摘要

    虚拟现实,作为一种理想的数据分析、知识挖掘、规划设计、协同工作、风险评估和决策支持工具,已经广泛地在设计仿真、方案验证、模拟演练等应用场合中发挥了独特的作用。本文着重研究如何实现Bentley的平台软件与虚拟现实系统的对接以及如何将虚拟现实技术在工程设计中应用。

    关键词：虚拟现实、实景模型、电力工程、仿真、混合现实

    引言

    虚拟现实，英文名称是VirtualReality,简称VR，它是一门最新的交叉技术前沿学科和研究领域，其内容主要包括环境、动作等方面的感知和反馈。其利用电脑模拟产生一个三度空间，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的世界视频传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

    虚拟现实技术一般使用专门的拟境环境，支持立体、实时的图像显示，包含音频、力度反馈等多种感知信号，拥有更为丰富的人机接口（肢体位置和运动状态跟踪、手势识别、语音控制等）。从概念上讲，虚拟现实的特性可以用3个“I”来描述,即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和想象（Imagination）。一般来说虚拟现实技术具备以下几种特性：

    多感知性：

    指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

    存在感：

    指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

    交互性：

    指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。

    1、虚拟现实技术工作原理

    虚拟现实技术的原理如图1所示。

    图1虚拟现实技术原理

    人在物理交互空间通过传感器集成等设备与由计算机硬件和VR引擎产生的虚拟环境交互。立体显示原来如图2所示，多感知交互模型如图3所示。来自多传感器的原始数据经过传感器处理成为融合信息，经过行为解释器产生行为数据，输入虚拟环境并与用户进行交互，来自虚拟环境的配置和应用状态再反馈给传感器。

    图2立体显示原理

    图3多感知交互模型

    2、Bentley平台的虚拟现实技术实现

    目前的VR平台可分成两大类，分别为“有线VR”和“无线VR”。其中“无线VR”主要以手机或者穿戴式设备实现无线显示。由于其计算能力主要依靠便携设备，性能上不能满足应用要求，本文中主要研究对象是“有线VR”。

    “有线VR”：是指基于PC/主机类的VR设备，例如CV1、HTCVIVE、SonyPSVR等。其特点是：基于强大计算能力的极佳的综合体验效果。其他还包括其他一些VR的IO设备，比如手柄、手势识别器、跑步机、运动座椅等。湖北省电力勘测设计院使用的VR设备选择了支持面较广的HTCVIVE：

    图4虚拟现实设备

    VIVE主要组成包括：2160*1200分辨率头显、LightHouse定位装置、多功能操纵手柄及其它一些配套线缆。其主要优势在于完善的StreamVR应用平台支持和友好的VR开发环境。

    SDK支持：SteamVR、Unity、Unreal、OPENVR等。

    通过对虚拟现实设备的接口进行开发，可以实现在虚拟现实设备中对Bentley和CAD模型文件的支持，以及进行超大规模的三维实景模型的展示。

    图5实景模型的鸟瞰

    LumenRT的图像引擎是基于微软的DirectX，我们可以通过访问DirectX的接口捕获程序输出的图像。通过将显存中缓存的画面进行两遍渲染，可以实现程序的立体图像的输出。

    图6立体图像输出

    在系统操作反馈方面，我们通过截获VR头显的运动状态信息来模拟系统的鼠标操作，来实现虚拟现实的头部运动感知。

    3、虚拟现实技术在工程中的应用

    如何在尽可能贴近真实的情况下对设计方案进行验证从而减少设计方案的后期变更是各个设计行业的关注重点。虚拟现实的产生为设计方案的验证提供了一种全新的验证模式。通过将设计方案模拟到虚拟场景中去，可以高质高效的对方案的可行性进行验证，不仅大大降低了投入成本，缩短了验证时间，并且可以方便的组织各专业人员进行协同验证。

    图7利用虚拟现实技术进行设计验证

    湖北省电力勘测设计院虚拟现实技术在工程设计中的主要应用包括：

    虚拟现实环境中的市区线路漫游

    虚拟现实环境中的市区线路漫游，通过在虚拟现实环境中加载三维实景模型，我们可以实现完全再现真实地理信息的虚拟场景漫游。通过这种方式的漫游，用户在身临其境的沉浸感中具有与真实环境完善的交互作用的能力，能最大程度对设计内容进行可行性校验。

