個模塊及子系統(tǒng)，各模塊或子系統(tǒng)相對獨(dú)立，并配合運(yùn)轉(zhuǎn)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）聲音子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)引擎的聲音、音效處理，支持三維中聲音處理。

（2）圖形子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)引擎的圖形繪制功能，包括2D和三維圖形。

（3）渲染模塊：該模塊利用OpenGL圖形庫實(shí)現(xiàn)模型渲染。

（4）控制模塊：控制整個引擎各項(xiàng)功能的運(yùn)行。

（5）配置子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)引擎各項(xiàng)性能參數(shù)配置管理。

（6）輸入子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)引擎的數(shù)據(jù)輸入。

（7）數(shù)據(jù)存儲模塊：實(shí)現(xiàn)引擎的數(shù)據(jù)存儲和讀取。

（8）計時器：實(shí)現(xiàn)引擎的計時服務(wù)，為控制模塊提供基礎(chǔ)。

（9）輕量化模塊：對三維模型進(jìn)行輕量化數(shù)據(jù)處理。

（10）網(wǎng)絡(luò)化模塊：進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，并保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的安全性。

由于在Web端渲染核電大場景三維模型，硬件資源使用受到限制，引擎系統(tǒng)中模型渲染、模型輕量化和引擎網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)顯的尤為重要。本文著重對該模塊設(shè)計開發(fā)過程進(jìn)行描述和論證。

3.2 引擎模型渲染

模型渲染是決定引擎性能核心模塊之一，是三維模型可視化展示的關(guān)鍵。系統(tǒng)模型渲染分為3個主要階段：應(yīng)用程序階段、幾何階段、光柵階段，如圖2所示。應(yīng)用程序階段涉及中央處理單元和內(nèi)存，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行場景圖建立、碰撞檢測、層次視錐裁剪、LOD選取等加速算法。經(jīng)過應(yīng)用程序階段后，將通過數(shù)據(jù)總線把需要渲染圖形的相關(guān)數(shù)據(jù)（頂點(diǎn)坐標(biāo)、法向量、頂點(diǎn)顏色、紋理坐標(biāo)、紋理等）傳送到GPU，以供渲染的下一階段使用[3]。

幾何階段將完成頂點(diǎn)和多邊形操作，在可編程圖形管線中，該階段工作基本都在頂點(diǎn)著色器中執(zhí)行。幾何階段輸出經(jīng)過變換和投影之后的頂點(diǎn)坐標(biāo)、顏色以及紋理坐標(biāo)。在此需要強(qiáng)調(diào)，幾何階段的工作量很大，消耗的時間較長。

光柵階段的目的是為每個像素生成正確的配色，以完成三維模型到圖像的繪制過程。光柵階段包括圖元裝配、光柵化、片元著色器、逐片元操作（Per-Fragment Operations）、幀緩存（Frame buffer）等過程，最終得到存儲在幀緩存中的像素信息。

3.3 引擎三維模型輕量化

大型復(fù)雜數(shù)字核電廠包含超過百萬級零部件的三維數(shù)據(jù)信息，使得數(shù)字化核電廠三維模型信息量龐大、信息冗余，而同時對這些信息進(jìn)行三維可視化展示，需要占用大量的計算機(jī)內(nèi)存、CPU、顯卡等資源，且渲染顯示速度慢，影響計算機(jī)正常工作[4]。因此，為滿足數(shù)字化核電廠三維模型要求，需要研究引擎輕量化技術(shù)，對三維模型進(jìn)行輕量化處理，提高渲染顯示，減少計算機(jī)資源占用。

引擎輕量化要求在不影響模型展示效果的同時，隱藏三維模型冗余信息，提高渲染顯示速度，降低對計算機(jī)的要求。為達(dá)到模型輕量化的要求，對三維模型簡化過程設(shè)計包含以下幾個步驟。

（1）隱藏造型歷史和特征參數(shù)等信息。三維零件模型信息包括幾何信息和非幾何信息。幾何信息包括點(diǎn)、線、面等幾何元素和各幾何元素的坐標(biāo)系、基準(zhǔn)、特征定義/參數(shù)和造型歷史信息。非幾何信息主要指產(chǎn)品加工工藝信息，包括粗糙度、形位公籌、尺寸公差 、注釋文本及技術(shù)要求等信息。過濾掉造型過程信息和特征參數(shù)信息等，并不影響產(chǎn)品模型瀏覽與批注，但三維模型數(shù)據(jù)大大降低。

（2）三角面片合并與簡化。三角化簡化了三維模型參數(shù)，使之為離散的三維模型網(wǎng)格，將精確的三維模型利用三維近似的表示有利于三維模型輕量化。通過調(diào)節(jié)三角化參數(shù)，讓三維模型輕量化程度得到控制，從而降低計算機(jī)內(nèi)存。參考模型表面特征通過模型零件的連接處和配合處特征進(jìn)行合并，降低模型表面復(fù)雜度等手段來增加模型輕量化程度。

（3）三維貼圖。三維貼圖是一種功能定制的模型設(shè)計方法，在裝配仿真場景中將高逼真度的圖片素材附加到三維環(huán)境中，同時能隨著三維場景進(jìn)行收縮和平移。三維圖片極大地提高了模型的真實(shí)度，簡化了建模步驟和模型體積，有效提高了模型輕量化程度。

（4）網(wǎng)格模型簡化和壓縮。經(jīng)過前幾步的處理，相比原始的CAD模型三角化網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)量已經(jīng)大大減小。為了嘗試更高的壓縮比，研究采用現(xiàn)今很成熟的壓縮算法對模型進(jìn)行壓縮，模型拓?fù)渲貥?gòu)得到了更小的輕量化模型。

