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摘要：水电站厂房安全监测在水利工程建设和运行中都是非常重要的内容，而大量的监测数据和信息，运用图表对它们进行描述，不能了解到监测仪器具体位置，对于安全监测信息的分析和决策带来困难。本文论述了采用某水电安全监测数据和站设计图纸为原始素材，基于3D引擎Virtools开发水电站安全监测可视化系统研究方法。这个系统实现了交互式的安全监测信息查询能够直观的反应监测设备的具体位置和与其他建筑物的相对位置关系，用户能够通过该系统方便观察到水电站地下厂房各类监测仪器信息。
关键词：虚拟现实 三维 水电站
Abstract: Hydropower Station Monitoring Security Workshop in hydraulic engineering construction and operation is a very important content, and a large number of monitoring data and information, to use charts to describe them, not to know the specific location of monitoring instruments, for analysis and decision-making of safety monitoring information brings difficulties. This system realizes the interactive safety monitoring information to the specific location of reaction monitoring equipment intuitive and other buildings with the relative position relationship, the user can through the system conveniently observe Hydropower Station Underground Powerhouse various monitoring instrument information.
中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编码
1 国内外研究现状
计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。随着水利工程的发展和投资规模的扩大，这项技术在水电领域也被广泛的应用，如天津大学建筑工程学院的钟登华院士将可视化技术应用于水利水电工程，进行了水利工程施工总布置三维动态可视化研究、高拱坝施工全过程动态仿真研究、大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究、结合GIS展开了基于GIS的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究等，相关成果参阅[1-3]。
虚拟现实技术（VR技术）是在可视化技术基础上发展起来的。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算機图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互，虚拟现实是可视化更高级的发展。将虚拟现实技术应用于水电站地下厂房也还处于探索阶段。
2研究的必要性
水电站枢纽区安全监测主要包括大坝及坝基、引水发电系统和枢纽区主体边坡安全监测系统。具体分为三个部分，大坝及坝基安全监测、引水发电系统安全监测和枢纽区主体边坡监测。这其中引水发电系统主要建筑物都在地下洞室之中，监测仪器埋设大多属于隐蔽工程，各种安全监测仪器的作用非常重要，但它们在被埋设完成之后就不容易查看，为了给相关工作人员提供监测仪器具体位置和监测仪器与周围建筑无之间的相对位置关系等信息，需要引水发电系统的安全监测设备为对象来进行监测设备查询系统的开发。
引水发电系统安全监测主要包括围岩变形、混凝土与围岩的缝隙、支护应力、渗透压力、蜗壳和压力钢管应力、钢筋应力和温度等监测项目。引水发电系统重点监测建筑物主要包括压力钢管、地下厂房和尾水洞。主要监测项目有围岩变形、混凝土与围岩的缝隙、支护应力、渗透压力。引水发电安全监测设备查询系统以上述监测内容为对象进行相应的开发，形象直观准确的表达各类监测设备的所在的空间信息和监测数据信息，可以让相关工作人员或者观摩人员能更快更清楚的了解到安全监测系统的运作。
3查询系统功能设置与实现
监测设备交互查询就是查询系统的操作人员在系统设置的基础上根据自己的需求按照监测设备的类型、名称等文本信息可以形象直观的查询到具体的监测设备的形象、所在断面、与周围建筑物的相对位置关系等三维信息，并能以查询到的监测设备为中心进行视角的平移缩放旋转等操作，对于感兴趣的部位还能近距离的细致查看，在有需要的时候还可以读取相关监测设备的数据信息。
为了实现这一目标需要在查询系统的操作界面上显示出相关监测设备的查询目录，通过目录可以找到和显示出以目录中字符命名的虚拟监测设备。在找到虚拟设备之后想要对这个虚拟的监测设备实现上述操作，需要对系统中的摄像机的位置、焦点、焦距等进行设置，还要考虑到这几个参数发生变化时视野的平稳过度。在需要观察监测数据时能够连接到数据库，更具相应的监测数据可以自动生成监测的时间过程曲线，便于分析和决策。
3.1查询目录的制作
查询目录包括设备类型目录和子级设备目录。选择相关的设备类型就能查询到这个类型所有的监测设备，进而能找到需要的具体设备。在Virtools实现这一过程的原理是运用二维投影技术、一系列的关联设置和数列信息的存储与读取，查询目录简图如图-1所示。
