張?zhí)m慶，柯 波，楊柏依，董 鵬，夏 陽(yáng)

（1.華能萊蕪發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 271102；2.北京能為科技股份有限公司，北京 100071）

0 引言

對(duì)于煤炭料場(chǎng)行業(yè)來(lái)說(shuō)，大型散料場(chǎng)需要智能化無(wú)人運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化是必須實(shí)現(xiàn)的功能。數(shù)據(jù)可視化可根據(jù)數(shù)據(jù)的特征、性質(zhì)等屬性，通過(guò)圖形圖像等合適的方式，將數(shù)據(jù)直觀地、有概念性地展示出來(lái)，幫助大家更好地、更清晰地理解數(shù)據(jù)，掌握數(shù)據(jù)中的有用信息。使用基于OpenGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的3D 展示與煤場(chǎng)的數(shù)字化展示。通過(guò)激光掃描儀將煤場(chǎng)進(jìn)行掃描形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后建立三維模型，再使用OpenGL 技術(shù)與Unity3D 技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，提出優(yōu)化建模方式極大提高了建模的效率，并且優(yōu)化了三維展示效果。

1 煤場(chǎng)三維數(shù)據(jù)

1.1 激光掃描儀料場(chǎng)掃描

三維掃描是三維成像過(guò)程中最重要的一步。堆料臂前端安裝一臺(tái)高精度激光掃描儀，取料臂前端兩側(cè)分別安裝一臺(tái)高精度激光掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)堆料取料時(shí)對(duì)當(dāng)前工作料堆的實(shí)時(shí)清晰扇形掃描。煤堆的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就是通過(guò)安裝在堆取料機(jī)［1］上的激光掃描設(shè)備掃描采集的，采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)通信錄入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要硬件為SICK LD-LRS3611型號(hào)的激光掃描儀，安裝位置與掃描原理如圖1所示。

圖1 激光掃描儀掃描煤場(chǎng)過(guò)程

1.2 料場(chǎng)掃描原理

掃描儀發(fā)射幾束激光進(jìn)行掃描，射線碰撞的地方會(huì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后通過(guò)掃描儀在空間的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)掃描整個(gè)料場(chǎng)的輪廓。激光掃描儀掃描完料堆輪廓后，需要快速、準(zhǔn)確地采集和整理工作料堆的掃描數(shù)據(jù)。激光掃描儀通過(guò)以太網(wǎng)將收集到的堆數(shù)據(jù)發(fā)送到集中控制服務(wù)器。激光掃描儀掃描出點(diǎn)工作原理如圖2 所示。

圖2 激光掃描儀掃描出點(diǎn)

2 模型建立與優(yōu)化

2.1 建模算法

先定義三維點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由每3 個(gè)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)三角面片結(jié)構(gòu)，然后再定義一個(gè)三角面片鏈表結(jié)構(gòu)用于存儲(chǔ)一系列的三角面片，并在此鏈表中存儲(chǔ)三角面片的公共屬性，如顏色、透明度等，這樣一個(gè)有數(shù)據(jù)的三角面片鏈表結(jié)構(gòu)就表示了一個(gè)三維模型，鏈表中存儲(chǔ)的三角面片公共屬性也就是模型的屬性。三維模型構(gòu)建過(guò)程為：三維點(diǎn)→三角面片→三維模型［2］，如圖3 所示。

圖3 三維模型構(gòu)建過(guò)程

圖4 所示流程僅為為幾個(gè)點(diǎn)面的程序流程，獲取到以A 點(diǎn)為基礎(chǔ)，以X 軸與Z 軸方向最大擴(kuò)展距離的三維點(diǎn)鏈表。三維煤場(chǎng)的點(diǎn)面數(shù)據(jù)上千個(gè)，大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在處理時(shí)會(huì)涉及多重循環(huán)，會(huì)導(dǎo)致頻繁迭代處理，嚴(yán)重影響服務(wù)器的性能。再者，由于激光掃描測(cè)量收集的數(shù)據(jù)密度特別高，并且這些點(diǎn)由于堆取料機(jī)的抖動(dòng)和距離變化而分布不規(guī)則，并且所有這些離散點(diǎn)都被用于構(gòu)建三維模型，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這將占用更多的計(jì)算資源，并且不利于后續(xù)的實(shí)時(shí)計(jì)算處理。為此，引入了模型優(yōu)化算法。