    图8市区实景模型的鸟瞰

    图9市内道路漫游

    虚拟现实环境中的机械化施工模拟

    虚拟现实环境中的机械化施工模拟，由于在虚拟现实环境中使用了实景地理模型，对于机械化施工的组织方案。通过在虚拟现实环境中加载三维实景模型进行设计验证，我们可以准确的再现各种设计条件，并直观的评估各种情况对设计的影响。用户在身临其境的沉浸感中具有与真实环境完善的交互作用的能力，能最大程度对设计内容进行可行性校验。

    图10机械化施工场景模拟

    图11施工运输道路检验

    图12规划塔位的选址

    装配式基础组装

    装配式基础组合结构复杂，其基础零件的形状和装配方式及其在结构中的受力形式很难通过普通的三维设计软件表现出来。通过在虚拟现实环境中对装配式基础进行展示，由于设计人员在虚拟现实环境中可以模拟对基础结构进行拆卸和组合，加深了设计人员对设计基础的理解，并可以在虚拟的环境中对装配形式进行设计验证。

    图13装配式基础零件组成

    图14装配式基础组装

    杆塔精细放样结果检验

    精细放样的铁塔结构比较复杂，在一般的三维设计软件中比较难以描述这种复杂的结构。通过在虚拟现实环境中对铁塔精细放样模型的展现，能够增加设计人员对杆塔，特别是新式塔形结构的理解，提高设计人员在杆塔细部结构上的设计质量。

    图15通过VR检查精确放样的铁塔

    图16通过VR模型检查连接板处的结构

    结论

    由于虚拟现实技术实现了让人们以用一种自然的方式与计算机生成的虚拟对象进行交互，并以此来完成数据的流转，因此它具有更友好的人机交互特性，便于实现更复杂的数据交换。虚拟现实技术现已被作为继实验与理论研究之后的第三种科学分析手段,广泛应用于数据解释，使得我们可以实现快速的数据分析和解释，发现数据中隐藏的信息和知识，对解释结果进行更快、更精确的评价和检验。

    由于虚拟现实技术具有仿真性、开放性、针对性、自主性、安全性等特点，现在已广泛应用于建筑结构、机械制造、娱乐业、生命科学、军事、科学研究等各个方面。在国外，虚拟现实技术已经广泛应用于实际生产中,主要包括工程资料的交互解释、储层模型建立、平台设计以及多学科工作组的协同工作等领域,有效地提高了工作效率和成果的质量(正确性和准确性)。虽然虚拟现实技术被认为是未来对工业产生重要影响的关键信息技术之一，但是由于虚拟现实系统的建设成本较高,导致虚拟现实技术的应用还不普及，国内在电力工程设计领域至今尚未应用该项技术。

    在接下来的虚拟现实工程应用中，将主要实现虚拟现实下的施工指导，将专业人士与三维模型的互动拓展至计算机二维屏幕的限制之外，为复杂的施工项目创造可视化、协作、理念分享和管理变革的新方式。拥有了混合现实技术，人机互动的主要方式将具有空间属性。它创造出全息影像视觉，其真实性完全可以取代现实世界的场景。

    在虚拟现实技术的进一步发展中，将能够以真实情景为参照物，将3D模型可视化，取代物理建模，并简化整体设计流程。它能在现实情景中呈现出3D模型的全尺寸全息影像，能让用户更为深入仔细地研究模型。

    图17混合现实的施工指导

    参考文献

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    [2]张卫平.基于虚拟现实的工程设计可视化研究[J].自动化与仪器仪表,2017,37(10):18-21.

    [3]张亚斌;赵希;曹颖;翟建宇.虚拟现实技术进展及其在建筑行业中的应用案例[J].建筑技艺,2017,38(3):38-39.

    [4]洪泽印.结构工程领域对系统仿真和虚拟现实技术的应用研究[J].电子测试,2017(9):75-78.

    [5]姜学智;李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[D].辽宁工程技术大学学报,2004.

    [6]陈浩磊;邹湘军;陈燕;刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线,2011,37(3):115~118.

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