图-1查询目录示意图
由于系统的现实窗口有限，在目录的上方还设置有可以将目录拉起和放下的按钮，更方便操作人员查看相关的三维空间信息。同样因为窗口尺寸的限制还制作了滚动条，用来在有限的窗口显示出所有的设备名称，具体操作方法参照监测设备查询系统的演示。
3.2交互查询视角的控制
通过查询目录返回操作人员选择的文本信息可以找到以这串字符命名的虚拟监测设备。为了能在三维空间突出表现出所选择的监测设备本系统设置了一个三维精灵来指向我们所选择的设备，并将摄像机跟随这个精灵，调整位置将选择的设备作为视野的焦点。而选择不同的监测设备会导致摄像机位置和焦点等参数的变化，为了能让这种变化能平稳过度而不是突然的闪烁过度，本系统在摄像机的位置、焦点和焦距发生变化时通过设置贝塞尔曲线进行相关参数的插补运算来实现视角过度的平稳和谐。在系统运行的任意时刻都能进行视角的旋转、平移和缩放，并且还能随时地选择虚拟三维设备作为当前摄像机的焦点成为视野的中心。三维精灵指示当前选择的监测设备作为视野的中心如下图-2所示。
图-2 监测仪器位置查询
3.3监测数据的连接和曲线的绘制
3D引擎Virtools提供了与ODBC(Open Database Connectivity，是微软公司开放服务结构中有关数据库的一个组成部分，它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准API)的接口。使得在这个平台上开发的可视化查询系统能够很方便的与外部数据库进行交互。通过3D引擎内置的Connect to server交互模块（Building Block简称BB），连接到数据库获取监测设备采集到的数据，并通过BB模块Add Row将数据赋予给相关的数组，最后更具用户自身的操作发出指令调取相关的数组，通过对数据进行相关的处理之后在屏幕上绘出监测数据的时间过程曲线，最终实现的效果见图-3。
图-3 监测数据过程线
4 结语
文章介绍了运用Virtools开发水电站安全监测查询系统的方法和系统的最终效果。在这个3D引擎平台下开发的查询系统，三维立体感强，监测仪器查询定位直观方便快捷，漫游时沉浸较感强，可以连接外部数据库和监测设备采集的数据进行交互，且开发的周期短。因此本文所研究的查询系统实现方法对于水利工程查询系统有较好的借鉴作用，能够为相关的开发人员提供参考。
参考文献
[1] 钟登华, 刘东海与郑家祥, 基于GIS的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究.系统工程理论与实践, 2003(5).
[2] 刘明昆.三维游戏设计师宝典——Virtools开发工具篇[M]，四川出版集团，四川电子音像出版中心，2005.5.
[3] 钟登华，周锐，刘东海.大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究 [J].计算机仿真，2003,20(2).
[4] 刘婧婧3DS Max 模型与动画导入Virtools时遇到的问题以及解决方法[J].现代电影技术，2010,7.
[5] 吴家铸等.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001-7.
关键词：虚拟现实 三维 水电站
Abstract: Hydropower Station Monitoring Security Workshop in hydraulic engineering construction and operation is a very important content, and a large number of monitoring data and information, to use charts to describe them, not to know the specific location of monitoring instruments, for analysis and decision-making of safety monitoring information brings difficulties. This system realizes the interactive safety monitoring information to the specific location of reaction monitoring equipment intuitive and other buildings with the relative position relationship, the user can through the system conveniently observe Hydropower Station Underground Powerhouse various monitoring instrument information.
中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编码
1 国内外研究现状
计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。随着水利工程的发展和投资规模的扩大，这项技术在水电领域也被广泛的应用，如天津大学建筑工程学院的钟登华院士将可视化技术应用于水利水电工程，进行了水利工程施工总布置三维动态可视化研究、高拱坝施工全过程动态仿真研究、大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究、结合GIS展开了基于GIS的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究等，相关成果参阅[1-3]。
