沉浸式虚拟现实环境下的电网数据交互可视化

摘要

近年来，虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术发展迅猛，被广泛运用于诸多领域，显示出极大的应用价值和发展潜力。
　　随着现代电力系统的快速发展，电网系统的结构越来越复杂。电网的容量和范围在逐步扩大的同时，也给工作人员对电网数据的分析和整体把握带来很大的难度。传统的基于二维图表的分析方法已经很难满足目前的可视分析需求。相比之下，虚拟现实环境是一个更加理想化的人机交互环境，可提供更大的人机信息交换带宽，更适合三维电网时空数据的可视化。
　　本文基于沉浸式虚拟现实头盔，从OpenGL底层开始做起，设计并实现了一个面向电网数据的交互可视化原型系统框架;完成了一套沉浸式场景下的用户界面设计方案，提出并实现了若干种虚拟现实环境下的交互模式。另外，本文还实现了两个可视分析模块:平面图表模块和立体沙盘模块。平面图表模块将传统的二维图表迁移到虚拟现实场景中，提出了若干种在沉浸式环境下的二维图表的展示和排布方案;立体沙盘模块将电网数据立体化和动态化，辅以人性化的手势交互，让分析人员能够更加自然直观地感受数据，提高分析效率和决策的正确性。
　　最后，本文设计了一个交互对比实验，验证了沉浸式虚拟现实技术相比于传统三维显示技术在交互方面有一定的优势。

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 虚拟现实技术的发展

1．2．2 可视分析研究现状

1．2．3 虚拟现实技术与交互可视化方法的结合

1．2．4 虚拟现实技术在电力系统中的应用

1．3 本文主要工作

1．4 本文组织结构

第2章 系统方案与架构设计

2．1 需求分析

2．1．1 应用场景

2．1．2 可视化与交互定义

2．2 硬件设备

2．3 软件开发环境

2．3．1 OpenGL开发环境

2．3．2 Oculus SDK

2．3．3 使用OpenGL支持虚拟现实头盔

2．3．4 其他第三方库

2．4 架构设计

2．4．1 系统整体框架

2．4．2 数据管理

2．4．3 资源管理

2．5 沉浸式环境下的交互方式

2．5．1 沉浸式环境下的界面设计

2．5．2 沉浸式环境下的输入管理

2．6 本章小结

第3章 基于平面图表的可视分析

3．1 问题定义

3．2 地理图

3．2．1 着色图层

3．2．2 动态图层

3．2．3 等高线图层

3．3 曲线图

3．3．1 曲线选择

3．3．2 曲线分析

3．4 可视分析操作与算法

3．4．1 可视分析参数和模式调节

3．4．2 图层混合算法

3．5 平面图表的切换与显示

3．5．1 多屏预览面板

3．5．2 立体切换面板

3．6 本章小结

第4章 基于立体沙盘的可视化

4．1 问题定义

4．2 三维地理图

4．2．1 三维地图

4．2．2 母线厂站

4．2．3 传输线路

4．2．4 数据展示牌

4．3 动态电压高度场

4．3．1 电压分布计算

4．3．2 动态网格更新

4．3．3 材质与着色器

4．4 电力网络方程解的三维可视化

4．5 基于虚拟手的交互

4．5．1 立体沙盘模型变换

4．5．2 立体沙盘视角快速切换

4．6 本章小结

第5章 沉浸式环境下的交互设计探索

5．1 多屏显示

5．2 手持观察模式

5．3 基于手势交互的环绕式场景

5．3．1 沉浸式环境下的手势交互

5．3．2 环绕式场景显示

5．4 3D音效报警

5．5 本章小结

第6章 结果与分析

6．1 案例分析

6．1．1 地理图可视分析案例

6．1．2 曲线图可视分析案例

6．1．3 立体沙盘可视化案例

6．2 沉浸式虚拟现实的广角效果

6．3 沉浸式环境与传统三维环境下的交互对比实验

6．3．1 实验场景

6．3．2 实验流程与变量控制

6．3．3 实验结果与分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