圖4 煤場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)處理流程

2.2 模型優(yōu)化

首先是對(duì)內(nèi)存優(yōu)化［3］。設(shè)置OpenGL 系統(tǒng)上的專屬內(nèi)存區(qū)域，將局部?jī)?nèi)存區(qū)域映射到全局內(nèi)存的區(qū)段，這個(gè)內(nèi)存區(qū)域是一個(gè)工作項(xiàng)私有的區(qū)域。工作項(xiàng)私有內(nèi)存中定義的變量對(duì)其他工作項(xiàng)不可見(jiàn)。工作項(xiàng)在處理單元上運(yùn)行，有其自己的私有內(nèi)存。工作項(xiàng)在一個(gè)計(jì)算單元上運(yùn)行，與該組中的工作項(xiàng)共享一個(gè)局部?jī)?nèi)存區(qū)域。由此來(lái)減少對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的消耗。

其次是通過(guò)高斯濾波算法對(duì)煤堆顯示效果進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)三維圖像處理與成像軟件的自動(dòng)糾錯(cuò)、降噪處理功能，對(duì)明顯的噪聲數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)過(guò)濾，形成直觀、平滑、完整的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而生成更加美觀與直觀的模型效果。

再次，通過(guò)高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑以消除噪聲，然后計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)，并通過(guò)二階導(dǎo)數(shù)的過(guò)零來(lái)確定邊緣。在計(jì)算中，將復(fù)雜的卷積轉(zhuǎn)換為乘積運(yùn)算，降低運(yùn)算量和計(jì)算復(fù)雜度。

3 模型動(dòng)態(tài)顯示

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云的采集到對(duì)數(shù)據(jù)建模處理以及優(yōu)化效果所得到模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，共有兩種渲染方式。

3.1 OpenGL 渲染

首先，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的點(diǎn)線面順序值的節(jié)點(diǎn)和點(diǎn)線面狀態(tài)屬性的節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行樹(shù)形結(jié)構(gòu)的建立。

然后，兩個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)建立完成后，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)樹(shù)形結(jié)構(gòu)的葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序工作，由根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始遍歷，依次渲染實(shí)體節(jié)點(diǎn)；然后再根據(jù)狀態(tài)樹(shù)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，應(yīng)用該渲染葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的OpenGL 狀態(tài)屬性，達(dá)到某種OpenGL 狀態(tài)之后，進(jìn)行渲染葉子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的提交渲染［4］。

圖5 OpenGL 渲染樹(shù)結(jié)構(gòu)

3.2 Unity3D 渲染

Unity3D 渲染模型是直接導(dǎo)入渲染，但在使用的過(guò)程中不能實(shí)時(shí)渲染，因此導(dǎo)入渲染是不可行的。于是使用了動(dòng)態(tài)加載，使用能動(dòng)態(tài)生成U3D 支持的渲染模式，并設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)繪制Mesh 函數(shù)，通過(guò)讀取與解析已生成點(diǎn)源模型信息的方式獲取模型信息，動(dòng)態(tài)為Mesh 的點(diǎn)線面賦值。實(shí)時(shí)生成可視化3 維模型的效果［5］，實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程如圖6 所示，某電廠的實(shí)時(shí)效果如圖7 所示。

圖6 Unity3D 渲染流程

圖7 Unity3D 渲染效果

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)已經(jīng)在某電廠進(jìn)行了實(shí)施，并獲得了不錯(cuò)的成效。實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的三維展示，并且實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)，煤場(chǎng)的分區(qū)數(shù)據(jù)可在三維展示圖上進(jìn)行展示，在堆取料機(jī)無(wú)人值守過(guò)程中將數(shù)據(jù)直觀地展示出來(lái)，幫助大家更好地清晰理解煤場(chǎng)現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)，并掌握煤場(chǎng)數(shù)據(jù)中的有用信息。