虚拟现实技术（VR技术）是在可视化技术基础上发展起来的。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算機图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互，虚拟现实是可视化更高级的发展。将虚拟现实技术应用于水电站地下厂房也还处于探索阶段。
2研究的必要性
水电站枢纽区安全监测主要包括大坝及坝基、引水发电系统和枢纽区主体边坡安全监测系统。具体分为三个部分，大坝及坝基安全监测、引水发电系统安全监测和枢纽区主体边坡监测。这其中引水发电系统主要建筑物都在地下洞室之中，监测仪器埋设大多属于隐蔽工程，各种安全监测仪器的作用非常重要，但它们在被埋设完成之后就不容易查看，为了给相关工作人员提供监测仪器具体位置和监测仪器与周围建筑无之间的相对位置关系等信息，需要引水发电系统的安全监测设备为对象来进行监测设备查询系统的开发。
引水发电系统安全监测主要包括围岩变形、混凝土与围岩的缝隙、支护应力、渗透压力、蜗壳和压力钢管应力、钢筋应力和温度等监测项目。引水发电系统重点监测建筑物主要包括压力钢管、地下厂房和尾水洞。主要监测项目有围岩变形、混凝土与围岩的缝隙、支护应力、渗透压力。引水发电安全监测设备查询系统以上述监测内容为对象进行相应的开发，形象直观准确的表达各类监测设备的所在的空间信息和监测数据信息，可以让相关工作人员或者观摩人员能更快更清楚的了解到安全监测系统的运作。
3查询系统功能设置与实现
监测设备交互查询就是查询系统的操作人员在系统设置的基础上根据自己的需求按照监测设备的类型、名称等文本信息可以形象直观的查询到具体的监测设备的形象、所在断面、与周围建筑物的相对位置关系等三维信息，并能以查询到的监测设备为中心进行视角的平移缩放旋转等操作，对于感兴趣的部位还能近距离的细致查看，在有需要的时候还可以读取相关监测设备的数据信息。
为了实现这一目标需要在查询系统的操作界面上显示出相关监测设备的查询目录，通过目录可以找到和显示出以目录中字符命名的虚拟监测设备。在找到虚拟设备之后想要对这个虚拟的监测设备实现上述操作，需要对系统中的摄像机的位置、焦点、焦距等进行设置，还要考虑到这几个参数发生变化时视野的平稳过度。在需要观察监测数据时能够连接到数据库，更具相应的监测数据可以自动生成监测的时间过程曲线，便于分析和决策。
3.1查询目录的制作
查询目录包括设备类型目录和子级设备目录。选择相关的设备类型就能查询到这个类型所有的监测设备，进而能找到需要的具体设备。在Virtools实现这一过程的原理是运用二维投影技术、一系列的关联设置和数列信息的存储与读取，查询目录简图如图-1所示。
图-1查询目录示意图
由于系统的现实窗口有限，在目录的上方还设置有可以将目录拉起和放下的按钮，更方便操作人员查看相关的三维空间信息。同样因为窗口尺寸的限制还制作了滚动条，用来在有限的窗口显示出所有的设备名称，具体操作方法参照监测设备查询系统的演示。
3.2交互查询视角的控制
通过查询目录返回操作人员选择的文本信息可以找到以这串字符命名的虚拟监测设备。为了能在三维空间突出表现出所选择的监测设备本系统设置了一个三维精灵来指向我们所选择的设备，并将摄像机跟随这个精灵，调整位置将选择的设备作为视野的焦点。而选择不同的监测设备会导致摄像机位置和焦点等参数的变化，为了能让这种变化能平稳过度而不是突然的闪烁过度，本系统在摄像机的位置、焦点和焦距发生变化时通过设置贝塞尔曲线进行相关参数的插补运算来实现视角过度的平稳和谐。在系统运行的任意时刻都能进行视角的旋转、平移和缩放，并且还能随时地选择虚拟三维设备作为当前摄像机的焦点成为视野的中心。三维精灵指示当前选择的监测设备作为视野的中心如下图-2所示。
图-2 监测仪器位置查询
3.3监测数据的连接和曲线的绘制
3D引擎Virtools提供了与ODBC(Open Database Connectivity，是微软公司开放服务结构中有关数据库的一个组成部分，它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准API)的接口。使得在这个平台上开发的可视化查询系统能够很方便的与外部数据库进行交互。通过3D引擎内置的Connect to server交互模块（Building Block简称BB），连接到数据库获取监测设备采集到的数据，并通过BB模块Add Row将数据赋予给相关的数组，最后更具用户自身的操作发出指令调取相关的数组，通过对数据进行相关的处理之后在屏幕上绘出监测数据的时间过程曲线，最终实现的效果见图-3。
图-3 监测数据过程线
4 结语
文章介绍了运用Virtools开发水电站安全监测查询系统的方法和系统的最终效果。在这个3D引擎平台下开发的查询系统，三维立体感强，监测仪器查询定位直观方便快捷，漫游时沉浸较感强，可以连接外部数据库和监测设备采集的数据进行交互，且开发的周期短。因此本文所研究的查询系统实现方法对于水利工程查询系统有较好的借鉴作用，能够为相关的开发人员提供参考。
参考文献
[1] 钟登华, 刘东海与郑家祥, 基于GIS的混凝土坝施工三维动态可视化仿真研究.系统工程理论与实践, 2003(5).
[2] 刘明昆.三维游戏设计师宝典——Virtools开发工具篇[M]，四川出版集团，四川电子音像出版中心，2005.5.
[3] 钟登华，周锐，刘东海.大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究 [J].计算机仿真，2003,20(2).
[4] 刘婧婧3DS Max 模型与动画导入Virtools时遇到的问题以及解决方法[J].现代电影技术，2010,7.
[5] 吴家铸等.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001-7.