LOD技术在电力设备渲染中的研究与应用

摘　要：摘要：三维电力设备模型渲染一直是电力行业应用领域内关注的热点，主要是因为其渲染效果和渲染效率两者不能同时得到解决。本文主要介绍了电力行业中，应用LOD（Level of Detail）技术使三维电力设备模型高效渲染所采用的方法及其相应的数据组织和渲染机制等，探讨了其在电力行业中的应用。

关键词：关键词：三维电力设备模型；LOD技术；渲染

中图分类号：TP249    文献标识码：A    文章编号：
    1. 引言
    在复杂模型的动态显示中，当视点距离模型很近时，该模型的图像将在屏幕上占据较多的像素点；而当视点距离模型很远时，该模型的图像只能在屏幕上占据很少的像素点[1]。因此在这种情况下，用大量的多边形面片去精确表示该物体是不必要的。在目前的渲染方法中，由于为设备模型渲染提供的光照、材质等受到面的限制，而且面的多少又决定了渲染的速度和效率，进一步影响质感。
    电力设备模型因其精度高、设备密度高、数据量大等特点，因此对其渲染速度和渲染效率提出了较高要求[2]。本文介绍了一种利用LOD技术针对三维电力设备模型的高效渲染方法，提高了模型的加载速度和模型的渲染效率，实现高精度三维电力设备模型组成的电网在三维地理信息系统平台的高效渲染和场景控制。
    2．三维电力设备模型的高效渲染技术路线
    三维电力设备模型的高效渲染技术路线[3] 如图1所示。
 
         图1 三维模型的高效渲染技术路线
    1）三维电力设备模型建模规范
    三维电力设备模型电厂、电塔、电站的制作方法是保证系统快速、高效、逼真运行的前提和基础。采用同样部件内部参照的模型组装方式，提高模型部件的可复用性。对已有模型文件其内部数据结构和组织方式进行解析和转换，创建顶点索引，用点、线、面一体化的三维渲染机制，提高模型的渲染效率，保证模型的渲染精度。初步形成了一种标准的建模机制：既采用模型组装机制，一个标准的设备模型是由多个模型组装而成，如一个标准的电塔模型是由一个塔身模型和多个绝缘子串模型组装而成，这样不仅提高了模型制作效率，降低了数据量，更重要的是大大提高了系统运行效率。
    2）三维电力设备模型渲染方案
    接入电力管理系统导出河南全域在运所有线路信息，以回路为单位读取每个杆塔的经纬度信息。对每个杆塔由其竣工图纸获取绝缘子挂点坐标，同样的方法得到每个绝缘子串的挂点坐标。将线路数据和电力设备模型，建立回路拓扑关系，以回路为单位存入到数据库中。渲染时，以回路为单位读取数据库，得到组成这条回路所有的电力设备模型对其进行组装，大大提高了模型加载的速度。
    3）三维电力设备模型渲染场景控制
    系统运行时每次都需要加载大量的电力设备模型，因此对其进行有效的控制就显得格外重要，本文以单个回路为基础单位来控制电力线路，电塔，电厂，电站的初始化、渲染和释放，它是一种线性的渲染方式。如图2所示：对于单个回路，首先得到组成回路各种电力设备模型，判断其距离相机的高度是否达到需要渲染的要求以此来控制电力设备模型的初始化和释放；对于一定相机高度下的电力设备模型再判断其在屏幕上投影长度（即是否在视域内）来控制其是否要渲染和释放。实现三维电力设备模型渲染的高效性，提高了渲染效率。
 
                                 图2场景控制流程图
    4）三维电力设备模型渲染可视化
    系统加载时首先渲染河南全域在运线路的地理接线图，浏览场景时，系统根据当前的视点高度和视域范围来判断是否要初始化和渲染或者释放电力设备模型，在符合条件下，模型的渲染精度随着视点高度的越进而变的越精细，当已渲染过的模型不在视域内存在时，系统会自动对模型进行释放。从而达到在不影响模型渲染效果的前提下，提高了模型的加载速度和模型的渲染效率。
    3．三维电力设备模型的模块化数据组织
    依据三维电力设备模型的特点，采用LOD层次细节模型技术对数据进行模块化组织。LOD模型常被用来加快图形生成速度，LOD的基本原理是：在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从来提高绘制算法的效率[4]。与原模型相比，LOD每个模型均保留了一定层次的细节。在绘制时，根据不同的标准选择适当的层次模型来表示物体。
    1）LOD模型的选择
    一类是侧重于去掉那些不需要用图形显示硬件绘制的细节。一类是去掉那些无法用图形硬件绘制的细节，如基于距离和物体尺寸标准的方法。另一类是去掉那些人类视觉觉察不到的细节，如基于偏心率，视野深度，等标准的方法。
    2）LOD模型的生成
    多边形简化：多边形简化算法的目的是得到跟原模型相当相似的但包含较少数目的多边形的简化模型，并保持原模型重要的视觉特征。
    光照模型：利用光照技术得到物体的不同细节层次。例如，我们可以用较少的多边形和改进的光照算法得到同包含较多的多边形的表示相似的效果。
    纹理映射：该方法是适用一些纹理来表示不同的细节层次。具有精细细节层次的区域可以用一个带有纹理的多边形来代替。这个多边形的纹理是从某个特定的视点和距离得到的这个区域的一幅图像。
    3）裂缝修补
    当绘制节点时，相邻不同分辨率节点间会产生T型裂缝，可在两种不同分辨率节点之间加上一条边或是在不同分辨率格网之间减去一条边。
    4 .三维电力设备模型的金字塔渲染机制
    金字塔是一种多分辨率层次模型，本文采用金字塔原理来建立高效渲染机制。主要原理是采用金字塔层级结构对影像、DEM（Digital Elevation Model）以及电力设备模型进行分级分块。从金字塔的底层到顶层，数据分辨率越来越低，对应的层级数据量也越来越小，在大型地形场景绘制时在保证显示精度的前提下为提高渲染速度，不同的场景区域需要不同分辨率的DEM、影像和模型数据。金字塔层级结构的建立为减少数据访问量、提高系统的效率及性能提供了技术上的保障。
    随着影像和DEM数据量变得越来越大，为提高实时缩放和渲染的速度，快速的获取不同分辨率下的数据，往往对原始的影像和DEM建立其金字塔层级结构。
    在构建地形金字塔的层级结构时，首先把原始的地形数据作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，形成第0层的层级块矩阵。在第0层的基础上按每2*2个像素合成一个像素的方法生成第一层，并对其进行分块，形成第1层的层级块矩阵。依次按照此种方法构建整个层级的金字塔。
    5. 总结
    本文提供了一种依据LOD技术，根据模型所在的视域范围和距离 视点的高度，在不影响，模型视觉效果的前提条件下，通过逐次简化模型的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高模型的渲染速度和渲染效率。高精度的三维电力设备模型的高效渲染方法完善了电网三维地理信息系统，为电网建设中实现信息化、数字化、互动化的电网三维数字可视化地理信息系统提供了技术支持，提升了管理信息化水平。
参考文献：
[1] 郝齐辉.虚拟现实中复杂形体的LOD模型研究[D].郑州大学,2006:13-16.
[2] 石华军,万明忠.三维地理信息系统与电网数字化管理[J].电力勘测设计, 2004(3):64-67.
[3] 饶成,勋祥,陈定方.细节层次技术在VR视景系统中的应用[J].湖北工业大学学报,2005(3):27-29.
[4] 王磊,毛利民,李骞.基于LOD的三维地形可视化[J].计算机与信息技术,2007(7):39-41.