Processamento e visualização de campos em ambientes virtuais e sistemas CAD 3D aplicados a projetos de iluminação em subestações

Abstract

Resumo: Sistemas de visualização de dados científicos são, hoje, vitais em diversas áreas, como medicina e engenharia, por exemplo. Com eles é possível analisar com maior eficiência grandes conjuntos de dados complexos, provenientes de sensores ou de simulações computacionais. A tecnologia de Realidade Virtual (RV), por sua vez, representa uma forma avançada de interface em que o usuário tem a sensação de estar "dentro" de um ambiente virtual tridimensional (3D) e pode interagir com este. O uso de RV para Visualização Científica (VC) envolve uma arquitetura de sistemas complexa, mas possui grande potencial para diversas aplicações. Nesta dissertação, apresenta-se um estudo sobre processamento e pós-processamento de campos de iluminância que faz uso de técnicas de Visualização Científica (VC) e interface em RV com o fim de simular a iluminação direta em subestações de energia elétrica, provendo a visualização dos resultados numéricos em um ambiente virtual tridimensional (3D) simultaneamente à visualização de modelos CAD (Computer Aided Design). O estudo foi feito por meio de uma extensa pesquisa bibliográfica e do desenvolvimento de algoritmos de processamento e pós-processamento de dados. Como resultado, obteve-se um aplicativo para cálculo da iluminação direta, em malhas 2D ou 3D, e visualização em ambiente virtual 3D. Uma análise da obstrução da luz por corpos opacos pôde ser implementada por meio da integração dos algoritmos com o software de CAD 3D SolidWorks que, por sua vez, permite a exportação para o formato VRML (Virtual Reality Modeling Language). Questões relativas à simulação de iluminação, uso da ferramenta VTK (Visualization ToolKit), otimização de modelos CAD para uso em sistemas de rendering em tempo real, dispositivos não convencionais de entrada e saída de dados, e aplicações em subestações de energia elétrica são abordadas. Foi usado como conjunto de testes o modelo de dados obtidos de uma subestação real, em operação, pertencente a uma empresa do setor energético brasileiro.

Abstract: Nowadays visualization systems are very important in several areas, such as medicine and engineering. It is possible to analyze complex data sets obtained for sensors or computational simulations. The Virtual Reality (VR) technology represents an advanced form of interface with which the user has the sensation to be inside the virtual environment, interacting with it. The use of VR for Scientific Visualization (SciVis) involves a complex system architecture but has great potential for many applications. This dissertation presents a study about illuminance field processing and post-processing using SciVis techniques and VR interface. It aims at simulating direct illumination in electric power substations and to provide results for visualization in three-dimensional (3D) virtual environment combined with actual 3D CAD (Computer Aided Design) models. In this context, this work describes a study on SciVis techniques and tools, virtual environments and VR systems, and the development of algorithms for illuminance field processing and post-processing. A tool for direct illumination calculation has been developed for 2D and 3D meshes, considering opaques obstacles and the integration with the SolidWorks CAD software. In addition, the use of a 3D CAD system functionalities allows for another integration with virtual environment through the data exportation using VRML (Virtual Reality Modeling Language) format. Some issues about illumination processing and post-processing, the use of VTK (Visualization ToolKit), field visualization techniques, CAD models optimizations for use in real-time rendering systems, VR devices and its applications in power systems substations situations are presented. An actual data model of a Brazilian power substation has been used during this study.