（5）細(xì)節(jié)層次輕量化渲染。在上述幾步的基礎(chǔ)上，采用細(xì)節(jié)層次輕量化（Level of Details， LOD）技術(shù)進(jìn)行模型輕量化渲染。LOD模型在不影響畫面視覺效果的條件下，對同一物體建立幾個不同逼近精度幾何模型。根據(jù)物體與視點(diǎn)的距離來選擇顯示不同細(xì)節(jié)層次的模型，從而加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度。保證在視點(diǎn)靠近物體時對物體進(jìn)行精細(xì)繪制，在遠(yuǎn)離物體時對物體進(jìn)行粗略繪制，以此達(dá)到快速交互模型目的，并保證在不降低用戶觀察效果的情況下，大大減少渲染負(fù)載[5-6]。

模型三維輕量化流程如圖3所示。引擎輕量化技術(shù)不僅適用于大型復(fù)雜電廠三維模型展示，還可以廣泛應(yīng)用于數(shù)字化工廠建設(shè)其他各個領(lǐng)域，包括虛擬漫游、虛擬裝配和虛擬拆卸等。

3.4 引擎網(wǎng)絡(luò)化

OpenGL是按照客戶機(jī)—服務(wù)器模式設(shè)計的。設(shè)計將整個系統(tǒng)分為兩部分，一部分是客戶端，它負(fù)責(zé)發(fā)送OpenGL命令。一部分是服務(wù)端，它負(fù)責(zé)接收OpenGL命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。比如編寫的OpenGL命令程序就是一個客戶端，而計算機(jī)圖形硬件制造商提供的OpenGL的實(shí)現(xiàn)就是服務(wù)器。

對于單個計算機(jī)的運(yùn)行環(huán)境來說，可以將CPU、內(nèi)存等硬件，以及OpenGL程序看做客戶端，而將OpenGL驅(qū)動程序、顯示卡等看做服務(wù)端，如圖4所示。

對于網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境來說，服務(wù)端和客戶端并不在一臺計算機(jī)上，如圖5所示。OpenGL驅(qū)動程序、顯示卡等服務(wù)端要素安裝在獨(dú)立的圖形服務(wù)器上。用戶通過客戶端程序（也可以是web瀏覽器、移動設(shè)備）、網(wǎng)絡(luò)來訪問圖形服務(wù)器獲取相關(guān)的模型渲染數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)要求解決以下問題。（1）客戶端的渲染數(shù)據(jù)，服務(wù)端通過OpenGL每一幀渲染都有幀緩沖區(qū)，每一幀渲染結(jié)果都會存入幀緩沖區(qū)中（比如像素深度、顏色等）。服務(wù)端通過網(wǎng)絡(luò)把需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端顯示。（2）渲染數(shù)據(jù)的實(shí)時高效的傳輸，保持渲染幀率是一個重要指標(biāo)。這需要最優(yōu)化的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式減少不必要的過渡，同時通過設(shè)計壓縮算法數(shù)據(jù)降低帶寬的需求量。（3）處理高并發(fā)的問題，傳統(tǒng)的OpenGl的程序的客戶端和服務(wù)端在一臺機(jī)器上，是一對一的關(guān)系，而網(wǎng)絡(luò)化以后服務(wù)器和客戶端是多對一的關(guān)系。當(dāng)客戶端并發(fā)訪問的數(shù)量增加的時候，要正對圖形服務(wù)器做好負(fù)載均衡，保證每個客戶端有足夠的服務(wù)資源可以調(diào)用。

3? 引擎測試和應(yīng)用

在三維模型展示基礎(chǔ)上，開發(fā)了一系列三維模型瀏覽和操作功能，對引擎性能進(jìn)行了測試。測試中采用華龍一號項(xiàng)目核電廠三維模型，文件容量10G，含百萬個零部件，億級面片，在主流電腦（I7 6800CPU+8G內(nèi)存+2G顯存顯卡電腦）上進(jìn)行顯示，見下圖6和圖7所示。經(jīng)測試，整個模型加載時間2min，在線瀏覽和虛擬漫游均十分流暢，滿足數(shù)字化核電廠信息化模型建設(shè)要求。此外，系統(tǒng)具有很好的兼容性，可以兼容“dgn、rvm、stp”和“igs”等多種通用格式的三維模型數(shù)據(jù)。

5? 結(jié)語

本文所述自主研發(fā)的數(shù)字化核電廠三維輕量化圖形引擎，包括多個模塊及子系統(tǒng)，滿足核電廠信息化模型可視化展示和應(yīng)用。根據(jù)核電廠信息化模型特點(diǎn)，著重對模型渲染技術(shù)、引擎輕量化技術(shù)和引擎網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和探索。引擎經(jīng)過了華龍一號核電廠全廠級三維模型加載測試驗(yàn)證，測試結(jié)果證明，本文所述自主研發(fā)的三維輕量化引擎，能夠滿足大型復(fù)雜核電廠百萬級零部件模型展示和操作等處理需求?？赏ㄟ^瀏覽器在線流暢瀏覽三維模型，支持虛擬漫游、剖切等三維操作，無需安裝任何瀏覽器插件和控件或本地程序;此外，引擎具備較強(qiáng)的兼容性，支持“dgn、rvm、stp”和“igs”等多種主流三維模型格式，滿足數(shù)字化核電廠建設(shè)要求。不過，隨著核電廠信息化模型建設(shè)不斷推進(jìn)及其深入應(yīng)用，仍需根據(jù)業(yè)務(wù)要求持續(xù)推進(jìn)引擎功能完善和性能優(yōu)化，繼續(xù)提升引擎的實(shí)用性，支持更高精度、更加復(fù)雜、大型的模型高清晰、高效的三維可視化應(yīng)用。

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